Leopold BERKOWSKI, Jacek BOROWSKI, Zbigniew RYBAK Politechnika Poznańka, Intytut Mazyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych ul. Piotrowo 3, 6-965 Poznań (Poland) e-mail: office_wmmv@put.poznan.pl STRENGTHENING OF THE STEEL AFTER HEAT TREATING WITH THE MATRIX OF DIFFERENT STRUCTURE Summary More important procee of urface engineering technology i combination of claical volume heat treatment and urface deformation, burnihing. The paper preent the mean of the combination of two technologie of NC11LV teel: heat treatment with different of autenityzation temperature (reult two tructure after hardening martenite and autenite) and burnihing. The burnihing of the teel contain marteniting tructure of the matrix had not effect, but burnihing of autenite change propertie of the NC11LV teel evidently. The hardne after burnihing wa larger, then hardne of the teel after claical hardening, contain marteniting tructure. The reearch how, that autenit reult of the heat treatment from high autenitization temperature - after hardening during deformation, after tempering (48 C, 4 h) partially remain. UMOCNIENIE ZGNIOTOWE HARTOWANEJ STALI O RÓŻNEJ STRUKTURZE OSNOWY Strezczenie Duże znaczenie mają technologie inżynierii powierzchni kojarzące zabiegi obróbki cieplnej objętościowej i obróbek powierzchniowych. W pracy przedtawiono możliwość łączenia zabiegów obróbki cieplnej, wpływającej na tworzenie truktur o onowie martenzytycznej i autenitycznej, z proceem nagniatania. Badania wykazały, że proce obróbki platycznej powierzchniowej niewiele wpływa na właności wyrobów zahartowanych na martenzyt. Natomiat wpływ nagniatania na tal o onowie autenitycznej jet znaczący. Umocniona zgniotowo wartwa wierzchnia miała twardość więkzą od tali zahartowanej na martenzyt. Wykazano ponadto, że autenit otrzymany po zahartowaniu tali z wyokiej temperatury jet trwały, a umocnienie wartwy wierzchniej o takiej trukturze zotaje częściowo zachowane po czterogodzinnym odpuzczaniu w temperaturze 48 C. 1. Wtęp Itnieje zereg czynników wpływających na umocnienie tali. Do czynników zależnych od technologii należą: 1. wzrot gętości dylokacji, 2. tworzenie ię martenzytu, 3. rozdrobnienie ziaren, 4. wydzielanie dyperyjne. Duże znaczenie ma wprowadzenie pierwiatków topowych, które powodują powtanie różnego rodzaju związków (faz międzymetalicznych, węglików, azotków itp.) w potaci dużych agregatów, utworzonych w proceie metalurgicznym (np. węgliki pierwotne) lub w potaci wydzieleń, powtałych podcza tarzenia lub odpuzczania. Dwie technologie pozahutniczej obróbki decydują o właściwościach tali: obróbka platyczna, gdzie dominującym czynnikiem jet wzrot gętości dylokacji obróbka cieplna (hartowanie i odpuzczanie), gdzie czynnikiem dominującym, podcza hartowania, jet tworzenie ię martenzytu. O kutkach odpuzczania decyduje zjawiko wydzielania. Rozdrobnienie ziaren podcza obróbki cieplnej ma w tym przypadku mniejze znaczenie. Do intenywnych, nowoczenych zabiegów technologicznych, wpływających na właściwości tali, należy obróbka cieplno-platyczna (OCP), łącząca efekt umocnienia dylokacyjnego z przemianami fazowymi tali. Technologia OCP może być zatoowana do tali i topów metali nieżelaznych. W drugim przypadku obróbka cieplnoplatyczna jet przede wzytkim kombinacją odkztałcenia