Wybrane aspekty regulowanego azotowania gazowego (RAG) oraz azotowania w obniżonym ciśnieniu (LPN)

Podobne dokumenty
Innowacyjne warstwy azotowane nowej generacji o podwyższonej odporności korozyjnej wytwarzane na elementach maszyn

BOROAZOTOWANIE STALI 42CrMo4

BADANIA PORÓWNAWCZE ODPORNOŚCI NA ZUŻYCIE PRZEZ TARCIE AZOTOWANYCH I NAWĘGLANYCH STALI KONSTRUKCYJNYCH

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE WARSTW DUPLEX WYTWARZANYCH W PROCESIE TYTANOWANIA PRÓŻNIOWEGO NA STALI NARZĘDZIOWEJ POKRYTEJ STOPEM NIKLU

Zużycie i emisja gazów technicznych w procesie regulowanego azotowania gazowego ZeroFlow oraz w dotychczas stosowanych procesach

Promotor: prof. nadzw. dr hab. Jerzy Ratajski. Jarosław Rochowicz. Wydział Mechaniczny Politechnika Koszalińska

88 MECHANIK NR 3/2015

Wymrażanie i azotowanie stali narzędziowych

Wpływ regulowanego azotowania gazowego na trwałość eksploatacyjną przewodu luf broni strzeleckiej *

ZASTOSOWANIE SZTUCZNYCH SIECI NEURONOWYCH DO MODELOWANIA PROCESÓW AZOTOWANIA PRÓŻNIOWEGO STALI NARZĘDZIOWYCH

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE WARSTW HYBRYDOWYCH TYPU CRC+CRN WYTWARZANYCH PRZEZ POŁĄCZENIE PROCESU CHROMOWANIA PRÓŻNIOWEGO Z OBRÓBKĄ PVD

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE POWŁOK ELEKTROLITYCZNYCH ZE STOPÓW NIKLU PO OBRÓBCE CIEPLNEJ

Badania wpływu obróbki laserowej i azotowania na własności warstwy wierzchniej próbek ze stali WCL

Ocena grubości warstw azotowanych na stalach 38HMJ i WCL za pomocą przyrządów Wirotest

ANTYŚCIERNE I ANTYKOROZYJNE WARSTWY NOWEJ GENERACJI WYTWARZANE W PROCESIE TYTANOWANIA PRÓŻNIOWEGO NA STALI NARZĘDZIOWEJ

MIKROSKOPIA METALOGRAFICZNA

WARSTWY WĘGLIKOWE WYTWARZANE W PROCESIE CHROMOWANIA PRÓŻNIOWEGO NA POWIERZCHNI STALI POKRYTEJ STOPAMI NIKLU Z PIERWIASTKAMI WĘGLIKOTWÓRCZYMI

Koncepcja nowoczesnego, ekonomicznego i ekologicznego procesu gazowego azotowania stali

POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

WPŁYW CHROPOWATOŚCI POWIERZCHNI MATERIAŁU NA GRUBOŚĆ POWŁOKI PO ALFINOWANIU

WĘGLOAZOTOWANIE JAKO ELEMENT OBRÓBKI CIEPLNEJ DLA ŻELIWA ADI

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Zakład Metaloznawstwa i Odlewnictwa

Tytuł pracy w języku angielskim: Microstructural characterization of Ag/X/Ag (X = Sn, In) joints obtained as the effect of diffusion soledering.

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE WARSTW HYBRYDOWYCH TYPU CrC+(Ni-Mo)+CrN

Azotowanie. metodą ZeroFlow

ROMAN OLIK 1, JERZY RATAJSKI 1, TOMASZ SUSZKO 1, JERZY MICHALSKI 2, JERZY DOBRODZIEJ 3, ADAM GILEWICZ 1 1. WPROWADZENIE

Tytuł rozprawy: Prof. dr hab. inż. Jerzy Michalski Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Wydział Inżynierii Produkcji

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ CRN W WARUNKACH TARCIA MIESZANEGO

Badania wpływu chropowatości powierzchni po azotowaniu gazowym na wskazania przyrządu wiroprądowego

NAWĘGLANIE PRÓŻNIOWE GŁĘBOKICH OTWORÓW W STALI 16HG

KONTROLA STALIWA GXCrNi72-32 METODĄ ATD

Zastosowanie sztucznych sieci neuronowych do modelowania procesów azotowania próżniowego stali narzędziowych

ZESZYTY NAUKOWE NR 1(73) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE

BADANIA MIKROSKOPOWE REGENERACYJNEJ WARSTWY NAPAWANEJ ZE STALI 41CrAlMo7 WYKONANEJ W TECHNOLOGII MULTIPLEX.

