Wpływ wanadu na przemiany przy odpuszczaniu stali o małej zawartoci innych pierwiastków

Transkrypt

1 AMME th Wpływ wanadu na przemiany przy odpuszczaniu stali o małej zawartoci innych pierwiastków J. Pacyna, R. Dbrowski Wydział Metalurgii i Inynierii Materiałowej, Akademia Górniczo-Hutnicza Al. Mickiewicza 30, Kraków, Poland W pracy przedstawiono trzy wykresy CTP C º (czas temperatura przemiana) przy odpuszczaniu (nagrzewaniu) cigłym dla stopów o zblionym steniu wgla, zrónicowanym steniu wanadu oraz słabym, w miar jednakowym tle pozostałych pierwiastków stopowych. Wykazano, e o wydzielaniu wglika w badanych stopach decyduje szybko ich nagrzewania do odpuszczania. Temperatury pocztku i koca wydzielania niezalenie zarodkujcych wglików typu MC zale nie tylko od szybkoci nagrzewania stopów do odpuszczania, ale take od stenia wanadu. 1. WPROWADZENIE Rozwój inynierii stali stopowych oparty na wynikach bada podstawowych stopów modelowych [1, 2, 3] poda w kierunku opracowania materiałów takich jak np. zaprezentowanych w pracy [4], które charakteryzuj si połczeniem wysokiej wytrzymałoci i odpornoci na pkanie. W przypadku wanadu, mimo jego do szerokiego zastosowania w stalach trudno na podstawie dostpnej literatury (pomimo jej obfitoci) formułowa zalenoci ilociowe midzy steniem wanadu a własnociami stali. Przytaczane w literaturze dane s czsto niekompletne i umoliwiaj tylko ocen jakociow. Ponadto, w literaturze brak jest szczegółowych informacji n.t. ilociowego wpływu wanadu rozpuszczonego najpierw w austenicie, a po zahartowaniu w martenzycie, na kolejne przemiany przy odpuszczaniu, tj. temperatury pocztku i koca wydzielania wglika, cementytu, wglików zarodkujcych niezalenie, przemiany austenitu szcztkowego. Wikszo bada prowadzona była bowiem na stopach (stalach) rzeczywistych, rzadko modelowych, co utrudnia poznanie mechanizmów oddziaływania samego wanadu. Kinetyk przemian fazowych przy odpuszczaniu (nagrzewaniu ze stanu zahartowanego) bardzo dobrze obrazuj tzw. wykresy CTP O C (czas temperatura - przemiana). Po raz pierwszy takie wykresy wykonano [5], badajc kinetyk przemian przy odpuszczaniu stali szybkotncych. Póniejsze badania [6] dowiodły, e kinetyka tych przemian w znacznym stopniu decyduje o ostatecznych własnociach odpuszczonej stali (szczególnie o jej odpornoci na pkanie). Celem bada wykonanych w ramach niniejszej pracy jest ocena wpływu zrónicowanych iloci wanadu na kolejne przemiany zachodzce podczas odpuszczania w stalach O konstrukcyjnych. Oceny tej dokonano na podstawie analizy oryginalnych wykresów CTP C

2 714 J. Pacyna, R. Dbrowski wykonanych dla nagrzewania ze stanu zahartowanego. Badania wykonano na specjalnie zaprojektowanych stopach modelowych o odpowiednio dobranym składzie chemicznym. 2. MATERIAŁ DO BADA Do tych bada wybrano trzy stopy modelowe o zblionym steniu wgla (0,33 0,38%) i zrónicowanym steniu wanadu (0,14; 0,43 i 0,77%). Stenia pozostałych pierwiastków w badanych stopach (tzw. tło) były w miar jednakowe i maksymalnie małe, tzn. w takim stopniu na ile pozwalały warunki techniczne otwartego pieca indukcyjnego, w którym wytapiano stopy do bada. Jako wsad stosowano elazo armco oraz elazostop Fe-V 75%. Składy chemiczne badanych stopów modelowych zamieszczono w tabeli 1. Tabela 1. Składy chemiczne badanych stopów modelowych (w % masowych) Nr C V Mn Si P S Cr Ni Mo Al Cu N stopu 2 0,33 0,14 0,26 0,07 0,009 0,015 0,01 0,01 0,01 0,087 0,04 0, ,38 0,43 0,15 0,07 0,02 0,015 0,01 0,01 0,01 0,016-0, ,35 0,77 0,25 0,13 0,01 0,013 0,03 0,02 0,03 0,06 0,05 0,005 Z wlewków o rednicy 80mm i masie ok. 50kg, technologi kucia swobodnego wykonano prty o wymiarach poprzecznych 20x35mm, z których po wyarzaniu normalizujcym wycinano próbki do bada. 3. METODYKA BADA I OBRÓBKA CIEPLNA Badania kinetyki przemian fazowych przy odpuszczaniu wykonano metod dylatometryczn przy uyciu dylatometru DT1000 francuskiej firmy Adamel. Rejestrowano komputerowo zmiany wydłuenia próbek w zalenoci od temperatury. Moliwo róniczkowania otrzymanych krzywych umoliwiła dokładne okrelenie temperatur pocztku i koca poszczególnych przemian. Do wykonania wykresów CTP O C próbki badanych stopów o wymiarach Ø2x12mm zahartowano w wodzie od takich temperatur austenityzowania, przy których cało wglików i wglikoazotków typu MC ulegała rozpuszczeniu w austenicie. Zahartowane próbki nagrzewano nastpnie w dylatometrze do temperatury 700 C z szybkociami 0,05; 0,1; 0,5; 1; 5; 10; 15 i 35 C/s. Temperatury pełnej rozpuszczalnoci wglików i wglikoazotków MC badanych stopów wyznaczono w oparciu o model termodynamiczny opracowany przez Adriana [7] i wykresy Bungardta i wsp. [8], okrelajce granice pola jednorodnego austenitu w stopach z układu Fe- V-C. Dodatkowo, temperatury te zweryfikowano metalograficznie poprzez obserwacj zgładów próbek hartowanych od coraz wyszych temperatur. Temperatury pełnej rozpuszczalnoci wglików i wglikoazotków MC wynosiły odpowiednio: 1020 C dla stopu nr 2, 1140 C dla stopu nr 3 i 1200 C dla stopu nr 4.

3 Wpływ wanadu na przemiany przy odpuszczaniu stali WYNIKI BADA I ICH DYSKUSJA O Na rys. 1 3 zamieszczono wykresy CTP C badanych stopów modelowych po ich zahartowaniu od temperatur granicznych rozpuszczalnoci wglików i wglikoazotków wanadu, typu MC. W stopie modelowym nr 2 (rys.1) zawierajcym 0,33%C i 0,14%V wydzielaj si: wgliki, cementyt M 3 C, wgliki MC a austenit resztkowy Ar (obszar zakreskowany), przemienia si jednoetapowo, przed rozpoczciem wydzielania cementytu.w zakresie temperatur ºC, prawdopodobnie w bainit dolny. Temperatura pocztku przemiany austenitu resztkowego (Ar) S maleje od 210 C dla szybkoci nagrzewania równej 35 C/s do 165 C dla szybkoci nagrzewania równej 0,05 C/s. Wyrany efekt skurczu próbki, zwizany z wydzielaniem wglika w tym stopie, którego pocztek wystpił przy C, zaobserwowano tylko przy mniejszych szybkociach nagrzewania w zakresie 1 0,05 C/s. Przy najwikszych szybkociach nagrzewania (5 35 C/s) skurczu zwizanego z wydzielaniem wglika nie stwierdzono. Temperatura pocztku wydzielania cementytu (M 3 C) S jest równa temperaturze koca wydzielania wglika oznaczonej jako f oraz temperaturze koca przemiany austenitu resztkowego (Ar) f. W tym stopie temperatura (M 3 C) S wynosi 310ºC dla szybkoci nagrzewania 35 C/s i 225ºC dla szybkoci nagrzewania wynoszcej 0,05 C/s. Temperatura koca wydzielania cementytu (M 3 C) f jest równa temperaturze pocztku wydzielania wglików typu MC oznaczonej jako (MC) S. Dla najwikszej szybkoci nagrzewania (35ºC/s) wynosi ona 560ºC, a dla najmniejszej 0,05ºC/s - 470ºC. Wydzielanie niezalenie zarodkujcych wglików wanadu typu MC zachodzi w całym zakresie szybkoci nagrzewania. Temperatur koca wydzielania tych wglików (MC) f odnotowano jednak tylko dla dwóch najmniejszych szybkoci nagrzewania, tj. 0,10 i 0,05 C/s. Przy najwolniejszym nagrzewaniu wynosi ona 660ºC. Rys.1. Wykres CTP C O dla stopu modelowego nr 2 zawierajcego 0,33%C; 0,14%V i słabe tło innych pierwiastków, uprzednio zahartowanego od temperatury 1020ºC, wykonany metod dylatometryczn W stopie modelowym nr 3 (rys.2) zawierajcym 0,38%C i 0,43%V w całym zakresie stosowanych szybkoci nagrzewania obserwuje si skurcz próbki zwizany z wydzielaniem

4 716 J. Pacyna, R. Dbrowski wglika. Dla 35 C/s rozpoczyna si ono przy ok. 100 C, a dla najwolniejszej zastosowanej szybkoci 0,05 C/s rozpoczyna si ju przy 50 C. Przemiana austenitu resztkowego w tym stopie zachodzi dwuetapowo. Pierwszy etap, zwizany najprawdopodobniej z likwidacj stabilizacji mechanicznej (napre ciskajcych), wystpował w kocowym zakresie wydzielania wglika. Natomiast drugi etap przemiany austenitu resztkowego był najprawdopodobniej rezultatem destabilizacji chemicznej, zwizanej z dyfuzj wgla, poniewa zachodził przy wyszych temperaturach w zakresie wydzielania cementytu M 3 C. Wydzielanie niezalenie zarodkujcych wglików typu MC zaobserwowano jedynie dla szybkoci chłodzenia mniejszych od 5 C/s, a temperatur koca wydzielania wglików MC odnotowano tylko dla szybkoci chłodzenia w zakresie 0,05 0,5 C/s. Podobnie jak w przypadku stopu modelowego nr 2 (rys.1) równie w stopie modelowym nr 3 ze wzrostem szybkoci nagrzewania obserwuje si wzrost temperatur pocztków i koców poszczególnych przemian. Rys.2. Wykres CTP C O dla stopu modelowego nr 3 zawierajcego 0,38%C; 0,43%V i słabe tło innych pierwiastków, uprzednio zahartowanego od temperatury 1140ºC, wykonany metod dylatometryczn W stopie modelowym nr 4 (rys.3) zawierajcym 0,35%C i 0,77%V, podobnie jak w stopie redniowanadowym nr 3, wydzielanie wglika stwierdzono w całym zakresie stosowanych szybkoci nagrzewania. Dla szybkoci nagrzewania wynoszcej 35 C/s rozpoczyna si ono (podobnie jak w stopie nr 3) przy ok. 100 C/s, a dla najwolniejszej zastosowanej szybkoci 0,05 C/s rozpoczyna si ju przy 50 C/s. Efekty skurczu towarzyszce wydzielaniu wglika w tym stopie były jednak duo wiksze ni w stopach nr 2 i 3. Przemiana austenitu resztkowego zachodzi tutaj równie dwuetapowo. Wydzielanie wglików MC zachodzi w całym zakresie stosowanych szybkoci nagrzewania a rozpoczcie tego etapu koczy wydzielanie cementytu M 3 C. Podobnie jak w stopach nr 2 i 3 take i w przypadku stopu nr 4 temperatur koca wydzielania wglików MC odnotowano tylko dla najwolniejszych szybkoci nagrzewania. Ze wzrostem szybkoci nagrzewania obserwuje si wzrost temperatur pocztków i koców poszczególnych przemian.

