Badania naprężeń własnych w warstwach chromokrzemowanej i chromowanej wytwarzanych metodą proszkową

• Autorzy: Bauer I. , Piasecki A.

Warianty tytułu

EN

The residual stresses study in the chromosiliconized and chromized layers produced by powder method

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy omówiono wyniki badań dotyczące stanu naprężeń własnych w warstwie chromokrzemowanej i chromowanej. Warstwy dyfuzyjne wytworzono metodą proszkową na powierzchni stali C45. Procesy technologiczne przeprowadzono w temperaturze 1000°C przez 6 godzin. Do wytwarzania warstwy chromokrzemowanej zastosowano mieszaninę proszkową zawierającą żelazochrom z dodatkiem SiC, kaolin oraz chlorek amonu. Natomiast do wytwarzania warstwy chromowanej zastosowano mieszaninę zawierającą Cr2O3 z dodatkiem Al, kaolin oraz chlorek amonu. Próbki ze stali C45 przeznaczone do badań umieszczano w uprzednio przygotowanej mieszaninie proszkowej w skrzynkach o specjalnej konstrukcji wykonanych ze stali X6CrNiTi18-10. Aby zapobiec utlenianiu się wsadu, które jest zjawiskiem niepożądanym, skrzynki zamykano pokrywą i uszczelniano emalią topiącą się w temperaturze 600°C. Badania mikrostruktury i grubości warstw dyfuzyjnych wytworzonych na stali C45 przeprowadzono za pomocą mikroskopu metalograficznego Olympus IX na poprzecznych zgładach metalograficznych trawionych nitalem. Wykazały one jasną, nietrawiącą się, oddzieloną wyraźną granicą od podłoża warstwę chromokrzemowaną o grubości ok. 16 μm oraz chromowaną o grubości ok. 27 μm. Skład fazowy warstw oceniano za pomocą dyfraktometru firmy Philips z goniometrem X-Pert, stosując promieniowanie CuKα z monochromatyzacją wiązki dyfrakcyjnej. Skład chemiczny warstw oceniano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) z mikroanalizatorem rentgenowskim oraz optycznego spektrometru emisyjnego z wzbudzeniem jarzeniowym GDOES. Pomiary chropowatości powierzchni przeprowadzono za pomocą profilografu Homell Tester T 1000E. Chromokrzemowane i chromowane próbki ze stali C45 wykazały wzrost parametrów chropowatości w porównaniu ze stalą bez warstw. Pomiary twardości HV0,05 wykonane sposobem Vickersa na poprzecznych zgładach metalograficznych próbek chromowanych i chromokrzemowanych wykazały jej ok. 5÷6-krotny wzrost w porównaniu z materiałem podłoża. Rentgenowska analiza fazowa ujawniła w warstwie chromokrzemowanej obecność węglika typu (Cr, Fe)7C3, węgloazotka typu Cr2(N, C) oraz w warstwie chromowanej węglika typu (Cr, Fe)23C6 i węgloazotka typu Cr2(N, C). Naprężenia wyznaczono za pomocą metody dyfrakcji rentgenowskiej sin2ψ. Wyniki badań wykazały, że chromokrzemowanie i chromowanie generują na powierzchni stali C45 stan naprężeń własnych ściskających.

EN

In the work the results of examinations of residual stress state in the chromosiliconized and chromized layer have been discussed. Diffusion layers were produced on the surface of C45 steel by the powder method. The technological processes were carried out at 1000°C for 6 hours. The chromosiliconized layer was produced with the use of ferrochromium powder combined with SiC, kaolin and ammonium chloride. The chromized layer was produced with the use of Cr2O3 combined with Al, kaolin and ammonium chloride. Samples of C45 steel were placed in the powder mix in special boxes made of X6CrNiTi18-10 steel. To prevent sample oxidation the boxes were covered with lids and sealed with vitreous enamel which melts at temperatures 600°C. Microstructural analyses and thickness measurements of a diffusion layers were carried out using the Olympus IX 70 metallographic microscope. Nital-etched microsections perpendicular to the surface of the sample were examined. A bright, non-etched, clearly separated from the steel substrate chromized layer with an estimated thickness of 27 μm and chromosiliconized with an estimated thickness of 16 μm were observed. The phase composition of a chromosiliconized and chromized layer was evaluated using a Philips X’Pert diffractometer with CuKα radiation and monochromatization of diffracted beams. X-ray diffraction method of chromosiliconized layer revealed the presence of (Cr, Fe)7C3 carbide, Cr2(N, C) carbonitride and (Cr, Fe)23C6 carbide, Cr2(N, C) carbonitride in chromized layer. Chemical composition was determined by SEM with X-ray microanalysis and glow discharge optical emission spectroscopy (GDOES). Surface roughness was measured with a Hommel Tester T1000. Chromosiliconized and chromized layers on samples of C45 steel were characterized by higher surface roughness than uncoated steel. Vickers hardness tests (HV0.05) performed on transverse microsections revealed a 5÷6-fold increase than uncoated steel. Stresses were measured by the sin2ψ X-ray diffraction method. The results of the study show that chromosiliconizing and chromizing processes generate the state of the residual compressive stress on the surface of C45 steel.

