The influence of the time of technological soaking of nitrided EN-X37CrMoV5-1 tool steel at a higher temperature on the structure, microhardness, and tribological wear of the surface layer

• Autorzy: Dworak M. , Barylski A. , Aniołek A. , Stepanova E.

Warianty tytułu

PL

Wpływ czasu technologicznego wygrzewania w podwyższonej temperaturze azotowanej stali narzędziowej X37CrMoV5-1 na strukturę, mikrotwardość oraz zużycie tribologiczne warstwy wierzchniej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper concerns the assessment of the influence of the duration of high-temperature soaking of steel intended for dies for extruding aluminium profiles on the structure, microhardness, and tribological wear of the top layer. Gas nitrided hot work tool steel X37CrMoV5-1 (WCL) was used in the tests. For technological reasons, before the extruding process, such dies are pre-heated for several hours to a temperature ranging from 400°C to 600°C. Due to the possibility of various unplanned situations (failures), the soaking time may be extended even up to more than ten hours. Therefore, soaking was used after the nitriding process due to the application nature of the research whose purpose was to identify changes occurring in the nitrided layer after soaking of dies at a higher temperature (520°C) and before starting the extruding process, and thus to determine for how long the dies may be held in a furnace without undesirable changes in the top layer. The examined samples were soaked in an industrial furnace at 520°C for 2 h, 4 h, 6 h, 8 h, 10 h, and 12 h. Samples heated to 520°C and then immediately cooled down and the reference material which was not heated after the nitriding process were also examined for comparison purposes. The obtained results of the tests of the microhardness of the nitrided layer indicate that it decreased as the soaking time increased to 6 hours. After this time, that parameter is stabilised and further heating up to 10 hours does not cause a significant decrease in the microhardness of the top layer. A further decrease in the microhardness of the layer was observed for samples soaked for 12 hours. The results of tribological tests showed an analogous course of changes in the tribological wear of the examined material as the soaking time increased. The performed tests indicate the possibility of holding dies at a higher temperature (520°C) for 10 hours. Further soaking at this temperature causes adverse changes in the top layer.

PL

Praca dotyczy oceny wpływu czasu wygrzewania w podwyższonej temperaturze stali przeznaczonej na matryce do wyciskania profili aluminiowych na strukturę, mikrotwardość oraz zużycie tribologiczne warstwy wierzchniej. W badaniach stosowano stal narzędziową do pracy na gorąco X37CrMoV5-1 (WCL) poddaną procesowi azotowania gazowego. Matryce takie są przed procesem wyciskania poddawane wstępnemu nagrzewaniu do temperatury z przedziału 400°C do 600°C przez okres kilku godzin, co jest spowodowane względami technologicznymi. Z uwagi na możliwość wystąpienia różnych nieplanowanych sytuacji (awarii) czas wygrzewania może ulec wydłużeniu nawet do kilkunastu godzin. Zastosowany zabieg wygrzewania po procesie azotowania wynikał zatem z aplikacyjnego charakteru badań, które miały na celu określenie zmian zachodzących w warstwie azotowanej po wygrzewaniu matryc w podwyższonej temperaturze (520°C) przed rozpoczęciem procesu wyciskania, a tym samym określenie, przez jaki czas można przetrzymywać matryce w piecu bez pojawienia się niepożądanych zmian w warstwie wierzchniej. Badane próbki wygrzewano w piecu przemysłowym w temperaturze 520°C przez czas 2 h, 4 h, 6 h, 8 h, 10 h i 12 h. W celach porównawczych zbadano także próbki nagrzane do temperatury 520°C i od razu chłodzone oraz materiał wzorcowy, który nie był wygrzewany po procesie azotowania. Uzyskane wyniki badań mikrotwardości warstwy azotowanej wskazują na jej spadek wraz z rosnącym czasem wygrzewania do 6 godzin. Po tym czasie parametr ten ulega stabilizacji i dalsze wygrzewanie do 10 godzin nie powoduje istotnego spadku mikrotwardości warstwy wierzchniej. Dla próbek wygrzewanych przez okres 12 godzin odnotowano dalszy spadek mikrotwardości warstwy. Wyniki testów tribologicznych wykazały analogiczny przebieg zmian zużycia tribologicznego badanego materiału wraz z rosnącym czasem wygrzewania. Przeprowadzone testy wskazują na możliwość przetrzymywania matryc w podwyższonej temperaturze (520°C) przez okres 10 godzin. Dalsze wygrzewanie w tej temperaturze powoduje pojawienie się niekorzystnych zmian w warstwie wierzchniej.

Słowa kluczowe

EN

tool steel; X37CrMoV5-1; nitriding; upper layer; microhardness; tribological wear

PL

stal narzędziowa; X37CrMoV5-1; azotowanie; warstwa wierzchnia; mikrotwardość; zużycie tribologiczne

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2017
• Tom: nr 4
• Strony: 27--32
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., wz.

Twórcy

autor

Dworak M.

