Widok Właściwości azotowanych powłok regeneracyjnych

Prof. dr hab. inŜ. Leopold BERKOWSKI

Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań e-mail: inop@inop.eu

Właściwości azotowanych powłok

regeneracyjnych

The properties of nitrided regenerative coatings

Streszczenie

W pracy przedstawiono wyniki badań wybranych powłok regeneracyjnych nałoŜonych na próbki róŜnymi meto-dami i azotowanych w róŜny sposób (azotowanie jonowe i gazowe). Badano zmiany geometrii powierzchni po azotowaniu, wyznaczono profile twardości powłok przed i po azotowaniu oraz przeprowadzono próby ścierania. Badania wykazały, Ŝe azotowanie nie powoduje istotnego wzrostu odporności na ścieranie powłok ze stali sto-powych i powłok ze stopu niklu, które wykazały odporność na zuŜycie jeszcze przed obróbką cieplno-chemiczną. Korzystne skutki azotowania stwierdzono na powłokach ze stali SpG3-S1.

Abstract

The paper presents examination results of selected regenerative coatings applied on to the samples by various methods and nitrided in various ways (ion and gas nitriding). Surface geometry changes after nitriding have been examined, coating hardness profiles before and after nitriding have been determined abrasion tests have been performed. The investigation has shown that nitriding does not result in a significant increase of abrasion resistance of alloy steel coatings and coatings of nickel alloy which have revealed wear resistance prior to the thermochemical treatment. Advantageous results of nitriding have been found on coatings of SpG3-S1 steel.

Słowa kluczowe: obróbka powierzchniowa, powłoki regeneracyjne, azotowanie, twardość, odporność na ścieranie Key words: surface treatment, regenerative coatings, nitriding, hardness, abrasion resistance

1. WSTĘP

Jakość obiektów technicznych (środków transportu, maszyn i narzędzi) zaleŜy przede wszystkim od jakości współpracujących ze sobą elementów, zwłaszcza tych, przenoszą-cych duŜe obciąŜenie. O trwałości elementów maszyn decyduje wybrana technologia wytwa-rzania. Pierwsza połowa dwudziestego wieku to rozwój podstawowych sposobów obróbki; skrawania, obróbki plastycznej, obróbki ciepl-nej, a takŜe technik łączenia części spawaniem. Po drugiej wojnie światowej duŜego znaczenia nabrały technologie złoŜone, jak obróbka cieplno-plastyczna, przy której wykorzystano skutki dwóch technologii, obróbki cieplnej i plastycznego kształtowania metali oraz tech-nologie z dziedziny inŜynierii powierzchni, techniki tworzenia warstw wierzchnich i nakła-dania róŜnego rodzaju powłok [1].

1. INTRODUCTION

The quality of technical object (means of transport, machines and tools) depends mainly on the quality of elements cooperating with each other, especially those under high loads. The life of machine elements is deter-mined by the selected manufacturing techno-logy. The firs half of the twentieth century has witnessed the development of the basic methods of processing: machining, metal forming, heat treatment, as well as the tech-niques of parts bonding by welding. After the second world war, combined technologies, such as heat treatment and plastic forming, in which the effects of heat treatment and metal forming have been utilized, have gained importance, as well as technologies in the range of surface engineering, techniques of creation surface layers and applying various kinds of coatings [1].

Wytwarzanie wysokiej jakości elementów maszyn przy niskich kosztach wykonania wy-maga wykorzystania współczesnej wiedzy w tym zakresie. Rozwiązaniem jest stosowanie wybranych technik inŜynierii powierzchni, tworzenie powłok spawalniczych na elemen-tach wykonanych z tanich materiałów. Począt-kowo techniki te naleŜały do technik regenera-cyjnych elementów maszyn i narzędzi, lecz z uwagi na nierówności powierzchni warstw wymagały dodatkowej, kosztownej obróbki. Rozwój technologii inŜynierii powierzchni, moŜliwość otrzymywania dowolnie cienkich, dokładnych warstw i powłok sprawił, Ŝe stały się one takŜe technikami stosowanymi przy produkcji nowych obiektów. W przypadku regeneracji (przed nakładaniem warstwy) po-wierzchnia wymaga jednak odpowiedniego przygotowania, usunięcia pozostałych po eks-ploatacji warstw i powłok.

W artykule przedstawiono wyniki wstęp-nych badań nad oceną skutków technologii obejmującej nakładanie powłoki i dodatkowe jej azotowanie, celem zwiększenia odporności na ścieranie. Równolegle, podobne próby, pod-jęto w pracy [2]. Badania azotowanych powłok otrzymanych podczas laserowego stopowania warstw na narzędziach do obróbki plastycznej przedstawiono w pracach [3 i 4]. W toku ba-dań, opisanych w niniejszej publikacji, starano się uzyskać odpowiedź na następujące pytania: • Które z badanych powłok, takŜe azotowa-nych, moŜna stosować na narzędzia do ob-róbki plastycznej oraz na elementy maszyn naraŜone podczas eksploatacji na duŜy uby-tek masy w wyniku tarcia?

• Jakie są skutki azotowania powłok; zmiany geometrii powierzchni, profilu twardości, wzrost odporności na zuŜycie cierne?

