2006 r. HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE S. 163 UKD 621.762:669.018.9:669.71-138:669.715'35'782'721-139:669-138:669.15-194.2:621.73.04 Prof. dr hab.inż. STEFAN SZCZEPANIK Mgr inż. BARTOSZ WIŚNIEWSKI Mgr inż. TERESA SKRZYPEK Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej szczepan@metal.agh.edu.pl Osiągnięcia w zakresie kucia matrycowego wyprasek z kompozytów na osnowie stopu aluminium Al-Cu-Si z udziałem fazy ciekłej oraz spiekanych stali niskostopowych Results of closed-die forging of composites based on Al-Cu-Si alloy with liąuid phase and sintered Iow alloy steel participation W pracy podano wyniki badań przetwórstwa materiałów kompozytowych i spiekanej stali w procesach kucia. Wypraski kompozytów na osnowie stopu A18,84%Cu6,33%SiO,65%Mg, umocnionych cząstkami SiC w ilości 2 i 5 % obj. odkształcano w matrycach zamkniętych w stanie stałym w temperaturze 500 C i z udziałem fazy ciekłej w temperaturach 510 i 530 C, uzyskując wyroby o gęstościach względnych do 0,99 dla kompozytu o zawartości 2 % obj. SiC i do 0,986 dla kompozytu o zawartości 5 % obj. SiC. Określono dla tych materiałów własności mechaniczne: twardość, wytrzymałość na zginanie oraz opracowano krzywe umocnienia w stanie po kuciu i po obróbce cieplnej. Dla spiekanej stali na osnowie proszku Distaloy DC o zawartości 0,6 % C grd f lt opracowano wykres CTPc. Stal ta ma dobrą hartowność i podatność do odkształcania plastycznego. Własności po kuciu spiekanej stali silnie zależą od temperatury odkształcania oraz warunków chłodzenia. Wytrzymałość po odkształceniu w temperaturze 1100 C jest znacznie większa niż tej stali po spiekaniu poddanej takim samym zabiegom obróbki cieplnej. The paper presents the results ofthe research on manufacturing ofcomposite materials and sintered steel by closed dieforging. Preforms from composites based on Al8.84%Cu6.33%Si0.65%Mg and reinforced with 2 and 5 vol. % of SiC particles were close-die forged in solid state at 500 C and with the liąuid phase content at 510 and 530 C. The obtained products had their relative density up to 0.99 for the composites with 2 vol. % ofsic and up to 0.986 for the compacts with 5 vol. % ofsic. The examination ofthe mechanical properties of the products covered: hardness, bending strength and stress-strain curves after forging and after forging and heat treatment. The CCT-diagram for sintered steel on basis Distaloy DC powder with content of 0.6% C gral,i, M was elaborated. This steel has good hardenabilty and formability. The mechanical properties depend strongly on forging temperaturę and cooling conditions. Tensile and bending strength afterforming ofsintered steel at 1100 C arę better thanfor the sintered steel after the same heat treatment conditions. Stowa kluczowe: kompozyty, proszek stopowy aluminium, faza umacniająca, faza ciekła, spiekana stal, kucie w matrycach zamkniętych, własności mechaniczne Key words: composites, aluminium alloy powder, reinforced phase, liąuid phase, sintered steel, closed-die forging, mechanical properties 1. Wprowadzenie. Faza ciekła występuje w rów- 2. Kucie matrycowe wyprasek z kompozytów nowadze w stopach z fazą stałą podczas ich krzep- na osnowie stopów aluminium z udziałem fazy niecia lub w wyniku ich nagrzania do zakresu tem- ciekłej. Do głównych zagadnień w tej technologii peratur pomiędzy temperaturą solidus a temperaturą należy zaliczyć określenie możliwych do uzyskania likwidus. Odkształcanie materiału w warunkach własności wyrobów otrzymanych w wyniku odkształwspółistnienia fazy ciekłej i stałej może być realizo- cania z udziałem fazy ciekłej oraz warunków płynięcia wane przy zastosowaniu małych nacisków jednostko- materiałów w tym stanie, dla których wypełnienie wych. Obecność fazy ciekłej w strukturze stopu wykroju nastąpi w jednym zabiegu, podczas jego odkształcania ułatwia wypełnianie wy- 2.1. Struktura thixotropowa. Wpływ temperatury kroju matrycy. Procesy odkształcania z jej udziałem są i czasu wygrzewania na strukturę wyprasek z proszku zaawansowane zarówno