WPŁYW OBCIĄŻEŃ ZMĘCZENIOWYCH NA WYSTĘPOWANIE ODMIAN POLIMORFICZNYCH PA6 Z WŁÓKNEM SZKLANYM

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE WARSTW HYBRYDOWYCH WYTWARZANYCH W PROCESACH CHROMOWANIA DYFUZYJNEGO POŁĄCZONYCH Z OBRÓBKĄ PVD

Technologia azotowania jarzeniowego stali narzędziowych z zastosowaniem innowacyjnych rozwiązań

Technologie Materiałowe II Wykład 4 Obróbka cieplno-chemiczna stali

ĆWICZENIE Nr 5. Laboratorium Inżynierii Materiałowej. Akceptował: Kierownik Katedry prof. dr hab. B. Surowska. Opracował: dr inż.

BADANIA DYFRAKCYJNE WARSTWY ALFINOWANEJ NA STOPACH ŻELAZA

Wykład 8. Przemiany zachodzące w stopach żelaza z węglem. Przemiany zachodzące podczas nagrzewania

ROZKŁAD TWARDOŚCI I MIKROTWARDOŚCI OSNOWY ŻELIWA CHROMOWEGO ODPORNEGO NA ŚCIERANIE NA PRZEKROJU MODELOWEGO ODLEWU

ĆWICZENIE Nr 7. Laboratorium Inżynierii Materiałowej. Akceptował: Kierownik Katedry prof. dr hab. B. Surowska. Opracował: dr inż.

List of Presentations Lista Prezentacji October 3-5, 2018 Październik 3-5, 2018

WPŁYW ODKSZTAŁCENIA WZGLĘDNEGO NA WSKAŹNIK ZMNIEJSZENIA CHROPOWATOŚCI I STOPIEŃ UMOCNIENIA WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ PO OBRÓBCE NAGNIATANEM

EFFECT OF GAS NITRIDING PROCESS ON TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF CONSTRUCTIONAL STEEL

Analiza topografii powierzchni stali narzędziowej Vanadis 6 po wybranych sekwencyjnych procesach obróbki powierzchniowej

Politechnika Koszalińska

SILUMIN OKOŁOEUTEKTYCZNY Z DODATKAMI Cr, Mo, W i Co

PL B1 (13) B1. (51) IntCl6: C23C 8/26. (54) Sposób obróbki cieplno-chemicznej części ze stali nierdzewnej

WPŁYW OBRÓBKI CIEPLNEJ NA WYBRANE WŁASNOŚCI STALIWA CHROMOWEGO ODPORNEGO NA ŚCIERANIE

METODA OCENY SYNERGIZMU WYBRANYCH ARAMETRÓW OBRÓBKI CIEPLNEJ NA KSZTAŁTOWANIE SIĘ WŁASNOŚCI STALI PRZEZNACZONYCH DO AZOTOWANIA

NOWE ODLEWNICZE STOPY Mg-Al-RE

BADANIA MIKROSKOPOWE REGENERACYJNEJ WARSTWY NAPAWANEJ ZE STALI 13CrMo4-5 WYKONANEJ W TECHNOLOGII MULTIPLEX

KRZEPNIĘCIE KOMPOZYTÓW HYBRYDOWYCH AlMg10/SiC+C gr

OTRZYMYWANIE KOMPOZYTÓW METALOWO-CERAMICZNYCH METODAMI PLAZMOWYMI

Budowa stopów. (układy równowagi fazowej)

SILUMIN NADEUTEKTYCZNY Z DODATKAMI Cr, Mo, W i Co

OBRÓBKA CIEPLNA SILUMINU AK132

PROCESY ZACHODZĄCE PODCZAS OBRÓBKI CIEPLNO-CHEMICZNEJ

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

WYBRANE ZAGADNIENIA WYTRZYMAŁOŚCI POŁĄCZEŃ SPAWANYCH I KLEJOWYCH STALI KONSTRUKCYJNEJ S235JR

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

KRYSTALIZACJA I MIKROSTRUKTURA BRĄZU CuAl10Fe5Ni5 PO RAFINACJI

Innowacyjne rozwiązanie materiałowe implantu stawu biodrowego Dr inż. Michał Tarnowski Prof. dr hab. inż. Tadeusz Wierzchoń

STABILNOŚĆ STRUKTURALNA STALI P92 W KSZTAŁTOWANYCH PLASTYCZNIE ELEMENTACH RUROCIĄGÓW KOTŁÓW ENERGETYCZNYCH ANDRZEJ TOKARZ, WŁADYSŁAW ZALECKI

PROJEKTOWANIE I MONITOROWANIE PROCESU AZOTOWANIA GAZOWEGO

OKREŚLENIE WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH SILUMINU AK132 NA PODSTAWIE METODY ATND.

