janusz trojanowski, anna drobek, aleksander nakonieczny, tadeusz wierzchoń Technologia azotowania jarzeniowego stali narzędziowych z zastosowaniem innowacyjnych rozwiązań wprowadzenie W przemyśle narzędziowym stosowane są metody PVD, a ostatnio technologie hybrydowe, łączące różne obróbki powierzchniowe m.in. procesy azotowania w połączeniu z procesem PVD, CVD, szczególnie w aspekcie zwiększenia trwałości takich wyrobów jak np. formy do ciśnieniowego odlewania aluminium wykonane ze stali X37CrMoV5-1 [1 3]. W szeregu przypadkach jednak technologia azotowania jarzeniowego jest coraz szerzej stosowana w obróbce stali narzędziowych jako skuteczna, ekologiczna, energooszczędna, możliwa do stosowania w produkcji wielkoseryjnej [4]. 1000 1180 HV0,05 w zależności od metody realizacji procesu, tj. na potencjale plazmy (rys. 3), czy też na potencjale katody (rys. 4). Różnice w twardości (rys. 5) wynikają z różnic w strefie naprężeń własnych w wytworzonych warstwach w zależności od warunków a) PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ Azotowanie jarzeniowe znalazło szerokie zastosowanie w technice przemysłowej. W ostatnich latach technologia ta jest również stosowana w przemyśle narzędziowym. Ze względu na łatwość sterowania strukturą wytwarzanych warstw dyfuzyjnych można projektować na narzędziach do pracy na gorąco i na zimno oraz na narzędziach skrawających warstwy o właściwościach dostosowanych do ich warunków pracy. Na rysunku 1 przedstawiono mikrostrukturę warstw azotowanych bez strefy azotków żelaza na różnych gatunkach stali: X37CrMoV5-1 (WCL), HS6-5-2 (SW7M) i X153CrMoV12 (NC11LV) oraz przykłady zastosowań wraz z mikrostrukturą narzędzi (rys. 2). Kontrolując skład fazowy i grubość wytwarzanych warstw azotowanych można kształtować ich właściwości eksploatacyjne. b) METODYKA BADAŃ Badania prowadzono na stali X37CrMoV5-1 (WCL) o następującym składzie chemicznym (% mas.): C 0,36%, Cr 4,90%, Mn 0,40%, Si 1,1%, Mo 1,40%, V 0,45%, Fe reszta, na próbkach o wymiarach: ø30 3 mm i ø8 20 mm (do badań odporności na zużycie przez tarcie) o twardości 50 HRC (po obróbce cieplnej hartowanie z temperatury 1020 C i odpuszczanie w 520 C). Mikrostrukturę wytworzonych warstw analizowano po trawieniu chemicznym (2% roztwór HNO 3 w alkoholu etylowym), skład fazowy wytwarzanych warstw badano za pomocą dyfraktometru rentgenowskiego Philips PW1830, stosując promieniowanie CoKα. Stan naprężeń własnych w warstwach określono metodą sin 2 ψ. Badania odporności na zużycie przez tarcie wykonano metodą trzy wałeczki-stożek zgodnie z normą PN-83/H-04302, a badania odporności korozyjnej przeprowadzono metodą potencjodynamiczną w roztworze 0,5 M NaCl. WYNIKI BADAŃ Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono mikrostrukturę warstw azotowanych wytworzonych dla parametrów podanych w tabeli 1 na stali X37CrMoV5-1 (WCL) o twardości powierzchniowej w zakresie Inż. Janusz Trojanowski (janusz.trojanowski@imp.edu.pl), mgr inż. Anna Drobek, prof. dr hab. inż. Aleksander Nakonieczny Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa, prof. dr hab. inż. Tadeusz Wierzchoń Wydział Inżynierii Materiałowej Politechnika Warszawska c) Rys. 1. Mikrostruktura warstw azotowanych na stalach narzędziowych: a) X37CrMoV5-1 (WCL), b) HS6-5-2 (SW7M), c) X153Cr- MoV12 (NC11LV); trawiono nitalem Fig. 1. Microstructures of nitrided layers on tool steels: a) X37CrMoV5-1 (WCL), b) HS6-5-2 (SW7M), c) X153CrMoV12 (NC11LV); etched, nital 436 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXIII
a) b) c) Rys. 2. Mikrostruktura warstw azotowanych bez strefy azotków żelaza na stalach narzędziowych: X37CrMoV5-1 (WCL), HS6-5-2 (SW7M) oraz stali X153CrMoV12 (NC11LV) z przykładami ich zastosowań: a) filtr do recyklingu tworzyw sztucznych o średnicy 780 mm, b) piła tarczowa do drewna, Ø = 600 mm, c) wykrojnik do folii, Ø = 200 mm Fig. 2. Microstructure of nitrided layers without the iron nitride zone on tool steels: X37CrMoV5-1 (WCL), HS6-5-2 (SW7M) and X153CrMoV12 (NC11LV) with examples of their application: a) filter for recycling of plastics, diameter Ø = 780 mm, b) circular saw for woods, Ø = 600 mm, c) punching die for foils, Ø = 200 mm Rys. 3. Mikrostruktura warstwy na stali X37CrMoV5-1 azotowanej w obszarze plazmy (PP) Fig. 3. Microstructure of layer on steel X37CrMoV5-1 nitrided in area of plasma (PP) Rys. 4. Mikrostruktura warstw na stali X37CrMoV5-1 azotowanej na potencjale katody (PK) Fig. 4. Microstructure of layer on steel X37CrMoV5-1 nitrided on cathode potential (PK) realizacji procesu (rys. 5). Są to naprężenia ściskające nieznacznie mniejsze w przypadku warstw azotowanych wytworzonych w obszarze plazmy w zakresie: 670 680 MPa, przy około 700 MPa na potencjale katody (rys. 6). Z badań składu fazowego wynika, że są to warstwy azotowane typu (od powierzchni) strefa azotków żelaza (Fe4N + Fe2-3N) + strefa dyfuzyjna. Warstwy te charakteryzują się dużą odpornością na zużycie przez tarcie w porównaniu z materiałem wyjściowym (rys. 7). Tabela 1. Parametry wytwarzania warstw na potencjale katody i w obszarze plazmy Table 1. Process parameters of producing nitrided layers on cathode potential and in plasma area Gatunek materiału X37CrMoV5-1 NR 5/2012 Skład atmosfery Natężenie Ciśnienie Temperatura Czas reaktywnej procesu przepływu (próżnia) h % C l/h mbar H2 N2 510 8 25 75 50 1,5 Rys. 5. Twardość powierzchniowa warstw azotowanych w obszarze plazmy (PP) i na potencjale katody (PK) na stali gat. X37CrMoV5-1 Fig. 5. Superficial hardness of nitrided layers in plasma area (PP) and on cathode potential (PK) on steel X37CrMoV5-1 (WCL) INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 437
Proces PP Proces PK Rys. 6. Rozkład naprężeń własnych w warstwach azotowanych wytworzonych na potencjale plazmy PP i katody PK w funkcji odległości od powierzchni Fig. 6. Distribution of internal stresses in nitrided layers produced on the plasma potential PP and on the cathode potential PK as a function of distance from surface a) b) Rys. 7. Zużycie liniowe stali X37CrMoV5-1 w stanie wyjściowym (50 HRC) (a) oraz po procesie azotowania jarzeniowego (b) w funkcji czasu przy naciskach jednostkowych 100, 200 i 400 MPa Fig. 7. Linear wear of steel X37CrMoV5-1 in the initial state (50 HRC) (a) and after the glow discharge nitriding process, as a function of time with unit pressures 100, 200 and 400 MPa (b) Azotowanie jarzeniowe zwiększyło również odporność na korozję. Najlepszą odpornością korozyjną charakteryzowały się warstwy azotowane wytwarzane przy aktywacji procesu prądem o częstotliwości 60 khz zarówno na potencjale plazmy [5, 6], jak i potencjale katody. Wyniki badań odporności korozyjnej i topografii powierzchni po tych badaniach przedstawiono na rysunkach 8 i 9. UWAGI KOŃCOWE Jak wykazały badania eksploatacyjne azotowanie jarzeniowe narzędzi do pracy na gorąco zwiększa ich trwałość w zakresie 100 200%. W szczególności odnosi się to do matryc kuźniczych, stempli, form do odlewania ciśnieniowego oraz do przetwórstwa tworzyw sztucznych. Wytworzone warstwy azotowane w przypadku matryc kuźniczych przenoszą dynamiczne obciążenia występujące podczas kucia oraz poprawiają właściwości ślizgowe. Azotowanie jarzeniowe stali X37CrMoV5-1 w temperaturze 510 C umożliwia wytworzenie dyfuzyjnych warstw azotowych o grubości strefy związków (Fe 4 N) rzędu 8 µm i strefy roztworowej ok. 150 µm (rys. 10). Są to warstwy o twardości w zakresie 1000 1200 HV0,05 w zależności od warunków realizacji procesu, tj. o większej twardości 1200 HV0,05 w przypadku obróbki na potencjale katody. W tej obróbce naprężenia ściskające w warstwie azotowanej wynoszą około 700 MPa. Warstwy wytwarzane zarówno na potencjale plazmy, jak i na potencjale katody zwiększają odporność korozyjną obrabia- Rys. 8. Gęstość prądów korozyjnych w