pod względem technicznym, A18,84%Cu6,33%SiO,65%Mg, otrzymanego przez jak i technologicznym dla stopów otrzymanych w pro- rozpylanie ciekłego stopu przedstawiono szczegółowo cesach metalurgicznych [l, 2]. Możliwość odkształ- w pracy [7, 8]. Badano strukturę wyprasek z proszku cania wyprasek ze stopów otrzymanych metodą meta- tego stopu, po wygrzewaniu w temperaturze 510 C lurgii proszków i kompozytów na ich osnowie z udzia- i 530 C w czasie 30 min, a następnie oziębianiu w wołem fazy ciekłej przedstawiono w pracach [3, 4, 5, 6]. dzie. Charakterystyczne mikrostruktury materiału po Kucie matrycowe spiekanych stali stosuje się do ^ zbie ach. P okazano ^: l- U dział ^ciel t f J w st otrzymywania wyrobów o dużych zagęszczeniach. P ie anallzowan pośrednio w temperaturze otoczen Połączenie kucia z obróbką cieplną odkuwek jest, ia ' stosu Jf, m f dę Paktową, przy przyjęciu wz ostatnio badane w poszukiwaniu możliwości obniżę- ędne b f 1? du 10 % - W wygrzewanych w temnia energochłonności procesu wytwarzania wyrobów Pf raturze 510 C przez 30 rmn wypraskach z proszku ze spiekanych stali [8-11]. Prace dotyczą* także? pu A18,84 %Cu6,33 %SiO,65%Mg stanowi ona wpływu składu chemicznego, warunków spiekania 22> 9?> fy* w. tem P^a turze 530 C w tym samym i^dz^ '- ' '- --"- -"- W pracy przedstawiono wyniki badań otrzymywanią odkuwek z materiałów kompozytowych na osnowie stopu aluminium oraz w procesie obróbki cieplno- -plastycznej spiekanej stali. " a Waruńki kucia w matrycach zamkniętych wyprasek ze stopu A18,84 %Cu6,33 %SiO,65 %Mg opracowano w pracy [6]. Parametry te przyjęto do badań odkształcania materiałów kompozytowych na osno- wie proszku tego stopu zawierających 2 lub 5 % obj. cząstek węglika krzemu.
S. 164 HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE Nr 4 2.2. Wpływ warunków kucia wyprasek na własności kompozytów. Celem badań było określenie wpływu odkształcania z udziałem fazy ciekłej kompozytów na osnowie stopu A18,84 %Cu6,33 %SiO,65 %Mg (AM75) umocnionego cząstkami SiC w ilości 2 lub 5 % obj. na własności wyrobów. Udziały poszczególnych frakcji proszku stopu aluminium wynosiły: poniżej 40 urn - 21,82 %, w przedziałach 50^ 140 urn - 41,81%, 90^140 nm - 20,07%, 140^400 ^m - 16,3 %. Do badań zastosowano wypraski o średniej gęstości 1,74 g/cm 3 dla kompozytu zawierającego 2 % obj. cząstek SiC oraz 1,75 g/cm 3 dla kompozytów zawierających 5 % obj. cząstek SiC. Odkształcanie wyprasek z proszków realizowano w matrycy zamkniętej w jednym zabiegu na prasie śrubowej. Matryce podgrzewano do temperatury 300 C. Wypraski nagrzewano do zadanej temperatury przez 20 min i wytrzymywano w niej 30 min. Kucie przeprowadzono w temperaturze 500 C, tj. poniżej temperatury solidus i powyżej tej temperatury w 510 lub 530 C. Średnia wartość odkształcenia wyprasek wynosiła s = 54%. Po kuciu stosowano dwa sposoby chłodzenia: chłodzenie na powietrzu lub oziębianie w wodzie. Badano własności otrzymanych materiałów w stanie po kuciu i po obróbce cieplnej polegającej na przesycaniu w temperaturze 500C w czasie 2h i starzeniu w temperaturze 200C przez 4,5 h lub 6 h. Własności materiałów po kuciu oraz po obróbce cieplnej określono w próbie zginania i próbie spęczania w temperaturze 20 C oraz przez pomiar twardości. 2.2.1. Własności odkuwek otrzymanych z materiałów kompozytowych. Gęstość materiałów kompozytowych. Gęstość wyrobów określono metodą Archimedesa przez określenie masy w powietrzu i w wodzie. W wyniku kucia w zadanych warunkach otrzymano materiały o dużych gęstościach. I tak średnia gęstość względna odkuwek po kuciu w temperaturze 500 C materiału kompozytowego o zawartości 2% obj. SiC wynosi 0,996 (2,82 g/cm 3 ), po kuciu w temperaturze 510 C - 0,983 (2,81 g/cm*), a po kucie w temperaturze 530 C - 0,990 (2,83 g/cm 3 ). Przykładowe zmiany siły w czasie kucia wyprasek z kompozytu zawierającego 2% obj. SiC przedstawiono na rys. 2. Średnie gęstości względne odkuwek z materiału kompozytowego o zawartości 5 % obj. SiC są mniejsze i wynoszą: po kuciu w temperaturze 500 C - 0,979 (2,81 g/cm 