The influence of plasma nitriding process conditions on the microstructure of coatings obtained on the substrate of selected tool steels

• Autorzy: Mokrzycka Magdalena , Przybyło Adrianna , Góral Marek , Kościelniak Barbara , Drajewicz Marcin , Kubaszek Tadeusz , Gancarczyk Kamil , Gradzik Andrzej , Dychtoń Kamil , Poręba Marek , Jopek Jakub , Pytel Maciej

Identyfikatory

DOI

10.7862/rm.2024.1

Warianty tytułu

PL

Wpływ warunków azotowania plazmowego na mikrostrukturę powłok uzyskanych na podłożu wybranych stali narzędziowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This study presents the results of research into the influence of the time of the plasma nitriding process on the microstructure of the coatings obtained. Cold-work tool steels (60WCrV8, 90MnCrV8, 145Cr6), hot-work tool steel (X37CrMoV5-1) and high-speed tool steel (HS6-5-2) were selected as substrate material. The processes were carried out under industrial conditions using an Ionit device from Oerlikon Metaplas with variable process times of 2, 4 and 6 hours. According to literature data, a nitriding mixture consisting of 5% nitrogen and 95% hydrogen was chosen, which allowed the expected diffusion layer to be obtained without a white layer (composed of iron nitrides). Analysis of elemental mapping indicates that the presence and content of nitride-forming elements influences the formation of alloy additive nitrides in the microstructure of the diffusion layer. It was also found that an increase in the duration of plasma nitriding, results in an increase in the depth of the nitrided layers formed on the substrate of high-alloy steels: X37CrMoV5-1 and HS6-5-2. Nitrides of alloying additives, present in the diffusion layer, are formed in the high-alloyed the hot-work steel X37CrMoV5-1, indicating that these steels are the most suitable for plasma nitriding of the entire tool steels analysed.

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu czasu procesu azotowania plazmowego na mikrostrukturę otrzymanych powłok. Jako materiał podłoża wybrano stale narzędziowe do pracy na zimno (60WCrV8, 90MnCrV8, 145Cr6), stale narzędziowe do pracy na gorąco (X37CrMoV5-1) oraz szybkotnące (HS6-5-2). Procesy prowadzono w warunkach przemysłowych z wykorzystaniem urządzenia Ionit firmy Oerlikon Metaplas ze zmiennymi czasami procesu 2, 4 i 6 godzin. Zgodnie z danymi literaturowymi wybrano mieszaninę azotującą składającą się z 5% azotu i 95% wodoru, co pozwoliło na uzyskanie oczekiwanej warstwy dyfuzyjnej bez warstwy białej (złożonej z azotków żelaza). Analiza mapowania pierwiastkowego wskazuje, że obecność i zawartość pierwiastków azototwórczych w pływa na powstawanie azotków dodatku stopowego w mikrostrukturze warstwy dyfuzyjnej. Stwierdzono również, że wydłużenie czasu azotowania plazmowego powoduje zwiększenie głębokości warstw azotowanych powstających na podłożu ze stali wysokostopowych: X37CrMoV5-1 i HS6-5-2. Azotki dodatków stopowych, obecne w warstwie dyfuzyjnej, powstają w wysoko-stopowej stali do pracy na gorąco X37CrMoV5-1, co wskazuje, że stale te są najbardziej odpowiednie do azotowania plazmowego spośród wszystkich analizowanych stali narzędziowych.

Słowa kluczowe

EN

plasma nitriding; tool steel; heat treatment; kinetic of nitriding

PL

azotowanie plazmowe; stal narzędziowa; obróbka cieplna; kinetyka azotowania

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Advances in Mechanical and Materials Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 41, nr 1
• Strony: 5--16
• Opis fizyczny: Bibliogr. 57 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Mokrzycka Magdalena

• Rzeszow University of Technology, Research and Development Laboratory for Aerospace Materials

autor

Przybyło Adrianna

• Doctoral School of Engineering and Technical Sciences at the Rzeszow University of Technology, Rzeszow University of Technology

autor

Góral Marek

• Rzeszow University of Technology, Research and Development Laboratory for Aerospace Material

autor

Kościelniak Barbara

• Rzeszow University of Technology, Research and Development Laboratory for Aerospace Material

autor

Drajewicz Marcin

• Rzeszow University of Technology, Research and Development Laboratory for Aerospace Material

autor

Kubaszek Tadeusz

• Rzeszow University of Technology, Research and Development Laboratory for Aerospace Material