REJESTRACJA PROCESÓW KRYSTALIZACJI METODĄ ATD-AED I ICH ANALIZA METALOGRAFICZNA

MONITOROWANIE PRODUKCJI I KONTROLA JAKOŚCI STALIWA ZA POMOCĄ PROGRAMU KOMPUTEROWEGO

WZBOGACANIE BIOGAZU W METAN W KASKADZIE MODUŁÓW MEMBRANOWYCH

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA

Wpływ parametrów procesu osadzania na morfologię powłok ze stali austenitycznej stabilizowanej azotem

ZMIANY MIKROSTRUKTURY I WYDZIELEŃ WĘGLIKÓW W STALIWIE Cr-Ni PO DŁUGOTRWAŁEJ EKSPLOATACJI

WPŁYW ALUMINIUM NA NIEKTÓRE WŁAŚCIWOŚCI I STRUKTURĘ STALIWA

ZASTOSOWANIE OCHŁADZALNIKA W CELU ROZDROBNIENIA STRUKTURY W ODLEWIE BIMETALICZNYM

ANALIZA KRYSTALIZACJI STOPU AlMg (AG 51) METODĄ ATND

PODSTAWY OBRÓBKI CIEPLNEJ

ANALIZA KRZEPNIĘCIA I BADANIA MIKROSTRUKTURY PODEUTEKTYCZNYCH STOPÓW UKŁADU Al-Si

CHARAKTERYSTYKI TRIBOLOGICZNE WĘGLIKOWYCH WARSTW CHROMOWANYCH WYTWARZANYCH METODĄ PROSZKOWĄ PRZY OBNIŻONYM CIŚNIENIU

Badania tribologiczne ślizgowych węzłów obrotowych z czopami z powłoką TiB 2

IDENTYFIKACJA FAZ W MODYFIKOWANYCH CYRKONEM ŻAROWYTRZYMAŁYCH ODLEWNICZYCH STOPACH KOBALTU METODĄ DEBYEA-SCHERRERA

WŁAŚCIWOŚCI WARSTW AZOTOWANYCH JARZENIOWO, WYTWORZONYCH NA STALI 316L

Wpływ procesu azotowania gazowego na strukturę i twardość metalowych materiałów spiekanych na bazie Fe

OBRÓBKA CIEPLNA STOPÓW ŻELAZA. Cz. I. Wyżarzanie

BADANIA PRZYCZEPNOŚCI ZGORZELINY DO PODŁOŻA STALOWEGO DLA RÓŻNYCH SZYBKOŚCI PODGRZEWANIA

WPŁYW TEMPERATURY HARTOWANIA NA MIKROSTRUKTURĘ I WŁASNOŚCI MECHANICZNE STALI DP

RENTGENOSTRUKTURALNE BADANIA PRZEMIANY EUTEKTOIDALNEJ W ŻELIWIE EN-GJS

Ocena wielkości zużycia matrycy do kucia pierścieni synchronizatora na podstawie optycznego skanowania. badań metalograficznych

ZNACZENIE POWŁOKI W INŻYNIERII POWIERZCHNI

TECHNOLOGIA CHEMICZNA JAKO NAUKA STOSOWANA GENEZA NOWEGO PROCESU TECHNOLOGICZNEGO CHEMICZNA KONCEPCJA PROCESU

T E C H N I K I L AS E R OWE W I N Ż Y N I E R I I W Y T W AR Z AN IA

KONTROLA STALIWA NIESTOPOWEGO METODĄ ATD

STRUKTURA STOPÓW UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

WYBRANE MASYWNE AMORFICZNE I NANOKRYSTALICZNE STOPY NA BAZIE ŻELAZA - WYTWARZANIE, WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

OCENA WYKORZYSTANIA CIEPŁA WEWNĘTRZNEGO ŁUKU ELEKTRYCZNEGO DO HARTOWANIA POWIERZCHNIOWEGO STALI

Politechnika Łódzka Wydział Mechaniczny Instytut Inżynierii Materiałowej

OKREŚLANIE WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH SILUMINU AK20 NA PODSTAWIE METODY ATND

WPŁYW TEMPERATURY WYGRZEWANIA NA UDZIAŁ FAZ PIERWOTNYCH W STRUKTURZE ŻAROWYTRZYMAŁEGO ODLEWNICZEGO STOPU KOBALTU

DETEKCJA FAL UDERZENIOWYCH W UKŁADACH ŁOPATKOWYCH CZĘŚCI NISKOPRĘŻNYCH TURBIN PAROWYCH

Transkrypt:

