ZKOUŠENÍ KOROZNÍ ODOLNOSTI PLAZMOVĚ NANÁŠENÝCH NITRIDICKÝCH VRSTEV NA OCELÍCH CORROSION RESISTANCE TESTING OF PLASMA NITRIDATION LAYERS ON STEELS

Transkript

1 ZKOUŠENÍ KOROZNÍ ODOLNOSTI PLAZMOVĚ NANÁŠENÝCH NITRIDICKÝCH VRSTEV NA OCELÍCH CORROSION RESISTANCE TESTING OF PLASMA NITRIDATION LAYERS ON STEELS Marie Blahetová, Jan Oppelt, Stanislav Lasek, Vladimír Číhal, Zdeněk Jonšta Katedra materiálového inženýrství FMMI, VŠB-TU Ostrava, 17 listopadu 15 Abstrakt Příspěvek se zabývá hodnocením a porovnáním korozní odolnosti tří typů konstrukčních ocelí (ČSN 12050, 14340, 15330) po plazmové nitridaci a oxidaci Zkoušené materiály byly před procesem plazmové nitridace a oxinitridace (PLASOX) tepelně zpracovány Ke zkoušení byla zvolena expoziční zkouška koroze v solné mlze dle normy ČSN ISO 9227(NSS) [1] po dobu 240 hodin Vzorky byly v průběhu zkoušky v pravidelných intervalech vizuálně hodnoceny a fotografovány Z výsledků vyplývá, že v návaznosti na chemické složení nitridovaných materiálů se mění korozní odolnost ochranné nitridické vrstvy v solné mlze Je sledována rovněž tloušťka a tvrdost testovaných vrstev a s tím související korozní odolnost V podmínkách solné mlhy nejlépe odolávaly vzorky oceli (35CrAl6-9), což zřejmě souvisí s obsahem hliníku v matrici Pro srovnání byla použita také zkouška oxidem siřičitým s povšechnou kondenzací vlhkosti (ČSN ISO 6988) [2], která simuluje odolnost v průmyslové atmosféře Během prvního cyklu, tj po 8 hodinách expozice v komoře a 16 hodinách na vzduchu (prostředí laboratoře), došlo k výraznému koroznímu znehodnocení všech tří typů vzorků Výsledky jsou dokumentovány v tabulkách a na přiložených fotografiích 1 HODNOCENÝ MATERIÁL A VZORKY Ke korozním zkouškám v komoře se solnou mlhou byly dodány vzorky tří typů konstrukčních ocelí (Tab 1), které byly opatřeny ochrannou nitridickou vrstvou Pro přehlednější orientaci a zjednodušení značení bylo použito pracovní označení ocelí 2 ocel 12050, 4 ocel a 5 ocel Vzorky ve formě plechů normovaného rozměru (5*10 cm) opatřené otvorem pro zavěšení byly zadavatelem tepelně upraveny a následně z jedné strany opatřeny ochrannou nitridickou vrstvou různých parametrů, jak dokládají přiložené tabulky Tab 2 a 3 Proces nitridace probíhal na vybraných ocelích po dobu 8 a 20 hodin, následná oxidace po dobu 1 hodiny Technologie PLASOX spočívá v plazmové nitridaci ocelových součástí v mikropulzní plazmě, při níž je použita nitridační atmosféra se zvýšeným obsahem uhlíku Po ukončení nitridačního procesu jsou ocelové součásti oxidovány vodní párou nebo kyslíkem při teplotě okolí 500 C a to přímo v komoře, v níž před tím proběhla plazmová nitridace, viz Tab3 Tabulka 1 Chemické složení základního materiálu [hm%] Table 1 Chemical composition of basic material in mass % Označení ČSN C Mn Si Cr Ni Cu Mo Al V ,49 0,60 0,24 0,06 0,02 0, ,35 0,66 0,24 1,42 0,13 0,07 0, ,29 0,61 0,22 2,48 0,07 0,12 0,24 0,21 1