autor

Gancarczyk Kamil

• Rzeszow University of Technology, Research and Development Laboratory for Aerospace Material

autor

Gradzik Andrzej

• Rzeszow University of Technology, Research and Development Laboratory for Aerospace Material

autor

Dychtoń Kamil

• Rzeszow University of Technology, Research and Development Laboratory for Aerospace Material

autor

Poręba Marek

• Rzeszow University of Technology, Research and Development Laboratory for Aerospace Material

autor

Jopek Jakub

• Rzeszow University of Technology, Research and Development Laboratory for Aerospace Material

autor

Pytel Maciej

• Rzeszow University of Technology, Research and Development Laboratory for Aerospace Material

Bibliografia

• 1. Aghajani, H., & Behrangi, S. (2017). Plasma nitriding of steels. Springer International Publishing.
• 2. Albarran, J. L., Juárez-Islas, J. A., & Martinez, L. (1992). Nitride width and microstructure in H-12 ion nitride steel. Materials Letters, 15, 68-72.
• 3. Barnaby, J. T.; Haq, M. I., & Smith, C. G. (1975). Toughness of carburized steels. Metals Technology, 2(1), 535-537. https://doi.org/10.1179/030716975803276871
• 4. Berkowski, L. (2005). Wpływ struktury na skutki azotowania chromowych stali ledeburytycznych. Część 1: Informacje o materiale do badań. Obróbka Plastyczna, 5, 5-15.
• 5. Blicharski, M. (2012). Inżynieria powierzchni. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne.
• 6. Blicharski, M. (2017). Inżynieria materiałowa stali. Wydawnictwo Naukowe PWN.
• 7. Borgoili, F., Galvanetto, E., Fossati, A., & Bacci, T. (2002). Glow-discharge nitriding and post-oxidising treatments of AISI H11. Surface and Coatings Technology, 162(1), 61-66. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(02)00574-1
• 8. Burakowski, T., & Wierzchoń, T. (1995). Inżynieria powierzchni metali. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne.
• 9. Burzyńska-Szyszko, M. (2011). Materiały konstrukcyjne. Politechnika Warszawska.
• 10. Chattopadhyay, R. (2004). Advanced thermally assisted surface engineering process. Springer. https://doi.org/10.1007/b105271
• 11. Czerwinski, F. (2012). Thermochemical treatment of metals. heat treatment – conventional and novel applications. IntechOpen.
• 12. Çelik, A., Efeoğlu, I., & Sakar, G. (2000). Microstructure and structural behavior of ion-nitrided AISI 8620 steel. Materials Characterization, 46(1), 39-44. https://doi.org/10.1016/S1044-5803(00)00091-7
• 13. da Silva Rocha, A, Strohaecker, T., Tomala, V., & Hirsch, T. (1999). Microstructure and residual stresses of plasma-nitrided M2 tool steel. Surface Coatings Technology, 115 (1), 24-31. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(99)00063-8
• 14. Doan, T. V., Dobrocký, D., Pokorny, Z., Kusmic, D., & Nguyen, V. T. (2016). Effect of plasma nitriding on mechanical and tribological properties of 42CrMo4. ECS Transcations, 74(1), 231-238. https://doi.org/10.1149/07401.0231ecst
• 15. Dobrzański, L. A. (2006). Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. Materiały inżynierskie i projektowanie materiałowe. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne.
• 16. Drajewicz, M., Góral, M., Pytel, M., Kościelniak, B., Kubaszek, T., Wierzba, P., & Cichosz, P. (2021). The duplex coating formation using plasma nitriding and CrN PVD deposition on X39CrMo17-1 stainless steel. Solid State Phenomena 320, 43-48. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.320.43
• 17. EN ISO 4957. (2004). European Committee for Standardization. Stale narzędziowe.
• 18. Ghelloudj, E., Hannachi, M. T., & Djebaili, H. (2018). Effect of time of the compound layer formed during salt bath ntinitriding of AISI 4140 steel. Acta Metallurgica Slovaca 24(4), 280-286. https://doi.org/10.12776/ams.v24i4.1111
• 19. Głowacki, S., Majchrzak, A., & Majchrzak, W. (2005a). Wpływ proporcji składników atmosfery azotującej na strukturę warstwy azotowanej jonowo. Obróbka Plastyczna Metali, 2, 15-22.
