WPŁYW TEMPERATURY WYGRZEWANIA NA UDZIAŁ FAZ PIERWOTNYCH W STRUKTURZE ŻAROWYTRZYMAŁEGO ODLEWNICZEGO STOPU KOBALTU

Transkrypt

1 50/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN WPŁYW TEMPERATURY WYGRZEWANIA NA UDZIAŁ FAZ PIERWOTNYCH W STRUKTURZE ŻAROWYTRZYMAŁEGO ODLEWNICZEGO STOPU KOBALTU Z.A. OPIEKUN 1, A.W. ORŁOWICZ 2, A. TRYTEK 3 Katedra Odlewnictwa i Spawalnictwa, Politechnika Rzeszowska ul. W. Pola 2, Rzeszów STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wpływ temperatury wygrzewania: 1150 o C, 1200 o C i 1270 o C na udział objętościowy faz pierwotnych typu M 23 C 6, MC i M(C,N) w strukturze żarowytrzymałego odlewniczego stopu kobaltu. Stwierdzono, że wzrost temperatury wygrzewania prowadzi do sferoidyzacji oraz częściowego lub całkowitego rozpuszczenia się w osnowie stopu pierwotnych faz. Key words: cobalt casting alloy, annealing, phase quantitative analysis. 1. WSTĘP Głównymi fazami umacniającymi żarowytrzymałe stopy kobaltu są węgliki. Energia wiązania, temperatura topnienia oraz ich stabilność strukturalna zwiększają się wraz ze zmniejszaniem liczby elektronów w paśmie d pierwiastka przejściowego oraz ze zmniejszaniem się grupy układu okresowego [1]. Ze względu na wzrost powinowactwa z węglem pierwiastki występujące w stopach kobaltu można uszeregować według następującej kolejności: Co, Cr, Mo, W, Ta, Nb, Ti, Zr, Hf. Wynikająca stąd sekwencja zmian stechiometrii węglików ma postać: M 3 C 2 (lub M 7 C 3 ) M 23 C 6 M 6 C MC (1) 1 dr inż., zois@prz.edu.pl 2 prof. dr hab. inż., zois@prz.edu.pl 3 dr inż., trytek@prz.edu.pl

2 345 Węgliki występujące w stopach kobaltu to najczęściej fazy bogate w Cr typu M 3 C 2, M 7 C 3, M 23 C 6 oraz bogate w metale trudnotopliwe typu M 6 C i MC. Udział różnego typu węglików w strukturze stopów kobaltu zależy od rodzaju oraz ilości dodatków stopowych i zawartości węgla [2]. Dla poprawy właściwości mechanicznych odlewów ze stopów kobaltu wykonuje się obróbkę cieplną polegającą na przesycaniu i starzeniu. Zależnie od temperatury wygrzewania, pierwotne fazy ulegają zmianom morfologicznym związanym z ich sferoidyzacja i rozpuszczaniem się [3]. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań wpływu podwyższania temperatury wygrzewania wybranego odlewniczego żarowytrzymałego stopu kobaltu na udział objętościowy faz pierwotnych. 2. BADANIA WŁASNE 2.1. Materiał do badań Stop kobaltu o składzie chemicznym: 0,72%C; 24,0%Cr; 10,0%Ni; 7,2%W; 3,5%Ta; 1,71%Zr; 0,20Ti, reszta Co; wytopiono w indukcyjnym piecu tyglowym. Odlewy próbek miały kształt wałków ø12mm 120mm. Dla wytworzenia odlewów przygotowano techniką wytapianych modeli ceramiczną formę. Formę przed zalaniem podgrzano do temperatury 1000 o C, temperatura zalewania wynosiła 1520 o C Warunki eksperymentu i metodyka badań Wygrzewanie w zakresie przesycania wykonano korzystając z pieca typu PEK 100 super-kanthal. Stosowano temperaturę: 1150 o C, 1200 o C i 1270 o C. Czas wygrzewania każdego wariantu wynosił 5 godzin. Chłodzenie próbek realizowano w wodzie o temperaturze pokojowej. Ilościową analizę strukturalną analizowanego stopu w stanie odlanym i po wygrzewaniu zrealizowano metodą punktową [4] przy użyciu mikroskopu Neophot 2, programu Multiscan oraz stosowano siatkę o z = 475 węzłach. Udział objętościowy faz w analizowanym stopie obliczono z zależności: k 1 V P = n 100% (2) k z i= 1 gdzie: V - średni udział objętościowy danej fazy, P - średni udział powierzchniowy danej fazy, n liczba punktów padających na daną fazę, k liczba przyłożeń siatki, z liczba węzłów siatki. Błąd bezwzględny analizy określono z zależności:

