STRUKTURA A VLASTNOSTI POVRCHU DUPLEXNĚ POVLAKOVANÉ LEDEBURITICKÉ OCELI VANADIS 6

Transkript

1 STRUKTURA A VLASTNOSTI POVRCHU DUPLEXNĚ POVLAKOVANÉ LEDEBURITICKÉ OCELI VANADIS 6 Peter Jurči, Alexandra Musilová a Jan Suchánek b František Hnilica c a ECOSOND, s.r.o., Křížová 1018, Praha 5, ČR, jurci@ecosond.cz b ATG, s.r.o., Areál VÚ Běchovice, Praha 9, ČR, csvzp@ms.anet.cz c ČVUT, FSI, Karlovo nám., Praha 2, ČR, hnilica@fsik.cvut.cz ABSTRAKT Vzorky z P/M oceli pro práci za studena VANADIS 6 byly tepelně zpracovány na tvrdost 700 HV 10. Následně bylo na nich realizováno různé povrchové zpracování (plasmová nitridace, plasmová nitridace + TiN, pouze TiN bez plasmové nitridace). Byla zkoumána mikrostruktura, fázové složení a mikrotvrdost povrchových vrstev těchto vzorků. Následně byl vyhodnocen vztah mezi parametry procesu, strukturou a dalšími charakteristikami a otěruvzdorností, vyjádřenou hmotnostním úbytkem vzorků. Bylo zjištěno, že plasmová nitridace má na otěruvzdornost pozitivní vliv, avšak musí být realizována za vhodných podmínek. V opačném případě je pozitivní vliv méně významný. TiN - povlakování snižuje hmotnostní úbytek v důsledku otěru obecně velmi významně. Přesto existuje rozdíl mezi vzorky zpracovanými za různých podmínek plasmové nitridace. ABSTRACT Specimens made from the VANADIS 6 P/M cold work steel were heat treated to the hardness of 700 HV 10. Various surface treatment was then performed (plasma nitriding, plasma nitriding + TiN, TiN only) and structure, phase constitution and hardness of the specimens processed by such a way were investigated. A correlation between processing parameters applied, resulting structural characteristics and wear resistance being represented by the mass loss of the specimens due to the wear is presented in this paper. It was found that the plasma nitriding has a positive influence on the wear resistance, but it has to be performed at optimal processing conditions. Otherwise the positive effect is less significant. TiN coating of plasma nitrided specimens reduces the mass loss considerable, however, there also exists a difference between the specimens processed by various plasma nitriding treatment before PVD - TiN. 1. ÚVOD Použití vysokolegovaných P/M ledeburitických a rychlořezných ocelí má v některých průmyslových postupech velký význam, protože tyto oceli přinášejí řadu výhod do výroby nástrojů [1]. V konečném důsledku vede použití těchto materiálů k prodloužení životnosti nástrojů a značné úspoře nákladů. 1

2 Nástroje pro práci za studena, vyrobené z P/M ledeburitických ocelí musí obvykle být před použitím tepelně zpracované. Kalením a následné popouštěním je zpravidla dosahováno tvrdosti v rozmezí 700 až 800 HV, což umožňuje takto zpracované nástroje přímo použít v produkci. Post tepelné zpracování, např. PVD povlakování, může dále zlepšit kvalitu vyrobených nástrojů [2]. Nicméně, použití nástrojů jako prvků systémů, podléhajících značnému zatížení, může způsobovat plastickou deformaci povrchu substrátu z ledeburitické oceli, přičemž hloubka deformace přesahuje mnohokrát tloušťku PVD vrstvy. V