Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Gépészmérnöki Szak Hagyományos és korszerű nitridálási technológiák összehasonlító vizsgálata Bulla Péter Ágoston, XG691C 3700, Kazincbarcika Rózsa út 14.
TARTALOMJEGYZÉK 1. Bevezetés... 4 2. A nitridálás fémtani alapjai... 5 2.1. A termokémiai hőkezelésekről általában... 5 2.1.1. A hőkezelés fogalma és osztályozása... 5 2.1.2. Termokémiai felületkezelési eljárások... 5 2.2. A nitridálás metallográfiai alapjai... 6 2.2.1. A nitridálás alapjai... 6 2.2.2. A nitridált kéreg szerkezete... 7 2.2.3. A nitridált kéreg kialakulása... 10 2.2.4. Az acél ötvözőinek hatása a nitridált rétegre... 12 3. Nitridáló eljárások... 15 3.1. Gáznitridálás... 15 3.1.1. Kétlépcsős gáznitridálás... 19 3.2. Sófürdős nitridálás... 20 3.3. Plazmanitridálás... 21 3.3.1. Aktív ernyős plazmanitridálás... 24 3.4. Karbonitridálás... 25 4. A Nitridált felület vizsgálata... 27 4.1. Keménységvizsgálat... 27 4.2. Kopásvizsgálat... 28 4.3. GDOES vizsgálat... 30 4.4. Korrózióállóság vizsgálata... 32 5. Az elvégzett kísérletek... 34 5.1. A kísérletek leírása... 34 5.1.1. Anyagválasztás... 34 5.1.2. Előzetes hőkezelés... 35 5.1.3. Technológiai paraméterek... 36 5.1.4. Az elvégzett vizsgálatok leírása... 39 5.2. A mikroszkópi vizsgálat és a keménységmérés eredményei... 39 5.2.1. C45 és 16MnCr5 acélok összehasonlítása nitridálás után... 40 5.2.2. A nitridálási hőmérséklet változásának hatása... 45 5.2.3. A nitridálási idő változásának hatása... 47 5.2.4. A Floe eljárás hatása... 49 5.2.5. Különbség a plazma és gáz közegű nitridálások esetén... 53 5.3. GDOES vizsgálat eredményei... 55 5.3.1. C45 és 16MnCr5 acélok összehasonlítása nitridálás után... 56 5.3.2. A nitridálási hőmérséklet változásának hatása... 57 5.3.3. A nitridálási idő változásának hatása... 58 5.3.4. A Floe eljárás hatása... 59 5.3.5. Különbség a plazma és gáz közegű nitridálások esetén... 60 5.4. Az eredmények alapján levonható következtetések, a kutatás lehetséges további iránya... 61 6. Összefoglalás... 62 7. Köszönetnyilvánítás... 64 8. Irodalomjegyzék... 65 3
1. BEVEZETÉS Igen sok gépalkatrész igénybevétele olyan követelményt támaszt az acéllal szemben, hogy felülete kemény, kopásálló legyen és ugyanakkor dinamikus igénybevételnek is ellenálljon. Ennek a követelménynek az alkatrészek sok esetben úgy tudnak megfelelni, hogy a szívós magú acél felületén kemény, kopásálló réteget hoznak létre. Ilyen kemény felületi réteg felülettechnológiák alkalmazásával, azon belül többféleképpen állítható elő. A felülettechnológiák egyik nagy csoportját képezik a felületmódosító technológiák. Az alkalmazott korszerű felületmódosítási eljárások során különfélekeménység- és kopásállóság-növelő, elektronikai célú, optikai, korrózióálló, hőszigetelő, dekoratív, stb. bevonatok, vagy felületi rétegek hatékony kialakítása a cél. A felületmódosító technológiákon belül a felület kémiai összetételét megváltoztató felületötvöző technológiák között nagy jelentőséggel bír a nitrogén felületbe való juttatásával járó nitridálás. Dolgozatom témájául azért a nitridálást választottam, mert e technológia alkalmazásával az alkatrészek felületi tulajdonságai, és így élettartama gazdaságosan és hatékonyan növelhető, ami a mai gazdasági helyzetben kulcsfontosságú az ipari felhasználók számára. Dolgozatom célja szakirodalmi kutatásaim alapján ismertetni a nitridálás elméleti hátterét, majd az elvégzett kísérletek és mérések alapján összehasonlítani a hagyományosabbnak mondható gáz és a modernebb plazma közegű (karbo)nitridálást. 4
2. A NITRIDÁLÁS FÉMTANI ALAPJAI 2.1. A termokémiai hőkezelésekről általában 2.1.1. A hőkezelés fogalma és osztályozása A mérnöki gyakorlatban a hőkezelés vas- és fémötvözetek előírt anyagtulajdonságait biztosító technológia, amit hevítésből, hőntartásból és hűtésből álló egy vagy többhőciklussal érnek el. Ehhez egyes eljárásoknál a cél elérésének érdekében egyéb, kémiai, mechanikai és fizikai hatások is társulnak. A tulajdonságváltoztatás alapja a célnak megfelelő szövetszerkezet létrehozása. A hőkezelő eljárások számos szempont alapján osztályozhatók. Az egyik lehetségescsoportosítási szempont a hőkezelt anyagminőség szerinti, ahol megkülönböztetünk vasfémeket illetve nem vasfémeket. A hőkezelés célja alapján izzításokat, keménységet és szilárdságot fokozó, valamint a szívósságot növelő hőkezelő eljárásokat különböztetünk meg. A dolgozatom szempontjából azonban sokkal fontosabb a kiterjedés (vagy térfogat) szerinti osztályozás. Kiterjedés szerint van teljes térfogatra ható és felületi hőkezelés.egy másik csoportosítási szempont a hatásmechanizmus szerinti. Ekkor megkülönböztetünk termokémiai, termomechanikai illetve termikus hőkezeléseket [1]. A nitridálás a fenti csoportosítási rendszerben a felületi és termokémiai hőkezelések közé sorolható be. Ezért a következő fejezetben a termokémiai hőkezelések rövid bemutatása következik. 2.1.2. Termokémiai felületkezelési eljárások A felületi réteg vegyi összetételének tudatos változtatásával, és ily módon egy kemény felületi réteg létrehozásával a munkadarab (a teljes térfogatitól eltérő) felületi igénybevétellelszembeni ellenállása javítható. A felületötvöző hőkezelés során a munkadarabot olyan szilárd, folyékony vagy gáznemű közegbe helyezik el, amely nagy koncentrációban tartalmazza a szükséges ötvöző elemet. A munkadarab felülete és belsőbb rétege közötti nagy ötvözőtartalom-különbségmiatt a felületen adszorbeálódott ötvözőelem bediffundál a munkadarabba. A hőmérséklet emelkedésével a diffúzió feltételei javulnak, de a hőmérséklet növelésének a technológiai 5
sajátosságokon túl határt szab a felület oxidációja, valamint a szemcseméretének eldurvulásának bekövetkezése is. A felületi réteg keménységének helyi ötvözéssel történő növelésére szolgál a karbon diffúziójával végzett cementálás, a nitrogénötvözést eredményező nitridálás, valamint a bórt a felületi rétegbe juttató boridálás. A cementálás a legszélesebb körben alkalmazott felületötvöző hőkezelés. Az eljárás során a kis karbontartalmú acél felületi rétegébe karbon diffundál. Ezt követően a cementált darabot edzik. A cementálást és az ezt követő edzést együttesen alkalmazó hőkezelő technológia a betétedzés. Nitridáláskor az acél vékony felületi rétegébe nitrogén, karbonitridáláskor ezzel egyidejűleg karbon is diffundál. A nitrogén a vassal és/vagy az acél egyes ötvözőivel nitrideket alkot. A nitrideket tartalmazó kéreg kemény, az acél ötvözőinek függvényében HV 250-1000 keménységű. A nagy keménységnek köszönhetően a felület kopásálló, a maradó nyomó feszültségnek köszönhetően kifáradással szembeni ellenállása jó, sőt a nitridált kéreg a korróziónak és a magas hőmérsékletnek is jobban ellenáll [2]. Boridálás során bórt leadó szilárd, folyékony vagy gáznemű közegből a bór az acél kérgébe diffundál. A boridálás hőmérséklete korlátozva van, alulról a bórleadó közeg bomlási hőmérséklete, felülről az acél szemcsedurvulási hőmérséklete által[3]. 2.2. A nitridálás metallográfiai alapjai 2.2.1. A nitridálás alapjai A nitridálás olyan hőkezelési eljárás, amely változást idéz elő a felület kémiai összetételében, mikroszerkezetében és torzulást okoz az alkatrészben (a nitridálás esetében a cementálással összehasonlítva ez a torzulás minimális). A nitrogén atomok az acélokban vagy a szilárdoldatban oldódva, vagy fémes vegyület formájában vannak jelen. A nitogénvassal való kölcsönhatát alapvetően befolyásolja a vashoz viszonyított atomátmérője, és oldhatóságának mértéke a vasban. A nitridálás a nitrogén növelt hőmérsékleten való vas iránti nagy affinitásán alapszik. A legfontosabb okok a nitridálás alkalmazására: Nagy felületi keménység A kopásállóság növelése 6
A fáradási élettartam és a korróziós ellenállás növelése Akialakult réteg magasabb hőmérsékleten való stabilitása. Megfelelő hőmérsékleten minden acél nitridálható, azonban az elérhető eredmény nem minden esetben felel meg a felhasználói elvárásoknak. A legjobb eredmények akkor érhetőek el, ha az alapanyag egy vagy több nitridképző ötvözőt tartalmaz. Az alumínium az egyik leghatásosabb nitridképző ötvöző. További használatos ötvözők még a titán, króm, vanádium, volfrám és molibdén. A kifejezetten nitridált acélok [4]: Korrózióálló acélok (ferrites, martenzites, ausztenites, kiválásosan keményedő, nitronic) Szerszámacélok (gyorsacélok, légedzésűek) Gyengén ötvözött alumínium vagy krómtartalmú acélok Közepesen ötvözött alumínium vagy krómtartalmú acélok A nitridálás során a ferrites állapotban lévő alkatrész felületébe nitrogén diffundál, ami kemény és kopásálló kérget eredményez. A cementálással ellentétben, a nitrogén diffúziója az alkatrész felületébe 315 és 550 C között történik, ami az ausztenitképződés hőmérsékleténél (A C1 ) kisebb, így az alapanyag mikroszerkezete ferrites állapotú marad. Mivel nincs ausztenitesítés és utólagos edzés, a nitridálás minimális torzulással jár, a méretek nagyon jól kontrollálhatóak. A nitridálás technológiaváltozatai: gáz közegű, folyékony közegű és plazmanitridálás [5]. 2.2.2. A nitridált kéreg szerkezete A nitridált réteg szerkezetének megismeréséhez szükség van a vas-nitrogén kétalkotós állapotábra ismeretére, amelymegmutatja a technológiai tisztaságú vason kialakuló nitrogén tartalmú fázisok koncentráció határértékeit és hőmérsékleti tartományait (1. ábra). 7
1. ábra: Vas-nitrogén kétalkotós metastabilis állapotábra [9] A vas-nitrogén állapotábrában előforduló fázisok a következőek: α-fázis(nitroferrit): térközepes kockarácsú szilárd oldat, melyben a N atomok az -vas oktaéderes hézagait foglalják el. Az α-vas nitrogénoldóképessége az eutektoidos hőmérsékleten (590 C-on) a legnagyobb (0,115%), s a környezeti hőmérsékletre való hűtés során 0,004%-ra csökken. A nitroferrit ferromágneses. -fázis (nitroausztenit): lapközepes kockarácsú szilárd oldat, amelyben a N atomok a -vas oktaéderes hézagait foglalják el. A -vas maximális N-oldó képessége 2,8% (650 C-on). Lassú hűtéskor a nitroausztenit 590 C-on eutektoidosan bomlik + fázisokra (braunitra). Gyors hűtéskor a nitroausztenit nitromartenzitté alakul. A nitromartenzit (α -fázis) nitrogénnel túltelített -vas, amelynek tetragonális térközepes rácsa van. A nitromartenzit megeresztésállóbb, mint a C-tartalmú martenzit. Megeresztés során a nitromartenzitből először Fe 16 N 2 metastabil nitrid (α -fázis), majd Fe 4 N ( - fázis) nitrid válik ki. -fázis, amely Fe 4 N összetételű rendezett rácsú szilárd oldat, 590 C-on, 5,3-5,75% nitrogén tartalom között homogén. A -fázis rácsa olyan felületen középpontos vas rács, amelynek térközepén N atom van. A -fázis ferromágneses. A -fázis csak 670 C-nál kisebb hőmérsékleten stabilis, nagyobb hőmérsékleten ε-fázissá alakul. 8
ε-fázis Fe 2-3 N összetételű rendezett rácsú szilárdoldat, amelynek nitrogén tartalma széles határok között (4,55-11%) között változhat. Kristályszerkezete a legsűrűbb térkitöltésű hexagonális rács. A nitrogén atomok a grafit típusú rács oktaéderes hézagaiban helyezkednek el. 650 C-on az ε-fázis eutektoidosan + fázisokra bomlik. Az ε-fázis ferromágneses. fázis rombos kristályszerkezetű Fe 2 N. A -fázis szűk (11,07-11,18%) nitrogén koncentráció közben, s csak kb. 500 C-nál kisebb hőmérséklet tartományban stabilis[6]. A nitridálással kialakított igen bonyolult szerkezetű kéreg optikai mikroszkópon is jól megkülönböztethető két részbőláll. A mikroszkópos csiszolaton jól elkülöníthető, Nital-ban maratva fehérnek látszó réteg az úgynevezett vegyületi zóna - angol nyelvű szakirodalomban "whitelayer", - míg alatta az úgynevezett diffúziós zóna.ez a gyakorlatban már elterjedt elnevezés alapvetően nem helyes, mert már a vegyületi réteg is diffúzió hatására jött létre [7] [8]. 2. ábra: Tiszta vas nitridált felületi rétege [9] A vegyületi zónát a keménység és a kopásállóság jellemzi. A vegyületi zóna összetétele nagymértékben függ az acél összetételétől, ami ugyancsak függ a karbontartalomtól.a vegyületi zóna vastagsága az idő, a hőmérséklet, és az alapanyag valamint a gáz összetételének függvénye. Közelítően a vastagsága 10%-a a teljes nitridálási mélységnek [5][10]. A karbontartalom nagy hatással van az nitrid fázisra és elősegíti annak képződését. Felületi rétegként nem minden esetben kívánatos. Nagy a hajlama a porozitásra a fázisok között, és emellett jelentős különbség van a termikus hőtágulási tényezőjük között, ami maradó feszültségekhez vezethet, amely 9
pedig mikrorepedésekhez. Ezért a kezelt alkatrészek használat közben berepedezhetnek. A vegyületi réteg főleg γ fázis által létrehozott felületből áll. Jó kopási tulajdonságokkal rendelkezik, de nincs ütési ellenállása. Másfelől azonban, az ε fázis jelen van a vegyületi zónában, s így növeli annak ütésállóságát. Keménységét általában a nitridált alkatrész felületén különböző terheléssel mért Vickers keménységgel jellemzik. Tekintve, hogy a vegyületi zóna általában igen vékony (0,010-0,025mm) és összetett szerkezetű, a felületi keménység értékek meghatározó módon függnek a keménységmérésnél alkalmazott terhelőerőtől. A diffúziós (vagy belső nitridálási) zóna [4] szilárd oldatból és az alapfém, valamint az ötvöző elemek nitridjeiből áll. Ezért tulajdonságait a mátrix tulajdonságai és a nitridek mérete, mennyisége, minősége, alakja, eloszlása határozza meg. Ennek megfelelően több lehetőség van a belső nitridálási zóna tulajdonságainak változtatására. A belső nitridálási zóna keménysége a nitridálás technológiai paramétereitől, s az acél ötvözőelem tartalmától függően széles határok között változhat. Kisebb hőmérsékleten végzett nitridálással nagyobb keménységű belső nitridálási zóna állítható elő [6]. 2.2.3. A nitridált kéreg kialakulása Az A c1 hőmérséklet alá hevített lágyított, ill. normalizált állapotú acél szövetszerkezete ferrit+perlit, a nemesített állapotúé pedig szferoidit. Tehát a nitridálandó acél -vas szilárdoldat és karbid fázisokból áll. A felületen adszorbeálódott nitrogént alapvetően az -vas fázis oldja. Ezért a kéreg kialakulásának mechanizmusát a Fe-N állapotábra alapján értelmezhetjük. Kezdetbena végtelenül kicsi felületi rétegben kialakul egy nitrogén tartalmú, de nitrogénre nézve telítetlen szilárd oldat. Az így kialakuló N koncentráció hatására megindul a nitrogén diffúziója a munkadarab belseje felé. A folyamatos nitrogén felvétel hatására egy bizonyos idő múlva az szilárd oldat koncentrációja eléri a telítettség határát (3. ábra), majd fázis túltelítetté válik a további nitrogénfelvétel következtében, ennek hatására a fázis kiválik. A fázis keletkezése csíraképződéssel kezdődik. A csírák a termodinamikai szempontból is kedvezőbb helyeken, szemcsehatárokon, mozaikblokk határon, diszlokációk mentén jelennek meg. Az első csírák leggyakrabban a felületig terjedő fázis határokon keletkeznek. A fázis 10
csírái csak a telített szilárd oldatban tudnak növekedni. Ha a felületi réteg túltelített, akkor a fázis itt összefüggő kérget alkot, amelynek vastagsága az időben növekszik. A fázisú kéreg kialakulása a koncentráció ugrásszerű változását eredményezi. A rétegben sem egyforma a koncentráció. A nitrogén diffúziója a koncentráció különbség hatására a felülettől az alkatrész belseje felé terjed. A fázisban végbemenő N diffúziónak köszönhetően a - fázishatáron az szilárd oldat telítettsége megmarad, ami biztosítja a fázis növekedését. t 1 < t 2 < t 3 Nitrogén koncentráció, tömeg % ' ' t 3 t t 2 1 6.1 tömeg % 0.115 tömeg % A nitrogén oldékonysági határa az '-nitridben A nitrogén oldékonysági határa az -vasban Az alapanyag nitrogéntartalma Távolság a felülettől 3. ábra: A nitridált réteg kialakulásának folyamata[1] Amint a felületi N-tartalom eléri a telítettségi határát, megjelennek az fázis csírái. Az fázis nitrogén tartalma széles határok között változhat. Az - fázishatáron is ugrásszerű koncentrációváltozás van. 500 C és A c1 közötti hőmérsékleten való nitridálásnál fázis nem keletkezik. A nitridálás hőmérsékletén (T< A c1 ) a felülettől befelé haladva - - N - fázisokból álló kéreg alakul ki. ( N nitrogén tartalmú ferrit). Mivel, az egyes fázisok nitrogénoldó képessége a hőmérséklet csökkenésével csökken, ezért hűtéskor kétfázisú területek is keletkeznek a kéregben. Ezért környezeti hőmérsékleten az A c1 -nél kisebb hőmérsékleten a nitridált vas kérge + - - N + - fázisokból áll [6]. 11
2.2.4. Az acél ötvözőinek hatása a nitridált rétegre Acélok, illetve ötvözött acélok nitridálásakor ugyanolyan fázisok keletkeznek az alkatrész felületi rétegében, mint a vas nitridálásakor. Az ötvözők megváltoztatják az egyes fázisok összetételét és képződésük hőmérséklettartományát, illetve különböző nitrideket képeznek. A különböző fázisok képződésének mechanizmusát alapvetően befolyásolja, hogy az acél ötvözőeleminek mozgékonysága (diffúziója) az A c1 alatti hőmérséklet tartományában nem túl nagy. Ötvözött acélok nitridálásakor gyakran kétrétegű, röntgenvizsgálattal jól megkülönböztethető, fázis keletkezik. A külső réteg összetétele (Fe,Me) 2 (CN) fázis összetételének felel meg, a kristályszerkezete hexagonális, az alatta lévő réteg (Fe,Me) 3 (NC) fázisnak megfelelő összetételű, hexagonális rácsú. Ennek a kéregnek a kialakulása viszonylag sok betöltetlen nitrogénhelyű (Fe,Me) 3 (NC) fázis képződésével kezdődik. További nitrogén felvétellel ez a nitrogén hiány gyorsan megszűnik. A hexagonális rács nitrogéntartalmának növekedésével lehetővé válik egy energetikailag kedvezőbb nitrogén elhelyezkedés a rácsban. Ez a kedvezőbb energetikai állapot a (Fe,Me) 2 (CN) fázis kialakulásával valósul meg. Az fázis két rétege közötti határon a nitrogén koncentráció mintegy 2%-os változása figyelhető meg. A nagy nitrogéntartalmú metastabil fázisban a kötött nitrogén szabad állapotba való kiválásra törekszik, mert így csökkenhet az energetikai állapota. Ennek eredményeként a szemcsehatárok és diszlokációk mentén kezdetben atomos, majd molekuláris gáz halmazállapotú, nagy nyomás alatt lévő nitrogén válik ki. Ez a nagy nyomás mikrorepedéseket idézhet elő. Ezekbe a repedésekbe a nitridálás utáni levegőn való hűtéskor az oxigén bejuthat az fázis külső rétegébe, s ott Fe 2 O 3 pórusokat képez. A pórusok megjelenése csökkenti az fázis keménységét, kopásállóságát. Az fázis porozitása függ az acél kémiai összetételétől is. A C-tartalom csökkenti a nitrogén diffúzióját, ezért elősegíti a felületi kéreg N-tartalmának növekedését, így a pórusok képződését. Az acél ötvözői, amelyek csökkentik az fázis nitrogén tartalmát, csökkentik a pórusok képződését is. Az eltérő diffúzió miatt a nemesített állapotú szerkezeti acél kevésbé hajlamos a porozitásra, mint az ugyanolyan összetételű normalizált acél. 12
A felületi nitrid-zóna alatt elhelyezkedő diffúziós zóna nitroferritből, vasnitridből és az ötvöző elemek nitridjeiből áll. A nitridálás hőmérsékletén az fázis telítődése után megkezdődik a nitridek (CrN,Mo 2 N, stb.) képződése. A felületen középpontos kockarácsú nitridek koherensen kapcsolódnak az fázishoz. Nincs szükség felületi entalpiára a koherens határral képződő nitridcsírák képződéséhez, ezért a felületen középpontos kockarácsú nitridek képződése sokkal gyorsabb, mint más kristályszerkezetű nitrideké. Kis hőmérsékletű (T <500 C) nitridáláskor vékony ( egyrétegű ) lemez alakú nitridcsírák keletkeznek. Ezek teljesen koherensek az őket körülvevő fázissal. Nagyobb hőmérsékletű (T~550 C) nitridáláskor vastagabb (20-40Å) lemez alakú nitridek keletkeznek. Az ilyen nitridek keletkezése a koherencia részleges megszűnéséhez vezet. Tovább növelve a nitridálás hőmérsékletét (T> 550 C)még nagyobb (kb. 100 Å) méretű nitridek keletkeznek, s megszűnik a koherencia, elkezdődik a nitridek szferoidizációja. A nitridek növekedése az őket körülvevő szilárd oldatból való atomok diffúziója és a koaguláció (amikor is egyes nitridek más, termodinamikailag kevésbé stabilis nitridek oldásával növekednek) következménye. Minél nagyobb az acél nitridképző ötvözőelem tartalma és minél hosszabb a nitridálás ideje, annál több nitrid keletkezhet. Számottevően gyorsabb a nitridek csíraképződése és növekedése az Al tartalmú ferritben, mint a Mo tartalmú ferritben. Ez a különbség a két ötvöző elem eltérő diffúziós tényezőjével magyarázható, ugyanis a nitridálás hőmérsékletén az Al diffúziós tényezője nagyobb, mint a molibdéné. Az acél ötvözői egymás diffúzióját is befolyásolják, ezért például a krómmal, molibdénnel és alumíniummal ötvözött acélokban (CAlMo) a nitridek képződése lelassul, az alumínium fázisbeli diffúziós tényezője csökkenésének következtében. 1. táblázat: Nitridek fajlagos térfogat-növekedése [6]: Nitrid ΔE v [%] CrN 48-54 Cr 2 N 22 VN 26-28 A1N 24-25 Si 3 N 4 20-28 TiN 8-22 ε-fe 2-3 N 18-38 γ -Fe 4 N 15-28 13
A nitridképződés során a térfogat növekedni kezd (1. táblázat). Ez a térfogatnövekedés a mátrixban (az fázisban) nagy rugalmas deformációt vált ki. Az fázis rugalmas deformációja, s a belőle kivált diszperz nitridek (különösen a króm és molibdén nitridek) gátolják a diszlokációk mozgását (a képlékeny alakváltozó képességet), s ezáltal növelik szilárdságát (keménységét). Az fázis rugalmas deformációja akkor a legnagyobb, amikor a nitridek koherens határral kapcsolódnak a mátrixhoz. Ezért a legnagyobb keménység olyan nitridálási hőmérsékleten érhető el, amelyen egyrétegű, teljesen koherens határú nitridek keletkeznek. Olyan hőmérsékleten ahol nagyobb méretű nitridek keletkeznek, kezd megszűnni a koherencia, így kisebb lesz a keménység. Ilyen szerkezetekben a diszlokációk mozgását meghatározó módon már a kivált nitridek akadályozzák, s ezért a képződött nitridek méreteinek, s a köztük lévő távolságnak van jelentősége. A nitridálás hőmérsékletén kialakult kéregszerkezet a hűtés során tovább formálódik, túltelítetté válik a szilárdoldat fázis, ami a diszperziós keményedéshez hasonló folyamatban fázis és az ötvöző elemek nitridjeinek kiválását eredményezi. A nitridált alkatrész tulajdonságait az alapanyag tulajdonságai mellett a nitridált kéreg szerkezete, összetétele és vastagsága határozza meg. Ugyanolyan vastagságú és felépítésű nitridált kéreg esetén ugyanolyan tulajdonságok várhatók, függetlenül attól, hogy milyen eljárással (sófürdőben, gáznitridálással, ionnitridálással, stb.) állították elő a kérget [6]. 14
3. NITRIDÁLÓ ELJÁRÁSOK Mint már azt korábban említésre került, a nitridálásnak több technológiaváltozata van: gáz közegű, folyékony közegű és plazmanitridálás. Ebben e fejezetben ezek bemutatása következik [11] [12]. 3.1. Gáznitridálás A klasszikus, ammóniában végzett gáznitridálás az 1920-as évektől terjedt el az iparban. A hagyományos gáznitridálás elvi elrendezését mutatja a 4. ábra. Rotaméter Reduktor Ventillátor NH 3 Fáklya Földgáz Fedél Retorta Ammónia palack Villamos fűtésű kemence Munkadarab 4. ábra:gáznitridáló berendezés[1] Gáznitridáláskor nitrogént leadó közegként általában részlegesen disszociált ammóniát használnak. A max. 3 MPa nyomáson palackban folyékony állapotban tárolt kb. 0,2% nedvességtartalmú ammóniát megfelelő nyomásra redukálva, tisztítva és szárítva közvetlenül a hermetikusan zárható nitridáló térbe vezetik. Fontos, hogy az oxigént eltávolítsák, mert az a kezelt alkatrészek oxidációját okozná. A forró alkatrészekkel való érintkezéskor, ez a gáz termodinamikailag instabil állapotba kerül és disszociál az (1) egyenlet szerint 2NH3 N 2+3H2 (1) A nitrogén atom szerkezete és bomlási mechanizmusa lehetőséget biztosít arra, hogy kötést létesítsen a vassal és más, az alapanyagban lévő elemekkel. Így a nitrogén az acélba diffundál.a nitridálási folyamatot nem lehet a reakciótér egyszeri feltöltésével elvégezni, mert az ammónia bomlásából 15
származó nitrogén rövid rekombinációs idő (1-1,5s) alatt molekuláris állapotú lesz. Ezért a nitridálás során a szükséges aktív nitrogén biztosítása érdekében állandó gázáramoltatást kell fenntartani a nitridálandó darab felületén. Ha a reakciótérből távozó, vízben oldódó ammónia térfogatszázalékát V NH3 -al, a hidrogén, ill. a nitrogéngáz térfogatszázalékát V akkor: H 2, ill. V N 2 -vel jelöljük, H 2 2 α = 100, % mért V +V N V +V +V NH H N 3 2 2 (2) vagy 1 V,% (3) mért NH 3 Ahol mért a mért vagy üzemi disszociációs fok, melyet Krupp féledisszociométerrel mérnek (5. ábra). 5. ábra: Krupp féle disszociométer [9] Az 5. ábra egy disszociométert mutat, mely egy skálázott üveghenger.a tartályt a kemencéből eltávozott gázkeverékkel töltik fel. Azon az elven működik, hogy az ammónia oldódik a vízben, míg a nitrogén és a hidrogén 16
nem. A vízoszlop tetejéhez tartozó százalékos érték mutatja a disszociációs fokot [9]. A valóságos disszociációs fok ( v ) ennél kisebb, s az ammónia bomlásakor jelentkező térfogatváltozás figyelembevételével a(4) vagy (5) egyenlet segítségével számítható. NH 3 α = 100, % v 100-V 100+V NH 3 (4) vagy α mért α v = 100, % 200-αmért (5) A valóságos disszociációs fok ismeretében a nitridáló atmoszféra gázalkotóinak parciális nyomása a következő összefüggésekkel határozható meg: 1-α v P NH = P 3 kem 1+αv (6) 0,5-α v P H = P 2 kem 1+αv (7) 0,5-α v P N = P 2 kem 1+αv (8) ahol Pkem a reakciótér (kemence) nyomása. A kemencetérben az ammónia és hidrogén parciális nyomásának ismeretében meghatározható a kemencetér nitridálási jellemzője, A nitridálási szám: P NH N 3/2 H 3 k =Z= (9) P 2 Az ammónia disszociációs foka a reakciótér hőmérsékletétől, nyomásától, fémfelületétől, az ammónia áramlási sebességétől függ. A reakciótér hőmérsékletének növekedésével (A 1 alatti nitridáláskor), állandó reakciótér 17