2 Tabulka 2 Tepelné zpracování ocelí Table 2 Heat-treatment of steels Tepzprac Normžíhání 850 C vzduch C vzduch C vzduch 10 Kalení 840 C olej C voda C olej 10 Popouštění 550 C vzduch C voda C voda 10 Tabulka 3 Podmínky plazmové nitridace a oxidace Table 3 Plazma nitridation and oxidation conditions example Teplota(ºC) H 2 (l/h) N 2 (l/h) CH 4 (l/h) Čas(h) Tlak(mbar) Pulz(µs) Čištění ,5 0,8 75 Nitridace ,8 75 Oxidace až 9 Nitridace ,8 75 Oxidace až 9 2 KOROZNÍ ZKOUŠKY 21 Zkouška solnou mlhou (NSS) Zkouška v neutrální solné mlze probíhala dle normy ČSN ISO 9227 v korozní komoře značky Liebish GmbH & Co-S 400 M-TR [1] Při zkoušce jsou vzorky exponovány v solné mlze (5% roztok NaCl) za zvýšené tepoty 35 C po stanovenou dobu Před umístěním vzorků do solné komory byla korozně slabá místa, tj hrany, otvor pro zavěšení a strana s číselným označením izolovány odolnou lepící páskou Vzorky byly umístěny do speciálně upraveného stojanu, který zaručoval předepsaný sklon vzorků během expozice Vizuální hodnocení probíhalo po 2, 6, 24, 48, 96, 144 a 240 hodinách Z každé série byly zkoušeny tři vzorky, výsledky jsou dokumentovány na přiložených fotografiích [3] Obr 1 Zkouška solnou mlhou vzorky č 2 04, 4 04, 5 04, plazmová nitridace 1:3 (8 hod) Fig 1 Salt spray test - samples n 2 04, 4 04, 5 04, plasma nitridation 1:3 (8 hours) 2

3 Obr2 Zkouška solnou mlhou vzorky č 2 08, 4 08, 5 08, PLASOX ( 8 + 1) Fig 2 Salt spray test - samples 2 08, 4 08, 5 08, PLASOX ( 8 + 1) Obr3 Zkouška solnou mlhou vzorky č 2 12, 4 12, 5 12, PLASOX ( 8 + 1) Fig 3 Salt spray test - samples 2 12, 4 12, 5 12, PLASOX ( 8 + 1) Obr4 Zkouška solnou mlhou vzorky 2 16, 4 16, 5 16, plazmová nitridace 1:3 (20 hod) Fig 4 Salt spray test - samples 2 16, 4 16, 5 16, plasma nitridation 1:3 (20 hours) 3

4 Obr5 Zkouška solnou mlhou vzorky 2 20, 4 20, 5 20, PLASOX (20 + 1) Fig 5 Salt spray test - samples 2 20, 4 20, 5 20, PLASOX ( ) Obr6 Zkouška solnou mlhou vzorky 2 24, 4 24, 5 24, PLASOX (20 + 1) Fig 6 Salt spray test - samples 2 24, 4 24, 5 24, PLASOX ( ) Obrázky 1-6 dokumentují stav vzorků po expozici v solné mlze Rozdíly v korozní odolnosti jednotlivých vzorků v závislosti na složení a stavu matrice po tepelném zpracování a zejména po zvolené povrchové úpravě jsou jsou výrazné Vzorky všech tří typů ocelí bez úpravy byly napadeny po celé ploše již po 2 hodinách zkoušky Z rozsáhlé fotodokumentace byly pro srovnání vybrány fotografie ukazující stav vzorků po 24 a 48 hodinách, poněvadž po 96 hodinách zkoušky byla již většina vzorků silně zkorodována a byly z další expozice vyloučeny Dále byly exponovány pouze vzorky, které koroznímu napadení ještě odolávaly Ve všech sériích se velmi brzy ukázala lepší odolnost povrchových vrstev na oceli třídy 14, což je konstrukční ocel legovaná chrómem a hliníkem (14 340) Vynikající výsledky byly zaznamenány zejména u vzorků chráněných technologií PLASOX (20+1), kdy u vzorku 4 20 se neprojevilo napadení červenou korozí na žádném místě ani po 240 hodinách trvání zkoušky v solné mlze Technologie PLASOX vykazuje v solné mlze ve srovnání se vzorky po nitridaci 1:3 lepší odolnost Toto zřejmě souvisí s obsahem chrómu a zejména hliníku v základním materiálu 22 Zkouška za přítomnosti oxidu siřičitého Zkouška za přítomnosti oxidu siřičitého a kondenzace vodní páry probíhala dle norem ČSN ISO 6988 (ČSN ) Tato zrychlená zkouška simulující průmyslovou atmosféru 4

5 je poměrně agresivní a je předepisována pro zkoušení ochranných povlaků různých typů, poněvadž vlhký vzduch obsahující oxid siřičitý vyvolá snadno viditelné známky koroze [4] Zkouška byla provedena ve střídavém režimu, což představuje 8 hodin expozice v komoře a 16 hodin na vzduchu Exponovány byly všechny typy dodaných vzorků a výsledky jsou dokumentovány na fotografiích vzorky 2 02, 4 02, 5 02 vzorky 2 07, 4 07, 5 07 bez úpravy (asreceived state) plasma nitridation 1:3 Obr 7 Zkouška za přítomnosti oxidu siřičitého plazmová nitridace 1:3 (8 hod) Fig 7 Sulfur dioxide test - plasma nitridation 1:3 (8 hours) vzorky 2 09, 4 09, 5 09 vzorky 2 13, 4 13, 5 13 PLASOX PLASOX Obr 8 Zkouška za přítomnosti oxidu siřičitého PLASOX (8 +1) Fig 8 Sulfur dioxide test - PLASOX (8 +1) 5

