IDENTYFIKACJA FAZ W STABILIZOWANYM STALIWIE AUSTENITYCZNYM

Transkrypt

1 27/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN IDENTYFIKACJA FAZ W STABILIZOWANYM STALIWIE AUSTENITYCZNYM M.GARBIAK 1 Politechnika Szczecińska, Instytut Inżynierii Materiałowej Szczecin, Al. Piastów 19 STRESZCZENIE W pracy przedstawiono skład fazowy i strukturę stabilizowanego dodatkami Nb i Ti staliwa żarowytrzymałego typu 0.3C-30Ni-18Cr stosowanego do wytwarzania elementów konstrukcyjnych metodą odlewania grawitacyjnego. Badania z wykorzystaniem mikroskopii optycznej oraz rentgenowskiej analizy fazowej przeprowadzono w stanie po odlaniu oraz po procesie wyżarzania o C/ 300 godzin. Wykazano, że identyfikowane składniki fazowe (Ni 3 Ti, NbC, (Nb,Ti)C, TiC, M 23 C 6, G) można odróżnić na podstawie wyników pomiaru ich mikrotwardości. Key words: stabilised cast steel, phase transformations, carbides, G phase 1. WPROWADZENIE Stabilizowane żarowytrzymałe staliwo austenityczne jest przedmiotem szerokich badań ale przede wszystkim w kontekście zastosowania na rury katalityczne czy pirolityczne [1, 2]. Jednak fakt, że wykonuje się z niego odlewy metodą odlewania odśrodkowego, znacznie ogranicza możliwości adaptowania wyników badań do innych warunków pracy, szczególnie gdy są to odlewy wykonywane metodami odlewania grawitacyjnego. Wprowadzanie do staliwa austenitycznego pierwiastków stabilizujących zmienia nie tylko typ wydzieleń węglikowych ale też może prowadzić, w trakcie eksploatacji, do przemiany węglików prostych MC w węgliki typu M 6 C lub fazę G międzymetaliczną fazę bogatą w nikiel, krzem oraz niob lub/ i tytan [3, 4]. 1 dr inż., Malgorzata.Garbiak@ps.pl

2 187 Prezentowana praca opisuje wyniki analizy składu fazowego staliwa typu 0.3C- 30Ni-18Cr stabilizowanego dodatkami niobu i tytanu w stanie po odlaniu oraz po procesie wyżarzania w temperaturze 900 o C przez 300 godzin. 2. MATERIAŁ I PRZEBIEG BADAŃ Staliwo typu 0.3C-30Ni-18Cr z dodatkami niobu i tytanu oraz podwyższoną zawartością krzemu wytopiono w piecu indukcyjnym z wymurówką kwaśną. Skład chemiczny stopu przedstawia tablica 1. Wlewki wyżarzano w temperaturze 900 o C przez 300 godzin w atmosferze powietrza. Mikrostrukturę staliwa przedstawia rysunek 1. Zgłady trawiono odczynnikiem o składzie: 3g FeCl 3, 10 cm 3 HCl, 90 cm 3 C 2 H 5 OH. Tablica 1. Skład chemiczny staliwa, %mas Table 1. Cast steel composition, wt% C Si Mn Cu P S Cr Ni Nb Ti Stan lany Po wyżarzaniu 50 µ m 25 µ m Rys. 1. Mikrostruktura staliwa w stanie lanym i po procesie wyżarzania. Fig. 1. Microstructure of cast steel in as-cast and annealed condition.

