DUPLEXNÍ POVLAKOVÁNÍ PM NÁSTROJOVÉ OCELI LEGOVANÉ NIOBEM DUPLEX COATING OF THE NIOBIUM-ALLOYED PM TOOL STEEL

Transkript

1 DUPLEXNÍ POVLAKOVÁNÍ PM NÁSTROJOVÉ OCELI LEGOVANÉ NIOBEM DUPLEX COATING OF THE NIOBIUM-ALLOYED PM TOOL STEEL Pavel Novák Dalibor Vojtěch Jan Šerák Michal Novák Vítězslav Knotek Ústav kovových materiálů a korozního inženýrství, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Technická 5, Praha 6, ČR panovak@vscht.cz Abstrakt Duplexní povlaky jsou jedním z moderních trendů zlepšení tribologických vlastností povrchu nástrojů. Tato technologie spojuje výhody nitridace a PVD povlakování. PVD povlak se vyznačuje vysokou tvrdostí a nitridovaná vrstva zajistí gradient tvrdosti od povrchu do základního materiálu. To vede k dosažení vyšší životnosti než samotné PVD povlakování nebo nitridace. Nejvhodnější technologií pro vytváření nitridované vrstvy před aplikací PVD povlaku je pulsní plazmová nitridace. Tato technologie umožňuje velmi přesné řízení struktury a vlastností nitridovaných vrstev. V této práci byla provedena optimalizace podmínek pulsní plazmové nitridace pro duplexní povlakování PM oceli obsahující 2,5%C, 3,3%Si, 6,2%Cr, 2,2%Mo, 2,6%V, 2,6%Nb a 1,0%W. Po nitridaci za různých podmínek byl na povrch metodou magnetronového naprašování nanesen povlak TiAlN. Byla studována mikrostruktura, tvrdost, odolnost proti opotřebení a adheze PVD povlaku. Duplex coating is one of the modern trends in improvement of the tribological properties of tools surface. This technology combines the advantages of nitriding and PVD coating. PVD coating has high hardness and the nitrided layer ensures the hardness gradient between the coating and basic material. It leads to reaching of higher lifetime than PVD coating or nitriding alone. Pulsed-plasma nitriding seems to be the most suitable technology for the production of the nitrided layer before the application of the PVD coating. This technology enables very precision control of the layers structure and properties. In this work, optimization of the pulsed-plasma nitriding conditions for duplex coating of the PM steel containing 2.5%C, 3.3%Si, 6.2%Cr, 2.2%Mo, 2.6%V, 2.6%Nb and 1.0%W was carried out. After nitriding under various conditions, the surface was coated with TiAlN by magnetron sputtering. Microstructure, hardness, wear resistance and adhesion of the PVD coating were investigated. 1. ÚVOD Nitridace se v praxi využívá převážně ke zlepšení tribologických vlastností povrchů. Pro zpracování povrchu nástrojových ocelí se v poslední době volí obvykle plazmová nitridace. Nitridovaná vrstva se skládá z difúzní zóny (tvořené martenzitem nasyceným dusíkem a precipitáty nitridů) a sloučeninové vrstvy nitridů γ -Fe 4 N a karbonitridů ε-fe 2-3 (C, N)[1]. Nitridované vrstvy připravené touto technologií se využívají především díky vysoké tvrdosti a odolnosti proti abrazivnímu a adhezivnímu opotřebení. 1

