Solidification of Metais and Alloys, No.31, 1997 K1Zepnięcie Metali i Stopów, Nr 31, 1997 PAN- Oddział Katowice; PL ISSN 0208-9386 BARBARA KALANDYK* STALE Z MIKRODODATKAMI -NOWE TWORZYWO NA ODLEWY Przedstawiono wyniki badań zmierzających do opracowania nowej grupy staliwa o podwyższonej wytrzymałości z mikrododatkami V oraz V i Nb. W tym celu wykonano wytopy laboratoryjne o zawartości <0.1 %C i różnej zawartości mikrododatków. Wykazano, że pożądane własności wytrzymałościowe, przy zachowaniu dobrej spawalności, można uzyskać wprowadzając do staliwa odpowiednie stężenie jednego lub kombinacji mikrododatków, w połączeniu z odpowiednio (jiobraną obróbką cieplną. W szczególności korzystny zespół takich cech jak: możliwości uzyskania wysokich własności wytrzymałościowych (Re>700MPa), dobra spawalność i plastyczność czyni to staliwo konkurencyjnym do znanych i stosowanych przez krajowe odlewnie niskostopowych gatunków staliwa. l. WPROW ADZENIE Szeroko stosowane stale wysokowytrzymałe (HY) charakteryzujące się bardzo dobrą wytrzymałością, wysoką udamością ale umiarkowaną, ze względu na zawartość węgla spawalność są zastępowane przez stale łączące w sobie wysokie własności mechaniczne z technologicznymi, a więc posiadające dobrą spawalność. Takimi tworzywami są stale HSLA (High Strength Low Alloyed), należące obecnie do dynamicznie rozwijającej się nowej grupy stali mikrostopowych, b((dących obecnie jednym z głównych tworzyw konstrukcyjnych [1,3]. Ze względu na możliwości osiągnięcia znacznych oszczędności surowców, zmruejszenia zużycia stali i polepszenia parametrów użytkowych maszyn i urządzeń, stale te znalazły zastosowanie głównie: w przemyśle okrętowym (tankowce do przewozu ropy naftowej), w budownictwie (pręty zbrojeniowe) w przemyśle samochodowym (np. odlewy tłoków do silników DIESLA - Niemcy [3]), oraz do budowy rurociągów (odlewy z tej stali zastosowano na kolana i łączniki rurociągów) Istnieją dwa czynniki, które spowodowały szybki rozwój tych stali: rozdrobnienie ziarna oraz umocnienie wydzieleniowe wywołane poprzez wprowadzanie niewielkich ilości (~ 0.1% każdego) pierwiastków silnie węglikotwórczych. *dr inż. Barbai-a Kalandyk- Wydz. Odlewnictwa AGH w Krakowie
84 Barbara Kalandyk 2.MATERIAL ZASTOSOWANY DO BADAŃ W uzyskaniu wysokich własności stali HSLA decydujące maczenie mają wprowadzane mikrododatki stopowe, w połączeniu z odpowiednio dobraną obróbką cieplną (dla staliwa), bądź cieplno-mechaniemą (dla stali). Ich łącme oddziaływanie na skład fawwy i morfologię składników strukturalnych stali prowadzi do otrzymania tak pożądanego, a zarazem korzystnego zespołu własności użytkowych. Do mikrododatków, które najefektywniej wpływają na strukturę a tym samym na własności staliwa zalicza się : niob, wanad, tytan, bor. W badanych wytopach ograniczono się do zastosowania wanadu i jego kombinacji z niobem. Skład cherniemy badanego staliwa zamieszcwno w tablicy l. Zawiera ona dodatkowo wartości obliczonego równoważnika węglowego Ceq będącego miarą spawalności. Wszystkie gatunki tego staliwa (A-D) zostały wytopione w piecu próżniowym przy zastosowaniu starannej techniki odtleniania. Zawartość tlenu i azotu w tych wytopach była kontrolowana. Tablica l Skład cherniemy staliwa ch em1ca 1 compos1 r wn o r cas t s t ee 1 s, w to/. o Om c S i Mn V Nb lm1c Ceq % % % % % A 0.08-0.1 0.55 1.53 0.06- - - 0.36 0.085 B 0.08-0.1 0.51 1.55 0.06- o 04-0 06-0.36 0.085 c 0.08-0.1 0.66 1.80 0.06-0.04-0.06 0.4%Mo 0.48 0.085 D 0.10 0.56 1.50 0.15 0.1 O.l%Mo 0.40 3. WYNIKI BADAŃ Badania wytrzymałościowe prowadzono po zastosowaniu ulepszania cieplnego. Po hartowaniu w wodzie i odpuszczaniu w temperaturze 650 C. Własności mechanicme badano na standardowych próbkach. Mikrostruktury staliwa badano w mikroskopie optycznym oraz elektronowym mikroskopie skaningowym (dla określenia morfologii wydzieleń). Przeprowadzone badania wytrzymałościowe niskowęglowego staliwa z wanadem (om. A) pozwalają na otrzymanie własności mechaniemych zbliżonych do staliwa konstrukcyjnego L20G. Świadczy to o silnym efekcie umocnienia struktury przez węgliki wanadu (rys.l). Staliwo to po ulepszaniu cieplnym posiada umowną granicę plastyczności przekraczającą nieznacznie 500MPa (Ro 2 =519-559MPa). Wprowadzenie do staliwa dwóch mikrododatków V i Nb (ozn. B) spowodowało zgodnie z oczekiwaniami dalszy wzrost własności wytrzymałościowych, średnio o 30% w stosunku do staliwa z jednym mikrododatkiem.
