NITRIDACE KONSTRUKČNÍCH OCELÍ SVOČ FST 2016 Michal Peković Západočeská univerzita v Plzni Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika ABSTRAKT Tato práce je založena na zkoumání vlastností konstrukčních ocelí po nitridaci. Nitridace je proces chemicko-tepelného zpracování, během kterého dochází k sycení povrchu materiálu dusíkem za zvýšených teplot. V této práci byla pro vytvoření nitridační vrstvy na materiálech použita nitridace v plynu, kdy byl jako zdroj dusíku pro nitridaci použit plynný Amoniak (NH 3 ). Nitridační vrstva bude tvořena při teplotách 500 C, 540 C a 580 C po dobu 24 hodin. Po vytvoření nitridační vrstvy byly zkoumány změny vlastnosti materiálu a především jeho povrchu, kde došlo k vytvoření vrstvy. Zjišťované vlastnosti vrstvy a hodnoty, které zaznamenává pec v průběhu procesu, budou porovnány vzhledem k teplotě nitridace. Dále budou výsledné vlastnosti porovnávány vzhledem k použitým materiálům. KLÍČOVÁ SLOVA NITRIDACE, KONTRUKČNÍ OCELI, HLOUBKA VRSTVY, TVRDOST, HOUŽEVNATOST ÚVOD Hlavním úkolem této práce je vytvořit nitridační vrstvy na dvou různých typech konstrukčních ocelí. Na základě vytvoření těchto vrstev při teplotách 500 C, 540 C a 580 C při čase 24 hodin budou následně zkoumány vlastnosti vytvořené vrstvy. Zkoumané vlastnosti budou tvrdost povrchové vrstvy měřená metodou dle Vickerse, hloubka nitridační vrstvy vyhodnocovaná dle normy DIN 50190-3, tloušťka bílé neboli sloučeninové vrstvy, houževnatost povrchové vrstvy měřená z trhlin vzniklých po vtiscích z tvrdosti, v poslední řadě mikrostruktura, ve které bude zkoumána velikost vytvořených nitridů. Dále bude vyhodnoceno procento zbytkového NH 3 v průběhu procesu v závislosti na teplotě nitridace. Pro všechny tyto vlastnosti budou vytvořeny závislosti jejich hodnot na teplotě nitridace a zároveň dojde k porovnání těchto hodnot vzhledem k různým použitým materiálům. V poslední řadě bude práce použita pro vytvoření výukových posterů. VÝCHOZÍ STAV MATERIÁLU Pro nitridaci byly použity dva druhy materiálu. Prvním z nich je 31CrMoV9, což je konstrukční ocel třídy 15, která je určena pro výrobu strojních části, a je řazena mezi oceli používané pro nitridaci. Druhou ocelí použitou v experimentu je 34CrAlNi7, jedná se o konstrukční ocel třídy 16, tedy legovanou ocel. Používá se taktéž k výrobě strojních části, zejména pro výrobu forem s nitridovaným povrchem pro lisování plastických hmot. Oba typy oceli byly dodány v zušlechtěném stavu. Pro určení chemického složení byla provedena GD-OES analýza na spektrometru LECO zde na ZČU. Chemické složení naměřené na spektrometru splňuje normu pro oba dané materiály. V tabulce 1 jsou uvedeny zastoupení prvků v ocelích v hmotnostních procentech. V tabulce 2 jsou uvedeny tvrdosti materiálů ve výchozím stavu. Hmotnostní % C Mo/Al V/Ni Cr Si Mn 31CrMoV9 0,347 0,212 0,114 2,43 0,267 0,562 34CrAlNi7 0,358 1,5 0,9 1,45 0,244 0,555 Tabulka 1 Chemické složení dle spektrometru LECO Tvrdost dle Vickerse HV30 Odchylka měření 31CrMoV9 325 4 34CrAlNi7 345 31 Tabulka 2 Tvrdost základního meteriálu 1
