Próżniowe azotowanie segmentowe stali X37CrMo51

Próżniowe azotowanie segmentowe stali X37CrMo51

EMILIA WOŁOWIEC, BARTŁOMIEJ JANUSZEWICZ, PIOTR KULA, LESZEK KLIMEK,
ROBERT PIETRASIK, ADAM RZEPKOWSKI, ANTONI RZEPKOWSKI
Próżniowe azotowanie segmentowe
stali X37CrMo51
WPROWADZENIE
Azotowanie to zabieg obróbki cieplno-chemicznej polegający na
nasycaniu warstwy wierzchniej stali azotem w celu uzyskania
bardzo twardej i odpornej na zużycie przez tarcie powierzchni,
z jednoczesnym zachowaniem właściwości i mikrostruktury
rdzenia. Podstawy teoretyczne oraz wpływ warunków i parametrów na strukturę i właściwości warstw azotowanych są szeroko
opisane w literaturze przedmiotu [1÷11]. Proces azotowania stosowany w celu wydłużenia czasu pracy części maszyn i narzędzi
wpływa w rezultacie na zmniejszenie kosztów produkcji i eksploatacji. Ekonomiczne i ekologiczne zalety procesu azotowania
mogą być osiągane w procesach, w których kształtowanie się
warstwy azotowanej następuje w możliwie krótkim czasie przy
możliwie małym zużyciu energii elektrycznej oraz gazów
roboczych.
Tradycyjne metody azotowania nie pozwalały na dokładną
kontrolę wzrostu warstwy azotowanej [12]. Azotowanie w amoniaku pod ciśnieniem atmosferycznym bądź wyższym powodowało w praktyce przemysłowej wystąpienie powierzchniowej
strefy azotków żelaza ε + γ' (zwykle bardzo grubej i kruchej),
którą usuwano przez szlifowanie [13, 14], co zasadniczo zwiększało koszt procesu wytwarzania. W celu zwiększenia kontroli nad
konstytuowaniem się warstwy wierzchniej w procesach azotowania wprowadzono atmosfery dwuskładnikowe składające się
z amoniaku i amoniaku dysocjowanego (NH3+NH3diss.) [15, 16],
jak również amoniaku i cząsteczkowego azotu (NH3 + N2)
[17÷19]. Regulacja natężenia przepływu atmosfery przez retortę
umożliwia wytworzenie warstwy o wymaganej kompozycji faz
(składającej się z ε + γ' + α, γ' + α lub tylko strefy α).
Rozcieńczanie azotu cząsteczkowego amoniakiem dysocjowanym
(NH3diss.) powoduje zmniejszenie ilości dostarczanego atomowego azotu do powierzchni, co prowadzi do redukcji jego stężenia, a przez to do ograniczenia wzrostu lub braku niepożądanej
kruchej warstwy azotków. Podobne warstwy z ograniczoną
grubością fazy ε lub ε + γ' można uzyskać w procesie azotowania
próżniowego (Nitrovac) [20], lub przez azotowanie plazmowe [13,
14]. Procesy te umożliwiają wyeliminowanie końcowego
szlifowania, co obniża znacząco koszty całego procesu
wytwarzania.
Azotowanie pod obniżonym ciśnieniem metodą LPN (lowpressure nitriding) jest interesującą alternatywą dla obróbki
konwencjonalnej, szczególnie gdy wszystkie zabiegi cieplne są
przeprowadzane kompleksowo w jednym cyklu pieca, np.
przechodząc sekwencyjnie przez hartowanie, wielokrotne odpuszczanie i finalnie azotowanie. Taki sposób obróbki, bez konieczności wyjmowania elementów obrabianych z urządzenia między
kolejnymi procesami, ma dodatkowe zalety, którymi są przede
wszystkim otrzymywanie równomiernego wzrostu warstwy
azotowanej bez konieczności chemicznej aktywacji powierzchni.
Dr hab. inż. Emilia Wołowiec ([email protected]), dr inż. Bartłomiej
Januszewicz, prof. dr hab. inż. Piotr Kula, prof. dr hab. inż. Leszek Klimek, dr inż.
