Obróbka Plastyczna Metali t. XXII nr 1 (211) InŜynieria materiałowa w obróbce plastycznej Prof. dr hab. inŝ. Leopold BERKOWSKI Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań e-mail: inop@inop.eu Właściwości azotowanych powłok regeneracyjnych The properties of nitrided regenerative coatings Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki badań wybranych powłok regeneracyjnych nałoŝonych na próbki róŝnymi metodami i azotowanych w róŝny sposób ( i gazowe). Badano zmiany geometrii powierzchni po azotowaniu, wyznaczono profile twardości powłok przed i po azotowaniu oraz przeprowadzono próby ścierania. Badania wykazały, Ŝe azotowanie nie powoduje istotnego wzrostu odporności na ścieranie powłok ze stali stopowych i powłok ze stopu niklu, które wykazały odporność na zuŝycie jeszcze przed obróbką cieplnochemiczną. Korzystne skutki azotowania stwierdzono na powłokach ze stali SpG3-S1. Abstract The paper presents examination results of selected regenerative coatings applied on to the samples by various methods and nitrided in various ways (ion and gas nitriding). Surface geometry changes after nitriding have been examined, coating hardness profiles before and after nitriding have been determined abrasion tests have been performed. The investigation has shown that nitriding does not result in a significant increase of abrasion resistance of alloy steel coatings and coatings of nickel alloy which have revealed wear resistance prior to the thermochemical treatment. Advantageous results of nitriding have been found on coatings of SpG3-S1 steel. Słowa kluczowe: obróbka powierzchniowa, powłoki regeneracyjne, azotowanie, twardość, odporność na ścieranie Key words: surface treatment, regenerative coatings, nitriding, hardness, abrasion resistance 1. WSTĘP Jakość obiektów technicznych (środków transportu, maszyn i narzędzi) zaleŝy przede wszystkim od jakości współpracujących ze sobą elementów, zwłaszcza tych, przenoszących duŝe obciąŝenie. O trwałości elementów maszyn decyduje wybrana technologia wytwarzania. Pierwsza połowa dwudziestego wieku to rozwój podstawowych sposobów obróbki; skrawania, obróbki plastycznej, obróbki cieplnej, a takŝe technik łączenia części spawaniem. Po drugiej wojnie światowej duŝego znaczenia nabrały technologie złoŝone, jak obróbka cieplno-plastyczna, przy której wykorzystano skutki dwóch technologii, obróbki cieplnej i plastycznego kształtowania metali oraz technologie z dziedziny inŝynierii powierzchni, techniki tworzenia warstw wierzchnich i nakładania róŝnego rodzaju powłok [1]. 1. INTRODUCTION The quality of technical object (means of transport, machines and tools) depends mainly on the quality of elements cooperating with each other, especially those under high loads. The life of machine elements is determined by the selected manufacturing technology. The firs half of the twentieth century has witnessed the development of the basic methods of processing: machining, metal forming, heat treatment, as well as the techniques of parts bonding by welding. After the second world war, combined technologies, such as heat treatment and plastic forming, in which the effects of heat treatment and metal forming have been utilized, have gained importance, as well as technologies in the range of surface engineering, techniques of creation surface layers and applying various kinds of coatings [1].
16 L. Berkowski Wytwarzanie wysokiej jakości elementów maszyn przy niskich kosztach wykonania wymaga wykorzystania współczesnej wiedzy w tym zakresie. Rozwiązaniem jest stosowanie wybranych technik inŝynierii powierzchni, tworzenie powłok spawalniczych na elementach wykonanych z tanich materiałów. Początkowo techniki te naleŝały do technik regeneracyjnych elementów maszyn i narzędzi, lecz z uwagi na nierówności powierzchni warstw wymagały dodatkowej, kosztownej obróbki. Rozwój technologii inŝynierii powierzchni, moŝliwość otrzymywania dowolnie cienkich, dokładnych warstw i powłok sprawił, Ŝe stały się one takŝe technikami stosowanymi przy produkcji nowych obiektów. W przypadku regeneracji (przed nakładaniem warstwy) powierzchnia wymaga jednak odpowiedniego przygotowania, usunięcia pozostałych po eksploatacji warstw i powłok. W artykule przedstawiono wyniki wstępnych badań nad oceną skutków technologii obejmującej nakładanie powłoki i dodatkowe jej azotowanie, celem zwiększenia odporności na ścieranie. Równolegle, podobne próby, podjęto w pracy [2]. Badania azotowanych powłok otrzymanych podczas laserowego stopowania warstw na narzędziach do obróbki plastycznej przedstawiono w pracach [3 i 4]. W toku badań, opisanych w niniejszej publikacji, starano się uzyskać odpowiedź na następujące pytania: Które z badanych powłok, takŝe azotowanych, moŝna stosować na narzędzia do obróbki plastycznej oraz na elementy maszyn naraŝone podczas eksploatacji na duŝy ubytek masy w wyniku tarcia? Jakie są skutki azotowania powłok; zmiany geometrii powierzchni, profilu twardości, wzrost odporności na zuŝycie cierne? Manufacturing high quality machine parts at low production costs requires utilization of contemporary knowledge relevant to it. The solution is the application of selected surface engineering techniques, creation of welding coatings on elements made of cheap materials. Initially, those techniques were included in the regeneration techniques of machine parts and tools, but, due to the uneven surface profiles of the layers, they required additional expensive machining. The development of surface engineering technologies, the possibility of obtaining very thin, precise layers and coatings resulted in that they have become techniques applied in the production of new objects. In the case regeneration (before the coating is applied) the surface has to be adequately prepared, the layers and coatings left after exploitation must be removed. The paper presents the results of initial investigation of the effects of the technology including application of a coating and additional nitriding of it in order to improve the abrasion resistance. Similar tests have been undertaken in work [2]. Examination of nitrided coatings obtained in laser application of layers on metal forming tools has been described in works [3 and 4]. The investigation described in this paper was intended to get answers to the following questions: Which of the coatings under investigation, including the nitrided ones, can be used for metal forming tools and machine elements exposed to large loss of mass due to abrasion? What are the results of coating nitriding; changes surface geometry, hardness profile, better resistance to abrasion wear? 2. SPOSÓB OBRÓBKI POWIERZCH- NIOWEJ. MATERIAŁ I ZAKRES BA- DAŃ ZałoŜono, Ŝe technologia będzie realizowana według dwóch ścieŝek, ujętych schematycznie na rys. 1; jedna ścieŝka dla nowych, druga dla eksploatowanych wyrobów. Wyroby po eksploatacji wymagają dodatkowej obróbki, usunięcia pozostałej warstwy. 2. THE WAY OF SURFACE PROCESSING. INVESTIGATION MATERIAL AND SCOPE It has been assumed that the technology will be realized along two paths, schematically shown in fig. 1; one of the paths for new products, the other for exploited ones. Exploited products require additional machining, removal of the layer left.
Właściwości azotowanych powłok regeneracyjnych 17 Wyrób/Product Regenerowany po eksploatacji Regenerated after exploitation Po obróbce mechanicznej i cieplnej (nowy) After machining and heat treatment (new) Usuwanie zuŝytej warstwy Removal of the wornlayer Nakładanie powłoki Coating application Obróbka ubytkowa Decremental processing Azotowanie Nitriding Rys. 1. Sposób obróbki (azotowania) regenerowanych części maszyn i narzędzi Fig.1. The way of processing (nitriding) regenerated machine parts and tools W przypadku warstwy wierzchniej, azotowanej, w wysokiej temperaturze napawania, mogą tworzyć się pęcherze, a pozostała powłoka sprzyja powstawaniu warstw o nieprzewidywalnym składzie chemicznym. 2.1. Materiał badań Materiałem badań była stal 45 w stanie wyŝarzonym. Powłoki nakładano na wałki o średnicy φ35 mm i długości 25 mm. Do badań mikroskopowych i do pomiarów twardości próbki cięto na krąŝki o grubości 15 mm i dalej na mniejsze fragmenty. 2.2. Sposoby nakładania powłok Próbki o wymiarach, jak wyŝej, napawane były drutami SPG1, SPG3-S1, PZ654 i 6-JG, natapiane gazo-proszkowo proszkiem PM- Ni55g oraz metalizowane natryskowo drutem ze stali 4H13. In case of a surface layer, nitrided at high temperature of pad welding, bubbles can arise and the remaining coating promotes formation of layers with unpredictable chemical composition. 2.1. Investigation material The material under investigation was steel 45 in the annealed state. Coatings have been applied on shafts with the diameter of φ35 mm and the length of 25 mm. For microscopic examinations and hardness measurements, the samples were cut into 15 mm thick disks and, subsequently, into smaller fragments. 2.2. The ways of coating application The samples dimensioned as above have been pad welded with wires SPG1, SPG3-S1, PZ654 and 6-JG, and gas-flame plated with PMNi55g powder as well as spray metalized with a 4H13 steel wire.