PRÍPRAVA NA NITRIDACI Před samotnou nitridací byly vzorky rozřezány z tyčoviny na 10mm vysoké válečky a znovu zušlechtěny. Vzorky byly kaleny po výdrži 35 minut na teplotě 920 C a následně popouštěny při teplotě 630 C po dobu 60 minut. Po zušlechtění proběhlo čistění a odmaštění vzorků. Vzorky byly 10 minut v ultrazvukové čističce ponořeny v tetrachlorethylenu. Následně vyjmuty osušeny a rovnoměrně rozloženy do nitridační pece. Spolu s dalšími tělesy pro zvětšení povrchu vsázky. NITRIDAČNÍ PROCES Pro nitridaci byla použita metoda nitridace v plynu, kdy byl hlavním zdrojem dusíku Amoniak (NH 3 ). Vzorky byly nitridovány při teplotách 500 C, 540 C a 580 C po dobu 24 hodin. Hlavním sledovaným parametrem v průběhu nitridace bylo procento nerozloženého NH 3. Toto číslo udává kolik procent z NH 3, které vstoupí do pece, se v ní nerozloží na vodík a dusík. Jak lze vidět na obrázku 2 nitridace byla rozdělena do čtyř hlavních kroků, kdy během prvního kroku byla zvyšována teplota v peci až na onu požadovanou a zároveň docházelo k proplachu pece čistým N 2. Doba trvání tohoto kroku je dána časem, který je potřeba pro dosažení teploty. Druhým krokem je vytváření nitridační atmosféry, kdy se veškeré N 2, které je přítomno v peci, nahradí čistým NH 3. Tento krok byl nastaven na 260 minut. Třetím a nejdelším krokem je samotná nitridace, během které dochází k disociaci NH 3 na dusík a vodík, kdy dusík v atomárním stavu může difundovat do oceli. Čím je teplota pece vyšší tím jednodušeji dochází k disociaci čpavku. Toto lze pozorovat na obrázku 2, kde můžete vidět množství nerozloženého NH 3, což je opakem stupně disociace. S vyšší teplotou je i průběh difuze dusíku do oceli lepší, tudíž lze předpokládat, že se budou nitridy legujících prvků tvořit ve větší hloubce. Obrázek 1 Kroky nitridačního procesu Obrázek 2 Závislost zbytkového NH3 na teplotě nitridace 2
VZORKY PO NITRIDACI Po nitridaci byly vzorky umístěny do exsikátoru, aby se zabránilo poškození vlivem prostředí. Další manipulace s nimi pouze v rukavicích. Na obrázku 3 vlevo lze pozorovat, že byly vzorky dobře vyčištěné, protože na nich nejsou patrné žádné větší fleky. Pro zkoumání vlastnosti vrstvy byly vzorky rozřezány na metalografické pile, zality na lisu, broušeny a leštěny a v posledním případě pro zkoumání mikrostruktury i leptány pomocí 3% roztoku kyseliny dusičné s etylalkoholem (Nital). Na obrázku 3 vpravo je vidět zalitý vzorek, ke kterému je z jedné strany přiložen ochranný plíšek, který má při broušení a leštění zabránit poškození nitridační vrstvy a odtržení bílé vrstvy. Obrázek 3 Vzorek po vytažení z pece, po zalití na lisu MAKTROTVRDOST DLE VICKERSE První zkoumanou vlastnosti je tvrdost povrchové vrstvy. Toto měření bylo provedenou metodou dle Vickerse se zatížením 5kp, tedy HV5. V tabulce 3 jsou hodnoty tvrdostí pro oba materiály při všech teplotách, Nejvyšších tvrdostí povrchové vrstvy bylo dosaženo při teplotě nitridace 500 C. Podle naměřených výsledků lze říci, že se zvyšující se teplotou nitridace klesá povrchová tvrdost vrstvy. Tvrdost [HV5] 500 C Odchylka 540 C Odchylka 580 C Odchylka 31CrMoV9 723 3 713 45 598 24 34CrAlNi7 1051 26 854 13 735 28 Tabulka 3 Tvrdost povrchové vrstvy dle Vickerse Obrázek 4 Tvrdost povrchové vrstvy dle Vickerse 3