Inżynieria Materiałowa 6 (208) (2015) 444 448 DOI 10.15199/28.2015.6.19 Copyright SIGMA-NOT MATERIALS ENGINEERING Wybrane aspekty regulowanego azotowania gazowego (RAG) oraz azotowania w obniżonym ciśnieniu (LPN) Jerzy Michalski 1*, Emilia Wołowiec-Korecka 2, Jerzy Ratajski 3, Piotr Wach 4, Barbara Kucharska 5, Piotr Kula 2, Roman Olik 3 1 Wydział Inżynierii Produkcji SGGW w Warszawie, 2 Politechnika Łódzka, 3 Politechnika Koszalińska, 4 Instytut Mechaniki Precyzyjnej w Warszawie, 5 Politechnika Częstochowska, * michalski@imp.edu.pl Selected aspects of controled gas nitriding (RAG) and low pressure nitriding (LPN) In the article the effects of nitriding in the process of regulated gas nitriding (RAG) using ammonia atmosphere diluted by dissociated ammonia or by nitrogen with a nitriding process under low pressure (LPN) was compared. In studies 41CrAlMo7 (38HMJ), 42CrMo4 (40HM) alloy steels, low-carbon steels (steels 10 and 20) and Armco iron have been used. Nitriding of specimens was performed in regulated gas nitriding processes (RAG) in two variants, RAG-1: NH 3 = 35/65/0 and RAG-2: NH 3 = 5/0/95 and applied one variant of a nitriding under low pressure (LPN). Common parameter characterizing the processes was the degree of dissociation of ammonia. On the basis of studies have demonstrated that in the RAG-1 process can be obtained monophase layer of iron nitride γ in relatively wide range of dissociation of ammonia. In the RAG-2 and LPN processes γ phase stability region is much narrower and thus obtain a monophase layer of iron nitride γ is much more difficult. In the LPN processes reduce of area stability of the γ phase is accompanied by an increase in α phase stability region. Kinetic conditions in these processes conducive to the production of the nitrided layer without the subsurface layers of the nitrides iron. In turn, in the RAG-2 processes increase the area of ε phase stability. Kinetic conditions in these processes conducive to the production of nitrided layers with the subsurface layers of iron nitrides being a mixture of γ and ε phases. Key words: regulated gas nitriding, low pressure nitriding, X-ray diffraction, nitrided layer. W artykule porównano efekty azotowania w procesie regulowanego azotowania gazowego (RAG), stosując atmosfery amoniaku rozcieńczane zdysocjowanym amoniakiem lub azotem, z procesem azotowania w warunkach obniżonego ciśnienia (LPN). Procesom azotowania poddano konstrukcyjne stale stopowe 41CrAlMo7 (38HMJ), 42CrMo4 (40HM), niskowęglowe stale niestopowe (stale 10 i 20) oraz żelazo Armco. Próbki poddano procesom regulowanego azotowania gazowego (RAG) w dwóch wariantach, RAG-1: NH 3 = 35/65/0 i RAG-2: NH 3 = 5/0/95 oraz zastosowano jeden wariant azotowania pod obniżonym ciśnieniem (LPN). Wspólnym parametrem charakteryzującym analizowane procesy był stopień dysocjacji amoniaku. Na podstawie przeprowadzonych badań wykazano, że w procesie RAG-1 można uzyskać monofazową warstwę azotków żelaza γ w dość szerokim zakresie stopni dysocjacji amoniaku. W procesach RAG-2 oraz LPN obszar trwałości fazy γ jest znacznie węższy i w związku z tym uzyskanie monofazowej warstwy azotków żelaza γ jest znacznie trudniejsze. W procesach LPN ograniczeniu obszaru trwałości fazy γ towarzyszy zwiększenie obszaru trwałości fazy α. Warunki kinetyczne w tych procesach sprzyjają wytwarzaniu warstw azotowanych bez przypowierzchniowej warstwy azotków żelaza. Z kolei w procesach azotowania w atmosferach azotujących uzyskanych z atmosfery dwuskładnikowej rozcieńczanej azotem (RAG-2) zwiększa się obszar trwałości fazy ε. Warunki kinetyczne w tych procesach sprzyjają wytwarzaniu warstw azotowanych z warstwami azotków będących mieszaniną faz γ i ε. Słowa kluczowe: regulowane azotowanie gazowe, azotowanie w obniżonym ciśnieniu, analiza dyfrakcyjna, warstwa azotków. 1. WPROWADZENIE Stosowane odmiany azotowania w obróbkach cieplno-chemicznych to głównie azotowanie gazowe w warunkach ciśnienia atmosferycznego, azotowanie jarzeniowe, od kilkunastu lat azotowanie w warun kach obniżonego ciśnienia, zanikające azotowanie fluidalne, jak rów nież azotowanie kąpielowe. Spośród odmian gazowych prowadzonych w warunkach ciśnienia atmosferycznego najpowszechniej jest stosowane regulowane azotowanie gazowe metodą NITREG (RAG) [1], a w ostatnich latach regulowane azotowanie metodą ZeroFlow [2]. Od kilku lat rośnie zainteresowanie azotowaniem w warunkach obniżo nego ciśnienia (LPN) [3]. Celem tych procesów jest wytworzenie warstwy azotowanej o odpowiednich właściwościach wynikających z warunków eksploatacji azotowanych części maszyn i narzędzi. Wła ściwości warstwy azotowanej zależą od jej budowy, tj. grubości przy powierzchniowej warstwy azotków żelaza i jej składu fazo wego/chemicznego oraz grubości efektywnej warstwy azotowanej. Kontrola procesu azotowania w metodzie regulowanego azotowania gazowego polega na regulacji wielkości strumienia azotu powstają cego w wyniku termicznego dysocjacji amoniaku, którego miarą jest stopień dysocjacji α lub potencjał azotowy N p. W procesie azotowania tylko około 0,64% masy azotu powstającego w wyniku dysocjacji jest wykorzystana do utworzenia warstwy azotowanej. Stosowanie więc w procesach atmosfer amoniaku rozcieńczanych gazem obojęt nym, np. azotem lub zdysocjowanym amoniakiem, lub prowadząc proces azotowania w warun kach obniżonego ciśnienia jest uzasadnione [4]. W artykule porów nano efekty azotowania w procesie regulowanego azotowania gazo wego (RAG), stosując atmosfery amoniaku rozcieńczane zdysocjowa nym amoniakiem lub azotem, z procesem azotowania w warunkach obniżonego ciśnienia (LPN). 2. METODYKA BADAŃ Procesom azotowania poddano konstrukcyjne stale stopowe 41CrAl- Mo7 (38HMJ), 42CrMo4 (42CrMo4), niskowęglowe stale niestopowe C10 i C22 oraz żelazo Armco. Stale stopowe przed proce sem azotowania były ulepszane cieplnie (hartowane i wysoko odpuszczane). Stale niestopowe azotowano w stanie normalizowanym. Próbki poddano procesom regulowanego azotowania gazowego (RAG) dwa warianty oraz azotowania w obniżonym ciśnieniu (LPN) jeden wariant. W tabeli 1 zestawiono podstawowe parametry azotowania. Procesy regulowanego azotowania gazowego (RAG) wykonano w przemysłowym piecu wgłębnym typu Nx609 o wymiarach przestrzeni roboczej ø600 900 mm. Procesy azotowania próżniowego (LPN) wykonano w uniwersalnym piecu próżniowym HPGQ o wymiarach przestrzeni roboczej 400 400 600 mm. 444 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXVI

Tabela 1. Parametry procesów azotowania Table 1. Parameters of nitriding processes Parametry RAG-1 RAG-2 LPN T, C 560 560 560 Czas, h 2, 4, 6 2, 4, 6 2, 4, 6 NH 3, % 35 5 100 NH 3zd, % 65 0 0 N 2, % 0 95 0 N p, atm 0,5 0,8 * * F, l/min 4 10 15 Ciśnienie, hpa 1016 1016 26 Po procesach azotowania próbki poddano standardowym badaniom metaloznawczym, które obejmowały pomiar grubości przypowierzch niowej warstwy azotków żelaza g mp, a w przypadku stali stopowych również grubości efektywnej warstwy azotowanej g r + 50 (twardość powyżej twardości rdzenia + 50 HV0,5), którą wyznaczano z profili twardości w warstwach azotowanych. Do pomiarów twardości warstw używano twardościomierza firmy Zwick. Badania mikrostruktury warstw azotowanych prowadzono za pomocą mikroskopu świetlnego Neophot 2 firmy Zeiss na trawionych nita lem zgładach prostopadłych do powierzchni próbek. Mikroskop świetlny stosowano również podczas pomiarów grubości przypo wierzchniowej warstwy azotków żelaza. Skład fazowy warstwy azotków żelaza określano metodą dyfrakcji rentgenowskiej z użyciem dy frak tometru rentgenowskiego Seifert 3003TT, stosując promieniowanie CoK a i symetryczną geometrię pomiaru. Zakres rejestrowanych kątów dy frakcji obejmował główne refleksy od azotków żelaza γ i ε oraz od stalowego podłoża, według wzorców z bazy danych dyfraktometrycz nych PDF4+. 3. WYNIKI BADAŃ 3.1. Azotowanie stali niestopowych i żelaza Armco Wyznaczoną mikroskopowo grubość warstw azotków utworzonych na stalach węglowych i żelazie Armco po 2 i 4 h azotowania przedstawiono w postaci diagramu na rysunku la. Na rysunku lb zamieszczono dyfraktogramy zarejestrowane z powierzchni stali poddanych azotowaniu. Wynika z nich, że w niskociśnieniowym procesie (LPN) po 2 i 4 h na stali C22 uzy skano warstwy azotowane zbudowane z przypowierzchniowej war stwy azotków żelaza odpowiednio o grubości 3,5 i 6,8 µm (rys. 1a). Warstwy te stanowią mieszaninę faz ε + γ (rys. 1b). W procesie azo towania regulowanego (RAG- 1) po 2 i 4 h na stali C10 uzyskano war stwy azotowane z przypowierzchniową warstwą azotków żelaza od powiednio o grubości 5,3 i 7,8 µm (rys. 1a). Utworzone warstwy azot ków żelaza stanowiła faza γ (rys.1b). W procesie RAG-2 po 2 i 4 h na żelazie Armco uzyskano warstwy azotków żelaza o największej gru bości, odpowiednio 9,4 i 10,2 µm (rys. 1a) zbudowane z miesza niny faz ε + γ (rys. 1b). Pomiar rentgenowski wykonany w zakresie kątów dyfrakcji 2θ = 46 58 pozwolił na rejestrację refleksów od faz występujących w warstwie powierzchniowej w zakresie głębokości od ok. 5,8 do ok. 13,3 µm. Dlatego na dyfraktogramach oprócz refleksów od azotków żelaza zarejestrowano również refleksy od stali podłoża (α-fe). Odzwierciedleniem wyznaczonych mikroskopowo grubości warstw azotków są natężenia refleksów zarejestrowanych na dyfraktogra mach. W przypadku warstw najcieńszych, uzyskanych na stali C22 w procesie LPN, refleks od stalowego podłoża α-fe ma największe natężenie względem refleksów od azotków. Udziały objętościowe poszczególnych azot ków w warstwach przypowierzchniowych wyznaczono rentgenowską me todą porównania natężeń refleksów po ich opisaniu krzywymi Lorenza. Udziały faz wynosiły odpowiednio: po procesie LPN γ 75% i ε 25%, a po procesie RAG-2 γ 70% i ε 30%. Rys. 1. Grubość przypowierzchniowych warstw azotków żelaza uzyskana w procesach LPN na stali C22 oraz RAG na stali C10 (a), wyniki badań XRD z po wierzchni stali C22 po procesie LPN, stali C10 po procesie RAG-1 oraz żelaza Armco po procesie RAG-2 (b) Fig. 1. Thickness of the subsurface layer of iron nitrides (compounds layers) obtained in LPN and RAG processes (a), results of the XRD examinations of samples made from C22 steel after LPN process, C10 steel after RAG-1 process RAG-1 and Armco iron after RAG-2 process (b) Na rysunku 2 pokazano mikrostrukturę stali C22 po procesie azotowania w obniżonym ciśnieniu (LPN) (rys. 2a), stali C10 po procesie azotowania regulowanego (RAG-1) (rys. 2b) oraz żelaza Armco po procesie RAG-2 (rys. 2c). Jak widać na rysunku 2a, nie ma wy dzieleń fazy γ w ziarnach ferrytu w stali C22 azotowanej w procesie LPN. Natomiast wyraźne wydzielenia fazy γ występują w ziarnach fer rytu stali C10 i żelaza Armco azotowanych w procesach RAG (rys. 2b, c). 3.2. Azotowanie stali 42CrMo4 i 41CrAlMo7 Podczas azotowania stali stopowych 42CrMo4 i 41CrAlMo7 grubość warstw azotków żelaza utworzonych w procesie regulowanego azotowania RAG-1 była większa w porównaniu z warstwami uzyskanymi w procesie LPN (rys. 3a, b). Zależność ta jest taka sama jak w przypadku azotowania stali niestopowych. Na stali 42CrMo4 i 41CrAlMo7 po 6 h procesu uzyskano warstwy azotków żelaza o grubości odpowiednio 9,5 i 8,0 µm, natomiast w procesie LPN uzyskano warstwy o grubości odpowiednio 9,0 i 7,0 µm.. Na rysunku 4 pokazano wyniki badań XRD powierzchni stali 42CrMo4 oraz stali 41CrAlMo7 po procesie RAG-1 i LPN. Pomiary rentgenowskie wykonano w tym samym zakresie kątów dyfrakcji jak dla stali niestopowych, zatem również i w tym przypadku pomiarem objęta była cała warstwa azotków żelaza. Podobne relacje natężeń refleksów pochodzących od podłoża i azotków żelaza potwierdziły, że warstwy azotków na stali 42CrMo4 są grubsze. Wszystkie warstwy azotków żelaza na stali 42CrMo4 i 41CrAlMo7 stanowiły mieszaninę faz γ i ε o udziale objętościowym γ 70 74% i ε 26 30%. Główny refleks do fazy ε utworzonej na obu stalach w procesie LPN był przesunięty w porównaniu z refleksem NR 6/2015 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 445