• Institute of Materials Science, Faculty of Computer Science and Materials Science, University of Silesia, ul. 75 Pułku Piechoty 1A, 41-500 Chorzów, Poland

autor

Barylski A.

• Institute of Materials Science, Faculty of Computer Science and Materials Science, University of Silesia, ul. 75 Pułku Piechoty 1A, 41-500 Chorzów, Poland

autor

Aniołek A.

• Institute of Materials Science, Faculty of Computer Science and Materials Science, University of Silesia, ul. 75 Pułku Piechoty 1A, 41-500 Chorzów, Poland

autor

Stepanova E.

• Institute of Materials Science, Faculty of Computer Science and Materials Science, University of Silesia, ul. 75 Pułku Piechoty 1A, 41-500 Chorzów, Poland

Bibliografia

• 1. ASM Handbook, Metalworking: Bulk Forming, 14A, Dies and Die Materials for Hot Forging, ASM International, Ohio USA, 2005, 47–61.
• 2. Kheirandish S., Noorian A.: Effect of Niobium on Microstructure of Cast AISI H13 Hot Work Tool Steel. Journal of Iron and Steel Research, International, 2008; 15(4): 61–66.
• 3. Noorian A., Kheirandish S., Saghafian H.: Evaluation of the mechanical properties of niobium modified cast AISI H13 hot work tool steel. Iranian Journal of Materials Science and Engineering, 2010; 7(2): 22–29.
• 4. Jiménez H., Devia D. M., Benavides V., Devia A., Arango Y. C., Arango P. J., Velez J. M.: Thermal protection of H13 steel by growth of (TiAl)N films by PAPVD pulsed arc technique. Materials Characterization, 2008; 59(8): 1070–1077.
• 5. Psyllaki P., Papadimitriou K., Pantazopoulos G.: Failure modes of liquid nitrocarburized and heat treated tool steel under monotonic loading conditions. Journal of Failure Analysis and Prevention, 2006; 6(6): 13–18.
• 6. Emami M., Ghasemi H. M., Rassizadehghani J.: High temperature tribological behaviour of 31CrMoV9 gas nitrided steel. Surface Engineering, 2010; 26(3): 168–172.
• 7. Akhtar S. S., Arif A. F. M., Yilbas B. S.: Evaluation of gas nitriding process with in-process variation of nitriding potential for AISI H13 tool steel. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2009; 47(5): 687–698.
• 8. Starling C. M. D., Branco J. R. T.: Thermal fatigue of hot work tool steel with hard coatings. Thin Solid Films, 1997; 308–309: 436–442.
• 9. Efe G. C.: Characterization of Gas-Nitrided 31CrMoV9 Steel. Materials and Technology, 2014; 48(6): 827–830.
• 10. Kugler G., Turk R., Večko-Pirtovšek T., Terčelj M.: Wear behaviour of nitrided microstructures of AISI H13 dies for hot extrusion of aluminium. Metalurgija, 2006; 45(1): 21–29.
• 11. Tercelj M., Smolej A., Fajfar P., Turk R.: Laboratory assessment of wear on nitrided surfaces of dies for hot extrusion of aluminium. Tribology International, 2007; 40: 374–384.
• 12. Karamis M. B., Gercekcioglu E.: Wear behavior of plasma nitrided steels at ambient and elevated temperatures. Wear, 2000; 243: 76–84.
• 13. Kang J. H., Park I. W., Jae J. S., Kang S. S.: A study on a die wear model considering thermal softening: (I) Construction of the wear model. Journal of Materials Processing Technology, 1999; 96: 53–58.
• 14. Sjostrom J., Bergstrom J.: Thermal fatigue testing of chromium martensitic hot-work tool steel after different austenitizing treatments. Journal of Materials Processing Technology, 2004; 153–154: 1089–1096.
• 15. Li S., Manory R. R.: Comparison of compound layer nucleation mechanisms in plasma nitriding and nitrocarburizing: the effect of CHn species. Journal of Materials Science, 1999; 34(5): 1045–1049.
• 16. Małkiewicz T.: Metaloznawstwo stopów żelaza (Iron Alloys Metallurgy), PWN, Warsaw – Cracow 1971.
• 17. Małdziński L.: Termodynamiczne, kinetyczne i technologiczne aspekty wytwarzania warstwy azotowanej na żelazie i stalach w procesach azotowania gazowego (Thermodynamic, kinetic and technological aspects of the formation of the nitrided layer on iron and steels in gas nitriding processes). Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej (Publishing House of Poznań University of Technology); Rozprawy nr 374, Poznań 2002.
• 18. Hernandez M., Staia M. H., Puchi-Cabrera E. S.: Evaluation of microstructure and mechanical properties of nitrided steels. Surface and Coatings Technology, 2008; 202(10): 1935–1943.
• 19. Birol Y.: Effect of post-oxidation treatment on thermal fatigue behaviour of plasma nitrided hot work tool steel at elevated temperatures. Surface and Coatings Technology, 2011; 205(8–9): 2763–2769.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).