Robert Pietrasik, dr inż. Adam Rzepkowski, mgr inż. Antoni Rzepkowski –
Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka
Decyduje o tym etap grzania w obniżonym ciśnieniu, w którym
przy takim sposobie prowadzenia obróbki występuje redukcja oraz
aktywacja powierzchni elementów. Natomiast prognozowanie kinetyki przebiegu procesów nierównowagowych, do których zalicza się azotowanie niskociśnieniowe, ze względu na nieliniowy
charakter zjawisk towarzyszących tym procesom wymaga wsparcia metodami komputerowymi. Dlatego w badaniach nad azotowaniem niskociśnieniowym dąży się do opracowania technologii
azotowania pod obniżonym ciśnieniem, w połączeniu z komputerowymi systemami wsparcia, zapewniającymi lepszą przewidywalność tych procesów [12, 21, 22].
Problem kontroli procesu azotowania próżniowego jest trudny
do rozwiązania. Zbiór zależności opisujący relację między
parametrami procesu azotowania a cechami warstwy azotowanej
należy do skomplikowanych, ze względu na nierównowagowy
charakter azotowania [23]. Mając to na uwadze, obecnie rezygnuje
się z analitycznego rozwiązywania zagadnienia, korzystając
z analizy danych metodami eksploracji danych data mining.
Model azotowania pod obniżonym ciśnieniem opisany w pracy
[24] w całości oparto na metodach sieci neuronowych. Oceny
typów stali i specyfiki przebiegu ich azotowania dokonano,
stosując sieci neuronowe do modelowania problemów klasyfikacji
a kinetykę dyfuzji w układach wielofazowych oraz zależności
formowania się faz: dyfuzyjnej, γ i ε, odwzorowano za pomocą
sieci neuronowych do modelowania problemów regresyjnych.
Celem przedstawionych w pracy badań było lepsze poznanie
kinetyki przebiegu procesu azotowania niskociśnieniowego oraz
wyjaśnienie aspektów nie opisanych w literaturze, przy czym
głównym zagadnieniem poznawczym było rozstrzygnięcie wpływu lub braku wpływu azotu jako gazu obojętnego na równomierność warstwy azotowanej w etapie wygrzewania. Ułożono
macierz procesów azotowania pod obniżonym ciśnieniem, aby
ustalić wpływ głównych parametrów procesu (temperatury, czasu,
gazu wygrzewającego, segmentacji) na właściwości wynikowe
warstw azotowanych. Wszystkie procesy prowadzono przy stałym
przepływie amoniaku w fazie nasycania (15 l/h) i stałym ciśnieniu
p w etapach nasycania równym 26 hPa. Wykazano różnice w
otrzymanych wartościach twardości powierzchniowej HV10 oraz
profilach twardości w warstwach azotowanych.
MATERIAŁY I METODY BADAŃ
Procesom azotowania próżniowego poddano próbki wykonane ze
stali X37CrMo51 (tab. 1). Materiał podłoża przed procesami
azotowania poddano hartowaniu z temperatury 1030°C oraz
odpuszczaniu w temperaturze 570°C przez 2 h, w celu uzyskania
właściwej struktury rdzenia – martenzytu odpuszczonego oraz
węglików.
Tabela 1. Skład chemiczny stali użytej do badań
Table 1. Chemical composition of the steel used in the experiment
C
Si
Mn
Cr
Mo
Ni
V
Fe
0,37
1,00
0,38
5,15
1,30
0,00
0,40
91,4
Nr 5/2014 ___________________ I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ________________________ 427
Procesy azotowania segmentowego przeprowadzono w piecu
uniwersalnym VPT w temperaturze 560°C, w atmosferze
amoniaku przy ciśnieniu 26 hPa. Próbki przygotowano w postaci
krążków o wymiarach ø25×6 mm. Procesy azotowania zrealizowano w systemie "boost-diffusion" według założeń opracowanych
w ramach realizacji projektu badawczego i przedstawionych
w pracy [12]. W tabeli 2 przedstawiono podstawowe parametry
procesów. W kolumnie "Segmentacja" cyfra oznacza czas etapu
w godzinach, natomiast litera – rodzaj segmentu: A – azotowanie,
D – dyfuzja (a dokładnie wytrzymanie).
