WPŁYW DODATKÓW STOPOWYCH NA TEMPERATURĘ KRZEPNIĘCIA STALIWA AUSTENITYCZNEGO

Transkrypt

1 KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 28 nr 3 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2008 MAŁGORZATA GARBIAK WPŁYW DODATKÓW STOPOWYCH NA TEMPERATURĘ KRZEPNIĘCIA STALIWA AUSTENITYCZNEGO W artykule przedstawiono wyniki badań, których celem była ocena wpływu niobu, tytanu i krzemu na wartość temperatury początku i końca krzepnięcia staliwa austenitycznego typu 0,3C- -30Ni-18Cr. Metodą ATD rejestrowano krzywe krzepnięcia 15 stopów zawierających 0,03 3% Nb, 0,03 1,4% Ti oraz 1,6 4,3% Si. Wykazano, że badane składniki stopowe zwiększają zakres temperaturowy i wydłużają czas krzepnięcia. W stopach z górną zawartością wprowadzonych pierwiastków rejestrowano dwa przystanki temperaturowe i tworzenie się dodatkowego składnika fazowego w mikrostrukturze stopów. Słowa kluczowe: staliwo austenityczne, dodatki Nb, Ti, likwidus, solidus, mikrostruktura 1. WPROWADZENIE Wprowadzanie dodatków stopowych zmienia nie tylko właściwości użytkowe staliwa austenitycznego, ale wpływa też, często niekorzystnie, na jego właściwości technologiczne oraz wiąże się z komplikacjami natury metalurgicznej [2, 4]. Zwiększenie zawartości niobu do 2% w stali 15%Cr-15%Ni nie tylko obniża temperaturę początku i końca krzepnięcia stopu, ale także rozszerza zakres temperaturowy krzepnięcia [5]. Celem prezentowanego artykułu jest ocena wpływu niobu, tytanu i krzemu na charakterystyczne temperatury krzepnięcia staliwa typu 0,3C-30Ni-18Cr. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Do badań wykorzystano staliwo 0,3C-30Ni-18Cr, które opracowano wcześniej w wyniku prac prowadzonych nad doborem staliwa austenitycznego na elementy konstrukcyjne pieców do nawęglania [6]. Wytopiono 15 stopów do- Dr inż. Instytut Inżynierii Materiałowej Politechniki Szczecińskiej.

2 36 M. Garbiak świadczalnych. Wytopy prowadzono w piecu indukcyjnym z wymurówką kwaśną [3]. Zawartość dodatków stopowych wyznaczono na podstawie lokalnego planu sympleksowego o symetrii obrotowej i rozkładzie równomiernym. Skład chemiczny wytopów przedstawiono w tablicy 1. Podczas odlewania wlewków do badań tuż przed zalaniem form wlewano ciekły metal do próbnika urządzenia ATD z wbudowanym termoelementem PtRh10-Pt (rys. 1a). Temperatura metalu wynosiła 1470±25 o C. Przebieg krzywych zmian temperatury T i jej pochodnej w funkcji czasu t rejestrowano przy stałej próbkowania 2 s. Z otrzymanych wykresów wyznaczono: T L temperaturę likwidusu, T S temperaturę solidusu, T P temperaturę drugiego przystanku na krzywej krzepnięcia. Skład chemiczny badanych stopów [% mas.] Chemical composition of tested alloys [wt. %] Tablica 1 Nr stopu C Si Mn P S Cr Ni Nb Ti 1 0,27 1,69 0,92 0,017 0,009 17,5 29,3 1,75 0,83 2 0,30 1,82 1,05 0,018 0,012 18,3 29,6 0,03 1,00 3 0,30 1,82 0,96 0,015 0,010 18,2 29,3 1,84 0,05 4 0,25 4,00 0,96 0,014 0,010 18,2 29,5 3,00 0,70 5 0,35 1,72 0,94 0,013 0,010 18,3 29,2 0,10 0,70 6 0,30 1,39 0,91 0,015 0,009 18,3 29,5 1,92 0,05 7 0,28 3,11 1,04 0,017 0,009 17,8 29,5 2,48 1,42 8 0,26 1,69 0,97 0,013 0,009 17,9 29,2 0,03 0,03 9 0,30 4,26 1,02 0,015 0,007 17,8 29,3 1,59 1, ,29 3,54 1,04 0,014 0,009 18,3 29,2 2,80 0, ,33 1,57 0,97 0,017 0,012 18,3 29,4 0,55 0, ,26 3,06 1,04 0,017 0,010 17,8 29,3 1,59 1, ,29 3,53 0,98 0,016 0,009 17,9 29,2 1,47 0, ,36 1,76 0,94 0,019 0,010 18,2 29,2 2,06 0, ,30 3,15 0,89 0,018 0,010 17,8 29,2 1,54 0,37 Przykładowe krzywe krzepnięcia staliwa i ich pochodne, a także sposób wyznaczania wartości temperatury T L, T S i T P przedstawiono na rys. 1. Zmierzone z wykresów wartości zestawiono w tablicy 2. Krzywe krzepnięcia stopów 4, 7, 9, 10 i 12 charakteryzowały się dwoma przystankami (przemianami w stałej temperaturze) w zakresie temperatury (T L, T S ) (patrz rys. 1, stop 4 i 9). Na krzywych krzepnięcia pozostałych stopów, które na rys. 1 reprezentuje pomiar wykonany dla stopu 8, zarejestrowano tylko jeden przystanek temperaturowy.

3 a) 60 1 φ50 Wpływ dodatków stopowych na temperaturę krzepnięcia 37 ) b) 1500 T, o C 1400 Stop nr dt dt T = 1286 L T, o C Stop nr T = 1124 S T P Stop nr dt dt 1400 T = 1373 L T = 1290 S T = 1279 L T P T = 1140 S t, s Rys. 1. Pomiar ATD: a) zestaw pomiarowy typu Crystaldigraf: 1 próbnik ATD, 2 statyw, 3 przetwornik analogowo-cyfrowy, b) krzywe krzepnięcia i ich pochodne z zaznaczonymi punktami początku (T L ) i końca (T S ) krzepnięcia oraz drugiego przystanku temperaturowego (T p ) [3] Fig. 1. TDA curves: a) Crystaldigraf measurement set: 1 TDA sampler, 2 stand, 3 a/d converter, b) solidification curves and their derivatives with marked liquidus (T L ), solidus (T S ) and second temperature arrest (T p ) [3] Równania opisujące wpływ dodatków stopowych na wartość temperatury T L i T S wyznaczono metodą regresji liniowej za pomocą programu Statistica (patrz równania (1) i (2)). T L = 1408,9 17,9 Si 40,4 Nb C 86,9 Ti C, R 2 = 0,86, F = 22, (1) T S = 1350,1 31,9 Si 60 Nb C 209,2 Ti C, R 2 = 0,89, F = 39, (2)

4 38 M. Garbiak gdzie: Si, Nb, Ti oraz C zawartość krzemu, niobu, tytanu i węgla [% mas.], R 2 współczynnik determinacji, F statystyka F-Snedecora. Wartości temperatury zmierzone z wykresów ATD [ o C] Temperature values measured from TDA curves [ o C] Tablica 2 Nr stopu T L T P T S W trakcie badań wykonano rentgenowską analizę fazową stopów doświadczalnych [3]. Przykładowe mikrostruktury stopów przedstawiono na rys ANALIZA WYNIKÓW Równania (1) i (2) opisujące wpływ krzemu, tytanu i niobu na wartość temperatury T L i T S mają taką samą postać. Oprócz badanych pierwiastków również zmieniająca się zawartość węgla w stopach doświadczalnych ma wpływ na wartość temperatury T L oraz T S. Uogólniając można stwierdzić, że wszystkie dodatki stopowe obniżają zarówno temperaturę początku, jak i końca krzepnięcia staliwa i jednocześnie zwiększają zakres temperaturowy krzepnięcia. Odnosząc się do wartości współczynników występujących w równaniach (1) i (2), należy podkreślić, że stopień oddziaływania tytanu na wartość T S jest największy. Różnice w przebiegu krzywych T = f(t) i dt/dt = f(t) wyznaczają podział doświadczalnych stopów na dwie grupy ze względu na liczbę przystanków temperaturowych w zakresie krzepnięcia (T L, T S ). Dwa przystanki zarejestrowano w stopach o największej sumarycznie zawartości badanych pierwiastków (Nb, Ti i Si). Jak pokazuje rys. 1, obecność drugiego przystanku w temperaturze około

5 Wpływ dodatków stopowych na temperaturę krzepnięcia 39 Stop 4 Stop 8 MC G M 23 C 6 Stop 9 Stop 14 MC MC G 100 μm SEM 10 μm SEM Rys. 2. Mikrostruktura stopów w stanie lanym Fig. 2. As-cast microstructure of alloys 10 μm 1150 o C istotnie wydłuża czas oraz rozszerza zakres temperatury krzepnięcia staliwa. Rozszerzenie zakresu temperaturowego (T L, T S ) jest niekorzystne dla jakości stopu, ponieważ zwykle zwiększa prawdopodobieństwo powstawania mikrorzadzizn. Ich obecność w odlewach pogarsza tak istotne właściwości użytkowe, jak na przykład: szczelność, skrawalność, odporność na działanie czynników chemicznych czy wysoką temperaturę [1]. Badania składu fazowego i mikrostruktury [3] wykazały, że struktura badanych stopów składa się z austenitycznej osnowy i wydzieleń fazy węglikowej (rys. 2). We wszystkich stopach, z wyjątkiem stopu 8 (bez Nb i Ti), identyfikowano węgliki proste typu MC (w zależności od dodatku odpowiednio TiC, NbC lub (Nb, Ti)C). W stopie 8 identyfikowano jedynie węgliki chromu typu M 23 C 6. Niewielka ilość węglików M 23 C 6 była również w stopie 11. Dodatkowo w stopach 4 i 9 (patrz rys. 2) oraz 7, 10 i 12 identyfikowano fazę G o symbolu Ni 16 (Nb, Ti) 6 Si 7. Analizując krzywe krzepnięcia i obecność fazy G w strukturze stopów, dla których zarejestrowano dwa przystanki temperaturowe, można stwierdzić, że rozszerzanie zakresu temperaturowego krzepnięcia związane jest z wydzielaniem fazy G. Stopy z fazą G zawierają dużo krzemu, niobu i tytanu. Natomiast w stopach 13 i 15, pomimo znacznej zawartości krzemu i niobu, nie stwierdzono fazy G. Oba te stopy nie mają również drugiego przystanku temperaturowego na

6 40 M. Garbiak krzywej krzepnięcia. Natomiast zawartość tytanu jest stosunkowa mała (0,37 i 0,4%). Potwierdza to dominujący wpływ zawartości tytanu w staliwie na wartość temperatury T S (patrz równanie (2)). 4. PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonych badań należy stwierdzić, że niob, tytan i krzem obniżają temperaturę początku i końca krzepnięcia staliwa typu 0,3C-30Ni-18Cr. Jednocześnie towarzyszy temu rozszerzanie zakresu temperaturowego krzepnięcia, spowodowane przede wszystkim wydzielaniem się wysokokrzemowej fazy G. LITERATURA [1] Chojecki A., Telejko I., Odlewnictwo staliwa, Kraków, Wyd. Akapit [2] Gajewski M., Przemiany strukturalne w stalach i staliwach stosowanych w energetyce oraz ich wpływ na mechanizmy pękania i korozji, Kielce, Wyd. Politechniki Świętokrzyskiej [3] Garbiak M., Ocena wpływu niobu i tytanu na strukturę i właściwości mechaniczne staliwa typu 30Ni-18Cr, rozprawa doktorska, Politechnika Szczecińska [4] Garbiak M., Piekarski B., Melting of Ni-Cr cast steel with additions of niobium and titanium, Medziagotyra, 2005, 11, nr 4, s [5] Padilha A.F., Machado I.F., Plaut R.L., Microstructures and mechanical properties of Fe- -15%Cr-15%Ni austenitic stainless steels containing different levels of niobium additions submitted to various processing stages, J. Mat. Proc. Technology, 2005, 170, 89. [6] Piekarski B., Odlewy ze staliwa austenitycznego w budowie pieców do nawęglania. Teoretyczne i praktyczne aspekty podwyższania ich trwałości, Szczecin, Wyd. Politechniki Szczecińskiej Praca wpłynęła do Redakcji Recenzent: dr hab. inż. Andrzej Modrzyński INFLUENCE OF ALLOYING ELEMENTS ON SOLIDFICATION TEMPERATURE OF AUSTENITIC CAST STEEL Summary The paper presents the results of research on TDA cooling curves of austenitic cast steel 30Ni- 18Cr with niobium, titanium and silicon. The liquidus and the end of solidification temperature were determined for 15 experimental alloys in which the content of alloying elements varied in a range of % Nb, % Ti and % Si. It has been found that all the alloying additions decrease the liquidus and end of solidification temperature and they cause an enlargement of the solidification interval. For alloys of the highest total content of Nb, Ti and Si the second temperature arrest on TDA curve was recorded and simultaneously G phase precipitates have been observed in the microstructure. Key words: austenitic cast steel, Nb and Ti additions, liquidus, solidus, microstructure