2 Přestože pro dosažení požadovaných vlastností mnohdy postačí pouze nitridace, pro některé aplikace je výhodná aplikace tzv. duplexních vrstev, tedy nanášení PVD povlaku (obvykle TiN, TiAlN nebo CrN) na nitridovanou vrstvu [2,3]. Při procesu PVD roste nanášená vrstva kondenzací z plynného skupenství za velmi nízkého tlaku (0,01-10 Pa). Látka určená k nanášení se do plynného skupenství převádí fyzikálním procesem (odpařování nebo odprašování) přímo ve vakuové komoře v průběhu povlakování. Podle způsobu uvolňování atomů nanášené látky lze rozlišit tři skupiny technologií PVD: napařování s přídavnou ionizací, obloukové napařování a magnetronové naprašování [4]. Vrstva získaná při procesu nitridace zlepšuje adhezi PVD povlaků na povrch oceli a rovněž zabraňuje prolomení tvrdého povlaku při tlakovém namáhání [5]. Pro dosažení maximální adheze povlaku na nitridovaný materiál a tím i nejvyšší odolnosti proti opotřebení je nutné nalézt optimální podmínky nitridace. Ty mohou být poněkud odlišné od těch, při kterých se dosahuje maximální odolnosti proti opotřebení v nitridovaném stavu. 2. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Nástrojová ocel o chemickém složení uvedeném v tab.1 byla připravena technologií práškové metalurgie rychle ztuhlých částic s využitím kompaktizace isostatickým lisováním za tepla. Ocel byla zakalena z teploty 1100 C a popuštěna třikrát po dobu 1h při teplotě 550 C, čímž bylo dosaženo tvrdosti cca 750 HV. Duplexní vrstvy byly vytvářeny na studované oceli legované niobem kombinací plazmové nitridace a PVD povlakování. Nitridace byla provedena dvěma různými režimy. Teplota (500 C) a doba (180 min) byly v obou případech shodné, režimy se lišily pouze složením nitridační atmosféry (N 2 :H 2 =1:3 a 1:6). Následně bylo provedeno PVD povlakování vrstvou TiAlN metodou magnetronového naprašování na zařízení Hauzer Techno Coating HTC625 ve firmě HVM Plasma. Teplota při procesu dosahovala cca 450 C, tloušťka získané vrstvy byla přibližně 2,5 µm. Pro porovnání byla stejná vrstva TiAlN nanesena rovněž na zkoumaný materiál bez nitridace. Tabulka 1. Chemické složení zkoumané oceli Table 1. Chemical composition of the studied steel C Mn Si P S Cr Ni Mo V Nb W Co N O [hm.%] 2,50 0,46 3,30 0,03 0,02 6,20 1,42 2,20 2,60 2,60 0,98 0,30 0,03 0,04 Po duplexním povlakování byla hodnocena mikrostruktura, chemické složení vrstev (metodou WDS), tvrdost, odolnost proti opotřebení a adheze povlaku. Měření rychlosti opotřebení bylo prováděno na kotoučovém tribometru definovaným pohybem vzorku za sucha po brusném papíru P1200 přítlačnou silou 5,8 N na dráze m a následným stanovením hmotnostního úbytku vzorku. Měření bylo prováděno bez mazání nebo chlazení vzorku. Rychlost opotřebení byla vypočtena podle vztahu [6]: w= m 1000 ρ. l (1) kde w je rychlost opotřebení [mm 3 m -1 ], m hmotnostní úbytek [g], ρ hustota vzorku [g.cm -3 ] a l je délka pohybu po brusném papíru [m]. Pro hodnocení adheze PVD povlaků bylo jako jednoduché srovnávací metody využito indentačních zkoušek pro měření tvrdosti Vickersovou metodou se zatížením 5 a 10 kg. Nebyla však hodnocena velikost vtisku, ale odprýskávání povlaku v okolí vtisku. Pro popis stavu povlaku v okolí vtisku byla aplikována světelná mikroskopie. 2

3 3. VÝSLEDKY A DISKUSE 3.1. Mikrostruktura vrstev Mikrostruktura vrstvy připravené kombinací pulsní plazmové nitridace při teplotě 500 C po dobu 180 min v atmosféře N 2 :H 2 =1:6 a PVD povlakování je tvořena dvěma podvrstvami (obr.1a). Na povrchu se nachází rovnoměrná TiAlN vrstva o tloušťce přibližně 2,5 µm připravená PVD technologií. Pod touto vrstvou je pozorovatelná difúzní zóna získaná plazmovou nitridací, sahající do hloubky okolo 20 µm. Nitridace při teplotě 500 C po dobu 180 min v atmosféře s vyšším obsahem dusíku (N 2 :H 2 =1:3) vede ke vzniku povrchové vrstvy nitridů a karbonitridů sloučeninové vrstvy. Po následném PVD povlakování je tedy vzniklá duplexní vrstva tvořena třemi podvrstvami TiAlN vrstvou tloušťky 2,5 µm, sloučeninovou vrstvou o tloušťce rovněž 2,5 µm a difúzní zónou tloušťky přibližně 20 µm (obr.1b). Obr.1: Mikrostruktura duplexních vrstev, připravených a) plazmovou nitridací (500 C/180 min, N 2 :H 2 =1:6) a PVD, b) plazmovou nitridací (500 C/180 min, N 2 :H 2 =1:3) a PVD Fig.1: Microstructure of duplex layers prepared by a) plasma nitriding (500 C/180 min, N 2 :H 2 =1:6) and PVD, b) plasma nitriding (500 C/180 min, N 2 :H 2 =1:3) and PVD 3.2. Chemická mikroanalýza Měření koncentračních profilů Ti, Al a legujících prvků ukázalo, že ve vzorku, který byl pouze povlakován, dochází k určité interakci složek základního materiálu a povlaku (obr.2a). Na vnitřní straně povlaku byl pozorován výrazně zvýšený obsah chromu a obsah molybdenu, vanadu a niobu odpovídá koncentraci v základním materiálu. Důvodem tohoto jevu může být mírné odprašování povrchu doutnavým výbojem, ke kterému dochází při magnetronovém naprašování. V důsledku toho mohou být atomy z povrchových vrstev substrátu odprášeny do atmosféry, kde se smísí se složkami povlaku a následně pak dochází ke kondenzaci komplexních nitridů. Dalším důvodem by mohla být difúze přes rozhraní substrát-vrstva. Naproti tomu ve vzorku, který byl nitridován v bohatší atmosféře (N 2 :H 2 =1:3) a následně povlakován, k tomuto jevu prakticky nedochází (obr.2b). Koncentrace legujících prvků v povlaku je nízká, zvýšená koncentrace chromu a vanadu je patrná až pod TiAlN povlakem, kde se nachází sloučeninová vrstva. Tato sloučeninová vrstva tedy pravděpodobně zpomaluje odprašování atomů povrchových vrstev a rovněž omezuje difúzi. 3

