Wybrane własnoci stali 50H21G9N4 poddanej procesowi azotowania jarzeniowego

Transkrypt

1 AMME th Wybrane własnoci stali 50H21G9N4 poddanej procesowi azotowania jarzeniowego Z. Bogdanowicz a, S. Kowalczyk a, A. Patejuk a, J.R. Sobiecki b a Wydział Mechaniczny, Wojskowa Akademia Techniczna b Wydział Inynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska W pracy zbadano podstawowe własnoci mechaniczne stali zaworowej 50H21G9N4 z modyfikowan warstw wierzchni wytworzon po azotowaniu jarzeniowym. Okrelono wytrzymało statyczn, udarno i odporno na zuycie przez tarcie, a take wytrzymało zmczeniow z przedstawieniem przebiegu pkania. Przeprowadzone wyniki bada potwierdziły moliwo zastosowania tej technologii w procesach modyfikacji warstwy wierzchniej zaworów wylotowych stosowanych w silnikach spalinowych. 1. WPROWADZENIE W ostatnich latach obserwuje si tendencj wzrostu zainteresowania nad kształtowaniem właciwoci uytkowych metodami obróbki cieplno-chemicznej. Przykładowo, w krajach o wysokim stopniu rozwoju technologicznego azotowanie jarzeniowe stanowi około 70% realizowanych obróbek cieplno-chemicznych. Główne zalety azotowania jarzeniowego w porównaniu z metod konwencjonaln to skrócenie czasu azotowania, zastpienie amoniaku mieszanin H 2 i N 2, moliwo regulacji składu fazowego warstw azotowanych, a take obróbka detali o skomplikowanych kształtach i zachowanie gładkoci powierzchni obrabianych detali [1, 2]. Dalszy rozwój azotowania jarzeniowego to przede wszystkim jego modyfikacje m in. procesy wgloazotowania, tlenoazotowania, czy te realizacja procesów przy zastosowaniu plazmy generowanej zasilaniem impulsowym o wysokiej czstotliwoci. Procesom tym poddawana jest midzy innymi, take stal austenityczna wysoko-chromowa, która charakteryzuje si znacz odpornoci korozyjn. Prace koncentruj si na podwyszeniu twardoci i odpornoci na zuycie przy zachowaniu bardzo dobrej odpornoci korozyjnej [3]. Do tej pory w literaturze oraz dostpnych opracowaniach technologicznych nie spotyka si opracowa dotyczcych azotowania jarzeniowego stali austenitycznej 50H21G9N4. W praktyce przemysłowej stosuje si natomiast azotowanie kpielowe stali zaworowych, głównie ze wzgldów ekonomicznych. Negatywnym czynnikiem w tym procesie jest dua szkodliwo zwizków chemicznych (m.in. cyjanków), które posiadaj negatywny wpływ na ludzi i otaczajce rodowisko. Zastpienie azotowania kpielowego jarzeniowym pozwoli wyeliminowa te uciliwoci oraz zagwarantuje bardzo du powtarzalno procesu [4]. Mona si liczy z tym, e procesy te bd wykorzystywa inne metody umoliwiajce realizacj procesów dyfuzyjnych np. z wykorzystaniem procesów przy zastosowaniu plazmy generowanej zasilaniem impulsowym o wysokiej czstotliwoci [5,6].

