UDK 621.785:62-24:669.15:669.14.018 Izvirni znanstveni članek ISSN 1580-2949 MATER. TEHNOL. 35(6)409(2001) G. JUTRIŠA: DIMENZIJSKA STABILNOST BATNIC PLINSKIH BLAŽILCEV ... DIMENZIJSKA STABILNOST BATNIC PLINSKIH BLAŽILCEV IZ NITROCEMENTIRANEGA JEKLA DIMENSIONAL STABILITY OF GAS SHOCK ABSORBERS WITH NITROCARBURIZED STEEL PISTON RODS Gorazd Jutriša Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, 1000 Ljubljana, Slovenija gorazd.jutrisaŽimt.si Prejem rokopisa - received: 2001-11-23; sprejem za objavo - accepted for publication: 2001-12-10 Nitrocementiranje v pulzirajoči plazmi je termokemični proces, s katerim utrdimo površino strojnih delov, izdelanih iz nizko ogljičnih jekel in jekel za poboljšanje. Nastala nitrocementirana plast z relativno visoko površinsko trdoto povečuje strojnim delom obstojnost proti obrabi in odpornost proti koroziji. Ker proces poteka pri relativno nizki temperaturi, so dimenzijske spremembe pri obdelavi minimalne. Batnice plinskih amortizerjev, izdelane iz jekla za poboljšanje W.No. 1.1191, smo nitrocementirali v pulzirajoči plazmi pri temperaturi 580 °C v plinski mešanici 87% N2, 11% H2 z dodatkom 2% CO2 pri napetosti 375 V in toku37 A. Širina pulza je bila 0,480 ms, dolžina pavze pa 0,020 ms. Opletanje batnic plinskih amortizerjev po obdelavi se je v povprečjupovečalo od 0,00 mm na 0,06 mm. Hrapavost površine batnic Ra se je po obdelavi povečala v povprečjuiz 0,125 µm na 0,207 µm (za približno 60%). Površinska trdota batnic plinskih amortizerjev s trdoto jedra 195 HV1 je povprečno 587 HV1. Celotna globina nitrocementiranja (Nht) je v povprečju0,52 mm. Z metalografsko analizo smo ugotovili, da je na površini dvofazna spojinska plast, sestavljena iz faz e - Fe23(N,C) in y - Fe4(N,C). Debelina spojinske plasti je v povprečju23,9 µm. Ključne besede: nitrocementiranje v pulzirajoči plazmi, spojinska plast, profil mikrotrdote, celotna globina nitrocementiranja Pulse-plasma nitrocarburizing is a thermochemical process, which is used to upgrade the surface properties of mechanical parts made from low-alloyed and heat-treated steel, through the formation of an nitrocarburized layer, characterised by high hardness and superior wear and corrosion resistance. Because the process is carried out at relatively low temperatures, there is little or no distortion of the mechanical parts during the process. Gas shock absorbers' piston rods from heat-treated steel W.No. 1.1191 were pulse-plasma nitrocarburized at 580 °C in a gas mixture atmosphere containing 87% N2, 11% H2 with 2% CO2 additions, at a voltage of 375 V and a current of 37 A. The pulse width was 0,480 ms and the pulse pause was 0,020 ms. Distortion of the gas shock absorbers' piston rods increased from 0,00 mm to 0,06 mm on average. The surface roughness Ra increased from 0,125 µm, on average, to 0,207 µm on average (cca. 60%). The surface hardness of the gas shock absorbers' piston rods with a core hardness of 195 HV1 is 587 HV1, on average. The total depth of the nitrocarburized case (Nht) is 0,52 mm, on average. With use of classic of metallographic techniques the presence of the compound layer, consisting e - Fe23(N,C) and y - Fe4(N,C) phases was observed on the surface. The average thickness of this layer was 23,9 µm. Key words: pulse-plasma nitrocarburizing, compound layer, microhardness profile, total depth of the nitrocarburized case 1 UVOD Nitrocementiranje v pulzirajoči plazmi je termo-kemični proces, s katerim utrdimo površino strojnih delov, izdelanih iz nizko ogljičnih jekel, jekel za poboljšanje, orodnih jekel, jekel, izdelanih po tehnologiji metalurgije prahov, in jeklene litine. Z nitrocementiranjem v pulzirajoči plazmi utrdimo površino strojnih delov. Nastala nitrocementirna plast z relativno visoko površinsko trdoto povečuje strojnim delom obstojnost proti