2. SPOSÓB OBRÓBKI POWIERZCH-NIOWEJ. MATERIAŁ I ZAKRES BA-DAŃ

ZałoŜono, Ŝe technologia będzie realizo-wana według dwóch ścieŜek, ujętych schema-tycznie na rys. 1; jedna ścieŜka dla nowych, druga dla eksploatowanych wyrobów. Wyroby po eksploatacji wymagają dodatkowej obróbki, usunięcia pozostałej warstwy.

Manufacturing high quality machine parts at low production costs requires utilization of contemporary knowledge relevant to it. The solution is the application of selected sur-face engineering techniques, creation of wel-ding coatings on elements made of cheap mate-rials. Initially, those techniques were included in the regeneration techniques of machine parts and tools, but, due to the uneven surface profiles of the layers, they required additional expensive machining. The development of sur-face engineering technologies, the possibility of obtaining very thin, precise layers and coa-tings resulted in that they have become tech-niques applied in the production of new ob-jects. In the case regeneration (before the coa-ting is applied) the surface has to be ade-quately prepared, the layers and coatings left after exploitation must be removed.

The paper presents the results of initial investigation of the effects of the technology including application of a coating and addi-tional nitriding of it in order to improve the abrasion resistance. Similar tests have been undertaken in work [2]. Examination of ni-trided coatings obtained in laser application of layers on metal forming tools has been de-scribed in works [3 and 4]. The investigation described in this paper was intended to get answers to the following questions:

● Which of the coatings under investigation, including the nitrided ones, can be used for metal forming tools and machine elements exposed to large loss of mass due to abra-sion?

● What are the results of coating nitriding; changes surface geometry, hardness profile, better resistance to abrasion wear ?

2. THE WAY OF SURFACE PROCESSING. INVESTIGATION MATERIAL AND SCOPE

It has been assumed that the technology will be realized along two paths, schematically shown in fig. 1; one of the paths for new pro-ducts, the other for exploited ones. Exploited products require additional machining, re-moval of the layer left.

Rys. 1. Sposób obróbki (azotowania) regenerowanych części maszyn i narzędzi Fig.1. The way of processing (nitriding) regenerated machine parts and tools

W przypadku warstwy wierzchniej, azotowa-nej, w wysokiej temperaturze napawania, mogą tworzyć się pęcherze, a pozostała powłoka sprzyja powstawaniu warstw o nieprzewidy-walnym składzie chemicznym.

2.1. Materiał badań

Materiałem badań była stal 45 w stanie wyŜarzonym. Powłoki nakładano na wałki o średnicy φ35 mm i długości 250 mm. Do badań mikroskopowych i do pomiarów twardo-ści próbki cięto na krąŜki o grubotwardo-ści 15 mm i dalej na mniejsze fragmenty.

2.2. Sposoby nakładania powłok

Próbki o wymiarach, jak wyŜej, napawane były drutami SPG1, SPG3-S1, PZ6054 i 60-JG, natapiane gazo-proszkowo proszkiem PM-Ni55g oraz metalizowane natryskowo drutem ze stali 4H13.

In case of a surface layer, nitrided at high tem-perature of pad welding, bubbles can arise and the remaining coating promotes formation of layers with unpredictable chemical composi-tion.

2.1. Investigation material

The material under investigation was steel 45 in the annealed state. Coatings have been applied on shafts with the diameter of

φ

2.2. The ways of coating application

The samples dimensioned as above have been pad welded with wires SPG1, SPG3-S1, PZ6054 and 60-JG, and gas-flame plated with PMNi55g powder as well as spray metalized with a 4H13 steel wire.

Wyrób/Product

Regenerowany po eksploatacji

Regenerated after exploitation

Po obróbce mechanicznej i cieplnej (nowy)

After machining and heat treatment (new)

Usuwanie zuŜytej warstwy

Removal of the wornlayer

Nakładanie powłoki Coating application Obróbka ubytkowa Decremental processing Azotowanie Nitriding

Tablica 1. Metody nakładania warstw regeneracyjnych oraz skład chemiczny materiałów zastosowanych powłok w procentach

Table 1. Methods of applying regenerative layers and chemical composition of the coating materials. Contents in percentage

Metoda

Methode

Materiał

Material C Mn Si Pmax Smax Cr Ni Cu Mo

Inne Others NEW SpG1 0,1 0,35 -0,65 max 0,3 0,03 0,03 - - - - - NEW SPG3-S1 0,1 1,3 -1,7 0,7 -1,0 0,03 0,03 max 0,25 max 0,3 - - - NEW PZ6054 0,15 0,25 2,5 - - 9,5 - 0,2 - - NEW 650-JG 0,36 - - - - 5,1 - - 1,4 - NGP PMNi55g 3 - - - - 7 reszta the rest - - Femax 4 MN 4H13 0,36 max 0,8 0,8 0,04 0,03 14 max 0,6 - - -

NEW – napawanie elektro-wibracyjne, NGP – natapianie gazo-proszkowe, MN – metalizacja natryskowa.

NEW – electro-vibration pad welding, NGP – gas-powder flame plating, MN – metal spraying.