2 116 Z. Bogdanowicz, S. Kowalczyk, A. Patejuk, J.R. Sobiecki W niniejszej pracy zbadano podstawowe własnoci mechaniczne takie jak: wytrzymało statyczn, udarno i odporno na zuycie przez tarcie, a take wytrzymało zmczeniow z przedstawieniem przebiegu pkania. Postawiono tez, zgodnie, z któr wytworzenie warstwy powierzchniowej przy uyciu azotowania jarzeniowego na elementach wykonanych ze stali zaworowej pozwoli na wzrost ich własnoci mechanicznych oraz zwikszenie ich trwałoci. 2. METODYKA BADA Do bada zastosowano stal austenityczn 50H21G9N4 o składzie chemicznym (0,47-0,57%C, 8-11%Mn, 21-22%Cr 3,25-4,5%Ni, reszta Fe). Na próbkach z badanej stali przeprowadzono proces azotowania jarzeniowego w temperaturze 550 C w atmosferze azotu i wodoru stosujc rozpylanie katodowe podczas nagrzewania wsadu. Pomiary mikrotwardoci zostały przeprowadzone na przekrojach poprzecznych (zgłady prostopadłe i skone) przy uyciu mikrotwardociomierza automatycznego Shimadzu. Obserwacje struktur przeprowadzono na mikroskopie optycznym Neophot oraz skaningowym LEO 435VPi. Skład chemiczny w mikroobszarach wyznaczono na mikroskopie skaningowym wyposaonym w przystawk LINK ISIS 300 firmy OXFORD słucy do mikroanalizy chemicznej. Badania właciwoci mechanicznych (R 0,2, R m ) przeprowadzono na maszynie wytrzymałociowej Instron. Odporno na zuycie w warunkach tarcia przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych w układzie trzpie-tarcza na maszynie tarciowej T-11. Przyjto nastpujce warunki badania: tarczka eliwo szare niskostopowe, trzpie materiał badany, prdko lizgania 0.4 m/s, nacisk 3 MPa, temperatura otoczenia 20 C, tarcie technicznie suche. W czasie pomiarów w sposób cigły rejestrowano sił tarcia, temperatur w obszarze wzła tarcia oraz liniow zmian wymiarów skojarzenia. Pozwoliło to na wyznaczenie liniowego zuycia skojarzenia przy uwzgldnieniu rozszerzalnoci termicznej wywołanej zmian temperatury współpracujcych materiałów. Poprawk na zmian wymiarów wyznaczano kadorazowo podczas chłodzenia badanego skojarzenia po zakoczeniu procesu tarcia. Badania trwałoci zmczeniowej próbek ze stali zaworowej 50H21G9N4 obrobionych cieplnie według technologii produkcyjnej i azotowanych przeprowadzono na pulsatorze hydraulicznym Instron Badaniom poddano próbki cylindryczne o rednicy 8mm i długoci 100mm. Zastosowano odzerowo-ttnice obcienie próbek z czstotliwoci zmian równ 20Hz. Naprenie maksymalne cyklu zmieniano od 800 do 1000MPa. Badania aroodpornoci przeprowadzono w czasie 300 godzin w temperaturze 700 i C. 3. WYNIKI BADA Zdjcia mikrostruktury warstw azotowanych przedstawiono na rys. 1a,b. Struktur wyjciow stali 50H21G9N4 stanowi równoosiowe ziarna austenitu z wydzieleniami wglików i wgloazotków. W wyniku azotowania jarzeniowego uzyskano charakterystyczn warstw powierzchniow o gruboci dochodzcej do 50µm (rys. 1b). Stwierdzono, e najlepsze warstwy powierzchniowe (wysoka twardo, dua kohezja oraz odporno na zuycie w warunkach tarcia) uzyskano w temperaturze 550 C przy duym nadmiarze N 2 w stosunku do H 2, w czasie 3h procesu azotowania. Uzyskana twardo osigała wartoci ok HV0.5. Powierzchniowy (liniowy) rozkład chemiczny podstawowych pierwiastków chemicznych przedstawia rys. 2b.

3 117 Wybrane własno ci stali 50H21G9N4 1 2 a) b) Rys. 1. Mikrostruktura warstwy powierzchniowej wytworzona na stali 50H21G9N4 w wyniku azotowania jarzeniowego przy dobranych parametrach obróbki: a w przekroju poprzecznym, b w przekroju sko nym, 1 warstwa powierzchniowa azotowana, 2 podło e - stal austenityczna a 2 1 b 1 2 Rys. 2. Mikrostruktura warstwy powierzchniowej stali 50H21G9N4 w strefie azotowanej jarzeniowo (1) i przej ciowej (2) na zgładzie sko nym oraz rozkłady liniowe pierwiastków w mikroobszarach tych stref: a mikrostruktura, b rozkład C, N, Cr, Mn, Fe, Ni w charakterystycznych obszarach (1a, 1b) wzdłu linii skanowania z rys. a).