obrabi, odpornost proti koroziji in trajno nihajno trdnost. Ker proces poteka pri relativno nizki temperaturi, so dimenzijske spremembe med procesom minimalne. Zaradi možnosti relativno široke izbire procesnih parametrov lahko lastnosti površine prilagodimo speci-fičnemunamenuuporabe. Velika prednost nitrocementiranja v pulzirajoči plazmi pred drugimi postopki nitrocementiranja je tudi v tem, da je ta proces okoljuneškodljiv.1,2,3,4,5 Namen tega dela je raziskati vpliv nitrocementiranja v pulzirajoči plazmi na površinsko trdoto in dimenzijsko stabilnost batnic plinskih blažilcev, izdelanih iz jekla za poboljšanje W.No. 1.1191, pri danih procesnih parametrih. 2EKSPERIMENTALNI DEL 2.1 Material in proces nitrocementiranja Preiskavo smo izvedli na batnicah plinskih amortizerjev, dimenzij o10 mm × 195 mm, izdelanih iz jekla za poboljšanje W.No 1.1191, katerega sestava je podana v tabeli 1. Batnice smo saržirali kot je prikazano na sliki 1. Za namen raziskave smo enakomerno po višini sarže od skupaj 1120 izbrali 30 batnic plinskih amortizerjev. Nitrocementiranje v pulzirajoči plazmi smo izvedli v peči GP 1000/80M (proizvajalca Metaplas Ionon GmbH) v plinski mešanici N2, H2 z dodatkom CO2 pri MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 6 409 G. JUTRIŠA: DIMENZIJSKA STABILNOST BATNIC PLINSKIH BLAŽILCEV Slika 1: Način saržiranja batnic plinskih amortizerjev Figure 1: Load configuration of gas shock absorbers' piston rods temperaturi 580 °C, času 4 ure, napetosti 375 V, toku 37 A, širini pulza 0,480 ms in dolžini pavze 0,020 ms. Tabela 1: Kemijska sestava jekla W.No. 1.1191 v mas. % Table 1: Chemical composition of steel W.No. 1.1191 in wt. % C Si Mn Cr Mo Ni 0,46 0,20 0,65 0,20 0,05 0,20 2.2 Geometrijske meritve Meritve opletanja smo izvedli z uporabo dveh prizem enakih dimenzij, med kateri smo nato postavili posamezno batnico in jo prostoročno zavrteli, rezultate pa smo odčitali z uporabo merilne ure z natančnostjo 0,01 mm. Meritev hrapavosti površine so izvedli pri Kovino-strugarstvu Jenko z merilnikom Rank Taylor Hobson. 2.3 Meritve mehanskih lastnosti in mikrostrukturna analiza Meritev trdote nitrocementirane površine smo izvedli po Vickersupri obtežbi 1 kg z elektronskim merilnikom trdote MicroDur II proizvajalca Krautkramer Branson. Izvedli smo 5 meritev enakomerno po dolžini in obodu ter odčitali povprečno vrednost petih meritev, ki jo prikaže aparatura sama. Meritev trdote jedra pa smo izvedli po Vickersupri obtežbi 1 kg in času10 s z merilnikom trdote Z323 proizvajalca Zwick&Co. KG. Vzorce, potrebne za izvedbo meritev mikrotrdote spojinske plasti ter profila mikrotrdote difuzijske plasti, smo iz vsake druge batnice pripravili po konvencionalni metalografski tehniki, jedkali pa z 2 odstotnim nitalom. Meritve debeline spojinske in difuzijske plasti smo izvedli na vzorcih, pripravljenih po konvencionalni metalografski tehniki, jedkanih z jedkalom Marble. 410 Meritev mikrotrdote spojinske plasti smo izvedli po Vickersupri obtežbi 0,015 kg z merilnikom mikrotrdote ShimatzuMicro Hardnes tester Type M. Meritev profila mikrotrdote spojinske plasti smo izvedli po Vickersupri obtežbi 100 g, času10 s z merilnikom mikrotrdote ShimatzuMicro Hardnes tester Type M. Meritve profila mikrotrdote smo izvedli po standardu DIN 50190, po katerem smo določili tudi celotno globino nitrocementiranja (Nht). Meritev debeline spojinske plasti smo izvedli z uporabo optičnega mikroskopa Microphot-FXA proizvajalca Nikon, opremljenega s CCD kamero HV-C20A proizvajalca Hitachi, in programskega paketa analySIS. Analizo mikrostrukture smo izvedli z uporabo optičnega mikroskopa Microphot-FXA proizvajalca Nikon, opremljenega s CCD kamero HV-C20A proizvajalca Hitachi, in programskega paketa analySIS. 