HLOUBKA NITRIDAČNÍ VRSTVY Hloubka nitridační vrstvy byla měřena podle normy DIN 50190-3, došlo ke změně metody na HV 0,2, tedy zatížení 200g. Měření probíhá tak, že se dělají vtisky na mikrotvrdoměru postupně od povrchu směrem k jádru. Vyhodnocení hloubky nitridační vrstvy probíhá tak, že se vytvoří křivka závislosti tvrdosti na vzdálenosti od povrchu materiálu. Dále se k tvrdosti jádra materiálu přičte hodnota 50 a vytvoří se horizontální přímka v grafu. V místě průsečíku těchto dvou křivek se spustí kolmice k horizontální ose a odečte se hodnota hloubky nitridační vrstvy. Toto lze pozorovat na obrázku 5. Obrázek 5 Postup měření hloubky vrstvy V tabulce 4 jsou hodnoty hloubky nitridační vrstvy pro oba materiály při všech teplotách. Největší tloušťky nitridační vrstvy bylo dosaženo při teplotě nitridace 580 C. Podle naměřených výsledků lze říci, že se zvyšující se teplotou nitridace roste tloušťka povrchové vrstvy. Pouze u teploty 580 C pro materiál 31CrMoV9 tloušťka vrstvy nepřesáhla hodnotu při nižší teplotě. Zřejmě se jedná o chybu měření a tato hodnota bude znovu ověřena. Hloubka nitridační vrstvy [mm] 500 C 540 C 580 C 31CrMoV9 0,28 0,43 0,35 34CrAlNi7 0,32 0,41 0,53 Tabulka 4 Hloubka nitridační vrstvy Obrázek 6 Hloubka nitridační vrstvy 4
HOUŽEVNATOST POVRCHOVÉ VRSTVY Houževnatost povrchové vrstvy byla vyhodnocována vzhledem k délce trhlin vzniklých po vtiscích tvrdosti dle Vickerse. Tyto vtisky byly prováděny se zatížením 60kp tedy HV60. Délky a počty trhlin byly měřeny na mikroskopu. Ve všech případech se vyskytovaly trhliny převážně v rozích vtisků. V tabulce 5 jsou uvedeny průměrné délky trhlin. Nejvíce houževnaté byly oba materiály při teplotě nitridace 500 C, kdy trhliny dosahovali nejmenších délek. Vzhledem k porovnání obou materiálů vyšel materiál 31CrMoV9 jako houževnatější. Podle grafu na obrázku 7 lze říci, že se zvyšující se teplotou nitridace klesá houževnatost materiálu. Na obrázku 8 je fotka ze světelného mikroskopu pořízená při zvětšení 500x. Na této fotce je trhlina vzniklá v rohu vtisku. Délka trhlin [µm] 500 C Odchylka 540 C Odchylka 580 C Odchylka 31CrMoV9 25 2 67 14 79 7 34CrAlNi7 37 5 80 12 85 12 Tabulka 5 délky trhlin při meření houževnatosti Obrázek 7 Délky trhlin při měření houževnatosti Obrázek 8 Trhlina vzniklá v rohu vtisku 5