důsledku značné křehkosti se povlak nemůže plasticky deformovat společně se substrátem a nakonec může dojít k jeho porušení. Proto se snahy, vedoucí k vyvinutí technologie povrchového zpevnění oceli před PVD povlakováním jeví jako logické. Plasmová nitridace se ukázala být vhodnou metodou pro zpracování povrchu před nanesením PVD povlaku, a to zejména z důvodu, že umožňuje dosáhnout velmi dobře definovaných vlastností nitridovaných vrstev [3]. Protože je teplota procesu nižší, než teplota popouštění, mikrostruktura a vlastnosti jádra materiálu zůstávají prakticky neovlivněny. Takto vytvořená difuzní mezivrstva vykazuje v důsledku zvýšené tvrdosti schopnost mechanicky podporovat PVD vrstvu [4,5]. Povrchové zpracování, obecně známo pod pojmem duplexní povlakování může být tedy velmi významným faktore umožňujícím vyrábět a zpracovávat materiály s vynikající kombinací pevnosti jádra na jedné straně a povrchovou tvrdostí a otěruvzdorností na straně druhé. Již jedny z prvních experimentů naznačily, že adheze TiN-PVD povlaku na plasmově nitridované rychlořezné oceli konveční výroby byla několikrát lepší, než v případe nenitridovaného substrátu [6]. Rovněž pro P/M rychlořeznou ocel typu M2 byl prokázán značný nárůst otěruvzdornosti po duplexním povlakování [7]. V předešlých pracích byly publikovány značné rozdíly mezi nidridovatelností různých ocelí ledeburitického typu [8,9]. Bylo zjištěno, že z hlediska difuzního zpevňování povrchu hraje dominantní roli chemické složení materiálu, zejména pak dostatečný obsah legujících prvků, schopných vytvářet nitridy. Pokud materiál neobsahuje dostatek těchto prvků, rozpuštěných v tuhém roztoku, je zpevnění povrchu zpravidla málo významné. O dalších vlivech na kvalitu nitridovaných vrstev, kinetiku jejich růstu a vlastnosti existuje poměrně málo literárních pramenů, z nichž mnohé jsou ještě k tomu protichůdné a často nekorespondují s teoretickými poznatky, ani s logicky očekávanými výsledky. Cílem experimentálních prací, publikovaných v tomto článku, bylo realizovat první krok k nalezení optimálních parametrů procesu tvorby plasmově nitridované vrstvy s ohledem na následné povlakování metodou PVD. 2. EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM Pro program duplexního povlakování byla vybrána chrom - vanadová ledeburitická ocel VANADIS 6 (2.1 %C, 7 %Cr, 6%V), která se ukazuje být perspektivním materiálem a může v blízké budoucnosti nahradit jiné materiály, doposud používané v tváření za studena. Z této oceli byly vyrobeny následující vzorky: 1) Ploché destičky o rozměrech 8x18x70 mm pro tribologické zkoušky, označené čísly kvůli jednoznačné identifikaci. 2) Referenční o průměru 10 mm a výšce 12 mm. Tyto vzorky byly přidávány k jednotlivým procesům a následně použity pro analýzu na mikrostruktury, fázového složení, průběhu mikrotvrdosti a další charakteristiky. Ploché vzorky pro tribologické zkoušky z obou materiálů byly na analyzovaných plochách jemně broušeny. Referenční byly na testované ploše metalograficky leštěny suspenzí TONERDE. Všechny vzorky byly vakuově tepelně zpracovány (kaleny a popouštěny) na výslednou tvrdost 700 HV 10, což je tvrdost obvykle používaná pro průmyslové aplikace. 2