3 346 ) P (1 P δ = tα 100% (3) k z gdzie: t α - współczynnik określony całką Gauss`a (przyjęto wartość 1,96), dla poziomu ufności 1-α, że rzeczywisty błąd bezwzględny nie będzie przewyższał obliczonej wielkości δ. 3. WYNIKI BADAŃ W tabeli 1 zestawiono liczby węzłów siatki przypadających na poszczególne fazy oraz obliczone średnie udziały objętościowev i błędy bezwzględne δ analizy. Tabela 1. Liczba węzłów siatki przypadających na poszczególne fazy, udziały objętościowe faz oraz błędy bezwzględne analizy. Table 1. Number of net points, phases volume fraction and absolute error analysis. Liczba punktów, n Przyłożenie siatki, k Stan odlany Wygrzewanie, o C M 23 C 6 MC M(C,N) M 23 C 6 MC M(C,N) M 23 C 6 MC M(C,N) M 23 C 6 MC M(C,N) n i= 1 P V 3,59 4,62 0,34 2,83 4,11 0,33 1,75 2,82 0,32-1,61 0,24 δ, % 0,31 0,35 0,09 0,27 0,33 0,09 0,22 0,27 0,08-0,21 0,08

4 347 Wpływ temperatury wygrzewania na udział objętościowy faz: M 23 C 6, MC i M(C,N) przedstawiono na rysunku 1. Udział objętościowy fazy, % 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Stan odlany Temperatura wygrzewania, o C Rys. 1. Średni udział objętościowy faz w stopie w zależności od temperatury wygrzewania. Fig. 1. Effect of annealing temperature on the middle phases volume fraction in cobalt alloy. Rysunki 2-5 ilustrują mikrostruktury stopu w stanie odlanym i wygrzanym w różnej temperaturze. Rys. 2. Mikrostruktura stopu kobaltu w stanie odlanym. Fig. 2. Microstructure cobalt alloy as cast condition. Rys. 3. Mikrostruktura stopu kobaltu po wygrzewaniu (1150 o C/5h/H 2 O). Fig. 3. Microstructure cobalt alloy after annealing (1150 o C/5h/H 2 O).

5 348 Rys. 4. Mikrostruktura stopu kobaltu po wygrzewaniu (1200 o C/5h/H 2 O). Fig. 4. Microstructure cobalt alloy after annealing (1200 o C/5h/H 2 O). Rys. 5. Mikrostruktura stopu kobaltu po wygrzewaniu (1270 o C/5h/H 2 O). Fig. 5. Microstructure cobalt alloy after annealing (1270 o C/5h/H 2 O). 4. PODSUMOWANIE Wygrzewanie żarowytrzymałego odlewniczego stopu kobaltu w warunkach: 1150 o C/5h/H 2 O; pozwoliło na zmniejszenie się o około 20% udziału objętościowego węglików pierwotnych bogatych w chrom typu M 23 C 6 oraz na zmniejszenie się o około 10 % udziału objętościowego węglików pierwotnych bogatych w tantal typu MC w stosunku do stanu odlanego. Zmniejszenie udziału objętościowego analizowanych faz pierwotnych było wynikiem ich rozpuszczania się w fazie γ. Zastosowanie wygrzewania nie wpłynęło na udział objętościowy węglikoazotków bogatych w cyrkon typu M(C,N). Podwyższenie temperatury wygrzewania do 1200 o C spowodowało rozpuszczenie się około 50 % węglików chromowych i około 40 % węglików tantalowych w austenicie kobaltowym γ przy zachowaniu podobnego udziału węglikoazotków w strukturze stopu jak w stanie odlanym. Najwyższa ze stosowanych temperatura wygrzewania wynosząca 1270 o C umożliwiła całkowite rozpuszczenie w roztworze stałym węglików typu M 23 C 6, około 65% zmniejszenie udziału objętościowego węglików typu MC oraz około 25% zmniejszenie udziału objętościowego węglikoazotków typu M(C,N) w strukturze żarowytrzymałego stopu kobaltu LITERATURA [1] Goldschmidt H.J.: Interstitial Alloys. Butterworths, London 1967 [2] Sims Ch.T.: The Carbides in Base Cobalt Alloys, Journal Metals, 1969, [3] Opiekun Z.: Kształtowanie struktury i właściwości mechaniczne żarowytrzymałych odlewniczych stopów kobaltu. Monografia. Wyd. Politechniki Rzeszowskiej, 2005 [4] Ryś J.: Stereologia materiałów. Kraków 1995

6 349 EFFECT OF COBALT CASTING ALLOY ANNEALING TEMPERATURE ON THE PRIMARY PHASES FRACTION IN IT STRUCTURE SUMMARY Article presented effect of annealing temperature: 1150 o C, 1200 o C and 1270 o C on the phases primary volume fraction: M 23 C 6, MC i M(C,N) type in strcture heat-resistant cobalt casting alloy. It has been found that annealing temperature increase, spheroidizing and dissolutioning partially or on the whole phases in matri alloy. Pracę wykonano w ramach umowy U 6577/BW realizowanej w Politechnice Rzeszowskiej. Recenzował Prof. Zbigniew Konopka