Piece retortowe do azotowania, odpuszczania, wyżarzania – ZeroFlow

Na wprowadzeniu azotu do powierzchni metalu lub stopu (zwykle stali) w procesie cieplno-chemicznym.

Skutkuje powstaniem utwardzonej warstwy powierzchniowej o zwiększonej wytrzymałości mechanicznej i odporności na ścieranie oraz korozję.

Znajduje zastosowanie w wytwarzaniu elementów maszyn współpracujących ze sobą ciernie, w układach przenoszenia napędu m.in. takich jak: koła, wałki zębate, pierścienie, tuleje, łożyska, popychacze, itp. oraz do ulepszania powierzchni narzędzi skrawających i matryc do obróbki plastycznej.

Zwykle azotowanie jest poprzedzone ulepszaniem cieplnym (z hartowaniem), podczas gdy hartowanie występuje po nawęglaniu.

Azotowanie prowadzi się w temperaturach 450-600 ^oC, natomiast nawęglanie w temperaturach austenityzacji, zwykle 800-1100 ^oC.

Zwykle nawęglanie stosuje się tam, gdzie wymagane są grubsze warstwy utwardzone, do większych obciążeń i masywniejszych części. Azotowanie znajduje zastosowanie w cieńszych warstwach, gdzie kluczowa jest odporność na ścieranie.

Utwardzona warstwa azotowana może osiągać wyższą twardość i mniejsze tarcie oraz wykazywać lepszą odporność na wyższą temperaturę i własności antykorozyjne.

Azotowanie ZeroFlow to metoda azotowania gazowego opracowana i wdrożona przez SECO/WARWICK wraz z naukowcami z Politechniki Poznańskiej.

Azotowanie ZeroFlow zostało opracowane 20 lat temu i niemal natychmiast wdrożone do przemysłu.

W światowym przemyśle działa ponad 100 systemów do azotowania metodą ZeroFlow.

Występujące zjawiska i zasada działania procesu są identyczne z klasycznym azotowaniem gazowym, różnica polega na sposobie jego realizacji.

Azotowanie ZeroFlow od SECO/WARICK wyróżnia się użyciem tylko amoniaku, jako gazu procesowego i w minimalnych ilościach, niezbędnych do zbudowania wymaganej warstwy.

Nazwa pochodzi od unikalnej cechy procesowej, kiedy to azotowanie odbywa się w zamkniętym szczelnie piecu bez dopływu amoniaku (czy jakiejkolwiek gazów) – zero przepływu – ZeroFlow.

Tak, w każdym przypadku.

Nie, jeżeli mają być wykorzystane przewagi technologii ZeroFlow.

Korzyści azotowania metodą ZeroFlow dotyczą wielu obszarów, z których najważniejszym są: tredukcja kosztów procesu, jakości, eksploatacji oraz ekologii.

ZeroFlow zapewnia minimalne zużycie amoniaku, tylko na potrzeby budowania wymaganej warstwy. Nie jest wymagany ciągły przepływ atmosfery, jak w przypadku pieców tradycyjnych.

Nie występuje zużycie amoniaku w celu zapewnienia zdysocjowanego amoniaku do kontroli procesu azotowania. W ZeroFlow przyspieszenie dysocjacji amoniaku wymagane procesem, odbywa się w przestrzeni roboczej za pomocą dysocjatora zintegrowanego (wewnętrznego). Redukuje to zużycie amoniaku i energii.

Płukanie próżniowe redukuje zużycie amoniaku i azotu oraz skraca czas procesu i zmniejsza zużycie energii.

Najważniejsze zalety azotowania metodą ZeroFlow można zebrać w 5 obszarów:

1. Umiejętność użycia samego amoniaku, jako najbardziej wydajnego nośnika azotu (bez rozrzedzania innymi gazami np. azotem, czy zdysocjowanym amoniakiem).
2. Minimalne zapotrzebowanie na amoniak, tj. tylko w celu dostarczenia niezbędnej ilości azotu do obrabianych części w szczelnie zamkniętym piecu (w przeciwieństwie do procesu tradycyjnego, w którym atmosfera ciągle przepływa przez otwarty piec, a tylko jej nieznaczna część służy azotowaniu).
3. Zastosowanie odpompowania próżniowego pieca (zamiast tradycyjnego płukania gazami procesowymi), które wielokrotnie zmniejsza konsumpcję gazów procesowych (amoniaku i azotu).
4. Precyzyjna i dynamiczna kontrola procesu poprzez bezpośredni pomiar i kontrolę składu atmosfery azotującej wewnątrz pieca za pomocą samego amoniaku i wewnętrznej dysocjacji

Zapewnienie bardzo wysokiej dokładności formowania wymaganej warstwy azotowanej przy minimalnych kosztach operacyjnych.