Skład chemiczny materiałów regeneracyjnych według norm PN-88/M-69420 i PN-71/H-86020 podano w tablicy 1. Obecnie, zamiast normy 88/M-69420 stosuje się normy: EN ISO 14343:2010, EN 14341:2008, PN-EN 756:2005 i PN-PN-EN 636:2008, a zamiast normy PN-71/H-86020 - normę PN-EN 10088-1:2007.

2.3. Azotowanie powłok

Zastosowano dwa sposoby azotowania: azotowanie jonowe w mieszaninie azotu i wodoru oraz azotowanie z uŜyciem amoniaku. Azotowanie jonowe przeprowadzono w piecu typu JONIMP 900/500 w czasie ośmiu godzin, w temperaturze 520 oC. Potencjał azotowy przyjęto Np = 8,5 %.

Azotowanie gazowe przeprowadzono w piecu do azotowania z retortą, do którego – po odpowiednim wygrzaniu w temperaturze 540 oC – ładowano wsad. Próbki, podobnie jak poprzednio, azotowano w czasie ośmiu godzin, w temperaturze 520 oC. Atmosfera w retorcie pieca składała się z 70% amoniaku i 30% wo-doru. Potencjał azotowy – Np = 8,5 %.

The chemical composition of the regenerative

materials according the standards,

PN-88/M-69420 and PN-71/H-86020 can be found in table 1. Today, instead of the PN-88/M-69420, standards PN-EN ISO 14343:2010, PN-EN 14341:2008, PN-EN 756:2005 and PN-EN 636:2008 are used, as well as PN-EN 10088-1:2007 instead of PN-71/H-86020.

2.3. Nitriding of coatings

Two ways of nitriding have been applied: ion nitriding in a mixture of nitrogen and hydrogen and nitriding with the use of ammonia. Ion nitriding has been effected in a JONIMP 900/500 furnace, for eight hours at 520 oC. The nitrogen potential of Np = 8.5% has been adopted

Gas nitriding has been effected in a nitri-ding furnace with a retort, to which the charge has been loaded after adequate soaking at 540 oC. As before, the samples have been nitrided for eight hours at 520 oC. The atmo-sphere of the furnace retort consisted of 70% of ammonia and 30% of hydrogen. Nitrogen potential – Np= 8.5%.

2.4.Metody badawcze

Celem porównania skutków obróbki po-wierzchniowej przeprowadzono badania chro-powatości powierzchni próbek przed i po azo-towaniu, pomiary twardości warstw azotowa-nych oraz badania odporności warstwy wierzchniej na zuŜycie ścierne. Oceniając geometrię powierzchni próbek szlifowanych przed azotowaniem, z pomocą aparatu SURTRONIK 3, f-my Taylor-Hobson, wyzna-czano parametry chropowatości Ra, Rz, Rt i Sm wg PN-77/M-04251. Porównywano pa-rametry chropowatości powierzchni szlifowa-nej oraz po azotowaniu jonowym i gazowym.

Pomiary twardości HV0,1 przeprowadzo-no przy uŜyciu twardościomierza ZWICK– 3212 przy obciąŜeniu 0,1 kg. Pomiary wyko-nano w trzech ścieŜkach, prostopadle do po-wierzchni, w odstępach 0,04 mm.

Odporność na zuŜycie próbek azotowa-nych badano z pomocą specjalnego przyrządu zamocowanego w suporcie tokarki. Przeciw-próbkami były wałeczki ze spieku G10, o twardości około 1400 HV, zakończone cza-szą kulistą o promieniu 4,5 mm. Wstępnie wy-znaczono siłę docisku doprowadzając proces do zatarcia. Przy ocenie odporności na zuŜycie zastosowano stałą się docisku jednakową dla wszystkich próbek – 20 daN, przyjętą dla naj-słabszej warstwy regenerowanej. Pozostałymi parametrami próby były: prędkość obrotowa n = 210 obr/min i czas trwania próby tp = 15

minut. Miarą zuŜycia była szerokość ścieŜki wytarcia na pobocznicy walca.

3. WYNIKI BADAŃ

Podczas badań oceniano skutki azotowania jonowego i gazowego na próbkach z powłoka-mi nałoŜonypowłoka-mi w róŜny sposób. Przeprowa-dzono badania zmian geometrii powierzchni, oraz pomiary twardości warstw, porównując odpowiednie profile przed i po azotowaniu.

2.4. Investigation methods

In order to compare the results of surface treatment, sample surface roughness examina-tion has been performed before and after nitriding, as well as hardness measurements of the nitrided layers and examination of the surface layer abrasive wear resistance. While evaluating the surface geometry of the samples ground before nitriding, the roughness parameters, Ra, Rz, Rt and Sm, according to PN-77/M-04251 have been de-termined by means of SURTRONIK 3 appara-tus made by Taylor-Hobson. The roughness parameters of the ground surface and that after ion and gas nitriding have been compared.

The HV0.1 hardness has been measured by means of a ZWICK 3212 hardness tester with the load of 0.1 kg. The measurements were performed in three paths, perpendicularly to the surface, at intervals of 0.04 mm.