Po wykonaniu obróbki na próbkach mierzono grubość warstw
azotowanych, na podstawie obrazów mikrostruktur uzyskanych za
pomocą mikroskopu świetlnego (rys. 1) oraz na podstawie profili
twardości. Przyjęto kryteria: twardość rdzenia + 50 HV, twardość
rdzenia + 100 HV oraz twardość rdzenia + 150 HV. Określono
grubość powierzchniowych warstw azotkowych (rys. 2 i 3) oraz w
sposób jakościowy ilość wydzieleń fazy γ’. Ponadto wykonano
pomiary twardości powierzchniowej HV10.
Twardość powierzchniową badano na twardościomierzu uniwersalnym KB Pruftechnik przy obciążeniu 10 kG (tab. 3), profil
mikrotwardości rejestrowano na mikrotwardościomierzu automatycznym KB, stosując obciążenie 100 G, mikrostrukturę ujawniono
na poprzecznych szlifach metalograficznych, które po wytrawieniu
w odczynniku Mi1Fe obserwowano na mikroskopie świetlnym
Nikon.
Rys. 1. Mikrostruktura warstwy azotowanej w stali X37CrMoV51 po
azotowaniu próżniowym (temperatura 540°C, segmentacja 3A 3D);
trawiono Mi1Fe
Fig. 1. Microstructure of nitrided layer of X37CrMoV51 steel after
vacuum nitriding (temperature 540°C, segmentation 3A 3D); etchant
Mi1Fe
WYNIKI BADAŃ
Wyniki badań grubości warstw przedstawiono w tabeli 4. Z jej
analizy wynika, że obecność azotu jako gazu obojętnego w etapie
wygrzewania procesu azotowania ma istotny wpływ na równomierność i powtarzalność tworzących się warstw azotowanych.
Można natomiast przypuszczać, że niska próżnia, w której prowadzono część procesów, nie jest atmosferą zupełnie obojętną, co
prawdopodobnie jest związane z oddziaływaniem na powierzchnię
materiału pewnych ilości wodoru, będącego produktem rozpadu
amoniaku, zalegającego w komorze pieca po etapie nasycania.
Tabela 2. Parametry procesów azotowania
Table 2. Vacuum nitriding parameters
Lp.
Temp.
°C
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
560
560
560
560
560
560
560
560
560
560
Czas
procesu
h
2
4
4
4
4
4
4
4
4
4
Segmentacja
h
2N
4N
2N 2D
2N 2D
3N 1D
3N 1D
1N 1D 1N 1D
1N 1D 1N 1D
0,5N 1D 0,5N 1D 0,5N 0,5D
0,5N 1D 0,5N 1D 0,5N 0,5D
Etap
wytrzymania
–
–
w próżni
w azocie
w próżni
w azocie
w próżni
w azocie
w próżni
w azocie
Rys. 2. Mikrostruktura warstwy azotowanej w stali X37CrMoV51 po
azotowaniu próżniowym (temperatura 560°C, segmentacja 0,5 h N,
1D, 0,5 h N, 1D, 0,5 h N, 0,5 h D): trawiono Mi1Fe
Fig. 2. EN Structure of nitrided layer of X37CrMoV51 steel after
vacuum nitriding (temperature 560°C, segmentation 0.5 h N, 1D, 0.5 h
N, 1D, 0.5 h N, 0.5 h D), etchant Mi1Fe
Tabela 3. Wyniki badań struktury i twardości warstw dla stali X37CrMoV5-1
Table 3. The results of structure and hardness investigation for steel X37CrMoV5-1
Lp.
Temp.