4 118 Z. Bogdanowicz, S. Kowalczyk, A. Patejuk, J.R. Sobiecki Z analizy uzyskanych rozkładów liniowych wynika, e najwiksze stenie azotu wystpuje w obszarze 1a strefy przypowierzchniowej 1 na głbokoci kilku mikrometrów. W głbi tej strefy (obszar 1b) stenie to jest do równomierne i siga, a do strefy przejciowej 2. Pewne zmiany ste obserwuje si dla Mn (mniejsze przy powierzchni, a wiksze w głbi), które wiadcz o dyfuzji tego pierwiastka od powierzchni w głb materiału (rys. 2b). Niewielkie zmiany ste obserwuje si równie dla Cr, Fe i Ni. Z kolei równomierny rozkład w strefie 1 i 2 wykazuje wgiel. Badania wykazały, e stal 50H21G9N4 obrobiona cieplnie według technologii produkcyjnej posiada granic wytrzymałoci zmczeniowej na poziomie 830 MPa rys. 3. Natomiast w przypadku próbek tej stali poddanych azotowaniu jarzeniowemu odnotowano nieznaczne zmniejszenie trwałoci zmczeniowej w zakresie nieograniczonej wytrzymałoci zmczeniowej do około 800 MPa. Równoczenie odnotowano w tym przypadku zmniejszenie trwałoci zmczeniowej w zakresie ograniczonej wytrzymałoci zmczeniowej w stosunku do próbek nieazotowanych. Rys.3. Trwało zmczeniowa próbek ze stali zaworowej 50H21G9N4 Pkania zmczeniowe próbek ze stali zaworowej 50H21G9N4 obrobionych cieplnie według technologii produkcyjnej w kadym przypadku obcienia miało charakter pkania mieszanego składajcego si w przewaajcej czci przełomu z pkania plastycznego z niewielkim udziałem pkania kruchego. Najwyraniej ten przebieg pkania uwidaczniaj zdjcia przedstawione na rys. 4 i dotyczce próbki pracujcej przy obcieniu σ max = 1000MPa. Zdjcie na rys. 4a przedstawia cały przekrój zmczeniowy próbki z ogniskiem pkania znajdujcym si na powierzchni próbki i kierunkiem jego dalszej propagacji. Na obwodzie próbki mona zauway liczne cicia kocowe materiału. Mikrobudow powierzchni złomu z obszaru przyogniskowego pokazano na zdjciu rys.4b. W tym przypadku bardziej wyrazicie zaznaczaj si układy jamek, charakterystyczne dla pkania plastycznego o kołowo niesymetrycznym kształcie i wielkoci. Na zdjciu rys. 4c w obszarze jamek na ich dnie uwidaczniaj si lady po wydzieleniach wglikowych, bdcych składnikami struktury tej stali (wskazuj strzałki 1-4). Punktowa analiza składu chemicznego z tych obszarów przedstawiona na rys. 5 wskazuje na zawarto wglików chromu. Układy dołków (jamek) pokazano na zdjciu rys. 4d przy duym powikszeniu. Zdjcie to uwidacznia w sposób szczególny charakterystyk mikrobudowy jamek w których powierzchnie boczne s wycignite, przybierajce kształt podłunych dolin o zaznaczonym układzie tarasowo-pofałdowanym, czsto z wtrceniami na ich dnie (np. wglikowymi).

5 Wybrane własnoci stali 50H21G9N4 119 rednica tych jamek nie przekracza 5 µm. Mikrobudow powierzchni przełomu próbki z rodka i kocowego obszaru pkania ilustruje zdjcie na rysunku 4e, f. Uwidacznia si tu bardzo gwałtowny przebieg pkania połczony z dekohezj materiału na granicach ziaren. Rys. 4. Mikrobudowa przełomu zmczeniowego próbki ze stali 50H21G9N4 obrobionej cieplnie wg technologii (O-ognisko i kierunek pkania) Pkanie zmczeniowe próbek ze stali zaworowej 50H21G9N4 po azotowaniu w materiale rodzimym przebiegało analogicznie jak wyej opisano, natomiast w warstwie azotowanej dominowało pkanie kruche. Mikrobudow przełomu zmczeniowego próbki pracujcej przy obcieniu σ max = 900MPa ilustruje zdjcie na rysunku 6a. Zaznacza si tu warstwa azotowana na obwodzie próbki o gruboci 50 µm. W obszarze przejciowym warstwy azotowanej zmienia si mikrobudowa powierzchni przełomu zmczeniowego co niewtpliwie wynika ze zmiany charakteru pkania. W tym miejscu wystpuj liczne promieniste uskoki przedstawione na zdjciu na rysunku 6b.

6 120 Z. Bogdanowicz, S. Kowalczyk, A. Patejuk, J.R. Sobiecki Rys. 5. Spektogram zawartoci pierwiastków w mikroobszarze materiału próbki, rys. 11c (obszar 1) Rys. 6. Mikrobudowa przełomu zmczeniowego próbki ze stali 50H21G9N4 azotowanej jonowo po badaniach zmczeniowych przy σ max = 900MPa Wyniki bada tribologicznych dla stali zaworowej austenitycznej w stanie wyjciowym i po azotowaniu jarzeniowym przedstawiono na rys. 7. Ju w pierwszym etapie próby tribologicznej, tj. po 2000 [m] nastpił lawinowy proces zuywania si warstwy powierzchniowej stali austenitycznej w stanie wyjciowym (rys. 7) stan wyjciowy 150 zuycie [µm] po azotowaniu droga tarcia [m] Rys. 7. Wyniki bada tribologicznych stali zaworowej 50H21G9N4 przeprowadzonych na testerze T 11: przykładowy wykresy zuycia liniowego stali zaworowej w stanie wyjciowym i po azotowaniu