3 REZULTATI IN DISKUSIJA 3.1 Geometrijske lastnosti Opletanje batnic plinskih amortizerjev se je od 0,00 mm zaradi nitrocementiranja v pulzirajoči plazmi pove-čalo na povprečno 0,06 mm. Rezultati meritev opletanja batnic plinskih amortizerjev po nitrocementiranjuv pulzirajoči plazmi so prikazani na sliki 2. Batnice plinskih amortizerjev so se zaradi sproščanja notranjih napetosti, nastalih pri predhodni mehanski obdelavi, po nitrocementiranju v pulzirajoči plazmi rahlo ukrivile. Iz rezultatov meritev opletanja je razvidno, da so se batnice plinskih amortizerjev na sredini ukrivile za 0,02 mm do 0,02 0,04 0,04 0,04 0,04 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 1--------------0,015 925 865 805 E 725 E 665 .2. 605 C S8 »- >S 485 m M 405 m e 325 >w > 205 145 85 25 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 opletanje, mm Slika 2: Opletanje batnic plinskih amortizerjev po nitrocementiranjuv pulzirajoči plazmi Figure 2: Distortion of gas shock absorbers' piston rods after pulse-plasma nitrocarburizing MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 6 G. JUTRIŠA: DIMENZIJSKA STABILNOST BATNIC PLINSKIH BLAŽILCEV i i 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 hrapavost, nm 0,3 Slika 3: Hrapavost površine Ra batnic plinskih amortizerjev pred nitrocementiranjem v pulzirajoči plazmi in po njem Figure 3: Surface rougness Ra of gas shock absorbers' piston rods before and after pulse-plasma nitrocarburizing 0,04 mm, kar je glede na namen uporabe in v primerjavi z dolžino batnic plinskih amortizerjev zanemarljivo. Rezultati meritev hrapavosti površine batnic plinskih amortizerjev so prikazani na sliki 3. Hrapavost površine batnic Ra se je pri posameznih batnicah povečala v povprečjuiz 0,125 µm na 0,207 µm (za približno 60%). Zaradi izboljšanja videza površine batnic plinskih amortizerjev odpravimo povečano hrapavost površine s kasnejšim mehanskim poliranjem. 400 500 600 700 HV1 Slika 4: Površinska trdota batnic plinskih amortizerjev po nitrocemen-tiranjuv pulzirajoči plazmi Figure 4: Surface hardness of gas shock absorbers' piston rods after pulse-plasma nitrocarburizing 400 350- 300- > X Oddaljenost od povaine, \i\im Slika 5: Profili mikrotrdote HV 0,1 nitrocementirane plasti batnic plinskih amortizerjev Figure 5: Microhardness profiles HV 0,1 of the nitrocarburized layer of the gas shock absorbers' piston rods 3.2 Mehanske lastnosti in mikrostrukturna analiza Po nitrocementiranjuv pulzirajoči plazmi se je površinska trdota batnic plinskih amortizerjev glede na trdoto jedra močno povečala; s povprečno trdoto jedra 195 HV1 se je po nitrocementiranjuv pulzirajoči plazmi povečala povprečno na 587HV1. Površinska trdota posameznih batnic plinskih amortizerjev po nitroce-mentiranjuv pulzirajoči plazmi je prikazana na sliki 4. V difuzijski plasti se izločajo drobno dispergirani karbonitridi legirnih elementov, ki utrjujejo osnovni material.7 Mikrotrdota v smeri od površine proti notranjosti materiala pada. Profili mikrotrdote batnic plinskih amortizerjev, saržiranih na višini 45 mm, 525 mm ter 905 mm so prikazani na sliki 5. Celotna globina nitrocementiranja (Nht) batnic plinskih amortizerjev, določena po standarduDIN 50190, je v povprečju0,52 mm. Celotna globina nitrocementiranja (Nht) posamezne batnice plinskega amortizerja je glede na višino saržiranja prikazana v tabeli 2. Tabela 2: Celotna globina nitrocementiranja (NHt) Table 2: The total depth of the nitrocarburized case (NHt) Visina saržiranja batnice Nht 45 0,61Nht262HV0,l 105 0,62 Nht 258 HV0,1 165 0,43 Nht 242 HVO,1 225 0,53 Nht 239 HVO,1 285 0,44 Nht 229 HVO,1 345 0,44 Nht 220 HVO,1 425 0,45 Nht 227 HVO,1 525 0,55 Nht 222 HVO,1 585 0,55 Nht 221 HV0,1 645 0,45 Nht 232 HV0,1 705 0,44 Nht 228 HVO,1 785 0,55 Nht 218 HV0,1 845 0,55 Nht 223 HV0,1 905 0,55 Nht 223 HV0,1 965 0,62 Nht 232 HV0,1 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 6 411 1000 800 600 