BOGDAN PIEKARSKI* l.wprowadzenie

Transkrypt

1 Solidification of Metais and Alloys, No.31, 1997 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 31, 1997 PAN- Oddział Katowice; PL ISSN BOGDAN PIEKARSKI* WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE STALIWA AUSTENITYCZNEGO 18/30 STABILIZOWANEGO Nb I/LUB Ti W pracy przedstawiono opis matematyczny wpływu dodatków Nb lub/i Ti na właściwości mechaniczne staliwa L30H l8n30s po procesie wyżarzania i nawęglania w temperaturze 900 C przez okres 300 h. Wyznaczone równania są częścią przygotowywanych danych, które posłużą do opracowania składu chemicznego staliwa na elementy konstrukcyjne pieców do nawęglania. l.wprowadzenie Czas eksploatacji elementów konstrukcyjnych pieców do nawęglania wykonanych ze staliwa austenitycznego niklowo-chromowego jest stosunkowo krótki. Przyczyny tego zjawiska wynikają przede wszystkim ze zmian strukturalnych spowodowanych oddziaływaniem temperatury, atmosfery nawęglającej i naprężeń mechanicznych [l]. Jedynym ze sposobów poprawy trwałości tego typu odlewów jest takie projektowanie składu chemicznego materiału, by zapewnić mu dużą stabilność struktury i odporność na nawęglanie przy zachowaniu dostatecznych właściwości mechanicznych. Niniejsza praca, która jest kontynuacją wcześniejszych badań [5], miała za zadanie stworzenie opisu matematycznego wpływu dodatków Nb lub/i Ti na właściwości mechaniczne staliwa L30Hl8N30S po procesie wyżarzania i nawęglania. Końcowym celem bada!l będzie dobór zawartości Nb i Ti w staliwie pod kątem jego zastosowania na elementy transportujące w piecach do naw ęg lania. 2. MATERIAL BADAWCZY, METODYKA I WYNIKI BADAŃ Skład chemiczny badanych staliw przedstawiono w tabl. l. Warunki wytapiania i odlewania stali oraz przygotowania próbek do badal'1 przedstawiono w pracy [ 4]. Próbki wytrzymałościowe wyżarzono/nawęglono (umowny potencjał węglowy atmosfery Cp=0.9%) w temperaturze 900 C przez okres 300 h. Przyjęto, że zarówno wartość temperatury jak i potencjału węglowego jest reprezentatywna dla procesów nawęglania [3). dr inż. - Politechnika Szczecińska

2 164 Bogdan Piekarsld Tablica l c Nr stopu l Skład chemiczny badanych stopów, %mas. Chemical composition o f cast steels, wt-% S i M n p s Cr Ni N b T i Statyczną próbę rozciągania prowadzono w temp. 20 i 900 C. Szczegółowy opis przebiegu badań przedstawiono w pracy [5]. W tablicy 2 zestawiono wyniki pomiarów. Każdy wyniki jest średnią z trzech prób. Nr stopu l Wyniki pomiarów właściwości mechanicznych The results o f mechanical properties measurements po wyżarzaniu Ro.:!, MPa Rm MPa A10, o/o po nawęglaniu Temperatura badania: 20/900 C w 186.3/ / /22.9 n 263.8/ / /14.5 w 236.4/ / /30.4 n 298.8/ /20.7 w /31.3 n 314.4/ / /15.6 w / /24.3 n 308.8/ /22.3 w / /20.7 n 314.8/ / / 12.1 w / /24.5 n !.59/14.8 w / /19.0 n 309.1/ /139.8!.80/16.3 Tablica 2 Wykorzystując metodę regresji drugiego rodzaju, wyznaczono równania opisujące zależność pomiędzy parametrami wytrzymałościowymi z tablicy 2, a składem (C, Si, Nb, Ti) chemicznym staliwa. Analizę rozszerzono o C i Si z powodu trudności w utrzymaniu ich zawartości w stopach na stałym, zadanym poziomie [6]. W obliczeniach założono, że funkcja aproksymacji 9 ma posta ć: y=b 0 +I,b.x+ I b.xx.+i,b..x +~b.x + ~ bx x (l) A n n n 2 n -1 n -1 - l 11 IJIJ III k..11,l. IJI J i=l l=j;ti i=l i=l l=j;ti

3 Wła.fciwości mech staliwa austenit. 18/30 stabilizowanego Nb i!luh Ti 165 Zmienne Xi (C, Si, Nb, Ti) sprowadzono do postaci standaryzowanej w przedziale wartości liczbowych <0.5, 1.5> wg zależności : (2) W spółczy nniki regresji aproksymowanej funkcji y wyznaczono metodą dołączania i odrzucania [2]. Obliczono: R - współczynnik korelacji wielowymiarowej, S - odchylenie standardowe warto śc i funkcji, F - wartość testu f -Sncdecora. P on iż ej zestawiono wyznaczone funkcje wraz ze wskaźnikami oszacowania statystycznego: A. Po procesie wyżarzania R=0.99, S=3.2, F=3 44 (3) R 6~ 0 = xcxNb -12.5xNbxTi x;;/x-"fi R=0.99, S=0.5, f =595 (4) R=0.97, S=9, F=35.5 (5) R \){)() 22 3 "' = l. -l O...)XTi R=0.95, S=3.49, F=44.7 (6) R=0.90, S=0.44, F=20.7 (7) A =l. +.98xsi R=0.93, S=2. ll, F=30.9 (8) B. Po procesie nawęglani a R=0.98, S=5.3, F=43.5 (9) R ')OO ? Xsi+ Xsi R=0.98, S=l.4, F=59 (l O) R=0.97, S=9, F=35.5 (II) R ')()() l o 8 -l -l m = - Xc + Xsi Xri R=0.99, S=3.2, f=ioo ( 12) R=0.94, S=!, f =36 (13) R=0.98, S=J. l, F=44.9 ( 14)

4 166 Bogdan Piekarski Przeprowadzono r6wnic ż obserwację mikroskopow <! zg ładów przygotowanych z główek rozerwanych próbek. Na rys. l i 2 prze dstawiono przykładowe obrazy mikrostruktur warstvv nawyglonyeh i nicnawt;gloncgo rdzenia w stopach nr 1 i ó. a) xóoo h) -... '.~ ~ - ~ '~ \. ;~.(.....,: X i~~ H l Rys. l. Mik rn~ lr u l\t ur:l ~~~ ' J ' ll nr l: :1) warstwa 11 :1\\ <;glt l ll :l. h) rjzl' ll Fig. l. Thc microstructurc " ( :111"1 N t ' l: a) c:.~rburizcj w nc. h) cenlit,,1 thc s:jnlplc

5 W?a.vcill'o.\-ci m ech.llafi.,.,, awlenil slahtli::o ll'anego \ 'h ' /uh 'l' ] G 7 \l 'il)l l Ry~. 2. 1\l ikr<"lrtli-.tu r.l 'l''l'll 11r h: a) 1\. lf.,tl l a n : m ~..:l ll. l. l') re!;, n Fig. 2. Thc llli cn,qru,t ur,_,,j dl'' -..,,, r, 1) v. lrhun;, d /tllil. h ) L'LilliL',,llh L,,liliJ'!' fi/f. J. 01\10\\JF:\11-: \\l'nikow Wcześ niej prze p n m adzorll' b<tdani.t q;~ Ji\\' ~t L~l l li l :-\i\:31js za11 il r;tj.t u i-!o do 1,7Yij Nb i l ' ( Ti wyka za ł y pllz~l\'\\iiy wplyw na <l/ll;tl'/lllll',,jaści\\ o~c i w z ra s tającej z awartlj śc i olwdwu pil n,ia., tkl'l\\. \\ \!allil lanym jhj nil

6 168 Bogdan Piekarski stwierdzono co prawda zaniku struktury transkrystalicznej, ale obserwowano rozdrobnienie ziarna i zmniejszenie odległości między wtórnymi gałęziami dendrytów. Badania odporności na nawęglanie [4] dowiodły, że wraz ze wzrostem zawartości Nb lub Ti w staliwie maleje przyrost masy próbek i grubość warstwy nawęglonej. Zmienne dodatki Nb lub/i Ti powodują również istotne różnice w składzie fazowym staliwa (5]. Ze względu na wysoką (ok. 0.3%) zawartość węgla w stopie, wprowadzenie maksymalnej, dla warunków badań, zawartości Nb i Ti nie związało go w całości w węgliki typu MC - w wyniku wyżarzania w temp. 900 C wydzielały się także węgliki chromu typu M23C6. Obserwowano natomiast prawie całkowity zanik drobnodyspersyjnych węglików chromu wewnątrz ziarn austenitu. Dokumentują to rys. l i 2b - stop nr l (rys. l) zawierał s pośród badanych najwyższą, a stop nr 6 najniższą sumaryczną zawartość Nb i Ti. Obok węglików typu MC i M23C6 identyfikowano w stopach fazy bogate w Nb, T i, Ni i S i. Na rys.! b obserwuje się obwódki wokół węglików TiC mogące wskazywać na zachodzącą ich przemianę. w trakcie wyżarzania. Metodą punktowej mikroanalizy określono przybliżony skład chemiczny tego typu wydzieleń (% mas.): 50%(Nb lub/i T i), 30%Ni, l O%Cr i l O%Si. Tę fazę prawdopodobnie można identyfikować jako (Nb,Ti)6NiJ6Si7 (5]. Rys.3 przedstawia opisywane wydzielenia w stopie nie zawierającym Nb. Rys.3. Mikrostruktura sft>pu nr 2 po procesie starzenia- 900 C/300 h. Fig.3. The microstructure of alłoy No 2 after ageing- 900 C/300 hrs Różnice w budowie i składzie fazowym znajdują swoje odzwierciedlenie w zmierzonych właściwościach stopów- tabl.2. Po procesie starzenia [równ. (3)

7 Właściwości mech staliwa austenit. 18/30 stabilizowanego Nb i/lub Ti 169 do (8)] wzrost zawarości Nb jak i Ti w staliwie obniża war1ość umownej granicy plastyczności Ro.2 i wytrzymałości na rozciąganie Rrn (chociaż jak pokazuje równ. ( 4) można oczekiwać, że małe zawartości N b działają na stop umacniająco). Kierunek wpływu Nb i Ti na wartość Ro.2 i Rrn jest prawdopodobnie wynikiem opisywanego wcześniej zmniejszania się udziału drobnych, wtórnych wydzieleń węglików chromu wewnątrz ziarn austenitu i bardziej zwartego kształtu węglików pierwotnych na granicach ziarn - rys.!, 2b. Takie zmiany mikrostruktury sprzyjają natomiast wzrostowi wydłużenia A 1 o - równ. (7) i (8). W wyniku nawęglania, w strefie przypowierzchniowej próbek, utworzyła się warstwa nawęglona o bardzo dużej, w stosunku do rdzenia, koncentracji węglików. Również w warstwie nawęglonej, zróżnicowane zawartości Nb i Ti w stopach wpływają na kształt, wielkość i rodzaj wydzielających się węglików rys. l, 2a. Utworzona warstwa spowodowała obniżenie, w stosunku do próbek wyzarzonyc. h, war1osc1.. R rn 1. A2o9oo R2o9oo. R9oo bl" N l. 10, a wzrost oi 1 m - ta... a czy oczekiwać, że w wyniku dalszego nawęglania wartości tych parametrów zaczną również maleć. Porównując postać równań od (3) do (14) można zauważyć, że poza jednym wyjątkiem, kierunek oddziaływania dodatków stopowych na badane właściwości jest taki sam. Wyjątek stanowi równ. (l 0), którego postać trudno obecnie skomentować. 4. PODSUMOW ANIE W wyniku przeprowadzonych obliczel'l wyznaczono zależności matematyczne opisujące wpływ C, Si, Nb i Ti na wartość umownej granicy plastyczności Ro 2, wytrzymałości na rozciąganie Rrn i wydłużenie A 1 o stal iwa L30H 18N30S2 osiągając w ten sposób główny cel pracy. Wysoka wartość wskaźnika oszacowania statystycznego pozwala na dalsze wykorzystanic równar'l w obliczeniach zmierzających do opracowania nowego staliwa typu 18/30 z dodatkiem Nb i Ti na elementy konstrukcyjne pieców do nawęglania. LITERATURA [l] Kubicki J., Piekarski B., Podwyższanie trwałości odlewanych elementów konstrukcyjnych pieców do obróbki cieplno-chemicznej, Przegląd Odlewnictwa, T.45, 1995, nr 4, s [2] Mar'lczak K., Metody identyfikacji wielowymiarowych obiektów sterowania, WNT, Warszawa [3] Maszczyński A., Nawęglanie gazowe, WNT, Warszawa [4] Piekarski B., Carburized zone in austenitic cast steel type 18/30 with additions o f N b and T i, IV lnter.conf. "Carbidcs-nitridcs-borides", Kołobrzeg 1993, p. l7-22.

8 170 Bogdan Piekarski [5] Piekarski B., Wysokostopowe staliwo Ni-Cr z dodatkami Nb i Ti, l Krajowa Konf.Nauk. MOJ'97, Polit.Krakowska, , Kraków 1997, T. l, s [6] Piekarski B., Wytapianie staliwa austenitycznego w piecu indukcyjnym z wyłożeniem kwaśnym. Mat. lnter. Conf. of Faculty of Foundry Eng., Wydz. Odlew. AGH, Kraków 1995, s Bogdan Piekarski Mechanical properties o f as-cast austenitic type stabilized o f N b andlor T i Summary Thc mathcrnatical dcscription of the int1ucnce of additions of Nb andlor Ti on mechanical prope11ies o f as-cast austenitic type L30Hl8N30S (G-X 30NiCrSi 3018 ) aft er ageing and carburizing at 900 CI300 hrs has been presentcd in this paper. The dctermined rnathernatical forrnu las arc tbe part of preparation of data which will be used for dcscribing chernical composition o f thc cast steel for eonstrucli on elernents o f carburizing furnaccs.