3 Zkoušky otěruvzdornosti byly realizovány na tribometru HEF, umožňujícím čárový kontakt vzorku s protikusem. Jako materiál protikusu byla použita nadeutektoidní ložisková ocel , zakalená a popuštěná na 60 HRC. Zkoušky byly realizovány při zatížení 50 N. Jako parametr opotřebení bylo využito měření hmotnostního úbytku vzorků, vyjádřeného v [g]. Celková kluzná dráha protikusu na vzorku byla 10 km, pokud není v textu nebo v tabulkách uvedeno jinak. Hmotnostní úbytek byl u všech vzorků zjišťován po uběhnutí 1 km, 2.5 km, 5 km a 10 km. Všechny zkoušky byly prováděny při běžné laboratorní teplotě, která se v závislosti na různých podmínkách pohybovala v rozmezí 25 až 30 o C. Tabulka 1 - Přehled povrchového zpracování vzorků z oceli VANADIS 6 Číslo procesu Vzorky Nitridace Povlak 1 8 vzorků + 2 ks ref. NE NE 2 8 vzorků + 2 ks ref. 500 o C, N 2 : H 2 = 1:3, t = 60 NE min. 3 8 vzorků + 2 ks ref. 530 o C, N 2 : H 2 = 1:3, t = NE 120 min. 4 8 vzorků + 2 ks ref. 500 o C, N 2 : H 2 = 1:3, t = 60 TiN, 2.5 µm min. 5 8 vzorků + 2 ks ref. 530 o C, N 2 : H 2 = 1:3, t = TiN, 2.5 µm 120 min. 6 8 vzorků + 2 ks ref. NE TiN, 2.5 µm 3. VÝSLEDKY 3.1. Mikrostrukturní analýza Na obr. 1 je zdokumentován duplexně zpracovaný vzorek oceli Vanadis 6. Duplexní zpracování probíhalo podle režimu: plasmová nitridace 500 o C/60 min. + PVD TiN. Na povrchu je tenká vrstva nitridu titanu TiN, tlustá podobně jako v předchozím případě 2.5 µm. Pod ní se nachází tmavě se leptající mezivrstva, vytvořená plasmovou nitridací. Její tloušťka je zhruba 35 µm. Tato mezivrstva přechází do základního materiálu pozvolna, protože se jedná o vrstvu difuzní. Z detailního snímku, obr. 2, je opět zřejmé, že vrstva vykazuje dobrou přilnavost k povrchu plasmově nitridovaného materiálu a též skutečnost, že u volného povrchu vzorku se nachází poměrně značné množství pórů. Tyto póry a necelistvosti zasahují zhruba do 1/3 tloušťky vrstvy. Na základě srovnání s předešlým vzorkem se ukazuje, že přítomnost pórů není závislá na přítomnosti či nepřítomnosti plasmově nitridované vrstvy na povrchu substrátu před PVD. Spíše se ukazuje, že to bude záležitost procesu PVD, což však bude nutné ověřit dalšími experimenty. Fázové složení povrchové vrstvy je tvořeno složkami, přítomnými v oceli před povrchovým zpracováním a fázemi, které byly vytvořeny nitridací, resp. povlakováním. V případě originálních fází se jedná zejména o popuštěný martenzit a karbidy MC a M 7 C 3. Nitridovaná mezivrstva obsahuje zejména fáze typu Fe 4 N a Fe 3 N, v menší míře pravděpodobně i nitridy na bázi chrómu. Povrchová PVD vrstva je tvořená zejména stechiometrickým nitridem titanu. 3

