BOROAZOTOWANIE STALI 42CrMo4

Transkrypt

1 KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 28 nr 1 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2008 KRZYSZTOF WIŚNIEWSKI, ALEKSANDRA PERTEK BOROAZOTOWANIE STALI 42CrMo4 W artykule omówiono strukturę i właściwości boroazotowanej progresywnie stali 42 CrMo4. Proces ten polega na azotowaniu po borowaniu lub borowaniu po azotowaniu. Przedstawiono obrazy mikrostruktury, zbadano jakościowy profil boru i azotu oraz skład fazowy, a także mikrotwardość warstwy gradientowej. Warstwy boroazotowane otrzymane przez azotowanie po borowaniu są mniej porowate, ale mają mniejszą mikrotwardość w strefie przypowierzchniowej niż warstwy uzyskane przez borowanie po azotowaniu. Porównano mikrostrukturę i mikrotwardość borowanych i boroazotowanych próbek. Słowa kluczowe: boroazotowanie, struktura, skład chemiczny i fazowy, mikrotwardość 1. WPROWADZENIE Warstwy borowane wykazują takie atrakcyjne właściwości, jak wysoka twardość, dochodząca do 2000 HV, odporność na działanie rozcieńczonych kwasów czy odporność na działanie stopionych metali. Bardzo interesujące są również wyniki uzyskiwane w badaniach eksploatacyjnych odporności na zużycie [8, 10, 14]. Warstwy te wykazują dużą odporność na zużycie przez tarcie, większą niż warstwy wytwarzane metodami obróbki cieplno-chemicznej, np. nawęglane czy azotowane [2, 3, 5, 6]. Poza niewątpliwymi zaletami warstwy te mają pewne wady, takie jak np. kruchość, duży gradient twardości pomiędzy warstwą a podłożem. Usunięcie tych mankamentów warstw borowanych powinno pozwolić na dalszy wzrost ich właściwości eksploatacyjnych, np. odporności na zużycie przez tarcie [8, 10, 12, 13]. Jednym ze sposobów wyeliminowania tych wad jest wytwarzanie warstw kompleksowych zawierających bor. Dotychczas udało się wytworzyć warstwy borokrzemowane i boronawęglane, niwelujące w pewnym stopniu mankamenty warstw borowanych [4, 9, 11, 12]. Obecnie powszechnie stosowaną w przemyśle technologią polepszania właściwości eksploatacyjnych warstw wierzchnich jest azotowanie [5, 6]. Celem badań prezentowanych w tym artykule było okre- Mgr inż. Dr hab. inż. Instytut Inżynierii Materiałowej Politechniki Poznańskiej.

2 128 K. Wiśniewski, A. Pertek ślenie możliwości, jakie daje połączenie technologii azotowania i borowania w celu wytworzenia warstw gradientowych boroazotowanych. W literaturze jest niewiele publikacji traktujących o boroazotowaniu [1, 7, 14]. Istnieją doniesienia o możliwej dyfuzji azotu po granicach borków [14] i to skłoniło autorów do podjęcia próby wytworzenia warstw boroazotowanych przez azotowanie warstw borowanych. W pracy [14] wytworzono warstwy wierzchnie przez borowanie, a następnie azotowanie jarzeniowe żelaza armco w temperaturze 800 o C przy ciśnieniu około 5 hpa w czystym azocie. W warstwie borków nie stwierdzono obecności azotu, natomiast jego stężenie wzrastało w strefie powstałego braunitu pod borkami oraz w podłożu. Badania te wykazały, że azot w przypadku procesu azotowania żelaza z naniesioną warstwą borków może dyfundować w głąb obrabianej próbki po granicach ziaren borku. Podejmowane są także próby wytwarzania warstw boroazotowanych metodami progresywnymi z jednoczesnym zastosowaniem złóż fluidalnych [1] oraz gazowo-kontaktowymi łączącymi borowanie i azotowanie, prowadzone w typowych dla tych procesów warunkach [7]. 2. METODYKA BADAŃ 2.1. Materiał i próbki do badań Badania przeprowadzono na próbkach ze stali 42CrMo4 o składzie chemicznym przedstawionym w tablicy 1. Miały one kształt prostopadłościenny o wymiarach mm i pierścieni o średnicy wewnętrznej 12 mm, zewnętrznej 20 mm i wysokości 12 mm. Skład chemiczny stali 42CrMo4 [% wag] Chemical composition of 42CrMo4 steel [% wt] Tablica 1 C Cr Mo Mn Si 0,40 1,1 0,20 0,60 0, Wytwarzanie warstw boroazotowanych Jedna z metod wytworzenia gradientowych warstw boroazotowanych polega na borowaniu uprzednio azotowanych próbek. Schemat przygotowania warstw przedstawiono na rys. 1. Wytworzono warstwy o strukturach: ε + γ + α oraz α [6]. Strukturę α uzyskano przez zeszlifowanie warstwy wierzchniej azotowanej próbki o grubości 25 μm w celu usunięcia azotków ε i γ.