7 Wybrane własnoci stali 50H21G9N4 121 Procesy niszczenia przybrały gwałtowny przebieg prawdopodobnie z powodu szczepiania adhezyjnego z nastpujcym po nim rozrywaniem. Z pomiaru parametrów charakteryzujcych powierzchni elementów współpracujcych wynika, e nastpił wzrost chropowatoci powierzchni oraz wzrost współczynnika tarcia, co prowadziło do intensyfikacji procesów zuywania pary tribologicznej. Na powierzchni tej pary zaobserwowano wyrane lady zuycia w postaci ubytku materiału dla eliwnej tarczki oraz wyrane lady mikroszczepie adhezyjnych na powierzchni próbki (trzpienia) ze stali austenitycznej. Zgoła odmienny charakter zuycia zaobserwowano na powierzchni próbki ze stali 50H21G9N4 azotowanej jarzeniowo. Procesy zuycia przebiegały zdecydowanie stabilniej. W pierwszej fazie do ok [m] nastpowało do łagodne zuywanie si azotowanej warstwy powierzchniowej, natomiast w drugim etapie zaobserwowano wyran stabilizacj zuycia. W efekcie kocowym na powierzchni współpracy próbki zaobserwowano niewielkie mikrorysy, wiadczce o duej odpornoci na zuycie warstwy azotowanej jarzeniowo. a b Jednostkowa zmiana masy, g/m Czas, godz A Aa100 Aa400 Jednostkowa zmiana masy, g/m Czas, godz A Aa100 Aa400 Rys. 8. Jednostkowa zmiana masy stali 50H21G9N4 badanej w temperaturze: a C, b C (A bez warstwy naazotowanej; Aa100 azotowanie bez rozpylania, Aa400 azotowanie z rozpylaniem)

8 122 Z. Bogdanowicz, S. Kowalczyk, A. Patejuk, J.R. Sobiecki Uzyskane wyniki bada aroodpornoci wskazuj, e stal 50H21G9N4 bez warstwy dyfuzyjnej w temperaturze C, posiadaj najnisz aroodporno. Natomiast ukonstytuowanie warstwy wierzchniej metod azotowania jarzeniowego niezalenie od przyjtego wariantu nieznacznie poprawia t aroodporno (rys 8). 5. WNIOSKI 1. Warstwa powierzchniowa wytworzona na stali zaworowej przy uyciu azotowania jarzeniowego posiada wiksz odporno na zuycie w warunkach tarcia z eliwem szarym niskostopowym ni materiał w stanie wyjciowym. 2. Zastosowanie tej technologii pozwoli na uzyskanie warstwy o wysokich właciwociach mechanicznych, odpornej na zuycie w warunkach tarcia technicznie suchego, a tym samym pozwalajcej na podwyszenie ogólnej trwałoci zaworów. 3. Stal 50H21G9N4 obrobiona cieplnie według technologii produkcyjnej posiada granic wytrzymałoci zmczeniowej na poziomie 830 MPa. 4. Poddanie badanej stali azotowaniu jarzeniowemu powoduje nieznaczne zmniejszenie trwałoci zmczeniowej w zakresie nieograniczonej wytrzymałoci zmczeniowej do około 800 MPa. Równoczenie wystpiło zmniejszenie trwałoci zmczeniowej w zakresie ograniczonej wytrzymałoci zmczeniowej w stosunku do próbek nieazotowanych. 5. Pkania zmczeniowe próbek ze stali zaworowej 50H21G9N4 obrobionych cieplnie według technologii produkcyjnej w kadym przypadku obcienia miało charakter pkania mieszanego składajcego si w przewaajcej czci przełomu z pkania plastycznego z niewielkim udziałem pkania kruchego. 6. Pkanie zmczeniowe próbek ze stali zaworowej 50H21G9N4 po azotowaniu w materiale rodzimym przebiegało analogicznie jak wyej opisano, natomiast w warstwie azotowanej dominowało pkanie kruche. LITERATURA 1. J. K. Włodarski: Tłokowe silniki spalinowe - procesy tribologiczne, WPW, Warszawa T. Burakowski, E. Roliski, T. Wierzcho: Inynieria powierzchni metali, WNT, Warszawa P. Kula: Inynieria warstwy powierzchniowej, WPŁ, Łód A. Yano, Y. Kagimoto, K. Saki: Boundary lubrication properties of surface modified material produced by laser and electron beam surface alloying, Tribology Transactions, vol. 36, (1993). 5. T. Burakowski, T Wierzcho: Surface Engineering of Metals, Principles, Equipment, Technologies, CRC Press, Boca Raton, London, New York, J. Rudnicki, T. Wierzcho: Wytwarzanie warstw azotowanych w plazmie pulsujcej o czstotliwoci od 10 do 60 khz Materiały konferencyjne III Ogólnopolskiej Konferencji Naukowej Obróbka powierzchniowa Czstochowa-Kule, (1996) str Polska Norma PN-91/H Prac wykonano w ramach realizacji projektu badawczego nr 7 T08C finansowanego ze rodków Komitetu Bada Naukowych