Microstructural and mechanical characterization of nitrogen ion implanted and plasma ion nitrided plastic injection mould steel

Abstract

oz Bu çalışmada, ferritik yapıya sahip yüksek krom alaşımlı plastik enjeksiyon kalıp çeliğine (X36CrMol7, AISI-420F çeliğine benzer yapı ve alaşımdadır) değişik şartlar altında plazma nitrasyon ve azot iyonu implantasyonu yapılmıştır. Kullanılan bu metodların optimizasyonunu sağlamak için malzemelerin yüzey özellikleri ve mekanik peformansları üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Deneysel sonuçlar plazma nitrasyon ve azot iyonu implantasyonunun malzemelerin yüzeylerinde gelişmiş mekanik özelliklere sahip çeşitli mikroyapıların oluşumuna yol açtığı göstermiştir. Malzemeler değişen oranlarda N2+H2 gaz karışımları kullanarak 500 V sabit polarizasyon gerilimi ve 520 ila 540 °C işlem sıcaklıkları altında 15 ila 18 saat arasında değişen sürelerde mikro titreşimli doğru akım üreteçli endüstriyel bir cihaz ile plazma nitrasyon işlemlerine tabi tutulmuşlardır. Azot iyon implantasyonu ise 2Q0°C'den düşük sıcaklık seviyesinde 85 kV hızlandırma gerilimi altında 2x1 017 ve 1x1 018 doz oranlan kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Yüzey faz ve mikroyapıları, plazma nitrürlenmiş ve azot implantasyonu yapılmış tabakaların kalınlıkları ve bu tabakaların sertlikleri simetrik (9-20) ve anti simetrik x-ışınlan kırınımı (XRD ve GIXRD), dönüşüm elektronu ve x-ışmlan Mössbauer spektroskopileri (CEMS ve CXMS), elektron mikroskobu (SEM) ve nanosertlik ölçümleri aracılığı ile karakterize edilmiştir. Malzemelerin paslanma özellikleri başta `tuz püskütme testi` olmak üzere elektron mikroskobu için malzeme hazırlanması sırasında asit ile dağlanmaları ile araştırılmış, tribolojik Özellikler (sürtünme ve aşınma) ise malzeme üzerinde aşındıncı-top kullanma yöntemi ile incelenmiştir. Mössbauer, XRD ve SEM analiz sonuçlan (Fe,Cr,Mn)-nirrürlerin ve CrN'ün nitrürlenmiş tabakanın birkaç mikrometre kalınlığındaki en üst tabakasında dağılım halinde olduğunu göstermiştir. CEMS ve CXMS analizleri yüzeyden belli derinliğe kadar olan tabakalarda bulunan kristal yapıların neredeyse tamamen, içinde e-FesN, y'- Fe4N, ve CrN gibi fazlan bulunduran (Fe,Cr,Mn)-nitrürlere ve saf bcc a-(Fe)'e ayrıştığını göstermiştir. Ayrıca XRD, CEMS ve CXMS sonuçlan FeaC-benzeri bir karbür'ün [(Fe,Cr,Mn)3C] nitrürlenmiş tabakalarda oluştuğunu ortaya koymuştur. Bu oluşumun sebebi yüzey tabakalarına karbon birikmesine ve/veya nitrürleme sisteminin içinde bulunan ekstra karbon varlığına dayandırılmıştır. VIN2/H2 = 1 gaz karışımı ile yapılan plazma nitrürleme işleminin en kalın nitrürlenmiş tabakanın oluşumuna yol açtığı (yaklaşık olarak 135 um) ve bu tabakanın çok yüksek paslanma dayanımına sahip olduğu gözlenmiştir. Malzemenin yan kesitinden yapılan nano-sertlik ölçümleri ile sertlik dağılımının bütün malzemelerde birbirlerine benzer olarak bir plato bölgesi oluşturduğu ve yüzey sertlik değerlerinin işlem görmemiş malzemeye göre 3 kat kadar artmış olduğu belirlenmiştir. Bu çalışmada ayrıca malzemelerde görülen sertlik artışının sebebinin küçük homojen tanecikli CrN çökelti fazı oluşumu olduğu bulunmuştur. Sürtünme ve aşınma deneyleri, plazma nitrürlenmiş yüzeylerin düşük sürtünme katsayılarına (%20 ila %25 oranında) ve aşınmaya yüksek dayanıma sahip olduklarını açığa çıkarmıştır. Plastik enjeksiyon kalıp çeliğine yapılan azot iyon implantasyonu sonucu bu malzemelerin yüzeyinde aşınma ve paslanma dayanımı yüksek, azot miktarı açısından zengin tabakaların (yaklaşık olarak 0.1 um kalınlığında) oluştuğu bulunmuştur. Düşük (2x10 ions/cm ) ve yüksek (1x10 ions/cm ) dozda yapılan implantasyon sonrasında yapılan yüzey sertlik ölçümleri malzemelerin yüzey sertliklerinin ham malzemeye kıyasla sırasıyla, en az 1.4 ve 1.6 kat kadar arttığım göstermiştir. Tuzlu su püskürtme yoluyla yapılan paslanma analizi ölçümleri (%2'lik NaCl barındıran saf su çözeltisi) azot iyon implantasyonu yapılan tabakaların gelişmiş paslanma dayanımına sahip olduğunu ve iyon implantasyonunun kullanılan plastik enjeksiyon kalıp çeliğinin paslanma direncinin arttırılması için uygun bir yöntem olduğu göstermiştir. Mössbauer ve XRD analizi azot implante olmuş tabakaların e-nitrür, e- (Fe,Cr,Mn)2+xN gibi fazları barındırdığım ve bu fazların hem manyetik (x~l) hem de paramanyetik (x~0) özellikler taşıdığım ortaya koymuştur. CEMS analizi ise düşük ve yüksek dozda azot implante edilmiş tabakaların sırasıyla ~40 and 65 nm kalınlıklarında olduğunu göstermiştir. vıı