3 Boroazotowanie stali 42CrMo4 129 Po boroazotowaniu próbki hartowano oraz odpuszczano w temperaturze 150 i 520 C. Drugą z zastosowanych metod wytworzenia warstw boroazotowanych jest azotowanie po uprzednim wytworzeniu warstw borowanych. Schemat postępowania w takim przypadku przedstawiono na rys. 2. Podczas wytwarzania warstw zastosowano trzy różnie odmiany azotowania: długookresowe przy wysokim potencjale azotowym atmosfery, krótkookresowe przy wysokim potencjale azotowym i krótkookresowe przy obniżonym potencjale azotowym atmosfery azotującej. Zastosowano takie składy atmosfer, w których na stali uzyskuje się struktury: ε + γ + α oraz γ + α [6]. Rys. 1. Schemat blokowy wytwarzania warstw boroazotowanych przez borowanie po azotowaniu Fig. 1. Block diagram of preparation layers by boriding after nitriding Rys. 2. Schemat blokowy wytwarzania warstw boroazotowanych przez azotowanie po borowaniu Fig. 2. Block diagram of preparation layers by nitriding after boriding

4 130 K. Wiśniewski, A. Pertek 2.3. Badania mikrostruktury, składu chemicznego i fazowego oraz mikrotwardości warstw boroazotowanych Badania metalograficzne polegały na wykonaniu mikroskopowych poprzecznych zgładów metalograficznych i ich obserwacjach metodami mikroskopii świetlnej i skaningowej mikroskopii elektronowej. Obserwacji metodami mikroskopii świetlnej dokonano za pomocą mikroskopu Metaval produkcji Carl Zeiss na zgładach nietrawionych i trawionych 2-procentowym nitalem. Obserwację metodą skaningowej mikroskopii elektronowej wykonano na mikroskopie Tescan VEGA 5135 pracującym w kontraście elektronów wtórnych. Na wytworzonych warstwach zbadano profile mikrotwardości od powierzchni w głąb materiału. Badania prowadzono metodą Vickersa na mikrotwardościomierzu Zwick 3212 B przy obciążeniu 0,1 kg (0,981 N). Skład chemiczny warstw badano metodą EDS z użyciem mikroanalizatora PGT Prism Wykonano profil rozkładu boru i azotu wzdłuż linii prostopadłej do powierzchni i biegnącej w głąb materiału. Dyfrakcję rentgenowską warstw wykonano na dyfraktometrze Krystaloflex 4 firmy Siemens z użyciem promieniowania lampy molibdenowej MoKα. Badania prowadzano w zakresie kątowym 2θ od 15 do 40. Na podstawie widm przeprowadzono jakościową analizę fazową warstw. 3. WYNIKI BADAŃ 3.1. Badania mikrostruktury Wyniki badań mikrostruktury wykazują różnice w morfologii warstw otrzymywanych przez progresywne boroazotowanie z zastosowaniem różnych sekwencji procesu. Warstwy boroazotowane uzyskane przez borowanie po azotowaniu, niezależnie od struktury otrzymanej po azotowaniu, charakteryzowały się znaczną porowatością zarówno w strefie borków żelaza, jak i pod nią, jednocześnie zaobserwowano zanik charakterystycznej dla borków żelaza iglastej struktury (rys. 3). Przedstawione na rys. 4 warstwy boroazotowane uzyskane przez azotowanie po borowaniu mają budowę dwustrefową i składają się ze strefy przypowierzchniowej i głębiej położonej strefy borków żelaza. Spośród badanych warstw najmniej korzystna pod względem mikrostruktury okazała się warstwa otrzymana w wyniku długookresowego azotowania przy wysokim potencjale azotowym (BA48h). Warstwa ta charakteryzuje się znaczną porowatością i lokalnymi delaminacjami, co powodowało jej łuszczenie się aż do rdzenia (rys. 4b). Najmniej wad ma warstwa uzyskana w wyniku azotowania krótkookresowego w atmosferze o niskim potencjale azotowym (rys. 4d).

