OCENA MOŻLIWOŚCI STEROWANIA MIKROSTRUKTURĄ STALIWA FERRYTYCZNO-AUSTENITYCZNEGO GX2CrNiMoCu Częstochowa, al.

Transkrypt

1 73/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 26, Rocznik 6, Nr 18 (1/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 26, Volume 6, N o 18 (1/2) PAN Katowice PL ISSN OCENA MOŻLIWOŚCI STEROWANIA MIKROSTRUKTURĄ STALIWA FERRYTYCZNO-AUSTENITYCZNEGO GX2CrNiMoCu D. DYJA 1, Z. STRADOMSKI 2, S. STACHURA 3 1,2,3 Instytut Inżynierii Materiałowej Politechniki Częstochowskiej 42-2 Częstochowa, al. Armii Krajowej 19 STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wpływ zawartości węgla na strukturę i wybrane własności staliwa GX2CrNiMoCu po obróbce cieplnej. Stwierdzono, że po zabiegu przesycania staliwo charakteryzuje się strukturą ferrytyczno-austenityczną, a poprzez odpowiedni dobór temperatury przesycania sterować można wzajemnym udziałem ferrytu i austenitu. Wraz ze wzrostem zawartości węgla wrasta twardość staliwa po przesycaniu, drastycznemu zmniejszeniu ulega jednak odporność na pękanie. Keywords : duplex cast steel, segregation, carbides, sigma phase, heat treatment 1. WPROWADZENIE Staliwa ferrytyczno-austenityczne stanowią dynamicznie rozwijającą się grupę staliw odpornych na korozję i erozję. Korzystny zespół właściwości mechanicznych i chemicznych umożliwia szeroki zakres ich stosowania i powoduje, że stanowią one alternatywę wobec klasycznych jednofazowych staliw austenitycznych i ferrytycznych. Staliwa typu duplex, stają się niezastąpionymi materiałami w elementach urządzeń narażonych na jednoczesne działanie medium o charakterze korozyjnym i erozyjnym. Wyższe niż stali austenitycznych własności wytrzymałościowe, umożliwiają zmniejszenie ciężaru, co przekłada się na obniżenie mocy napędu i zmniejszenie gabarytów urządzeń. 1 mgr inż., dyjad@mim.pcz.czest.pl 2 dr hab. inż. prof. P.Cz., zbigniew@mim.pcz.czest.pl 3 prof. dr hab. inż. 459

2 Wysoka cena składników stopowych oraz duża skłonność do pęknięć, silnie zmniejszających efektywność produkcji, powoduje jednak, że niewiele polskich odlewni decyduje się na podjecie trudnej i wymagającej produkcji masywnych odlewów z tego tworzywa. Głównym problemem, w piecach indukcyjnych, jest zachowanie niskiej, poniżej,3 %, zawartości węgla. Warunek ten powoduje, że do ponownego przetopienia nie nadają się układy zasilające, układy wlewowe czy nadlewy, ze względu na zbyt wysoką zawartość węgla, co znacznie podnosi koszty produkcji i stwarza problemy ze znaczną ilością złomu obiegowego bogatego w miedź. W pracy zbadano wpływ podwyższonej zawartości węgla od,55 do,9% na strukturę i udarność staliwa po zabiegu przesycania. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Materiał badań stanowiły odlewy z wysokostopowego staliwa ferrytycznoaustenitycznego GX2CrNiMoCu , o składzie chemicznym przedstawionym w tabeli 1. Analizowane wytopy charakteryzowały się podwyższoną, w porównaniu z norma PN-EN 1283, zawartością węgla natomiast pozostałe pierwiastki stopowe mieściły się w zakresie obowiązującym w normie. Tabela 1. Skład chemiczny badanego staliwa Table 1. The chemical composition of steel examined Analizowany pierwiastek [% mas.] Wytop C Cr Ni Cu S Si Mn P Mo PN-EN,3 24,5 26,5 6, 8,5 2,75 3,5,25 1, 1,5,35 2,5 3,5 1,55 24,4 6,71 3,8,2,81,14,2 2,4 2,6 24,7 6,91 3,,18,73,14,19 2,9 3,9 24,5 6,6 2,88,14,92,18,24 2,79 Staliwo z wytopu 1 poddano zabiegowi przesycania w wodzie z temperatury 15 C, 18 C oraz 115 C po wygrzewaniu w czasie dwóch godzin. Badania metalograficzne przeprowadzono na mikroskopie optycznym Neophot 32, próbki trawiono zgodnie z PN-61-H-453 odczynnikiem Mi21Fe, który trawi ferryt i fazę sigma, natomiast austenit pozostaje niewytrawiony. Twardość mierzono metodą Brinella zgodnie z PN-EN ISO 656-1:22, przy obciążeniu 1838 N, kulką stalową o średnicy 2,5 mm. Próby udarności przeprowadzono w temperaturze 23 ± 1 C. 46

3 3. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Dla określenia optymalnych parametrów obróbki cieplnej staliwo z wytopu 1 wygrzewano w temperaturze 15 C, 18 C oraz 115 C przez 2 h i przesycano w wodzie. Przykładowe obrazy mikrostruktur przedstawiono na rysunku 1, a zmiany udziału ferrytu i austenitu w funkcji temperatury na rysunku 2. Rys. 1. Ferrytyczno-austenityczna struktura staliwa GX2CrNiMoCu po przesycaniu z temperatury: a) 115 C, b) 18 C, c,d) 15 C Fig. 1. The ferritic-austenitic microstructure of GX2CrNiMoCu cast steel after the solution heat treatment in: a) 115 C, b) 18 C, c) 15 C W strukturze staliwa przesyconego z temperatury 15 C oprócz ferrytu i austenitu występowało około 3% fazy sigma (rys. 1d). Dowodzi to zbyt niskiej temperatury wygrzewania, która nie pozwoliła na zupełne jej rozpuszczenie, a wysoka stabilność części fazy sigma związana jest dużą zawartością występującego w niej molibdenu (rys. 3). Dopiero temperatura przesycania 18 C zapewniła całkowite rozpuszczenie fazy sigma. W strukturze staliwa występowało 55% ferrytu i 45% austenitu. W wyniku przesycania z temperatury 115 C nastąpił wzrost ilości ferrytu o około 5% kosztem austenitu (rys. 2). 6 Udział objętościowy fazy austenit ferryt Temperatura przesycania, C Rys. 2. Udziału ferrytu i austenitu w staliwie GX2CrNiMoCu w funkcji temperatury Fig. 2. Volume fraction of ferrite and austenite in the GX2CrNiMoCu cast steel 461

4 Dla pozostałych wytopów zabieg przesycania przeprowadzano z temperatury 18 C, przyjmując ją jako optymalną tj. zapewniającą porównywalny udział objętościowy ferrytu i austenitu w strukturze oraz rozpuszczenie faz międzymetalicznych. Taka temperatura przesycania zapewnia również optymalizację kosztów przeprowadzanych zabiegu obróbki cieplnej. W przypadku masywnych odlewów czas nagrzewania przed przesycaniem może wynieś nawet kilkanaście godzin, obniżenie temperatury skutkuje znacznym ograniczeniem zużycia gazu, większą trwałością materiałów izolacyjnych pieca i dłuższym czasem ich eksploatacji, a tym samym redukcją kosztów chrom, C r m olib den, M o odcinek pomiarowy [µ m] odcinek pomiarowy [µ m] 12 2 nikiel, Ni ż elazo, Fe odcinek pomiarowy, [µ m] odcinek pomiarowy [µ m] Rys. 3. Analiza liniowa i punktowa składu chemicznego staliwa z wytopu 1-15 C/2h/woda Fig. 3. The results of EDX examination, heat no 1-15 C/2h/woda Zestawione w tabeli 2 wyniki pomiarów twardości wykazały, że ze wzrostem temperatury przesycania następuje wzrost twardości stopu, co związane jest z większym udziałem objętościowym twardszego ferrytu w mikrostrukturze. Twardość wzrosła z 242 HB dla staliwa przesycanego z 18 C do 264 HB dla staliwa przesycanego z 115 C. Twardość staliwa wzrasta również wraz ze zwiększaniem się zawartości węgla w badanych stopach, z 242 HB dla stopu z najmniejszą zawartością węgla do 258 HB dla wytopu z,9 %C, a towarzyszy temu znaczny spadek energii łamania. Tabela. 2. Wyniki pomiarów twardości i energii łamania staliwa GX2CrNiMoCu po obróbce cieplnej Table 2. Results of measurments of the hardenss and impact resistance of GX2CrNiMoCu cast steel after the solution heat treatment Obróbka cieplna Wytop1 Wytop3 Wytop2 HB KV [J] HB KV HB KV 15 C/2h/woda C/2h/woda C/2h/woda

5 Wytop 1, z najmniejszą zawartością węgla, posiadał udarność na poziomie ~142 J, natomiast w wytopie 3, który charakteryzował się maksymalną zawartością węgla udarność wynosiła 4 J (tab. 2). Rys. 4. Struktura staliwa GX2CrNiMoCu po przesycaniu 18 C/2h/woda,9 %C Fig. 4. Structure of GX2CrNiMoCu cast steel after the solution heat treatment,9 %C Spadek udarności tłumaczyć należy zmianami w strukturze stali po procesie przesycania. W przypadku staliwa z wytopu 2 i 3 (C>,6%) obserwuje się sporadyczne wydzielenia węglików, które nie uległy rozpuszczeniu w wyniku obróbki cieplnej. Ich morfologia (charakter eutektyki rys. 4) oraz rozmieszczenie na granicach pierwotnych ziaren ferrytu świadczą, że wydzieliły się już z fazy ciekłej, a stosunkowo niska zawartość węgla, spowodowała, że nie tworzą ciągłej siatki. 4. WNIOSKI 1. Staliwa duplex dają duże możliwości optymalizacji struktury w aspekcie własności eksploatacyjnych odlewów. Poprzez odpowiedni dobór temperatury przesycania sterować można wzajemnym udziałem ferrytu i austenitu w mikrostrukturze, a tym samym finalnymi własnościami elementów. Ze wzrostem temperatury przesycania wzrasta ilość ferrytu, co powoduje podwyższenie twardości stopu, przy zachowaniu dobrej odporności na pękanie. 2. Wraz ze wzrostem zawartości węgla w badanych stopach wzrasta twardość po przesycaniu, z 242 HB dla stopu z najmniejszą zawartością węgla do 258 HB dla wytopu z,9 %C, a towarzyszy temu znaczny spadek udarności. Wytop 1, z najmniejszą zawartością węgla, posiada udarność na poziomie ~142 J, natomiast w wytopie 3, który charakteryzował się maksymalną zawartością węgla udarność wynosiła 4 J, co jest i tak wartością wyższy od wymaganego minimum wynoszącego 27 J dla tworzyw konstrukcyjnych. 3. Ze względu na stan techniczny krajowych odlewni istnieje tendencja do wytwarzania elementów ze staliwa duplex o podwyższonej zawartości węgla, zwłaszcza, że wyższa zawartość tego pierwiastka nie stanowi problemu w 463

6 LITERATURA uzyskaniu dobrych własności użytkowych elementów. Podwyższona zawartość węgla wiązać się może jednak z niebezpieczeństwem występowania pęknięć na gorąco, dlatego koniecznym wydaje się wykonanie kompleksowych badań korelacji pomiędzy sposobem krzepnięcia, mikrostrukturą i tendencją do tworzenia się pęknięć w staliwach typu duplex o zmiennej, podwyższonej zawartości węgla. [1] Tuomi A., Lofstrand A., Harju M.: Increased usage of duplex materials in manufacturing of pulping equipment, Duplex America 2 Conference, Stainless Steel World, s [2] Weng K.L., Chen H.R., Yang JR.: The low-temperature aging embrittlement in a 225 duplex stainless steels, Materials Science and Engineering A 379 (24), s , [3] Dyja D., Stradomski Z.: Sigma phase precipitation in duplex phase stainlees steel, 4 rd Edition of International Congress-YSESM. Bolonia-Castrocaro Terme 25, s.57 58, [4] Dyja D., Stradomski Z.: Microstructural and Fracture Analysis of Aged Cast Duplex Stainless Steel, 5 th International Conference of PHD Students, University of Miskolc, Hungary 25, s [5] Stradomski Z. Dyja D., Stachura S.: Technological problems in elaboration of massive casting from duplex cast steel, Stainless Steel World 25 Conference & Expo Maastricht, s , SUMMARY POSSIBILITIES OF MICROSTRUCTURE OPTIMIZATION IN FERRITIC-AUSTENITIC GX2CrNiMoCu CAST STEEL The effect of carbon content on the structure, hardness and impact resistance of GX2CrNiMoCu cast steel was discussed. After the solution heat treatment the cast steel have a ferritic-austenitic two-phase structure, and one of the main purposes of solutioning is to obtain the required amount of ferrite and austenite in the structure Testing results show that an increase of carbon content improves the hardness, with its increase being accompanied by decrease in impact resistance. W pracy wykorzystano wyniki prac wykonywanych w ramach projektu KBN nr 3 T8 B 1 26 Recenzował: Prof. Zygmunt Nitkiewicz 464