3 ), w temperaturze 510 C - 0,983 (2,82 g/cm 3 ), a w temperaturze 530 C 0,986 (2,83 g/cm 3 ). Na rys. 3 przedstawiono przykładowe zmiany siły w czasie kucia wyprasek tego kompozytu. Gęstości wyrobów otrzymanych w wyniku kucia są zbliżone do teoretycznej gęstości stopu. Podczas odkształcania wyprasek w temperaturze 530 C wystąpiły problemy z ich odkształcaniem w stanie współistnienia fazy ciekłej i stałej. Prawdopodobnie spowodowane były utratą spójności materiału zawierającego fazę ciekłą podczas kucia na prasie śrubowej, której charakter pracy jest dynamiczny. Własności mechaniczne materiałów kompozytowych. Własności materiałów kompozytowych po kuciu określono przez pomiar twardości Brinella, wy- 757 = 400 a> 0,01 0,02 czas,s 0,03 0,04 753 Rys. 1. Struktura wypraski z proszku stopu A18,84%Cu6,33%SiO,65%Mg po nagrzaniu do: a - temperatury 510 C, wytrzymaniu przy tej temperaturze 30 min oraz oziębianiu w wodzie, b - temperatury 530 C, wytrzymaniu przy tej temperaturze 15 min oraz oziębianiu w wodzie Fig. 1. The structure of the PM preform from Al8.84%Cu6.33%Si0.65%Mg after: a - heating to 510 C in 30 min and cooling in water, b - after heating to 530 C in 15 min and cooling in water O 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 czas,s Rys. 2. Zmiany siły podczas kucia wyprasek A18,84%Cu6,33%SiO,65%Mg + obj. 2 % SiC w temperaturze: a- 510 C, fc-530 C Fig. 2. Force vs. time during forging fal8.84%cu6.33%si0.65%mg + 2 vol. % SiC at: 0 a-510 C. b-530 C
2006 r. HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE S. 165 trzymałości na zginanie oraz na ściskanie. Błąd pomiaru wyznaczono z rozkładu t Studenta dla a = 0,05. Własności materiałów kompozytowych po przesycaniu (500 C/2,5 h/woda) i starzeniu (200 C/4,5) z uwzględnieniem innych zabiegów technologicznych przedstawiono w tabl. 1. Błąd pomiaru wyznaczono z rozkładu t Studenta dla a = 0,05. Wpływ składu chemicznego kompozytu na zależności naprężenie-odkształcenie, określone w próbie ściskania w temperaturze otoczenia materiałów kompozytowych otrzymanych po kuciu w temperaturze 500 C i chłodzeniu w powietrzu przedstawiono na rys. 4. Widoczny jest efekt umocnienia, który w początkowym etapie odkształcania jest silniejszy dla kompozytów o zawartości 2 % obj. SiC. 723 Wyniki te pokazują wpływ parametrów technologicznych na wybrane własności materiałów kompozytowych odkształcanych z udziałem fazy ciekłej, które są niższe w stosunku do własności tworzyw odkształcanych w temperaturze 500 C, tj, poniżej temperatury solidus. 2.2.2. Kucie matrycowe odkuwki z udziałem fazy ciekłej. Możliwości otrzymania elementów konstrukcyjnych w wyniku odkształcania z udziałem fazy ciekłej sprawdzono podczas kucia modelowej odkuwki, posiadającej przemiennie zęby o różnych wymiarach. Wyniki kucia tej odkuwki ze stopu aluminium w postaci odlewu i wypraski pokazano na rys. 5. Etapy wypełniania wykroju podczas odkształcania z udziałem fazy ciekłej wypraski ze stopu A18,84%Cu6,33%SiO,65%Mg widoczne są na zależności siły od drogi odkształcenia (rys. 6). Etap pierwszy obejmuje zagęszczanie wypraski. W drugim etapie materiał wypełnia wykroje zębów w matrycy przy wzrastającej sile. W końcowym etapie następuje wypełnienie naroży wykroju przy bardzo małym przemieszczeniu stempla i dużym przyroście siły. 2.2.3. Podsumowanie. Osiągnięte wyniki badań odkształcania wyprasek materiałów kompozytowych z udziałem fazy ciekłej pokazują techniczną możli- 0,01 0,02 0,03 czas,s 0,04 751 0,2 e = ln(ho/hi) O 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 czas,s Rys. 3. Zmiany siły podczas kucia wyprasek A18,84%Cu6,33%SiO,65%Mg + 5% obj. SiC w temperaturze: a-510 C, i>-530 C Fig. 3. F orce vs. time during forging of Al8.84%Cu6.33%Si0.65%Mg + 5 vol. % SiC ot: a-510 C, b-530 C Rys. 4. Zależność naprężenie-odkształcenie określone w temperaturze 20 C dla materiałów kompozytowych na osnowie proszku A18,84%Cu6,33%SiO,65%Mg zawierających 2% obj. SiC lub 5% obj. SiC otrzymanych w wyniku kucia w temperaturze 500 C i chłodzenia w powietrzu Fig. 4. Stress-strain curve at 20 C for composites based on Al8.84%Cu6.33%Si0.65%Mg with 2 or 5 vol. % SiC particles content, obtained by forging at 500 C and cooling in air T a b l i c a 1. Własności kompozytów po kuciu i obróbce cieplnej Tabl e 1. Properties of composites after forging and heat treatment Materiał Temperatura kucia, C Sposób chłodzenia po kuciu Twardość HB Wytrzymałość na zginanie R 29, MPa Po przesycaniu i starzeniu Twardość HB Wytrzymałość na zginanie R MPa 500 100 + 2 237 + 29 115 + 2 617 ±300 AM75 + 2% obj. SiC 510 woda 93 ±2 117±2 161 ±7 363 + 20 530 woda 104 ±5 112±4 344 + 21 314 + 10 117 + 2 113±3 339 ±9 262 ±37 500 100 ±6 319 + 49 119 + 4 687 ±47 AM75 + 5 % obj. SiC 510 woda 95+7 101 ±2 286+19 290 ±34 530 woda 101+4 108±2 174±15 224 ±22 119 + 2 122 + 2 251 ±22 243+16
S. 166 HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE Nr 4 wość wykonania w kraju odkuwek z zastosowaniem tego procesu. Kucie wyprasek z materiału kompozytowego na osnowie proszku stopu aluminium z występującą fazą ciekłą w jego osnowie powoduje otrzymanie tworzywa zagęszczonego, o własnościach zależnych od temperatury odkształcania oraz zastosowanej obróbki cieplnej. W wyniku kucia w matrycach zamkniętych badanych materiałów kompozytowych z udziałem fazy ciekłej, jest możliwe otrzymanie wyrobów o skomplikowanym kształcie w jednym zabiegu. 3. Obróbka cieplno-plastyczna spiekanej stali w procesie kucia matrycowego. Celem prezentowanych badań spiekanych stali jest określenie wpływu temperatury wielkości odkształcenia oraz warunków chłodzenia na własności otrzymanych tworzyw. Niżej podane osiągnięcia dotyczą wyników badań kucia spiekanych stali, realizowanych w AGH w ramach promotorskiego projektu badawczego. 3.1. Charakterystyka spiekanej stali. Do badań zastosowano spiekaną stal na osnowie stopowego proszku Distaloy DC z dodatkiem 0,6 %C grafit i środka poślizgowego. Wypraski o średnicy 48 mm i masie 0,15 kg prasowano z naciskiem 450 MPa. Spiekanie przeprowadzono w piecu przemysłowym w POL- MO Łomianki S. A. w temperaturze 1120 C w czasie 40 min w atmosferze endogazu. Dla spiekanej stali przeprowadzono badania dylatometryczne oraz określono prędkości chłodzenia próbek na stanowisku do realizacji odkształcenia i obróbki cieplnej. Opierając się na tych wynikach opracowano wykres CTPc oraz naniesiono krzywe chłodzenia w warunkach realizacji odkształcania i chłodzenia badanego materiału (rys. 7). Na wykresie tym przedstawione są możliwości oddziaływania przez warunki chłodzenia na strukturę spiekanej stali na osnowie proszku DC-1 o zawartości 0,6% węgla w postaci grafitu, 2% niklu oraz 1,5% molibdenu. Podczas chłodzenia tej stali z prędkością 1,9/s w zakresie temperatur od 800 do 500 C oczekiwana struktura tej stali będzie bainityczno-martenzytyczna. Stal ta po spiekaniu i powolnym chłodzeniu w piecu przemysłowym z prędkością 0,3/s ma mikrostrukturę bainityczną z nietrawiącymi się jasnymi obszarami bogatymi w nikiel (rys. 8). 3.1.2. Przebieg i wyniki badań. Odkształcanie na gorąco spiekanej stali realizowano w zakresie jednofazowym i dwufazowym. W pierwszym wariancie odkształcano wypraski ze spiekanej stali w matrycy zamkniętej z gniotem wynoszącym około 22 %, po uprzednim ich nagrzaniu do temperatury 1100 C. Rys. 5. Odkuwka wykonana ze stopu aluminium A18,84%Cu6,33%SiO,65%Mg w wyniku odkształcania z udziałem fazy ciekłej: a - odlewu, b - wypraski z kompozytu otrzymanego z proszku Fig. 5. Forgings obtainedfromal8.84%cu6.33%si0.65%mg a - a casl. b - powder composite 10 20 droga stempla Al, mm 30 alloy: Rys. 6. Zależność siły od wielkości odkształcenia podczas kucia wypraski z kompozytu na osnowie stopu A18,84%Cu6,33%SiO,65%Mg z udziałem fazy ciekłej Fig. 6. Force vs. deformation during forging of the composite preform based on Al8.84%Cu6.33%Si0.65%Mg matrix with liąuid phase content 10' Rys. 7. Wykres CTPc dla spiekanej stali z naniesionymi krzywymi chłodzenia stosowanymi po odkształceniu plastycznym i podczas obróbki cieplnej Fig. 7. CCT-diagram for sintered steel with cooling curves during forming and at heat treatment
