3-2006 PROBLEMY EKSPLOATACJI 107 Wiesław A. RAKOWSKI, Marcin KOT, Sławomir ZIMOWSKI Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Tadeusz WIERZCHOŃ Politechnika Warszawska WŁAŚCIWOŚCI WARSTW AZOTOWANYCH JARZENIOWO, WYTWORZONYCH NA STALI 316L Streszczenie W inżynierii powierzchni coraz powszechniej stosuje się technologie hybrydowe, których pierwszy etap polega na modyfikacji podłoża, najczęściej metodami dyfuzyjnymi. W artykule przedstawiono badania struktury, topografii powierzchni, badania właściwości mechanicznych i tribologicznych warstw azotowanych jarzeniowo, wytworzonych na stali 316L. Grubość warstw wynosi do 29 µm, wzrost twardości po azotowaniu H IT od 3000 N/mm 2 do 9016 N/mm 2, wskaźnik zużycia objętościowego zmniejszył się z 48*10-5 mm 3 /Nm do1,2*10-5 mm 3 /Nm. Powierzchnia po azotowaniu jest bardzo rozwinięta, co może zwiększyć adhezję powłoki do tego podłoża. Wstęp Warunkiem koniecznym uzyskania na powierzchniach stalowych powłok o doskonałej adhezji do podłoża, wysokiej odporności na zużycie przez tarcie, wysokiej wytrzymałości zmęczeniowej oraz odporności korozyjnej jest odpowiednie przygotowanie podłoża. Dotyczy to zwłaszcza cienkich, supertwardych a zarazem elastycznych powłok o nanokrystalicznej strukturze, osadzanych na podłożach stalowych. Trwałość eksploatacyjna takich warstw wierzchnich silnie zależy od jakości podłoża, przede wszystkim od jego twardości, sprężystości, odporności na pękanie, chropowatości oraz właściwości adhezyjnych. Dlatego w inżynierii powierzchni coraz powszechniej stosuje się technologie hybrydo-
108 PROBLEMY EKSPLOATACJI 3-2006 we, których pierwszy etap polega na modyfikacji podłoża, najczęściej metodami dyfuzyjnymi. Jedną z najbardziej efektywnych metod poprawy zarówno właściwości mechanicznych (np. twardości, elastyczności), jak i właściwości antykorozyjnych warstw przypowierzchniowych poprzez modyfikację jej składu chemicznego oraz mikrostruktury jest azotowanie jarzeniowe [1 5]. Technologia azotowania jarzeniowego jest coraz szerzej stosowana w przemyśle jako skuteczna i ekonomiczna metoda podwyższania właściwości użytkowych części maszyn i narzędzi. Zaletą tej metody jest możliwość precyzyjnego regulowania struktury warstwy azotowanej, a w szczególności wytwarzania nieporowatych, monofazowych stref związków, wytwarzanie warstw azotowanych bez stref związków, prowadzenia procesu w temperaturach już od 300 C [2, 5], a także możliwość regulacji składu fazowego wytwarzanych warstw poprzez zmianę składu chemicznego atmosfery reaktywnej, co umożliwia wytwarzanie warstw kompozytowych w jednym procesie technologicznym [4, 5]. Struktura warstwy azotowanej Próbki wykonane ze stali 316L (0,019% C; 0,327% Si; 1,377% Mn; 17,206% Cr; 10,602% Ni; 2,052% Mo; 0,004% Ti; 0,043% N, 0,313% Cu; 0,085% Co; 0,026% P; 0,026% S) poddane zostały azotowaniu w warunkach wyładowania jarzeniowego w temperaturze 450 C i 550 C, a w trakcie ich chłodzenia przeprowadzono 30 min obróbkę rozpylania katodowego wytworzonych warstw azotowanych w atmosferze argonu i wodoru. Obserwacja mikrostruktury prowadzona była z użyciem mikroskopu optycznego Olimpus 1X70 oraz skaningowego mikroskopu elektronowego Hitachi S 3500N; zgłady metalograficzne trawione były odczynnikiem Adlera zawierającym 3g CuCl 2 2NH 4 Cl 2H 2 O, 50 cm 3 HCl, 15g FeCl 3, 20 cm 3 H 2 O. Badanie składu chemicznego na przekroju próbek wykonano metodą EDS. Na rys.1 przedstawiono mikrostrukturę i wygląd powierzchni warstw azotowanych wytworzonych na stali 316L w procesach azotowania jarzeniowego w temperaturze 450 C i 550 C. W procesie prowadzonym w temperaturze 450 C otrzymano warstwy o grubości około 16 µm. W procesie prowadzonym w temperaturze 550 C otrzymano warstwy o grubości 29 µm. Na rys. 2 przedstawiono rozkład liniowy pierwiastków w warstwach azotowanych. Głębokość dyfuzji azotu w warstwie wytworzonej w temperaturze 450 C wynosi około 6 µm, przy czym największa zawartość azotu (5,17% wag.) występuje na głębokości do 1 µm. Zawartość azotu w warstwie wytworzonej w temperaturze 550 C jest stała (rzędu 13,81% wag.) do głębokości około 14 µm.