4 Obr.2: Koncentrační profily Ti, Al a legujících prvků a) PVD, b) plazmová nitridace (500 C/180min, N 2 :H 2 =1:3)+PVD Fig.2: Concentration profiles of Ti, Al and alloying elements after a) PVD, b) plasma nitriding (500 C/180min, N 2 :H 2 =1:3)+PVD 3.3. Profily mikrotvrdosti HV 0, PVD plazmová nitridace (N 2 :H 2 =1:6) + PVD plazmová nitridace (N 2 :H 2 =1:3) + PVD hloubka [µm] Obr.3: Profily mikrotvrdosti duplexních a PVD vrstev Fig.3: Microhardness profiles of duplex and PVD layers U obou vzorků, které byly před povlakováním nitridovány, zasahuje zvýšená tvrdost do hloubky přibližně 20 µm (obr.3). Tvrdost na povrchu je rovněž prakticky shodná (cca 1900 HV 0,05). Jediným rozdílem mezi porovnávanými vzorky je tvrdost v hloubce 2,5-10 µm. V hloubce 2,5-5 µm je důvodem tohoto rozdílu přítomnost sloučeninové vrstvy na vzorku nitridovaném v atmosféře s vyšším obsahem dusíku. Rozdíl v dalším vývoji tvrdosti směrem do jádra materiálu (v difúzní zóně) je pravděpodobně důsledkem rozdílné koncentrace dusíku v dané hloubce vlivem různého složení nitridační atmosféry. Vzorek, který nebyl před povlakováním nitridován, vykazuje rovněž určitý profil tvrdosti mezi povrchem a substrátem. Zvýšená tvrdost zasahuje do hloubky přibližně 5 µm, 4

5 ačkoliv tloušťka povlaku TiAlN je pouze 2,5 µm. Důvodem je interakce složek povlaku se základním materiálem, která byla popsána v kap Adheze povlaku Kvalita adheze povlaku na základním materiálu, případně na nitridované vrstvě, byla hodnocena indentačními zkouškami se zatížením 5 a 10 kg. PVD TiAlN povlak na nenitridovaném materiálu silně odprýskával v blízkosti vtisku při obou zvolených zatíženích (obr.4). Obr.4: Test adheze TiAlN povlaku na nenitridované oceli legované niobem Fig.4: Adhesion test of the TiAlN coating on the non-nitrided Nb-alloyed steel Naopak duplexní vrstva připravená nitridací ve zředěné atmosféře (N 2 :H 2 =1:6) vykazovala výbornou adhezi, k odprýskávání povlaku prakticky nedocházelo ani při zatížení 10 kg (obr.5). Obr.5: Test adheze TiAlN povlaku na oceli plazmově nitridované při teplotě 500 C po dobu 180 min v atmosféře N 2 :H 2 =1:6 Fig.5: Adhesion test of the TiAlN coating on the steel plasma nitrided at 500 C for 180 min in the N 2 :H 2 =1:6 atmosphere Kombinace nitridace v atmosféře s vyšším obsahem dusíku (N 2 :H 2 =1:3) a PVD povlakování nevede u studované oceli již k tak dobrým výsledkům. Při zatížení 5 kg 5

