Próżniowe azotowanie segmentowe stali X37CrMo51
Transkrypt
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