a) a) b) b) Rys. 2. Mikrostruktura warstw azotowanych uzyskanych po 4 h w procesach: a) LPN na stali C10, b) RAG-1 na stali C10, c) RAG-2 na żelazie Armco Fig. 2. Microstructure of nitrided layers after 4 h nitriding in the processes: a) LPN, steel C10, b) RAG-1, steel C10, c) RAG-2, Armco iron zarejestrowanym na warstwach po procesie RAG-1, co sugeruje, że jej parametr sieciowy jest mniejszy. Można zatem przypuszczać, że jest to faza o mniejszej zawartości azotu, np. Fe 2 x N. c) Rys. 3. Grubość przypowierzchniowych warstw azotków żelaza na stali 42CrMo4 i 41CrAlMo7 (a) oraz grubość efektywna warstw roztworowych (b) uzyskane w procesie RAG-1 i LPN Fig. 3. Thickness of the subsurface layer of iron nitrides (compound layer) on steel 42CrMo4 i 41CrAlMo7 (a) and effective thickness of diffusion layers obtained after RAG and LPN processes (b) Z porównania szerokości połówkowych (FWHM) zarejestrowanych refleksów dyfrakcyjnych wynika, że większe naprężenia występują w warstwie azotków na stali 41CrAlMn7. Na rysunku 5 pokazano mikrostrukturę stali 41CrAlMo7 (rys. 5a, b) i 42CrMo4 (rys. 5c, d) po procesie azotowania regulowanego (RAG-1) (rys. 5a, c) oraz po procesie próżniowym (LPN) (rys. 5b, d). Warstwy azotowane utworzone w procesie RAG-1 i LPN są równo miernej grubości o typowej morfologii dla tych stali. a) b) Rys. 4. Wyniki badań XRD powierzchni stali 42CrMo4 (a) oraz stali 41CrAlMo7 (b) po procesie RAG-1 oraz LPN Fig. 4. Results of the XRD examinations of samples made from 42CrMo4 steel (a) and 41CrAlMo7 steel (b) after RAG-1 process and after LPN process 446 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXVI

(a) (b) (c) (d) Rys. 5. Mikrostruktura warstw azotowanych uzyskanych po 6 h w procesach: RAG-1 stali 41CrAlMo7 (a) i 42CrMo4 (c) oraz LPN na stali 41CrAlMo7 (b) i 42CrMo4 (d) Fig. 5. Microstructure of nitrided layers after 6 h nitriding in the processes: RAG-1 41CrAlMo7 steel (a) and 42CrMo4 (b) as well as LPN 41CrAlMo7 steel (c) and 42CrMo4 (d) 4. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ Z porównania kinetyki wzrostu przypowierzchniowej war stwy azotków na stali węglowej i żelazie Armco w omawianych procesach wynika, że największy strumień azotu uzyskano w procesie RAG-2, a najmniejszy w przypadku procesu LPN. Utworzenie się w procesie RAG-1 monofazowej warstwy azotków żelaza świadczy o tym, że powierzchniowe stężenie azotu w tym procesie odpowiadało trwałości fazy γ według układu Lehrera (rysunek 6 czarny punkt). Utworzenie się w procesach LPN i RAG-2 warstw azotków żelaza będących mieszaniną faz γ i ε (rys. 1b) przema wia za tym, że powierzchniowe stężenie azotu w tych procesach mogło odpowiadać wartościom granicznym γ /ε (biały punkt na rysunku 6). Kinetyka wzrostu warstwy azotowanej, jak również skład fazowy warstwy azotków żelaza zależą od powierzchniowego stężenia azotu. W procesach azotowania regulowanego (RAG) w atmosferze NH 3 /NH 3zd jego wartość jest funkcją potencjału azotowego [7]. W procesach w atmosferze NH 3 dla stałej wartości natężenia przepływu atmosfery wlotowej po wierzchniowe stężenie azotu zależy od stopnia rozcieńczenia atmos fery wlotowej azotem [8]. Rys. 6. Układ równowagi Fe N opracowany przez E. Lehrera [5], ilustujący stężenie azotu w poszczególnych fazach (zmodyfikowany przez L. Małdzińskiego [6]) Fig. 6. The Fe N equilibrium system as developed by E. Lehrer [5], showing the nitrogen concentration within the individual phases (after L. Małdziński [6]) W procesach pod obniżonym ciśnieniem (LPN) powierzchniowe stężenie azotu przy stałym natężeniu prze pływu jest funkcją ciśnienia [9]. Ze zwiększeniem strumienia azotu w atmosferze azotującej wzrasta powierzchniowe stężenie azotu. Miarą strumienia azotu z atmosfery azotującej jest rozporządzalność azotu, która jest funkcją stopnia dysocjacji i natężenia przepływu atmosfery wlotowej [10]. Niezależnie od procesu o powierzch niowym stęże niu azotu decy duje relacja pomiędzy strumie niem azotu z atmosfery do powierzchni a strumieniem azotu w głąb azotowanej stali. W warunkach procesu można regulować strumień azotu z atmosfery, zmieniając stopień dysocjacji amoniaku lub natężenie przepływu atmosfery wlotowej, czyli rozporządzalność azotu atmosfery azotującej. Wspólnym parametrem charakteryzującym omawiane procesy jest stopień dysocjacji amoniaku. Aby porównać warunki omawianych procesów należy przedstawić układ równowagi fazowej Fe N w ukła dzie stopień dysocjacji amoniaku temperatura α T [10] (rys. 7). Jak widać z rysunku, w procesie RAG-1 prowadzonym w atmosferze azotującej uzyskanej z dwuskładnikowej atmosfery ze zdysocjowa nym amoniakiem monofazową warstwę azotków żelaza γ można uzyskać w dość szerokim zakresie stopni dysocjacji amoniaku (rys. 7a). Dlatego w procesie RAG-1 na stali C10 uzyskano warstwę azotowaną z monofazową warstwą azotków żelaza γ. W procesach RAG-2 oraz LPN obszar trwałości fazy γ jest znacznie węższy i w związku z tym uzyskanie monofazowej warstwy azotków żelaza γ jest znacznie trudniejsze. W procesach LPN ograniczeniu obszaru trwałości fazy γ towarzy szy zwiększenie obszaru trwałości fazy α. Warunki kinetyczne w tych procesach sprzyjają wytwarzaniu warstw azotowanych bez przypo wierzchniowej warstwy azotków żelaza. Z kolei w procesach azotowania w atmosferach azotujących uzy skanych z atmosfery dwuskładnikowej rozcieńczanej azotem (RAG-2) zwiększa się obszar trwałości fazy ε. Warunki kinetyczne w tym procesie sprzyjają wytwarzaniu warstw azotowanych z warstwami azotków będących mieszaniną faz γ i ε. 5. WNIOSKI W procesie RAG-1 zarówno potencjał azotowy, jak i stopień dysocjacji jednoznacznie charakteryzują proces azotowania w odróżnieniu od procesów RAG-2, LPN, które z kolei jedno znacznie charakteryzuje stopień dysocjacji amoniaku. NR 6/2015 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 447