v s ABSTRACT In this study, high-chromium ferritic plastic injection mould steel (X36CrMol7, similar to AISI-420F) was subjected to plasma nitriding and nitrogen ion beam implantation under various conditions. The effectiveness of conventional plasma nitriding and nitrogen ion beam implantation conditions in improving the tribological properties and mechanical performance was investigated. The experimental results clearly show that plasma nitriding and nitrogen ion beam implantation lead to the development of the various near-surface microstructures and enhanced mechanical properties. Plasma nitriding was performed at a temperature range between 520-540 °C, with a bias voltage of 500 V for 15 to 18 hours under various gas mixtures of N2+H2 in an industrial nitriding facility (micro-pulsed DC). Nitrogen ion beam implantation was carried out with 2xl017 and lxl 018 ion doses with an 85 kV nitrogen ion energy at temperatures < 200 °C. Near-surface phases, compositions, plasma nitrided and nitrogen implanted layer thicknesses and the strength of these layers were studied by a combination of symmetric (9-29) and grazing incidence x-ray diffraction (XRD and GIXRD), conversion electron and x-ray Mössbauer spectroscopies (CEMS and CXMS), cross-sectional scanning electron microscopy (SEM) and cross-sectional nanohardness measurements. The corrosion behaviour was investigated by a salt spray method and by observation of acid etching during SEM sample preparation. The tribological properties (friction and wear) were examined by a ball-on-disc tribometer. Combined Mössbauer, XRD, and SEM analyses clearly indicate that (Fe,Cr,Mn)-nitrides and CrN are distributed in the top nitrided layers of several micron thickness. The CEMS and CXMS analyses show the nearly complete decomposition of the near surface and deeper crystal structures into pure bcc a-(Fe), (Fe,Cr,Mn)-nitrides, consisting of e-Fe3N and y'-Fe4N, and CrN. The XRD, CEMS and CXMS results also show an Fe3C-like carbide phase, (Fe,Cr,Mn)3C, in the nitrided layers, whose presence is attributed to C segregation to the near-surface region and to extra carbon being present in the nitriding system. The nitriding conditions with the gas composition N2/H2=l produces the thickest nitrided layer (about 135 um) with an excellent resistance to corrosion. The IVnanohardness measurements indicate that the cross sectional hardness-depth profiles under all nitriding conditions is found to be plateau-shaped, and the nitrided layer surface hardness values are found to be increased by a factor of about three in comparison to mat of the substrate material. This study also showed that the hardening effect in plasma nitrided specimens was due to a fine and homogeneous chromium nitride precipitation. The wear analysis results showed that the nitrided layers have reduced friction coefficient values (20 to 25%) and possess excellent wear resistance in comparison to that of the bulk material. It was also found that nitrogen ion implantation into plastic injection mould steel produces N content rich layers (less than 0.1 um thick) with enhanced wear and corrosion properties. The surface nanohardness measurements of the low and high dose implanted specimens indicate that the hardness values increase by factors of about 1.4 and 1.6, respectively, compared to the substrate material. The salt spray corrosion analysis (2% NaCl solution in distilled water) experiments showed enhanced corrosion behaviour for the N implanted layers, and that nitrogen ion implantation is a viable method for improving corrosion resistance of plastic injection mould steel. Combined Mössbauer and XRD data reveal that the N implanted layers consist of e-nitride phase, e- (Fe,Cr,Mn)2+xN, with both magnetic (x~l) and paramagnetic (x~0) characteristics. Based on the CEMS results, the N implanted layer thicknesses are found to be ~ 40 and 65 nm for the low dose (2xl017 ions/cm2) and high dose (lxl 018 ions/cm ) dose N implanted specimens, respectively.