18 L. Berkowski Tablica 1. Metody nakładania warstw regeneracyjnych oraz skład chemiczny materiałów zastosowanych powłok w procentach Table 1. Methods of applying regenerative layers and chemical composition of the coating materials. Contents in percentage Metoda Methode Materiał Material C Mn Si P max S max Cr Ni Cu Mo,35 max NEW SpG1,1,3,3 - - - - - -,65,3 1,3,7 max max NEW SPG3-S1,1,3,3 - - - -1,7-1,,25,3 NEW PZ654,15,25 2,5 - - 9,5 -,2 - - NEW 65-JG,36 - - - - 5,1 - - 1,4 - NGP PMNi55g 3 - - - - 7 MN 4H13,36 max,8,8,4,3 14 reszta the rest max,6 - - Inne Others Fe max 4 - - - NEW napawanie elektro-wibracyjne, NGP natapianie gazo-proszkowe, MN metalizacja natryskowa. NEW electro-vibration pad welding, NGP gas-powder flame plating, MN metal spraying. Skład chemiczny materiałów regeneracyjnych według norm PN-88/M-6942 i PN-71/H- 862 podano w tablicy 1. Obecnie, zamiast normy PN-88/M-6942 stosuje się normy: PN- EN ISO 14343:21, PN-EN 14341:28, PN- EN 756:25 i PN-EN 636:28, a zamiast normy PN-71/H-862 - normę PN-EN 188-1:27. 2.3. Azotowanie powłok Zastosowano dwa sposoby azotowania: w mieszaninie azotu i wodoru oraz azotowanie z uŝyciem amoniaku. Azotowanie jonowe przeprowadzono w piecu typu JONIMP 9/5 w czasie ośmiu godzin, w temperaturze 52 o C. Potencjał azotowy przyjęto Np = 8,5 %. Azotowanie gazowe przeprowadzono w piecu do azotowania z retortą, do którego po odpowiednim wygrzaniu w temperaturze 54 o C ładowano wsad. Próbki, podobnie jak poprzednio, azotowano w czasie ośmiu godzin, w temperaturze 52 o C. Atmosfera w retorcie pieca składała się z 7% amoniaku i 3% wodoru. Potencjał azotowy Np = 8,5 %. The chemical composition of the regenerative materials according the standards, PN-88/M-6942 and PN-71/H-862 can be found in table 1. Today, instead of the PN-88/M-6942, standards PN-EN ISO 14343:21, PN-EN 14341:28, PN-EN 756:25 and PN-EN 636:28 are used, as well as PN-EN 188-1:27 instead of PN-71/H-862. 2.3. Nitriding of coatings Two ways of nitriding have been applied: ion nitriding in a mixture of nitrogen and hydrogen and nitriding with the use of ammonia. Ion nitriding has been effected in a JONIMP 9/5 furnace, for eight hours at 52 o C. The nitrogen potential of Np = 8.5% has been adopted Gas nitriding has been effected in a nitriding furnace with a retort, to which the charge has been loaded after adequate soaking at 54 o C. As before, the samples have been nitrided for eight hours at 52 o C. The atmosphere of the furnace retort consisted of 7% of ammonia and 3% of hydrogen. Nitrogen potential Np = 8.5%.
Właściwości azotowanych powłok regeneracyjnych 19 2.4.Metody badawcze Celem porównania skutków obróbki powierzchniowej przeprowadzono badania chropowatości powierzchni próbek przed i po azotowaniu, pomiary twardości warstw azotowanych oraz badania odporności warstwy wierzchniej na zuŝycie ścierne. Oceniając geometrię powierzchni próbek szlifowanych przed azotowaniem, z pomocą aparatu SURTRONIK 3, f-my Taylor-Hobson, wyznaczano parametry chropowatości Ra, Rz, Rt i Sm wg PN-77/M-4251. Porównywano parametry chropowatości powierzchni szlifowanej oraz po azotowaniu jonowym i gazowym. Pomiary twardości HV,1 przeprowadzono przy uŝyciu twardościomierza ZWICK 3212 przy obciąŝeniu,1 kg. Pomiary wykonano w trzech ścieŝkach, prostopadle do powierzchni, w odstępach,4 mm. Odporność na zuŝycie próbek azotowanych badano z pomocą specjalnego przyrządu zamocowanego w suporcie tokarki. Przeciwpróbkami były wałeczki ze spieku G1, o twardości około 14 HV, zakończone czaszą kulistą o promieniu 4,5 mm. Wstępnie wyznaczono siłę docisku doprowadzając proces do zatarcia. Przy ocenie odporności na zuŝycie zastosowano stałą się docisku jednakową dla wszystkich próbek 2 dan, przyjętą dla najsłabszej warstwy regenerowanej. Pozostałymi parametrami próby były: prędkość obrotowa n = 21 obr/min i czas trwania próby t p = 15 minut. Miarą zuŝycia była szerokość ścieŝki wytarcia na pobocznicy walca. 3. WYNIKI BADAŃ Podczas badań oceniano skutki azotowania jonowego i gazowego na próbkach z powłokami nałoŝonymi w róŝny sposób. Przeprowadzono badania zmian geometrii powierzchni, oraz pomiary twardości warstw, porównując odpowiednie profile przed i po azotowaniu. 2.4. Investigation methods In order to compare the results of surface treatment, sample surface roughness examination has been performed before and after nitriding, as well as hardness measurements of the nitrided layers and examination of the surface layer abrasive wear resistance. While evaluating the surface geometry of the samples ground before nitriding, the roughness parameters, Ra, Rz, Rt and Sm, according to PN-77/M-4251 have been determined by means of SURTRONIK 3 apparatus made by Taylor-Hobson. The roughness parameters of the ground surface and that after ion and gas nitriding have been compared. The HV.1 hardness has been measured by means of a ZWICK 3212 hardness tester with the load of.1 kg. The measurements were performed in three paths, perpendicularly to the surface, at intervals of.4 mm. The wear resistance of nitrided samples has been examined by means of a special device fixed in the slide of a lathe. Reference samples were small shafts made of G1 sinter with the hardness of about 14 HV with ends in the form of a spherical cap of 4.5 mm radius. The pressing force has been initially determined by conducting the process to the point of seizure. In the assessment of wear resistance, a constant pressing force of 2 dan, equal for all the samples, has been used; the force has been adopted for the weakest regenerated layer. The other test parameters were as follows: rotational speed, n = 21 rpm and test duration time, t p = 15 minutes. The measure of wear was the width of the abrasion path on the cylinder side wall. 3. INVESTIGATION RESULTS In the investigation, the effects of ion and gas nitriding on samples with coatings applied in various ways have been assessed. Examinations of surface geometry changes have been performed, as well as hardness measurements of the layers have been performed to compare the corresponding profiles before and after nitriding.