a) b) Warunki procesu RAG-2 duże rozcieńczenie atmosfery wlotowej azotem oraz warunki procesu LPN (niskie ciśnienie) powodują znaczące ograniczenie obszaru trwałości fazy γ (rys. 7b, c) w porównaniu z procesem RAG-1 (rys. 7a). W związku z tym uzyskanie monofazowej warstwy azot ków żelaza γ w tych procesach jest utrudnione. Duże rozcieńczenie atmosfery wlotowej azotem (5% NH 3 /95% N 2 ) w procesie RAG-2 powoduje znaczne ograniczenie obszaru trwałości fazy γ i zwiększenie obszaru trwałości fazy α (rys. 7b) w porównaniu z procesem RAG-1 (rys. 7a). Zmniejszenie ciśnienia do 26 hpa w procesie LPN powoduje ograniczenie trwałości fazy γ i zwiększenie obszaru trwałości fazy ε (rys. 7c) w porównaniu z procesem RAG-1 (rys. 7a). PODZIĘKOWANIE Badania były finansowane przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach Badań Stosowa nych w latach 2012 2015, nr PBS1/B3/6/2012 oraz z projektu nr UOD-DEM-1-193/001 realizowanego w ramach przedsięwzięcia pilotażo wego Wsparcie badań naukowych i prac rozwojowych w skali de monstracyjnej DE- MONSTRATOR+. LITERATURA c) Rys. 7. Przebiegi zmian granicznych wartości stopni dysocjacji amoniaku α α/γ i α γ /ε w zależności od temperatury w procesie: a) RAG-1, b) RAG-2, c) LPN [4, 10] Fig. 7. The courses of change of limit values of ammonia dissociation degree α α/γ and α γ /ε depending on the temperature in processes: a) RAG-1, b) RAG-2, c) LPN [4, 10] [1] Patent PRL nr 85924: Sposób azotowania gazowego (1977). [2] Hofman A., Ostrowska K., Okoniewicz P., Kowalska J., Małdziński L., Tacikowski J.: Zużycie amoniaku w procesie regulowanego azotowania ga zowego ZeroFlow oraz dotychczas stosowanych procesów. Inżynieria Po wierzchni 2 (2014) 9 17. [3] Wołowiec-Stańczyk E.: Komputerowe projektowanie procesów obróbki cieplnej. Zeszyty Naukowe nr 1163, Politechnika Łódzka, Łódź (2013). [4] Šmirnov A., Kulešov Ju.: Rasčet reakcji pri azotirovani rozbavlennym ammniakom. MiTOM 5 (1966) 43 49. [5] Lehrer E.: Über das Eisen-Wasserstoff-Amoniak-Gleichgewicht. Zeitschrift für Elektrochemie 6/36 (1930) 383 392. [6] Małdziński L., Tacikowski J.: Nowe możliwości sterowania procesem azotowania gazowego przez wykorzystanie symulacji kinetyki wzrostu warstw azotowanych. Inżynieria Powierzchni 2 (1998) 49 65. [7] Somers M. A. J., Mittemeijer E. J.: Layer, growth, kinetics on gaseous nitriding of pure iron: evolution of diffusion coefficients for nitrogen in iron nitrides. Metallurgical and Materials Transactions A 26A (1995) 57 74. [8] Małdziński L.: Termodynamiczne i technologiczne aspekty wytwarzania warstwy azotowanej na żelazie i stalach w procesach azotowania gazowego. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, nr 373, Poznań (2002). [9] Jordan D., Antes H., Osterman V., Jones T.: Low tor-range vacuum nitriding of 4140 steel. Heat Treating Progress (2008) 33 38. [10] Michalski J.: Charakterystyki i obliczenia atmosfer do regulowanego azotowania gazowego stali. Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa (2011). 448 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXVI