Különböző acélminőségek plazmanitridálása

MISKOLCI EGYETEM ANYAGSZERKEZETTANI ÉS ANYAGTECHNOLÓGIAI INTÉZET Különböző acélminőségek plazmanitridálása Plazmanitridálás hőmérsékletének hatása különböző acélminőségek esetében Kutatási részjelentés Kidolgozta: Kuzsella László 1 Frigyik Gábor 1 Kocsisné Baán Mária 1 Szilágyiné Biró Andrea 2 Kerekes Gábor 3 Kozsla Ádám 4 Horváth Miklós 4 Nagy Dóra 4 1 egyetemi docens, 2 egyetemi tanársegéd 3 mérnöktanár, 4 BSc hallgató Készült: a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 Járműipari anyagfejlesztések projekt keretében A projekt szakmai vezetője: Dr. Tisza Miklós egyetemi tanár, tanszékvezető Miskolc 2014

MISKOLCI EGYETEM ANYAGSZERKEZETTANI ÉS ANYAGTECHNOLÓGIAI INTÉZET Különböző acélminőségek plazmanitridálása Plazmanitridálás hőmérsékletének hatása két anyagminőség esetében Kutatási részjelentés Kidolgozta: Kuzsella László Frigyik Gábor Kocsiné Baán Mária Szilágyiné Biró Andrea Kerekes Gábor Kozsla Ádám Horváth Miklós Nagy Dóra egyetemi docens egyetemi docens egyetemi docens tanársegéd mérnöktanár BSc hallgató BSc hallgató BSc hallgató Készült: a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0029 Járműipari anyagfejlesztések projekt 2.1. K+F téma keretében K+F témavezető: Kuzsella László egyetemi docens Miskolc 2014 2

Tartalom Bevezetés - Célkitűzések... 5 1. A nitridálás technológiája a hőkezelési eljárások körében... 5 1.1. A hőkezelésről általában... 5 1.1.1. A hőkezelés definíciója és osztályozása... 5 1.1.2. Termokémia kezelések... 6 1.2. A nitridálás technológiája... 7 1.2.1. Nitridált kéreg szerkezete... 8 1.2.2. Nitridált kéreg kialakulásának mechanizmusa... 9 1.2.3. A nitridált kéreg jellemző tulajdonságai... 10 1.2.4. Az acél ötvözőinek hatása a nitridált rétegre... 11 2. Nitridáló eljárások... 15 2.1. Gáznitridálás... 15 2.2. Folyékony közegű (sófürdős) nitridálás... 16 2.3. Pornitridálás... 17 2.4. Plazma (ion) nitridálás... 17 3. Plazmanitridálási előkísérletek a Plasmaterm SA telephelyén... 20 3.1.1. Anyagválasztás... 20 3.1.2. Előzetes hőkezelés... 21 3.1.3. Nitridálási paraméterek... 21 3.1.4. Próbadarabok mikrokeménység értékei nitridálás után... 21 4. Intézetünk műhelycsarnokába telepített plazmanitridáló berendezéssel végzett kísérletek... 25 4.1. A vizsgált anyagminőségek... 25 4.1.1. A vizsgált melegalakító szerszámacél... 25 4.1.2. A vizsgált gyorsacél:... 26 4.2. Nitridálás előtti hőkezelés... 27 4.3. Kísérleti paraméterek... 30 4.4. A munkadarabok előkészítése... 31 4.5. Tapasztalatok, mérési eredmények... 32 4.5.1. 480 C on nitridálva... 32 4.5.2. 580 C-on nitridálva... 36 4.5.3. A két hőmérséklet összehasonlítása... 39 3

5. Hasonló körülmények között gáz és plazmanitridált próbatestek összehasonlítása... 40 5.1. A kísérletek leírása... 40 5.2. Eredmények... 41 5.2.1. Gáznitridálás... 42 5.2.2. Plazmanitridálás... 48 5.3. A kísérletek eredményeinek összefoglalása... 52 5.4. A gáz és plazmanitridálás összehasonlítása... 53 6. Köszönetnyilvánítás... 53 7. Irodalomjegyzék... 54 4

Bevezetés - Célkitűzések A mindennapi élet során az acélból készült gépalkatrészek és szerszámok működése során ható igénybevételek olyan követelményeket támasztanak az acéllal szemben,, hogy dinamikus igénybevétel elviselésére alkalmas legyen, miközben felülete kemény és kopásálló.. Ezeknek az igényeknek úgy lehet eleget tenni, ha a szerszámok, illetve alkatrészek felületi rétegében hőkezeléssel megváltoztatjuk az anyag kémiai összetételét és fémtani állapotát úgy, hogy a gépalkatrész belső magja szívós maradjon, felületén pedig kemény és kopásnak ellenálló réteg alakuljon ki. Ezen célok elérésére a legszélesebb körben alkalmazott módszerek a termokémiai kezelések. A hagyományosan alkalmazott termokémiai eljárások, mint például a betétedzés, gáznitridálás mellett egyre inkább teret hódít a világszerte egyre dinamikusabban terjedő plazmanitridálás, mely fokozottabb elterjedését mindenekelőtt az energia-megtakarítás és a környezetvédelem szempontjai indokolják, továbbá, hogy a felületi réteg kialakulása a technológiai paraméterek szabályozásával nagyon precízen befolyásolható, nemcsak a rétegmélység, hanem a réteg szerkezetének kialakítása, szabályozása vonatkozásában is. A 2. Hő-és Felületkezelés Tudományos Műhelyben a 2.1. Innováció és technológia transzfer a termokémiai felületmódosító eljárások területén c. K+F témán belül gáznitridálással, azon belül is az ún. Floe eljárással ill. plazmanitridálással foglalkoztunk az elmúlt időszakban. A vizsgálatok három téma körül csoportosultak. Plazmanitridálási előkísérleteket végeztünk Marosvásárhelyen a Plasmaterm SA telephelyén összesen négyféle anyagminőségen. Plaznmanitridálás technológiai paramétereinek vizsgálata érdekében több plazmanitridálási kísérletet végeztünk az Intézetünk műhelycsarnokába telepített plazmanitridáló berendezéssel. Célunk volt a technológia elsajátítása, biztonságos üzemeltetése, a gyakorlati problémák felfedése és megismerése. Közel azonos rétegvastagságot eredményező gáz és plazmanitridálási eljárásokat hasonlítottunk össze. A vizsgálatok során három szakdolgozat született a K+F munkájához kapcsolódva. 1. A nitridálás technológiája a hőkezelési eljárások körében 1.1. A hőkezelésről általában 1.1.1. A hőkezelés definíciója és osztályozása Hőkezelés alkalmazásánál a vas-és fémötvözetekből készült munkadarab fizikai és mechanikai tulajdonságait, élettartamát befolyásolhatjuk szándékos hőhatás és egyes eljárásoknál a cél eléréséhez használt egyéb, kémiai, mechanikai és fizikai hatások útján, döntően a szövetszerkezet módosítása révén. Minden hőkezelő eljárás a hőmérsékletváltozás menetét leíró hőmérséklet-idő (T-t) diagrammal jellemezhető, amely hőmérséklet-idő ciklus felhevítésből, hőntartásból és lehűtésből áll. Egyes eljárásokat egy vagy több ciklus alkotja. A hőkezelés csoportosítása többféle szempont szerint történhet. Kiterjedés szerint megkülönböztetünk teljes keresztmetszetre kiterjedő és felületi hőkezelést. Ha a szerkezetváltozás hő segítségével történik termikus, ha hőközlés közben a munkadarab képlékeny alakváltozást szenved termomechanikus, ha a hőközlés közben kémiai összetétel 5