°C
Segmentacja
h
Etap
wytrzymania
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
560
560
560
560
560
560
560
560
560
560
2N
4N
2N 2D
2N 2D
3N 1D
3N 1D
1N 1D 1N 1D
1N 1D 1N 1D
0,5N 1D 0,5N 1D 0,5N 0,5D
0,5N 1D 0,5N 1D 0,5N 0,5D
–
–
w próżni
w azocie
w próżni
w azocie
w próżni
w azocie
w próżni
w azocie
Twardość
powierzchni
HV
876 (±3)
1044 (±5)
821 (±14)
949 (±7)
944 (±40)
989 (±5)
726 (±10)
810 (±30)
616 (±7)
904 (±12)
Siatka azotków
Nie
Nie
Nie
Nie
Nie
Nie
Nie
Nie
Nie
Nie
428 ________________________ I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A __________________ ROK XXXV
Tabela 4. Wyniki badań grubości warstw dla stali X37CrMoV51
Table 4. The results of nitrided layer thickness investigation for steel
X37CrMoV5
Grubość warstwy dyfuzyjnej, µm
Lp.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
gHV+50
gHV+100
gHV+150
147
150
132
135
130
130
86
98
60
100
132
136
105
100
103
110
65
75
45
88
120
126
95
88
90
95
48
68
37
80
Grubość
warstwy
azotków
µm
3,0
7,5
0,0
3,0
0,0
5,3
0,0
0,0
0,0
4,5
grzewania. W elementach stalowych poddawanych azotowaniu
z etapami wytrzymania prowadzonymi w próżni obserwowano
cieńsze warstwy białe lub w ogóle brak warstwy białej, jak
również obserwowano cieńsze warstwy roztworowe w porównaniu z elementami azotowanymi z wytrzymaniem w azocie. W ich
przypadku niekiedy występowały również niejednorodności
warstw, czego nie obserwowano w próbkach wygrzewanych
w azocie. Wynika z tego, że wprowadzenie do komory urządzenia
azotu w etapie wytrzymania stabilizuje zjawiska powierzchniowe
w tym etapie procesu, co ma kluczowe znaczenie dla
powtarzalności w prowadzeniu procesów azotowania pod
obniżonym ciśnieniem.
PODZIĘKOWANIE
Badania sfinansowano w ramach projektu Nr 5216/B/T02/
2010/39.
LITERATURA
Rys. 3. Mikrostruktura warstwy azotowanej w stali X37CrMoV51 po
azotowaniu próżniowym (temperatura 560°C, segmentacja 2 h N, 2 h
D): trawiono Mi1Fe
Fig. 3. Structure of nitrided layer of X37CrMoV51 steel after vacuum
nitriding (temperature 560°C, segmentation 2 h N, 2 h D), etchant
Mi1Fe
PODSUMOWANIE
Przeprowadzone badania próbek ze stali szybkotnącej X37CrMoV51
poddanych azotowaniu w procesie „boost-diffusion” wskazują, że
zaproponowana technologia umożliwia kontrolę procesu azotowania w uniwersalnych piecach próżniowych. Możliwe jest
uzyskanie powierzchniowych warstw azotowanych bez niekorzystnych przypowierzchniowych warstw azotków żelaza w obrabianych materiałach, co ma duże znaczenie zwłaszcza w przypadku często stosowanych obróbek duplexowych. Uzyskanie wyłącznie strefy azotowania wewnętrznego w warstwie wierzchniej
narzędzi wykonanych ze stali szybkotnących może przyczynić się
do zwiększenia trwałości narzędzia w przypadku pokrycia jego
powierzchni warstwą przeciwzużyciową w procesie PVD.
W warstwie wierzchniej azotowanej nie zaobserwowano także
wydzieleń fazy γ' po granicach ziaren, co również jest cechą
pożądaną, ponieważ wydzielenia kruchych faz azotkowych po
granicach ziaren niekorzystnie wpływają na wytrzymałość
materiału. Zaproponowane parametry procesu z segmentami
wytrzymania w azocie umożliwiły uzyskanie warstw azotowanych
o grubości około 100 mikrometrów, co, biorąc pod uwagę
całkowity czas procesu 4 h, jest wartością akceptowalną i w przypadku narzędzi skrawających wystarczającą. Sposób podziału
procesu na segmenty azotowania i dyfuzji nie wpłynął znacząco na
profil mikrotwardości oraz całkowitą grubość warstwy.