platycznego i utwardzania dyperyjnego przeycania i tarzenia. Według znanych kryteriów, obróbkę cieplnoplatyczna tali można podzielić na trzy klay [1], należą do nich: I. Obróbka cieplno-platyczna polegająca na odkztałcaniu tali w tanie autenitycznym. W klaie tej znajdują ię objęte normą: Nikotemperaturowa obróbka cieplno-platyczna (NOCP) polegająca na kztałtowaniu wyrobów w temperaturze niżzej od temperatury początku rekrytalizacji autenitu, Wyokotemperaturowa obróbka cieplno-platyczna (WOCP) polegająca na kztałtowaniu wyrobów powyżej tej temperatury. II. Obróbka cieplno-mechaniczna polegająca na odkztałcaniu tali podcza przemiany autenitu w perlit, bainit lub martenzyt. III. Obróbka cieplno-platyczna polegająca na odkztałceniu tali po zakończeniu przemiany autenitu w martenzyt lub w inne produkty przemiany γ - α. Znane ą procey obróbki cieplno-platycznej, które trudno zakwalifikować do którejkolwiek klay. Chodzi o utwardzanie tali podcza odkztałcania autenitu, wywołane jednocześnie zgniotem i kutkiem częściowej przemiany martenzytycznej. Utwardzanie tali w tym enie odbywa ię podcza pracy gąienic pecjalnych pojazdów mechanicznych, wykonanych ze tali Hadfielda. 9
o C A 1 WOCP A 1 o C M S NOCP P B M S P B o C A 1 P Odkztałcanie I - w tanie autenitycznym, II - podcza przemiany, III - po przemianie. M S B obróbka platyczna Ry. 1. Klayfikacja obróbek cieplno-platycznych tali Fig. 1. Claification of the thermomechanical treatment of the teel Na ry. 1 pokazano chematy technologiczne obróbek cieplno-platycznych ujęte w trzech klaach, na tle wykreów prezentujących kinetykę przemian fazowych CTPi tali topowych, charakteryzujących ię obzarem dużej trwałości autenitu, rozdzielającym przemianę perlityczną (P) od przemiany bainitycznej (B). Na ryunku tym A 1 oznacza temperaturę przemiany eutektoidalnej, a M temperaturę początku przemiany martenzytycznej. W niniejzej publikacji oceniano kutki dwóch technologii OCP: obróbkę platyczną martenzytu (III kla, obróbkę platyczną autenitu, metatabilnego w temperaturze otoczenia. 2. Materiał badany i jego obróbka Stale należą do materiałów kontrukcyjnych, których truktura i właściwości znajdują ię w bardzo zerokim obzarze (ry. 2). Pomijając materiały o pecjalnych włanościach, truktura onowy tali, w temperaturze otoczenia, może zawierać: - martenzyt, - miezaninę ferrytu i martenzytu, - miezaninę martenzytu i autenitu, - autenit. O trukturze decyduje kład chemiczny tali i ich obróbka cieplna. W rzeczy amej trudno (po hartowaniu) otrzymać czytą trukturę martenzytu. Oprócz tej fazy, w zahartowanej tali węglowej lub topowej o zwiękzonej zawartości węgla, znajdują ię niewielkie ilości autenitu zczątkowego. Czyty autenit wytępuje w talach kwaoodpornych, zawierających nikiel i chrom oraz w talach manganowych Hadfielda, utwardzanych kutkiem przemiany martenzytycznej wywołanej odkztałceniem. Wtedy gniot 2% powoduje wzrot udziału objętościowego martenzytu w ilości około 2-6%. Pierwiatki Ni i Mn tworzą z żelazem układy charakteryzujące ię otwartym polem autenitu. Materiałem badanym była tal NC11LV o natępującym kładzie chemicznym w %: C-1,65; Cr-11,9; Si-,27; Mn-,3; P-,29; S-,25; Mo-,9; V-,71. Wyniki badań przedtawione w pracy [2] wykazały, że po zahartowaniu tali z różnej temperatury można uzykać peudodwufazowy tan