5 Boroazotowanie stali 42CrMo4 a) boroazotowanie (bez usunięcia warstwy azotków) 131 b) boroazotowanie (z usuniętą warstwą azotków) Rys. 3. Mikrostruktura warstw boroazotowanych otrzymanych przez borowanie po azotowaniu Fig. 3. Microstructure boronitrided layers prepaired by boriding after nitriding a) borowana c) boroazotowana (borowanie + azotowanie: 6 h, wysoki potencjał azotowy) b) boroazotowana (borowanie + azotowanie: 48 h, wysoki potencjał azotowy) d) boroazotowana (borowanie + azotowanie: 4 h, niski potencjał azotowy) Rys. 4. Mikrostruktura warstw boroazotowanych otrzymanych przez azotowanie po borowaniu Fig. 4. Microstructure boronitrided layers prepared by nitriding after boriding

6 132 K. Wiśniewski, A. Pertek 3.2. Mikroanaliza rentgenowska Wykonano profil stężenia boru i azotu w warstwie boroazotowanej progresywnie przez azotowanie po borowaniu (BA4hNP). Analiza profilu wykazuje podwyższony poziom stężenia azotu w strefie przypowierzchniowej, podczas gdy stężenie boru jest na poziomie zbliżonym do stężenia w stali. W drugiej strefie stężenie boru wzrasta, podczas gdy stężenie azotu pozostaje na poziomie podłoża. Zawartość pierwiastka [j.w.] Azot Bor Odległość od powierzchni [μm] Rys. 5. Profil stężenia boru i azotu na przekroju warstwy boroazotowanej otrzymanej przez azotowanie po borowaniu Fig. 5. Concentration profile of boron and nitrogen on the cross section of boronitrided layers prepared by nitriding after boriding

7 Boroazotowanie stali 42CrMo Rentgenowska analiza fazowa Rentgenowska analiza fazowa warstw boroazotowanych (BA4hNP) wykazuje, że w procesie boroazotowania przez azotowanie warstw borowanych tworzą się azotki żelaza Fe 4 N. Intensywność refleksów pochodzących od borku żelaza Fe 2 B maleje po boroazotowaniu w stosunku do odpowiednich refleksów po borowaniu, a borku FeB zanika. Na dyfraktogramach obserwuje się również wzrost intensywności refleksów pochodzących od żelaza Feα, których źródłem może być zarówno podłoże, jak i struktura warstwy azotowanej. Dyfraktogramy rentgenowskie warstw boroazotowanych Mo Kα Intensywność [j.w.] FeB FeB Fe2B Fe Fe Fe +Fe2B Fe2B Borowana BA4hNP BA6h Fe Fe FeB Fe Fe Fe Fe2B Fe2B Fe2B Kąt dyfrakcji 2θ [º] Rys. 6. Dyfraktogramy rentgenowskie warstw boroazotowanych otrzymanych przez azotowanie po borowaniu (promieniowanie MoKα) Fig. 6. Diffraction paterns of boronitrided layers prepared by nitriding after boriding (MoKα radiation) Wyniki mikroanalizy i rentgenowskiej analizy fazowej, przedstawione na rys. 5 i 6, wskazują, że w strefie przypowierzchniowej warstwy boroazotowanej powstałej w wyniku azotowania po borowaniu występują azotki żelaza Fe 4 N, a w głębiej położonej strefie borki żelaza Fe 2 B (rys. 4d).

8 134 K. Wiśniewski, A. Pertek 3.4. Badania mikrotwardości Wyniki badań mikrotwardości, przedstawione na rys. 7 i 8, wykazały różnice w profilach zależne zarówno od sekwencji procesów, jak i parametrów azotowania. Warstwa boroazotowana wytworzona przez borowanie po azotowaniu (struktura wyjściowa warstwy azotowanej ε + γ + α) jest zbudowana z dwóch stref: przy powierzchni występuje strefa borków żelaza o twardości HV, a głębiej strefa azotowana. Twardość warstwy borków żelaza jest nieco mniejsza niż typowa twardość borków żelaza wytwarzanych na stali ze względu na porowatość tej warstwy po procesie boroazotowania. Twardość pod warstwą borków jest większa niż twardość uzyskiwana tylko po procesie borowania ze względu na podwyższoną zawartość azotu w strukturze (rys. 7). mikrotwardość; HV CrMo4 boroazotowana hart. odp. 150 C boroazotowana hart. odp. 520 C boroazotowana bez obróbki cieplnej borowana 950 C/2h hart. odp. 150 C ,2 0,4 0,6 0,8 1 odległość od powierzchni; x [mm] Rys. 7. Profile mikrotwardości warstw boroazotowanych otrzymanych przez borowanie po azotowaniu Fig. 7. Microhadness profiles of boronitrided layers prepaired by boriding after nitriding Analiza profili mikrotwardości przedstawionych na rys. 8 wykazuje, że w warstwach boroazotowanych przez azotowanie po borowaniu występują dwie strefy o zróżnicowanej twardości odpowiadające strefom na obrazach mikrostruktury. Twardość warstwy przypowierzchniowej jest mniejsza niż warstw wyłącznie borowanych i zbliżona do typowej twardości warstw azotowanych ( HV). Głębiej położona strefa wykazuje twardość HV,