4 METAL 2002 Obr. 1 - Mikrostruktura povrchu duplexně zpracované oceli Vanadis 6 podle režimu: plasmová nitridace 500 oc/60 min. + PVD TiN. Obr. 2 - Detail ze snímku na obr. 1 Pro vzorky, nitridované při teplotě 500 oc po dobu 60 minut byly naměřeny povrchové koncentrace dusíku kolem 2 hm. % a vrstva, nasycená dusíkem sahá do hloubky kolem 20 µm. V důsledku redistribuce intersticiálů dochází u povrchu k difuznímu ochuzování o uhlík. Povrchová koncentrace uhlíku tak dosahuje pouze 0.19 hm.%. Ochuzená vrstva sahá do poměrně velké hloubky, nicméně, obsah uhlíku pozvolna stoupá a maximum dosahuje v hloubce cca 30 µm. Jeho hodnota je 3.04 hm.%. Posléze obsah uhlíku klesá na nominální koncentraci uhlíku ve slitině. Je-li čas procesu dostatečně dlouhý, dojde nejenom k vysokému nasycení povrchové vrstvy dusíkem, ale i k difuzi dusíku do větší hloubky materiálu. Takovouto situaci zobrazuje graf na obr. 3, kdy při teplotě 530 oc a čase procesu 120 minut dosahuje koncentrace dusíku až 5 hm.%. Směrem do jádra obsah tohoto prvku klesá, avšak ještě v hloubce 20 µm pod povrchem byla určitá koncentrace dusíku naměřena. Vysokému stupni sycení dusíku odpovídá Obsah C, N (hm. %) 6 5 Obr. 3 - Hloubkové profily koncentrace N a C pro vzorky nitridované při 500 o C/60 min. a 530 o C/120 min Hloubka pod povrchem (µ m) 500 oc/60 min. N 530 oc/120 min. N 500 oc/60 min. C 530 oc/120 min. C i intenzita difuze uhlíku do jádra. Oblast ochuzená o uhlík tak sahá až do hloubky cca 20 µm. 4

5 3.2. Průběhy mikrotvrdosti a povrchová tvrdost Na obr. 4 jsou průběhy mikrotvrdosti pro vzorky nitridované při teplotě 500 o C po dobu 60 min. a 530 o C / 120 min. U vzorku, zpracovaného při nižší teplotě a kratším čase dosahuje tvrdost v povrchové přes 1300 HV Směrem do jádra tvrdost podle očekávání klesá a v hloubce kolem 20 µm dosahuje hodnot typických pro základní nenitridovaný materiál. Povrchová tvrdost tohoto vzorku byla 971 HV 10, což je sice značný nárůst oproti stavu před nitridací, přesto je ale hodnota nižší, než u stejně zpracovaného vzorku z oceli M2. Při vyšší teplotě došlo ke značnému vzrůstu povrchové tvrdosti, jejíž hodnoty přesahovaly 1600 HV Směrem do jádra klesají hodnoty tvrdosti velmi pozvolna, takže ještě v hloubce 45 µm pod povrchem vzorku byla naměřena tvrdost převyšující hodnotu 1300 HV 0.05 a tvrdost, podobná hodnotám základního materiálu byla dosažena teprve v hloubce 60 µm. Takto hluboké zpevnění materiálu se odrazilo i v povrchové tvrdosti, která byla 1122 HV 10, tedy srovnatelná s ocelí M2, zpracovanou za stejné kombinace parametrů. Mikrotvrdost HV HV Hloubka pod povrchem (µm) 1122 HV oc/60 min. 530 oc/120 min Obr. 4 - Průběhy mikrotvrdosti v závislosti na hloubce pod povrchem vzorků nitridovaných při parametrech 500 o C/60 min. a 530 o C/120 min Zkoušky otěruvzdornosti. Na obr. 5 jsou uvedeny výsledky tribologických zkoušek. Z grafu vyplývá, že hmotnostní úbytek s rostoucí kluzní dráhou u všech sad zkušebních vzorků stoupá. U jednotlivých sad byly naměřeny podstatné rozdíly v rychlosti opotřebení. Největší hmotností úbytek byl zaznamenán u vzorků bez povrchové úpravy, tj. ve stavu po kalení a popouštění. Tato skutečnost byla do jisté míry očekávaná a potvrdilo se tak, že plasmová nitridace vede ke zpevnění povrchu co se týče matrice i vzniku nitridů, způsobujícího pokles hmotnostního úbytku v závislosti na kluzné dráze. Uvedený jev byl prokázán pro oba režimy plasmové nitridace, tj. 500 o C/60 min i 530 o C/120 min. Na rozdíl od případu oceli