trukturalny, zawierający węgliki i martenzytyczną lub autenityczną onowę. Peudodwufazowy, gdyż możliwy jet niewielki udział faz przeciwnych; autenit w martenzycie i śladowe ilości fazy α w autenicie. Wykre na ry. 3 przedtawi wyniki analizy fazowej tali NC11LV zahartowanej z różnej temperatury. Z ryunku wynika, że po zahartowaniu z temperatury 1 C onowa tali zawiera martenzyt z niewielkim udziałem autenitu, a po zahartowaniu z temperatury 115 C prawie czyty autenit. Skutkiem tego w badaniach przyjęto temperaturę autenityzowania 12 i 115 C. Niżza gwarantowała uzykanie makymalnej twardości tali po zahartowaniu. Badania wykazały ponadto, że autenit otrzymany po zahartowaniu z wyżzej temperatury jet bardzo trwały [3]. Temperatura wpływa na kinetykę przemian fazowych, zachodzących podcza chłodzenia tali. Wzrot temperatury autenityzowania powoduje przeunięcie przemian (perlitycznej i bainitycznej) w prawo oraz wyraźne obniżenie temperatury początku przemiany martenzytycznej [1]. Ujęcie tego problemu ilutruje wykre CTPi z nanieionymi chematami obróbki cieplnoplatycznej tali (ry. 4). Próbki ze tali NC11LV, o średnicy Ф2 mm autenityzowano w piecu olnym, w temperaturze 12 i 115 o C, ciągu 1 minut i hartowano w oleju. Po dokładnym przygotowaniu powierzchni, próbki nagniatano nagniataniem diamentowym, z dwóch tron do polowy ich 1
promienia, przy obciążeniu 15 i 4 N. Pozotałe parametry (pouw p =,25 mm/obr oraz prędkość n = 46 obr/min) były jednakowe [4]. Strukturę (na zgładach) oberwowano z pomocą mikrokopu świetlnego i elektronowego, kaningowego. Stale mogą być o trukturze: Ferrytyczno-martenzytycznej - tale węglowe i nikotopowe Martenzytyczno-autenitycznej topowe tale narzędziowe Martenzytycznej - Właności zależą od: zawartości węgla, rozdrobnienia krytalitów, kładników topowych, które wpływają na hartowność lub umacnianie wydzieleniowe. Autenitycznej - Właności zależą od: kładników topowych (Mn, Ni); otwarty Fe-M, tal Hadfielda i odporne na korozję. umocnienie przez zgniot, martenzyt 2/2-6 Stal NC11LV 12 o C 115 o C Ry. 2. Podział tali według truktury onowy Fig. 2. Diviion of teel according to tructure of matrix węgliki autenit zczątkowy martenzyt twardość 1% 75 Udział objętościowy 8% 6% 4% 2% 6 45 3 15 Twardość HRC % tan wyż. 9 95 1 15 11 115 12 Temperatura hartowania [ o C] 11
Ry. 3. Wpływ temperatury autenityzowania na kład fazowy oraz na twardość hartowanej tali NC11LV: cza autenityzowania 1 minut Fig. 3. Influence of the autenitizing temperature on the phae compoition and hardne of NC11LV teel; time of autenitizing 1 minute o C T 2 T 1 T 1 = 12 o C T 2 = 115 o C A 1 Temperatura P 1 P 2 M S1 B 1 B 2 OP M S2 Cza Ry. 4. Schemat technologiczny obróbki cieplno-platycznej zatoowanej w badaniach Fig. 4. Schematic diagram of the thermomechanical treatment ued at the reearch 3. Wyniki badań Badania obejmowały pomiary twardości metodą Knoopa (HK,1) z pomocą twardościomierza ZWICK-32 122 oraz oberwacje truktury próbek. Badania dylatometryczne wykazały [3], że autenit zczątkowy tali NC11LV, zwłazcza otrzymany po hartowaniu z temperatury 115 C jet bardzo trwały. Dlatego pokazano również zmiany profilów twardości po czterogodzinnym odpuzczaniu próbek w temperaturze 48 C, zakładając, że temperatura azotowania jonowego tej tali znajduje ię nieco poniżej. W