The wear resistance of nitrided samples has been examined by means of a special de-vice fixed in the slide of a lathe. Reference samples were small shafts made of G10 sinter with the hardness of about 1400 HV with ends in the form of a spherical cap of 4.5 mm radius. The pressing force has been initially deter-mined by conducting the process to the point of seizure. In the assessment of wear resis-tance, a constant pressing force of 20 daN, equal for all the samples, has been used; the force has been adopted for the weakest re-generated layer. The other test parameters were as follows: rotational speed, n = 210 rpm and test duration time, tp = 15 minutes. The measure of wear was the width of the abrasion path on the cylinder side wall.

3. INVESTIGATION RESULTS

In the investigation, the effects of ion and gas nitriding on samples with coatings applied in various ways have been assessed. Examina-tions of surface geometry changes have been performed, as well as hardness measurements of the layers have been performed to compare the corresponding profiles before and after nitriding.

Oceniono wpływ azotowania na zuŜycie po-włok nałoŜonych na próbki metodą:

• napawania elektro-wibracyjnego, • natapiania gazo-proszkowego, • metalizacji natryskowej.

3.1. Badanie chropowatości powierzchni

Wyniki pomiarów chropowatości pozwoli-ły odpowiedzieć na pytanie czy skład chemicz-ny powłoki i sposób jej nakładania wpływa na jakość powierzchni próbek po obróbce ubyt-kowej oraz jak wpływa dodatkowa obróbka cieplno-chemiczna (azotowanie) na geometrię powierzchni próbek z nałoŜonymi powłokami. Z sześciu parametrów chropowatości wyzna-czonych z pomocą urządzenia SURTRONIK 3 w artykule wyróŜniono zgodnie z PN-87/M-04256/01 (obecnie PN-EN-ISO 4287:1999) tylko trzy: Ra, Rt i Sm.

The influence of nitriding on the wear of coa-tings applied by the method of:

● electro-vibration pad welding, ● gas- powder pad welding, ● metal spraying.

3.1. Surface roughness examination

The results of roughness measurements have allowed us to answer the question whether the chemical composition of a coating and the way of its application influences the quality of samples after machining and how additional thermochemical treatment (nitri-ding) influences the surface geometry of sam-ples with coating applied. Out of the six rough-ness parameters determined by means of the SURTRONIK 3 device, only three have been pointed out in the paper in accordance with PN-87/M-04256/01 (now PN-EN-ISO 4287:1999): Ra, Rt and Sm.

Tablica 2. Średnie wartości parametrów chropowatości Ra, Rt i Sm powłok szlifowanych oraz po azotowaniu jonowym i gazowym

Table 2. Average values of the Ra, Rt and Sm roughness parameters of ground coatings and ones after ion and gas nitriding

Napawanie elektro-wibracyjne

Electro-vibration pad welding

Napawanie gazoproszkowe Gas-powder flame plating Metalizacja natryskowa Metal spraying Stan powierzchni Surface condition SpG1 SpG3-S1 PZ6054 650-JG PMNi55g 4H13

Wartość parametru Ra, µm/ Ra parameter values, µm

Powierzchnia szlifowana Ground surface 0,35 0,48 0,67 0,26 0,43 0,49 Azotowanie jonowe Ion nitriding 5,42 0,49 0,85 0,35 1,14 1,90 Azotowanie gazowe Gas nitriding 1,49 1,31 1,13 0,94 1,63 1,16

Wartość parametru Rt, µm/ Rt parameter values, µm

Powierzchnia szlifowana Ground surface 7,9 6,0 6,4 2,5 6,2 9,8 Azotowanie jonowe Ion nitriding 41,0 4,5 7,0 3,1 12,4 15,4 Azotowanie gazowe Gas nitriding 12,7 12,3 12,9 10,0 14,5 10,6

Wartość parametru Sm, µm/ Sm parameter values, µm

Powierzchnia szlifowana Ground surface 33 16 18 23 24 34 Azotowanie jonowe Ion nitriding 225 25 39 25 40 125 Azotowanie gazowe Gas nitriding 38 41 37 34 46 41

Na kaŜdej próbce, na odcinku pomiarowym 0,80 mm wykonano po 10 pomiarów. W tabli-cy 2 porównano parametry chropowatości po-wierzchni szlifowanej oraz po azotowaniu jo-nowym i gazowym (rys. 2 , 3 i 4).

On each sample, on a measurement section of 0.80 mm, 10 measurements have been per-formed. A comparison of surface roughness parameters of a ground surface and ones after ion and gas nitriding can be found (table 2 and figures 2 , 3 and 4).

