Widok Badania wpływu chropowatości powierzchni po azotowaniu gazowym na wskazania przyrządu wiroprądowego

Dr inŜ. Beata PACHUTKO

Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań e-mail: pachutko@inop.poznan.pl

Prof. dr hab. inŜ. Leszek MAŁDZIŃSKI

Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Poznań

Badania wpływu chropowatości powierzchni

po azotowaniu gazowym na wskazania przyrządu

wiroprądowego

Investigation of the influence of surface roughness

after gas nitriding on the indications

of the eddy current device

W artykule przedstawiono wyniki badań parametrów chropowatości powierzchni stali 38HMJ i Orvar Supreme azotowanych w temperaturze 550 ºC w czasie 2, 9, 23 i 48 godzin przy potencjale azotowym Np = 2,9-2,4 atm-0,5.

Grubość efektywną warstwy azotowanej oceniono na podstawie profili mikrotwardości HK 0,1 - przyjęto twar-dość 500 HK 0,1 dla stali 38HMJ oraz 700 HK 0,1 dla stali Orvar Supreme. Grubość strefy azotków Ŝelaza wy-znaczono na podstawie badań metalograficznych za pomocą mikroskopu optycznego. Wykazano, Ŝe zwiększenie czasu azotowania powoduje nieznaczne zwiększenie parametrów Rt i Rz. W wyniku przeszlifowania próbek azotowanych nastąpiło zwiększenie amplitudy wskazania przyrządu wiroprądowego (Wirotest 302 wyposaŜony w czujnik stykowy o częstotliwości prądu magnesującego 50 kHz) wskutek zmniejszenia chropowatości po-wierzchni, usunięcia warstewki tlenków Ŝelaza i strefy porowatej azotków Ŝelaza.

Abstract

The paper presents the results of investigation roughness parameters of 38HMJ and Orvar Supreme steels nitrided at the temperature of 550 oC for 2, 9, 23 and 48 hours with the nitrogen potential of Np = 2.9–2.4 atm-0.5. The effective thickness of the nitrided layer has been assessed basing on the microhardness profiles, HK 0.1 – the hardness of 500 HK 0.1 has been adopted for the 38HMJ steel and 700 HK 0.1 for the Orvar Supreme. The thickness of the iron nitride zone has been determined basing on metallographic examination by means of an optical microscope. It has been shown that extension of the nitriding time results in a slight increase of the Rt and Rz parameters. As a result of grinding of the nitrided samples, the amplitude of the eddy current device indications has increased (Wirotest 302 device provided with a sensor with the magnetizing current frequency of 50 kHz) due to the reduction of the surface roughness, removal of the layer of iron oxides and the porous zone of iron nitrides.

Słowa kluczowe: metoda wiroprądowa, stal, warstwa wierzchnia, warstwa azotowana, grubość warstwy, chropowatość Key words: eddy current method, steel, surface layer, nitrided layer, layer thickness, roughness

1. WSTĘP

Wyniki badań przedstawione w tej pracy są uzupełnieniem wyników badań prowadzo-nych wcześniej, których celem była ocena gru-bości warstw azotowanych gazowo o róŜnej budowie fazowej: ε+γ'+α, γ'+α i składających się tylko ze strefy dyfuzyjnej α, za pomocą

1. INTRODUCTION

The investigation results presented in this paper are a completion of the results of the in-vestigations performed earlier, the objective of which was the assessment of the thickness of gas nitrided layers with various phase structure:

ε

γ

α

γ

α

nieniszczącej metody z zastosowaniem prądów wirowych.

Do badań wybrano powszechnie stosowa-ne stale 38HMJ i WCL, które poddano proce-sowi azotowania gazowego. W badaniach gru-bości stref azotków Ŝelaza stosowano często-tliwości prądu magnesującego 0,5 MHz i 1,0 MHz, a w badaniach efektywnej grubości warstw azotowanych częstotliwość 3,4 kHz [1, 2].

Celem badań było uzyskanie odpowiedzi na pytanie, czy chropowatość powierzchni azo-towanych stali ulega zmianie wraz ze zwięk-szaniem czasu azotowania i czy zmiana chro-powatości powierzchni poprzez przeszlifowa-nie próbek azotowanych moŜe wpływać na amplitudę wskazania przetwornika wiroprądo-wego.

Badania kontynuowano na stali 38HMJ, natomiast zamiast stali WCL, stosowanej w pierwszym etapie badań, wybrano stal szwedzką Orvar Supreme (WCLV), która po azotowaniu charakteryzuje się dobrą odporno-ścią warstwy azotowanej na spadek twardości podczas wyŜarzania i duŜą odpornością na ścieranie [3, 4].

Podobnie, jak we wcześniej prowadzonych badaniach, ww. stale azotowano gazowo po ulepszeniu cieplnym. Próbki po ulepszeniu cieplnym były szlifowane mechanicznie celem otrzymania bardziej równomiernej strefy azot-ków Ŝelaza i większej grubości efektywnej warstwy azotowanej, w porównaniu z próbka-mi z nieobrobioną mechanicznie powierzchnią przed procesem azotowania gazowego, co stwierdzono na przykładzie stali Orvar 2 Microdized (AISI H13) [5]. Warunki azotowa-nia gazowego miały zapewnić otrzymanie warstw azotowanych składających się ze strefy fazy ε o zróŜnicowanej grubości przy po-wierzchni i strefy wydzieleniowej α pod strefą azotków.

Ocenę grubości efektywnej warstwy azo-towanej przeprowadzono przy częstotliwości prądu magnesującego 1 kHz i 3,4 kHz za po-mocą Przyrządu Wirotest 03 (Instytut Mecha-niki Precyzyjnej - IMP w Warszawie). Ocenę grubości stref fazy ε przeprowadzono za po-mocą przyrządu Wirotest 302 (IMP) przy za-stosowaniu czujnika stykowego o częstotliwo-ści prądu magnesowania 50 kHz, ze względu

the diffusion zone,

α

The materials selected for the investigation were commonly used steels, 38HMJ and WCL. They have been subjected to the process of gas nitriding. In the examination of the thickness of iron nitride zones, the magnetizing current frequency of 0.5 MHz and 1.0 MHz were applied; in the examination of the effective thickness, the frequency was 3.4 kHz [1, 2].

The purpose of the investigation was to obtain an answer to the question whether sur-face roughness of the nitrided steels varies with the increase of the nitriding time and whether a change of the roughness as result of grinding the nitrided samples can influence the ampli-tude of the eddy current device indications.

The investigation was continued on the 38HMJ, while the WCL used in the first stage of investigation has been replaced with the Swedish Orvar Supreme (WCLV) which is characterized by good resistance of the ni-trided layer to the drop of hardness during annealing and high abrasion resistance [3, 4].

Like in the previous investigation, the steels under discussion were gas nitrided after prior toughening. After toughening, the samples were ground mechanically in order to obtain a more even zone of iron nitrides and larger effective thickness of the nitrided layer as compared to the samples with the surface not machined before the gas nitriding process, which has been found on the example of the Orvar 2 Microdized steel (AISI H13) [5]. The gas nitriding conditions were to ensure obtaining nitrided layers consisting of the zone of phase

ε

α

The assessment of the effective thickness of the nitrided layer has been performed with the magnetizing current frequency of 1 kHz and 3.4 kHz by means of the Wirotest 03 device (Institute of Precision Mechanics – IMP in Warsaw). The assessment of the thickness of the phase

ε

na duŜy zakres grubości strefy azotków ε na badanych stalach.

2. BADANY MATERIAŁ, OBRÓBKA

CIEPLNA I CIEPLNO-CHEMICZNA ORAZ METODYKA BADAŃ

Badany materiał stanowiły stale 38HMJ (41CrAlMo7-10) i Orvar Supreme - stal szwedzka z Huty Uddeholm (X40CrMoV5-1), których skład chemiczny był zgodny z wyma-ganiami norm PN-EN 10085:2003 – Stale do azotowania – Warunki techniczne dostawy i PN-EN ISO 4957:2004 – Stale narzędziowe. Wykonano następujące próbki:

- walcowe o wymiarach φ 28×17 mm ze stali 38HMJ oraz φ 30×16 mm ze stali Orvar Supreme do badań za pomocą prądów wi-rowych,

- prostopadłościenne o wymiarach 10×15×17 mm ze stali 38HMJ oraz 11×16×16 mm ze stali Orvar Supreme do badań mikroskopo-wych stref faz ε i α.

Czołowe powierzchnie próbek walcowych, powierzchnie 15×17 mm próbek ze stali 38HMJ oraz powierzchnie 16×16 mm próbek ze stali Orvar Supreme przeszlifowano w stan-dardowy sposób.

Obróbka cieplna

Stal 38HMJ:

- podgrzewanie 650 °C w soli,

- austenityzowanie w temperaturze 920 °C w soli, chłodzenie w oleju,

- odpuszczanie w temperaturze 620 °C/2 godz. w soli, twardość próbek wynosiła 38±1,5 HRC.

Stal Orvar Supreme:

- podgrzewanie 650 °C w soli,

- austenityzowanie w temperaturze 1030 °C w soli, chłodzenie w oleju,

- odpuszczanie w temperaturze 580 °C/2 godz. w soli, twardość próbek wynosiła 52±1,0 HRC.

due to the wide range of the

ε

2. THE MATERIAL UNDER INVESTIGA-TION, THERMAL AND THERMO-CHEMICAL TREATMENT

The test material comprised 38HMJ steel (41CrAlMo7-10) and Orvar Supreme – Swe-dish steel from Uddeholm Iron Mill (X40CrMoV5-1) with chemical composition in accordance with the requirements of the stan-dards, PN-EN 10085:2003 - Nitriding steels – Technical Specification of delivery and PN-EN ISO 4957:2004 – Tool Steels.

The following samples have been made:

- cylindrical ones dimensioned

φ

φ

- rectangular ones dimensioned 10x15x17 mm

of the 38HMJ steel and 11x16x16 mm of the Orvar Supreme steel for microscopic examination of the zones of phases

ε

α

Heat treatment

38HMJ steel:

- heating up to 650 oC in salt,

- austenitizing at the temperature of 920 oC in salt, cooling in oil,

- tempering at the temperature of 620 oC in salt, the sample hardness was 38±1.5 HRC. Orvar Supreme steel:

- heating up to 650 oC in salt,

- austenitizing at the temperature of 1030 oC in salt, cooling in oil,

- tempering at 580 oC/2 hours, in salt, the sam-ple hardness was 52 ±1.0 HRC.

Obróbka cieplno-chemiczna

Warunki procesów azotowania gazowego: - atmosfera: mieszanina amoniaku i

dysocjo-wanego amoniaku,

- temperatura azotowania 550 °C, potencjał azotowy Np = 2,9 atm-0,5 dla czasu azotowania 2 godzin,

- temperatura azotowania 550 °C, potencjał azotowy Np = 2,4 atm-0,5, czas azotowania: 9, 23 i 48 godz.

Celem procesu azotowania było wytworzenie na powierzchni stali warstwy azotowanej o bu-dowie ε+α.

W pracy wykorzystano następujące techniki i metody badawcze:

• mikroskopię świetlną do wyznaczenia gru-bości strefy fazy ε. Pomiary grugru-bości wyko-nano na trawionych nitalem próbkach ze sta-li 38HMJ i Orvar Supreme, których struktu-rę badano za pomocą mikroskopu ECLIPSE L150 (Nikon) wyposaŜonego w oprogra-mowanie do analizy obrazu NIS Elements AR;

• wyznaczenie efektywnej grubości warstwy azotowanej na podstawie badania profili mikrotwardości metodą Knoopa wg normy PN-EN ISO 4545-1:2006 - Metale - Pomiar twardości sposobem Knoopa - Część 1: Me-toda badań, przy sile obciąŜającej 0,98 N (symbol twardości HK 0,1) za pomocą

twardościomierza MICROMET 2104

(Wirtz-Bueher), na przekrojach poprzecz-nych próbek. Zastosowano następujące kry-teria: g500 HK0,1 - oznaczało odległość od

powierzchni próbki do miejsca, w którym twardość stali 38HMJ wynosiła 500 HK 0,1, oraz g700 HK0,1 – jako odległość od

po-wierzchni próbki do miejsca, w którym twardość stali Orvar Supreme wynosiła 700 HK 0,1;

• badania następujących parametrów profilu chropowatości powierzchni: Ra – średniej arytmetycznej rzędnych profilu, Rt – całko-witej wysokości profilu, Rz – największej wysokości profilu chropowatości określo-nych wg normy PN-EN ISO 4287:1999 – Specyfikacje geometrii wyrobów – Struktu-ra geometryczna powierzchni: metoda profi-lowa - Terminy, definicje i parametry struk-tury geometrycznej powierzchni, za pomocą

Thermochemical treatment

Conditions of the gas nitriding processes:

- atmosphere: a blend of ammonia and

disso-ciated ammonia,

- nitriding temperature 550 oC, nitrogen poten-tial, Np = 2.9 atm-0.5 for the nitriding time

of 2 hours,

- nitriding temperature 550 oC, nitrogen poten-tial, Np = 2.4 atm-0.5, nitriding time: 9, 23 and

48 hours.

The purpose of the nitriding process was to form a nitrided layer with the structure of

ε

α

The work has been performed with the use of the following investigation techniques and methods:

● _{optical microscopy for the determination of} the thickness of phase

ε

● _{determination of the effective thickness of} the nitrided layer basing on the examination of microhardness profiles by the Knoop method according to standard PN-EN ISO 4545-1:2006 - Metals - Hardness Measure-ment by the Knoop method – Part 1: Method of examination with the loading force of 0.98 N (hardness symbol HK 0.1), by means of the MIKROMET 2104 hardness tester (Wirtz-Bueher), on the sample cross sec-tions. The following criteria have been applied: g500 HK 0.1 - designated the distance

from the sample surface to the point where the hardness of the 38HMJ steel was 500 HK 0.1; g700HK 0.1 - the distance from

the sample surface to the point where the hardness of the Orvar Supreme steel was 700 HK 0.1;

● _{examination of the following parameters of} the surface roughness profile: Ra – arith-metical average of the profile ordinates, Rt – total profile height, Rz – the largest height of the roughness profile determined according to standard PN-EN ISO 4287: 1999 - Specifications of Product Geometry – Geometrical Structure of Surfaces: profile method – Terms, definitions and parameters

profilometru T8000 RC (Hommel-Etamic). Pomiary średnich parametrów profilu chro-powatości wykonano w środkowych obsza-rach próbek szlifowanych maszynowo oraz próbek szlifowanych ręcznie na papierze P600 z SiC, po azotowaniu, na odcinku po-miarowym o długości 8 mm;

• badania metodą prądów wirowych za pomo-cą układów pomiarowych składających się z:

- przyrządu Wirotest 03 i czujnika styko-wego nieekranowanego o polu detekcji o φ 8,2 mm, przy częstotliwości prądu magnesowania 1 kHz i 3,4 kHz,

- przyrządu Wirotest 302 i czujnika sty-kowego nieekranowanego o częstotli-wości nominalnej 50 kHz i polu detekcji o φ 9,5 mm.

3. WYNIKI BADAŃ

Wyniki badań mikroskopowych stali 38HMJ i Orvar Supreme azotowanych gazowo pokazano na rys. 1÷2.

of the geometrical structure of surfaces by means of the T8000 RC profile measurement gauge (Hommel-Etamic). The measurement of the average profile parameters has been performed in the middle areas of machine ground samples and manually ground ones, on P600 paper with SiC, after nitriding, on a measurement length of 8 mm;

● _{examination by the method of eddy current} by means of measurement systems consis-ting of:

- Wirotest 03 device and an unscreened contact sensor with a field of detection of

φ

- Wirotest 302 device and an unscreened contract sensor with nominal frequency of 50 kHz and field of detection of

φ

3. INVESTIGATION RESULTS

The results of microscopic examination of gas nitrided 38HMJ and Orvar Supreme steels have been shown in figs 1÷2.

a) 38HMJ – azotowanie: 550 °C, 2 godz., Np = 2,9 atm-0,5 /38HMJ – nitriding: 550 oC, 2 hours, Np = 2.9 atm-0.5

b) 38HMJ – azotowanie: 550 °C, 9 godz., Np = 2,4 atm

-0,5

/ 38HMJ – nitriding: 550 oC, 9 hours, Np = 2.4 atm -0.5

c) 38HMJ – azotowanie: 550 °C, 23 godz., Np = 2,4 atm-0,5 / 38HMJ – nitriding: 550 oC, 23 hours, Np = 2.4 atm-0.5

d) 38HMJ – azotowanie: 550 °C, 48 godz., Np = 24 atm-0,5 / 38HMJ – nitriding: 550 oC, 48 hours, Np = 2.4 atm-0.5

Rys. 1. Wpływ parametrów azotowania gazowego (T, Np, czas) na strukturę i grubość strefy ε+α stali 38HMJ

Fig. 1. The influence of gas nitriding parameters (T, Np, time) on the structure and thickness of zone ε+ α of the 38HMJ steel

a) Orvar Supreme – azotowanie: 550 °C, 2 godz., Np = 2,9 atm

-0,5

/ Orvar Supreme – nitriding: 550 oC, 2 hours, Np = 2.9 atm -0.5

b) Orvar Supreme – azotowanie: 550 °C, 9 godz., Np = 2,4 atm

-0,5

/ Orvar Supreme – nitriding: 550 oC, 9 hours, Np = 2.4 atm -0.5

c) Orvar Supreme – azotowanie: 550 °C, 23 godz., Np = 2,4 atm -0,5

/ Orvar Supreme – nitriding: 550 oC, 23 hours, Np = 2.4 atm -0.5

d) Orvar Supreme – azotowanie: 550 °C, 48 godz., Np = 2,4 atm-0,5 / Orvar Supreme – nitriding: 550 oC, 48 hours, Np = 2.4 atm-0.5

Rys. 2. Wpływ parametrów azotowania gazowego (T, Np, czas) na strukturę i grubość strefy ε+α stali Orvar Supreme

Fig. 2. The influence of gas nitriding parameters (T, Np, time) on the structure and thickness of zone ε+ α of the Orvar Supreme steel

Wyniki badania parametrów profili chro-powatości Ra, Rt, Rz przed procesem azotowa-nia (po ulepszeniu cieplnym) i po azotowaniu gazowym stali 38HMJ i Orvar Supreme z uwzględnieniem parametrów azotowania (T, Np, czas) podano na rys. 3÷5.

The results of the examination of the roughness profiles, Ra, Rt, Rz prior to the process of nitriding (after toughening) and after gas nitriding of the 38HMJ and Orvar Supreme steels, incorporating the nitriding parameters (T, Np, time) have been shown in

figs 3÷5. 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0 10 20 30 40 50 Czas azotowania, h R a , µ m 1- Orvar Supreme 2 - 38HMJ 550 oC Np=2,9-2,4 1 2 1 inicial inicial

Rys. 3. Wpływ parametrów azotowania (T, Np, czas) na średnie parametry Ra profili chropowatości stali 38HMJ i Orvar Supreme

Fig. 3. The influence of the nitriding parameters (T, Np, time) on the average Ra parameters of the roughness profiles of the 38HMJ and Orvar Supreme steels

1 2 3 4 5 0 10 20 30 40 50 Czas azotowania, h R t, µ m 1- Orvar Supreme 2 - 38HMJ 550 oC Np=2,9-2,4 1 2 inici inici

Rys. 4. Wpływ parametrów azotowania (T, Np, czas) na średnie parametry Rt profili chropowatości stali 38HMJ

i Orvar Supreme

Fig. 4. The influence of the nitriding parameters (T, Np, time on the average Rt parameters of the roughness profiles of the 38HMJ and Orvar Supreme steels

1 2 3 4 5 0 10 20 30 40 50 Czas azotowania, h R z , µ m 1- Orvar Supreme 2 - 38HMJ 550 oC Np=2,9-2,4 1 2 inici inici

Rys. 5. Wpływ parametrów azotowania (T, Np, czas) na średnie parametry Rz profili chropowatości stali 38HMJ

i Orvar Supreme

Fig. 5. The influence of the nitriding parameters (T, Np, time) on the average Rz parameters of the roughness profiles of the 38HMJ and Orvar Supreme steels

Wyniki badania profili twardości HK 0,1 na przekrojach wzdłuŜnych próbek poddanych obserwacjom struktury przedstawiono na ry-sunkach 6 i 7.

Wyniki pomiarów grubości stref fazy ε na badanych stalach, grubości efektywnych warstw azotowanych g500 HK0,1 o twardości

po-wyŜej 500 HK 0,1 dla stali 38HMJ oraz g700 HK0,1 o twardości powyŜej 700 HK 0,1 na

stali Orvar Supreme w zaleŜności od parame-trów azotowania gazowego pokazano na rys. 8÷10.

The results of HK 0.1 hardness examina-tion on samples subjected to structure inspec-tion are shown in figs 6 and 7.

The results of thickness measurements of phase

ε

g500 HK0,1 with the hardness over 500 HK 0.1 for

the 38HMJ and g700 HK0,1 with the hardness

over 700 HK 0.1 for the Orvar Supreme steel depending on the parameters of gas nitriding have been shown in figs 8÷10.

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Odległość od powierzchni, mm T w a rd o ś ć H K 0 ,1 38HMJ 550 oC 1 - 2 h, Np=2,9 2 - 9 h, Np=2,4 3 - 23 h, Np=2,4 4 - 48 h, Np=2,4 1 2 3 4

Rys. 6. Wpływ parametrów azotowania (T, Np, czas) na profile twardości HK 0,1 w stali 38HMJ

Fig.6. The influence of the nitriding parameters (T, Np, time) on the hardness profiles, HK 0.1 of the 38HMJ steel

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Odległość od powierzchni, mm T w a rd o ś ć H K 0 ,1 Orvar Supreme 550 oC 1 - 2 h, Np=2,9 2 - 9 h, Np=2,4

Rys. 7. Wpływ parametrów azotowania (T, Np, czas) na profile twardości HK 0,1 stali Orvar Supreme

Fig. 7. The influence of the nitriding parameters (T, Np, time) on the hardness profiles, HK 0.1 of the Orvar Supreme steel

0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 Czas, godz. G ru b o ś ć f a z y ε , µ m 1. 38HMJ 2. Orvar Supreme 550 oC Np=2,9÷2,4 1 2

Rys. 8. Wpływ parametrów azotowania (T, Np, czas) na grubość strefy ε stali 38HMJ i Orvar Supreme

Fig. 8. The influence of the nitriding parameters (T, Np, time) on the thickness of zone ε of the 38HMJ and the Orvar Supreme steel

Orvar Supreme 550 oC

1 – 2 h, Np = 2,9 2 – 9 h, Np = 2,4 3 – 23 h, Np = 2,4 4 – 48 h, Np =2,4

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0 10 20 30 40 50 Czas, godz. G ru b o ś ć g 5 0 0 H K 0 ,1 , m m 38HMJ 550 oC Np=2,9÷2,4

Rys. 9. Wpływ parametrów azotowania (T, Np, czas) na grubość efektywną warstwy azotowanej g500 HK0,1 stali 38HMJ

Fig. 9. The influence of the nitriding parameters (T, Np, time) on the effective thickness of the nitrided layer, g500 HK0,1

of the 38HMJ steel 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0 10 20 30 40 50 Czas, godz. G ru b o ś ć g7 0 0 H K 0 ,1 , m m Orvar Supreme 550 oC Np=2,9÷2,4

Rys. 10. Wpływ parametrów azotowania (T, Np, czas) na grubość efektywną warstwy azotowanej g700 HK0,1

stali Orvar Supreme

Fig. 10. The influence of the nitriding parameters (T, Np, time) on the effective thickness of the nitrided layer, g700 HK0,1

of the Orvar Supreme steel

Wyniki wskazań przyrządu Wirotest 03 w zaleŜności od grubości warstwy azotowanej g500 HK na stali 38 HMJ podano na rys. 11.

ZaleŜność wskazań przyrządu Wirotest 03 od grubości warstwy g500 HK0,1 stali 38HMJ

opisuje równanie podane w tablicy 1.

Wyniki wskazań przyrządu Wirotest 03 w zaleŜności od grubości warstwy azotowanej g700 HK0,1 na stali Orvar Supreme podano

w tablicy 2 oraz na rys. 12.

The results of the Wirotest 03 indications depending on the thickness of the nitrided layer, g500 HK0,1 on the 38HMJ steel have been

shown in Fig 11.

The relationship between the Wirotest 03 indications and the thickness of the g500 HK0,1

layer is described by the equation stated in Ta-ble 1.

The Wirotest 03 indications depending on the thickness of the, g700 HK0,1 nitrided layer

on the Orvar Supreme steel have been started in Table 2 and in Fig. 12.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Odległość od powierzchni, mm W s k a z a n ie p rz y rz ą d u , d z ia łk i. 38HMJ 550 oC Czas 2-48 h Częstotliwość 1 kHz

Rys. 11. Wpływ grubości warstwy azotowanej g500 HK0,1 na wskazania przyrządu Wirotest 03

w zaleŜności od parametrów azotowania (T, Np, czas 2÷48 godz.) stali 38HMJ

Fig. 11. The influence of the nitrided layer, g500 HK0.1 , on the indications of the Wirotest 03

indications depending on the nitriding parameters (T, Np, time 2÷48 hours) for the 38HMJ steel Tablica 1. Opis zaleŜności wskazań przyrządu Wirotest 03 od grubości warstwy azotowanej g500 HK stali 38HMJ Table 1. Description of the relationship between the Wirotest 03 indications and the thickness of the g500 HK0,1 nitrided

layer of the 38HMJ steel Parametry azotowania Nitriding parameters Temp., °C Np, atm-0,5 Równanie Equation Współczynnik Coefficient R2 550 2,9÷2,4 y = 213,29x2 + 143,93x R2 = 0,986 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Odległość od powierzchni, mm W s k a z a n ie p rz y rz ą d u , d z ia łk i. Orvar Supreme 550 oC Czas 2-48 h Częstotliwość 3,4 kHz

Rys. 12. Wpływ grubości warstwy azotowanej g700 HK0,1 na wskazania przyrządu Wirotest 03 w zaleŜności

od parametrów azotowania (T, Np, czas 2÷48 godz.) stali Orvar Supreme

Fig. 12. The influence of the nitrided layer, g700 HK0.1 , on the indications of the Wirotest 03

indications depending on the nitriding parameters (T, Np, time 2÷48 hours) of the Orvar Supreme steel

Orvar Supreme 550 oC Czas 2-48 h Częstotliwość 3,4 kHz

Tablica 2. Wpływ grubości warstwy azotowanej g700 HK0,1 na wskazania przyrządu Wirotest 03

w zaleŜności od parametrów azotowania stali Orvar Supreme

Table 2. The influence of the g700 HK0,1 layer thickness on the Wirotest 03 indications depending

on the nitriding parameters of the Orvar Supreme steel Parametry azotowania Nitriding parameters Temperatura, °C/ czas, godz. Np atm-0,5 Grubość Thickness g700 HK0,1 mm Średnie wskazanie przyrządu działki Average device indications, plots 550/ 2 2,9 0,101 26 550/ 9 2,4 0,168 62 550/ 23 2,4 0,240 130 550/ 48 2,4 0,311 176

ZaleŜność wskazań przyrządu Wirotest 03 od grubości warstwy g700 HK0,1 stali Orvar

Supreme opisuje równanie podane w tablicy 3. Wyniki wskazań przyrządu Wirotest 302 w zaleŜności od grubości stref ε, przy uwzględ-nieniu parametrów azotowania stali 38HMJ i Orvar Supreme pokazano w tablicach 4÷7 oraz na rysunkach 13 i 14.

The relationship of the Wirotest 03 indica-tions to the thickness of the g700 HK0,1 layer

of the Orvar Supreme steel is described by the equation stated in Table 3.

The Wirotest 302 indications depending on the thickness of the

ε

Tablica 3. Opis zaleŜności wskazań przyrządu Wirotest 03 od grubości warstwy azotowanej g700 HK0,1 stali Orvar Supreme

Table 3. Description of the relationship between the Wirotest 03 indications and the thickness of the , g700 HK0,1

nitrided layer of the Orvar Supreme steel Parametry azotowania Nitriding parameters Temp., °C Np, atm-0,5 Równanie Equation Współczynnik Coefficient R2 550 2,9÷2,4 y = 1798,2x2 + 148,02x R2 = 0,995

Tablica 4. Wpływ grubości pierwotnej strefy ε na wskazania przyrządu Wirotest 302 w zaleŜności od parametrów azotowania (T, Np, czas) stali 38HMJ

Table 4. The influence of the primary ε zone thickness on the indications of the Wirotest 302 indications depending on the nitriding parameters ( T, Np, time) of the 38HMJ steel

Parametry azotowania Nitriding parameters Temperatura, °C/ czas, godz. Np atm-0,5 Grubość strefy ε Zone ε thickness µm

Średnie wskazanie przy-rządu działki Average device indications plots 550/ 2 2,9 3,7 118 550/ 9 2,4 12,9 95 550/ 23 2,4 21,8 41 550/ 48 2,4 25,6 -45

Tablica 5. Wpływ grubości strefy fazy ε po zeszlifowaniu 0,003 mm na wskazania przyrządu Wirotest 302 w zaleŜności od parametrów azotowania (T, Np, czas) stali 38HMJ

Table 5. The influence of phase ε thickness after 0.003 mm had been ground off on the indications of the Wirotest 302 device depending on the nitriding parameters (T, Np, time) of the 38HMJ steel

Parametry azotowania Nitriding parameters Temperatura, °C/ czas, godz. Np atm-0,5 Grubość strefy ε Zone ε thickness µm Średnie wskazanie przyrządu działki Average device indications plots 550/ 2 2,9 3,7 118 550/ 9 2,4 9,9 99 550/ 23 2,4 18,8 44 550/ 48 2,4 22,6 -39 -50 -40 -30 -20 -100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 0 5 10 15 20 25 30 Grubość strefy ε, µm W s k a z a n ia p rz y rz ą d u , d z ia łk i. 38HMJ 550 oC Np=2,9-2,4 Częstotliwość 50 kHz Szlifowani

Rys. 13. Wpływ grubości strefy fazy ε i ubytku grubości strefy tej fazy wskutek szlifowania na wskazania przyrządu Wirotest 302 w zaleŜności od parametrów azotowania (T, Np, czas 2÷48 godz.) stali 38HMJ

Fig. 13. The influence of the thickness of phase ε and its thickness reduction due to grinding on the indications of the Wirotest 302 device depending on the nitriding parameters (T, Np , time 2÷48 hours) on the 38HMJ steel

Tablica 6. Wpływ grubości pierwotnej strefy ε na wskazania przyrządu Wirotest 302 w zaleŜności od parametrów azotowania (T, Np, czas) stali Orvar Supreme

Table 6. The influence of the primary ε zone thickness on the indications of the Wirotest 302 indications depending on the nitriding parameters (T, Np, time) of the Orvar Supreme steel

Parametry azotowania Nitriding parameters Temperatura, °C/ czas, godz. Np atm-0,5 Grubość strefy ε Zone ε thickness µm Średnie wskazanie przyrządu działki Average device indications plots 550/ 2 2,9 2,9 119 550/ 9 2,4 10,9 103 550/ 23 2,4 15,6 92 550/ 48 2,4 19,1 17

Tablica 7. Wpływ grubości stref fazy ε po zeszlifowaniu ok. 0,003 mm na wskazania przyrządu Wirotest 302 w zaleŜności od parametrów azotowania (T, Np, czas) stali Orvar Supreme

Table 7. The influence of zone ε thickness after about 0.003 mm had been ground off on the indications of the Wirotest 302 device depending on the nitriding parameters (T, Np. time, hours) on the Orvar Supreme steel

Parametry azotowania Nitriding parameters Temperatura, °C/ czas, godz. Np atm-0,5 Grubość strefy ε Zone ε thickness µm Średnie wskazanie przyrządu działki Average device indications plots 550/ 2 2,9 2,9 119 550/ 9 2,4 7,9 106 550/ 23 2,4 12,6 94 550/ 48 2,4 16,1 23 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 0 5 10 15 20 Grubość strefy ε, µm W s k a z a n ia p rz y rz ą d u , d z ia łk i. Orvar Supreme 550 oC Np=2,9-2,4 Częstotliwość 50 kHz Szlifowanie

Rys. 14. Wpływ grubości stref fazy ε i ubytku grubości strefy tej fazy wskutek szlifowania na wskazania przyrządu Wirotest 302 w zaleŜności od parametrów azotowania (T, Np, czas 2÷48 godz.) stali Orvar Supreme

Fig. 14. The influence of the thickness of phase ε and its thickness reduction due to grinding on the indications of the Wirotest 302 device depending on the nitriding parameters (T, Np , time 2÷48 hours) on the Orvar Supreme steel

Tablica 8. Opis zaleŜności wskazań przyrządu Wirotest 302 od grubości stref fazy ε stali 38HMJ i Orvar Supreme po azotowaniu gazowym, z uwzględnieniem parametrów azotowania (T, Np, czas 2÷48 godz.)

i ubytku grubości stref fazy ε wskutek szlifowania ok. 0,003 mm

Table 8. Description of the relationship of the Wirotest 302 indications on the thickness of phase ε zones of the 38HMJ and Orvar Supreme steels after gas nitriding, with the incorporation of the nitriding parameters

(T, Np, time 2÷48 hours) and the phase ε zone thickness reduction by about 0.003 mm due to grinding Parametry azotowania

Nitriding parameters

Stal

Steel _{Temp., °C} Np, atm-0,5

Równanie Equation Współczynnik Coefficient R2 38HMJ 550 2,9÷2,4 y = -0,423x2 + 5,66x + 103 0,964 38HMJ szlifowana 38HMJ ground 550 2,9÷2,4 y = -0,483x 2 + 4,88x + 107 0,972 Orvar Supreme 550 2,9÷2,4 y = -0,629x2 + 8,06x + 101 0,913 Orvar Supreme szlifowana/ground 550 2,9÷2,4 y = -0,749x2 + 7,44x + 104 0,932

Związek wskazań przyrządu Wirotest 302 od grubości strefy fazy ε i ubytku grubości tej fazy wskutek szlifowania podają równania za-mieszczone w tablicy 8.

4. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ W wyniku procesu azotowania gazowego stali 38HMJ i Orvar Supreme w temperaturze 550°C przy potencjale azotowym Np = 2,9÷2,4 atm-0,5 w czasie od 2 godz. do 48 godzin po-wstały warstwy azotowane składające się ze strefy fazy ε przy powierzchni badanych stali i strefy dyfuzyjnej α pod strefą azotków Ŝelaza.

Grubość strefy azotków ε na stali kon-strukcyjnej 38HMJ była większa w porówniu z grubością tej fazy otrzymaną na stali na-rzędziowej Orvar Supreme (rys. 1, 2 i 8). Po-dobnie większą efektywną grubość warstwy azotowanej wykazywała stal konstrukcyjna niŜ stal narzędziowa do pracy na gorąco (rys. 1, 2, 9 i 10).

Średnie parametry profilu chropowatości Ra, Rt i Rz były mniejsze dla stali Orvar Su-preme, co związane było z większą twardością powierzchniową Rockwella HRC tej stali po ulepszeniu cieplnym i większą mikrotwardo-ścią HK 0,1 strefy przypowierzchniowej po azotowaniu gazowym. Azotowanie gazowe w temperaturze 550 °C w czasie 2 godzin przy potencjale azotowym Np = 2,9 atm-0,5 nie po-woduje zmian średnich parametrów profili chropowatości stali 38HMJ i Orvar Supreme w porównaniu ze stanem wyjściowym - po ulepszeniu cieplnym obu stali. Zwiększanie czasu azotowania gazowego powodowało nie-znaczne zwiększenie średnich parametrów chropowatości obu badanych stali. ZaleŜność ta była wyraźniejsza w przypadku stali Orvar Supreme (rys. 3÷5).

Zgodnie z oczekiwaniami, zaleŜności wskazań przyrządu Wirotest 03 od grubości efektywnej warstwy azotowanej, przy często-tliwości prądu magnesującego 1 kHz dla stali 38HMJ i 3,4 kHz dla stali Orvar Supreme, były rosnące ze wzrostem grubości warstwy i zbliŜone do liniowych.

The relationship between the Wirotest 302 indications and the thickness of phase

ε

4. DISCUSSION OF THE INVESTIGATION RESULTS

The process of gas nitriding of the 38HMJ and Orvar Supreme steels at the temperature of 550 oC at the nitrogen potential of Np = 2.9÷2.4

atm-0.5 for the time of 2 to 48 hours has resulted in the formation of nitrided layers consisting of a zone of phase

ε

α

The thickness of the nitride zone

ε

The average parameters of the roughness profile, Ra, Rt and Rz were smaller for the Or-var Supreme steel, which was related to the larger Rockwell hardness (HRC) of the surface of that steel after toughening and to the larger HK 0.1 microhardness of the zone near the surface after gas nitriding.

Gas nitriding at the temperature of 550 oC for the time of 2 hours with the nitrogen poten-tial of Np =2.9 atm-0.5 does not cause changes

the average parameters of the roughness pro-files of the 38HMJ and Orvar Supreme steels as compared to the initial state – after toughen-ing of both steels. Extension of the gas nitrid-ing time resulted in a slight increase of the av-erage parameters of roughness of both steels under investigation. The relationship was more clear in the case of the Orvar Supreme steel (fig. 3÷5).