2006 r. HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE S. 167 Bezpośrednio po odkształceniu odkuwki chłodzono na powietrzu lub w wodzie. W wyniku tych zabiegów otrzymano wyroby o gęstości bliskiej materiału litego. Po hartowaniu materiał odpuszczany był w temperaturze 250 C w czasie l godziny. Część odkuwek chłodzonych na powietrzu poddanych zostało dla celów porównawczych obróbce cieplnej, polegającej na austenityzowaniu w temperaturze 870 C w czasie 20 minut i oziębianiu w wodzie. W wyniku kucia w temperaturze 1100 C i przeprowadzonych zabiegów cieplnych uzyskano materiały o strukturze drobnego martenzytu zarówno dla próbek po obróbce cieplno-plastycznej, jak i po ulepszaniu cieplnym (rys. 9). Materiał po kuciu i chłodzeniu na powietrzu ma strukturę bainityczno-martenzytyczną (rys. 10). W drugim wariancie technologicznym realizowano odkształcanie materiału nagrzanego do zakresu dwufazowego, który otrzymano przez kucie spiekanej stali w temperaturze 1100 C z gniotem 20% i chłodzenie na powietrzu. Materiał nagrzano do temperatury 760 C (zakres dwufazowy a + y badanej stali), odkształcano pomiędzy kowadłami płaskimi z gniotem 20% i bezpośrednio hartowano w wodzie. Całkowite odkształcenie, łącznie z kuciem w matrycy wynosiło około 33 %. Po hartowaniu materiał odpuszczano w temperaturze 250 w czasie l godziny. W wyniku tak realizowanego procesu uzyskano tworzywo o gęstości 99 % materiału litego i strukturze martenzytyczno-ferrytycznej (rys. 11). Własności mechaniczne. W porównaniu z materiałem spiekanym, nieobrobionym cieplnie, uzyskuje się znaczny wzrost własności materiałów po kuciu. W tabl. 2 przedstawiono wyniki badań własności materiałów otrzymanych po różnych zabiegach technologicznych. Po kuciu w temperaturze 1100 C spiekanej stali i chłodzeniu na powietrzu wzrosły własności: wytrzymałość na zginanie ponad dwukrotnie, wytrzymałość na rozciąganie trzykrotnie oraz twardość ponad dwukrotnie. Materiały otrzymane według drugiego wariantu mają wyższą gęstość, co ma wpływ na ich własności mechaniczne. Są one wyższe za wyjątkiem twardości w porównaniu z własnościami materiału po jednokrotnym kuciu i przeprowadzonej obróbce cieplnej. Ważną własnością materiałów, Rys. 9. Mikrostruktura spiekanej stali Distaloy DC + 0,6 %C po kuciu w temperaturze 1100 C: a - oziębianej w wodzie bezpośrednio po odkształceniu i odpuszczonej w temperaturze 250 C przez l h, b - po chłodzeniu na powietrzu, austenityzowaniu, oziębianiu w wodzie oraz odpuszczaniu w temperaturze 250 C przez l h. Trawienie nitalem Fig. 9. Microstucture of sintered steel on basis Distaloy DC with 0.6% C gmfu afterforging at 1100 C and: a - cooled in water and tempeńng at 250 C for l h. b - cooled in air, austenitizing and cooled in water and tempering at 250 C for l h. Etchant: Nilal Rys. 8. Mikrostruktura spiekanej stali Distaloy DC + 0,6 % Cgrant, trawienie nitalem Fig. 8. Microstructure of sintered steel on basis Distaloy DC with 0.6% C grafil. Etchant: Nital Rys. 10. Mikrostruktura spiekanej stali Distaloy DC + 0,6 % C po kuciu w temperaturze 1100 C i chłodzonej na powietrzu, trawienie nitalem Fig. 10. Microstucture of sintered steel on basis Distaloy DC with 0.6% C grafu after forging at 1100 C and cooling in air. Etchant: Nital
S. 168 HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE Nr 4 T a b l i c a 2. Gęstości i własności wytrzymałościowe materiałów ze spiekanej stali Table 2. Density and tensile properties of materials from sintered steel Temperatura kształtowania materiału, C - rodzaj obróbki cieplnej Spiek 1100-1 100 - bezpośrednie hartowanie, odpuszczanie 250/ 1 h 1 100 - konwencjonalne hartowanie, odpuszczanie 250/ 1 h 1100, 760 - bezpośrednie hartowanie, odpuszczanie 250/ 1 h Gęstość, g/ cm 3 6,78 + 0,03 7,74 + 0,07 7,82 Wytrzymałość na zginanie, MPa 998 ±83 2228 + 92 2891 ±135 3364 ±142 3404 ±129 Wytrzymałość na rozciąganie, MPa 357 ±49 1057 ±65 1613+54 1585 ±193 1603 ±84 Twardość Brinella, HB 201 ± 10 364 ±19 541 + 13 588 ±43 525 ±9 