3 188 Identyfikację składników fazowych staliwa przeprowadzono na dyfraktometrze Philips PW1710, przy zastosowaniu lampy Co; napięcie 30 kv, prąd 40 ma, w zakresie kątowym 2Θ od o. W celu zwiększenia wykrywalności faz zastosowano ekstrakcję elektrolityczną. Dobór elektrolitu i warunki prowadzenia izolacji przedstawiono w pracy [5]. Po wyżarzaniu Stan lany NbC TiC (Nb,Ti)C NbC (Nb,Ti)C Ni3Ti Θ Rys. 2. Wyniki rentgenowskiej analizy fazowej izolatów. Fig. 2. Results of X-ray analysis of residues. Metodę dyfrakcji rentgenowskiej wykorzystano również do pomiarów udziału objętościowego poszczególnych faz. W tym celu posłużono się zależnością (1) według której względny udział danej fazy można w przybliżeniu określić na podstawie intensywności refleksu, wyrażonej wielkością pola pod odpowiadającym jej pikiem [6]: I k ω / µ ρ (1) gdzie: I intensywność refleksu wybranej linii dyfrakcyjnej, k stała zależna od warunków pomiarów i wybranej linii dyfrakcyjnej, ω względna zawartość danej fazy w próbce, µ - współczynnik masowego pochłaniania, ρ gęstość danej fazy. Zakładając stałą wartość k, µ i ρ można przyjąć, ze I jest dostatecznie dobrym miernikiem do oceny zmian zawartości danej fazy. W pomiarach udziału objętościowego faz przyjęto, że suma pól pod wszystkimi pikami w zakresie o (2Θ) stanowi 100%. Natomiast suma pól pod pikami odpowiadającymi danej fazie określa jej udział procentowy w izolacie. Wyniki pomiarów przedstawiono w tablicy 2. Udział całkowity wydzieleń fazowych w stopie wyrażony udziałem procentowym izolatu wraz ze zmianą udziału poszczególnych składników fazowych wskutek procesu wyżarzania staliwa przedstawiono na rys. 3. Wykonano również pomiary mikrotwardości wydzieleń fazowych metodą Vickersa. Ze względu na wielkość wydzieleń zastosowano obciążenie N rys. 4a.

4 189 Z powodu stosunkowo niewielkich różnic pomiędzy twardością poszczególnych faz oraz faktu, że pomiary prowadzono na powiązanych ze sobą elementach struktury (konglomeratach wydzieleń), oszacowano istotność różnicy twardości pomiędzy poszczególnymi składnikami fazowymi stosując test Studenta-t dla prób zależnych rys. 4b. 3. OMÓWIENIE WYNIKÓW I PODSUMOWANIE Strukturę stopu tworzy austenityczna osnowa i pierwotne wydzielenia węglików w przestrzeniach międzydendrytycznych oraz na granicach ziarn rys. 1. W staliwie dodatkowo obserwuje się wydzielenia przypominające kształtem mieszaninę eutektyczną. W strukturze znajdują się też nieuniknione zanieczyszczenia w postaci wtrąceń niemetalicznych. Analiza fazowa uzyskanych izolatów wykazała w stanie lanym (rys. 2) obecność następujących składników fazowych: węgliki proste TiC, NbC, (Nb,Ti)C, międzymetaliczna faza Ni 3 Ti, oraz wysokokrzemowa faza o wzorze, znana w literaturze pod nazwą fazy G [7]. W wyniku wyżarzania w mikrostrukturze stopów zaszły istotne zmiany. Przede wszystkim wewnątrz ziarn austenitu i na granicach obecna jest bardzo duża ilość, bardzo drobnych wydzieleń wtórnych. Po procesie wyżarzania zauważa się, w stosunku do stanu lanego, wzrost wielkości wydzieleń (rys.1) oraz jak pokazują wyniki badań dyfrakcyjnych dodatkowo identyfikuje się węgliki złożone chromu typu M 23 C 6. Natomiast w składzie fazowym nie stwierdzono obecności fazy Ni 3 Ti - rys. 2. Należy ogólnie stwierdzić, że w badanym staliwie obserwuje się przemianę węglików typu MC w fazę G. Przemianie tej na ogół towarzyszy znaczny wzrost objętości wydzieleń (rys. 1), a także wydzielanie węglików wtórnych typu M 23 C 6 (rys. 3). Ilość izolatu uzyskanego ze stopów w stanie lanym i po procesie wyżarzania dowodzi, że sumaryczna masa wydzieleń w staliwie wskutek procesu wyżarzania wzrosła ponad 2.5-krotnie rys. 3. Zwiększenie udziału objętościowego wydzieleń, co jest zrozumiałe, obserwuje się również w strukturze stopów - patrz rys. 1. Ten przyrost wiąże się ze wzrostem zawartości dwóch faz, przede wszystkim fazy G oraz w mniejszym stopniu węglików M 23 C 6 - rys. 3. Jednocześnie zmniejsza się ilość węglików typu MC, co może stanowić dowód na zachodzenie przemiany MC G. Fazy obecne w staliwie można odróżnić (identyfikować) za pomocą pomiarów mikrotwardości - rys. 4a. Wartości prawdopodobieństwa p (zaistnienia statystyki testowej t) są mniejsze od przyjętego poziomu istotności α = 0.05 co wskazuje, że we wszystkich przypadkach występuje istotna różnica pomiędzy wartościami średnimi mierzonych zmiennych losowych - rys. 4b. Wcześniej taką próbę rozróżniania typu węglików występujących w tradycyjnym oraz stabilizowanym staliwie austenitycznym podejmowano między innymi w pracy [8]. Jednak wyniki przeprowadzonych pomiarów nie potwierdziły takiej możliwości zastosowania pomiaru mikrotwardości. Okazuje się, że przy odpowiednio dużych wymiarach wydzieleń, takich jak w przypadku analizowanego stopu, taka identyfikacja jest możliwa.