As has been expected, the relationship of the Wirotest 03 indications to the effective thickness of the nitrided layer, with the magne-tizing current frequency of 1 kHz for the 38HMJ steel and 3,4 kHz for the Orvar Supreme steel, were increasing with the growth of the layer thickness and close to linear.

Związki wskazań przyrządu Wirotest 302 od grubości stref azotków ε obu badanych stali, przy częstotliwości 50 kHz, najlepiej opisują funkcje wielomianowe drugiego stopnia. Funk-cje te mają charakter malejący ze wzrostem grubości strefy fazy ε.

Zeszlifowanie ręczne powierzchni próbek o ok. 0,003 mm spowodowało, w przypadku stali 38HMJ i Orvar Supreme, przesunięcie punktów pomiarowych w kierunku mniejszych grubości strefy azotków i większych wskazań przyrządu wiroprądowego (rys. 13 i 14), po-wodując niewielką zmianę współczynników linii zaleŜności wskazań przyrządu Wirotest 302 od grubości strefy azotków Ŝelaza (tablica 8).

Nie stwierdzono istotnych róŜnic parame-trów chropowatości azotowanych próbek z obu stali, które przeszlifowano po azotowaniu (ta-blica 1 i 2).

Wzrost wskazań przyrządu wiroprądowego wskutek szlifowania powierzchni spowodowa-ny był w większej mierze zwiększeniem kon-taktu przetwornika wiroprądowego z badaną powierzchnią poprzez usunięcie warstewki tlenków Ŝelaza, strefy z porami i zmniejszenie chropowatości powierzchni, niŜ wskutek zmniejszenia grubości strefy azotków Ŝelaza, przy stosowanej częstotliwości prądu magnesu-jącego.

5. WNIOSKI

1) Azotowanie gazowe ulepszonych cieplnie stali 38HMJ i Orvar Supreme w tempera-turze 550 °C w czasie od 2 godzin do 48 godzin przy potencjale azotowym w zakre-sie 2,9÷2,4 atm-0,5 powoduje nieznaczne zwiększenie chropowatości powierzchni. 2) Zmniejszenie chropowatości powierzchni,

usunięcie warstewki tlenków Ŝelaza, strefy porowatej wskutek szlifowania azotowanej powierzchni powoduje zmniejszenie odda-lenia przetwornika wiroprądowego i tym samym zwiększenie amplitudy jego wska-zania (o ok. 5 działek) oraz ma korzystny wpływ na precyzję pomiaru grubości strefy azotków Ŝelaza metodą prądów wirowych.

The relations of the Wirotest 302 indica-tions to the thickness of the

ε

ε

Manual grinding of about 0.003 mm off the surface has resulted in a swift of the mea-suring points towards the smaller thicknesses of the nitride zone and higher indications of the eddy current device (fig 13 and 14) causing a slight change of the coefficients of the lines of Wirotest 302 indication dependence on the thickness of the iron nitride zone (table 8).

No significant differences have been found in the roughness of nitrided samples of both steels which had been ground after nitriding table 1 and 2.

The increase of the eddy current device indications due to the surface grinding resulted from more contact of the eddy current trans-ducer with the examined surface as a result of the removal of a layer of iron nitrides, the po-rous zone and reduction of surface porosity rather than as a consequence of the reduction of the iron nitride zone thickness, with the mag-netizing current frequency applied.

5. CONCLUSIONS

1) Gas nitriding of toughened 38HMJ and Orvar Supreme steels at the temperature of 550 oC for the period of 2 to 48 hours, with the nitrogen potential in the range of 2.9÷2.4 atm-0.5 results in a slight increase of the surface roughness.

2) Reduction of the surface roughness, removal of the layer of iron nitrides, the porous zone as result of grinding of the nitrided surface reduces the distance of the eddy current transducer and, consequently, increases the amplitude of its indication (by about 5 plots). It also has an advantageous influ-ence on the precision of the iron nitride zone thickness by the eddy current method.

Pracę zrealizowano w ramach działalności statutowej BB 901 69 003 Instytutu Obróbki Plastycznej w Poznaniu.

The work has been performed within statute activity BB 901 69 003 of the Metal Forming Institute in Poznań.

LITERATURA/REFERENCES

[1] Pachutko B., Małdziński L.: Nieniszczące badania stref azotków Ŝelaza i warstw azotowanych na stalach 38HMJ i WCL za pomocą przyrządów Wirotest. Obróbka Plastyczna Metali 2008 nr 1 s. 73-81.

[2] Pachutko B., Małdziński L.: Ocena grubości warstw azotowanych na stalach 38HMJ i WCL za pomocą przyrzą-dów Wirotest. Obróbka Plastyczna Metali 2010 nr 1 s. 21-35.

[3] Dobrzański L., Hajduczek E., Marciniak J., Nowosielski R.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna materiałów narzę-dziowych. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne. Warszawa 1990.

[4] Szawłowski J., Kamiński L., Skoczylas A.: Warstwy azotowane w stalach WLV i WCLV – stabilność mikrostruk-tury i własności. InŜynieria Materiałowa 2002 nr 5 s. 305-310.

[5] Akhtar S.S., Arif A.F.M., Yilbas B.S., Sheikh A.K.: Influence of surface preparation on the kinetics of controlled gas-nitrided AISI H13 steels used in extrusion dies. Journal of Materials Engineering and Performance April 2010 vol. 19 (3) s.347-355.