Rys. 11. Mikrostruktura spiekanej stali Distaloy DC + 0,6 % C po kuciu w temperaturze 1100 C, chłodzeniu na powietrzu, następnie nagrzaniu do temperatury 760 C i odkształcaniu w tej temperaturze, oziębianiu w wodzie i odpuszczaniu w temperaturze 250 C przez l h, trawienie nitalem Fig. 11. Microstucture of sintered steel on basis Distaloy DC with 0.6% Cgrafn after forging at 1100 C, cooled in air, heated to 760 C and formed at his temperaturę and cooled in water and tempered at 250 C for l h. Etchant: Nital Tablica 3. Udarności dla próbki bez karbu Table 3. Impact resistance for specimen without the notch Spiek Warunki wytwarzania Kucie 1100 C - konwencjonalne hartowanie, odpuszczanie Kucie 1100 C - chłodzenie na powietrzu Kucie 1 100 C -, 760 C bezpośrednie hartowanie, odpuszczanie 250 C/ 1 h Gęstość próbki, g/ cm 3 6,79 7,69 7,77 7,82 Udarność KC, J/cm 2 18,5-1,5 85,3 ±11, 8 88,5 ±7,4 24,7 + 1,6 szczególnie wytworzonych drogą metalurgii proszków, jest ich udarność. Gęstość materiału i warunki jego przetwórstwa są głównymi czynnikami determinującymi tę cechę materiału (tabl. 3). Spiekana stal Distaloy DC o zawartości 0,6 %C posiada małą gęstość, a przez to niską udarność. Powierzchnia zniszczenia tego materiału przebiega po powierzchni rozdziału między cząstkami spieczonego proszku (rys. 12a). Widoczne są również na niej pory. Połączenia pomiędzy cząstkami proszku determinują wytrzymałość spieku, a w tych miejscach przełom ma charakter ciągliwy. Kucie spiekanej stali w temperaturze 1100 C powoduje zwiększenie zagęszczenia materiału do 98 % materiału litego. Na rys I2b przestawiono powierzchnię zniszczenia materiału po kuciu, hartowaniu i odpuszczaniu. Zniszczenie tego materiału przebiega po pierwotnych cząstkach proszku i lokalnie ma charakter ciągliwy, pomimo obecności martenzytu w strukturze materiału. Z transkrystalicznym rodzajem przełomu w zahartowanym materiale związana jest jego mała udarność, która wynosi niewiele więcej niż dla materiału spiekanego. Gęstość próbki kutej i konwencjonalnie hartowanej wynosi 7,69 g/cm, kutej i chłodzonej na powietrzu 7,77 g/cm 3. Pomimo wyższych własności wytrzymałościowych materiału ulepszonego cieplnie, jego udarność jest mniejsza od udarności materiału chłodzonego po kuciu na powietrzu, związane jest to z gęstością, a w mniejszym stopniu ze strukturą tych materiałów. W tym wypadku rozdzielenie materiału także następuje pomiędzy pierwotnymi cząstkami proszku. Odkształcenie w zakresie dwufazowym uprzednio kutego materiału zapewnia uzyskanie gęstości wyrobów wynoszącej 99 % materiału litego i najlepszej wytrzymałości spośród badanych materiałów. Po tak głębokim przetworzeniu materiału zmienia się charakter przełomu, który przebiega bezpośrednio przez pierwotne cząstki proszku. Występuje w tym materiale przełom transkrystaliczny przechodzący przez martenzyt, a część ciągliwa przełomu związana jest z przejściem powierzchni rozdziału przez ziarna plastycznego ferrytu (rys. 12c). Podobne wyniki uzyskano w pracy [12], gdzie transkrystaliczny przełom dla spiekanych stali występował po ich odkształcaniu w temperaturze 1200 C i ulepszaniu cieplnym dla materiału o gęstości 99 % materiału litego. 3.2. Podsumowanie. Spiekana stal o zawartości 0,6%C g rafit ma dobrą hartowność i podatność do odkształcania plastycznego. Podczas chłodzenia tej stali na powietrzu otrzymuje się strukturę bainityczno- -martenzytyczną, a po oziębianiu w wodzie strukturę martenzytyczną. Własności kutych spiekanych stali silnie zależą od temperatury kucia oraz warunków chłodzenia. Wytrzymałość kutej spiekanej stali o zawartości 0,6 % Cg ra fit odkształcanej na gorąco w temperaturze 1100 C jes r t znacznie większa niż tej stali po spiekaniu, poddanej takim samym zabiegom«,obróbki cieplnej. Konwencjonalna. obróbka cieplna zastosowana