400 0 200 0 0 G. JUTRIŠA: DIMENZIJSKA STABILNOST BATNIC PLINSKIH BLAŽILCEV s I I I 965 23,61 | 3,65 | I 905 23,15 I 2,41 I 845 25,01 2,81 I 785 23,93 l 2,65 l 705 23,06 2,20 645 23,88 I 1,98 I 585 23,78 I 1,62 n 525 23,71 | 1,55 425 25,18 | 1,55 | 345 24,11 I 2,10 I 1,31 | 285 22,77 225 18,00 I 3,84 I I 165 17,69 | 3,84 | G faza y' D faza e 105 12,82 | 4,0 0 | 45 8,16 I 4 12 | 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 debelina, \im 25,00 30,00 Slika 6: Debelina spojinske plasti Figure 6: Thickness of the compound layer Slika 7: Mikrostruktura nitrocementirane plasti ob zunanji površini batnic plinskih amortizerjev (višina saržiranja: a-45 mm, b-525 mm, c-905 mm); jedkano z 2 odstotnim nitalom, povečava 500-krat Figure 7: Microstructure of the nitrocarburized layer at the outer surface of the gas shock absorbers' piston rods (load hight: a-45 mm, b-525 mm, c-905 mm); etched with 2% Nital, magnification 500x Slika 8: Mikrostruktura nitrocementirane plasti ob zunanji površini batnic plinskih amortizerjev (višina saržiranja: a-45 mm, b-525 mm, c-905 mm); jedkano z jedkalom Marble, povečava 500-krat Figure 8: Microstructure of the nitrocarburized layer at the outer surface of the gas shock absorbers' piston rods (load hight: a-45 mm, b-525 mm, c-905 mm); etched with Marble, magnification 500x Debelina dvofazne spojinske plasti, sestavljene iz faz e in j-, je povprečno 23,9 µm. Debelina faze e je povprečno 2,64 µm, debelina faze y- pa je povprečno 21,26 µm. Debeline spojinske plasti posameznih batnic plinskih amortizerjev so glede na višino saržiranja prikazane na sliki 6. Mikrostruktura jedra batnic plinskih amortizerjev je sestavljena iz ferita in perlita. Nitrocementirano plast sestavljata dvofazna spojinska plast na površini ter difuzijska plast pod njo. To smo ugotovili z optično mikroskopijo vzorcev batnic, jedkanih z 2 odstotnim nitalom. Spojinska plast pa je sestavljena iz plasti faze e - Fe2,3(N,C) na površini ter plasti faze y - Fe4(N,C), ki leži pod njo in meji na difuzijsko plast, kar smo ugotovili pri optični mikroskopiji vzorcev posameznih batnic, jedkanih z jedkalom Marble. Pri jedkanjus tem jedka-lom se faza e - Fe2,3(N,C) jedka, medtem ko ostane faza y - Fe4(N,C) bela.6 412 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 6 G. JUTRIŠA: DIMENZIJSKA STABILNOST BATNIC PLINSKIH BLAŽILCEV Mikrostruktura nitrocementirane plasti ob zunanji površini batnic, saržiranih na različnih višinah, je prikazana na sliki 7 in sliki 8. 4 SKLEPI Opletanje batnic plinskih amortizerjev se je po nitrocementiranjuv pulzirajoči plazmi povečalo od 0,00 mm na povprečno 0,06 mm, kar je glede na namen uporabe v primerjavi z dolžino batnic plinskih amortizerjev zanemarljivo. Hrapavost površine batnic plinskih amortizerjev Ra se je po nitrocementiranjuv pulzirajoči plazmi povečala v povprečjuiz 0,125 µm na 0,207 µm (za približno 60%). Površinska trdota batnic plinskih amortizerjev s trdoto jedra 195 HV1 je povprečno 587 HV1. Celotna globina nitrocementiranja (Nht) je povprečno 0,52 mm. Z metalografsko analizo smo ugotovili, da je na površini batnic plinskih amortizerjev nastala dvofazna spojinska plast, sestavljena iz faz e - Fe2,3(N,C) in y- -Fe4(N,C). Debelina spojinske plasti je v povprečju23,9 |om. 5 LITERATURA 1 Metals Handbook, Heat treating, Volume 4, ASM, Metals Park, Ohio 1981, 425 2 Source Book on Nitriding, ASM, Metals Park, Ohio 1977, 266 3 V. Leskovšek, M. Doberšek, A. Rodič, Kovine zlitine tehnologije, 31 (1997) 6, 551-555 4 W. Rembges, W. Oppel, Surface and Coatings Technology, 59 (1993), 129-134 5 J. Slycke, L. Sproge and J. Agren, Scandinavian Journal of Metallurgy, 17 (1988), 122-126 6 S. Javorič, Master's Work, University of Ljubljana, Faculty of Natural Sciences, Ljubljana, 1997 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 6 413