változás történik termokémiai kezelésről beszélünk. Az alkalmazás célja szerinti csoportosítás esetén izzításokat, keménység illetve szilárdságnövelő és szívósságfokozó hőkezeléseket különböztethetünk meg. Ezen csoportosításon belül a nitridálás a felületi és termokémia kezelések alcsoportjába sorolható be. 1.1.2. Termokémia kezelések Az acél termokémiai kezelése során a munkadarab felületi rétegében megváltoztatjuk valamilyen fémes vagy nem fémes elemmel a kémiai összetételt. A kéreg mechanikai, hő-és vegyi hatásokkal szembeni ellenállása ebből kifolyólag javítható. A munkadarab felületi összetételét megváltoztató közeg halmazállapota lehet szilárd, folyékony vagy gáznemű. A kezelés során a közeg és a munkadarab felülete között nagy ötvözőtartalom különbség hatására a felületen adszorbeálódott ötvöző elemekből kialakul egy ötvöző elemekben dús fázis, majd megindul a diffúzió a mag irányába. Diffúzió során az ötvöző elemek koncentrációjának az eloszlását láthatjuk az 1. ábrán. A termokémiai kezeléseknél a folyamatot a diffúzió irányítja. A diffúzió feltételei javulnak a hőmérséklet növelésével, ugyanakkor, a folyamatot korlátozza a felület oxidációja, másrészt romlik a korábbi hőkezeléssel elért tulajdonság. A kialakuló rétegvastagság növekedését az alábbi Fick egyenlet alapján számíthatjuk ki. Kéregmélység = k (t) 1/2 (1) A képletben szereplő k tényező foglalja magába a hőmérséklet hatását és milyen elem milyen ötvözetben diffundál, a t időtényezőt órában számítjuk. 1. ábra. Termokémiai diffúziós kezelések során az A kémiai elem koncentrációjának eloszlása a mag irányába Termokémiai kezeléseket megkülönböztetjük aszerint, hogy milyen ötvöző elemmel dúsítjuk a kérget. A kéreg dúsítása történhet fémes elemekkel pl.: króm (kromálás), alumínium (alitálás), nem fémes elemekkel pl.: karbon (cementálás), nitrogén (nitridálás), bór (boridálás) és több elemmel pl.: nitrocementálás, karbonitridálás. Ezek közül széleskörű ipari 6

alkalmazást mutat az acélok felületkezelésére alkalmazott cementálás és nitridálás. A megnevezett termokémiai kezelések közül, nitridálással, cementálással és boridálással érhető el a kéreg szilárdságának, keménységének növelése. Az acél cementálása alatt az acél felületének karbonnal való telítését értjük. Betétedzés technológiájáról beszélünk, ha a darabot cementálás után eddzük. Így a betétedzés szemben a nitridálással, kétlépéses hőkezelési folyamat. Az eljárást az acél termokémiai kezelési módszere szerint a gépgyártástechnológiában legszélesebb körben alkalmazzák a nagy felületi keménység, kopásellenállóság és a nagy szilárdságú kéreggel rendelkező alkatrészek előállításánál. Nitridálás alatt az acél nitrogénnel való felületi telítésének a folyamatát értjük, ha ezzel egyidejűleg karbon is diffundál, akkor karbonitridálásról beszélünk. A nitrogén az acél egyes ötvözőivel kemény nitrid vegyületeket alkot. A létrejövő kérget a nitridek, karbidok és karbonitridek keménnyé teszik, ami akár az 1100 HV keménységi értéket is elérhetik. A felületi keménység javulásával a darab felületi kopásállósága, kifáradással szembeni ellenállása jelentősen növekszik. Ez a két folyamat, az acél cementálásával összehasonlítva, a termokémiai diffúziós kezelésének sokkal újabb módszere. A technológiát részletesebben a következő pontokban fogom bemutatni. 1.2. A nitridálás technológiája A termokémia kezelések között a nitridálás az egyik legfontosabb és nagyiparilag is széles körben alkalmazott technológia. A legfontosabb okok a nitridálás alkalmazására: A kopásállóság növelése; Nagy felületi keménység; A kialakult réteg magasabb hőmérsékleten való stabilitása; Fáradással szembeni ellenállás és a korrózió ellenállás növelése. A hőkezelés során nem megy végbe átalakulása, mivel a maximális hőmérséklet kisebb, mint az A c1 hőmérséklet. Ezért a kezelt alkatrésznél térfogatváltozásból eredő torzulásra csak minimálisan kell számítani. Nitridálás során az acélból készült ferrites állapotú munkadarab felületi rétegébe nitrogént juttatunk olyan mélységig, amelyet a nitrogén diffúziója és az ötvöző elemeknek (pl.:al,cr,mo) a reakciói határoznak meg. Nitridáláskor az acélban lévő kisebb karbontartalom is befolyásolja a nitrogén diffúziójának a sebességét. Ennek az oka az, hogy a karbon atomátmérője kb. 62%-a vas atomátmérőjének, ezért a vas rácsában a diffúziós keresztmetszetet lecsökkenti és így akadályozza a nitrogén atomok diffundálását. A karbontartalom növekedésével a nitrogén diffúziója tovább romlik. 12 órás kezelési időtartam esetén pl. 0,06% karbontartalmú acélon 0,7 mm vastag kéreg keletkezik. Ha az acél karbontartalma 0,54%, ugyanennyi idő alatt csak 0,4 mm-es kéreg, míg ha a karbontartalom 1,14% a kéregmélység csak 0,2 mm. Az acélban különböző szennyezők (pl.: foszfor és kén) is találhatók, amelyek csak jelentéktelen mértékben befolyásolják a nitrogén diffúzióját. A diffúziós folyamatok közben számos felületi és felszín alatti reakció játszódik le. Ide tartoznak az acél felülete és a nitridáló közeg közötti, olyan folyamatok, amely reakcióképes nitrogén atomokat hoz létre. Ezen aktív nitrogén atomoknak a diffúziója megindul a mag irányába, ahol a nitrogén az ötvözőelemekkel finom nitrid kiválásokat hoz létre, amely kemény és kopásálló kérget eredményez. Az acél a nitrogént mindig gáz fázisból veszi fel, attól 7

független, hogy milyen a nitrogént leadó közeg halmazállapota. A nitrogént a munkadarab felületi rétegébe különböző technológiai változatok segítségével tudjuk bejuttatni. Eszerint beszélhetünk gáznitridálásról, folyadék közegű, azaz sófürdős nitridálásról és plazmanitridálásról. 1.2.1. Nitridált kéreg szerkezete Nitridálás hatására a felületi rétegben megjelenő fázisok koncentráció határértékeit és ehhez tartozó hőmérséklet tartományait a 2. ábrán látható vas-nitrogén kétalkotós állapotábra mutatja. 2. ábra. Vas-nitrogén rendszer egyensúlyi fázisai Kis nitrogéntartalomnál α-fázis vagy úgynevezett nitroferrit keletkezik, amely a nitrogén térközepes kockarácsú szilárd oldata az α-vasban. A nitrogén atomok a rács oktaéderes hézagait foglalják el. Nitrogénoldó képessége (0,115%) legnagyobb 590 C-os hőmérsékleten. Szobahőmérsékletre hűtve az oldhatósága 0,004%-ra csökken. A fázis ferromágneses. A γ-fázis vagy úgynevezett nitroausztenit, lapközepes kockarácsú szilárd oldat, amelyben a nitrogén atomok a γ-vas oktaéderes hézagait foglalják el. A γ-vas maximális nitrogénoldó képessége 2,8% 650 C-on. Ha a γ-fázist lassan hűtjük, akkor perlitre emlékeztető eutektoid keletkezik, amely α+γ fázisokból áll amit braunitnak nevezünk. Gyors hűtéskor nitrogénben túltelített, tetragonális térközepes rácsú, nagy keménységű fázis keletkezik, amelyet nitromartenzitnek nevezünk. A γ -fázis Fe 4 N összetételű rendezett rácsú szilárd oldat, 590 C-on 5,3-5,75% nitrogén tartalom között homogén. A felületen középpontos rács sarokpontjain és lapközéppontjain vas atomok, a térközéppontban nitrogén atomok vannak. Stabilitása 670 C-ig terjed ettől nagyobb hőmérsékleten ε fázissá alakul. Ferromágneses fázis. Az ε-fázis Fe 2-3 N összetételű rendezett rácsú szilárd oldat, amelynek nitrogén tartalma széles határok között 4,55-11% között változhat. A legsűrűbb térkitöltésű hexagonális rácsban a nitrogén atomok az oktaéderes hézagokat foglalják el. Hűtés során 650 C-on eutektoidos reakció során γ+γ fázisokra bomlik. 8

