WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE SPIEKANEJ FERRYTYCZNEJ STALI NIERDZEWNEJ AISI 434L MODYFIKOWANEJ Mn, Ni I Si

Transkrypt

1 87/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(2/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (2/2) PAN Katowice PL ISSN WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE SPIEKANEJ FERRYTYCZNEJ STALI NIERDZEWNEJ AISI 434L MODYFIKOWANEJ Mn, Ni I Si STRESZCZENIE M. SEKUŁA 1, M. NYKIEL 2, J. KAZIOR 3 Instytut Inżynierii Materiałowej Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki al. Jana Pawła II nr 37; Kraków W pracy przedstawiono wyniki badań właściwości mechanicznych spiekanych ferrytycznych proszków stali nierdzewnej AISI 434L modyfikowanych manganem, niklem i krzemem. Stwierdzono, iż własności mechaniczne modyfikowanej spiekanej ferrytycznej stali nierdzewnej AISI 434L zależą w dużej mierze od tego, czy mangan został wprowadzony do mieszanki proszków samodzielnie czy też równocześnie z krzemem czy niklem. Znaczny wzrost właściwości wytrzymałościowych przy równoczesnym zachowaniu właściwości plastycznych uzyskano dla ferrytycznej stali nierdzewnej AISI 434L modyfikowanej elementarnym proszkiem manganu. Key words: mechanical properties, sintering, manganese, duplex stainless steels 1. WPROWADZENIE Metoda otrzymywania części maszyn i narzędzi przez spiekanie proszków metali w stanie stałym nosząca nazwę technologii spiekania jest nowoczesną metodą wytwarzania wyrobów gotowych. Zajmuje ona szczególne miejsce wśród klasycznych metod wytwarzania, szczególnie, jeśli uwzględnimy stopień wykorzystania surowców oraz stopień jednostkowego zużycia energii głównie w odniesieniu do drobnych elementów o skomplikowanych kształtach produkowanych wielkoseryjnie. Ponadto 1 mgr inż, 2 dr inż., mnykiel@mech.pk.edu.pl 3 prof. dr hab. inż., kazior@mech.pk.edu.pl

2 technologia metalurgii proszków poprzez sterowanie parametrami wytwarzania umożliwia uzyskiwanie materiałów spiekanych o założonej strukturze i tym samym o odpowiednio zaprojektowanych właściwościach [1,2]. Ze względu na zapotrzebowanie przemysłu maszynowego, chemicznego i spożywczego na części urządzeń i instalacji technologicznych ze stali odpornych na korozję, podjęto badania nad uzyskaniem materiału dwufazowego technologią metalurgii proszków, o wysokich właściwościach mechanicznych i odpowiedniej odporności na korozję. Stale dwufazowe ferrytyczno-austenityczne, potocznie nazywane stalami typu duplex w przypadku 50/50 udziału obu faz, łączą w sobie korzystne właściwości tradycyjnych stali ferrytycznych i stali austenitycznych, z ograniczeniem ujemnych cech obu stali. Ponadto zastosowanie stali duplex ze względu na ich wyższą wytrzymałość niż stali austenitycznych może przyczynić się do zmniejszenia masy konstrukcji i urządzeń, a z uwagi na mniejszą zawartość dodatków stopowych, zwłaszcza niklu, powinny być tańsze od stali austenitycznych. Stale dwufazowe są jednak trudniejsze pod względem technologicznym niż tradycyjne stale ferrytyczne i austenityczne w szczególności w odniesieniu do przeróbki plastycznej stali duplex oraz jej spawania [3]. Ponieważ metalurgia proszków umożliwia pominięcie trudności technologicznych spotykanych przy tradycyjnych metodach oraz umożliwia kontrolę składu chemicznego, bezpośrednio wpływając na uzyskanie żądanej struktury i właściwości oraz ze względu na to, iż obecnie brak jest na rynku komercyjnych rozpylanych wodą proszków typu duplex, nadających się do prasowania matrycowego, dlatego podjęto badania nad uzyskaniem stali dwufazowych w wyniku modyfikowania ferrytycznej stali nierdzewnej AISI 434L proszkiem manganu. Mangan jest pierwiastkiem austenitotwórczym, jego dodatek częściowo destabilizuje ferryt podczas procesu spiekania i sprzyja pojawieniu się austenitu. Ponadto wydaje się być doskonałym zamiennikiem drogiego i szkodliwego niklu. Dodatek manganu do ferrytycznej stali nierdzewnej AISI 434L powinien w klasycznym procesie prasowania i spiekania bezciśnieniowego, przy niskich kosztach produkcji, zapewnić uzyskanie spieków o wysokich właściwościach, przeznaczonych do pracy w wymagających warunkach, gdzie oprócz odpowiednich właściwości mechanicznych wymagana jest również odporność korozyjna w wielu agresywnych środowiskach W pracy przedstawiono analizę wpływu dodatku manganu na właściwości mechaniczne spiekanej ferrytycznej stali nierdzewnej AISI 434L. 2. ZAKRES BADAŃ Do badań wykorzystano rozpylane wodą proszki stali nierdzewnej AISI 434L firmy Höganäs AB. Skład chemiczny proszku bazowego przedstawiono w tabeli 1. Przygotowano mieszanki o następujących składach: 434 L, 434 L + 14 % Mn,434 L + 14 % Mn + 6 % Si, 434 L + 15 % (Mn88/Ni12) + 6 % Si. Mangan wprowadzono 250

