Struktura, właściwości mechaniczne i odporność na zużycie ścierne stopów Fe-C-V

Transkrypt

1 EDWARD FRAŚ, MAGDALENA KAWALE Struktura, właściwści mechaniczne i dprnść na zużycie ścierne stpów Fe--V WPROWADZENIE Żeliw, stp żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, krystalizujący z przemianą eutektyczną jest najczęściej stswanym stpem dlewniczym. Ze względu na craz wyższe wymagania dbirców teg twrzywa, wciąż pszukuje się nwych gatunków żeliwa craz lepszych właściwściach mechanicznych i użytkwych. Najczęściej pszukiwania te dtyczą: zmian fizyk-chemiczneg stanu ciekłeg, bróbki cieplnej żeliwa raz wprwadzania d nieg kreślnych pierwiastków stpwych. Pierwszy i drugi z tych kierunków badań dprwadził d rzwju twrzyw wyskjakściwych w pstaci żeliwa: mdyfikwaneg, sferidalneg, wermikularneg i ausferrytyczneg. Trzeci kierunek badań jest związany z wprwadzaniem d żeliwa ddatków stpwych, które zmieniają rdzaj snwy, cechy mrflgiczne grafitu lub pwdują krystalizację różnych węglików. Prwadzi t d zmiany właściwści mechanicznych i użytkwych żeliwa. Jednym z ddatków stpwych żeliwa jest wanad. W literaturze znajdują się graniczne dane dnśnie d wykresów równwagi fazwej [1 4], zardkwania węglików wanadu [5] raz mikrstruktury stpów Fe--V [6, 7]. Wpływ wanadu na właściwści użytkwe żeliwa jest jednak nieznany. Stąd wynika cel pdjętych badań, bejmujących wyknanie stpów Fe--V zróżnicwanym składzie chemicznym, analizę ich mikrstruktury raz zbadanie ich właściwści mechanicznych i triblgicznych. METODYKA BADAŃ Prf. zw. dr hab. inż. Edward Fraś (edfras@agh.edu.pl), dr inż. Magdalena Kawalec Katedra Inżynierii Stpów i Kmpzytów Odlewanych, Akademia Górnicz- Hutnicza w Krakwie Serie wytpów zmiennej zawartści węgla 1,38 4,16% i wanadu 5,25 15,50% wyknan w indukcyjnym piecu próżniwym typu BALZERS (VSG 02) w chrnnej atmsferze argnu. D wytpów użyt następujących składników: techniczny żelaz-wanad zawartści 81,7%V, żelaz armc i grafit spektralnie czysty. P przegrzaniu żeliwa d temperatury 1700, dlewan g frm, wyknanych z sypkiej masy szybkutwardzalnej ze szkłem wdnym i dtwarzających prstkątne wlewki, zasilane dużym nadlewem. Z dlnej części wlewków, pzbawinych prwatści skurczwej, wycinan próbki d badań. Temperaturę krystalizacji faz pierwtnych raz eutektyki, kreślan za pmcą analizy termicznej z wykrzystaniem termelementu Pt-PtRh10. D cyfrwej rejestracji temperatury stwan wielkanałwy mduł elektrniczny Hewlett- Packard 34970A. Z trzymanych krzywych stygnięcia dczytywan temperaturę: zalewania T i, likwidus dla austenitu T a, pczątku T p i kńca T k krystalizacji eutetyki raz minimalną temperaturę T m krystalizacji eutektyki. Skład chemiczny żeliwa kreślan metdą mkrą i spektgraficzną. D identyfikacji faz w stpach stswan dyfraktmetr rentgenwski firmy Philips, przy czym sterwanie pmiarami raz przetwarzanie danych, realizwan za pmcą systemu kmputerweg z wykrzystaniem prgramu APD firmy Philips raz bazy danych krystalgraficznych JPDS. Próbki nietrawine bserwwan za pmcą mikrskpu ptyczneg firmy LEIA MEF4 M, stsując pwiększenia 100, 250 raz 500 raz skaningweg firmy JEOL 5500LV, przy użyciu elektrnów wtórnych. Pzwlił t dróżnić węgliki wanadu d innych faz, które utrudniały analizę metalgraficzną. W celu bardziej szczegółweg zbadania gemetrii pszczególnych faz, próbki trawin głębk wdą królewską i bserwwan za pmcą mikrskpu skaningweg. Udziały prcentwe składników strukturalnych wyznaczn stsując autmatyczny analizatr brazu LEIA QWin. D wyznaczenia udziału prcentweg węglików wanadwych (eutektycznych i pierwtnych) raz udziału dendrytów austenitu przemienineg w ferryt wykrzystywan zdjęcia wyknane za pmcą mikrskpu skaningweg przy dużym pwiększeniu. Udziały pzstałych składników struktury kreślan na pdstawie zdjęć z mikrskpu ptyczneg dla próbek trawinych, przy pwiększeniu 250. Badania metalgraficzne pzwliły wytypwać grupę próbek, które pddan statycznej próbie rzciągania (maszyna wytrzymałściwa typu INSTRON) z zastswaniem ekstensmetru, przy prędkści 0,01 cm/min. Krzywe rzciągania próbek pzwliły wyznaczyć: umwną granicę plastycznści R p0,2, wytrzymałść na rzciąganie R m raz wydłużenie względne A 5. D badań dprnści na zużycie ścierne trzymanych stpów wykrzystan dwie metdy badań. Pierwsza z nich (P1), typu próbka-papier ścierny plegała na ścieraniu próbki żeliwa wanadweg wymiarach ø mm na papierze ściernym (krundwym) ziarnistści 60, przy czym drga ścierania jedneg cyklu wynsiła 40 m, a próbkę bciążn siłą 10 N. Dla każdej próbki wyknan cztery cykle ścierania, każdrazw kreślając ubytek masy z dkładnścią 0,001 g, a następnie bliczn średni maswy współczynnik dprnści na zużycie ścierne J m, kreślający ubytek masy próbki wyrażnej w mg na drdze ścierania 1 m. Druga próba ścieralnści (P2), typu próbka-przeciwpróbka wykrzystuje układ pstępw-zwrtny. P próbce z badaneg żeliwa wanadweg, wymiarach i bciążeniu jak w próbie P1, przesuwan trzpień wymiarach ø 3 17 mm, wyknany z dprneg na ścieranie staliwa Hadfielda na drdze 6 mm cykl. Dla każdej próbki wyknan cykli, a następnie kreślan ubytek masy i wyznaczn współczynnik ścieralnści. WYNIKI BADAŃ I IH ANALIZA Dyfrakcja rentgenwska Analiza dyfrakcji rentgenwskiej trzymanych stpów (rys. 1) pzwliła zidentyfikwać trzy fazy: ferryt i cementyt stpwy raz węglik V 1-x. Mikrstruktura W tabeli 1 pdan skład chemiczny stpów raz ich mikrstrukturę, a także udziały składników struktury. Pza eutektyką wanadwą, w zależnści d wartści stsunku V w żeliwie (gdzie: i V zawartść węgla i wanadu w stpach, %), zabserwwan występwanie następujących składników mikrstruktury: ferryt stpwy (rys. 2a), perlit ziarnisty (rys. 2b, c) raz ferryt stpwy + perlit ziarnisty, gdy wartść V wynsi 0,1 0,2, perlit płytkwy (rys. 2d), perlit ziarnisty + perlit płytkwy, gdy wartść V zawiera się w granicach 0,2 0,3, eutektykę cementytwą (rys. 2e), gdy stsunek V wynsi pwyżej 0,3. 78 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ROK XXIX

2 Tabela 1. Skład chemiczny, udziały składników struktury i właściwści mechaniczne stpów Table 1. hemical cmpsitin, and fractins cmpnent f structure and mechanical prperties Rys. 1. Dyfraktgramy stpów Fe--V snwie: a) ferrytycznej, b) perlitu ziarnisteg i płytkweg, c) perlitu płytkweg z cementytem Fig. 1. The diffractin patterns f the Fe--V allys with matrix: a) ferritic, b) granular and lamellar pearlite, c) lamellar pearlite with cementite Skład Udziały składników struktury, % Właściwści Nr V S c R f % % f f p,z f p,p f c f w f d HB m R p0,2 A 5 MPa MPa % 1 2,12 15,5 79, ,8-1,53* ,0 2 1,78 15,2 81, ,1-1,27* ,8 3 1,65 14,9 78, ,3-1,16* ,4 4 1,53 14,7 82, ,9-1,07* ,0 5 1,60 12,6 76, ,0-1, ,5 6 1,80 13,8 75,3 3, ,7-1,20* ,87 13,3 75,1 5, ,9-1,23* ,8 8 1,98 13,3 72,2 5, ,8-1,29* ,3 9 1,55 10,9 76,9 5, ,1 23,0 0, ,2 10 1,38 6,7-88, ,1 58,0 0, ,2 11 1,52 8,8-84, ,6 49,0 0, ,9 12 1,81 11,7-76, ,6-1,09* ,73 11,6-82, ,0-1,04* ,70 11,4-79, ,7-1, ,1 15 1,81 11,2-80, ,9-1,06* ,1 16 1,68 11,2-79, ,4-0, ,29 11,0-20,1 58,3-21,6-1,33* ,8 18 2,10 10,2-5,0 80,2-14,8-1,16* ,17 9,8-15,0 61,9-23,1-1,17* ,4 20 1,80 9,1-27,3 57,4-15,3 23,0 0, ,1 21 2,52 9, ,6-21, - 1,29* ,0 22 2,27 8, ,4-22,6-1,16* ,1 23 2,03 8, ,7-16,3-1, ,58 7, ,2-21,8-1,20* ,2 25 2,18 7, ,5-18,5-1, ,1 26 2,23 7, ,6-13,4-1, ,1 27 1,99 7, ,8-20,1 26,0 0, ,7 28 2,73 8, ,0 3,0 24,0-1,38* ,9 29 2,80 7, ,3 7,0 22,7-1,23* ,5 30 2,37 6, ,0 5,0 17,0 20,0 0, ,3 31 3,14 8, ,6 10,0 24,4-1,52* ,16 12, ,9 20,0 25,1-2,62* ,4 33 3,14 7, ,7 25,0 23,3-1,44* ,2 Udziały: f f ferrytu, f c cementytu, f d dendrytów austenitu przemienineg w ferryt, f p,p perlitu płytkweg, f p,z prelitu ziarnisteg, f w węglika wanadu. Struktura: pdeutektyczna, kłeutektyczna, * nadeutektyczna NR 2/2008 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 79

3 Rys. 2. Mikrstruktura stpów Fe--V Fig. 2. The micrstructure f the Fe--V allys Na pdstawie bserwacji mikrskpwych trzymane stpy, ze względu na rdzaj rzpznanej mikrstruktury, pdzieln na kłeutektyczne pd- i nadeutektyczne. Przykłady pszczególnych mikrstruktur przedstawia rysunek 3. Głębkie trawienie wdą królewską raz bserwacje za pmcą mikrskpu skaningweg wykazały, że pierwtne węgliki wanadu, krystalizują w pstaci dendrytów nieścianwych (rys. 4a, b), a w ziarnach eutektyki regularnej (rys. 4c, d) występuje ciągły i rzgałęziny szkielet węglika wanadu, wyrastający z jedneg, wspólneg centrum (rys. 5). Wart również zauważyć, że niektóre włókna w etapie kńcwym wzrstu ziaren, przekształcają się w frmy płytkwe (rys. 4d i 5a, c). W przypadku stpów pdeutektycznych (rys. 4e, f) ziarna eutektyczne, wyrastają w przestrzeniach międzydendrytycznych i przyjmują ich kształt. Związek między zawartścią węgla i wanadu, dpwiadający strukturze kłeutektycznej (linia eutektyki, rys. 6a), pisuje następujące równanie regresji: e = 7,91 V e 0,635 (1) gdzie: e i V e zawartść węgla i wanadu w eutektyce, %. Współczynnik krelacji teg równania jest wyski i wynsi R = 0,996. Stpień nasycenia eutektyczneg S c jest ilrazem zawartści węgla w stpie d zawartści węgla w eutektyce e. Uwzględniając pwyższe raz równanie (1), stpień nasycenia eutektyczneg w stpach Fe--V mżna kreślić następując: Dla S c < 1, S c = 1 raz S c > 1 (tab. 1) trzymuje się dpwiedni stpy pdeutektyczne, eutektyczne i nadeutektyczne. Rysunek 7 pkazuje wpływ wanadu i stpnia nasycenia eutektyczneg S c na udział węglików wanadu f w raz dendrytów austenitu f d przemienineg w ferryt, skąd wynika, że wanad w stpach kłeutektycznych, pwiększa udział eutektyczneg węglika wanadu, zaś pwiększanie stpnia nasycenia eutektyczneg, zmniejsza udział dendrytów austenitu przemienineg w ferryt. Rysunek 6b pkazuje linię eutektyki wynikającą z przeprwadznych badań na tle układu równwagi stpów Fe--V [4]. Z ry- (2) 80 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ROK XXIX

4 Tabela 2. Wyniki pmiarów temperatury dczytane z wykresu ATD Table 2. Results f the temperature measurements reading frm ATD diagram 7 % 1,87 V % 13,3 Ta Tm , ,68 11, , ,10 10, ,03 8, ,18 7, ,37 6, Nr wytpu Ti Tp Tk neg wraz z krzywą różniczkwą pkazuje rysunek 8a. Z tabeli 2 wynika, że wraz z pdwyższeniem zawartści wanadu i zmniejszaniem się zawartści węgla w stpach Fe--V, bserwuje się tendencję d pdwyższania wartści temperatury pczątku Tp i kńca Tk krystalizacji eutektyki, minimalnej temperatury Tm w pczątkwym etapie krystalizacji eutektyki raz temperatury likwidus Ta dla austenitu. Właściwści mechaniczne Skład chemiczny, rezultaty prób rzciągania, średnią twardść raz udziały składników struktury stpów zestawin w tabeli 1, z której wynika, że isttny wpływ na właściwści mechaniczne stpów wywiera rdzaj snwy. Wyraźnie pkazuje t także rysunek 8b, przedstawiający przykładwe krzywe rzciągania. Z punktu widzenia rdzaju struktury (pza eutektyką wanadwą) raz właściwści mechanicznych, stpy mżna w zasadzie pdzielić na 5 grup (tab. 3). Ogólnie birąc, wyniki zamieszczne w tabeli 3 wskazują, Tabela 3. Wpływ rdzaju mikrstruktury na właściwści mechaniczne stpów Fe--V Table 3. Effect f the matrix type n mechanical prperties f Fe--V allys Nr wytpu Rys. 3. Mikrstruktura stpów Fe--V składzie: a) pdeutektycznym, b) eutektycznym, c) nadeutektycznym Fig. 3. The micrstructure f the Fe--V allys with cmpsitin: a) hypeutectic, b) eutectic and c) hypereutectic sunku wynika, że linia eutektyczna wyznaczna dświadczalnie jest przesunięta w lew w stsunku d linii eutektycznej cytwaneg układu równwagi. Analiza termiczna W tabeli 2 zestawin wyniki pmiarów temperatury, a przykładwą krzywą stygnięcia dla wyskwanadweg żeliwa eutektycz- NR 2/2008 INŻYNIERIA Właściwści Składniki mikrstruktury HB Rm MPa Rp0,2 MPa A5 % 1 9 ferryt, ferryt + perlt ziarnisty (d 5%) ,3 7, perlit ziarnisty ,2 6, perlit ziarnisty + perlit płytkwy ,1 1, perlit płytkwy ,7 1, perlit płytkwy+eutektyka cementytwa ,2 1,3 że w miarę przechdzenia d snwy ferrytycznej pprzez snwę perlitu ziarnisteg d perlitu płytkweg, pwiększa się: twardść HB, wytrzymałść na rzciąganie Rm i umwna granica plastycznści Rp0,2, maleją natmiast właściwści plastyczne stpów, których miarą mże być wydłużenie A5. Ddatkwe pjawienie się w strukturze eutektyki cementytwej sprzyja pwiększaniu twardści i bniżeniu właściwści plastycznych stpów. Wart również zwrócić uwagę, że w prównaniu d zwykłeg żeliwa białeg dużej kruchści i niebrabialneg zwykłymi narzędziami skrawającymi, stpy F--V (białe żeliw wanadwe) są brabialne i wykazują właściwści plastyczne (np. snwie ferrytycznej), które zależą (rys. 9) d udziału fw węglików wanadu (eutektycznych i pierwtnych) raz rdzaju snwy. MATERIAŁOWA 81

5 Rys. 4. Mikrstruktura stpów Fe--V p głębkim trawieniu wdą królewską; stpy składzie: nadeutektycznym (a, b), eutektycznym (c, d) raz pdeutektycznym (e, f) Fig. 4. The micrstructure f the f Fe--V allys with cmpsitin: (a, b) hypereutectic, (c, d) eutectic, (e, f) hypeutectic; deep-etched with aqua regia Odprnść na zużycie ścierne Wyniki pmiarów dprnści stpów na zużycie, mierznej jak ubytek masy, zamieszczn w tabeli 4. Rezultaty z próby P1 prównywan z dprnścią na ścieranie staliwa Hadfielda (próbkę z teg materiału znaczn jak H). Z badań wynika, że pdbnie jak w przypadku właściwści wytrzymałściwych, dprnść na ścieranie stpów Fe--V w isttnym stpniu zależy d rdzaju snwy. Wyniki trzymane z próby P1 mżna pdzielić na trzy grupy (rys. 10). Pierwszą grupę stanwią stpy (wytpy nr 4, 5, 9) z snwą ferrytyczną lub ferrytyczną i niewielkimi udziałami perlitu ziarnisteg największych wartściach współczynnika ścieralnści (J m =3,14 3,93 mg/m) i zawartści węgla d 1,53 d 1,60% raz wanadu d 10,9 d 14,7%, charakteryzujące się najniższą twardścią ( HB). Druga grupa (wytpy nr 24 26) Tabela 4. Wyniki badań dprnści na zużycie ścierne Table 4. Results f the wear resistance test Nr wytpu Skład chemiczny % Współczynnik dprnści na zużycie, J m mg m V Próba P1 Próba P2 4 1,53 14,7 3,14 31,81 5 1,60 12,6 3,93 8,75 9 1,55 10,9 3,54 23, ,17 9,8 0,44 2, ,80 9,1 0,62 1, ,58 7,8 2,27 3, ,23 7,3 1,92 3, ,18 7,6 2,05 3,61 H Staliw Hadfielda 1,97-82 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ROK XXIX

6 Rys. 5. Przykłady rzgałęziania się węglika wanadu w ziarnach eutektycznych zawierająca d 2,18 d 2,58% raz d 7,3 d 7,8%V charakteryzuje się snwą perlitu płytkweg, twardścią d 387 d 416 HB i współczynnikiem ścieralnści J m prównywalnym d staliwa Hadfielda (J m 2 mg/m). D grupy trzeciej zaliczn żeliw największej dprnści na ścieranie (J m 0,44 0,62 mg/m, (wytpy nr 19 i 20), zawierające d 1,80 d 2,17% raz d 9,1 d 9,8%V snwie będącej mieszaniną perlitu płytkweg i ziarnisteg lub płytkweg i cementytu raz twardści d 322 d 401 HB. Fig. 5. Examples f the cntinuus, ramified skeletn f vanadium carbides in the eutectic grains Prównując wyniki badań dprnści na zużycie (tab. 4 i rys. 10), mżna stwierdzić, że dprnść ta w próbie P2 jest większa niż w próbie P1. Wynika t przede wszystkim z różneg charakteru ścierania w bu próbach. Pdbnie jak w próbie P1, również w próbie P2 żeliw snwie ferrytycznej (wytpy nr 4, 5, 9) charakteryzuje się najwyższą ścieralnścią (J m = 8,75 31,81 mg/m). Najwyższą dprnść na zużycie (J m = 1,11 mg/m) wykazują próbki pchdzące z wytpu nr 20, a pzstałe próbki pśrednią. Wart Rys. 6. Przebieg linii eutektyki w stpach Fe--V (a) raz (b) prjekcja linii eutektyki (rów. 1) na tle układu Fe--V, pdaneg w pracy [4] Fig. 6. The run f eutectic lines in the Fe--V allys (a) and (b) prjectin f eutectic line (Eq. 1) against the backgrund f Fe--V system [4] NR 2/2008 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 83

7 Rys. 7. Wpływ zawartści wanadu na udział węglików eutektycznych (f w ) w stpach kłeutektycznych (a) raz wpływ współczynnika nasycenia eutektyczneg na udział dendrytów austenitu przemienineg w ferryt (f d ) w pdeutektycznych stpach Fe--V (b) Fig. 7. The fractin f eutectic vanadium carbides (f w ) in arund-eutectic Fe--V allys (a) and fractin f the austenite dendrites transfrmed int ferrite (f d ) in hypeutectic Fe--V allys (b) Rys. 8. Wykres ATD dla stpu Fe--V; (a) raz przykłady krzywych rzciągania stpów Fe--V różnej snwie (b) Fig. 8. ATD plt fr the Fe--V allys (a) and examples f tensile curves pltted fr Fe--V allys with different types f matrix (b) Rys. 9. Wpływ udziału węglików wanadu (eutektycznych i pierwtnych) na wydłużenie A 5 stpów Fe--V snwie ferrytycznej (a) i perlitycznej (b) Fig. 9. Effect f vanadium carbide cntent (eutectic and primary) n the ductility A 5 f the Fe--V allys with: ferritic (a) and pearlitic (b) matrix a) b) Rys. 10. Prównanie dprnści na zużycie ścierne stpów Fe--V: a) próbka-papier ścierny (P1), b) próbka- przeciwpróbka (P2) Fig. 10. Fe--V allys wear resistance cmparisn: a) specimen-abrasive paper test (P1), b) specimen-cunterspecimen test (P2) 84 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ROK XXIX

8 zwrócić uwagę, że różnice między dprnścią na zużycie stpów najmniejszej i największej dprnści są duże (jedneg rzędu wielkści). WNIOSKI 1. W stpach zawierających d 1,38 d 4,16 % raz d 5,25 d 15,50 %V wykazan becnść następujących faz: ferryt stpwy, cementyt stpwy i węglik V 1-x raz (pza eutektykami) składników snwy: ferryt stpwy, perlit ziarnisty i perlit płytkwy, a także mieszaniny ferrytu stpweg i perlitu ziarnisteg raz perlitu ziarnisteg i płytkweg. 2. Właściwści wytrzymałściwe badanych stpów Fe--V raz ich dprnść na zużycie ścierne zależą głównie d rdzaju snwy metalwej i zmieniają się w granicach: wytrzymałść na rzciąganie d 433 d 839 MPa, umwna granica plastycznści d 185 d 655 MPa, twardść d 174 d 474 i wydłużenie d 0,2 d 7,2%. 3. Istnieje mżliwść trzymania stpów Fe--V dprnści Istnieje mżliwść trzymania stpów Fe--V dprnści na zużycie ścierne wyższej d staliwa Hadfielda. LITERATURA [1] Vgel R., Martin E.: Über das ternaere System Eisen Khlenstff Vanadin. Archiv für das Eisenhüttenwesen, vl. 4, s. 487, [2] llins M. J.: Fe V phase diagram, Jurnal f the Irn and Steel Institute, Lndn, vl. 210, s. 284, [3] Ebeling R., Hever H.: Zur Kenntnis der Eisenecke des Systems. Eisen Vanadin Khlenstff. Archiv für das Eisenhüttenwesen, vl. 40, nr 7, s. 551, [4] Kesri R., Durand-harre M.: Metallurgical structure and phase diagram f Fe- -V system: cmparisn with ther frming M carbides, Materials Science and Technlgy, vl. 4, s. 692, [5] Serantni. R., Bccalini M.: Nucleatin and grwth f M carbides In Fe--V allys, The 5th Internatinal nference n Slidificatin Prcessing, Sheffield, July, s. 234, [6] Fraś E., Guzik E.: Pierwtna mikrstruktura stpów Fe V, Archiwum Hutnictwa, tm 25, zeszyt 4, s. 757, [7] Fraś E.: Krystalizacja metali, Wydawnictw Naukw-Techniczne, Warszawa, NR 2/2008 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 85