A -fázis rombos rácsszerkezetű Fe 2 N összetételű fázis, mely csak szűk (11,07-11,18%) nitrogén koncentráció közben és kb. 500 C alatti hőmérsékleten stabil. 1.2.2. Nitridált kéreg kialakulásának mechanizmusa Az A c1 hőmérséklet alá hevített lágyított, ill. normalizált állapotú acél szövetszerkezete ferrit+perlit, a nemesítetté pedig szferoidit. A kiindulási állapotában a nitridálandó acélt α-vas szilárd oldat és karbid fázisok alkotják. Ezért a kéreg kialakulásának mechanizmusát a Fe-N állapotábra alapján értelmezhetjük. Kezdetben a végtelenül kicsi felületi rétegben kialakul egy nitrogén tartalmú, de nitrogénre nézve telítetlen szilárd oldat. Az így kialakuló nitrogén koncentráció hatására megindul a nitrogén diffúziója a munkadarab belseje felé. A folyamatos nitrogén felvétel hatására az α szilárd oldat koncentrációja eléri a telítettség határát. Az α-fázis további nitrogén felvétel hatására túltelítetté válik, ennek hatására γ -fázis válik ki. A γ -fázis keletkezése csíraképződéssel kezdődik. A csírák a termodinamikai szempontból is kedvezőbb helyeken, szemcsehatárokon, mozaikblokk-határon, diszlokációk mentén jelenik meg. Az első csírák leggyakrabban a felületig terjedő -fázis határokon keletkeznek. A -fázis csírái csak a telített szilárd oldatban tudnak növekedni. Ha a felületi réteg túltelítetté válik, 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 koncentráció különbség hatására a felülettől a munkadarab belseje felé folytatódik a nitrogén diffúziója. A -fázisban végbemenő nitrogén diffúzió eredményeként a - fázishatáron az szilárd oldat telítettsége megmarad, ami biztosítja a -fázis növekedését. Amikor a felületi nitrogéntartalom eléri a telítettségi határát, megjelennek az -fázis csírái. Az -fázis nitrogén tartalma széles határok között változhat. Az - fázishatáron itt is ugrásszerű koncentrációváltozás van. A folyamatot a 3. ábra. szemlélteti. 3. ábra. A nitridált réteg kialakulásának folyamata Az 500 C-A c1 hőmérsékleten való nitridálásnál -fázis nem keletkezik. A nitridálás hőmérsékletén (T<A c1 ) a felülettől a munkadarab belseje felé haladva a következő ε γ α N α fázisokból álló kéreg alakul ki (α N: nitrogénben telített ferrit). Hűlés során az 9

egyes fázisok nitrogénoldó képessége csökken, ezért kétfázisú rétegek alakulnak ki a kéregben, így szobahőmérsékletre hűlve a kéreg + - - + - fázisokból áll. Ötvözött acélok esetén gyakran az ε-fázis is két rétegre bomlik fel. A külső réteg nagyobb nitrogén tartalmú (Fe,Me) 2 (NC) míg a belső réteg (Fe,Me) 3 (NC), ez utóbbiban sok a betöltetlen nitrogén hely van, melyekre a nitrogén diffúzió fokozatosan szállítja a nitrogén atomokat. Így elérve a telített állapotnak megfelelő (Fe,Me) 2 (NC) képlet szerinti összetételét. Az ε-fázis két rétege közötti nitrogénkoncentráció ugrás akár a 2%-ot is elérheti. 1.2.3. A nitridált kéreg jellemző tulajdonságai A nitridálással kialakított kéreg két jól megkülönböztető részből áll: a felületig terjedő vegyületi zónából (white layer, compound) ami, a mikroszkópos vizsgálatoknál fehérnek látszik és az alatta lévő diffúziós zónákból áll, amelyet a 4. ábrán megfigyelhetünk. N 4. ábra. Nitridált réteg struktúrájának: (a) sematikus vázlata[7]; (b) optikai mikroszkópos szerkezete A vegyületi zóna legjellemzőbb tulajdonsága a kopásállóság és a keménység. A vegyületi zóna összetételét meghatározza az acél összetétele és ennek a karbontartalma. A vegyületi zóna vastagsága az idő, a hőmérséklet, és az alapanyag valamint a gáz összetételének függvénye. Ez a réteg nagyon vékony (0,010-0,025mm) ezért a felületi keménység értékek nagyban függnek a terhelőerőtől. Ezt a keménységet általában a nitridált alkatrész felületén különböző terheléssel mért Vickers keménység jellemzi. A legkülső réteg ε+γ fázisokból áll. Az ε nitrid fázisra nagy hatással van a karbontartalom és elősegíti annak képződését. Nem minden esetben kívánatos réteg. Az ε-fázisnak nagy a hajlama a porozitásra, ami a keménységet és kopásállóságot egyaránt csökkenti. Ezenfelül használat közben az alkatrészeken mikrorepedések keletkezhetnek a fázisok különböző hőtágulási tényezői miatt. A felületet nagy részben γ -fázis alkotja, ami jó kopási tulajdonságokkal rendelkezik, de az ütőszilárdsága kicsi. Ugyanakkor az ε-fázis jelenlétének köszönhetően nő az ütésállóság értéke. 10

5. ábra. A vegyületi réteg szerkezete A diffúziós zóna α szilárd oldatból és az ötvöző elemek nitridjeiből áll. Ezért a tulajdonságai függnek a nitrid minőségétől és mennyiségétől, méretétől, alakjától és eloszlásától. A diffúziós zóna tulajdonságainak megváltoztatására többféle lehetőségünk is adódik. Mint például a nitridálási hőmérséklet és nitridálási idő megváltoztatása. A diffúziós zóna egyes fázisai között az ötvöző elemek egyenlőtlenül helyezkednek. Az Al és a Si a γ -fázisban, amíg a Cr, Mo, V, Ti stb. elsősorban az α-fázisban oldódnak. A diffúziós zóna keménysége függ a technológiai paraméterektől és az ötvöző elemek tartalmától. Ezért széles intervallumok jellemzik (500-1000 HV10) a keménységi értékeket. Alacsonyabb hőmérsékleten nagyobb keménységű diffúziós zóna állítható elő. A nitridált alkatrészek és szerszámok melegszilárdsága, ismétlődő igénybevétellel szembeni ellenállása a diffúziós zóna szerkezetétől függ. 1.2.4. Az acél ötvözőinek hatása a nitridált rétegre Nitridáláskor az acél ötvözői megváltoztatják az α-vas nitrogénoldó képességét, oldódnak az ε-és γ -fázisokban, illetve nitrideket képeznek. Stabilitás szempontjából a különböző nitrideket összehasonlítva jelentős különbségeket figyelhetünk meg. Az alumínium-és a titánnitridek a legstabilabbak és a legnagyobb hőmérsékleten disszociálnak. Ezután következik csökkenő stabilitással a vanádiumnitridek, a wolfram, molibdén és króm nitridjei. Majd a mangánnitridek és végül a vas nitridjei. Ha adott karbontartalmú acélokban különböző nitridképző elemeket ötvözünk, akkor a kéreg keménysége az ötvözők függvényében igen változó lesz. A 6. ábrán a különböző ötvözők hatását láthatjuk és ezen ötvözők nitridjei miként hatnak a réteg keménységére. 11