Natomiast istnieją różnice we właściwościach warstw azotowanych w zależności od sposobu prowadzenia etapów wy-
[1] Lehrer E.: Magnetische Untersuchungen uber das System EisenStickstoff. Zeitschrift fur Elektrochemie 7 (1930) 471.
[2] Jack K.: The iron-nitrogen system. Acta Crystallographica 3 (1954)
404÷411.
[3] Smirnov A., Kuleshov J.: Calculation of diluted ammonia nitriding
reactions. MiTOM 5 (1966) 45÷49.
[4] Łachtin J., Kogan J., Struve N.: Entwicklungstendenzen des Gasnitrierens.
Neue Hutte 6 (1977) 320÷324.
[5] Kula P.: Sorpcja wodoru w warstwie azotowanej oraz jej wpływ na tarcie
i zużycie. Politechnika Łódzka, Łódź (1993).
[6] Kula P.: Inżynieria warstwy wierzchniej. Politechnika Łódzka, Łódź
(2000).
[7] Małdziński L.: Termodynamiczne, kinetyczne i technologiczne aspekty
wytwarzania warstwy azotowanej na żelazie i stalach w procesach
azotowania gazowego. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań
(2002).
[8] Ratajski J.: Wybrane aspekty współczesnego azotowania gazowego pod
kątem sterowania procesem. Politechnika Koszalińska, Koszalin (2003).
[9] Zyśk J.: Rozwój azotowania gazowego stopów żelaza. Instytut Mechaniki
Precyzyjnej, Warszawa (2008).
[10] Ratajski J.: Matematyczne modelowanie procesu azotowania gazowego.
Politechnika Koszalińska, Koszalin (2011).
[11] Michalski J.: Charakterystyki i obliczenia atmosfer do regulowanego
azotowania gazowego stali: Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa
(2011).
[12] Kula P., Wołowiec E., Pietrasik R., Dybowski K., Januszewicz B.: Nonsteady state approach to the vacuum nitriding for tools. Vacuum 88 (2013)
1÷7.
[13] Knerr C. H., Rose Th. C., Filkowski J. H.: Gas nitriding. ASM
HandbookTM Vol. 4, Heat Treating (1991) 387÷425.
[14] Sinha A. K. (Ed.): Physical metallurgy handbook. McGraw-Hill, New
York (2003).
[15] Floe C. F.: A study of the nitriding process. Transactions for American
Society for Metals 32 (1944) 134÷149.
[16] Avery H. S. (Ed.): Surface protection against wear and corrosion. ASM
(1953) 123÷143.
[17] Minkevich A. N: Thermochemical treatment of metals and alloys.
Mashinostroenie (1965) 331.
[18] Sorokin Y., Minkevich A. N.: Nitriding steel in a mixture of nitrogen and
ammonia. MiTOM 5 (1966) 49÷52.
[19] Tacikowski J., Zyśk J.: Sposób azotowania gazowego. Patent PL85924B
(1976).
[20] Haś Z., Kula P.: Nitrovac’79 – Nowa technologia obróbki cieplnochemicznej elementów maszyn i narzędzi. Inżynieria Materiałowa 5 (16)
(1983) 127÷132.
[21] Korecki M., Olejnik J., Bazel M., Kula P., Pietrasik R., Wołowiec E.:
Multi-purpose LPC+LPN+HPGQ 25 bar N2/He single chamber vacuum
furnaces. 3rd International Conference on Heat Treatment and Surface
Engineering of Tools and Dies, Wels, Austria, 23-25.03.2011.
[22] Korecki M., Kula P., Olejnik J.: New capabilities in HPGQ vacuum
furnaces. Industrial Heating 3 (2011) 54.
[23] Dobrodziej J., Wojutyński J., Matecki K., Gospodarczyk A., Michalski J.,
Tacikowski J., Wach P., Ratajski J., Olik R.: Możliwości zastosowania
programów komputerowych do projektowania, symulacji i weryfikacji
procesów regulowanego azotowania gazowego. Inżynieria Powierzchni 2
(2009) 34÷44.
[24] Wołowiec E.: Komputerowe projektowanie procesów obróbki cieplnej.
Politechnika Łódzka, Łódź (2013).
Nr 5/2014 ___________________ I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ________________________ 429