Kontrola kinetyki wzrostu warstwy azotowanej na stali X37CrMoV5-1 w procesie regulowanego azotowania gazowego

• Autorzy: Michalski J. , Wach P. , Burdyński K. , Łataś Z.

Warianty tytułu

EN

Control of growth kinetics of nitrided layer on X37CrMoV5-1 steel in controlled gas nitriding processes

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W procesach azotowania gazowego najczęściej są stosowane: jednoskładnikowe atmosfery wlotowe amoniaku NH 3 , dwuskładnikowe atmos fery rozcieńczane zdysocjowanym amoniakiem NH 3 /NH 3zd lub azotem NH 3 /N 2 . Do kontroli procesu, a w konsekwencji kinetyki wzrostu warstwy azotowanej, jest wykorzystywany poten cjał azotowy N p lub stopień dysocjacji amoniaku α [1]. W pracy przyjęto obok potencjału azotowego rozporządzalność azotu atmosfery azotującej (m N2 ) jako parametr charakteryzujący atmosferę azotującą. Rozporządzalność azotu wiąże stopień dysocjacji z natężeniem przepływu atmosfery wlotowej (wzór 3) [3]. Na przykładzie procesów azotowania gazowego stali X37CrMoV5-1 z wykorzystaniem trzech rodzajów atmosfer wlotowych: NH 3 , NH 3 /NH 3zd i NH 3 /N 2 pokazano możliwość zastosowania rozporządzalności azotu jako parametru kontrolującego kinetykę przypowierzchniowej warstwy azotków żelaza. Warstwy azotowane wytwarzano metodą regulowanego azotowania gazowego Nitreg w urządzeniu Nx609 firmy Nitrex. W artykule wykazano, że w przypadku atmosfer NH 3 i NH 3 /NH 3zd wartość potencjału azotowego jednoznacznie określa możliwości atmosfery azotującej. Każdej zmianie potencjału azotowego towarzyszy zmiana rozporządzalności azotu atmosfery azotującej (rys. 1, 3). Wykazano, że w temperaturze 540°C zmiana potencjału azotowego w zakresie wartości 4,9÷6 atm –0,5 (rys. 1a) i towarzysząca mu zmiana rozporządzalności azotu (rys. 1b) nie wpływają na kinetykę wzrostu grubości warstwy azotków żelaza (rys. 2a), jak również na kinetykę wzrostu grubości warstwy roztworowej (rys. 2b), charakteryzowaną stałą parabolicznego wzrostu warstwy. Wartość potencjału wpływa natomiast dość istotnie na czas początku tworzenia się przypowierzchniowej warstwy azotków żelaza (rys.2a). Wykazano, że w przypadku atmosfery NH 3 /N 2 , zwiększając stopień rozcieńczenia azotem atmosfery wlotowej przy zachowaniu stałego natężenia przepływu, zmniejsza się rozporządzalność azotu, bez konieczności obniżania wartości potencjału azotowego (rys. 3). Obniżając rozporządzalność azotu, przy zachowaniu stałej wartości potencjału azotowego, można ograniczyć kinetykę wzrostu przypowierzchniowej warstwy azotków żelaza przy zachowaniu maksymalnej, dla danej temperatury i potencjału azotowego, kinetyki wzrostu warstwy roztworowej. Jest to bardzo cenna cecha atmosfer wlotowych z azotem.

EN

During the processes of gaseous nitriding, the most often used atmospheres are: unary inlet ammonia atmospheres NH 3 , binary atmospheres diluted with dissociated ammonia NH 3 /NH 3zd or nitrogen NH 3 /N 2 . For the process control, and in consequence the kinetics of growth of the nitrided layer, there is used nitriding potential N p or the degree of ammonia dissociation α [1]. In this work, another parameter characterizing the nitriding atmosphere, next to nitriding potential, was assumed. This parameter is availability of nitrogen in nitriding atmosphere ( m N2 ). Nitrogen availability connects the degree of dissociation with the flow intensity of inlet atmosphere (eq. 3) [3]. On the example of gaseous nitriding process of steel X37CrMoV5-1 with the use of three types of inlet atmospheres: NH 3 , NH 3 /NH 3zd and NH 3 /N 2 , there was shown the possibility of using the nitrogen availability as a parameter to control the kinetics of compound layer of iron nitrides. Nitrided layers were manufactured with the use of controlled gas nitriding Nitreg on the device Nx609 from Nitrex company. This paper shows, that in the case of atmospheres NH 3 and NH 3 /NH 3zd the value of nitriding potential unequivocally determines the characteristics of nitriding atmosphere. Every change of nitriding potential is accompanied by the change nitrogen availability of nitriding atmosphere (Fig. 1, 3). It was shown, that in the temperature of 540°C the change of nitriding potential in the range of 4,9÷6 atm –0,5 (Fig. 1a) and accompanying change in nitrogen availability (Fig. 1b) doesn’t influence either the growth kinetics of iron nitride layer (Fig. 2a), and the growth kinetics of thickness of the diffusion layer (Fig. 2b), which is characterized by the layer’s parabolic growth coefficient. The potential value has, however, significant influence on the time in which the compound layer of iron nitrides begins to emerge (Fig. 2a). It was shown, that in the case of atmospheres NH 3 /N 2 , by increasing the degree of dilution of the inlet atmosphere with nitrogen, while maintaining the constant flow intensity, we decrease the nitrogen availability, without the need to decrease the value of nitriding potential (Fig. 3). By decreasing of the nitrogen availability, while keeping the constant value of nitriding po- tential it is possible to reduce the growth kinetics of the compound layer and still maintain the maximum (for given temperature and nitriding potential) growth kinetics of diffusion layer. It is a very valuable characteristic for inlet atmospheres with nitrogen.

Słowa kluczowe

PL

azotowanie gazowe; rozporządzalność azotu; warstwa azotowana; grubość efektywna warstwy azotowanej

EN

gas nitriding; nitrogen availability; nitride layer; effective thickness of nitrided layer

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 33, nr 5
• Strony: 426--430
• Opis fizyczny: Bibliogr. 5 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Michalski J.

• Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, Warszawa

autor

Wach P.

• Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa

autor

Burdyński K.

• Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa

autor

Łataś Z.

• Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa

Bibliografia

• [1] Keddam M., Bouarour B., Kouba R., Chegroune R.: Growth kinetics of the compound layers: Effect of the nitriding potential. Physic Procedia 2 (3) (2009) 1399÷1403.
• [2] Ratajski J., Olik R., Suszko T., Dobrodziej J., Michalski J.: Design, control and in situ visualization of gas nitriding processes. Sensors 10 (1) (2010) 218÷240.
• [3] Michalski J.: Charakterystyki i obliczenia atmosfer do regulowanego azotowania gazowego stali. Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa (2011).
• [4] Ratajski J.: Matematyczne modelowanie procesu azotowania gazowego. Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej, Koszalin (2011).
• [5] Mittemeijer E.J., Somers M.A.J.: Thermodynamics, kinetics, and process control of nitriding. Surface Engineering 13 (6) (1997) 483÷497.

Uwagi

PL

Praca finansowana ze środków na naukę w latach 2009÷2012.