roztworze 0,5 M NaCl stali X37CrMoV5-1 przed i po procesie azotowania jarzeniowego, przy aktywacji środowiska gazowego prądem impulsowym o częstotliwości 60 khz na potencjale katody (PK/I), na potencjale plazmy (PP/I) oraz po procesie stałoprądowym na potencjale katody (PK/S) i w obszarze plazmy (PP/S) Fig. 8. Corrosion currents density for steel X37CrMoV5-1 in 0.5 M NaCl solution before and after the glow discharge nitriding process with an activation of gas environment by impulsive current with frequency 60 khz on the cathode potential (PK/I) and on the plasma potential (PP/I) and after a direct current process on the cathode potential (PK/S) and in the plasma area (PP/S) 438 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXIII
Stan wyjściowy Potencjał plazmy (stałoprądowe) Potencjał plazmy (impulsowe) Potencjał katody (impulsowe) Potencjał katody (stałoprądowe) Rys. 9. Topografia powierzchni próbek po badaniach odporności korozyjnej Fig. 9. Topography of surface of samples after corrosive resistance tests nej stali (po obróbce cieplnej) oraz w znaczący sposób zwiększają odporność na zużycie przez tarcie. W przypadku narzędzi do pracy na zimno wykonywanych ze stali wysokochromowych, np. stempli, wykrojników, oczek ciągadeł, azotowanie w atmosferach ubogich w azot w zakresie temperatury 420 470 C pozwala wytwarzać plastyczne warstwy roztworowe (bez strefy związków azotków żelaza) przy zachowaniu dużej wytrzymałości rdzenia. Zmiany wymiarowe są nieznaczne (poniżej 5 mm), a trwałość narzędzi wzrasta o ok. 100%. Krótkookresowe azotowanie jarzeniowe w temperaturze 420 470 C przez 30 min zwiększa trwałość narzędzi skrawających ze stali szybkotnących o 150 300%. Twardość rdzenia (62 65 HRC) nie ulega zmianie, podczas gdy twardość powierzchni wzrasta do 1100 1300 HV. Wytworzona warstwa roztworowa zwiększa istotnie odporność na ścieranie, nie powodując wykruszeń krawędzi tnących. Grubość wytworzonych warstw nie przekracza 50 μm. Proces azotowania jarzeniowego umożliwia wytworzenie warstwy o jednorodnej grubości na detalach o skomplikowanych kształtach, co wykazano m.in. w obróbce matryc stosowanych w przetwórstwie aluminium (produkcja profili okiennych) (rys. 11). Rys. 10. Mikrostruktura warstwy azotowanej jarzeniowo na stali gat. X37CrMoV5-1 (WCL): strefa związków (Fe 4 N) + strefa dyfuzyjna Fig. 10. Microstructure of the glow discharge nitrided layer on steel X37CrMoV5-1 (WCL): compound zone (Fe 4 N) + diffusive zone NR 5/2012 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 439
Rys. 11. Mikrostruktura warstwy azotowej na wykroju wkładki matrycowej do przetwórstwa aluminium Fig. 11. Microstructures of nitrided layer on punching die insert for an aluminium processing Literatura [1] Burakowski T., Wierzchoń T.: Surface engineering of metals-principles, equipment, technologies. CRC Press, Boca Raton, New York (1999). [2] Walkowicz J., Smolik J., Betrand C., Ioncea A.: Obróbka cieplno-chemiczna a trwałość eksploatacyjna matryc do kucia na gorąco. Inżynieria Materiałowa 5 (2005) 281 284. [3] Smolik J., Gulde M., Walkowicz J., Suchanek J.: Influence of the structure of the composite nitrided layer/pvd coating on the durability of forging dies made of steel DIN-1.2367. Surface and Coatings Technology 180-181 (2004) 506 511. [4] Tercelj M., Smolej A., Fajfar P., Turk R.: Laboratory assessment of wear on nitrided surfaces of dies for hot extrusion of aluminium. Tribology International 40 (2007) 374 384. [5] Skołek-Stefaniszyn E., Brojanowska A., Trojanowski J., Wierzchoń T.: Wpływ warunków procesu niskotemperaturowego azotowania jarzeniowego na właściwości stali austenitycznej 316L. Inżynieria Materiałowa 4 (2010) 28 34. [6] Li L. X., Bell T.: Corrosion properties of active screen plasma nitrided 316L austenitic stainless steel. Corrosion Science 46 (2004) 1527 1534. 440 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXIII