Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 27, 1996 PAN - Oddział Katowice PL ISSN

Transkrypt

1 27/12 Solidification ofmetals and Alloys, No.27, 1996 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 27, 1996 PAN - Oddział Katowice PL ISSN KINETYKA PRZEMIAN WĘGLIKOWYCH PODCZAS STARZENIA ODLEWNICZYCH STOPÓW KOBALTU OPIEKUN Zenon, ORLOWICZ Władysław Politechnika Rzeszowska Rzeszów, ul. W. Pola 2 W atrykule przedstawiono wpływ boru na mikrostrukturę i kinetykę wydzielania wtórnych węglików Cr23C6 w żarowytrzymałych odlewniczych stopach kobaltu. Stwierdzono, że podczas starzenia stopów w temperaturze 975 C, bor skraca czas inkubacji węglików tworzących się w austenicie kobaltowym y. Kinetykę wydzielania wtórnych węglików dobrze opisuje wyrażenie o postaci, W(lJ = k-t", (równanie C.Werta ). WSTĘP Współczesne stopy kobaltu zawierają C, Cr, Ni, Si, Fe, Mo, W, Nb, oraz Ti, Ta, Al, B, Zr, Re a także Y, Ce, La [1]. Oddziaływanie poszczególnych składników stopowych w żarowytrzymałych stopach rozpatrywane jest najczęściej z punktu widzenia ich wpływu na makro- i mikrostrukturę, własności mechaniczne oraz proces utleniania i korozję tych stopów w wysokich temperaturach. Obróbkę cieplną stopów kobaltu wykonuje się głównie dla poprawy ich wytrzymałości na wysokotemperaturowe pełzanie. Sprowadza się ona do utwardzania wydzieleniowego [2,3]. Przesycanie jest wykonywane z temperatur C. Ma ono na celu całkowite lub częściowe rozpuszczenie węglików pierwotnych typu M1 C3, M6C, M23C6 i innych faz (y', 11,a, Lavesa, 11,n) [4]. Starzenie realizuje się zazwyczaj w temperaturach C w celu wydzielenia wtórnych, dyspersyjnych faz umacniających osnowę. Wtórne fazy to głównie węgliki Cr 23 C 6, które w stopach o osnowie austenitu kobaltowego y, wydzielają się jako dyspersyjne płytki w układzie Widmannstattena na płaszczyznach {111} osnowy [5-9).

2 78 2. BADANIA WŁASNE Kinetykę przemian węglikowych analizowano w odlewniczym stopie kobaltu typu MAR - M509, modyfikowanym dodatkami boru.stopy uzyskiwano z czystych składników przez stopienie w piecu indukcyjnym typu ASEC 15. Stosowano tygle alundowe.próbki w kształcie prętów o wymiarach 0 l Ox80 mm uzyskiwano przez zalanie stopem form skorupowych. Bazowy stop zawierał: 23,62 % Cr, 9,40 %Ni, 7,0 %W, 2,86% Ta, 0,20% Ti, 1,68% Zr, 0,71 %C, reszta Co. Na bazie tego stopu wykonano pięć wytopów o różnej zawartości boru. Skład chemiczny odlanych stopów zestawiono w tablicy l. Tablica 1. Skład chemiczny badanych stopów kobaltu Nr Składniki stopowe, % stopu Cr Ni w Ta T i Zr B c s l 24,30 10, 10 6,70 2,68 O, 15 1, ,7 1 0, ,02 10,30 6,68 2, 71 0,16 1,48 0,09 0,70 0, ,30 10,60 6,62 2,70 O, 18 1,53 0,47 0,70 0, ,20 10,32 6,58 2,70 0,18 1,50 1,00 0,73 0, ,20 10,00 6,72 2,68 0,17 1,49 1,48 0,70 0,0028 Badania kinetyki przemian węglikowych wykonano z zastosowaniem dylatometru LS-4. Pomiary zmian wymiarowych realizowano przy użyciu czujnika indukcyjnego. Do zapisu wyników stosowano rejestrator x-y Ricken-Denski. Badania prowadzono na próbkach o wymiarach 0 4x30 ± O,Olmm. Próbki nagrzewano do temp. 975 C z szybkością 300 C/godz. i wygrzewano w niej w czasie 21 godzin. Badanie struktury stopów przed i po obróbce cieplnej wykonano z zastosowaniem mikroskopu optycznego Neophot 2 i skaningowego mikroskopu elektronowego Novoscan Badania dylatometryczne Kinetykę przemian węglików i borków a zwłaszcza wydzielanie węglików wtórnych Cr 23 C 6 w osnowie austenitu kobaltowego, ilustrują krzywe dylatometryczne, L1l. = f(t), przedstawione na rys. l.

3 79 Rys. l. Krzywe dylatometryczne kinetyki wydzielania węglików wtórnych Cr 23 C6; (-o-o-) stop Nr l, ( -!::s-l::r-) stop Nr 2, ( )stop Nr 3, (-D-D-) stop Nr 4, ( A A ) stop Nr 5. Do opisu krzywych dylatometrycznych zastosowano równanie C.Werta [10]: Wcl) = k t", gdzie: Wct)- stopień przemiany w czasie t określony z dylatogramów, k, n, - stałe, t - czas wyżarzania (O - 21 h). Obliczenia stałych równania dokonano przy użyciu komputera, metodą regresji liniowej. W tym celu równanie zlogarytmowano: log W = nlog t + log k wstawiając: log k = lnk l InlO, ( In 10 = 2,302585).Korzystając z testu Studenta, przyjęto poziom ufności 0,95, współczynnik istotności a ='0,05 oraz dla liczby stopni swobody 21, wartość współczynnika 2,080. W wyniku obliczeń zostały określone dla każdego stopu stałe k, n, odchylenia standardowe stałych Dn. Ok oraz współczynnki korelacji K. Wartości te zestawiono w tablicy 2.

4 \ 80 Tablica 1. Wartości k, n, Dn, D~ i K dla stopów Nr 1 -Nr 5 wyżarzonych w 975 <le, w czasie 21 h Nr stopu k n D n Dk K l 0,0515 1,0219 ± 0,0973 ± 0, ,2975 0,4724 ± 0,0592 ± 0,0544 0, ,2554 0,4498 ± 0,0605 ± 0,0593 0,965 - j 4 0,1462 0,4437 ± 0,0331 ± 0, ,2475 0,4626 ± 0,0345 ± 0, ! j! i l l l 2.2. Mikrostruktura Struktury stopów w stanic odlanym i po wyżarzeniu badano przy użyciu mikroskopu optycznego i skaningowego mikroskopu elektronowego, na zgładach metalograficznych. Zgłady rnatalograficzne przygotowano przez polerowanic mechaniczne i elektrolityczne trawienie w 50 % roztworze HN0.1 przy napittciu okoł(l 8 Y. Rysunki 2-5 ilustrują przykładowe mikrostruktury stopów. Rys. 2. Mikrostmktura stopu Nr 1 w stanic odlanym Rys.3. Mikrostruktura stopu Nr 5 w stanie odlanym

5 81 RysA. Mikrostruktura stopu Nr 5 po wyżarzeniu w 975 C. (elektronowy mikroskop skaningowy) Rys.5. Mikrostruktura stopu Nr 5 po wyżarzeniu w 975 "c. 3. OYSKUS.JA WYNIKÓW BADAŃ ~1ikrostruktura stopu Nr 1 w stanie odlanym składa się z \vęglików pit:rwotnych typu MC, l\1~ 3 C, oraz węglikaazotków typu M (CN) w osnowil' austenitu kobaltowego y. Ze wzrostem zawartości boru od 0,09 % (stop Nr 2). do 1.48 % (stop Nr 5) następuje najpierw rozdrobnienie pie1wotnych faz a prz\ większych jego zawartościach wydzielenie dodatkowej pierwotnej fazy barkowej typu!\1b zawierającej wolfram, chrom i kobalt [9] (rys.2, 3).Fazy barkowe tworzą razem z węglikami pierwotnymi M 23 Cr, ciągłą siatkę (rys.3). W wyniku starzenia stopów \\ temperaturze 975 C następuje wydzielanie w ich osnowach wtórnych wc;:gliklm C'rc, Cr, (1ys. 4, 5). Wydzielanie węglików wtórnych Cr 23 Cr, odbywać się może \\ stopie Nr l wg schematu: częściowe rozpuszczanie } [Cr.C) w osnowie Cr + 6 c-cr23c6 [C + Cr) w roztworze 'Y - :'-l atomiast kinetykę wydzielania tych węglików podczas wyżarzania stopu w 975 ''c w czasie od O do 21 h można opisać równaniem: W -=- 0,05 t' 02

6 82 Dodatki boru zmieniają wyraźnie stałe k i n (tablica 2} w równaniu C. Werta w porównaniu do stopu bez boru.schemat wydzielania Cr 23 C 6 w stopach kobaltu z dodatkami boru może być następujący: Mz3C6} cz~eśdowe rozpuszczanie pierwotne--~---_, } (Cr, C. 8) w osnowie MB 23 Cr t 6 C---+ cr 23 c 6 (C +B+ Cr)w roztworze 'Y Kinetykę wydzielania węglików wtómych Cr 23 C 6 w stopie Nr 2 zawierającym do O, l % B, w którym nie obserwuje się jeszcze pierwotnych faz borkowych opisać można równaniem: w= 0,3 t 0 47 a dla stopów Nr 3, 4 i 5, zawierających powyżej O, l %B, w których występują pierwotne fazy borkowe, równanie kinetyczne przyjmuje postać : w = 0,25. t 0 " 45 Tak w1ęc bor skraca czas inkubacji do zarodkoy<ania węglików wtórnych Cr23C 6 podczas starzenia analizowanych odlewniczych stopów kobaltu w wysokich temperaturach.

7 83 4. LITERA TURA [l) R. Stickler; Phase stability in superalloys; Proceding of the Syroposiurn on High - Temperatuce Materialsin Gas Turbines, Elsevier Scietific Publishing Co., Amsterdam- London- New York, [2) H.J. Davidson; Nouvel alliage base kobalt pour toles a c,aracteristicques elevees a haute temperatuce mise en oeuvre, Mater. et. Tech.,nr 5, [3] Superalloys for superservice, Metali Progress, t,108, nr3, 1977, str [4] R. Stickler; High- Temperatuce Materials in Gas Turbines, edited by P.R. Sahm and M.O. Speidel (Elsevier Scientific, Amsterdam - London - New York, 1974) p.ll5. [5] M.J.Woulds, T.R.Cass; Mines an point recentes relatives a l'alliage MAR- M509, Cobalt nr42, 1969, str [6] T.N. Wagenheim; Cobalt. nr48,1970,str [7] J. Drapier, V.Le Roy, C. Dupont, P. Coutsouradis; Cobalt, nr 41, [8] L.Zhuang and Ebbe V. Langer; Carbide Precipitation in Cast Co-Cr-Mo Alloys Used for Surgical Implants, Z. Metallkde Bd. 80 (1989) H4, p [9] Z. Opiekun; Kinetics of secondary carbide precipitation, in boron-modified cobalt alloys ofmar- M509 type, J. Mater. Sci.,26 (1991), str [lo) C.Wert; J.Appl. Phys.21 (1951) 1. KINETICS OF CARBID E TRANSFORMA TION DURING AGEING CAST CO BAL T ALLOYS The effect of boron addition, on the structuce and kinetics of precipitation of secondary carbides Cr 23 C 6 in beat - resistant cobalt - casting alloys is investigated. It bas been found that boron significantly shortens the incubation time for forming nuclei carbide of Cr 23 C 6 during annealing at 975 C for 21 h. The kinetics of precipitation of secondary carbides bas been described using Wert's empirical equation, w (t) = k t".