3 w postaci proszku elementarnego oraz w postaci proszku zaprawy Mn/Ni. Z mieszanek wykonano kształtki próbek cylindrycznych o wymiarach Ø 20 x 5[mm]do badań struktury, pomiaru gęstości oraz twardości spieków. Do oceny właściwości wytrzymałościowych, wykonano próbki wytrzymałościowe zgodne z norma ISO Proces prasowania przeprowadzono na prasie hydraulicznej w matrycach o jednostronnym działaniu siły, bez użycia środków poślizgowych, pod ciśnieniem 600 MPa, do smarowania ścianek matrycy zastosowano stearynian cynku. Tabela 1. Skład chemiczny proszku AISI 434L Table 1. Chemical composition of the AISI 434L powder Gatunek Skład chemiczny [%] proszku Cr Mn Si Mo C P S Ni Fe AISI 434 L 16,57 0,18 0,70 1,03 0, Reszta Proces spiekania przeprowadzono w laboratoryjnym, silitowym piecu rurowym, w atmosferze wodoru wysokiej czystości, w temperaturze izotermicznego spiekania 1250 C. Do temperatury izotermicznego spiekania próbki nagrzewano ze średnią szybkością 10 C/min. Czas izotermicznego spiekania wynosił 60 min. natomiast szybkość chodzenia z temperatury izotermicznego spiekania 30 o C/min. Badania gęstości spieków przeprowadzono metodą ważenia w powietrzu i w wodzie zgodnie z normą PN-71/H Pomiary twardości spieków wykonano przy użyciu twardościomierza Rockwell a na skali B (HRB) i C (HRC). Badania wytrzymałościowe przeprowadzono z wykorzystaniem maszyny wytrzymałościowej Instron, stosując stałą prędkość przesuwu belki 0,01 mm/min. 3. WYNIKI BADAŃ Dodatek elementarnego proszku manganu do spiekanej ferrytycznej stali nierdzewnej AISI 434L nie wywołał istotnego wzrostu gęstości spieku. Mangan wprowadzony w postaci elementarnej do bazowego proszku ferrytycznej stali nierdzewnej AISI 434L dyfundował do ferrytu podczas procesu spiekania, powodując jego częściową destabilizację, pojawienie się austenitu, a tym samym przyczynił się do otrzymania struktury dwufazowej. Bardziej złożone struktury oraz największe zagęszczenie materiału po spiekaniu uzyskano w przypadku wprowadzenia dodatku manganu w postaci elementarnej lub zaprawy Mn/Ni wspólnie z dodatkiem krzemu. Przykładowe zdjęcia mikrostruktur w stanie trawionym odczynnikiem Vilella do stali nierdzewnych przedstawiono na rysunkach 1 i 2. Przykładowe krzywe zależności naprężenie odkształcenie badanych modyfikowanych spieków ferrytycznej stali nierdzewnej AISI 434L przedstawia rysunek 3. Wytrzymałość na rozciąganie (Rm) oraz granica plastyczności (Re 0,2 ), wydłużenie oraz wartości gęstości i twardości badanych spieków modyfikowanej manganem i krzemem ferrytycznej stali nierdzewnej AISI 434L przedstawia tabela

4 Rys.1. Mikrostruktura spieku 434L+14%Mn w stanie trawionym. Pow.200x. Fig.1. Optical micrograph of AISI 434L ferritic stainless steels modified by Mn element, etched. Rys.2. Mikrostruktura spieku 434L+14%Mn+6%Si w stanie trawionym. Pow.200x. Fig.2. Optical micrograph of AISI 434L ferritic stainless steels modified by Mn and Si elements, etched AISI 434L+15%(Mn+Ni)+6%Si AISI 434L+14%Mn+6%Si AISI 434L+14%Mn [MPa] AISI 434L ε [%] Rys. 3. Rys. 3. Krzywe zależności naprężenie odkształcenie badanych spieków modyfikowanej manganem i krzemem ferrytycznej stali nierdzewnej AISI 434L. Tensile stress-strain curves for the sintered AISI 434L ferritic stainless steels modified by Mn, Si and Ni elements. 252

5 Tabela 2. Wytrzymałość na rozciąganie (Rm), granica plastyczności (Re 0,2 ),wydłużenie, gęstość oraz twardość badanych spieków modyfikowanej manganem i krzemem ferrytycznej stali nierdzewnej AISI 434L Table 2. Tensile strength (Rm), yield strength (Re 0,2 ), elongation(%), sintered density [g/cm 3 ] and hardness (HRB, HRC) of the sintered AISI 434L ferritic stainless steels modified by Mn, Si and Ni elements Materiał Rm Re 0,2 Wydłużenie Gęstość Twardość [MPa] [MPa] [%] [g/cm 3 ] 434L 294,36 178,12 10,35 6,94 58 HRB 434L+14%Mn 452,81 231,39 12,59 6,47 65 HRB 434L+14%Mn+6%Si 227,95 0,00 0,10 7,04 30 HRC 434L+15%(Mn/Ni)+6%Si 466,03 0,00 0,18 7,06 33 HRC Z analizy otrzymanych wyników badań wynika, że własności mechaniczne modyfikowanej spiekanej ferrytycznej stali nierdzewnej AISI 434L zależą w dużej mierze od tego, czy mangan został wprowadzony do mieszanki proszków samodzielnie czy też równocześnie z krzemem czy niklem. Dodatek manganu w postaci elementarnej do bazowego proszku ferrytycznej stali nierdzewnej AISI 434L przyczynił się do podwyższenia umownej granicy plastyczności, znacznego wzrostu wytrzymałości na rozciąganie przy jednoczesnej poprawie własności plastycznych, co może być związane z pojawieniem się w strukturze austenitu powstałego w wyniku dyfuzji manganu do ferrytu podczas procesu spiekania. Wprowadzenie dodatku Mn/Ni wspólnie z krzemem podnosi wytrzymałość na rozciąganie prawie dwukrotnie w stosunku do materiału wyjściowego. Dodatek Ni czy Si wprowadzony do mieszanki proszków wspólnie z Mn obniżył własności plastyczne badanych materiałów, co można stwierdzić na podstawie znacznego zmniejszenia wydłużenia. Dodatek elementarnego proszku Mn wywołał wzrost właściwości wytrzymałościowych przy równoczesnym zachowaniu plastyczności, co głównie związane jest z poprawą morfologii porowatości oraz ze zmianami strukturalnymi zachodzącymi podczas procesu spiekania, prowadzącymi do utwardzenia osnowy i wzrostu twardości spieku, a nie ze wzrostem gęstości spieku. W przypadku wprowadzenia dodatku Mn/Ni wspólnie z krzemem wzrost właściwości wytrzymałościowych koreluje w prosty sposób ze zmianami gęstości spieków. Wprowadzenie dodatku Ni czy Si wspólnie z proszkiem manganu przyczynia się do całkowitego zagęszczenia spiekanego materiału, podnosi mikrotwardość osnowy, twardość, wytrzymałość, przy równoczesnym obniżeniu własności plastycznych badanych spieków. 4. WNIOSKI Stwierdzono, iż właściwości mechaniczne badanych materiałów ściśle powiązane są i korelują ze zmianami struktury i przemianami zachodzącymi podczas procesu spiekania. Dodatek elementarnego proszku Mn do proszku bazowego wywołał wzrost 253

6 właściwości wytrzymałościowych przy równoczesnym zachowaniu właściwości plastycznych, co w szczególności związane było z utwardzeniem osnowy. Wprowadzenie dodatku manganu w postaci zaprawy Mn/Ni wspólnie z dodatkiem Si wywołało całkowite zagęszczenie spieku, wzrost twardości i mikrotwardości osnowy, a tym samym przyczyniło się do prawie dwukrotnego wzrostu wytrzymałości na rozciąganie w stosunku do materiału wyjściowego, jednak w znacznym stopniu zredukowało właściwości plastyczne. LITERATURA [1] Höganäs Handbook for sintered components, Höganäs AB. [2] M. Rosso, M. Actis Grande: Studies on sintering of duplex stainless steels, Polytechnic of Torino, Materials Science and Chemical Engineering Department, Proceedings of 2000 Powder Metallurgy World Congress, str [3] B. Ciszewski, W. Przetakiewicz, Nowoczesne Materiały w Technice, Bellona (1993) [4] F. Iacoviello, Microstructure influence on fatique crack propagation in sintered stainless steels, International Journal of Fatique, 2005, vol. 27, str [5] M. Rosso, M. Actis Grande, D. Ornato, P. Aguiari, Mechanical characteristics and corrosion resistance properties of different PM duplex stainless steels compositions, Proc. of PMTEC June 2002, Orlando USA, part 7, str MECHANICAL PROPERTIES OF SINTERED FERRITIC STAINLESS STEEL AISI 434L MODIFIED BY Mn, Ni and Si ELEMENTS SUMMARY Mechanical properties of sintered ferritic stainless steel AISI 434L modified by manganese, nickel and silicon were inwestigated. The mechanical properties were depended mainly on microstructure which was obtained after sintering process not on densification of sintered materials. The manganese additions were particularly effective at increasing tensile strength and ductility despite the manganese additions were not effective in raising the sintered density. In contrast, the manganese and silicon additions only increase the tensile strength and decrease ductility and produced the best material in terms of sintered density and hardness. Recenzował: prof. Stanisław Rzadkosz. 254