3-2006 PROBLEMY EKSPLOATACJI 109 Rys. 1. Mikrostruktury warstw wytworzonych na stali 316L w procesach azotowania jarzeniowego w temperaturach: 450 C (a) i 550 C (b) oraz wygląd powierzchni tych warstw na środku próbek: 450 C (c), 550 C (d) oraz na krawędzi próbek: 450 C (e), 550 C (f)
110 PROBLEMY EKSPLOATACJI 3-2006 Rys. 2. Rozkład pierwiastków (żelaza, chromu i azotu) w warstwach azotowanych wytworzonych na stali 316L w procesach azotowania jarzeniowego w temperaturach 450 C (a) i 550 C (b) Topografia powierzchni Parametry stereometryczne charakteryzujące topografię powierzchni warstwy azotowanej mierzono na profilometrze skanującym Form Talysufr series 2
3-2006 PROBLEMY EKSPLOATACJI 111 firmy Taylor Hobson. W tabeli 1 przedstawiono wartości tych parametrów dla powierzchni materiału w stanie wyjściowym oraz po procesach azotowania jarzeniowego w temperaturach 450 C i 550 C, mierzone na środku oraz na krawędzi badanych próbek. Dzięki zastosowaniu zjawiska rozpylania katodowego w znaczący sposób zwiększono chropowatość powierzchni w skali nanometrycznej szczególnie w przypadku próbek po azotowaniu jarzeniowym w temperaturze 450 C. Należy sądzić ponadto, że większa chropowatość na krawędziach próbek będzie sprzyjać przyczepności powłok osadzanych na tym podłożu [6]. Tabela 1. Parametry stereometryczne charakteryzujące topografię powierzchni stali 316L w stanie wyjściowym i po procesach azotowania jarzeniowego w temperaturze 450ºC oraz 550ºC parametr stan azotowanie 450 C azotowanie 550 C wyjściowy [µm] środek próbki [µm] krawędź próbki [µm] środek próbki [µm] krawędź próbki [µm] R a 0,0591 0,212 0,318 0,206 0,333 R q 0,077 0,366 0,466 0,265 0,43 R p 0,965 6,75 6,88 2,09 3,2 R v 0,53 1,09 2,74 1,04 1,64 R t 1,5 7,84 9,61 3,13 4,84 R z 1,12 5,91 7,48 2,73 4,58 R a średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości, R q średnie kwadratowe odchylenie profilu chropowatości, R p maksymalna wysokość wzniesienia profilu chropowatości, R v maksymalna głębokość wgłębienia profilu chropowatości, R t maksymalna wysokość szczytu chropowatości (R t = R p + R v ), R z średnia różnica pomiędzy 5 najwyższymi wierzchołkami i 5 najgłębszymi dolinami (wg. ISO 4287/1-1984). Twardość i moduł sprężystości Badania wykonano metodą wciskania wgłębnika Vickersa, z użyciem aparatu Micro-Combi-Tester firmy CSEM stosując procedury i zalecenia norm ISO 14577-1:2002 oraz PN-EN ISO 6507-1:2005. Zakres obciążeń 0,02 30 N, dokładność pomiaru zagłębienia 0,3 nm, obciążenia: 100 mn i 1000 mn dla podłoży przed obróbką (materiał lity) oraz 20 mn, 50 mn, 100 mn i 1000 mn dla materiału gradientowego. Przebieg czasowy próby typu a (PN-EN ISO 6507-1:2005), a = 30s; b = 5s, c = 30s,temperatura otoczenia podczas próby (21±2) C, pozostałe parametry zgodnie z PN-EN ISO 6507-1:2005. Wartości parametrów wyznaczono z krzywej siła/głębokość wciskania jako średnią z 6 pomiarów dla każdej próbki. Moduł sprężystości jest obliczany metodą Olivier-Pharr a zgodnie z EN ISO 14577-2:2002, na podstawie krzywej wgłębnikowania [7]. W tabeli 2 są podane wyniki badań twardości z wgłębnikowania H IT i twardości HV oraz moduł sprężystości z wgłębnikowania E IT.
