Plasma nitriding behavior of AISI 5140 steel

Abstract

Az alaşımlı bir çelik olan AISI 5140 in plazma nitrürasyon davranışı çeşitli işlem şartları altında incelendi. İşlem değişkenleri olarak sûre (l-12h), sıcaklık (450-550°C) ve N2+H2 karışımından oluşan plazma atmosferindeki azot gazının hacimsel oranı (% 10-60) kullanıldı. Plazma nitrürasyon işlemleri 10mbar basınç altında gerçekleştirildi. Çeliğin nitrürasyon işlemine cevabım araştırmak için mikrosertlik ölçümü, optik mikroskobi, X-ışını difraksiyonu (XRD) ve taramalı elektron mikroskobi (SEM) teknikleri kullanıldı. Çalışma; çeliğin yüzey sertleşme davranışı, nitrürlenmiş tabakaların şekil ve kompozisyonu ile plazma nitrürlenmiş numunelerinin yorulma ve aşınma özelliklerinin araştırılmasında yoğunlaştı. Yorulma deneyleri eğilmeli tam değişken yükleme şartlarında, aşınma deneyleri ise pim- halka test düzeneğinde kuru sürtünme şartlarında gerçekleştirildi En yüksek yüzey sertliği; %20 N2 içeren nitrürasyon ortamında, 500°C sıcaklıkta, 4 saat süreyle işlem gören numunelerde elde edildi. Daha alçak sıcaklıklarda ve/veya daha kısa işlemlerde, düşük azot girişi ve düşük çökelti yoğunluğu sebebiyle yüzey sertliğinin azaldığı görüldü. Uzun nitrürasyon sürelerinde ve/veya yüksek sıcaklıklarda ise çökeltilerin aşırı büyümesi ile sertlik azaldı. XRD çalışmaları, numunelerin yüzeyindeki kompond tabakaların ?' ve ? nitrür fazlarının bir karışımı olduğunu gösterdi. Yüksek sıcaklık, uzun işlem süresi ve düşük azot yüzde lerinin, ?'nitrürün yapıdaki ağırlığını arttırdığı tespit edildi. Difüzyon tabakası kalınlığı ile kompond tabaka kalınlığı artan işlem süresi ve sıcaklığı ile artmaktadır. Azot yüzdesinin artması ile kompond tabaka kalınlığında artma, difüzyon tabakası kalınlığında ise bir miktar azalma meydana gelmektedir. Yorulma ve aşınma dayanımlarında, numunelerin yapısal karakteristiklerine dolayısı ile plazma nitrürasyon işlem şartlarına bağlı olarak işlem görmemiş parçalara göre önemli gelişmeler elde edilmiştir. Plazma nitrürlenmiş bir numunenin yorulma dayanımını, numunenin sertliği ve difüzyon tabakasının kalınlığı belirlemektedir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile yapılan yorulma kırıklarının incelenmesi sonunda, özellikle düşük gerilme seviyelerinde test edilen numunelerde yorulma çatlağının yüzeyin altından başladığı tespit edilmiştir. Yorulma dayanımına pek etki etmeyen kompond tabaka aşınma deneylerinde önemli bir rol oynamıştır. Aşınma miktarının, artan kompond tabaka kalınlığı ve azalan yüzey sertliği ile arttığı görülmüştür.

The plasma nitriding behavior of a low-alloy steel, AISI 5140, has been examined under various process conditions. The process variables studied include time (l-12h), temperature (450-550°C) and nitrogen partial pressure (10-60voL%N2) of nitriding atmosphere, which consisted of a mixture of N2+H2 with a total pressure of lOmbar. Microhardness measurements, optical microscopy, X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) techniques have been utilized to investigate the nitriding response of the steel The work has focused on the surface hardening behavior of the steel, the composition and morphology of the nitrided layers, and studies of fatigue and wear properties of plasma nitrided specimens. A reversed bending fatigue testing machine was used in fatigue tests. Wear tests were carried out under dry sliding conditions using a pin-on-ring configuration. The maximum surface hardness was obtained in the sample plasma nitrided over a period of 4h at 500°C in a nitriding atmosphere containing 20voL% N2. For shorter treatment times and/or lower temperatures the amount of hardening was low due to the lower nitrogen uptake and precipitate density. Due to the coarser precipitates, extended nitriding periods and/or higher treatment temperatures led lower surface hardness as well XRD studies revealed that the outermost layer or compound layer of samples are made up of a mixture of ¦/-nitride and E-nitride phases. Formation of a predominantly ¦/phase compound layer structure is favored at high temperatures, for long treatment times and by the use of low nitrogen atmospheres. The case depth and compound layer thickness were found to increase with increasing process temperature and time. Nitrogen content of the plasma nitriding atmosphere while increasing the compound layer thickness, slightly decreased the case depth. The fatigue and wear tests revealed substantial improvements depending upon the structural characteristics of the component ie. plasma nitriding process conditions. It was found that fatigue strength of a plasma nitrided sample was determined by its hardness and case depth. Fatigue fractography study using SEM revealed subsurface crack initiation especially on samples tested at low stress levels. Compound layer thickness, which seemed to have no significant effect on fatigue test results, played an important role in wear tests. Wear rates were observed to increase with increasing compound layer thickness and decreasing surface hardness.