2006 r. HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE S. 169 do materiału po odkształceniu w temperaturze 1100 C nieznacznie zwiększa własności wytrzymałościowe w porównaniu do materiału bezpośrednio hartowanego w wodzie z tej temperatury. Udarność otrzymanych materiałów silnie zależy od rodzaju przełomu materiału, a ten determinowany jest przez zagęszczenie tworzywa i jego strukturę. 4. Wnioski. Uzyskane wyniki badań kucia wyprasek kompozytów na osnowie stopu aluminium z udziałem fazy ciekłej oraz spiekanej stali wskazują na nowe możliwości otrzymywania elementów konstrukcyjnych z materiałów wytwarzanych w procesach metalurgii proszków. Kucie wyprasek materiału kompozytowego na osnowie proszku stopu aluminium z występującą fazą ciekłą w jego osnowie powoduje otrzymanie tworzywa zagęszczonego. Własności mechaniczne silnie zależą od temperatury odkształcania oraz zastosowanej obróbki cieplnej. Otrzymanie wyrobów o skomplikowanym kształcie jest możliwe przez kucie w jednym wykroju. Badania obróbki cieplno-plastycznej spiekanej stali na osnowie proszku Distaloy DC o zawartości 0,6 % C gra fi t wykazały silną zależność własności wyrobów od temperatury kucia oraz warunków chłodzenia. Wytrzymałość tej stali po odkształcaniu na gorąco w temperaturze 1100 C jest znacznie większa niż w stanie tylko po spiekaniu i poddanej takim samym zabiegom obróbki cieplnej. Hartowanie i odpuszczanie spiekanej stali po jej odkształcaniu w temperaturze 1100 C nieznacznie zwiększa własności wytrzymałościowe w porównaniu do materiału bezpośrednio po kuciu hartowanego w wodzie. Wyniki prezentowane w rozdziale 3 uzyskano w ramach projektu badawczego finansowanego ze środków na naukę w latach 2005/2006 przez MEiN (MMI) - projekt nr 3 T08D 025 29 Literatura Rys. 12. Powierzchnie zniszczenia w próbie zginania spiekanej stali: a - w stanie wyjściowym, b - po odkształcaniu w 1100 C i chłodzeniu na powietrzu, hartowaniu i odpuszczaniu w temperaturze 250 C przez l h, c - po odkształcaniu w 1100 C, chłodzeniu na powietrzu, nagrzaniu do temperatury 760 C, odkształcaniu w tej temperaturze z s 20 % i oziębianiu w wodzie oraz odpuszczaniu w temperaturze 250 C przez l h. Obraz SEM Fig. 12. Destruction surface for sintered steel at bending: a in initial state, b after forming at 1100 C, cooling in air, aitstenizing and cooling in water and tempering at 250 Cfor l h, c - afterforming at 1100 C cooling in air, heating at 760 C andforming at this temperaturę, cooling in water and tempeńng at 250 Cfor l h. SEM observation 1. Bremer T., Martens H.-P., Kopp R.: Thisoschmieden. Umformtechnik mit Kreativitat zu innowationen Losungen, Aachener Stahlkolloąium, Aachen 23^24 Marz 1995. 2. KoppR.,MullerT.,NeudenbergerD., WinningG.: Thixoforging and Thixoextrusion - Benefits of Innovative Forming Technologies, Mat. 6 th International Conference on Technology of Plasticity. Advanced Technology of Plasticity, t. 3, 1999, s. 1677. 3. Li Z., Fearis W., North H.: Particulate segregation and mechanical properties in transient liąuid phase bonded metal matrix composite materiał, Materials Science and Technology, t. 11, 1995, s. 363. 4. Askew J. R., Wilde J. F., Khan T. L: Transient liąuid phase bonding of 2124 aluminium metal matrix composite, Materials Science and Technology, t. 14, 1998, s. 920. 5. Moreno M. F., Urretavizcaya G., Gonzalez Oliver C. J. R.: Hot pressing densification of Al (Al-Cu) short A1 2 O 3 fibres mixtures, Powder Metallurgy, t. 43, 2000, nr. l, s. 83. 6. Szczepanik S., Frydrych J., KrawiarzJ., Wiśniewski B.: Kucie w matrycach zamkniętych wyprasek z proszku stopu Al-Cu-Si z udziałem fazy ciekłej, Rudy i Metale Nieżelazne R48, 2003, nr 10-11, s. 473. 7. Szczepanik S., Krawiarz J., Frydrych J.: Influence of the Initial State and Heating Conditions of the Al-Cu-Si Alloy on the Evolution of the Thixotropic Structure, Inżynieria Materiałowa RXXV 2004, nr 3, s. 550. 8. Szczepanik S., Frydrych J., Sińczak J. i inni: Projekt badawczy KBN nr 4 T08D 007 23 realizowany w AGH w latach 2002-2005. 9. Wiśniewski B., Szczepanik S.: Wpływ warunków chłodzenia po odkształceniu w zakresie austenitycznym niskostopowej stali spiekanej o zawartości 0,4 % węgla na strukturę i własności, Rudy i Metale Nieżelazne 50, 2005, nr 10-11, s. 629.