112 PROBLEMY EKSPLOATACJI 3-2006 Tabela 2. Twardość ( HV, H IT ) i moduł sprężystości E IT próbek stali i warstwy Obciążenie mn Twardość HV Stal 316 L w stanie wyjściowym Twardość H IT N/mm 2 Moduł sprężystości GPa Warstwa azotowana w temp. 450 C na stali 316 L Twardość HV Twardość H IT N/mm 2 Moduł sprężystości GPa 20 127 1344 63,5 50 130 1376 96,1 100 390 4127 213 149 1577 107,3 1000 274 3000 200,0 852 9016 224,7 Cienka warstewka przypowierzchniowa ma twardość niższą od stali w stanie wyjściowym (tab. 2, obciążenie od 20 do 100 mn). Można to zinterpretować jedynie jako efekt zastosowanego procesu rozpylania katodowego w atmosferze argonu i wodoru. Warstwę wytworzoną w temp. 550 C pominięto w badaniach ze względu na jej słabe związanie z podłożem i bardzo duże rozwinięcie. Charakterystyki tribologiczne W badaniach tribologicznych stosowano procedury i zalecenia norm ISO 20808:2004, ASTM G 99-95 oraz DIN 50324. Badania przeprowadzono na testerze typu kula-tarcza, materiał kuli Al 2 O 3, średnica kuli Ø1 mm, promień toru tarcia 4,5 mm [8]. Testy prowadzono w warunkach tarcia suchego, przy obciążeniu 2 N, prędkości obrotowej 60 obr/min, prędkości liniowej 0,03 m/s. Temperatura otoczenia podczas badań wynosiła 21±2 C, wilgotność powietrza ~50%. Do każdego testu stosowano nową kulkę. Przebiegi czasowe wartości współczynnika tarcia są przedstawione na rys 3. Odporność na zużycie Odporność na zużycie wyznaczono obliczając wskaźnik zużycia materiału, czyli objętość materiału usuniętego V z, na drodze tarcia s, przy nacisku Fn. Iv = Vz Fn s 3 mm. N m Profile przekroju poprzecznego bruzdy po 2000 obrotów tarczy przedstawiono na rys. 4.