Słowa kluczowe

PL

chromokrzemowanie; chromowanie; naprężenia własne

EN

chromosiliconizing; chromizing; residual stresses

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 6
• Strony: 623--626
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Bauer I.

• Wydział Nauk Technicznych, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Olsztyn

autor

Piasecki A.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

Bibliografia

• [1] Xu Qianjun,Yu Shouwen, Kang Yilan: Residual stress analysis of functionally gradient materials. Mechanics Research Communications 26 (1) (1999) 55÷60.
• [2] Waisman I. L., Phillips A.: Simplified measurement of residual stresses. Proc. of the Society Experimental Stress Analysis 11 (2) (1952) 102.
• [3] Piekarski R.: Wyznaczanie naprężeń własnych w warstwie wierzchniej elementów maszyn ze stali 42CrMo4 poddanych kulowaniu strumieniowemu. Mechanik 5 (2005) 102÷106.
• [4] Wen Y. H., Xiong N., Li L. R.: Composition design principles for Fe-Mn- Si-Cr-Ni based alloys with better shape memory effect and higer recovery stress. Materials Science and Engineering 1-2 (2005) 31÷35.
• [5] Wang W., Liao K.: Effect of internal stress on persistent photoconductivity in a-Si/H/a-SiNx:H layered structure. Solid State Communications 62 (11) (1987) 749÷751.
• [6] Hug E., Hubert O., Houte J.: Effect of internal stresses on the magnetic properties of non-oriented Fe-3 wt % Si and (Fe, Co)-2 wt % V alloys. Materials Science and Engineering 332 (1-2) (2002) 193÷202.
• [7] Thurner G., Abermann R.: Internal stress and structure of ultrahigh vaccum evaporated chromium and iron films and their dependence on substrate temperature and oxygen partial pressure. The Solid Films 192 (1) (1990) 277÷285.
• [8] Skrzypek S. J.: Nowe możliwości pomiaru makronaprężeń własnych materiałów przy zastosowaniu dyfrakcji promieniowania X w geometrii stałego kąta padania. Rozprawy, Monografie, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków (2002).
• [9] Kocańda S., Natkaniec D.: Opis analityczny naprężeń własnych w elementach stalowych wywołanych hartowaniem laserowym. Archiwum Nauki o Materiałach 12 (3) (1991) 143÷163.
• [10] Lisic B., Tensi H. M., Luty W.: Theory and technology of quenching. Springer-Verlag, Berlin (1992).
• [11] Nakonieczny A., Bauer I.: Optymalizacja parametrów procesu chromokrzemowania. Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna pt. Balttechmasz-2000. Kaliningrad-Rosja (2000) 131÷132.
• [12] Kasprzycka E., Bogdański B., Jasiński J., Senatorski: Warstwy węglikowe wytwarzane na stalach w atmosferze chlorków chromu przy obniżonym ciśnieniu. Inżynieria Materiałowa 6 (2008) 812÷814.
• [13] Wierzchoń T., Szawłowski J.: Inżynieria powierzchni a potrzeby materiałowe przemysłu. Materiały XIII Seminarium Grupy SECO/WARWICK, Świebodzin (2010) 5÷15.
• [14] Młynarczak A.: Modyfikowanie budowy i właściwości jednoi wieloskładnikowych dyfuzyjnych warstw węglików chromu, wanadu i tytanu wytwarzanych na stalach metodą proszkową. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań (2005).
• [15] Młynarczak A., Piasecki A.: Dyfuzyjne manganowanie żelaza. Inżynieria Materiałowa 4 (2011) 597÷599.
• [16] Honchi Masahiro, Yamazaki Takanao: Chromium/silicon composite pack cementation agent and treatment using the same. Patent JP 2002129304, (2002).
• [17] Pertek A., Kulka M.: Microstructure and properties of composite (B + C) diffusion layers on low-carbon steel. Journal of Materials Science 38 (2003) 269÷273.
• [18] PN-EN ISO 6507-1:1999: Metale. Pomiar twardości sposobem Vickersa.