0 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

Sposób nakładania powłoki

W ar to ść p ar am et ru R a, µ m szlifowana azotowanie jonowe azotowanie gazowe

Rys. 2. Wpływ jakości powłoki i azotowania na wartość parametru chropowatości Ra, µm: 1 - SpG1, 2 – SpG3-S1, 3 – PZ6054, 4 – 650-JG, 5 – PMNi55g, 6 – 4H13

Fig. 2. The influence of coating and nitriding quality on the value of the roughness parameter, Ra, µm: 1 - SpG1, 2 – SpG3-S1, 3 – PZ6054, 4 – 650-JG, 5 – PMNi55g, 6 – 4H13 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1 2 3 4 5 6

Sposób nakładania powłoki

W ar to śc p ar am et ru R t, m m szlifowana azotowanie jonowe azotowanie gazowe

Rys. 3. Wpływ jakości powłoki i azotowania na wartość parametru chropowatości Rt, µm, oznaczenia powłok jak na rys. 2

Fig. 3. The influence of coating and nitriding quality on the value of the roughness parameter, Rt, µm, coating designations as in fig. 2

0 50 100 150 200 250 1 2 3 4 5 6

Sposób nakładania powłoki

W ar to śc p ar am et ru S m , µ m szlifowana azotowanie jonowe azotowanie gazowe

Rys. 4. Wpływ jakości powłoki i azotowania na wartość parametru chropowatości Sm, µm, oznaczenia powłok jak na rys. 2

Fig. 4. The influence of coating and nitriding quality on the value of the roughness parameter, Sm, µm, coating designations as in fig. 2

Z porównania wybranych parametrów chropowatości powierzchni próbek szlifowa-nych wynika, Ŝe zaleŜą one w niewielkim stop-niu od składu chemicznego nałoŜonej powłoki. Średnia wartość Ra próbek szlifowanych mie-ściła się w granicach od 0,26 do 0,67 µm, Rt – od 2,5 do 9,8 µm, a Sm – 16 – 34 µm. W górnej granicy mieściły się parametry chro-powatości próbek po metalizacji natryskowej.

Po azotowaniu parametry chropowatości na ogół wzrosły, bardziej po azotowaniu gazo-wym. Wynika to przypuszczalnie z odmien-nych warunków procesu. I tylko próbki po metalizacji natryskowej stalą 4H13 oraz po napawaniu elektroiskrowym drutem SPG1 (w tym przypadku, po azotowaniu jonowym, stwierdzono wyraźny wzrost parametrów chro-powatości) wykazały odmienne tendencje.

3.2. Pomiary twardości

Pomiary twardości HV0,1 prowadzono na głębokość do około 0,2 mm, gdyŜ do takiej głębokości sięgała strefa próbki ulepszona po-włoką nałoŜoną elektro-wibracyjnie, gazo-proszkowo lub po metalizacji natryskowej.

The comparison of the selected surface roughness parameters of the ground samples indicates that they depend on the chemical composition of the coating applied only to a small extent. The average Ra value of the ground samples was within the range of 0.26 to 0.67

µ

µ

µ

After nitriding, the roughness parameters increased, more after gas nitriding. And only the samples after metal spraying with 4H13 steel and after electric spark pad welding with SPG1 wire have revealed different tendencies (in this case, after ion nitriding, a clear increase of roughness parameters has been observed).

3.2. Hardness measurements

HV0.1 has been measured to the depth of about 0.2 mm because this was the depth of the zone improved with the coating applied by electro-vibration, gas-powder methods or after metal spraying.

Twardość próbki Ŝe stali 45 w stanie dostawy wynosiła około 200 HV0,1 i w zaleŜności od sposobu nakładania warstwy i właściwości powłoki ulegała zmianie.

Powłoki napawane elektro-wibracyjnie drutem SpG1 (rys. 5) i SpG3-S1 (rys. 6) nie wykazały zmian twardości warstwy; w drugim przypadku nastąpiło niewielkie obniŜenie twardości. Natomiast profile twardości warstw azotowanych wyraźnie się między sobą róŜni-ły. Po azotowaniu jonowym nastąpił niewielki wzrost twardości, malejący w miarę oddalania się do powierzchni próbki. Po azotowaniu ga-zowym wzrost twardości był znaczny, o około 700 jednostek (j.)HV0,1 i kończył się raptow-nie na głębokości odpowiednio: w przypadku stali SpG1 - 0,7 mm i SpG3-S1 - 0,5 mm.

NałoŜenie powłok napawaniem elektro-wibracyjnym drutem PZ6054 (rys. 7) i drutem 650-JG (rys.8) spowodowało wzrost twardości próbek; w pierwszym przypadku o około 400 j.HV0,1, w drugim - o około 600 j.HV0,1, lecz skutki utwardzenia były mniejsze, zaleŜne od utwardzenia próbek spowodowanych napawaną powłoką. W przypadku powłoki PZ6054 twar-dość warstwy przy powierzchni wzrosła o oko-ło 400 j.HV0,1, przy czym po azotowaniu jo-nowym jej grubość dochodziła do około 0,1 mm.

The hardness of a 45 steel sample as delivered was about 200 HV0.1 and changed depending on the way of coating application and the layer properties.

The coatings pad welded by the electro-vibration method with wires SpG1 (fig. 5) and SpG3-S1 (fig. 6) have not revealed changes of the layer hardness; in the latter case a slight hardness drop took place. On the other hand, the hardness profiles of nitrided layers differed from each other clearly. After ion nitriding, a slight increase of hardness occurred, drop-ping as the distance from the sample surface increased. After gas nitriding, hardness increase was significant amounting about 700 units (j.) HV0.1 and it stopped rapidly at the depth of 0.7 mm in the case of SpG1 steel and 0.5 mm in the case of SpG3-S1.