nyomás és fémfelület, valamint állandó NH 3 áramlási sebesség mellett az ammónia disszociációs foka nő. A gáznitridálást általában gyenge túlnyomás (~500Pa) mellett végzik, amelyet megfelelő folyadék- (általában víz) zárral biztosítanak. A vízzár a gázcsőhálózatba beépített olyan edény, amely vízzel vagy más folyadékkal való feltöltés esetén, elzárja a csővezetékben áramló gáz útját. A benne lévő víz hidrosztatikai nyomásával megszabja a tartályban vagy csővezetékben uralkodó maximális nyomás nagyságát. A kisnyomású megoldáskor két cső akadályozza meg a lángvisszacsapástól, illetve az oxigén visszaáramlástól, míg a nagynyomású vízzár esetében egy biztonsági visszacsapószelep gátolja meg a rendellenes áramlást. A reakciótér változtatására ilyen esetben két alapvető lehetőség van: állandó magasságú folyadékzár mellett változtatják a reakciótérbe áramló ammónia sebességét állandó ammónia áramlási sebesség mellett változtatják a folyadékzár magasságát. Ha az ammónia sebességének növekedésével nő a reakciótér nyomása, akkor a reakciótérben nő az ammónia részaránya, s ez értelmezés szerint a disszociációs fok csökkenését, s a nitridálási potenciál növekedését eredményezi. Ha állandó ammónia áramlási sebesség mellett a folyadékzár folyadék magasságának növelésével növeljük a reakciótér nyomását, akkor a reakciótérben a bomlástermékek részaránya nő, tehát az értelmezésnek megfelelően a disszociációs fok növekedését a nitridálási potenciál csökkenését eredményezi. Állandó reakciótér hőmérséklet, nyomás és fémfelület esetén, az ammónia áramlási sebességének növelésével a disszociációs fok hiperbolikusan csökken. Ez azt jelenti, hogy minden hőmérséklethez, nyomáshoz és reakciótér fémfelülethez tartozik olyan ammóniaáramlási sebesség, amit tovább növelve a disszociációs fok gyakorlatilag nem változik [6]. A reakciótér fémfelülete a nitridálandó alkatrészek, szerszámok valamint a kemence megfelelő tartozékainak felületéből tevődik össze. 18
A kemence tartozékok katalitikus hatása a használat során változik, hisz azok az ismétlődő nitridálások alatt szintén nitridálódnak. Ezért a berendezésre jellemző állandó érték csak megfelelő üzemeltetés után alakul ki. Ammóniában történő nitridáláskor alkalmazható egylépcsős, valamint kétlépcsős eljárás is. Az egylépcsős eljárás egy rideg nitrogénben gazdag réteget, egy fehér réteget eredményez a nitridált alkatrész felületén. 3.1.1. Kétlépcsős gáznitridálás A kétlépcsős nitridálást más néven Floe eljárásnak nevezzük, mivel Dr. Carl F. Floe fejlesztette ki. A legfontosabb célja az alkatrész felületén lévő fehér réteg mélységének csökkentése. Az első lépcső kis nitridálási potenciálú atmoszférában 500-520 C-on, a második lépcső nagy nitridálási potenciálú atmoszférában, általában karbontartalmú gáz bevezetésénél 540-580 C-on történik. Az óránként elfogyasztott ammónia mennyiségének csökkenését leszámítva, a kétlépcsős eljárás alkalmazásának nincs előnye, kivéve, ha az egylépcsős eljárás során képződött fehér réteg nem megengedhető a befejezett alkatrészen. Az 6. ábrán látható a 2 lépcsős Floe eljárás hőmérséklet-idő diagramját. 6. ábra: Floe eljárás T-t diagramja [7] Összefoglalva a második fázis alatt használt nagyobb hőmérséklet következményei [6]: Alacsonyabb rétegkeménység Nagyobb rétegmélység (a magkeménység csökkenése attól függ, milyen effektív rétegmélység van definiálva). 19
Alacsonyabb lehet a magkeménység attól függően, hogy mekkora volt a megelőző megeresztés hőmérséklete és a nitridálás teljes időtartama 3.2. Sófürdős nitridálás A nitridálás folyékony közegű technológiaváltozata a sófürdős nitridálás. Nitrogént leadó közegként különböző nitrogént tartalmazó sófürdőket alkalmaznak.a sófürdős nitridálás legfontosabb előnyei: gyors hevítési sebesség, rövid technológiai idő, szelektív hőkezelés és hűtés megvalósítása. Az eljárás alapvetően egy kémiai diffúziós művelet. A sófürdők cianidokat (Na és K) és cianátokat (pl.: NaCN, Na 2 CO 3, K 2 CO 3 ) is tartalmaznak. A sófürdős cementáláshoz hasonlóan, a kezelendő alkatrészek utólag forgácsolhatóak és finiselhetőek, mivel a méretstabilitásukat megőrzik az alkalmazott alacsony hőmérsékleten. Az eljárás nitrogén forrása a cianid és a cianát bomlásából származik, a folyamatot öregedésnek nevezik. A fürdőt 590 C körüli hőmérsékleten tartják legalább 12 óráig. Az egyik leggazdaságosabb módja ennek, ha klórt adnak a cianidhoz: NaCN+Cl2 CNCl+NaCl (10) Ez a termék tovább reagál a nátrium hidroxiddal nátriumcianátot képezve: CNCl+2NaOH NaCNO+2H O+NaCl (11) 2 A NaCNO további oxidációja széndioxidot és nitrogént eredményez: 2NaCNO+4NaOH+3Cl 2CO +6NaCl+N +2H O (12) 2 2 2 2 A rétegmélység az időtől, a hőmérséklettől és az acél kémiai összetételétől függ. Általában a mélységskála 2,5 μm-től 0,75 mm-ig terjed olyan keménységgel, mint más eljárásokkal és nem jön létre fehér réteg ezzel az eljárással [5]. Korrózió és hőálló acélok sófürdős nitridálásánál nincs szükség a felület előzetes depassziválására. Röviden összefoglalva a sófürdős nitridálás előnyei [9]: 20
Jó hatásfokú energia-kihasználás Gyors (kb. tizedrésze a kezelési idő a gáznitridáláshoz képest) Homogénebb réteg, nagyobb keménység Rugalmas adaptálható eljárás A kétségtelen előnyei mellett a legfontosabb hátrányai [9]: a sófürdő nagyon mérgező (az újabban használatos sók felhasználás előtt nem tartalmaznak ugyan mérgező cianidot, de a nitridálás során ezekből is mérgező vegyületek keletkeznek) a nitridált alkatrészek a felületükön sok sót kihordanak a fürdőből, amit friss sóval kell pótolni a nitridált darabról eltávolítandó só-maradványok erősen szennyezik a környezetet a fürdő cianid-cianát koncentrációját viszonylag szűk határok között kell tartani a megfelelő kéreg eléréséhez. 3.3. Plazmanitridálás Az ionnitridálást az 1950-es években vezették be, mint a hagyományos gáznitridálás alternatíváját. A plazmakisülés megjelenésével a felülettechnológiákban a környezetre ártalmatlan technológia vált elérhetővé. Plazmanitridálást 350-600 C hőmérséklet tartományban végeznek. A mikroprocesszorok megjelenésével fejlettebbé vált a folyamat ellenőrzése, ami lehetővé tette a mérnököknek, hogy a nitridált kéreg mikroszerkezetét úgy módosítsák, hogy a kívánt tulajdonságokat érjék el. Egy tipikus plazma nitridáló rendszer egy vákuumkamrából, energiaforrásból, szabályozó/vezérlő rendszerből, vákuumrendszerből, támogató munkakészülékekből, fűtő és hűtőrendszerből áll.(7. ábra) 21
