Azotowanie z ekranem aktywnym jako alternatywa dla azotowania jarzeniowego tytanu i jego stopów

• Autorzy: Ossowski M. , Tarnowski M. , Borowski T. , Brojanowska A. , Wierzchoń T.

Warianty tytułu

EN

Active screen plasma nitriding as an alternative for glow discharge nitriding of titanium and its alloys in the aim of enhancing their usage properties

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Azotowanie jarzeniowe jest nowoczesną obróbką cieplno-chemiczną. Pozwala na zwiększenie twardości oraz odporności na zużycie w warunkach tarcia elementów wykonanych z tytanu i jego stopów. Zjawisko rozpylania katodowego w obróbkach jarzeniowych jest stosowane w aktywacji powierzchni obrabianego podłoża stanowiącego katodę. W konsekwencji znacząco zwiększa się efektywność procesów azotowania. Pozwala na wytworzenie warstw o większej grubości w niższej temperaturze procesu. Zjawisko rozpylania katodowego jest jednak przyczyną występowania niekorzystnych efektów katody wnękowej oraz krawędziowego. Także nierównomiernego nagrzewania się elementów oraz dużego rozwinięcia i zdefektowania powierzchni obrabianych elementów. Stąd jest utrudniona obróbka elementów cienkościennych lub z dużą liczbą ostrych krawędzi i otworów. Podobne trudności występują również przy wytwarzaniu jednorodnych warstw o dużej gładkości, np. na powierzchniach polerowanych. Jednym z kierunków modyfikacji obróbki jarzeniowej mającej na celu wyeliminowanie skutków rozpylania katodowego i połączenia zalet tradycyjnej metody azotowania w warunkach wyładowania jarzeniowego jest azotowanie w obszarze plazmy. Stosowanie w procesie azotowania jarzeniowego ekranu aktywnego umożliwia oddziaływanie niskotemperaturowej plazmy na obrabiane elementy odizolowane zarówno od katody, jak i anody, ograniczając wpływ zjawiska rozpylania katodowego do minimum. W pracy przedstawiono wyniki badań mikrostruktury, składu fazowego oraz właściwości warstw wytworzonych na podłożu stopu tytanu Ti-6Al- -4V w procesie azotowania z użyciem ekranu aktywnego. Wytworzone dyfuzyjne warstwy azotowane zwiększają odporność na zużycie w warunkach tarcia oraz odporność korozyjną stopu Ti-6Al-4V. Jednocześnie stosowany proces azotowania w niewielkim stopniu wpływa na topografię powierzchni. Pozwala także na wytworzenie jednorodnych warstw na elementach o skomplikowanym kształcie. Analiza uzyskanych wyników w odniesieniu do procesu azotowania jarzeniowego na potencjale katody wskazuje na możliwość zastosowania azotowania z użyciem ekranu aktywnego do obróbki elementów o małych rozmiarach i skomplikowanym kształcie z zachowaniem dużej gładkości ich powierzchni obrabianych. Przedstawiono również możliwości zastosowania obróbki jarzeniowej w obszarze plazmy wyrobów tytanowych.

EN

Glow discharge nitriding is an advanced thermochemical treatment method that allows one to eliminate some disadvantages of titanium and its alloys like low hardness or wear resistance. Cathode sputtering in the glow discharge treatment is used in the activation of the treated material surface being a cathode, which in turn significantly increases the efficiency of the nitriding processes and allows one to produce layers of greater thickness at a lower temperature. However, the phenomena of cathode sputtering is also a cause of some adverse effects like the “hole cathode effect”, uneven heating of the elements in the technological process, the so called “edge effect” and the development of an increased number of defects in the surface of the elements. For these reasons it is difficult to process elements with thin sections, sharp edges and holes, also the formation of homogeneous layers with a high smoothness of the polished surfaces is complicated. One of the ways to modify glow discharge treatment, designed to eliminate those negative effects, with all the advantages of “conventional” nitriding in glow discharge conditions being preserved, is called nitriding at plasma potential (“floating potential”). The active screen used in the plasma nitriding process enables interaction between the low temperature plasma and the treated elements (which are isolated from both cathode and anode), and limits cathode sputtering effects to a minimum. The article presents the results of microstructure and phase composition analysis and properties of the layers produced in the active screen plasma nitriding process on the Ti-6Al-4V titanium alloy. Diffusive nitrided layers enhance wear and corrosion resistance of the Ti-6Al-4V titanium alloy. Moreover, the active screen nitriding process affects the topography of the treated material surface to a limited level and allows one to produce homogeneous layers on elements of complex shapes. The obtained results referring to cathode potential nitriding show the possibility of broader applications of active screen plasma nitriding in the processing of compact elements of complex shapes and with a high smoothness of the surfaces being preserved. The paper also presents some applications of the active screen nitriding process.

Słowa kluczowe

PL

tytan; stopy tytanu; azotowanie jarzeniowe; aktywny ekran; potencjał plazmy; mikrostruktura; odporność na zużycie w warunkach tarcia; odporność na korozję

EN

titanium; titanium alloys; glow discharge nitriding; active screen; plasma potential; microstructure; wear resistance; corrosion resistance

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 33, nr 4
• Strony: 236--239
• Opis fizyczny: Bibliogr. 7 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Ossowski M.

• Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska

autor

Tarnowski M.

• Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska

autor

Borowski T.

• Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska

autor

Brojanowska A.

• Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska

autor

Wierzchoń T.

• Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska

Bibliografia

• [1] Czyrska-Filemonowicz A., Buffat P. A., Łucki M., Moskalewicz T., Rakowski W., Lekki J., Wierzchoń T.: Transmission electron microscopy and atomic force microscopy characterisation of titanium-base alloys nitride under glow discharge. Acta Materialia 53 (2005) 4367÷4377.
• [2] Roliński E., Arner J., Sharp G.: Negative effects of reactive sputtering in an industrial plasma nitriding. Journal of Materials Engineering and Performance 14 (3) (2005) 343.
• [3] Alves Jr. C., Silva E. F., Martinelli A. E.: Effect of workpiece geometry on the uniformity of nitrided layers. Surface and Coatings Technology 139 (2001) 1÷5.
• [4] Zhao C., Li C. X., Dong H., Bell T.: Study on the active screen plasma nitriding and its nitriding mechanism. Surface & Coatings Technology 201 (2006) 2320÷2325.
• [5] Sousa R. R. M., Araujo F. O., Ribeiro K. J. B. at al.: Cathodic cage nitriding of samples with different dimensions. Materials Science and Engineering A 465 (2007) 223÷227.
• [6] Ossowski M., Borowski T., Wierzchoń T.: Analiza struktury warstw azotowanych wytworzonych na stopie tytanu w różnych obszarach wyładowania jarzeniowego. Inżynieria Materiałowa 5 (2009) 294÷297.
• [7] Liang Wang, Yang Li, Xuemin Wu: Plasma nitriding of low alloy steels at floating and cathodic potentials. Applied Surface Science 254 (2008) 6595.