5 Wpływ wanadu na przemiany przy odpuszczaniu stali 717 Rys.3. Wykres CTP C O dla stopu modelowego nr 4 zawierajcego 0,35%C; 0,77%V i słabe tło innych pierwiastków, uprzednio zahartowanego od temperatury 1200ºC, wykonany metod dylatometryczn 5. WNIOSKI Uzyskane wyniki bada kinetyki przemian fazowych przy odpuszczaniu ze stanu zahartowanego trzech stopów modelowych o zrónicowanym steniu wanadu i małej zawartoci (słabym tle ) innych pierwiastków stopowych, pozwalaj na sformułowanie nastpujcych wniosków: 1) Wydzielanie wglika w badanych stopach zaley od szybkoci ich nagrzewania przy odpuszczaniu. Mniejsze szybkoci nagrzewania sprzyjaj wydzielaniu si tego wglika. 2) Przemiana austenitu resztkowego w stopach rednio i wysokowanadowym przebiega dwuetapowo. 3) Temperatury pocztku i koca wydzielania niezalenie zarodkujcych wglików MC zale nie tylko od szybkoci nagrzewania stopów do odpuszczania ale take od stenia wanadu. Wiksze szybkoci nagrzewania i wiksze stenia wanadu sprzyjaj przesuniciu temperatury koca wydzielania wglików MC powyej 700 C. 4) Ze wzrostem szybkoci nagrzewania wszystkie przemiany zachodzce podczas odpuszczania przesuwane s do wyszych temperatur. LITERATURA 1. Strach M.: Struktura i własnoci stali krzemowych oceniane na podstawie bada stopów modelowych o rónym steniu krzemu i wgla. Praca doktorska, AGH Kraków, Promotor: J. Pacyna. 2. Jdrzejewska-Strach A.: Wpływ manganu na kinetyk przemian fazowych, struktur i własnoci stopów modelowych stali konstrukcyjnych. Praca doktorska, AGH Kraków, Promotor: J. Pacyna. 3. Dubiel M.: Przemiany fazowe w stopach modelowych z chromem imitujcych osnow zahartowanych stali konstrukcyjnych i nierdzewiejcych. Praca doktorska, AGH Kraków, Promotor: J. Pacyna.

6 718 J. Pacyna, R. Dbrowski 4. Pacyna J.: Nowe stale o wielkiej hartownoci, wielkiej wytrzymałoci i wielkiej odpornoci na pkanie, Inynieria Materiałowa, nr 6 (137), listopad-grudzie 2003, s Pacyna J.: Optymalizacja parametrów odpuszczania wstpnego dla zwikszenia odpornoci na pkanie stali szybkotncych, V Ogólnopolska Konferencja Naukowa Materiały Narzdziowe, Gliwice - Zakopane, 2 4.XII 1993r., s Pacyna J.: Metaloznawstwo pkania stali narzdziowych, Zeszyty Naukowe AGH, Metalurgia i Odlewnictwo, 120, Adrian H.: Model termodynamiczny wydzielania wglikoazotków w stalach niskostopowych o podwyszonej wytrzymałoci z zastosowaniem do bada hartownoci, AGH Kraków, Rozprawy monografie, nr 18, 1995r. 8. Bungardt V.K., Kind K., Oelsen W.: Die Löslichkeit des Vanadinkarbids im Austenit, Archiv für das Eisenhüttenwesen, nr 27, 1956r., s