Coating application by electro-vibration pad welding with a PZ6054 wire (fig. 7) and 650-JG wire (fig. 8) has resulted in an increase of the sample hardness; in the first case by about 400 units HV0.1, in the second case by about 600 units, depending on the sample hardening due to the pad welded coating. In the case of the PZ6054 coating, the surface layer hardness has increased by about 400 units HV0.1, with its thickness after ion nitri-ding amounting about 0.1 mm.

0 200 400 600 800 1000 1200 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Odległość od powierzchni, mm T w ar d o ść , H V 0 ,1 nieazotowane azotowanie jonowe azotowanie gazowe

Rys. 5. Rozkłady HV0,1 powłoki napawanej elektro-wibracyjnie drutem ze stali SpG1 Fig. 5. HV0.1 distributions of a coating electro-vibration pad welded with SpG1 steel wire

0 200 400 600 800 1000 1200 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 Odległość od powierzchni, mm T w ar d o ść , H V 0 ,1 nieazotowane azotowanie jonowe azotowanie gazowe

Rys. 6. Rozkłady HV0,1 powłoki napawanej elektro-wibracyjnie drutem ze stali SpG3-S1 Fig. 6. HV0.1 distributions of a coating electro-vibration pad welded with SpG3-S1 steel wire

0 200 400 600 800 1000 1200 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 Odległość od powierzchni, mm T w ar d o ść , H V 0 ,1 nieazotowane azotowanie jonowe azotowanie gazowe

Rys. 7. Rozkłady HV0,1 powłoki napawanej elektro-wibracyjnie drutem ze stali PZ6054 Fig. 7. HV0.1 distributions of a coating electro-vibration pad welded with PZ6054 steel wire

0 200 400 600 800 1000 1200 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 Odległość od powierzchni, mm T w ar d o ść , H V 0 ,1 nieazotowane azotowanie jonowe azotowanie gazowe

Rys. 8. Rozkłady HV0,1 powłoki napawanej elektro-wibracyjnie drutem ze stali 650-JG Fig. 8. HV0.1 distributions of a coating electro-vibration pad welded with 650-JG steel wire

Po azotowaniu gazowym warstwa zalegała głębiej, a jej grubość przekraczała 0,3 mm. W drugim przypadku wzrost twardości powło-ki był niewielpowło-ki (w granicach błędu) i niezaleŜ-ny od sposobu azotowania.

Na rys. 9 przedstawiono profile twardości próbek natapianych gazo-proszkowo. Z rysun-ku wynika, Ŝe proces powoduje wzrost twardo-ści próbek, na głębokotwardo-ści występowania włoki, o około 400 j.HV0,1, a azotowanie po-woduje jej obniŜenie o około 100 j.HV0,1. Widać ponadto, Ŝe azotowanie jonowe, podob-nie jak w poprzednich przypadkach, daje war-stwę cieńszą (do około 0,2 mm), o monoto-nicznie zmniejszającej się twardości, natomiast azotowanie gazowe – grubszą, dochodzącą do 0,6 mm. Nierównomierne (na grubości) war-stwy wskazują na segregacje składników sto-powych w tych warstwach. Powłoka (podobnie jak na rys. 7 i 8) nie została równomiernie na-łoŜona. Wzrost twardości próbek na głęboko-ści, po róŜnych obróbkach, nie był jednakowy.

Metalizacja natryskowa stalą 4H13 (rys. 10) nie spowodowała wzrostu twardości próbki. Natomiast przyrosty twardości i grubości warstw azotowanych były w tym przypadku największe. Przyrosty twardości wynosiły około 600 j.HV0,1, a grubości warstw po azotowaniu jonowym i gazowym - odpowiednio 0,7 i 0,9 mm.

After gas nitriding, the layer lay deeper and its thickness exceeded 0.3 mm. In the latter case, there was only a small increase of the layer hardness (within the limits of error) and it was independent of the way of nitriding.

Fig. 9 presents hardness profiles of sam-ples subjected to gas-powder pad welding. The figure shows that the process causes an increase of the sample hardness, at the depth of the coating presence, by about 400 units (HV0.1) while nitriding causes its reduction by about 100 units. It can also be seen that ion nitriding, like in the previous cases, results in a thinner layer (up to about 0.2 mm), with monotonically decreasing hardness, while gas nitriding in a thicker layer amounting to 0.6 mm. The unevenly thick layers indicate seg-regations of the alloy components in those layers. The layer (like in fig.7 and 8) has not been evenly applied. The sample hardness increase in their depth, after various processing, was not the same.

Metal spraying with 4H13 steel (fig. 10) has not resulted the sample hardness increase. The nitrided layer hardness and thickness increases, on the other hand, were the largest in this case. Hardness increases were about 600 HV0.1 unit; the layer thickness after ion and gas nitriding – 0.7 and 0.9 mm, respec-tively. 0 200 400 600 800 1000 1200 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 Odległość od powierzchni, mm T w ar d o ść , H V 0 ,1 nieazotowane azotowanie jonowe azotowanie gazowe

Rys. 9. Rozkłady HV0,1 powłoki po natapianiu gazo-proszkowym, proszek PMNi55g Fig. 9. HV0.1 distributions of a coating after gas-powder flame plating, powder PMNi55g