Stale z mikrododatkami - nowe twonywo na odlewy 85 Dla serii wytopów z V i Nb przeprowadzono badania wpływu dodatku Mo ( ozn. C) [l]. Taka kombinacja składu chemicznego zapewniła dalszy wzrost własności wytrzymałościowych: Rm = 860-;.898 MPa, Ro 2 = 826-;.867 1\:fPa, przy pewnym obniżeniu udarności. Uzyskane wyniki dowodzą, że efekty umocnienia są uzależnione również od ilości wprowadzanych mikrododatków i dodatku molibdenu (rys.1). Uzyskane wartości Rm, Ro 2, można porównać z minimalnymi własnościami staliwa niskostopowego L25HM i L35HM oraz L25GN chętnie stosowanymi przez krajowe odlewnie na odlewy części maszyn. Zwic,:kszenie ilości wanadu (0.15%) i niobu (0.1 %) do wartości maksymalnych podawanych przez literaturę (ozn. D), przy jednoczesnym zmniejszeniu ilości molibdenu do O. 11% powoduje obniżenie własności wytrzymałościowych (rys. l). Badania wytrzymałościowe wzbogacono dodatkowo o badania niskocyklowe [ 4]. Potwierdziły one otrzymane wyniki badań statycznych, rozszerzając je o wartość wytrzymałości zmęczeniowej, których wartości zmieniały się od 220 MPa - dla staliwa z V, do 400 MPa - dla wytopów z V + Nb i dodatkiem Mo. 1000 900 800 m Cl.. 700 ~ o 1300 Ol N ~ 500 er L~ o 400 a: 300... 200 ~ RO 2 EZl Rm ~ Z go 100 L20G V V,Nb V,Nb,Mo max.v, Nb rodzaj mikrododałkaw Rys. l. Wpływ mikrododatków na whsności wytrzym a ł ościowe Fig. l. Influence o f microalloing on strength
86 Barbara Kalmuiyk W celu ujawnienia występujących faz odpowiedzialnych za umocnienie staliwa. przeprowadzono badania metalograficme w elektronowym mikroskopie skaningowym. Identyfikację faz przeprowadzono z wykorzystaniem cienkich folii metalicmych i z zastosowaniem replik ekstrakcyjnych. Na podstawie uzyskanych zdjęć dyfrakcyjnych i ich rozwiązań można stwierdzić, że w staliwie z wanadem występują drobne kuliste wydzielenia węglika wanadu (rys.2). Natomiast w przypadku wytopu staliwa z wanadem i niobem stwierdzono występowanie pojedynczych wydzieleń węglika wanadu oraz lącme występowanie węglika wanadu i niobu (rys.3). Podobnie jak dla wcześniej prowadzonych badań staliwa niskostopowego, tak i w tych badaniach me stwierdzono występowania pojedynczych wydzieleń węglika niobu. 0.2,um Rys. 2 Mikrostruktura staliwa z 0.08% V po H+ O 650 C Fig. 2 Microstructure o f cast steel with 0.08% V afier Q +T 650 C
Stale z mikrododatkami-nowe twoiz}'wo na odle»y 87 Rys. 3 Mikrostruktura staliwa z 0.08% V, 0.05% Nb po H+ O 650 C, pow.30000x Fig. 3 Microstructure of cast steel with 0.08% V, 0.05% Nb al1er Q+ T 650 C, mag.3000x 4. WNIOSKI Wyniki badaq własnych potwierdzają silne oddziaływanie mikrododatków V, bądź V + Nb Da własności mechaniczne staliwa. Efektywniej oddziaływuje na własności staliwa kombinacja mikrododatków V + Nb niż sam V. Stwierdzono, że w przypadku dodatkowej obecności w staliwie Mo w ilości 0.3+0.4% własności wytrzymałościowe rosną w stosunku do staliwa z V+ Nb. Świadczy to o tym, iż dla każdego mikrododatku efekt umocnienia jest dodatkowo modyfikowany przez skład chemiczny osnowy staliwa. Otrzymanie dla staliwa niskowęglowego zawierającego :::::; 0.1 %C własności wytrzymałościowe. porównywalne z niektórymi gatunkami staliwa niskostopowego (Cr-Mo; Si-Mn-Mo) stwarzają szerokie możliwości poprawy parametrów wytrzymałościowych staliwa poprzez wprowadzenie mikrododatków.
88 Barbara Kalandyk LITERATURA [!] ASM- Handbook vol.l, 9-th Ed, 1992, s.3897422. [2] Kalandyk B., Analiza węglików w staliwie o podwyższonej wytrzymałości i odporności na zmęczenie, Praca własna, Kraków 1993/4. [3] Walser W. i inni, Optimierung von chemischer Zusammensetzung und Warmebehandlung mikrojegierter Stahlguj3-Sorten, Giesserei Praxis, 1982, vol.7, nr!, s.4+ 15. [4] Karamara A.,Maj M., Fatigue testing of castings by modified low cycle method. PAN, Metalurgia 34, 1986, s.43+51. Barbara Kalandyk Microalloyed steels - a new material for castings Summary This pa per will compare the mechanical properties o f the new cast steels with V or V + Nb additions. S uch grades of cast steels with C < 0.1% and different V or V + Nb additions havc very good weldability and yield strength. Afier quenching and tempering in 650 C obtained Re> 700 MPa and Zgo > 290 MPa. These propertres show that microalloyed cast steel can be compare with Jow alloyed cast steli s with Cr, Ni and Mo additions.