24/8 Solidilicution of Metal~ :md Alloys, No.24, 1995

24/8 Solidilicution of Metal~ :md Alloys, No.24, 1995 Krzepniecie Metali i Stopów, Nr 24, /995 PAN - Oddział Katowice PL ISSN 0208-9386 WPŁ YW DODATKU KRZEMU NA ODPORNOŚĆ NA ZUŻYCIE ŚCIERNE ODLEWNICZYCH STOPÓW TYPU Fe-Cr-C. GRANAT Kazimierz Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechnika Wrocławska 50-371 Wrocław, ul.łukasiewicza 3/5, POLAND W pracy badano wpływ dodatku krzemu (do 10%) na twardość i odporność na abrazyjne zużycie odlewniczych stopów typu Fe-Cr-C zawierających 1-3% C i 10-20% Cr. Wielkość zużycia oceniano metodą Hawortha, stosując jako luźne ścierniwo piasek kwarcowy. Stwierdzono, że wprowadzenie do badanych stopów krzemu w ustalonym zakresie powoduje zmianę ich struktury oraz wzrost twardości i odporności na zużycie abrazyjne. l. WSTĘP Zużycie elementów maszyn i urządzeń, spowodowane tarciem, prowadzi do znacznych strat w gospodarce. Na straty te składają się koszty materiałowe oraz koszty przestojów w procesie wytwórczym. Z tego powodu uzasadnionym staje się podejmowanie badań mających na celu zwiększenie odporności na zużycie części maszyn poprzez zastosowanie do ich budowy nowych materiałów lub poprzez poprawę odporności na zużycie obecnie stosowanych tworzyw. Uznaną grupę stopów odpornych na zużycie ścierne stanowią stopy typu Fe-C-Cr. Wprowadzenie do stopów żelaza z węglem odpowiednich pierwiastków stopowych pozwala na podwyższenie ich odporności na zużycie ścierne na skutek zmiany cech osnowy, zwiększeniajej twardości oraz regulację udziału, rodzaju, kształtu, wielkości i rozmieszczenia wydzieleń węglików. Odgrywa to szczególną rolę w przypadku dynamicznego ścierania (zużycie abrazyjne) luźnym ścierniwem części maszyn pracujących w urządzeniach przemysłu wydobywczego oraz przy produkcji cementu lub materiałów ogniotrwałych. Ogólnie ocenia się, że odporność na zużycie abrazyjne wyraźnie wzrasta, gdy twardość metalu przekracza twardość ścierniwa o co najmniej 20% [1). W stosunku do twardości piasku kwarcowego, w kontakcie z którym zużywają się części większości IqaSzyn i urządzeń przemysłu wydobywczego, wszystkie rodzaje osnowy metalowej oraz cementyt wykazują mniejszą

56 twardość [2]. Przy tego typu ścierniwie wymaganą odporność na zużycie ścierne mogą zapewnić stopy typu Fe-C-Cr, zawierające węgliki (Fe,Cr) 7 C 3. Wprowadzenie do tych stopów krzemu powinno doprowadzi ć (w wyniku zmniejszenia przez krzem rozpuszczalności C i Cr w osnowie metalowej stopu) do powstania większej ilości węglików typu (Fe,Cr) 7 C 3, co w efekcie z\viększy odporność na zużycie tego tworzywa. Ponadto krzem, deformując sieć ferrytu, powoduje jego korzystne utwardzenie prowadzące do podwyższenia odporności na zużycie, szczególnie w przypadku abrazyjnego zużycia luźnym ścierniwem, w którym -jak wiadomo - wszystkie składniki struktury stopu narażone są na niszczące działanie ścierniwa. 2. BADANIA WŁASNE 2.1. Ptzygotowanie p1'óbek do badań Badanie wpływu krzemu na odporność na zużycie abrazyjne stopów typu Fe-C-Cr przeprowadzono na próbkach, których skład chemiczny zestawiono w tabeli 1. Tabela l. Skład chemiczny, twardość i zużycie badanych stopów. Table l. Chemical composition, hardness and abrasive wear of the examined alloys. Lp. Oznaczenie Skład chemiczny [%wag.] Twardość próbki HV30 c Cr S i l LI 1,0 lo - 455 2 1.2 1,0 lo 2 406 3 13 1,0 lo 4 412 4 14 1,0 lo 6 586 5 1.5 1,0 10 8 594 6 1.6 1,0 10 10 490 7 2.1 2,0 15-534 8 2.2 2,0 15 2 416 9 2.3 2,0 15 4 436 10 24 2,0 15 6 551 11 2.5 2,0 15 8 558 12 2.6 2,Q 15 lo 615 13 3.1 3,0 20-481 14 3.2 3,0 20 2 450 15 3.3 3,0 20 4 489 16 34 3,0 20 6 589 17 3.5 3,0 20 8 575 18 3.6 3,0 20 10 616 Zużycie ~g [g] 17,368 21,464 2,179 1,604 1,223 1,385 6,079 8,145 8,240 2,774 1,709 1,087 1,317 4,707 2,622 1,243 0,535 0,438

57 Materiał do badań wytapiano w laboratoryjnym piecu indukcyjnym średniej częstotliwości, w grafitowo-szamotowym tyglu. Wsad metalowy składał się z dobranych w odpowiednich p{oporcjach następujących składników: stal St3, czysty chrom, żelazochrom FeCr 800, żelazokrzem FeSi 75A i węglik chromu Cr 3 C 2. Stop wytapiano w atmosferze azotu, przegrzewano do temperatury około 1450 C, po czym odlewano do form skorupowych. Otrzymywano próbki walcowe o średnicy l S i 30 mm, stosowane do badań metalograficznych oraz prostopadłościenne o wymiarach 70x45x20 mm do badania odporności na zużycie ścierne. 2.2. Badania metalograficzne Próbki do badań metalograficznych szlifowano na papierach ściernych, a następn i e polerowano za pomocą past diamentowych i tlenku glinu. W celu ujawnienia oraz identyfikacji składników struktury próbki trawiono chemicznie (Mi!Fe, Mi 17Fe) lub elektrolitycznie (Mi29Fe) [3]. Na podstawie obserwacji, przeprowadzonych na mikroskopie optycznym stwierdzono, że wprowadzenie do grupy stopów zawierających 1% C i 10% Cr (próbka l. l- o strukturze perlitycznej, z wydzieloną na granicach ziarn niewielką ilością eutektyki węglikowej), krzemu w ilości 2% nie powoduje istotnych zmian struktury. Dodatek 4% Si prowadzi do powstania ledeburytycznych wydzieleń oraz niewielkiego wzrostu ilości eutektyki węglikowej. Dalszy wzrost ilości krzemu (próbka 1.4) sprzyja ferrytyzacji osnowy i przy zawartości 8% Si struktura próbki składa się z ferrytu i znacznej ilości węglików eutektycznych. Wprowadzenie l 0% S i nie powoduje już zmiany struktury próbki, pojawiają się jednak wydzielenia grafitu. Strukturę próbki, zawierającej 2% C i l 5% Cr tworzy perlit z austenitem nieprzemienionym oraz siatka węglików eutektycznych. Wprowadzenie do stopu 2 oraz 4% Si powoduje pełną perlityzację osnowy (próbki 2.2 i 2.3). Dalszy wzrost zawartości krzemu prowadzi do systematycznego wzrostu ilości i wielkości węglików. W skład struktury stopu zawierającego 3% C i 20% Cr wchodzi austenit rozmieszczona międzydendrytycznie eutektyka węglikowa (rys. la). 'f l t r \ -.i r~j ~ -~ \ \ t ~~~=-= -~:-\ '"t - ~ ~. \ ~! \ ;. ~~r r: 'J ~ l J;:_", -'""" -'"'... ~~- \ ~ ~~ :/.- ' tfi, _~ - ~;:;~--\~~ ~., </. 1... -"' ~...._,-- \.:::> ;rlr {Ą/~ ;.<1;; ~..:---~ ~.. ~. --:- ~ ~ r -', ~ -.-...._.~ - ;!'.. "-"' -...,--:\.... ~' \...,... ~... ':.--!~ (,-...::::: ' " ' ~..."... - l - \,,... \ - ~ - ~ \ r. f' r r. ~r:- ~~ "' (...:-~~~\ "'; f,. ;.~~...,- ';. "..,. \\., -,."..,,,_. r ~"-. ~ "~" -.:.0'--: ~. ~ -----.~:--,: ~- ' -,!' t\~1~~-- -, '"'' -"'~ ~~ t ~ ~- -,..._."-...~ ~'..""t.. ""..:.N, ~. -.~~,.._ \r ~ \~' ~~,'i< :);" ' -(--<c:.;...'( \~' ' \...:...: ;'( // r~ "'-~~--. ~ ~--- ""-. -<, r 1 -:- _ ""-. *-.~,..., "" -~.-'. """\ ' )\ b ~...J ~,:..~ft ~ ~~'<> "'i 20 J.lm _. -...,- -- _ - - J~..., ~~ 1----'--ł ~,.. r ' ~ 1-.r.,,,. 1~:!' Rys. l. Struktura próbek 3.1 (a) i 3.6 (b). Trawiono elektrolitycznie w odczynniku Mi27Fe. Fig. l. Structures of specimens 3. l (a) and 3.6 (b). Etched electrolytically in Mi27Fe.

58 Wprowadzenie 2% Si powoduje częściowy rozpad austenitu i w strukturze próbki pojawiają się dodatkowo wydzielenia perlitu i ledeburytu. Dalszy wzrost zawartości krzemu prowadzi do powstania struktury ferrytyczn<hj)erlitycznej z wydzieleniami węglików typu M 3 C i M 7 C 3. Zwiększenie zawartości krzemu powyżej 4% prowadzi do pełnej ferrytyzacji osnowy oraz ciągłego wzrostu ilości i wieikoście pierwotnych i eutektycznych węglików typu M,C 3 (rys. 1b). 2.3. Pomiar twardości Pomiar twardości przeprowadzano metodą Vickersa na poprzecznym przekroju próbek walcowych oraz na przeznaczonych do badania zużycia powierzchniach próbek prostopadłościennych. Wykonywano po pięć pomiarów, a wyniki zestawiono w tabeli l. Twardość stopów bez krzemu wzrasta (jak wynika z tabeli l) wraz z podwyższeniem zawartości C i Cr, i tak twardość stopu zawierającego 1% C i 10% Cr (455 HV30- próbka 1.1) wzrasta o 17% wraz ze zwiększeniem zawartości węgla do 2% i chromu do 15% oraz jedynie o 6% ze wzrostem ilości węgla do 3% i chromu do 20% (próbka 3.1 ). Wprowadzenie do stopów 2% Si powoduje zmniejszenie twardości o 10-20% (najniższe w przypadku próbek 1.2 i 3.2 oraz najwyżs z e dla próbki 2.2), spowodowane perlityzacją osnowy oraz procesami rozpadu austenitu. Stwierdzona obniżona twardość nie ulega zmianie nawet po wprowadzeniu 4% Si. Dopiero 6%-towy dodatek krzemu powoduje wzrost twardości o 20% dla stopów zawierających największą ilość Ci Cr (próbka 3.3) i o 40% dla próbki 1.3 (tabela l) Zmiana ta związanajest z tworzeniem większej ilości węglików i ciągłym utwardzaniem osnowy metalowej przez krzem. Podobnie jak w przypadku 4%-towego dodatku krzemu, również 8% Si nie powoduje istotnej zmiany twardości próbek. Ponowny, nieznaczny wzrost twardości o 7-10% stwierdzono po wprowadzeniu 10% Si w próbkach 2.6 i 3.6. Wyjątek w tym przypadku stanowi próbka 1.6, w której obserwuje się 18%-towy spadek twardo ści związany z pojawieniem się w strukturze próbki wydzieleń grafitu. 2.4. Pomiar zużycia Pomiar zużycia przeprowadzono metodą Hawortha na zmodernizowanym urządzeniu Haworth-ZIS 11 6, którego schemat przedstawiono na rys. 2. Za pomocą przedstawionego na rys. 2 urząd ze nia, określano zużycie abrazyjne próbek luźnym ścierniwem, transportowanym przez gumowy krążek, który nie styka się bezpo średnio z badaną próbką, ponieważ pomięd zy nimi tworzy się warstwa luźnego ścierniwa. Wielkość zużycia okre ś lano metodą wagową, mier ząc ubytek masy próbki z dokładnością do O,OOig przy na stęp uj ących, s tałych parametrach pomiaru: - sila docisku próbki 300N - prędkość obwodowa zu życia 4,5 m/s - droga zużycia 3000 m - materiał ścierny piasek kwarcowy - ziarnistość materialu ściernego 0,42-0,65 mm - ilość materiału ściernego 2 kg.

59 Rys. 2. Schemat urządzenia Haworth-ZIS 116 [4]: 1 -tarcza gumowa; 2- próbka; 3 - piasek. Fig. 2. Scheme of a Haworth-ZIS 116 set-up [4]: l - rubber disk; 2- specimen; 3 - sand. Wyniki badań zużycia zestawiono w tabeli 1. Analizując wyniki badań można stwierdzić, że podobnie jak twardość, również odporność na zużycie badanych próbek wzrasta 13-krotnie ze wzrostem zawartości węgla od 1 do 3% i chromu od 10 do 20%. Związane to jest ze zmianą struktury z perlitycznej z niewielką ilością wydzieleń eutektycznych węglików na austenityczną z większą ilością węglików eutektycznych. Wprowazenie 2% Si powoduje wzrost zużycia badanych próbek podobnie jak powodowało obniżenie twardości, czego przyczynąjest powstanie perlitycznej lub ferrytycznej osnowy. Największy wpływ na wzrost odporności na zużycie wykazuje 4% dodatek krzemu w próbce 1.3. Przy praktycznie niezmienionej twardości próbki, wielkość zużycia obniża się lo-krotnie. Ta sama ilość krzemu nie powoduje wzrostu odporności na zużycie próbki 2.3, natomiast zwiększa ją o 50% w próbce zawierającej 3% C i 20% Cr. W próbce tej nie stwierdzono występowania perlitu, lecz wyraźny wzrost ilości równomiernie rozłożonych węglików. Wyraźny wzrost odporności na zużycie (od 26 do 66%) obserwuje się ponownie w próbkach zawierających 6% Si. Wzrasta wówczas ilość węglików, zanikają wydzielenia perlitu, wzrasta mikrotwardość ferrytycznej osnowy stopu. Zwiększenie zawartości krzemu do 8% podwyższa o dalsze 25-57% odporność na zużycie, przy czym najmniejszą zmianę (25%) obserwuje się w ;;topach o najniższej zawartości C i Cr, największą (57%) w stopach zawierających 3% C i 20% Cr. Pojawienie się wydzieleń grafitu w próbce zawierającej 1% C, 10% Cr i 10% Sinie zmienia praktycznie jej odporności na zużycie, pomimo widocznego spadku twardości. W próbkach o większej zawartości C i Cr dodatek l O% S i prowadzi do dalszego wzrostu odporności na zużycie od 18% w próbce 3.6 do 35% w próbce 2.6. Obserwuje się zatem współzależność twardości i odporności na zużycie badanych próbek, a mianowicie obniżeniu twardości towarzyszy wzrost zużycia i odwrotnie.

60 3. PODSUMOWANIE Wprowadzenie do odlewniczych stopów typu Fe-C-Cr krzemu powoduje zmiany struktury, których efektem są zmiany twardości i odporności na zużycie. Dodatek do 4% Si sprzyja perlityzacji osnowy, i przez to powoduje obniżenie ich twardości oraz odporności na zużycie. Dalszy wzrost ilości krzemu sprzyja krystalizacji faz węglikowych oraz tworzeniu umocnionej przez krzem ferrytycznej osnowy, w wyniku czego wzrasta twardość i odporność na zużycie badanych stopów. Największy wpływ krzemu obserwuje się w stopach o zawartości do 2% C i 15% Cr. Analizując badane stopy pod względem ich odporności na abrazyjne zużycie można stwierdzić, że istnieje w pewnych przypadkach możliwość zastępowania stopów o wysokiej zawartości chromu stopami o niższej (nawet o połowę) jego zawartości w przypadku wprowadzenie do stopu tańszego składnika - krzemu. LITERATURA [l] Habig K.H. : Verschleil3 und Harte von Werkstoffen. Carl Hanser Verlag, Munchen-Wien, 1980. [2] Uetz H. : Abrasion und Erosion. Carl Hanser Verlag, Munchen-Wien, 1986. [3] Drzeniek H., Granat K., Kowalski M., Lugscheider E.: Gefiigebeurteilung eines Fe-Cr-Si C-Schweil3gutes. Sonderband der Praktischen Metallographie 18; 1987, s. 377-388. [ 4] K retschmar E.: Verschl ei l3prufungen an Auftragschwei l3l egi erungen. N eue Hutte 21, 197 6, nr 3. EFFECf OF SILICON ADDIDON ON ABRASIVE WEAR OF Fe-C-Cr CAST ALLOYS The paper prtesents an investigation on the effect of S i additions (up to l O%) on hardness and abrasive wear of cast Fe-Cr-C allopys containing 1-3% C and 10-20% Cr. The extent ofwear was determined by the Haworth metbod using quartz sand as loose abrasive agent. The Si additions were found to atfect beneficially both hardness and abrasive wear resistance of the examined range of alloys.