0 200 400 600 800 1000 1200 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Odległość od powierzchni, mm T w ar d o ść , H V 0 ,1 nieazotowane azotowanie jonowe azotowanie goazowe

Rys. 10. Rozkłady HV0,1 powłoki po metalizacji natryskowej stalą 4H13 Fig. 10. HV0.1 distributions after spraying with 4H13 steel

Analiza wyników pomiarów twardości wykazała, Ŝe właściwości powłoki zaleŜą od składu chemicznego warstwy i sposobu ich nakładania. Właściwości powłok, a zwłaszcza skład chemiczny wpływają na dyfuzję azotu. Wynika to prawdopodobnie z większej podaŜy atomów azotu do warstwy. Stąd, róŜne profile twardości, zaleŜne takŜe od warunków azoto-wania. Azotowanie gazowe pozwala osiągnąć grubsze i twardsze warstwy niŜ azotowanie jonowe, a ich profile zaleŜą od składu che-micznego, właściwości powłoki.

3.3. Badanie odporności na zuŜycie

Badanie odporności na zuŜycie cierne, przez porównanie osiemnaście róŜnych warian-tów obróbki wykazało (rys. 11), Ŝe właściwość ta zaleŜy przede wszystkim od składu che-micznego powłoki, a dodatkowe azotowanie powoduje zwiększenie tej odporności. Z bada-nych powłok, najtrwalszą okazała się powłoka PMNi55g nałoŜona podczas natapiania gazo-proszkowego; azotowanie tej powłoki nie spo-wodowało dalszego wzrostu odporności na zuŜycie cierne. DuŜą odpornością charaktery-zowały się powłoki napawane elektro-wibracyjnie drutem PZ6054 i drutem 650-JG, przy czym skutki azotowania były w tym przy-padku niewielkie.

The analysis of hardness measurement results has shown that the properties of coa-tings depend on their chemical composition and the way of application. Coating properties, especially their chemical composition influence nitrogen diffusion. Hence, various hardness profiles, depending also on the nitriding condi-tions. Gas nitriding allows for acquisition of thicker and harder layers than ion nitriding and their profiles depend on the coating chemical composition.

3.3. Wear resistance examination

Examination of abrasive wear resistance by comparing eighteen different variants of processing has shown that this property depends mostly on the chemical composition of the coating and additional nitriding results in an increase of that resistance. Among the coatings under examination, the PMNi55g applied by gas-powder flame plating turned out to be the most durable one; nitriding of that coating has not resulted in further growth of abrasive wear. Coatings applied by electro-vibration pad welding with PZ6054 and 650-JG wire were characterized by high resis-tance while there were only slight effects of nitriding in that case.

0 0,5 1 1,5 2 2,5 1 2 3 4 5 6

Sposób nakładania powłoki

Z u Ŝy ci e, m m nieazotowane azotowanie jonowe azotowanie goazowe

Rys. 11. Wpływ jakości powłoki i azotowania na odporność na ścieranie; szerokość ścieŜki wytarcia, mm: 1 - SpG1, 2 – SpG3-S1, 3 – PZ6054, 4 – 650-JG, 5 – PMNi55g, 6 – 4H13

Fig. 11. The influence of the coating quality and nitriding on abrasion resistance; abrasion path width, mm: 1 – SpG1, 2 – SpG3-S1, 3 – PZ6054, 4 – 650-JG, 5 – PMNi55g, 6 – 4H13

Większe znaczenie procesu azotowania miało miejsce dla przypadku napawania drutem ze stali węglowej. Wtedy, azotowanie spowodo-wało wyraźny wzrost odporności na ścieranie. Mała odpornością na ścieranie próbki napawa-nej drutem SpG1 i azotowanapawa-nej wynika prawdo-podobnie z nieodpowiednio dobranego miejsca na próbce, miejsca, w którym dyfuzja azotu prawdopodobnie nie zachodziła, a nieskuteczne przetrzymywanie w piecu spowodowało wzrost chropowatości powierzchni próbki, a potem intensywne ścieranie.

4. PODSUMOWANIE

Doskonalenie technologii nakładania po-włok, moŜliwość dokładnego sterowania pro-cesem, zwiększyło moŜliwości skutecznego jej zastosowania do polepszenia jakości elemen-tów maszyn i narzędzi, zwłaszcza do obróbki plastycznej. Badania, których wyniki zaprezen-towano w niniejszej publikacji wykazały, Ŝe skutki zastosowanych metod nakładania po-włok są róŜne, a azotowanie zmienia właściwo-ści warstwy wierzchniej i geometrię wierzchni zaleŜnie od składu chemicznego po-włoki. Badania wykazały, Ŝe:

Nitriding had a more significant effect in the case of pad welding with carbon steel wire. Then, nitriding resulted a clear increase of abrasion resistance. The small abrasion re-sistance of the sample pad welded with SpG1 wire and nitrided is probably an effect of improperly chosen location on the sample, a one where nitrogen diffusion has probably not taken place; effectless keeping in a furnace resulted in an increase of the sample surface roughness followed by intensive abrasion.