2 L. Berkowski Oceniono wpływ azotowania na zuŝycie powłok nałoŝonych na próbki metodą: napawania elektro-wibracyjnego, natapiania gazo-proszkowego, metalizacji natryskowej. 3.1. Badanie chropowatości powierzchni Wyniki pomiarów chropowatości pozwoliły odpowiedzieć na pytanie czy skład chemiczny powłoki i sposób jej nakładania wpływa na jakość powierzchni próbek po obróbce ubytkowej oraz jak wpływa dodatkowa obróbka cieplno-chemiczna (azotowanie) na geometrię powierzchni próbek z nałoŝonymi powłokami. Z sześciu parametrów chropowatości wyznaczonych z pomocą urządzenia SURTRONIK 3 w artykule wyróŝniono zgodnie z PN-87/M- 4256/1 (obecnie PN-EN-ISO 4287:1999) tylko trzy: Ra, Rt i Sm. The influence of nitriding on the wear of coatings applied by the method of: electro-vibration pad welding, gas- powder pad welding, metal spraying. 3.1. Surface roughness examination The results of roughness measurements have allowed us to answer the question whether the chemical composition of a coating and the way of its application influences the quality of samples after machining and how additional thermochemical treatment (nitriding) influences the surface geometry of samples with coating applied. Out of the six roughness parameters determined by means of the SURTRONIK 3 device, only three have been pointed out in the paper in accordance with PN-87/M-4256/1 (now PN-EN-ISO 4287:1999): Ra, Rt and Sm. Tablica 2. Średnie wartości parametrów chropowatości Ra, Rt i Sm powłok szlifowanych oraz po azotowaniu jonowym i gazowym Table 2. Average values of the Ra, Rt and Sm roughness parameters of ground coatings and ones after ion and gas nitriding Stan powierzchni Surface condition Powierzchnia szlifowana Ground surface Azotowanie jonowe Ion nitriding Azotowanie gazowe Gas nitriding Powierzchnia szlifowana Ground surface Azotowanie jonowe Ion nitriding Azotowanie gazowe Gas nitriding Powierzchnia szlifowana Ground surface Azotowanie jonowe Ion nitriding Azotowanie gazowe Gas nitriding Napawanie elektro-wibracyjne Electro-vibration pad welding Napawanie gazoproszkowe Gas-powder flame plating Metalizacja natryskowa Metal spraying SpG1 SpG3-S1 PZ654 65-JG PMNi55g 4H13 Wartość parametru Ra, µm/ Ra parameter values, µm,35,48,67,26,43,49 5,42,49,85,35 1,14 1,9 1,49 1,31 1,13,94 1,63 1,16 Wartość parametru Rt, µm/ Rt parameter values, µm 7,9 6, 6,4 2,5 6,2 9,8 41, 4,5 7, 3,1 12,4 15,4 12,7 12,3 12,9 1, 14,5 1,6 Wartość parametru Sm, µm/ Sm parameter values, µm 33 16 18 23 24 34 225 25 39 25 4 125 38 41 37 34 46 41
Właściwości azotowanych powłok regeneracyjnych 21 Na kaŝdej próbce, na odcinku pomiarowym,8 mm wykonano po 1 pomiarów. W tablicy 2 porównano parametry chropowatości powierzchni szlifowanej oraz po azotowaniu jonowym i gazowym (rys. 2, 3 i 4). On each sample, on a measurement section of.8 mm, 1 measurements have been performed. A comparison of surface roughness parameters of a ground surface and ones after ion and gas nitriding can be found (table 2 and figures 2, 3 and 4). 6 Wartość parametru Ra, µm 5 4 3 2 1 szlifowana 1 2 3 4 5 6 Sposób nakładania powłoki Rys. 2. Wpływ jakości powłoki i azotowania na wartość parametru chropowatości Ra, µm: 1 - SpG1, 2 SpG3-S1, 3 PZ654, 4 65-JG, 5 PMNi55g, 6 4H13 Fig. 2. The influence of coating and nitriding quality on the value of the roughness parameter, Ra, µm: 1 - SpG1, 2 SpG3-S1, 3 PZ654, 4 65-JG, 5 PMNi55g, 6 4H13 Wartośc parametru Rt, mm 45 4 35 3 25 2 15 1 5 szlifowana 1 2 3 4 5 6 Sposób nakładania powłoki Rys. 3. Wpływ jakości powłoki i azotowania na wartość parametru chropowatości Rt, µm, oznaczenia powłok jak na rys. 2 Fig. 3. The influence of coating and nitriding quality on the value of the roughness parameter, Rt, µm, coating designations as in fig. 2