M2, povlakování nitridem titanu o tloušťce 2.5 µm vedlo k řádovému snížení hmotnostního úbytku vzorků i při nižším aplikovaném zatížení. Zjištěné rozdíly mezi povlakovanými vzorky s různou mezivrstvou, získanou plasmovou nitridací, popřípadě bez uvedené mezivrstvy, jsou spíše nevýznamné a nelze tvrdit, že při nízkém zatížení přináší duplexní povlakování významnou výhodu ve srovnání se vzorky bez mezivrstvy. Zlepšení však lze očekávat při vyšším zatížení podobně, jako tomu bylo u oceli M2, kde bude podpůrný efekt nitridované mezivrstvy nepochybně významnější. 5

6 Výsledky tribologických zkoušek rovněž naznačují, že z hlediska vývoje struktury povrchové vrstvy dochází ve srovnání s ocelí typu M2 k některých odlišnostem. Zejména je patrné, že mezi procesy, realizovanými při 500 o C po dobu 60 min. a 530 o C/120 min. nebyly nalezeny rozdíly, svědčící o lepší kvalitě vrstvy, dosažené za nižší teploty a kratším čase, jak tomu bylo u oceli M2. Spíše naopak, lepší odolnost vůči opotřebení měly vzorky, zpracované při vyšší teplotě a delším čase, což platilo i pro vzorky duplexně povlakované. Při analýze příčino tohoto jevu lze v první řade vzít v úvahu skutečnost, že ocel typu M2 bude s největší pravděpodobností vytvářet rychleji speciální nitridy, než ocel Vanadis 6, a to v důsledku jejího vyššího obsahu nitridotvorných prvků v popuštěném martenzitu. Zatímco ocel Vanadis 6 těchto prvků obsahuje kolem 9%, ocel M2 více než 10 %[5]. To by znamenalo, že optimálního sycení povrchu dusíkem se při teplotě 500 o C dosahuje za delší než šedesátiminutový proces a že proces, realizovaný při teplotě 530 o C a čase 120 min. je blíže optimálního procesu, než proces při 500 o C/60 min. Pochopitelně ale tyto úvahy jsou pouze předběžné a musí být potvrzeny dalšími experimenty, zejména pak tribologickými zkouškami při vyšším zatížení. Na obr. 6 je znázorněna průměrná hodnota hmotnostního úbytku protikusů z oceli v závislosti na kluzné dráze (je uváděna v km) a parametrech povrchového zpracování vzorku (nitridace, nitridace + PVD). Z grafu je zřejmé, že u protikusů byl hmotnostní úbytek při použití povlakovaných vzorků ve srovnání s nepovlakovanými spíše o něco nižší. Tento fakt může souviset s nižším průměrným koeficientem tření v případě dvojice povlakovaný vzorek protikus (koef. tření ) ve srovnání s dvojicí nepovlakovaný vzorek protikus (koef. tření ). Potvrzení této úvahy vyžaduje další studium opotřebených ploch, plánované na rok 2002, avšak lze jej logicky očekávat. U nepovlakovaných vzorků může totiž vlivem vzájemného pohybu válcového protikusu a vzorku docházet k vytrhávání Hmotnostní úbytek (g) kaleno 60 HRC Nitridace 500 C/60 min. Nitridace 530 C/120 min. Proces TiN Nitridace 500 C/60 min.+tin Nitridace 530 C/120 min.+tin 1 km 2.5 km 5 km 10 km jednotlivých tvrdých částic z obou povrchů a tvorbě abraziva, zvyšujícího opotřebení jak vzorku, tak protikusu. U povlakovaných vzorků je tento jev méně pravděpodobný. 6 Obr. 5 - Průměrná hodnota hmotnostního úbytku zkušebních vzorků z oceli VANADIS 6, v závislosti na kluzné dráze a parametrech zpracování při zatěžovací síle 50 N.