6. ábra. Ötvözőelemek hatása a kéreg keménységére. Alap ötvözet 0,35% C, 0,30% Si, 0,70% Mn Az ábrából látható, hogy a kéreg legnagyobb keménysége alumínium nitriddel és titánnal nitriddel érhető el. Kisebb keménységet adnak a vanádium, króm, molibdén és nikkel nitridjei. Az eltérés ezen nitridképzők között az, hogy a stabilabb nitridképző elem, mint pl. a vanádium kisebb százalékban képes előidézni ugyanazt a kéregkeménységet, mint a kevésbé stabil nitridképzők nagyobb százalékban adagolva. A nikkel hatása a kéregkeménységre csekély hatású. Az alumínium nagyon kemény nitrideket képez az acél felületén. Általában a maximálisan megengedett alumínium tartalom az acélban 1.5% környékén van. 1% ötvöző súly felett az alumínium a felületi repedéseket szélsőséges terhelési körülmények között vezeti. Ez azért van, mert az anyag magkeménysége általában nagyon képlékeny. Ha egy nagyon képlékeny munkadarabot nagy erővel terhelünk, akkor fennáll annak a lehetősége, hogy felületen repedések fussanak végig. Ezen felül azok a nikkel tartalmú nitridálhatató acélok, amelyek tartalmaznak, alumíniumot azok nagyobb magkeménységet alakítanak ki, mint a nikkelmentes acélok. A nikkel növeli a szívósságát a nitridált kéregnek. 12

7. ábra. Ötvözőelemek hatása nitridálisi mélységre (400 HV). A nitridálás 520 C-on 8 órán keresztül végezték A molibdén stabilabb nitrideket képez a nitridálási hőmérsékleten. A molibdén nitridjei az egyéb ötvözők nitridjeihez képest lágyabbak ld. 6. ábra. amik csökkentik az esélyét annak, hogy a felület rideg legyen. A króm is stabil nitrideket képez nitridálási hőmérsékleten. Habár magas króm tartalmat találhatunk néhány rozsdamentes acélban is, de ezek legtöbbjének a nitridálása igen bonyolult. Ugyanis a króm reakcióba lép az oxigénnel, amely a felületen króm-oxidot képez. Ez egy tömör, teljes felületre kiterjedő fázis, amely a közeg atomjainak az alapszövetbe való diffúzióját gátolja meg. Ennek hatására ezt a fázist le kell bontani ahhoz, hogy a nitridálás hatékony legyen. Minél nagyobb százalékban van jelen a króm az acél felületen annál nehezebb lesz az acél nitridálása. A nagy krómtartalom pozitív oldala viszont, hogy a króm nitridekkel nagy felületi keménység érhető el. A vanádium is elősegíti a nitridálni kívánt acélban a stabil nitridek kialakulását. A wolfram lehetővé teszi, hogy az acél megtartsa a keménységét magas üzemi hőmérsékleten is anélkül, hogy veszítene a felületi keménységéből. A wolfram nitridjei magas hőmérsékleten is stabil fázisokat alkotnak. Ennek köszönhetően az ilyen fázist tartalmazó kéreg, magasabb hőmérsékleten jelentkező koptató igénybevételnek is jól ellenáll. Összességében azok az acélok, amelyekben az előbb említett ötvöző elemek megfelelő mennyiségben megtalálhatóak, azon ötvözők stabil nitrideket tudnak alkotni. Azok az acélok, amelyek nem tartalmazzák ezeket az ötvözőket, úgymint a lágyvas és a kis karbontartalmú acélok, is nitridálhatók de ezek felületi keménysége jóval kisebb lesz. A ferritben oldott W, Mo, Cr, Ti és V növelik a ferrit nitrogénoldó képességét. Ez megmutatkozik abban, hogy az ötvözött szerkezeti acélok 0,2-0,5% nitrogént tudnak oldani, amíg az ötvözetlen acélok jellemzően csak 0,1% nitrogént képesek oldani. Az Al és a Si nincs 13

hatással a ferrit nitrogénoldó képsségére. A ferritben oldott ötvözők lassítják a nitrogén diffúziójának a sebességét. Ötvözött acélok nitridálása közben megfigyelhető, hogy a γ -fázis és ε-fázis vasatomjait szubsztitúciósan komplex nitridek illetve karbonitridek helyettesítik (Fe,Me) 4 N, (Fe,Me) 3 N, (Fe,Me) 2 N, (Fe,Me) 3 NC, (Fe,Me) 2 NC. Ezek a nitridek növelik a keménységet és a kopásállóságot és a homogenitásuk koncentráció tartományát is. A nitridek keletkezésénél meghatározó tényező az acélban jelenlévő nitridképző ötvözők tartalma, illetve a nitridálás ideje. A nitridek csíraképződése és növekedése az ötvöző elemek eltérő diffúziós tényezői miatt, az Al tartalmú ferritben a csírák képződése sokkal gyorsabb, mint a Mo tartalmú ferritben. Ugyanis a nitridálás hőmérsékletén az alumínium diffúziós tényezője nagyobb, mint a molibdéné. Az acél ötvözői egymás diffúzióját is befolyásolják, ezért például a krómmal, molibdénnel és alumíniummal ötvözött acélokban (CrAlMo) a nitridek képződése lelassul, az alumínium - fázisbeli diffúziós tényezője csökkenésének következtében. A nitridek képződése során a térfogat megnő, amit a 1. táblázatban láthatunk. 1. táblázat. Nitridek fajlagos térfogat-növekedése: % Nitrid E 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 -Fe4N 15-28 A térfogatnövekedés a mátrixban (az -fázisban) nagy rugalmas deformációt vált ki. A szilárdságot (keménységet) növelik azáltal, hogy az α-fázis rugalmas deformációja és a belőle kivált diszperz nitridek (különösen a króm és molibdén nitridek) gátolják a diszlokációk mozgását (a képlékeny alakváltozó képességet). A legnagyobb keménység olyan nitridálási hőmérsékleten érhető el, amelyen egyrétegű, teljesen koherens határú nitridek keletkeznek, mert ilyenkor az -fázis rugalmas deformációja nagymértékű és ilyenkor a nitridek koherens határral kapcsolódnak a mátrixhoz. Kisebb keménység érhető el olyan hőmérsékleten való nitridálás után, ahol nagyobb méretű nitridek keletkezésének köszönhetően kezd megszűnni a koherencia. A kivált nitridek akadályozzák a diszlokációk mozgását ezért a képződött nitridek méreteinek, s a köztük lévő távolságnak nagy jelentősége van. A hűtés során a nitridálás hőmérsékletén kialakult nitridált kéregszerkezete 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 14 E v