22 L. Berkowski Wartośc parametru Sm, µm 25 2 15 1 5 szlifowana 1 2 3 4 5 6 Sposób nakładania powłoki Rys. 4. Wpływ jakości powłoki i azotowania na wartość parametru chropowatości Sm, µm, oznaczenia powłok jak na rys. 2 Fig. 4. The influence of coating and nitriding quality on the value of the roughness parameter, Sm, µm, coating designations as in fig. 2 Z porównania wybranych parametrów chropowatości powierzchni próbek szlifowanych wynika, Ŝe zaleŝą one w niewielkim stopniu od składu chemicznego nałoŝonej powłoki. Średnia wartość Ra próbek szlifowanych mieściła się w granicach od,26 do,67 µm, Rt od 2,5 do 9,8 µm, a Sm 16 34 µm. W górnej granicy mieściły się parametry chropowatości próbek po metalizacji natryskowej. Po azotowaniu parametry chropowatości na ogół wzrosły, bardziej po azotowaniu gazowym. Wynika to przypuszczalnie z odmiennych warunków procesu. I tylko próbki po metalizacji natryskowej stalą 4H13 oraz po napawaniu elektroiskrowym drutem SPG1 (w tym przypadku, po azotowaniu jonowym, stwierdzono wyraźny wzrost parametrów chropowatości) wykazały odmienne tendencje. 3.2. Pomiary twardości Pomiary twardości HV,1 prowadzono na głębokość do około,2 mm, gdyŝ do takiej głębokości sięgała strefa próbki ulepszona powłoką nałoŝoną elektro-wibracyjnie, gazoproszkowo lub po metalizacji natryskowej. The comparison of the selected surface roughness parameters of the ground samples indicates that they depend on the chemical composition of the coating applied only to a small extent. The average Ra value of the ground samples was within the range of.26 to.67 µm, Rt from 2.5 to 9.8 µm and Sm from 16 to 34 µm. The roughness parameters of samples after metal spraying were within the upper limit. After nitriding, the roughness parameters increased, more after gas nitriding. And only the samples after metal spraying with 4H13 steel and after electric spark pad welding with SPG1 wire have revealed different tendencies (in this case, after ion nitriding, a clear increase of roughness parameters has been observed). 3.2. Hardness measurements HV.1 has been measured to the depth of about.2 mm because this was the depth of the zone improved with the coating applied by electro-vibration, gas-powder methods or after metal spraying.
Właściwości azotowanych powłok regeneracyjnych 23 Twardość próbki Ŝe stali 45 w stanie dostawy wynosiła około 2 HV,1 i w zaleŝności od sposobu nakładania warstwy i właściwości powłoki ulegała zmianie. Powłoki napawane elektro-wibracyjnie drutem SpG1 (rys. 5) i SpG3-S1 (rys. 6) nie wykazały zmian twardości warstwy; w drugim przypadku nastąpiło niewielkie obniŝenie twardości. Natomiast profile twardości warstw azotowanych wyraźnie się między sobą róŝniły. Po azotowaniu jonowym nastąpił niewielki wzrost twardości, malejący w miarę oddalania się do powierzchni próbki. Po azotowaniu gazowym wzrost twardości był znaczny, o około 7 jednostek (j.)hv,1 i kończył się raptownie na głębokości odpowiednio: w przypadku stali SpG1 -,7 mm i SpG3-S1 -,5 mm. NałoŜenie powłok napawaniem elektrowibracyjnym drutem PZ654 (rys. 7) i drutem 65-JG (rys.8) spowodowało wzrost twardości próbek; w pierwszym przypadku o około 4 j.hv,1, w drugim - o około 6 j.hv,1, lecz skutki utwardzenia były mniejsze, zaleŝne od utwardzenia próbek spowodowanych napawaną powłoką. W przypadku powłoki PZ654 twardość warstwy przy powierzchni wzrosła o około 4 j.hv,1, przy czym po azotowaniu jonowym jej grubość dochodziła do około,1 mm. The hardness of a 45 steel sample as delivered was about 2 HV.1 and changed depending on the way of coating application and the layer properties. The coatings pad welded by the electrovibration method with wires SpG1 (fig. 5) and SpG3-S1 (fig. 6) have not revealed changes of the layer hardness; in the latter case a slight hardness drop took place. On the other hand, the hardness profiles of nitrided layers differed from each other clearly. After ion nitriding, a slight increase of hardness occurred, dropping as the distance from the sample surface increased. After gas nitriding, hardness increase was significant amounting about 7 units (j.) HV.1 and it stopped rapidly at the depth of.7 mm in the case of SpG1 steel and.5 mm in the case of SpG3-S1. Coating application by electro-vibration pad welding with a PZ654 wire (fig. 7) and 65-JG wire (fig. 8) has resulted in an increase of the sample hardness; in the first case by about 4 units HV.1, in the second case by about 6 units, depending on the sample hardening due to the pad welded coating. In the case of the PZ654 coating, the surface layer hardness has increased by about 4 units HV.1, with its thickness after ion nitriding amounting about.1 mm. Twardość, HV,1 12 1 8 6 4 2 nieazotowane,2,4,6,8 1 1,2 1,4 Odległość od powierzchni, mm Rys. 5. Rozkłady HV,1 powłoki napawanej elektro-wibracyjnie drutem ze stali SpG1 Fig. 5. HV.1 distributions of a coating electro-vibration pad welded with SpG1 steel wire