3-2006 PROBLEMY EKSPLOATACJI 113 a) Współczynnik tarcia, f 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 316 Liczba cykli, N b) Współczynnik tarcia, f 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 azot 316 Liczba cykli, N Rys. 3. Współczynnik tarcia próbek stali: a) 316L b) azotowana 316Lz kulką Al 2 O 3 ; Fn = 2 N; n = 60 obr/min, v = 0,03 m/s 6 Szerokość wytarcia, w[mm] 4 Głębokość wytarcia, d [µm] 2 0-2 -4-6 -8-10 -12 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 316 azot 316-14 Rys. 4. Profile przekroju poprzecznego bruzdy w stali 316L oraz warstwy azotowanej w temp. 450 C na stali 316L po 2000 obrotów tarczy
114 PROBLEMY EKSPLOATACJI 3-2006 Tablica 3. Średnia głębokość, szerokość, pole przekroju poprzecznego bruzdy oraz wskaźnik zużycia Głębokość, Szerokość, Pole przekroju bruzdy, Wskaźnik zużycia, Próbka d[µm] w[µm] Ap [µm 2 ] Iv [mm 3 /Nm] 316 13,3 223 1916 48*10-5 azot 316 1,03 79 47,3 1,2*10-5 Wnioski Azotowanie jarzeniowe stali jest bardzo efektywną metodą poprawy zarówno właściwości mikromechanicznych (np. twardości, elastyczności), jak i właściwości tribologicznych warstw przypowierzchniowych. Głęboka dyfuzja azotu modyfikuje skład pierwiastkowy oraz mikrostrukturę w stosunkowo grubej warstwie przypowierzchniowej warstw azotowanych jarzeniowo, wytworzonych na stali 316L. W przypadku warstw azotowanych wytworzonych na stali grubość warstwy wynosi do 29 µm, wzrost twardości po azotowaniu H IT od 3000 N/mm 2 do 9016 N/mm 2, wskaźnik zużycia objętościowego zmniejszył się z 48*10-5 mm 3 /Nm do 1,2*10-5 mm 3 /Nm. Powierzchnia po azotowaniu jest bardzo rozwinięta, co może zwiększyć adhezję powłoki do tego podłoża. Należy oczekiwać, że w technologiach typu duplex azotowanie jarzeniowe będzie jedną z najważniejszych metod przygotowania podłoża pod formowanie powłok. Praca naukowa finansowana ze środków Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego, wykonana w ramach realizacji Programu Wieloletniego pn. Doskonalenie systemów rozwoju innowacyjności w produkcji i eksploatacji w latach 2004 2008. Bibliografia 1. Wierzchoń T., Ulbin-Pokorska I. i inni: Properties of multicomponent surface layers produced on steels by modified plasma nitriding processes, Vacuum. 53(1999)473. 2. Fewell M.P., Priest J.M., Baldwin, M.J. et al.: Nitriding at low temperature, Surface and Coatings Technology 131, 2000, 284. 3. Wierzchoń T., Ulbin-Pokorska I., Precht W., Sikorski K.: Structure and properties of composite layers produced by combined methods of surface treatment, Proceedings of the 12 th International Congress of the International Federation of Heat Treatment an Surface Engineering, Melbourne, Australia, vol. 2 (2000) 31. 4. Matthews A., Layland A.: Hybrid Techniques in Surface Engineering, Surface and Coatings Technology, 71, 1999, 88.
3-2006 PROBLEMY EKSPLOATACJI 115 5. Wierzchoń T., Ulbin-Pokorska I., Sikorski K.: Corrosion resistance of chromium nitride and oxynitride layers producd under glow discharge conditions, Surface and Coatings Technology 130 (2000) 274. 1. 6. Sun Y., Luo L., Bell T.: Three-Dimensional Characterization of Plasma Nitrided Surface Topography, Surf. Eng. vol. 10, 4 (1994) 279. 7. Kot M., Rakowski W.A.: Metoda wyznaczania granicy plastyczności z analizy krzywej obciążenie-odkształcenie pochodzące z mikrowgłębnikowania. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, PAN, 3, 2005, 12. 8. Moskalewicz T., Rakowski W., Czyrska-Filemonowicz A.: Mikrostruktura i właściwości mikromechaniczne biomateriałów tytanowych. Inżynieria Biomateriałów, nr 23 25, 2002. Recenzent: Jerzy SZAWŁOWSKI The properties of glow discharged nitrating layer on 316L steel Summary The hybrid techniques become widely used in surface engineering. In a first step the subsurface of substrate is usually modified by diffusion. The investigations of structures, surface topography, mechanical and tribological properties of glow discharged nitrating 316 L steel surface have been presented in the paper. A nitrated layer has thickness up to 29 µm, a hardness evaluate from H IT = 3000 MPa to 9016 MPa, a wear index decrease from z 48*10-5 mm 3 /Nm to 1,2*10-5 mm 3 /Nm. The surface after glow discharge is very developed, what may increase adhesion of coating to this substrate surface.
116 PROBLEMY EKSPLOATACJI 3-2006