nitridált kéreg esetén ugyanolyan tulajdonságok várhatók, függetlenül attól, hogy milyen eljárással (sófürdőben, gáznitridálással, ionnitridálással, stb.) állították elő a kérget. A következő ábrán az acélok összetételének függvényében, illetve ugyanazon nitridálási eljárás más-más paraméterkombinációjával történő kezelése során lényeges különbségeket észlelhetünk a keménység-mélység profilok között, amit a 8. ábra. szemléltet. 8. ábra. Az acél összetételének a hatása a keménység-mélység profilokra nitridálás esetén: (a) a karbon-és különböző ötvözőtartalmú acélok összehasonlítása; (b) két paraméterkombináció alkalmazása ugyanazon anyagra 2. Nitridáló eljárások 2.1. Gáznitridálás Az iparban az 1920-as években jelent meg az ammóniában végzett gáznitridálás. Az alkatrészeket kemencébe helyezik. Fontos, hogy a kamra felfűtése előtt eltávolítsuk az oxigént, hisz ez az alkatrész oxidációját okozná. A gáznitridálást ammónia tartalmú gáz atmoszférában végezzük 500-575 C-on. Nitrogént leadó közeg általában részelegesen disszociált ammónia. A palackban nagy nyomáson folyékony állapotban tároljuk, amit megfelelő nyomásra redukálva, tisztítva és szárítva közvetlenül a hermetikusan zárt tartályba vezetik ahol nitridálási hőmérsékleten az ammónia elbomlik a következő egyenlet értelmében 2 NH 3 2N akt + 3H 2 (2) A keletkezett atomos nitrogén állapota nem stabil, rövid idő alatt N 2 molekulák képződnek belőle. Ezért a folyamatos nitrogénellátás érdekében állandó gázáramlást és gyenge túlnyomást (kb. 500 Pa) kell biztosítani. A gáztér aktivitása az ammónia elbomlásának mértékétől, azaz a disszociációs foktól függ. Ezt a reakciótérből távozó gázkeverék összetevőinek térfogati arányából határozhatjuk meg. A reakciótérből távozó vízben oldódó ammónia térfogatszázalékát V -al, a hidrogén, ill. a nitrogéngáz térfogatszázalékát vagy mért V H 2 VH V 2 N2 V V V NH3 H2 N2 NH3, ill. VN 2 -vel jelöljük, NH 3 100, %, (3) 1 V,% (4) mért 15

Az ammónia disszociációs foka függ az ammónia áramlási sebességétől, reakciótér hőmérsékletétől, nyomásától, fémfelületétől. 9. ábra. Gáznitridáló berendezés sematikus ábrája A nitridálás hőmérséklete jelentősen befolyásolja a felületi keménységet és a kéregvastagságot. Vékony, nagy keménységű réteg kisebb hőmérsékleten, amíg vastag kis keménységű réteg nagyobb hőmérsékleten alakul ki. Nagy keménységű vastag kéreg szerkezeti acélokon úgynevezett kétlépcsős nitridálással állítható elő. Az egylépcsős eljárás során a hőmérséklettartomány 500-520 C, ami kis nitridálási potenciájú atmoszférában történik. Ez az eljárás egy rideg nitrogénben gazdag réteget fehér réteget eredményez a nitridált alkatrész felületén. Ezzel szemben a kétlépcsős eljárás 540-580 C-on nagy nitridálási potenciálú atmoszférában történik. Ezen eljárás előnye, hogy lecsökkenti a fehér réteg vastagságát. A gáznitridálás hátrányai ellenére elmondhatjuk róla, hogy rendelkezik számos előnnyel is. Ezek közé tartozik a viszonylag egyszerű berendezés és az, hogy nem keletkezik káros anyag a kezelés során. A technológia alkalmazása során elmondható az is, hogy viszonylag könnyen kezelhetőek a bonyolult alakú üreges munkadarabok is, miközben az élek, csúcsok nincsenek kitéve káros hatásoknak. Különböző rétegmélységeket eléréséhez a gáznitridálás időszükséglete a néhány órától néhány tíz óráig terjedhet. A nitridálási hőmérséklet nagyon alacsony hosszú kezelési időt igényel (akár 80 órát is). 2.2. Folyékony közegű (sófürdős) nitridálás Folyékony közegű vagy sófürdős nitridálást vékony, kopásálló felületi rétegek kialakításának gazdaságos módszereként fejlesztették ki. A rövid időtartamú, néhány órás 16

kezelést 400-570 C közötti hőmérsékleten végzik. A tipikus, hagyományos nitridáló sófürdő olvadék állapotú nátrium és kálium sók, továbbá cianitok, cianátok és karbonátok keverékéből áll. A nitridálás hőmérsékletén a naszcens nitrogén például a cianát bomlása révén keletkezik, 4 NaCNO Na 2 CO 3 +2NaCN+2N akt +CO (5) A felszabadult nitrogén nagyon aktív és a munkadarab felületébe diffundál, diffúziós réteget és vasnitrid vegyületeket hozva létre a felszínen. A sófürdős nitridálás kétségtelen előnyei: A gáznitridáláshoz képest a kezelési idő kb. a tizedére csökkenthető; Jó hatásfokú energiakihasználás; A réteg homogénebb ezért nagyobb keménységű; Rugalmasan adaptálható eljárás. Az eljárás legfőbb hátrányai: Megbízható reprodukálhatóságot csak pontosan szabályozott cianid/cianát aránnyal lehet tartani; Olyan toxikus és mérgező sók használatával jár az eljárás, mint a cianidok, amelyek komoly környezeti és munkavédelmi problémákat okoz; A nitridált alkatrészek sok sót kihordanak az eljárás végeztével, amit friss sóval kell pótolni. 2.3. Pornitridálás Ez egy nagyon egyszerű eljárás. A lényege, hogy a munkadarabot egy tárolóba kell tenni amit feltöltenek nitridáló porral. Ezt a tárolót bármilyen kemencébe be lehet tenni, ami felfűthető a megfelelő hőmérsékletre. Előnye, hogy nem kell hozzá se speciális berendezés, se komoly szaktudás. Hátrány viszont, hogy nem lehet vele olyan minőséget elérni, mint a többi módszerrel. Az iparban nem terjedt el. 2.4. Plazma (ion) nitridálás Mind a gáznitridálás, mind a folyékony közegű nitridálás okoz bizonyos fokú környezeti problémákat, és vastag, rideg vegyületi réteg létrehozására hajlamosak, melyek gyakran nem kívánatosak. A plazmanitridálás kifejlesztése módot ad ezen problémák megoldására, jó minőségű vegyület réteg kialakítását és szükség szerint a kéreg alakíthatóságának javulását eredményezve. 17

10. ábra. Az ionnitridáló berendezés elvi vázlata A plazmanitridálást, ion nitridálásnak és parázsfénykisüléses nitridálásnak is nevezik. Laboratóriumi eljárásból az elmúlt 30 évben fejlődött ipari eljárássá. Nitrogént tartalmazó kis nyomású atmoszférában végzik (10 mbar). Megfelelő elektromos tér segítségével a gáz ionizálódik és gerjesztődik, így a gáz állapotot plazma állapot váltja fel, ionokat, elektronokat és semleges komponenseket tartalmazva. A plazmanitridáló berendezés vákuum szivattyú rendszerből, vákuumkamrából és energiaellátó egységből áll. A nitridálandó munkadarabot katódként kapcsolják, a kamra maga szolgál anódként. Kezdetben a munkadarabokat tartalmazó kamrát 0,1 mbar értékig leszívatják, majd feltöltik nitrogén tartalmú gázzal vagy gázkeverékkel, pl.: NH 3 vagy N 2 + H 2 keverékével. A katód és anód közötti potenciál különbséget egy kritikus érték fölé növelve a munkagázok atomjai és molekulái gerjesztett és ionizált állapotba kerülnek, a parázsfénykisülésként ismert, jellegzetes fénylő jelenséget idézve elő. A nitridáló eljárás során a plazmában lévő pozitív ionok az elektromos mező hatására a katód irányába gyorsulnak. Az ionok óriási kinetikus energiával ütköznek a munkadarab felszínébe, a becsapódáskor felszabaduló energia hővé alakulva növeli a munkadarab hőmérsékletét. Következésképp plazmanitridálásnál nem szükséges külső hevítést alkalmazni. A nitridálás hőmérsékletén a nitrogén ionok, az aktivált nitrogén atomok és a semleges alkotók hatnak a nitridálási reakciókra a nitrogén munkadarabba való bediffundálásán keresztül. A plazmanitridálás során a munkadarab hőmérsékletét az alkalmazott feszültség és gáznyomás megfelelő beállításával lehet szabályozni, míg a gáz összetételének szabályozásával a nitridálási potenciál megfelelő beállítása oldható meg. Plazmanitridálás során a felgyorsított pozitív ionok folyamatosan bombázzák a munkadarab felszínét, porlasztást idézve elő. A felületi oxidok és szennyezők ezzel a porlasztással leválaszthatók, így tiszta és aktív felületet biztosítanak a nitridálási reakciókhoz. Ennek révén a plazmanitridálás kiküszöbölheti a passziválási problémákat, amelyekkel néha találkozhatunk gáznitridálásnál az erősen ötvözött acélok, pl. a rozsdamentes acélok esetén. A plazmanitridálás számos előnyt mutat a hagyományos gáznitridálással szemben, éspedig: Kisebb gáz-és energiafogyasztás; Jobb munkakörülmények és környezetbarát technológia; A kezelés időtartama 50%-al csökken; A fehér réteg vastagsága jól szabályozható; 18