24 L. Berkowski 12 Twardość, HV,1 1 8 6 4 nieazotowane 2,3,6,9 1,2 1,5 1,8 2,1 Odległość od powierzchni, mm Rys. 6. Rozkłady HV,1 powłoki napawanej elektro-wibracyjnie drutem ze stali SpG3-S1 Fig. 6. HV.1 distributions of a coating electro-vibration pad welded with SpG3-S1 steel wire 12 Twardość, HV,1 1 8 6 4 2 nieazotowane,3,6,9 1,2 1,5 1,8 Odległość od powierzchni, mm Rys. 7. Rozkłady HV,1 powłoki napawanej elektro-wibracyjnie drutem ze stali PZ654 Fig. 7. HV.1 distributions of a coating electro-vibration pad welded with PZ654 steel wire 12 Twardość, HV,1 1 8 6 4 2,3,6,9 1,2 1,5 1,8 Odległość od powierzchni, mm nieazotowane Rys. 8. Rozkłady HV,1 powłoki napawanej elektro-wibracyjnie drutem ze stali 65-JG Fig. 8. HV.1 distributions of a coating electro-vibration pad welded with 65-JG steel wire
Właściwości azotowanych powłok regeneracyjnych 25 Po azotowaniu gazowym warstwa zalegała głębiej, a jej grubość przekraczała,3 mm. W drugim przypadku wzrost twardości powłoki był niewielki (w granicach błędu) i niezaleŝny od sposobu azotowania. Na rys. 9 przedstawiono profile twardości próbek natapianych gazo-proszkowo. Z rysunku wynika, Ŝe proces powoduje wzrost twardości próbek, na głębokości występowania powłoki, o około 4 j.hv,1, a azotowanie powoduje jej obniŝenie o około 1 j.hv,1. Widać ponadto, Ŝe, podobnie jak w poprzednich przypadkach, daje warstwę cieńszą (do około,2 mm), o monotonicznie zmniejszającej się twardości, natomiast grubszą, dochodzącą do,6 mm. Nierównomierne (na grubości) warstwy wskazują na segregacje składników stopowych w tych warstwach. Powłoka (podobnie jak na rys. 7 i 8) nie została równomiernie nałoŝona. Wzrost twardości próbek na głębokości, po róŝnych obróbkach, nie był jednakowy. Metalizacja natryskowa stalą 4H13 (rys. 1) nie spowodowała wzrostu twardości próbki. Natomiast przyrosty twardości i grubości warstw azotowanych były w tym przypadku największe. Przyrosty twardości wynosiły około 6 j.hv,1, a grubości warstw po azotowaniu jonowym i gazowym - odpowiednio,7 i,9 mm. After gas nitriding, the layer lay deeper and its thickness exceeded.3 mm. In the latter case, there was only a small increase of the layer hardness (within the limits of error) and it was independent of the way of nitriding. Fig. 9 presents hardness profiles of samples subjected to gas-powder pad welding. The figure shows that the process causes an increase of the sample hardness, at the depth of the coating presence, by about 4 units (HV.1) while nitriding causes its reduction by about 1 units. It can also be seen that ion nitriding, like in the previous cases, results in a thinner layer (up to about.2 mm), with monotonically decreasing hardness, while gas nitriding in a thicker layer amounting to.6 mm. The unevenly thick layers indicate segregations of the alloy components in those layers. The layer (like in fig.7 and 8) has not been evenly applied. The sample hardness increase in their depth, after various processing, was not the same. Metal spraying with 4H13 steel (fig. 1) has not resulted the sample hardness increase. The nitrided layer hardness and thickness increases, on the other hand, were the largest in this case. Hardness increases were about 6 HV.1 unit; the layer thickness after ion and gas nitriding.7 and.9 mm, respectively. 12 Twardość, HV,1 1 8 6 4 nieazotowane 2,3,6,9 1,2 1,5 1,8 Odległość od powierzchni, mm Rys. 9. Rozkłady HV,1 powłoki po natapianiu gazo-proszkowym, proszek PMNi55g Fig. 9. HV.1 distributions of a coating after gas-powder flame plating, powder PMNi55g
26 L. Berkowski Twardość, HV,1 12 1 8 6 4 2 nieazotowane azotowanie goazowe,3,6,9 1,2 1,5 Odległość od powierzchni, mm Rys. 1. Rozkłady HV,1 powłoki po metalizacji natryskowej stalą 4H13 Fig. 1. HV.1 distributions after spraying with 4H13 steel Analiza wyników pomiarów twardości wykazała, Ŝe właściwości powłoki zaleŝą od składu chemicznego warstwy i sposobu ich nakładania. Właściwości powłok, a zwłaszcza skład chemiczny wpływają na dyfuzję azotu. Wynika to prawdopodobnie z większej podaŝy atomów azotu do warstwy. Stąd, róŝne profile twardości, zaleŝne takŝe od warunków azotowania. Azotowanie gazowe pozwala osiągnąć grubsze i twardsze warstwy niŝ azotowanie jonowe, a ich profile zaleŝą od składu chemicznego, właściwości powłoki. 