4. SUMMARY

Perfecting the technology of applying coa-tings, the possibility of the process controlling has increased the possibilities of its effective application to improve the quality of machine elements and tools, particularly those for metal forming. Investigation, the results of which have been presented in this paper, have shown that the effects of the coating application method used are various and nitriding changes the properties of the surface layer and surface geometry depending on the chemical composi-tion of the coating. The investigacomposi-tion has shown that:

1) Parametry chropowatości po szlifowaniu zaleŜą od składu chemicznego powłoki, a azotowanie powoduje na ogół wzrost tych parametrów, wyraźniejszy po azoto-waniu gazowym.

2) Powłoka, niezaleŜnie od sposobu jej na-kładania, powoduje wzrost twardości próbki, a wartość przyrostu twardości za-leŜy od składu chemicznego nałoŜonego materiału.

3) Profile twardości po azotowaniu jonowym i gazowym były róŜne. Warstwy dyfuzyjne po azotowaniu jonowym były cieńsze. Warstwy uzyskane po azotowaniu gazo-wym były grubsze i kończyły się gwał-townym spadkiem twardości.

4) Maksymalna twardość azotowanych po-włok, niezaleŜnie od sposobu ich nakłada-nia, wynosiła około 1000 HV0,1. Dlatego skutki azotowania były największe w przypadku warstw o mniejszej twardo-ści, np. po napawaniu stalą SpG1. W przy-padku powłok o duŜej twardości (rys. 8 i 10) efekt azotowania był mniejszy.

5) Największą odporność na zuŜycie wyka-zywały powłoki ze stali stopowych nało-Ŝone elektro-wibracyjnie oraz powłoki ze stopu niklu nałoŜone sposobem gazo-proszkowym. Azotowanie tych powłok nie wpłynęło istotnie na zuŜycie cierne.

6) Wyraźną poprawę odporności na ścieranie wykazały powłoki ze stali węglowych; stal SpG3-S1, lecz tylko po azotowaniu gazo-wym.

Badania wykazały, Ŝe polepszenie odpor-ności na zuŜycie skutkiem nakładania powłok i azotowania ma znaczenie tylko w przypadku powłok ze stali węglowych. Zmiany twardości powłok wysokostopowych i ze stopu niklu, choć niekiedy znaczne, nie wpływają istotnie na właściwości uŜytkowe powłoki.

1) The roughness parameters after grinding depend on the coating chemical composi-tion and nitriding in general results in an increase of those parameters, more clear after gas nitriding.

2) A coating, regardless of the way it is ap-plied, causes an increase of the sample hardness and the value of hardness in-crease depends on the chemical composi-tion of the material applied.

3) Hardness profiles after ion and gas nitri-ding were different. Diffusion layers after ion nitriding were thinner. The layers obtained after gas nitriding were thicker and ended in a rapid hardness drop. 4) The maximum hardness of nitrided

coa-tings, regardless of the way they had been applied, was about 1000 HV0.1. That is why the results of nitriding were the lar-gest in the case of layers of lower hard-ness, e.g. after pad welding with SpG1 steel. In the case of coatings with high hardness (fig. 8 and 10) nitriding had smaller effect.

5) The highest wear resistance was that of alloy steel coatings applied by the gas-powder method. Nitriding of those coa-tings did not significantly influence abra-sion wear.

6) A clear improvement of abrasion resis-tance was found in carbon steel coatings; SpG3-S1 steel, but only after gas nitriding.

The investigation has shown that improvement of wear resistance due to the application of coatings and nitriding is of importance only in the case of carbon steel coatings. Hardness changes of high-alloy coatings and ones of nickel alloys, however sometimes significant, do not much influence the utilization properties of the coating.

LITERATURA/REFERENCES

[1] Berkowski L.: MoŜliwości kojarzenia zjawisk (przemian fazowych, zgniotu i dyfuzji) w złoŜonych procesach technologicznych. Technologia maszyn. V Naukowe Warsztaty Profesorskie (Zbiór referatów), Koszalin 1999, s. 23-30, 5 rys.

[2] Kula P., Krasiński A.: Regeneracja części maszyn i pojazdów poprzez napawanie niskowęglową stalą stopową wraz z obróbką cieplno-chemiczną po napawaniu. InŜynieria Materiałowa 2002 nr 5 s. 531-534, 8 rys., 1 tab., bi-bliogr. 6 poz.

[3] Berkowski L., śaboklicki A.: Badania nad zastosowaniem techniki laserowej w obróbce roboczych powierzchni narzędzi kuźniczych. XIII Konferencja Naukowo-Techniczna pt. Konstrukcja i technologia wytłoczek i wyprasek. Poznań, 12-13.05.1997. Materiały, s. 83-90, Obróbka Plastyczna Metali 1997 nr 3 s. 19-26, 7 rys. 1 tab.

[4] Berkowski L., śaboklicki A.: Badania nad laserowym stopowaniem matryc kuźniczych proszkami WC-Co. Sympozjum pt. Obróbka plastyczna metali, technologia, narzędzia, maszyny. Mierki, 15-18.09.1997. Materiały s. 35-40, 9 rys. 1 tab.

[5] Tomaszek S.: Ocena odporności na zuŜycie warstw regenerowanych napawaniem i azotowanych. Praca dyplomo-wa. Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Poznań 2004 s. 31, 21 rys. 31 tab. biblio-gr. 14 poz.