• 20. Głowacki, S., Majchrzak, A., & Majchrzak, W. (2005b). Zależność grubości warstwy azotowanej jonowo od proporcji składników atmosfery azotującej. Obróbka Plastyczna, 1, 37-46.
• 21. Höck, K., Soies, H-J., Larisch, B., Leonhardt, G., Buecken, B. (1996). Wear resistance of prenitrided hardcoates steels for tools and machine components. Surface and Coatings Technology, 88(1-3), 44-49. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(96)02914-3
• 22. Karamiş, M. B., Yıldızlı, K., & Aydın, G. C. (2019). Sliding/rolling wear performance of plasma nitrided H11 hot working steel. Tribology International, 51, 18-24. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2012.02.005
• 23. Karaoğlu, S. (2002). Structural characterization and wear behaviour of plasma-nitried AISI 5140 low-alloy steel. Materials Characterization, 49(4), 349-357. https://doi.org/10.1016/S1044-5803(03)00031-7
• 24. Kovacı, H., Hacısalihoğlub, İ., Yetim, A. F., & Çelik, A. (2019). Effects of shot peening pre-treatment and plasma nitriding parameters on the structural, mechanical and tribological properties of AISI 4140 low-alloy steel. Surface & Coatings Technology, 358, 256-265. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.11.043
• 25. Kovacı, H., Yetim, A. F., Baran, O., & Celik, A. (2016a). Fatigue crack growth analysis of plasma nitrided AISI 4140 low-alloy steel: Part 1-constant ampitude loading. Materials Science & Engineering: A, 627, 257-264. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.07.002
• 26. Kovacı, H., Yetim, A. F., Baran, Ö., & Çelik, A. (2016b). Fatigue crack growth analysis of plasma nitrided AISI 4140 low-alloy steel: Part 2-Variable amplitude loading and load interactions. Materials Science & Engineering: A, 627, 265-275. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.07.003
• 27. Krbaťa, M., Majerik, J., Barényi, I., Mikušová, I., & Kusmič D. (2019). Mechanical and tribological features of the 90MnCrV8 steel after plasma nitriding. Manufacturing Technology, 19(2), 238-242. https://doi.org/10.21062/ujep/276.2019/a/1213-2489/MT/19/2/238
• 28. Kul, M., Danacai, I., Gezer, Ş., & Kacara, B. (2020). Effect of boronizing composition on hardness of boronized AISI 1045 steel. Materials Letters, 279, Article 128510. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.128510
• 29. Kula, P. (2000). Inżynieria warstwy wierzchniej. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej.
• 30. Kusmič, D., & Hrubý, V. (2015). Corrosion resistance of plasma nitrided strutural steels. Manufacturing Technology, 15(1), 64-69. http://dx.doi.org/10.21062/ujep/x.2015/a/1213-2489/MT/15/1/64
• 31. Kusmič, D., Čech, O., & Klakurková, L. (2021). Corrosion resistance of ferritic stainless steel X12Cr13 after application of low-temperature and high-temeprature plasma nitriding. Manufacturing Technology, 21(1), 98-104. https://doi.org/10.21062/mft.2021.013
• 32. Lachtin, J. M., & Kogan, J. D. (1982). Structure and strength of nitrided alloys. Metallurgia.
• 33. Lan, H-Y., & Wen, D-C. (2012). Improving the erosion and erocsion-corrosion properties of precipitation hardening mold steel by plasma nitriding. Materials Transactions, 53(8), 1443-1448. https://doi.org/10.2320/matertrans.M2012083
• 34. Liu, Z., Peng, Y., Chen, C., Gong, J., & Jiang, Y. (2020). Effect of surface nanocrystallization on low temperaturę gas carburization for AISI 316L austenitic stainless steel. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 182, Article 104053. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2020.104053
• 35. Luty, W. (1977). Poradnik inżyniera. Obróbka cieplna stopów żelaza. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne.
• 36. Michalski, J., Tacikowski, J., Wach, P., Lunarska, E., & Baum, H. (2005). Formation of single-phase layer of γ’-nitride in controlled gas nitriding. Metal Science and Heat Treatment, 47(11), 516-519. https://doi.org/10.1007/s11041-006-0023-0
• 37. Ozbaysal, K., Inal, O. T., & Romig Jr., A. D. (1986). Ion-nitriding behavior of several tool steels. Materials Science & Engineering, 78 (2), 179-191. https://doi.org/10.1016/0025-5416(86)90322-8