Az eljárás különösen alkalmas kis darabszámú gyártásra; Nagyméretű munkadarabok, amelyek hagyományos nitridálással nem kezelhetők az eljárás szabályozhatatlansága miatt, így gazdaságosan nitridálhatók. 19

3. Plazmanitridálási előkísérletek a Plasmaterm SA telephelyén 3.1.1. Anyagválasztás A vizsgálatsorozat célja, hogy nitridálhatóság szempontjából különböző acélminőségeket hasonlítsunk össze. Ezért anyagválasztáskor egymástól eltérő acélminőségeket választottunk, hogy a különbségek jól megfigyelhetőek legyenek. Ezért az iparban gyakran használatos R8, R11, KO33, 46S20 anyagminőségű acélokra esett a választás. Az anyagok vegyi összetételét az 2. táblázat tartalmazza. Anyagminőség jele R8 R11 2. táblázat. Kísérletek során használt acélok összetétele, tömeg % Vegyi összetétel (%) C Cr Mo V W Co Mn 0,82-0,92 1,05-1,15 KO33 0,08 46S20 0,42-0,5 3,8-4,5 3,8-4,5 17-19 4,8-5,3 9-10 1,7-2,1 1-1,3 6-7 1,3-1,8 4,7-5,2 7,5-8,5 Szabvány 0,4 MSZ4351-84 0,4 MSZ4351-84 0,5 0,1 0,1 0,1 2 MSZ4360-87 0,3 0,15 0,1 0,1 0,1 0,7-1,1 MSZEN10087-99 R8 acél Ezen gyorsacél kitűnő vágótulajdonságokkal és jó szívóssággal rendelkezik. A kobaltötvözés által nagy melegkeménység és jó megeresztésállóság. Alkalmas sófürdős, plazma- és gáznitridálásra. Főbb alkalmazási területei: nagy teljesítményű eszterga- és gyalukés, profilkések, valamint marók, spirál- és menetfúrók, üregelőtüskék. Kisebb keresztmetszetű, elhúzódásra hajlamos, nagy teljesítményű szerszámok, pl.: fűrésztárcsák éslapok. Nagyszilárdságú alapanyagok forgácsolása. Különösen alkalmas termikus igénybevételek és folyamatos forgácsolás esetén. Famegmunkáló szerszámok és hidegalakító szerszámok. R11 acél Nagyiparilag használt gyorsacél. A kobaltötvözés által nagy melegkeménység és jó megeresztésállóság. Kitűnő vágótulajdonságok, nagy nyomószilárdság és jó szívósság. Az alacsony vanádiumtartalom jó köszörülhetőséget tesz lehetővé. Alkalmas sófürdős, gáz- és plazmanitridálásra. Főbb alkalmazási területei: Forgácsolószerszámok nehezen megmunkálható alapanyagokhoz: marók, spirál- és menetfúrók, dörzsárak, üregelőszerszámok, fűrésztárcsák. Erős mechanikai kopásnak kitett szerszámok, pl.: magas vágósebesség melletti csekély forgácskeresztmetszeteknél. Jól alkalmazható a forgácsolási zónában fellépő magasabb hőmérsékletek esetén. Különösen alkalmas süllyeszték- és gravírozó marónak (alakos simító), valamint forgatónak automata munkáknál. Szerszámok szuperötvözetek, légi közlekedési alapanyagok, mint pl. titánötvözetek stb. megmunkálásához. Hidegalakító szerszámok forgácsnélküli megmunkálásokhoz, pl. hidegfolyató bélyegek. 20

KO33 acél Legáltalánosabban elterjedt saválló acél, amely különösen jól megmunkálható. Összetételéből adódóan jól hegeszthető. Hidegen és melegen jól alakíthatóak. Korrózióálló képességük nagyon jó. 46S20 acél Az automata acélok forgácsolása során a növelt S és P tartalom biztosítja a jó forgácsolhatóságot. Ezen ötvözők hatására könnyebben leváló, töredezett forgács keletkezik. Legjellemzőbb alkalmazási területeik az automata forgácsoló gépekkel megmunkált tömegcikkek pl.: csavarok, anyák. Az alkatrészgyártás során különböző termékek készülnek belőle, mint pl.: háztartási gépek, tartós fogyasztási cikkek, híradástechnikai berendezések alkatrészei. 3.1.2. Előzetes hőkezelés Mielőtt az acél felületi rétegében kemény és kopásnak ellenálló réteget hoznánk létre, azt megelőzően a különböző acélminőségeknél el kell érnünk, hogy a magjuk szívós legyen. A magtulajdonságok biztosító állapotot az R8-as és R11-es gyorsacélok esetében kiválásos keményítéssel, KO33-as ausztenites korrózióálló acél esetében ausztenites lehűtéssel és a 46S20-as automatacél esetében pedig normalizálással érték el. A vizsgált anyagok kiinduló, nitridálás előtt hőkezeltségi állapota tehát különböző volt, a nitridálás viszont egyszerre, azonos körülmények között zajlott. 3.1.3. Nitridálási paraméterek A nitridálást a Marosvásárhelyen lévő Plasmaterm Kft. által biztosított plazmanitridáló berendezéssel végeztük el. A mintadarabokkat egy átlagos töltethez hozzátéve több normál megbízással együtt kezelték. A próbatestek 520 C-on 8 órás hőntartással lettek plazmanitridálva. A 17. ábrán a plazmanitridáló berendezés és a benne kezelt darabok láthatóak. 11. ábra. Plasmaterm Kft. plazmanitridáló berendezésében lévő próbatestek 3.1.4. Próbadarabok mikrokeménység értékei nitridálás után A 12-15. ábrákon egy-egy lenyomathoz párosított keménységdiagram látható. A próbadarabokon több lenyomatsorozatot mértünk és ezek átlagát használtuk az eredmények ábrázolásakor. Az 46S20-as és KO33-as anyagminőségek esetében 2 N-os terhelőerővel 21

készítettük a lenyomatokat, amíg az R8-as és R11-es anyagminőségek esetében 5 N-os terhelőerőt alkalmaztunk, mivel az szerszámacélok esetében a lenyomatok képei nem voltak jól kivehetőek a mikrofotókon. 12. ábra. 46S20 acél keménységdiagramja és a lenyomatok képe 13. ábra. KO33 acél keménységdiagramja és a lenyomatok képe 22

14. ábra. R8 acél keménységdiagramja és a lenyomatok képe 15. ábra. R11 szerszámacél keménységdiagramja és a lenyomatok képe A 12-15. ábrákon látható, hogy a felülettől a mag felé haladva a lenyomatok méretének növekedésével együtt csökkennek a keménységi értékek. 23

A különböző acélminőségek között tapasztalt keménységi értékek eltérése az acélban található nitridképző ötvözők hatására alakul ki. Ezen ötvözők az acéllal nitrideket képeznek, amelyek keménysége nagyban eltér egymástól. A különböző ötvözőknek nagyobb az affinitása a nitrogénhez, mint a vasnak. Jól látható, hogy az R8-as és R11-es gyorsacél esetében a felület keménysége igen nagy, ezt az acélban található Cr és V nitridképző ötvözők eredményezik. A KO33-as és 46S20-as acél kisebb felületi keménységét összetételükből fakadó nitridképző ötvözők hiánya adja. A próbatestek nitridálása során a keletkezett réteg szempontjából fontos megemlíteni, hogy vegyületi zóna nem alakult ki. 24

4. Intézetünk műhelycsarnokába telepített plazmanitridáló berendezéssel végzett kísérletek A méréseket egy melegalakító és egy gyorsacél szerszámon végeztük el. A munkadarabokat a Böhler-Uddeholm Hungary Kft. biztosította. 4.1. A vizsgált anyagminőségek 4.1.1. A vizsgált melegalakító szerszámacél Böhler W302; EN-jele: X40CrMoV5-1; EN-számjel: 1.2344 Jellemzők 3. táblázat. Az X40CrMoV5-1 acél Böhler által megadott kémiai összetétele Vegyi összetétel (%) C Si Mn Cr Mo Ni V W Co 0,39 1,1 0,4 5,2 1.40 0.95 Nagyon jó melegszilárdsággal és meleg kopásállósággal rendelkezik. Jó a szívóssága, hővezető képessége, hőingadozás- és hőrepedés- állósága. Vízhűthető, de csak korlátozott mértékben. Jól átedzhető, és nitridálható. Felhasználás területei Általánosan használható és széles körben elterjedt melegalakító szerszámacél. Erős igénybevételű szerszámok könnyűfémek megmunkálásához Extruderszerszámok Nyomásos öntőszerszámok Kovácsszerszámok Melegvágó kések Kopásálló gépalkatrészek Fokozott igénybevételű abrazív kopásnak kitett műanyag-alakító formák, stb. Az ajánlott hőkezelés Lágyítás: Felmelegítés 750-800 C-re majd szabályozott lassú hűtés kemencében (10-20 C/óra) kb 600 C-ig, utána levegőn. Keménysége ekkor max 205HB. Feszültségcsökkentő izzítás: Felmelegítés 600-650 C-re, hőntartás 1-2 órán át, majd lassú hűtés kemencében. Edzés: A munkadarab felmelegítése 1020-1080 C-re egy vagy több lépésben, utána hőntartás 15-30 percig. A hűtést olajban, vagy sófürdőben végzik 500-550 C-ig, vagy levegőn, gázban vagy vákuumban egy lépésben. Az előbbi esetben az elérhető keménység 52-56 HRC, az utóbbi esetben 50-54 HRC. Megeresztés: Lassú felmelegítés az edzés után, a hőntartási idő 20mm munkadarab vastagságonként 1 óra, de legalább 2 óra. Fontos, hogy legalább kétszer kell 25

megereszteni, de előnyös a harmadik megeresztés a feszültségcsökkentés miatt. Az elérhető keménység (megeresztéstől függően) 30-54 HRC 4.1.2. A vizsgált gyorsacél: Böhler S600; EN-jel: HS6-5-2C ; EN- számjel: 1.3343 4. táblázat. Az HS6-5-2C acél Böhler által megadott kémiai összetétele Vegyi összetétel (%) C Si Mn Cr Mo Ni V W Co 0,9 0,25 0,3 4,1 5 1,8 6,2 Jellemzők Wolfram-molibdén ötvözésű standard gyorsacél. Jó szívóssággal, nagy nyomószilárdsággal rendelkezik és magasabb hőmérsékleten is alkalmazható. Univerzálisan alkalmazható. Jól bevonatolható (CVD, PVD), alkalmas sófürdős, plazma és gáznitridálásra. Felhasználás területei: Általánosan használható, széles körben elterjedt. Nagyoló, forgácsoló szerszámok Menet-, spirál fúrók, üregelőszerszámok, dörzsúrok Fémfűrészek Famegmunkáló szerszámok Hidegalakító szerszámok (bélyegek, matricák, vágó, kivágó szerszámok). Az ajánlott hőkezelés Lágyítás: Felmelegítés 770-840 C-re, majd lassú hűtés kemencében (10-20 C/óra) 600 C-ig, a további hűtés levegőn történik. A keménysége ekkor max. 280 HB. Feszültségcsökkentő izzítás: 600-650 C re felmelegítés, majd 1-2 óra hőntartás teljes átmelegedés után. Végül lassú hűtés kemencében. Edzés: Felmelegítés 1190-1230 C-re egy vagy több lépésben, a hűtést olajban, levegőn, vákuumban vagy sófürdőben végezzük (500-550 C-ig). A magasabb hőmérsékleti tartományt az egyszerű kialakítású, az alacsonyabb hőmérsékletí tartományt a bonyolult kialakítású szerszámoknál kell alkalmazni. Hidegalakító szerszámok esetén a jobb szívósság eléréséhez szintén az alacsonyabb edzési hőmérsékletek ajánlottak. Az elegendő karbidoldódáshoz szükséges hőntartási idő a többlépcsős előmelegítés és a teljes átmelegedés után sófürdőben legalább 80 másodperc, de legfeljebb 150 másodperc a szerszámkárosodások elkerülése érdekében. Megeresztés: 540-570 C hőmérséklet tartományban. Lassú felmelegítés, majd hőntartás (1 óra/ 20 mm, legalább 2 óra), végül levegőn való hűtés. Három megeresztésre van szükség, az első kettő a keménységre, a harmadik a feszültségek csökkentésére szolgál. Az elérhető legnagyobb keménység 64-66 HRC. 26

4.2. Nitridálás előtti hőkezelés A munkadarabok 50 mm átmérőjű és 2000 mm hosszú hengerelt darabokként érkeztek, amit körülbelül 15 mm vastagságú darabokra vágtunk fel. A hőkezelést a Hőker Kft. műhelyében végeztük el. Az alkalmazott hőkezelést a fentiek alapján a következők: Hőmérséklet ( C) 1050 Hűtés fújt levegőn Hűtés levegőn 600 Melegítés a kemencével együtt 15 perc 120 perc 120 perc 16. ábra. Az X40CrMoV5-1 anyagminőségen alkalmazott hőkezelés Hőmérséklet ( C) Idő 1200 Hűtés fújt levegőn Hűtés levegőn 600 Melegítés a kemencével együtt 150 mp 120 perc 120 perc Idő 17. ábra. Az HS6-5-2C X40CrMoV5-1 anyagminőségen alkalmazott hőkezelés A legfontosabb hasonlóságok a két anyag hőkezelésében, a felmelegítés, a hűtés és a megeresztési hőmérséklet. A munkadarabokat azért kellett a kemencével együtt felmelegíteni, hogy megakadályozzuk a munkadarabok elrepedését, ami a hírtelen hősokk miatt következhetett volna be. A fújt levegős hűtésre is azért volt szükség, hogy kellő mértékű hőmérsékletcsökkenést biztosítson a martenzit képződéshez, de ne tegyen kárt a munkadarabban. 27

A megeresztési hőmérsékletet meglehetősen magasra választottuk, ennek az oka nem csak a feszültségcsökkentés volt. Mivel a munkadarabok sok karbidképző ötvözőt tartalmaznak ezért a magasabb hőmérsékleten fellép a kiválásos keményedés, aminek a lényege, hogy a finoman eloszlott fázisok és az ötvözőkben gazdag zónák kialakulása jótékonyan hat a keményedésre és a szilárdságra. A megeresztés 600 C való választásának másik oka, hogy a későbbi nitridálás folyamán a magas hőmérséklet miatt ne következzen be kilágyulás az alapszövetben. Az eltérések a hőkezelésekben a hőmérséklet nagyságában és az időtartamban mutatkoznak meg. A gyorsacélnál nagyon fontos, hogy az edzési hőmérsékleten tartózkodás nem lehet több néhány percnél, mivel ilyenkor a munkadarab tönkremegy. Ezt sajnálatosan a kísérletek során valóban megtapasztalhattuk, mivel egy hiba/félreértés folytán az egyik gyorsacél munkadarabot 150 másodperc helyett, 150 percre hagyták bent a kemencében és a munkadarab külső része megégett (Hiba! A hivatkozási forrás nem található.. ábra). 18. ábra. A gyorsacél munkadarab felszínén a megégett réteggel A helyzetet úgy oldották meg, hogy a megégett réteget leköszörülték, így egy (szabad szemmel nézve) elfogadható felületi minőséget kaptunk, de később a mikroszkópon jól látszódott, hogy a munkadarab erősen dekarbonizálódott. 28