9 Boroazotowanie stali 42CrMo4 135 co odpowiada twardości borku żelaza Fe 2 B. W przypadku zastosowania długookresowego azotowania po borowaniu twardość warstwy powstałej w miejscu występowania warstwy borków jest mała i wynosi około 400 HV, pod nią twardość jest większa wynosi 580 HV i spada wraz z odległością od powierzchni, osiągając twardość rdzenia 350 HV w odległości 0,5 mm Twardość HV 0, CrMo4 Boroazotowana BA6h Boroazotowana BA48h Boroazotowana BA4hNP Borowana Odległość od powierzchni [μm] Rys. 8. Profil mikrotwardości warstw boroazotowanych przez azotowanie po borowaniu Fig. 8. Microhardness profile of boronitrided layers prepared by nitriding after boriding 4. WNIOSKI Przeprowadzone badania wykazały możliwość wytwarzania gradientowych warstw wierzchnich w wyniku połączenia technologii azotowania i borowania. Struktura i właściwości warstw zależą od sposobu ich wytwarzania (borowanie po azotowaniu lub azotowanie po borowaniu) oraz od warunków azotowania. Najlepszej jakości warstwy otrzymano, stosując niski potencjał azotowy atmosfery. W warstwach stwierdzono występowanie azotków żelaza Fe 4 N oraz borków żelaza Fe 2 B. Warstwy boroazotowane progresywnie, uzyskane przez azotowanie po borowaniu, wykazały mniejszą porowatość niż warstwy uzyskane przez borowanie po azotowaniu, ale miały mniej korzystny profil mikrotwardości.

10 136 K. Wiśniewski, A. Pertek LITERATURA [1] Balandin Yu. A., Boronitriding of die steels in fluidized bed, Metal Science and Heat Treatment, 2004, vol. 46, s [2] Burakowski T., Możliwości areologii, Inżynieria Materiałowa, 2006, r. 27, nr 5, s [3] Burakowski T., Wierzchoń.T., Inżynieria powierzchni metali, Warszawa, WNT [4] Formanek B., Swadźba L., Podolski P., Supernak W., Przybyłowicz J., Borowanie dyfuzyjne nawęglanych elementów świdrów górniczych, w: 7 Konferencja Termoobróbka '94 pt. Nowoczesna obróbka cieplna w teorii i praktyce, Gliwice Ustroń Zawodzie 1994, s [5] Kula P., Inżynieria warstwy wierzchniej, Łódź, Wyd. Politechniki Łódzkiej [6] Małdziński L., Termodynamiczne, kinetyczne i technologiczne aspekty wytwarzania warstwy azotowanej na żelazie i stalach w procesach azotowania gazowego, Poznań, Wyd. Politechniki Poznańskiej [7] Maragoudakis N.E., Stergioudis G., Omar H., Pavildou E., Tsipas D.N., Boro-nitriding of steel US 37-1, Materials Leters, 2002, no. 57, s [8] Pertek A., Kształtowanie struktury i własności warstw borków żelaza otrzymanych w procesie borowania gazowego, Poznań, Wyd. Politechniki Poznańskiej [9] Pertek A., Thermodynamic and experimental conditions of obtaining the coatings constituted of iron borides and silicides in a silicoboronizing process, w: Carbides Nitrides Borides. Materiały IV Międzynarodowej Konferencji, Poznań Kołobrzeg 1987, s [10] Pertek A., Wiśniewski K., Właściwości aplikacyjne borowanej stali konstrukcyjnej, Inżynieria Powierzchni, 2007, nr 3, s [11] Pertek A., Kulka M., Two-step treatment carburizing followed by boriding on mediumcarbon steel, Surface and Coatings Technology, 2003, no. 173, s [12] Przybyłowicz K., Teoria i praktyka borowania stali, Kielce, Wyd. Politechniki Świętokrzyskiej [13] Sen S., Ozbek I., Sen U., C Bindal C., Mechanical behavior of borides formed on borided cold work tool steel, Surface and Coatings Technology, 2001, no. 135, s [14] Wierzchoń T., Tworzenie się warstwy borków żelaza na stali w warunkach wyładowania jarzeniowego, Warszawa, Wyd. Politechniki Warszawskiej Praca wpłynęła do Redakcji Recenzent: dr hab. inż. Leszek Małdziński BORONITRIDING OF 42CrMo4 STEEL S u m m a r y In this paper the structure and properties of progressive boronitriding 42CrMo4 steel has been presented. A boronitriding process consisted of nitriding after boriding or boriding after nitriding. The gradient layer coatings was characterized by optical microscopy, EDS, X-ray diffraction (XRD) and microhardness. Layers obtained by boriding after nitriding process have high hardness but are porous as distinct from nitrided after boriding layers, the layers of which are nonporous but have worst hardness profile. The structure and microhardness of boronitriding and boriding samples have been compared. Key words: boronitriding, structure, phase composition, chemical composition, microhardness