7 Hm. úbytek (g) kaleno 60 HRC Nitridace 500 C/60 min. Nitridace 530 C/120 min. Proces TiN Nitridace 500 C/60 min.+tin 1 km 2.5 km 5 km 10 km Nitridace 530 C/120 min.+tin Obr. 6 - Průměrná hodnota hmotnostního úbytku protikusů 4. ZÁVĚR v závislosti na kluzné - nitridované vrstvy se od základního materiálu liší zvýšenou intenzitou dráze leptání, a parametrech způsobenou značným výskytem jemných nitridických částic zpracování zkušebního - na rozhraní tenká vrstva TiN substrát nebyly nalezeny póry ani jiné vzorku necelistvosti, takže (ocel lze předpokládat dobrou adhezi PVD vrstvy na základní materiál VANADIS 6) při - nitridovaná vrstva vykazuje značný nárůst tvrdosti oproti nenitridovanému zatěžovací materiálu, síle 50 N. tento nárůst ale je spíše o něco menší, než u oceli typu M2. Příčinou by mohla být skutečnost, že popuštěný martenzit obsahuje přece jenom o něco nižší objemový podíl nitridotvorných prvků, než v případě materiálu M2 - posledně zmiňovaná skutečnost se s největší pravděpodobností projevuje i na otěruvzdornosti nitridovaných vzorku. Na rozdíl od vzorků z oceli M2 byla spíše lepší otěruvzdornost zjištěna u materiálu, zpracovaného při 530 o C/120 min., než u vzorků, zpracovaných při 500 o C/60 min. - při zvolených podmínkách testování zvyšuje plasmová nitridace otěruvzdornost oceli VANADIS 6 o několik desítek procent, což je výsledek podobný, jaký byl dosažen při testování oceli M2. Na rozdíl od oceli M2 však povlakování, a to jednak pouze TiN, jednak duplexní povlakování TiN+plasmová nitridace, způsobuje řádové zlepšení otěruvzdornosti již při nižším zatížení. Tento rozdíl v tribologickém chování bude však nutno ještě objasnit PODĚKOVÁNÍ Výsledky, publikované v tomto konferenčním příspěvku, byly získány za využití prostředků dotace na řešení grantového projektu 106/01/0180. LITERATURA [1]: JURČI, P.: Některé aspekty ohřevu rychle ztuhlých ocelí ledeburitického typu, Hutnické listy, 1999, roč. 50, č. 2, s

8 [2]: BERGMANN, E.: Traitements Duplex: principes, technologie et applications, Traitement Thermique, (1996)5, s [3]: JURČI, P., SUCHÁNEK, J., STOLAŘ, P.: Effect of Various Plasma Nitriding Procedures on Surface Characteristics of P/M High Speed Steel, In.: Proceedings of the 5 th ASM Heat Treatment and Surface Engineering Conference in Europe, 7-9 June 2000, Goteborg, Švédsko, s [4]: VAN STAPPEN, M. aj.: Characterisation of TiN coatings deposited on plasma nitrided tool steel surfaces, Mater. Sci. Engng. A140, (1991) s [5]: FOX - RABINOVICH, G.S.: Structure of complex coatings, Wear, 160 (1993) s [6]: LEONHARDT, A., ENDLER, I.: Deposition of Adherent Hard Coatings on Steel by Plasma - Enhanced CVD, Ceramics International, 21 (1995), s [7]: JURČI, P. aj.: Surface Characteristics of Duplex Coated P/M M2 grade High Speed Steel, Proceedings of the European PM 2001 Congress, Nice, edited by European Powder Metallurgy Association, 2001, Shrewsbury, UK, s [8]: JURČI, P., STOLAŘ, P., SUCHÁNEK, J., Analýza plasmově nitridovaných vrstev na vysokovanadové ledeburitické oceli, In.: Sborník z konference Přínos metalografie pro řešení výrobních problémů, Mar. Lázně, červen 1999, s [9]: JURČI, P. aj.: Možnosti plasmové nitridace P/M ledeburitických ocelí, In.: Sborník Cementace a nitridace, Brno, listopad 2001, s