19. ábra. A dekarbonizálódott munkadarab mikroszkópos képe 25 -ös nagyításban, marószer: nitál A 19. ábra jobb oldalán jól lehet látni, hogy az anyag világosabb, ez a ferrit, egy nagyon kicsi karbontartalmú szövetelem, ami a karbon kiégése miatt jött létre. Az edzés és megeresztés utáni szövetszerkezetet a 20. és 21. ábrák mutatják. Mindkét anyagban megtalálható a megeresztett martenzit és a különböző ötvözőkkel alkotott karbidok. 20. ábra. A melegalakító szerszámacél alapszövete 500 -os nagyításban, marószer: nitál 29

21. ábra. A gyorsacél alapszövete 500 -os nagyításban, marószer: nitál 4.3. Kísérleti paraméterek A nitridálást a Mechanikai Technológia Tanszék NITRION típusú plazmanitridáló berendezésével végeztük. A berendezés paraméterei: Teljesítmény: 100 kw + 750 W (vákuumpumpa) Létrehozott vákuum: kb. 0,5 mbar Hasznos munkatér: 500 mm 2000 mm 22. ábra. A plazmanitridáló berendezés 30

A munkadarabokat kétféleképpen kezeltük. Mindkét esetben 5 órán át nitridáltunk és a kemencébe bontott ammóniát vezettünk be (ezért az N:H arány 1:3 volt), más gázokat nem használtunk hígítás céljából. A változó paraméter a hőmérséklet volt. Az első esetben 480 Con végeztük el a hőkezelést, a második esetben pedig 580 C-on. 4.4. A munkadarabok előkészítése A nitridálás befejeztével a munkadarabokat elő kellett készíteni, hogy a mikroszkópon megfelelő szövetképet kapjunk és meg tudjuk mérni a keménységet. Első lépésként a darabokat be kellet fogni egy befogóba aminek a segítségével el tudtuk készíteni a csiszolatot. Ezek a befogók lényegében kis satuk, amikbe bele lehet szorítani a felvágott munkadarabokat. Fontos, hogy az egyik satupofa és a munkadarab felülete közé be kell szorítani egy rézlemezt. Ennek az a célja, hogy a csiszolás alatt megtámassza a munkadarab felületén kialakult kérget, hogy ne törjön le. 23. ábra. A befogó a munkadarabbal és a rézlemezzel A második lépés a felület csiszolása. Ezt a műveletet a Mechanikai Technológiai Tanszék felület előkészítő laborjában végeztük el. A csiszoláshoz egyre finomabb csiszolópapírokat használtunk. A felhasznált csiszolópapírok: 240, 320, 400, 800, 1200, 2000 finomságúak voltak. Harmadik lépés a polírozás volt. Ehhez a művelethez vízben oldott alumínium-oxidot használtunk ( Al2O 3), amivel egy polírozó szövetet itattunk át. Az utolsó lépés a felület előkészítésében a kémiai maratás volt. Ehhez 2%-os salétromsavat használtunk fel ( HNO 3 ). Ezek után a felület már mikroszkópon is jól szemrevételezhető volt. 31

4.5. Tapasztalatok, mérési eredmények A csiszolás folyamán feltűnt, hogy a munkadarabok felületén párhuzamos sávok futnak, amik a mikroszkópos képen is jól kivehetőek. Végül arra a következtetésre jutottunk, hogy ezek az acél gyártása folyamán keletkezek hengerlési nyomok, ezért a későbbiekben nem is foglalkoztunk velük. A méréseket igyekeztünk úgy végezni, hogy ezek közé a nyomok közé essenek. A mérések elvégzéséhez Mitutoyo mikro-vickers keménységmérő berendezést használtunk. A terhelés 100g volt. Az első lenyomatot mindig a felülettől 0,003 mm távolságra vettük fel és így haladtunk a mag felé folyamatosan egészen addig, míg a keménység be nem állt egy állandó értékre. Az összehasonlítás során először a különböző hőmérsékleten összevetjük a két anyagminőséget, majd a két hőmérséklet hatását elemezzük az adott anyagokra. 4.5.1. 480 C on nitridálva Melegalakító szerszámacél 24. ábra. Melegalakító szerszámacél 200 -os nagyításban (lenyomatok,480 C), marószer: nitál 32

Keménység (HV) 25. ábra. Melegalakító szerszámacél 500 -os nagyításban (nitridált szövetszerkezet, 480 C), marószer: nitál 550 500 450 400 Keménység 350 300 30 80 130 180 280 380 580 780 Felülettől mért távolság (mikron) 26. ábra. Mért keménység a melegalakító szerszámacélon (480 C) 33

Gyorsacél: 27. ábra. Gyorsacél 200 -os nagyításban (lenyomatok, 480 C), marószer: nitál 28. ábra. Gyorsacél 500 -os nagyításban (nitridált szövetszerkezet, 480 C), marószer: nitál 34

Keménység (HV) 1200 1000 800 600 400 Keménység 200 0 30 80 130 180 230 280 330 380 430 530 730 Felülettől mért távolság (mikron) 29. ábra. Mért keménység a gyorsacélon (480 C) Ha megnézzük a 200x-os nagyítású ábrákat, láthatjuk a nitridált réteget (a sötét sáv a munkadarab felszínén). Ez a réteg a diffúziós zóna, ami általában a vegyületi kéreg alatt található, de itt nem alakult ki ez a vegyületi réteg. Ami feltűnik a két anyagminőség között az ennek a rétegnek a vastagsága, a melegalakító szerszámnál sokkal vastagabb, mint a gyorsacélnál. Ez annak köszönhető, hogy a gyorsacél nagyon erősen ötvözött anyag, ezért a nitrogén nem tud olyan mélyen behatolni az anyagba, mert előbb az ötvözők veszik fel és alakítják ki a rájuk jellemző nitrideket. A keménységi értékeken jól látszik, hogy a gyorsacél esetében a felület közelében nagyon magas 1000 HV 0,1 feletti értékeket kaptunk, viszont ez az érték nagyon meredeken csökkent és a felülettől 0,08 mm távolságban a keménységi érték már lényegében megegyezik a mag keménységével. A melegalakító szerszámacélnál nem értünk el ilyen magas értéket, a maximum keménység 520 HV 0,1 körül található, de az esése nem olyan meredek, sokkal jobban nyomon követhető a keménység változása. Ez a kisebb ötvöző tartalomnak köszönhető. Összességében mindkét anyagnál elmondható, hogy a nitridált réteg nagyon vékony (0,08-0,1), ennek oka az alacsony nitridálási hőmérsékletben keresendő. 35

4.5.2. 580 C-on nitridálva Melegalakító szerszám 30. ábra. A melegalakító szerszámacél 200 -os nagyításban (lenyomatok, 580 C), marószer: nitrál 31. ábra. A melegalakító szerszámacél 500 -os nagyításban (nitridált szövetszerkezet, 580 C), marószer: nitrál 36

Gyorsacél 32. ábra. Mért keménység a melegalakító szerszámacélon (580 C) 33. ábra. A gyorsacél 200 -os nagyításban (lenyomatok, 580 C) marószer: nitrál 37