dalzych badania oceniano wpływ odkztałcania powierzchniowego wartwy wierzchniej na kutki azotowania jonowego. Na ry. 5 pokazano rozkłady twardości próbek ze tali NC11LV o różnej trukturze onowy, nagniatanych w różnych warunkach. Z ryunku wynika, że wpływ nagniatania na twardość próbek o martenzytycznej onowie jet niewielkie. Znikome umocnienie wartwy przy powierzchni wykazała próbka nagniatana przy obciążeniu nagniataka 4 N (. Wyraźne umocnienie, wzratające wraz z obciążeniem, wykazała próbka o autenitycznej onowie (. obniżona o około 15 jednotek HK,1, jezcze po czterogodzinnym wytrzymywaniu w temperaturze 48 C (ry. 6, przekraczała twardość próbek zahartowanych konwencjonalnie. Spadek twardości próbek zahartowanych na martenzyt był w tym przypadku nieco mniejzy (ry. 6. Mikrotwardość, HK,1 9 85 8 75 7 65 6 55 5,5,1,15,2,25,3,35 Odległość od powierzchni, mm 15 N 4 N Z porównania charakterytyk wynika, że twardość odkztałconego autenitu jet więkza od twardości próbki zahartowanej na martenzyt, w poób tradycyjny. Z badań wynika ponadto, że umocnienie autenitu jet bardzo trwałe, gdyż twardość wartwy wierzchniej, choć zotała 12
Mikrotwardość HK,1 11 Mikrotwardość, HK,1 1 9 15 N 8 4 N 7 6 9 8 15 N 7 4 N 6 5 4 3 2 5 4,5,1,15,2,25,3,1,2,3,4,5 Odległość od powierzchni [mm],35 Odległość od powierzchni, mm Ry. 6. Wpływ nagniatania na twardość wartwy wierzchniej tali NC11LV po hartowaniu z temperatury 12 C ( i 115 C ( i po czterogodzinnym odpuzczaniu w temperaturze 48 C Fig. 6. Influence of the burnihing on the hardne of urface layer of NC11LV teel after hardening from 12 C ( and 115 C ( and after tempering at 48 C, 4 h Ry. 5. Wpływ nagniatania na twardość wartwy wierzchniej tali NC11LV po hartowaniu z temperatury 12 C ( i 115 C ( Fig. 5. Influence of the burnihing on the hardne of urface layer of NC11LV teel after hardening from 12 C ( and 115 C ( Na ry. 7 i 8 pokazano truktury próbek ze tali NC11LV zahartowanych z różnej temperatury i nagniatanych przy obciążeniu 4 N. Z ryunków wynika, że zmiany truktury po nagniataniu próbki zahartowanej na martenzyt ą niewielkie (ry. 7), natomiat odpowiednie zmiany próbki zahartowanej z wyokiej temperatury (ry. 8) ą bardzo wyraźne; w trefie zgniotu pojawia ię truktura płytkowa, co wiąże ię prawdopodobnie z częściową przemianą autenitu w martenzyt. Różnice trukturalne nagniatanych wartw widać wyraźnie na zdjęciach z mikrokopu kaningowego (ry. 9 i 1). Wartwa próbki zahartowanej z temperatury 12 C (ry. 9) zawiera drobny martenzyt i węgliki. Duże pierwotne węgliki mają niekiedy pęknięcia. W wartwie próbki zahartowanej z wyżzej temperatury (ry. 1), w odkztałconych ziarnach autenitu, widoczne ą pama poślizgów i powtałe podcza odkztałcania płytki martenzytu, a pęknięcia węglików pierwotnych prawie nie wytępują. Ry. 7. Struktura wartwy wierzchniej tali NC11LV zahartowanej a temperatury 12oC ( i dodatkowo nagniatanej (. Pow. 5 x Fig. 7. Structure of the urface layer of NC11LV teel hardening from 12oC (, and hardening and burnihing (. Magnification 5 x Mikrotwardość HK,1 8 Ry. 8. Struktura wartwy wierzchniej tali NC11LV zahartowanej a temperatury 115 C ( i dodatkowo nagniatanej (. Pow. 5 x Fig. 8. Structure of the urface layer of NC11LV teel hardening from 115 C (, and hardening and burnihing (. Magnification 5 x 7 6 5 15 N 4 N 4 3 2,1,2,3,4 Odległość od powierzchni [mm],5 L. Berkowki, J. Borowki, Z. Rybak 13 Journal of Reearch and Application in Agriculture Engineering 29, Vol. 54(2)