3.3. Badanie odporności na zuŝycie Badanie odporności na zuŝycie cierne, przez porównanie osiemnaście róŝnych wariantów obróbki wykazało (rys. 11), Ŝe właściwość ta zaleŝy przede wszystkim od składu chemicznego powłoki, a dodatkowe azotowanie powoduje zwiększenie tej odporności. Z badanych powłok, najtrwalszą okazała się powłoka PMNi55g nałoŝona podczas natapiania gazoproszkowego; azotowanie tej powłoki nie spowodowało dalszego wzrostu odporności na zuŝycie cierne. DuŜą odpornością charakteryzowały się powłoki napawane elektrowibracyjnie drutem PZ654 i drutem 65-JG, przy czym skutki azotowania były w tym przypadku niewielkie. The analysis of hardness measurement results has shown that the properties of coatings depend on their chemical composition and the way of application. Coating properties, especially their chemical composition influence nitrogen diffusion. Hence, various hardness profiles, depending also on the nitriding conditions. Gas nitriding allows for acquisition of thicker and harder layers than ion nitriding and their profiles depend on the coating chemical composition. 3.3. Wear resistance examination Examination of abrasive wear resistance by comparing eighteen different variants of processing has shown that this property depends mostly on the chemical composition of the coating and additional nitriding results in an increase of that resistance. Among the coatings under examination, the PMNi55g applied by gas-powder flame plating turned out to be the most durable one; nitriding of that coating has not resulted in further growth of abrasive wear. Coatings applied by electrovibration pad welding with PZ654 and 65-JG wire were characterized by high resistance while there were only slight effects of nitriding in that case.
Właściwości azotowanych powłok regeneracyjnych 27 ZuŜycie, mm 2,5 2 1,5 1,5 nieazotowane azotowanie goazowe 1 2 3 4 5 6 Sposób nakładania powłoki Rys. 11. Wpływ jakości powłoki i azotowania na odporność na ścieranie; szerokość ścieŝki wytarcia, mm: 1 - SpG1, 2 SpG3-S1, 3 PZ654, 4 65-JG, 5 PMNi55g, 6 4H13 Fig. 11. The influence of the coating quality and nitriding on abrasion resistance; abrasion path width, mm: 1 SpG1, 2 SpG3-S1, 3 PZ654, 4 65-JG, 5 PMNi55g, 6 4H13 Większe znaczenie procesu azotowania miało miejsce dla przypadku napawania drutem ze stali węglowej. Wtedy, azotowanie spowodowało wyraźny wzrost odporności na ścieranie. Mała odpornością na ścieranie próbki napawanej drutem SpG1 i azotowanej wynika prawdopodobnie z nieodpowiednio dobranego miejsca na próbce, miejsca, w którym dyfuzja azotu prawdopodobnie nie zachodziła, a nieskuteczne przetrzymywanie w piecu spowodowało wzrost chropowatości powierzchni próbki, a potem intensywne ścieranie. Nitriding had a more significant effect in the case of pad welding with carbon steel wire. Then, nitriding resulted a clear increase of abrasion resistance. The small abrasion resistance of the sample pad welded with SpG1 wire and nitrided is probably an effect of improperly chosen location on the sample, a one where nitrogen diffusion has probably not taken place; effectless keeping in a furnace resulted in an increase of the sample surface roughness followed by intensive abrasion. 4. PODSUMOWANIE Doskonalenie technologii nakładania powłok, moŝliwość dokładnego sterowania procesem, zwiększyło moŝliwości skutecznego jej zastosowania do polepszenia jakości elementów maszyn i narzędzi, zwłaszcza do obróbki plastycznej. Badania, których wyniki zaprezentowano w niniejszej publikacji wykazały, Ŝe skutki zastosowanych metod nakładania powłok są róŝne, a azotowanie zmienia właściwości warstwy wierzchniej i geometrię powierzchni zaleŝnie od składu chemicznego powłoki. Badania wykazały, Ŝe: 4. SUMMARY Perfecting the technology of applying coatings, the possibility of the process controlling has increased the possibilities of its effective application to improve the quality of machine elements and tools, particularly those for metal forming. Investigation, the results of which have been presented in this paper, have shown that the effects of the coating application method used are various and nitriding changes the properties of the surface layer and surface geometry depending on the chemical composition of the coating. The investigation has shown that:
28 L. Berkowski 1) Parametry chropowatości po szlifowaniu zaleŝą od składu chemicznego powłoki, a azotowanie powoduje na ogół wzrost tych parametrów, wyraźniejszy po azotowaniu gazowym. 2) Powłoka, niezaleŝnie od sposobu jej nakładania, powoduje wzrost twardości próbki, a wartość przyrostu twardości zaleŝy od składu chemicznego nałoŝonego materiału. 3) Profile twardości po azotowaniu jonowym i gazowym były róŝne. Warstwy dyfuzyjne po azotowaniu jonowym były cieńsze. Warstwy uzyskane po azotowaniu gazowym były grubsze i kończyły się gwałtownym spadkiem twardości. 4) Maksymalna twardość azotowanych powłok, niezaleŝnie od sposobu ich nakładania, wynosiła około 1 HV,1. Dlatego skutki azotowania były największe w przypadku warstw o mniejszej twardości, np. po napawaniu stalą SpG1. W przypadku powłok o duŝej twardości (rys. 8 i 1) efekt azotowania był mniejszy. 5) Największą odporność na zuŝycie wykazywały powłoki ze stali stopowych nało- Ŝone elektro-wibracyjnie oraz powłoki ze stopu niklu nałoŝone sposobem gazoproszkowym. Azotowanie tych powłok nie wpłynęło istotnie na zuŝycie cierne. 6) Wyraźną poprawę odporności na ścieranie wykazały powłoki ze stali węglowych; stal SpG3-S1, lecz tylko po azotowaniu gazowym. Badania wykazały, Ŝe polepszenie odporności na zuŝycie skutkiem nakładania powłok i azotowania ma znaczenie tylko w przypadku powłok ze stali węglowych. Zmiany twardości powłok wysokostopowych i ze stopu niklu, choć niekiedy znaczne, nie wpływają istotnie na właściwości uŝytkowe powłoki. 1) The roughness parameters after grinding depend on the coating chemical composition and nitriding in general results in an increase of those parameters, more clear after gas nitriding. 2) A coating, regardless of the way it is applied, causes an increase of the sample hardness and the value of hardness increase depends on the chemical composition of the material applied. 3) Hardness profiles after ion and gas nitriding were different. Diffusion layers after ion nitriding were thinner. The layers obtained after gas nitriding were thicker and ended in a rapid hardness drop. 4) The maximum hardness of nitrided coatings, regardless of the way they had been applied, was about 1 HV.1. That is why the results of nitriding were the largest in the case of layers of lower hardness, e.g. after pad welding with SpG1 steel. In the case of coatings with high hardness (fig. 8 and 1) nitriding had smaller effect. 5) The highest wear resistance was that of alloy steel coatings applied by the gaspowder method. Nitriding of those coatings did not significantly influence abrasion wear. 6) A clear improvement of abrasion resistance was found in carbon steel coatings; SpG3-S1 steel, but only after gas nitriding. The investigation has shown that improvement of wear resistance due to the application of coatings and nitriding is of importance only in the case of carbon steel coatings. Hardness changes of high-alloy coatings and ones of nickel alloys, however sometimes significant, do not much influence the utilization properties of the coating.
Właściwości azotowanych powłok regeneracyjnych 29 LITERATURA/REFERENCES [1] Berkowski L.: MoŜliwości kojarzenia zjawisk (przemian fazowych, zgniotu i dyfuzji) w złoŝonych procesach technologicznych. Technologia maszyn. V Naukowe Warsztaty Profesorskie (Zbiór referatów), Koszalin 1999, s. 23-3, 5 rys. [2] Kula P., Krasiński A.: Regeneracja części maszyn i pojazdów poprzez napawanie niskowęglową stalą stopową wraz z obróbką cieplno-chemiczną po napawaniu. InŜynieria Materiałowa 22 nr 5 s. 531-534, 8 rys., 1 tab., bibliogr. 6 poz. [3] Berkowski L., śaboklicki A.: Badania nad zastosowaniem techniki laserowej w obróbce roboczych powierzchni narzędzi kuźniczych. XIII Konferencja Naukowo-Techniczna pt. Konstrukcja i technologia wytłoczek i wyprasek. Poznań, 12-13.5.1997. Materiały, s. 83-9, Obróbka Plastyczna Metali 1997 nr 3 s. 19-26, 7 rys. 1 tab. [4] Berkowski L., śaboklicki A.: Badania nad laserowym stopowaniem matryc kuźniczych proszkami WC-Co. Sympozjum pt. Obróbka plastyczna metali, technologia, narzędzia, maszyny. Mierki, 15-18.9.1997. Materiały s. 35-4, 9 rys. 1 tab. [5] Tomaszek S.: Ocena odporności na zuŝycie warstw regenerowanych napawaniem i azotowanych. Praca dyplomowa. Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Poznań 24 s. 31, 21 rys. 31 tab. bibliogr. 14 poz.