• 38. Peng, T., Zhao, X., Chen, Y., Tang, L., Wei K. & Hu, J. (2020). Improvement of stamping performance of H13 steel by compound-layer free plasma nitriding. Surface Engineering, 36(5), 492-497. https://doi.org/10.1080/02670844.2019.1609172
• 39. Pessin, M.A., Tier, M.D., Strohaecker, T.R., Bloyce, A., Sun, Y., & Bell, T. (2000). The effects of plasma nitriding process parameters on the wear characteristics of AISI M2 tool steel. Tribology Letters, 8, 223-228. https://doi.org/10.1023/A:1019199604963
• 40. PN-H-85023. (1986). Polski Komitet Normalizacyjny. Stal narzędziowa stopowa do pracy na zimno – Gatunki.
• 41. Podgornik, B., & Vižintin, J. (1999). Wear properties of plasma nitrided steel in dry sliding conditions. Journal of Tribology, 121(4), 802-807. https://doi.org/10.1115/1.2834138
• 42. Podgornik, B., & Vižintin, J. (2001). Wear resistance of pulse plasma nitrided AISI 4140 and A355 steels. Materials Science and Engineering: A, 315(1-2), 28-34. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(01)01202-3
• 43. Przybyłowicz, K. (1999). Metaloznawstwo. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne.
• 44. Rakowski, W. A., Kot, M., Zimowski, S., & Wierzchoń, T. (2006). Właściwości warstw azotowanych jarzeniowo, wytworzonych na stali 316L. Problemy Eksploatacji, 3, 107-116.
• 45. Sen, S., Sen, U., & Bindal, C. (2005). The growth kinetics of borides formed on boronized AISI 4140 steel. Vacuum, 77(2), 195-202. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2004.09.005
• 46. Skonieski, A. F. O., dos Santos, G. R., Hirsch, T. K., & da Silva Rocha, A. (2013). Metallurgical responce of an AISI 4140 steel to different plasma nitriding gas mixtures. Materials Research, 16(4), 884-890. https://doi.org/10.1590/S1516-14392013005000073
• 47. Skrzypek, S. J., Przybyłowicz, K. (2020). Inżynieria metali i technologie materiałowe. Wydawnictwo Naukowe PWN.
• 48. Spies, H-J., Dalke, A. (2014). Case structure and properties of nitrided steel. Comprehensive Materials Processing, 12, 438-488. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-096532-1.01216-4
• 49. Staub, F., Haas, J., Malkiewicz, T., Orzechowski, S., Przegaliński, S. (1964). Stal. Atlas metalograficzny struktur. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne.
• 50. Świć, A., & Gola, A. (2017). Współczesne technologie w inżynierii produkcji. Politechnika Lubelska.
• 51. Torchane, L. (2021). Influence of rare earths on the gas nitriding inetics of 32CrMoNiV5 steel at low temperature. Surfaces and Interaces, 23, 101016. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2021.101016
• 52. Ucar, N., Yigit, M., & Calik, A. (2020). Metallurgical characterization and kinetics of borodied 34CrNiMo6 steel. Advanced in Materials Science, 20(4(66)), 38-48. https://doi.org/10.2478/adms-2020-0021
• 53. Wang, Q. J., & Chung, Y-W. (2013). Encyclopedia of tribology. Springer https://doi.org/10.1007/978-0-387-92897-5
• 54. Xie, F., Sun, L., & Pan, J. (2012). Characteristics and mechanisms of accelerating pack boriding by direct current field at low and moderate temperatures. Surface & Coatings Technology, 206(11-12), 2839-2844. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.12.003
• 55. Yang, R., Wu, G. L., Zhang, X., Fu, W. T., & Huang, X. (2017). Gradient microstructure and microhardness in nitried 18CrNiMo7-6 gear steel. IOP Conference Series: Materials Science & Engineering, 219(1), 012047. https://doi.org/10.1088/1757-899X/219/1/012047
• 56. Zhang, Z. L., & Bell, T. (1985). Strucutre and corrosion resistance of plasma nitrided stainless steel. Surface Engineering, 1(2), 131-136. https://doi.org/10.1179/sur.1985.1.2.131
• 57. Zhao, F. S., Zhang, Z. H., Shao, M. H., Bi, Y. J., Wang, Z. W., Li, Y., Li, H. H., Xu, X. G., He, Y. Y. (2021). Mechanical and wear properties of 42CrMo Steel by plasma nitriding assisted hollow cathode ion source. Materials Research, 24(4), 1-10. https://doi.org/10.1590/1980-5373-MR-2021-0137

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).