Najważniejszą korzyścią ekologiczną azotowania ZeroFlow jest minimalne zapotrzebowanie na amoniak. Azotowanie od SECO/WARWICK potrzebuje amoniaku tylko w celu dostarczenia niezbędnej ilości azotu do obrabianych części w szczelnie zamkniętym piecu, oznacza automatycznie minimalną emisję gazów poprocesowych.

Zasadnicza rożnica między piecem do azotowania tradycyjnego a nowoczesnego azotowania ZeroFlow sprowadza się do 3 obszarów:

1. Konstrukcja pieca retortowego ZeroFlow umożliwia bezpieczną pracę bez przepływu gazów przez piec, szczelnie zamknięty.
2. Nie wymaga dysocjatora zewnętrznego.
3. Do kontroli procesu (Kn) używa tylko jednego analizatora gazu, wodoru podłączonego bezpośrednio do retorty pieca nie wymagającego poboru próbki atmosfery.

Za pomocą regulacji potencjału azotowego Kn, podobnie do procesów tradycyjnych. Kn atmosfery azotującej określa zdolność do wprowadzania azotu do powierzchni.

Potencjał azotowy określany jest jako stosunku ciśnienia cząstkowego amoniaku i wodoru w atmosferze zgodnie ze wzorem

w odniesieniu do reakcji chemicznej towarzyszącej procesowi azotowania. Wyliczany jest on na podstawie wskazań czujnika zawartości wodoru.

W procesach tradycyjnych niezbędne są analizatory stężenia obu gazów: amoniaku i wodoru.

W azotowaniu ZeroFlow wystarczy tylko analizator wodoru.

Ze względu na zastosowanie w ZeroFlow  tylko amoniaku, atmosfera azotująca ma skład  stechiometryczny (substraty i produkty reakcji są w stałych proporcjach). Oznacza to, że ze stężenia wodoru wynika stężenie amoniaku i odwrotnie. Zatem wystarczy znać stężenie jednego z gazów, aby określić stężenie drugiego i obliczyć Kn.

W przypadku tradycyjnych procesów stosujących dodatkowo zdysocjowany amoniak lub azot, atmosfera nie jest stechiometryczna i konieczne jest użycie dwóch mierników: amoniaku i wodoru.

Azotowanie ZeroFlow jest najbardziej precyzyjnym procesem, gdyż atmosfera jest stechiometryczna i stosuje tylko jeden czujnik wodoru mierzący atmosferę bezpośrednio w retorcie.

Tradycyjne azotowanie używa 2 analizatorów i podwaja błędy pomiarowe oraz wymaga stałego wypływu atmosfery do analizatora amoniaku (strata atmosfery).

Używanie w ZeroFlow tylko amoniaku, wynika z faktu, iż dostarcza on azotu do procesu i nie ma konieczności rozrzedzania go innymi gazami (typowo zdysocjowanym amoniakiem lub azotem).

Gazy te stosowane są do rozrzedzenia amoniaku i zmniejszenia potencjału azotowego Kn.

Obniża się za pomocą zintegrowanego dysocjatora umieszczonego wewnątrz retorty, który przyspiesza dysocjację amoniaku bezpośrednio w retorcie. Baz straty amoniaku i energii dysocjatora zewnętrznego, jak to jest w przypadku azotowania tradycyjnego.

Symulator jest narzędziem wspomagającym zbudowania receptury dla wymaganego rezultatu w postaci profilu azotu oraz struktury.

Proces nie jest procesem intuicyjnym i nie można w prosty sposób przewidzieć jego rezultatów bez wsparcia symulatora.

Symulator umożliwia precyzyjne dobranie parametrów receptury do wymaganego rezultatu.

Ogranicza skutecznie konieczność wykonywania wielu prób i badań dla nowych procesów.