Obdelava površine zlitine FeAl 12,5 z ionskim nitriranjem v pulzirajoči plazmi
Surfacing of FeAl 12,5 Alloy by Pulsed Plasma Nitriding
M.Torkar1, V. Leskovšek, IMT, Ljubljana
Prejem rokopisa - received: 1995-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1996-01-22
Železovi aluminidi imajo, v primerjavi z avstenitnim nerjavnim jeklom, do sedemkrat boljšo odpornost proti oksidaciji pri povišanih temperaturah. Zato predstavljajo perspektiven material za uporabo na številnih področjih, npr. v termoenergetiki, kjer pa mora pogosto imeti material tudi povečano erozijsko odpornost, zaradi delcev, ki jih nosijo s seboj vroči plini. Preizkus ionskega nitriranja površine v pulzirajoči plazmi je pokazal, da je nitriranje izvedljivo in bo tako utrjena zlitina odpornejša tudi proti eroziji.
Ključne besede: Fe-aluminid, ionsko nitriranje, trdota nitrirane površine
The oxidation resistance of iron-aluminide is about seven times higher in comparison to austenitic stainless steel. Therefore, this material will be perspective for different application, e.g. in thermoenergetics, where erosion resistance of the surface is often demanded, due the particles, travelling vvith hot gases. Pulsed-plasma nitriding test confirms that the increased hardness of the Fe-aluminide surface will probably increase the resistance of Fe-aluminide to erosion.
Key words: Fe-aluminide, ion nitriding, hardness of nitrided surface
1 Uvod in namen raziskave
Fe-, Ni- in Ti-aluminidi so, zaradi posebnih lastnosti, predmet številnih raziskav, širom po svetu. Fe-aluminidi, ki imajo odlično odpornost proti oksidaciji pri povišanih temperaturah, so zato uporabni npr. v termoenergetiki in na drugih področjih, kjer pa je poleg odpornosti proti oksidaciji potrebna tudi odpornost proti eroziji in abraziji.
Pri zgorevanju premogov namreč dimni plini nosijo s seboj tudi delce pepela, ki ob udarcu na površino povzročajo njeno erozijsko obrabo1.
Razvoj Fe-aluminidov, ki so razmeroma krhek material2, gre v dveh smereh3,4; v smeri preizkušanja dodatkov različnih elementov, ki naj bi omogočili nastanek novih drsnih sistemov za povečanje plastičnosti in zmanjšanje krhkosti ter v smeri oplemenitenja površine, s tvorbo tankih nanosov, s plamenskim ali plazemskim nanašanjem oziroma z "in situ" sintezo Fe-aluminida na površini konstrukcijskih jekel.
S tanko prevleko Fe-aluminida dobi površina konstrukcijskega dela željeno odpornost proti oksidaciji, hkrati pa osnova obdrži trdnost in žilavost. Z nitriranjem površine pa se zaradi povečanja trdote doseže še povečanje odpornosti na erozijo.
Ionsko nitriranje5,6 v pulzirajoči plazmi poteka pri temperaturah med 350°C in 660°C, pri čemer lahko vplivamo tudi na sestavo nitridne plasti. Nizke temperature so ugodne, ker material po nitriranju ohrani v jedru izhodne mehanske lastnosti. Poleg tega je postopek prijazen do okolja, je nestrupen in ne povzroča obremenitve delovnega mesta.
Dušik se v plazmi nahaja v atomarni obliki in je zato močno reaktiven. Na očiščeni katodni površini nastajajo z dušikom bogati železovi nitridi.
1 Dr. Matjaž TORKAR. dipl.inž.mel.
Inštitut za kovinske materiale in tehnologije 1000 Ljubljana. Lepi pot 11
Pri ionskem nitriranju v plazmi gre za kombinacijo procesa vgradnje in razgradnje.
Že po nekaj minutah se tvori nitridna plast, strm gradient koncentracije pa pospeši difuzijo dušika v notranjost.
Z zagonom nove naprave za ionsko nitriranje v pulzirajoči plazmi, seje odprlo pri nas novo področje raziskav in nove možnosti za oplemenitenje površin različnih kovinskih materialov, ki tvorijo z dušikom nitride.
Preizkusili smo ionsko nitriranje Fe-aluminida v pulzirajoči plazmi, da bi ugotovili, če je tovrstno nitriranje izvedljivo in če bi bilo mogoče nitriran Fe-alu-minid uporabiti v primerih, kjer se od materiala zahteva, poleg odpornosti na oksidacijo pri povišanih temperaturah, tudi odpornost na erozijo. Na ta način bi bilo mogoče razširiti področje uporabe tovrstnega materiala na primer v termoenergetiki.
2	Eksperimentalni del
Zlitina s sestavo 87,5% Fe in 12,5% Al je bila izdelana v vakuumski indukcijski peči in ulita v palice premera 30 mm. Iz palice so bili izrezani vzorci, ki smo jih ionsko nitrirali v pulzirajoči plazmi, pri različnih pogojih; vendar najdalj 24 ur pri temperaturi 540°C.
Po ohladitvi v peči za ionsko nitriranje smo izvršili metalografske preiskave in izmerili trdoto na površini, v nitrirani plasti in pod nitrirano plastjo.
3	Rezultati
Fe-aluminid je bil ionsko nitriran v pulzirajoči plazmi. Položaj zlitine je prikazan v binarnem diagramu na sliki 1, mikrostruktura v litem stanju pa na sliki 2.
Dosežena debelina ionsko nitrirane plasti je bila od 25 pm do 300 pm, odvisno od procesnih parametrov.
M. Torkar, V. Leskovšek: Obdelava površine zlitine FeAl 12,5 ...
Aluminij (mos.%)
Slika 1: Binarni diagram Fe-Al z vrisanim položajem zlitine
Figure 1: Binary phase diagram Fe-Al vvith marked position of the
al!oy
1000
800
— 600
400
200
0
0	0.1	0.2	0.3
Slika 2: Mikrostruktura zlitine v litem stanju. Jedkano z Marblovim jedkalom
Figure 2: Optical micrograph of as čast alloy. Etched vvith Marble's reagent
Slika 3: Optični posnetek odtisov trdote skozi nitrirano plast Figure 3: Optical micrograph of Vickers' imprints across nitrided layer
Zaradi krhkosti materiala prevelike debeline nitrirane plasti niso zaželjene. Trdota osnove je bila okrog 420 HVo.i, nitrirane plasti pa 1018 HVo.i. Zanimivo je, da
Oddaljenost od površine (mm)
Slika 4: Trdota HVo.i skozi nitrirano plast in prehod v osnovo Figure 4: Hardness HVo.i through nitrided layer and in the inatrix
merjenje trdote na prečnem prerezu nitrirane plasti ne pokaže gradienta trdote skozi plast (slika 3 in 4), trdota pa se na prehodu v osnovni material skokovito zmanjša. Iz stališča uporabnih lastnosti tak skokovit prehod ni
Slika S: SEM posnetek preloma nitrirane plasti in osnovnega materiala Figure 5: SEM micrograph of fracture surface of nitrided layer and base material

ugoden, ker lahko povzroči kopičenje napetosti na prehodu.
Prelom nitrirane plasti in osnove je krhek. Propa-gacija razpoke se ustavi na meji z osnovo in se ponovno prične v osnovi, kar kaže na razliko v lomni žilavosti nitrirane plasti in osnove (slika 5).
Za Fe-aluminide je značilno, da so krhki in zato manj primerni za izdelavo nosilnih konstrukcijskih elementov. Material ima dobro odpornost proti oksidaciji pri povišanih temperaturah, povečanje trdote površine pa naj bi ugodno vplivalo tudi na povečanje odpornosti proti eroziji.
4 Sklepi
Raziskava je pokazala, da je ionsko nitriranje inter-metalne zlitine (87,5% Fe, 12,5% Al) izvedljivo.
Z izbiro procesnih parametrov je mogoče vplivati na debelino nitrirane plasti.
Visoka trdota nitrirane plasti na površini kaže nove možnosti uporabe tovrstnih zlitin za strojne dele, ki so poleg oksidacije pri povišanih temperaturah, izpo-
stavljeni tudi eroziji, na primer v termoenergetskih
napravah.
5	Zahvala
Zahvaljujemo se Ministrstvu za znanost in tehnologijo Slovenije, ki je financiralo to raziskavo.
6	Literatura
1	D. J. Stephenson and J. R. Nicholls: Modelling erosive wear, Corro-sion Science, 35, 1993, 5-8, 1015
2	G. Sauthoff: Creep of intermetallics, Mat. Sci, and Technol., 8, 1992, 363
3U. Prakash, R. A. Buckley and H. Jones: Effect of molybdenum sub-stitution on crystal structure of ordered Fe-Al alloys, Mat. Sci. and Technol., 9, 1993, 16
4	C. Hu and T. N. Baker: Microstructure of Al-Fe alloys sintered via in sini microfusion process. Mat. Sci. and Technol., 9, 1993, 48
5	H. Homberg: Glimm-Nitrieren: ein Verfahren zum Nitrieren von Sta-hloberflachen mit Hilfe einer Glimmentladung, Harterei Tech. Mit., 17,1962,2,82
6	R. Chaterjee-Fischer: VVarmebehandlung von Eisenvverkstoffen, Ex-pert Verlag, Sindelfmgen, 1986, 125