6 k porušování vrstvy v okolí vtisku nedošlo, avšak při zatížení 10 kg je již odlamování povlaku patrné (obr.6). V místech poškození povrchu je pozorovatelný reliéf typický pro sloučeninou vrstvu. Obr.6: Test adheze TiAlN povlaku na oceli plazmově nitridované při teplotě 500 C po dobu 180 min v atmosféře N 2 :H 2 =1:3 Fig.6: Adhesion test of the TiAlN coating on the steel plasma nitrided at 500 C for 180 min in the N 2 :H 2 =1:3 atmosphere Předzpracování studované oceli nitridací tedy zcela zřejmě zlepšuje adhezi PVD povlaků k základnímu materiálu. Nejlepších výsledků je dosaženo v případě, kdy se při nitridaci netvoří sloučeninová vrstva (500 C/180 min, N 2 :H 2 =1:6) Odolnost proti opotřebení Výsledky měření rychlosti abrazivního opotřebení PVD a duplexních vrstev jsou shrnuty na obr.7. Ukazuje se, že v obou případech vedla nitridace před povlakováním k výraznému snížení rychlosti opotřebení. Maximálního efektu je dosaženo v případě nitridace v atmosféře s nižším obsahem Obr.7: Odolnost proti opotřebení duplexních a PVD vrstev dusíku (N 2 :H 2 =1:6). Důvody pro naměřené Fig.7: Wear resistance of the duplex and PVD layers závislosti jsou zcela zřejmé z hodnocení adheze povlaků (obr.4 obr.6) a rovněž ze snímků povrchu po zkoušce opotřebení (obr.8). Nitridace v atmosféře s vyšším obsahem dusíku (N 2 :H 2 =1:3) vede ke vzniku sloučeninové vrstvy, která má za následek odprýskávání povlaku při mechanickém namáhání. Z pohledu odolnosti proti abrazivnímu opotřebení je tedy nejvýhodnější provádět před povlakováním 6

7 nitridaci za podmínek, které zajistí dostatečné nasycení materiálu dusíkem a zároveň zabrání vzniku sloučeninové vrstvy. V případě studované oceli legované niobem je tato kombinace vlastností zajištěna nitridací při teplotě 500 C po dobu 180 min v atmosféře N 2 :H 2 =1:6. Obr.8: Stav povrchu po zkouškách opotřebení: a) PVD, b) plazmová nitridace (500 C/180min, N 2 :H 2 =1:6)+PVD, c) plazmová nitridace (500 C/180min, N 2 :H 2 =1:3)+PVD Fig.8: Surface state after the wear tests: a) PVD, b) plasma nitriding (500 C/180min, N 2 :H 2 =1:6)+PVD, c) plasma nitriding (500 C/180min, N 2 :H 2 =1:3)+PVD 4. ZÁVĚR V této práci byl zkoumán vliv podmínek předzpracování plazmovou nitridací na vlastnosti duplexních vrstev na PM nástrojové oceli legované niobem. Bylo zjištěno, že nitridace před PVD povlakováním zvyšuje odolnost proti abrazivnímu opotřebení a tvrdost vrstev. Maximálního zlepšení mechanických a tribologických vlastností lze dosáhnout nitridací za podmínek, které zaručí dostatečné nasycení materiálu dusíkem, ale nepovedou ke vzniku sloučeninové vrstvy. V případě zkoumané oceli toho lze dosáhnout nitridací při teplotě 500 C po dobu 180 min v atmosféře N 2 :H 2 =1:6. PODĚKOVÁNÍ Tato práce vznikla v rámci řešení grantového projektu MŠMT ČR EUREKA 2728 UPLETOOLS a projektu MSM LITERATURA 1. KHEIRANDISH, S. Effect of the modification of NbC with Ti on the mechanical properites of cast Nb tool steel, BHM, 2001, 146, s BATISTA, J.C.A. aj. Micro-abrasion wear testing of PVD thin coatings on untreated and plasma nitrided AISI H13 steel, Wear, 2002, 249, s MICHALSKI, J. aj. Wear and corrosion properties of TiN layers deposited on nitrided high speed steel, Surface and Coatings Technology, 1995, 72, s

8 4. MACHNÍKOVÁ, E., JIŘÍČEK, I., VOŠTA, J. Korozní odolnost iontově nanesených povlaků na ocelovém substrátu, sborník z konference AKI, Praha, , CD. 5. Rie, K.T. Recent advances in plasma diffusion process, Surface and Coatings Technology, 1999, 112, CZICHOS, H. Tribology, Amsterdam: Elsevier,