S. 170 HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE Nr 4 10. Szczepanik S., Wiśniewski B.: The Influence of Hot Forging and Heat Treatment on the Properties of PM Steel, Mat. International Conference: Deformation and Fracture in Structural PM Materials. Stara Leśna, Slovak Republic, September 27-30, 2005. 11. Szczepanik S., Wiśniewski B., Wójtowicz T.: Struktura i wybrane własności spiekanej stali niskostopowej o zawartości 0,25 %C poddanej obróbce cieplno-plastycznej, Rudy i Metale Nieżelazne, 49, 2004, nr 9, s. 462-467. 12. Philips R., King J., Moon J.: Fracture toughness of some high density PM steels, Powder Metallurgy 43, 2000, nr l, s. 43. 13. Hendrickson A., Machmeier P., Smith D.: Impact forging of sintered steel performs, Powder Metallurgy, 43,2000, nr 4, s. 327. Dr inż. JANUSZ KRAWCZYK Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków e-mail: jkrawczy@uci.agh.edu.pl, Mgr inż. EDYTA ROŻNIATA Wydział Odlewnictwa ul. Reymonta 29, 30-059 Kraków e-mail: eskrzypczak@op.pl UKD 669.112.224:669-157.9.001:620.18:669.017 Kształtowanie mikrostruktury i własności staliw nadeutektoidalnych Designing and controlling the microstructure and properties of hypereutectoid cast steels W pracy przedstawiono sposoby kształtowania mikrostruktury i własności staliw nadeutektoidahiych. Zaproponowane technologie obróbki cieplnej są możliwe do zastosowania w aktualnych warunkach technologicznych polskich odlewni. This workpresents the methods offorming the microstructure as well as designing the properties of hypereutectoid cast steels. Proposed heat treatments arę specially attractive for use in Polish foundries, because they directly conform to their technological reąuirements. Słowa kluczowe: staliwo nadeutektoidalne, wykres CTPc, obróbka cieplna, cementyt drugorzędowy, struktura Widmannstattena Key words: hypereutectoid cast steel, CCT diagram, heat treatment, pro-eutectoid cementite, structure of Widmannstdtten type l. Wstęp. Walce hutnicze należą do najdroższych narzędzi stosowanych w przeróbce plastycznej metali [1]. Natomiast mechanizm ich zużywania się bardzo zależy od mikrostruktury tworzywa, z którego zostały one wykonane [2 H-6]. Walce wykonane ze staliwa nadeutektoidalnego zużywają się poprzez ścieranie bardzo cienkiej warstwy wierzchniej o grubości ok. l H-3 mikrometra [2]. Warstwa ta usuwana jest przez walcowany materiał, dzięki czemu dochodzi do samoregeneracji warstwy wierzchniej takich walców. Taki mechanizm zużywania się walców staliwnych powoduje, że są one szczególnie cenione przez ich użytkowników. Jednakże, ścieranie się warstwy wierzchniej jest rezultatem wielkiej kruchości takiego staliwa, które bardzo łatwo pęka wzdłuż siatki cementytu drugorzędowego, często występującej w mikrostrukturze nadeutektoidalnej walca staliwnego [7-^21]. Mała odporność na pękanie nadeutektoidahiych staliwnych walców hutniczych (tak korzystna ze względu na ich samoregenerację), jest przyczyną ograniczeń związanych z ich zastosowaniem w klatkach walcowniczych o dużej dynamice obciążeń. Można jednak przez modyfikację ich mikrostruktury doprowadzić do zwiększenia ich odporności na pękanie nie tracąc na cennych własnościach tribologicznych. Taka modyfikacja własności staliwa nadeutektoidalnego stwarzałaby możliwość rozszerzenia zastosowania staliwnych walców hutniczych, zwłaszcza w obszarze klatek pośrednich [7]. Celem niniejszej pracy było przedstawienie możliwości kształtowania mikrostruktury, a w konsekwencji także własności, staliw nadeutektoidalnych. 2. Materiał do badań. Materiałem do badań było staliwo nadeutektoidalne, które zgodnie z PN-EN powinno być oznaczane jako G155CrMoNi4-3-3 (wcześniej oznaczane jako L155HNM). W tabl. l zestawiono skład chemiczny badanego staliwa. Mikrostrukturę badanego staliwa w stanie dostawy przedstawiono na rys. 1. Jak widać, staliwo G155CrMoNi4-3-3 w stanie dostawy charakteryzuje się nierównomiernym ziarnem. Na granicach ziaren byłego austenitu występuje albo ciągła siatka cementytu drugorzędowego, albo wzdłuż nich występują wydzielenia cementytu drugorzędowego w układzie Widmannstattena. W takim stanie staliwo charakteryzuje się niskimi własnościami mechanicznymi: R m = 593 ±46 MPa, KCU2 = 1,46 + 0,02 J/cm 2, KCV = 1,52 + 0,06 J/cm 2. K Ic = 33,4 + 0,6 MPa-m 1/2. Praca rozprzestrzeniania się pęknięcia (L r ) zmierzona przy zastosowaniu interpretacji Gulajewa [8 -e-10,22,23] wyników badań udarności wyniosła 1,2 J. Dużą kruchość badanego staliwa o ww. strukturze potwierdziły badania fraktograficzne [8, 9]. Na rys. 2a pokazano typowy przełom tego staliwa, w obszarze występowania perlitu i ciągłej siatki cementytu drugorzędowego, a na T a b l i c a 1. Skład chemiczny (% masowy) badanego staliwa Tabl e 1. Chemical composition (weight %) ofthe cast steel used in the imestigation C 1,50 Mn 0,48 Si 0,41 P 0,022 S 0,010 Cr 1,19 Ni 0,90 Mo 0,30