MIKROSTRUKTURA Pro zkoumání a focení mikrostruktury byl použit světelný mikroskop. Vyleštěný vzorek bylo potřeba před focením naleptat 3% roztokem Nitalu. Po naleptání materiálu byla na mikroskopu sledována tloušťka bílé neboli sloučeninové vrstvy, která dosahovala hodnot mezi 10 a 40 µm. Jako další byly sledovány rozdíly ve strukturách s různou teplotou nitridace. Především nitridy legujících prvků se s rostoucí teplotou nitridace tvořili větší. Obrázek 9 Ocel 31CrMoV9-540 C 500x zvětšeno Na obrázku 9 můžete vidět ocel 31CrMoV9 po nitridaci při 540 C. Ve struktuře jsou patrné nitridy na hranicích původních austenitických zrn. Na obrázku 10 se nachází ocel 34CrAlNi7 po nitridaci při teplotě 580 C. Ve spodní části obrázku se nachází bíla neboli sloučeninová vrstva, která se vytváří na povrchu materiálu. Ve struktuře jsou opět dobře patrné nitridy vytvořené po hranicích původních austenitických zrn. Tyto nitridy jsou větší než v předchozím případě. Obrázek 10 Ocel 34CrAlNi7-580 C-500x zvětšeno 6
ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Cílem této práce bylo vytvořit nitridační vrstvu při třech různých teplotách na dvou různých ocelích. Na 31CrMoV9 nízkolegované oceli třídy 15 a na 34CrAlNi7 vysokolegované oceli třídy 16. Ve všech případech došlo k vytvoření kvalitní nitridační vrstvy. Při zkoumání vlastností ocelí došlo k porovnání jejich změn v závislosti na teplotě a zároveň ke srovnání výsledků u obou použitých ocelí. Závěrem lze říci, že tvrdost nitridační vrstvy s teplotou nitridace roste a současně, že materiál 34CrAlNi7 dosahuje větších hodnot tvrdosti než druhý použitý. Toto bude pravděpodobně zapříčiněno velkým obsahem hliníku v oceli. Co se tyče hloubky nitridační vrstvy a tloušťky bílé vrstvy lze říci, že s rostoucí teplotou roste tloušťka nitridační i bílé vrstvy. Houževnatost obou materiálů klesala s rostoucí teplotou nitridace a materiál 31CrMoV9 byl při všech nitridačních teplotách houževnatější. V mikrostruktuře obou ocelí se tvořili nitridy legujících prvků po hranících původních austenitických zrn. S rostoucí teplotou nitridace byly tito nitridy větší. PODĚKOVÁNÍ Na konec bych chtěl poděkovat vedoucímu této práce, panu Ing. Jiřímu Hájkovi, Ph.D. Velké díky za měření mikrotvrdosti a chemického složení dle GD-OES patří také panu Ing. Milanu Vnoučkovi, Ph.D. LITERATURA 1. Bartovská, L. a Šišková, M. Fyzikální chemie povrchů a koloidních soustav. Praha : VŠCHT, 2005. ISBN 80-7080- 579-X. 2. Kraus, V. Tepelné zpracování a slinování. Plzeň : ZČU v Plzni, 2013. ISBN 987-80-261-0260-1. 3. Vojtěch, D. Kovové materiály. Praha : VŠCHT, 2006. ISBN 80-7080-600-1. 4. Ryš, P.; Cenek, M.; Mazanec, K.; Hrbek, A. Železo a jeho slitiny. [autor knihy] F. Píšek, L. Jeníček a P. Ryš. Nauka o materiálu. Praha : ACADEMIA, 1975. 5. Heat Treating as Volume 4 of the ASM Handbook. : ASM International, 1991. ISBN 0-87170-379-3. 6. Pye, D. Practical Nitriding and Ferritic Nitrocarburizing. Ohio : ASM International, 2003. ISBN 0-87170-791-8. 7. Davis, J. R. Surface Hardening of Steels. : ASM International, 2002. 8. Herring, D. H. Principles of Gas Nitriding. : Industrial Heating magazine, 2011. 9. Kříž, A a Šmíd, P. Použití metody GD-OES. Ateam. [Online] [Citace: 22. Duben 2015.] http://www.ateam.zcu.cz/pouziti_metody_gd-oes.pdf. 7