7. ábra: Plazmanitridáló berendezés [5] A plazmát nagyfeszültségű elektromos energia használatával vákuumban képzik, amin keresztül felgyorsulnak a nitrogén atomok. A plazmanitridálás végezhető egyenáramú és pulzált plazmában egyaránt.azoknál az eljárásoknál, ahol rétegeket képeznek vagy hordanak fel, az alapanyag minősége éppen úgy döntő, mint maga a hőkezelés.plazmában valamennyi ötvözetlen vagy ötvözött acél, öntvény és szinterelt anyag nitridálható a többi eljárással ellentétben [13]. Első lépésként a kamrába Argon gázt vezetnek. A munkadarabot negatív túlfeszültségre kapcsolják (500-1000V), míg a kamraa pozitív túlfeszültség alá kerül, így egy erős elektromos mezőt hoznak létre a kemencében. Az argon atomok, amikor elektronokkal ütköznek, ionizálódnak. Így a pozitívan öltött argon részecskék felgyorsulnak és a munkadarab felületét bombázzák. Ezt a fázist porlasztásnak hívják, és a felület tisztítására szolgál, a tényleges felületkezelés előtt. A nitridálandó alkatrészeket megtisztítják a zsírtól, olajtól, szennyeződéstől vagy oxidoktól, melyek megakadályozhatják a nitrogén diffúzióját a plazma eljárás alatt. Emellett a nagysebességű ionok becsapódása felmelegíti a kezelésre kerülő fém felületét, ezáltall elősegíti a diffúziót az eljárás alatt. Végül nitrogéngázt vezetnek a kamrába. A nitrogén atomok ionizálódnak és a munkadarab felülete felé haladva felgyorsulnak. Az alkatrészek közelében, a pozitív töltésű nitrogén ionok szereznek egy elektront a katódról (munkadarab) és kötést létesítenek a fémionokkal, vasnitridet alkotva. Ahogy a nitrogén ionok visszatérnek atomos állapotba, egy fotont emittálnak, ami a 22
plazma eljárás karakterisztikus látható fénykisülését eredményezi. Továbbá a nitrogénatomok becsapódnak a munkadarabba és a mozgási energiájuk hővé alakul. Ez a hőmennyiség egyedül vagy segédhűtés alkalmazásával a nitridálási hőmérsékleten tartja a betétet. A nitridált réteg vastagságát befolyásolhatja a nyomás, a hőmérséklet, a gázkeverék összetétele, az egyenáramú feszültség és az áramlása [5]. A kemencében generált lila felhő természetes eredménye a plazma reakciónak (8. ábra). Plazma köpenynek hívják, és ez jelzi, hogy a nitridálás jól megy. Ha a réteg színe fehéresre változik, lokalizált hevítés van jelen, azaz túl sok áramot használnak a munkadarabon. Ha a szín rózsaszínes, túl sok a hidrogén. Ha kékes, túl sok a nitrogén. 8. ábra: Alkatrészek plazmanitridálás közben [13] Tehát a plazmanitridálás során csekély vetemedés mellett, nagy kopás, korrózió és a hő okozta kilágyulásnak jól ellent álló réteget hozhatunk létre. Az előnyös tulajdonságai közé tartozik az, hogy környezetbarát az eljárás, nincs szükség kenőanyagokra, korrózióálló anyagok is nitridálhatók, közvetlenül a gyártósorba is beépíthető valamint az is, hogy a rétegek az igénybevételnek megfelelően alakíthatók ki [13]. A plazmanitridálás nehézségei [14]: Érzékeny a darabok formájára Különböző formájú és tömegű alkatrészek egyidejű kezelése nehézségekbe ütközik Fenn áll az ívkisülések és az üregkatód-hatás megjelenésének veszélye 23
Az élhatás számos esetben okoz egyenetlen tulajdonságokat a darabokon, esetleg károsíthatja azokat A berendezés aktív terében nehéz egyenletes hőmérsékletet tartani, különösen nagy töltetek esetében A folyamat számítógépes modellezése és vezérlése a plazmanitridálás esetén még távolról sem megoldott 3..3.1. Aktív ernyős plazmanitridálás A nehézségek elkerülésére az egyik lehetséges megoldás az úgynevezett aktív ernyő alkalmazása. Ez az eljárás jelenleg a legmodernebbb felületkezelési technológiaváltozat. Azon az elven működik, hogy a kisülés nem közvetlenül a darabokon, hanem egy a darabok köré elhelyezett- ernyőn jön létre (9. ábra). 9. ábra:a) A hagyományos és az b) aktívernyős plazmanitridálás [20] Az egyenáramú nagyfeszültség közvetlenül az ernyőre kapcsolt, az asztal és a munkadarabok pedig elektromosan szigeteltek az ernyőtől és az anódot alkotó kemence falától. A darabok lebegő feszültségre, vagy egy relatíve alacsonyabbb feszültségre vannak kötve. Az ernyőő kettős szerepet játszik, egyrészt biztosítja az alkatrészekk nitridálásához szükséges hőt sugárzás által, másrészt az aktív részecskéket a kezelendő alkatrészek felületére. Mivel a plazma nem közvetlenül a kezelendő darabokon keletkezik, az egyenáramú nitridálás sok problémája így nem jelentkezik [15] [16]. Az így kialakult réteg vastagsága valamivel kisebb, mint a közvetlen kisülés alkalmazásával. Az aktív ernyős plazmanitr ridálásnál az élhatás nem jelentkezik, még magas katódos feszültség esetén sem. Az adagra kapcsolt feszültség elég nagy kell, hogy legyen ahhoz, hogy az adag felmelegedése ne 24
csak az ernyő sugárzása segítségével történjen. Az üzemi nyomás beállítására a kezelés kevésbé érzékeny, mint a klasszikus eljárásnál. Az aktív ernyő alkalmazásaa jelentős előnyökkel járhat bonyolult alakú, üregekkel és vájatokkal ellátott darabokon, ahol az üregkatód-hatás nehezen kerülhető el. Hasonlóan előnyös olyan adag kezelésénél, ahol különböző formájú és nagyságú alkatrészek együttesen képezik a betétet. A nitridálás elősegítésének céljából a darabokraa szükséges egy olyan feszültséget csatolni, amely biztosítja a hatékonyabb felmelegítést és,,rásegít a nitridálás folyamatára. Amennyibenn a darabok csak lebegő feszültségen vannak, a folyamat a gáznitridáláshoz hasonló módon zajlik le, de az aktív térben az ionkoncentráció magasabb. Ez esetben különösen ipari körülmények között a rétegképződés nem kielégítő [14]. 3.4. Karbonitridálás A szakdolgozat folyamán gáz, illetve plazma közegben végzett ferrites karbonitridálást használtunk a próbatestek hőkezelésé éhez. A gyakorlatban elterjedtebben végeznek karbonitridálást. A karbonitridálás olyan termokémiai felületi keménységnövelő hőkezelés, amely során karbont és nitrogént juttatnak a ferrites állapotú acél felületébe (míg nitrocementálásnál ausztenites állapotú az acél). A kezelés hőmérséklete körülbelül 450-590 C (A C1 alatti) [17]. A keletkezett t réteg két részből tevődik össze. Az egyik rész egy 10-20 μm vastagságú, nitrogént és karbont tartalmazó vegyületi réteg, a másik, amely alatta található egy 0,3-0,5 mm vastagságú nitrogénbenn dús diffúziós zóna. 10. ábra: Karbonitridálási lépések és a kapcsolt gáz fogyasztása [20] A vegyületi kéregképződés γ csírával kezdődik, aztán ε képződik a γ -n. 25