6 vzorky 2 18, 4 18, 5 18 Vzorky 2 22, 4 22, 5 22 PN 1:3 (20 hours) PLASOX (20+1) Obr 9 Zkouška za přítomnosti oxidu siřičitého (20 hours) Fig 9 Sulfur dioxide test - PLASOX (20 +1) Obrázky 7-9 dokumentují výsledky zkoušek za přítomnosti oxidu siřičitého a kondenzace vodní páry Exponovány byly všechny typy dodaných vzorků, ale ukázalo se, že toto prostředí je pro úpravu povrchů plasmovou nitridací mimořádně agresivní, prakticky všechny vzorky byly znehodnoceny již po jednom cyklu, znehodnocení bylo srovnatelné se vzorky v původním stavu, tzn bez povrchové úpravy Je tedy zřejmé, že způsob povrchové ochrany nitridací je pro použití v prostředí průmyslové atmosféry, které zkouška za přítomnosti oxidu siřičitého simuluje, nedostačující I při této zkoušce ale vykazovaly nejlepší odolnost vzorky oceli , která podle dodaných analýz obsahuje kromě chrómu i hliník 3 VÝSLEDKY A JEJICH ZHODNOCENÍ Z výsledků provedených expozičních zkoušek v solné mlze a za přítomnosti oxidu siřičitého, které jsou dokumentovány na přiloženými fotografiích vyplývá, že zvolená metodika zkoušení korozní odolnosti nitridických povlaků má zřetelnou vypovídací hodnotu Všechny vzorky byly pravidelně vizuálně a gravimetricky hodnoceny Ve stanovených intervalech byly přesně váženy na analytických vahách, zjišťovány korozní přírůstky a následně přepočítávány na jednotku plochy Gravimetrické hodnocení rovněž ukázalo výrazně nižší korozní přírůstky u vzorků s technologií PLASOX a potvrdilo i lepší odolnost materiálu , což je ve shodě s vizuálním pozorováním ČVZ Tabulka 4 Korozní přírůstky po 48 hodinách expozice v solné mlze Table 4 Materiál bez Corrosion additions after exposition in salt spray for time of 48 hours ČVZ Nitridace 1:3 ČVZ ČVZ ČVZ Plasox (20+1) Plasox (8+1) Nitridace 1:3 úpravy (8) (20) , , , , , , , , , , , , , , ,0053 6

7 Na všech zkoušených vzorcích byla předem provedena fázová analýza povrchu po jednotlivých technologických operacích a v současné době jsou analyzovány stejným způsobem vzorky po expozičních korozních zkouškách Toto je nezbytné pro hodnocení elektrochemických pochodů v závislosti na korozním prostředí Dále bylo prováděno rovněž měření tvrdosti jádra i povrchu a zjišťována tloušťka nitridické vrstvy Tyto výsledky jsou prováděny na spolupracujících pracovištích a po zpracování budou zahrnuty do celkového hodnocení plazmově nanášených nitridických vrstev na sledovaných třech typech materiálů 4 ZÁVĚR Zvolené expoziční korozní zkoušky, v solné mlze a za přítomnosti oxidu siřičitého, ukázaly zřetelné rozdíly v korozní odolnosti sledovaných materiálů v souvislosti s jejich složením, tepelným zpracováním a povrchovou úpravou plazmovou nitridací a oxidací Zatímco v solné mlze vykazovaly vzorky chráněné technologií PLASOX velmi dobrou odolnost proti korozi, v prostředí oxidu siřičitého lépe odolávaly vzorky upravené nitridací 1:3 V obou případech se projevila lepší odolnost nitridických vrstev na oceli , která je legována chrómem a hliníkem LITERATURA [1] ČSN ISO 9227: Korozní zkoušky v umělých atmosférách Zkoušky solnou mlhou, [2] ČSN ISO 6988 (ČSN ): Zkouška za přítomnosti oxidu siřičitého a kondenzace vodní páry [3] Oppelt, J, Blahetová, M, Lasek, S, Číhal, V: Porovnání korozní odolnosti vybraných ocelí po plazmové nitridaci a oxidaci, Mechanika Nr 298/2005, Politech Opolska 2005, 6 s, [4] ČERNÝ M et al, Korozní vlastnosti kovových konstrukčních materiálů, Praha 1984, SNTL Tato práce vznikla za finanční podpory Grantové agentury ČR, projekt číslo 106/04/0949 7