Ry. 9. Struktura wartwy wierzchniej tali NC11LV zahartowanej a temperatury 12 C ( i dodatkowo nagniatanej z iłą 4 N (. Mikrokop kaningowy Fig. 9. Structure of the urface layer of NC11LV teel hardening from 12 C (, and hardening and burnihing - power 4 N (. Scanning microcope 4. Podumowanie wyników badań i wnioki Obróbka cieplno-platyczna należy do intenywnych technologii umożliwiających produkcję wyrobów wyokiej jakości. Konieczność komputerowego terowania proceem prawia, że wyroby otrzymywane tym poobem wykazują małą tolerancję wymiarową. Ten poób produkcji może być toowany także w inżynierii powierzchni. Wtedy efektem obróbki ą korzytne zmiany wartwy wierzchniej przy zachowaniu właściwości rdzenia; takich, jakie uzykano podcza poprzedniej obróbki. Ry. 1. Struktura wartwy wierzchniej tali NC11LV zahartowanej a temperatury 115 C ( i dodatkowo nagniatanej z iłą 4 N (. Mikrokop kaningowy Fig. 1. Structure of the urface layer of NC11LV teel hardening from 115 C (, and hardening and burnihing - power 4 N (. Scanning microcope Niniejze badania obejmowały nagniatanie tali narzędziowej NC11LV, o dwóch krajnych, metatabilnych trukturach onowy (martenzyt i autenit). Badania wykazały, że: 1) hartując tal NC11LV z temperatury 12 i 115 C można uzykać dwie peudo dwufazowe truktury: martenzyt z niewielka ilością autenitu zczątkowego oraz autenit plu śladowe zawartości fazy α, 2) autenit zczątkowy, otrzymany po zahartowaniu tali z wyżzej temperatury jet bardzo trwały, 3) wpływ nagniatania próbki zahartowanej na martenzyt jet niewielki, natomiat próbki, w której dominującą truktura jet autenit znaczący, 4) czterogodzinne wytrzymywanie takiej próbki (o onowie autenitycznej) umocnionej zgniotem, powodowało niewielki padek twardości; otatecznie twardość próbki była zbliżona do twardości tali zahartowanej na martenzyt. Duża tabilność autenitycznej onowy tali NC11LV, także umocnionej zgniotem, jet poznawczo intereująca i wymaga dalzych badań. Chodzi nie tylko o dokładna ocenę wpływu czau i temperatury na właściwości 14
nagniatanej tali, ale również o ocenę wpływu cyklicznego obciążenia, ymulującego działanie ił podcza ekploatacji wyrobów, zwłazcza narzędzi, na właności użytkowe. 5. Literatura [1] Berkowki L.: Analiza wpływu umocnienia cieplnoplatycznego na trukturę i właności wycikanych na gorąco tali narzędziowych. INOP, Poznań 1981,. 174, 57 ry., 13 tab., bibliogr. 282. [2] Berkowki L., Borowki J.: Wpływ truktury na kutki azotowania chromowych tali ledeburytycznych. Część III: Warunki obróbki cieplnej tali NC11LV. Obróbka Platyczna metali. 27. t. 18, nr 3,. 23 33, 15 ry., 4 tab., bibliogr. 6 poz. [3] Berkowki L., Wierzyłłowki I.: Wpływ truktury na kutki azotowania chromowych tali ledeburytycznych. Część IV: Dylatometryczne badania tabilności truktury tali NC11LV. Obróbka Platyczna metali. 27. t. 18, nr 4,. 38 42, 7 ry., bibliogr. 3 poz. [4] Berkowki L., Borowki J., Rybak Z., Stefko A.: Wpływ truktury na kutki azotowania chromowych tali ledeburytycznych. Część V: Odkztałceniowe umacnianie wartwy wierzchniej hartowanej tali NC11LV. Obróbka Platyczna metali. 28. t. 19, (w druku). 15