Az ε karbonitrid vegyületi rétegnek kitűnőő kopási és súrlódási tulajdonságai vannak és minimális méretváltozással állítható elő. A réteg hatékonyan kialakítható ferrites-perlites acélokon, ezáltal növelhető kopási és fáradási ellenállásuk [18]. A vegyületi zóna 300 C-ig még szárazfutás esetén is kopásálló. Tehát a vegyületi réteg nagyon jó kopásállóságot biztosít, de nagyon fontos és szükséges a diffúziós zóna is a jó fáradási tulajdonságokhoz. A diffúziós réteg nagy nitridtartalmú és a vegyületi kéreghez hasonlóan kopásálló, annak ellenére, hogy a keménysége viszont kisebb. A karbonitridálást leginkább szerszámac célok élettartamának a növelésére használják, valamint egyéb koptató hatásnak és ismételt igénybevételnek kitett alkatrészeknél. pl..: motor főtengelyek, szelepemelő himba, vezérmű tengelyek, fogaskerekek, kipufogó szelepek, bordástengelyek stb [18]. A következő ábrán néhány anyag karbonitridálás utána keménységdiagramját tekinthetjük meg. 11. ábra: Keménység a karbonitridáltacéloknál [20] A 11. ábra különböző acélok karbonitridálás utáni keménységét mutatja meg. Az ötvözők nagymértékben befolyásolják az acél keménységét és a nitridált rétegének a mélységét. 26
4. A NITRIDÁLT FELÜLET VIZSGÁLATA A nitridálás tehát arra szolgál, hogy kopásálló, kemény, korróziónak jól ellenálló réteget hozzunk létre diffúzióval az anyag felületén. A kezelés után a kialakított nitridált réteget meg kell vizsgálnunk, hogy valóban megfelelnek-e a követelményeknek. 4.1. Keménységvizsgálat Az egyik legegyszerűbb és leggyorsabban elvégezhető vizsgálat a nitridált kéreg minősítéséhez nem más, mint a keménységmérés. A keménység anyagi tulajdonság. Az anyag ellenállása egy szúrószerszám behatolásával szemben. A keménységmérés módja függ a vizsgált anyag milyenségétől és tulajdonságaitól is. Általánosan a leggyakrabban alkalmazott eljárások a Brinell-, a Vickers- és a Rockwell-féle keménységmérő módszerek. A keménységmérést nitridált kérgek esetében az alapanyag keménységéig szokás végezni. Néhány esetben a nitridálási mélységet egy adott határkeménységhez kötik [19]. A nemzetközi gyakorlatban két szabvány létezik a kéregmélység meghatározására. 0,3 mm alatti rétegek esetében SS 11 70 10 szabványt alkalmazzák (ezzel egyenértékű az ISO 4970:1979: Steel Determination of Total or Effective Thickness of thin Surface-Hardened Layers). A 0,3 mm-nél nagyobb mélységű kérgek vastagságának meghatározásáról rendelkezik az ISO 2639:2002 (Steel Determination and Verification of the Effective Depth of Carburized and Hardened Cases), valamint az ISO 3754:1976 (Steel Determination and Verification of the Effective Depth of Hardening After Flame or Induction Heating). A vizsgálat során a fényezett, négyzet alapú 136 -os gúla alakú gyémánt nyomótestet F terhelőerővel folyamatosan nyomunk a vizsgálandó anyagba, majd 10-15 másodperc után megszüntetjük a terhelést. A Vickers keménység mérés és a mikro-vickers keménység mérés között, nincs éles határ. Mikro-Vickers keménységről általában akkor beszélünk, ha a terhelőerő 10N-nál vagy 20N-nál kisebb. 27
Célszerű egy anyagnál legalább három lenyomatsávot készíteni és ezek átlagát venni, mert előfordulhat, hogy zárványokat vagy hibákat tartalmazhat a próbadarab. A vegyületi réteg keménységvizsgálatánál figyelnünk kell arra, hogy csupán néhány mikron vastagságú, emiatt kellően kis terhelőerőt kell alkalmaznunk. 12. ábra: Nitridált réteg keménysége különböző anyagoknál [20] A 12. ábrán látható, hogy a különböző anyagok 510 C-os 24 órás nitridálás után más keménységértékeket mutatnak. Az anyag minősége, ötvözöttsége nagyban befolyásolja a keménységet. 4.2. Kopásvizsgálat A kopásállóság a bevonat keménységétől, szívósságától, kristályszerkezetétől, vastagságától és a felületi simaságtól függ. A túlságosan kemény felületi réteg a sarkak letöréséhez vezethet [21]. A nitridált alkatrészek a valóságban legtöbbször csúszási súrlódásnak vannak kitéve, ezért a kísérletek során az ilyenkor fellépő folyamatokat próbálják modellezni. A kopásvizsgálatok során a leggyakrabban alkalmazottgeometriai viszonyokat mutatja be a13. ábra. 28
tű-tárcsa tű-síklap gyűrű-tárcsa tárcsa-tárcsa test-gyűrű 1. test-gyűrű 2. 4-golyó keresztező hengerek párhuzamos hengerek 13. ábra: Kopásvizsgálati elrendezések sematikus ábrái [22] A kopásvizsgálatokat szárazon illetve valamilyen kenőanyag használatával szokták végezni. Az állandó erővel terhelt koptató szerszám mindaddig dörzsöli a nitridált réteg felületét, amíg az alapfém szabaddá válik. A periodikus koptatómozgások H száma vagy a teljes lekoptatáshoz szükséges t idő, mint fajlagos összehasonlítási érték, felhasználható 1 μm vastag réteg hkopásállóságának jellemzésére (h=h/s ill. h=t/s ahol s a rétegvastagság, μm). Nitridált kéreg vizsgálatakor a kopást lehet mérni még az eltávolított anyagmennyiségből is. Ehhez mérni kell a próbatest tömegét a vizsgálat előtt és után, valamint a kopási nyom geometriai jellemzőit. Egy másik módszer, hogy a vizsgálat folyamán mérik a koptatótest helyzetét elektromos vagy mechanikus átalakítókkal, és ebből következtetnek a kopás mértékére.a vizsgálatokat szobahőmérsékletnél magasabb hőmérsékleten is célszerű elvégezni [23]. A vegyületi zóna rendelkezik a legkedvezőbb kopási tulajdonságokkal. Ennek kijelölése a mikroszkópi kép alapján egyszerű. Viszont a diffúziós zónánál érdemes foglalkozni azzal, hogy milyen rétegmélységnél romlik le a kopás. 29