5 190 Tablica 2. Względny udział masowy faz w stopie, % Table 2. Relative weight fraction of phases in alloy, % Stan Ni 3 Ti NbC (Nb,Ti)C TiC M 23 C 6 G lany wyżarzony ,00 8,00 Stan lany Po wyżarzaniu Udział, %mas. 6,00 4,00 2,00 0,00 Ni3Ti (Nb,Ti)C TiC NbC Cr23C6 G Izolat Rys. 3. Udział masowy izolatu i składników fazowych w stanie lanym i po procesie wyżarzania. Fig. 3. Weight fraction of residue and phase constituents in as-cast and annealed condition HV a) b) TiC (Nb,Ti)C Ni 16 (Nb,Ti) 6Si 7 osnowa (Nb,Ti)C Ni (Nb,Ti) Si Rys. 4. Mikrotwardość składników fazowych (a) test Studenta-t dla zmiennych zależnych (b) Fig. 4. Microhardness of phase constituents (a) and Student s t-test for dependent variables (b) Podsumowując wyniki badań należy stwierdzić, że wprowadzenie do staliwa austenitycznego typu 0.3C-30Ni-18Cr niobu i/ lub tytanu oraz krzemu powoduje tworzenie się składników fazowych, którymi są: węgliki proste typu MC, którym w zależności od dodatków stopowych obecnych w stopie można przyporządkować symbol: NbC, TiC oraz (Nb, Ti)C,

6 191 węgliki chromu typu M 23 C 6, faza G, której w zależności od składu chemicznego staliwa można przyporządkować symbol: Ni 16 Nb 6 Si 7, Ni 16 Ti 6 Si 7 oraz Ni 16 (Nb, Ti) 6 Si 7. LITERATURA [1] Kane R. D., Cayard M. S.: Select Materials for High Temperatures. Chemical Eng. Prog., March(1995)83. [2] Tillack D. J., Guthrie J. E., Select the Right Alloys for Rafineries and Petrochemical Plants. Chem. Eng. Prog., Feb.(1999)59. [3] de Almeida L. H., Ribeiro A. F., Le May I.: Microstructural characterization of modified 25Cr-35Ni centrifugally cast steel furnace tubes. Mat.Char., 49(2003)219. [4] Piekarski B.: Effect of Nb and Ti additions on microstructure and identification of precipitates in stabilized Ni-Cr cast austenitic steels. Mater. Char., 47/3-4(2002) 181. [5] Chylińska R., Garbiak M., Piekarski B.: Electrolytic phase extraction in stabilised austenitic cast steel, Mat. Sc. 4(2005)348. [6] Kipnis M.A., Agijewski P.A.: Metodika kontrolja stepeni fazovyh prevraščenij s pomoščju rentgenografii. Zaw.Lab., 10(1984)24. [7] Spiegel F. X., Bardos D., Beck P. A.: Ternary G and E Silicides and Germanides of Transition Elements. Trans. Metall. Sc. of AIME, June, 227(1963)575. [8] Aydin I., Bühler H-E., Rahmel A., Ausscheidungsverhalten der hitzebeständigen austenitischen Guβstähle G-X40CrNiSi 25 20, G-X40NiCrSi und G-X35 CrNi SiNb Arch. Eisenhüttenwes., 10(1983)421. Praca naukowa finansowana ze środków Komitetu Badań Naukowych w latach jako projekt badawczy. PHASE IDENTIFICATION IN STABILISED AUSTENITIC CAST STEEL SUMMARY The paper presents results of identification of phase constituents and microstructure of creep-resistant cast steel type 0.3C-30Ni-18Cr stabilised with niobium and titanium additions and used for producing constructional elements by the gravity casting method. The alloy in as-cast and annealed condition 900 o C/300 h was examined by X- ray analysis and optical microscopy to determine phase composition and microstructure respectively. It was proved that the phase constituents (Ni 3 Ti, NbC, (Nb,Ti)C, TiC, M 23 C 6, G) can be distinguished by microhardness measurements. Recenzował Prof. Marek S. Soiński