4.3. GDOES vizsgálat Az 1980-as években alakult ki, mint egy jelentős és sokoldalú technika a felületi rétegek kémiai összetételének gyors, mélység irányú profiljának elemzésére [24]. A vizsgálatot azért alkalmazzák, mert segítségével megtudható,hogy a vegyületi és diffúziós réteg milyen fázisokból áll. A GDOES nem más, mint az angol Glow Discharge Optical Emission Spektrometry (vagy német nyelvterületen Glimmentladungspektrometrie ), vagyis a ködfénykisüléses optikai emissziós spektrometria [25] [26]. Az anyagot alkotó atomok porlasztódnak, gerjesztett állapotba kerülnek, ezáltal fényt bocsátanak ki, és a fényt hullámhossza és intenzitása szerint észleli. A vizsgálat a néhány nanométeres tartománytól a néhány tíz mikrométeres tartományig terjed. Ebből következik, hogy nem alkalmas az eljárás a teljesnitridált kéreg vizsgálatára, csak több lépésben. Ha több lépésből áll a vizsgálat, akkor az egyes mérések után a felületet lemunkáljuk. A vegyületi kéreg elemzésére egy lépésben is nagyon jól alkalmazható. Különböző módszerrel előállított felületi rétegek kémiai összetétele is elemezhetők ezzel a technikával, mint például a nitridált, karbonitridált, nitrocementált réteg, PVD TiN bevonat és az ion implantált felületek. A GDOES technika egy Grimm-tipusú fénykisülést alkalmaz ahol a szabályozott feszültség által katódporlasztást hajtanak végre, miközben a felület szabályozott nyomású argon gázzal érintkezik. A porlasztás felületi atomokat távolít el, amelyek az argon plazmába diffundálnak. A plazmakisülés következtében egyre több atom porlasztódik ki a felületről és helyükön egy úgynevezett kráter keletkezik. Minél tovább tart a kisülés, annál mélyebb a kráter és annál mélyebb rétegekből kerülnek atomok a világító plazmába. 30
14. ábra: A GDOES berendezés gerjesztőforrásának felépítése [24] Összehasonlítva más technikákkal a GDOES előnye a nagy porlasztási sebesség, a gyors vizsgálat, és az egyszerű használat. Ezért nem mondható egy laboratóriumi vizsgálatnak, inkább az iparban is alkalmazható eljárásnak. A GDOES legfontosabb előnyei más hasonló célra szolgáló technikákkal szemben: Majdnem minden elem kimutatható (O, N, H is). Használata gyors és egyszerű (nem szükséges nagy vákuum). Más módszerekhez képest relatíve olcsó beruházás és üzemeltetés Az iparban is alkalmazható minőségellenőrzésre. Néhány korlátja: Nincs laterális felbontás. Nem megfelelő mikrokémiai elemzésekhez. A porlasztott mélység direkt vizsgálata nem lehetséges. A porlasztás alatt nő a felületi érdesség, az érdességi kráter aljának alakja függ a beállítási paraméterektől és a darab szerkezetétől. A mintának vezetőnek vagy félvezetőnek kell lennie. Gyenge mélységfelbontása további fejlesztésre szorul. 31
15. ábra: Plazmanitridált mintadarab GDOES profilja [24] A 15. ábrán egy GDOES vizsgálat eredményét figyelhetjük meg. Látható, hogy milyen alkotókat tartalmaz az acél és azt milyen koncentrációban. A nitridálás hatására az acél felületén nagy a nitrogéntartalom és a mag felé haladva fokozatosan csökken. 4.4. Korrózióállóság vizsgálata A korrózió hatásának felderítése és vizsgálata nagy jelentőségű. Fontos tudnunk, hogy a kezelt alkatrész mennyire áll ellen a korróziónak, hogy a használat során ne következhessen be váratlan baleset. A korrózió különböző megjelenési formáinak köszönhetően ez nem könnyű feladat. Az első nehézséget mindjárt az okozza, hogy a korrózió természetes körülmények között hosszabb időt vesz igénybe, és így igen nehéz lenne az eredményt kivárni. A másik nehézség, hogy a kísérletnél igen sok tényezőt kellene figyelembe venni, ellenőrizni. A kísérletre befolyást gyakorló, de az adott vizsgálatnál számunkra nem lényeges tényezőket valamely állandó értéken tartjuk, mert így hatásukkal nem kell számolnunk. Ha nem így tennénk, akkor tekintettel kéne lennünk a hőmérsékletre, a levegő nedvességtartalmára, a levegő különböző szennyező gázainak mennyisége, a levegőben található szilárd anyag mennyiségére és minőségére, stb. A kérdést úgy oldották meg, hogy egy jellegzetes korróziós folyamatot valósítanak meg úgy,hogy a sebességét a többszörösére gyorsítják. A legfontosabb ilyen vizsgálat az úgynevezett sópermetkamrában történik. A vizsgálatnál pontosan beállított hőmérsékleten (~35 C) viszonylag tömény 32
konyhasóoldatot permetezünk a vizsgálandó minta felületére. A hőmérséklet a tropikus klímák átlagoshőmérsékletének felel meg, a sóoldat töménysége viszont ötszöröse a tengervíz sótartalmának. Ilyen körülmények között a korrózió folyamata oly mértékben meggyorsul, hogy néhány óra alatt olyan korróziós hatásokat idézhetünk elő, amelyek a gyakorlati életben csak hónapok alatt alakulnának ki [27]. Egy másik gyakori eljárás a hőmérséklet és a vízgőz hatásának vizsgálata. A kísérletre szolgáló kamrában különböző hőmérsékleten különböző nedvességtartalmú levegőt állítanak elő és figyelemmel kísérik ennek befolyását a munkadarabokra. Lényegében itt is a trópusi vidékeken előforduló viszonyokat próbálják megvalósítani. A gyorsított eljáráson kívül léteznek természetes körülmények közötti korrózió vizsgálatok. Ezeket kitéti korróziós vizsgálatoknak hívják. A kitéti vizsgálóállomások földrajzi elhelyezkedésük szerint hideg (F), mérsékelt (N), száraz-trópusi (TH), nedves-trópusi (TH) és tengeri (M) klímatényezőinek hatását vizsgálják. Tehát a korrózióvizsgálat célja, hogy meghatározzuk, hogy az adott anyag mennyire ellenálló a korrózióval szemben az adott körülmények között[28] [29] [30]. 33
5. AZ ELVÉGZETT KÍSÉRLETEK 5.1. A kísérletek leírása 5.1.1. Anyagválasztás A szakdolgozatom célja, hogy különböző nitridáló eljárásokat hasonlítsak össze egymással, azonos, illetve különböző anyagok esetén. A célom az volt, hogy egymástól eltérő anyagokat válasszak, hogy jól megfigyelhetőek legyenek a különbségek. Ennek érdekében egy gyengén ötvözött és egy ötvözetlen acélt tartottam megfelelőnek. A C45 és 16MnCr5 acélt választottam, mivel ezeket gyakran használják az iparban. A 16MnCr5 acél próbatestek átmérője 35 mm, míg a C45 acélé 60 mm. A két anyag vegyi összetételét az 2. táblázatban látható. 2. táblázat: A kísérletek során használt acélok szabványosösszetétele, tömeg% A táblázatban elő nem írt elemek olyan mértékű jelenléte megengedett, amely a mechanikai tulajdonságok megadott értékeit és a gyártmány felhasználhatóságát hátrányosan nem befolyásolja. 16MnCr5 A 16MnCr5 egy gyakran használt betétben edzhető, feltétel nélkül hegeszthető acél. Króm és mangán ötvözőket tartalmaz, amelyet általában közepes keresztmetszetű, erősen igénybevett, kopásálló alkatrészekhez használnak. Leginkább a jármű- és gépgyártásban alkalmazzák, pl. vezérműtengelyek, perselyek, dugattyúrudak, hajtókarok [31]. C45 A C45 egy viszonylag olcsó ötvözetlen acél.nemesíthető, így megfelelő szívósságúra hőkezelhető, majd nitridálással jó felületi tulajdonság érhető el.így akár olcsóbb lehet egy adott alkatrész gyártása, mintha vásároltunk volna egy felületi kezelés nélküli acélt, mely hasonló tulajdonságokkal 34