39/38 Solidification of Metals and Alloys, No. 38, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 38, 1998 PAN Katowice PL ISSN 0208-9386 WPŁYW CHROMU, MOLIBDENU I WANADU NA STRUKTURĘ I WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI EKSPLOATACYJNE STALIWA DO PRACY NA GORĄCO WOJTKUN Feliks Instytut Budowy Maszyn, Politechnika Radomska 26-600 Radom, ul. Malczewskiego 22, POLAND 1. WPROWADZENIE W pracach [1 4] przedstawiono badania właściwości eksploatacyjnych staliwa do pracy na gorąco typu Cr - Mo - V - Cu - Ni. W oparciu o ilościowe i jakościowe badania strukturalne, zużycia przez tarcie w temperaturach 293 973 K, rozpuszczalność w ciekłych siluminach oraz termiczne osłabienie, wyprowadzono uogólniające wnioski odnoszące się do relacji: skład chemiczny - struktura - właściwości staliwa. Stwierdzono, że wpływ składu chemicznego staliwa wyraża się wpływem na procesy krzepnięcia i kształtowania struktury dendrytycznej z fazą węglikową. Wobec niekwestionowanej roli międzydendrytycznej fazy węglikowej osadzonej w zmiękczonej wysoką temperaturą osnowie dendrytów, badano wpływ pierwiastków węglikotwórczych na budowę dendrytyczną, a przez nią na zużycie ścierne i zmiękczenie staliwa w wysokich temperaturach. 2. WARUNKI BADAŃ Skład chemiczny 20 badanych wytopów staliwa zestawiono według rotabilnego planu 2 3 II rzędu, w którym x i = ±1 przy: Cr 8 Mo 08, V 03, x1= x2 = ; x3 = (1) 45, 04, 02, gdzie: Cr, Mo, V - zawartość chromu, molibdenu i wanadu, [%] z punktami gwiezdnymi α = ±1,682. Pozostałe pierwiastki [%]: C = 0,33 0,55; Cu =1,51 1,81; Ni = 0,49 0,76; Si = 0,21 0,57; Mn = 0,20 0,56; P = 0,014 0,024; S = 0,020 0,024.
244 Próbki do badań 10 mm odlewano technologią wytapianych modeli, dokonywano pomiaru twardości HRC, a następnie wyżarzano w temperaturze 1100 K w czasie 3 h i chłodzono z piecem. Mierzono twardość po wyżarzaniu, liniową wielkość dendrytów l d i przestrzeni międzydendrytycznych l p, powierzchnię właściwą S d i objętość właściwą V d dendrytów. Próbki w stanie wyżarzonym ścierano w próbie 4 wałeczkowej przy obciążeniu 100 N w warunkach tarcia suchego. Pozostałe warunki badań użycia przez tarcie: czas próby - 1 min., materiał przeciwpróbki - 2H13 o twardości 45 47 HRC, względna prędkość przeciwpróbki - 0,835 m/s, temperatura otoczenia pary trącej: 293 i 773 K. Miarą odporności na termiczne osłabienie (zmiękczenie) był współczynnik zmniejszenia twardości spowodowanej wyżarzaniem Ho określany stosunkiem twardości staliwa wyżarzonego do twardości przed wyżarzaniem. Kolejną miarą termicznego osłabienia staliwa był stosunek mikrotwardości µhv dendrytów do mikrotwardości fazy międzydendrytycznej po hartowaniu z temperatury 773 K w oleju i odpuszczaniu w temperaturze 773 K i 973 K w czasie 30 i 60 min. (µhvo). Badano dwa gatunki staliwa istotnie różniące się zawartością chromu i molibdenu, przy zawartości wanadu w obu staliwach 0,47%. Badania prowadzono w oparciu o pełnoczynnikowe planowanie I rzędu 2 3, w którym zmienne niezależne stanowiły: x 1 = +1 (staliwo o zawartości chromu 2,89 % i 1,2 % Mo), x 1 = -1 (staliwo o zawartości Cr = 12,6 % i Mo = 0,47 %), x 2 - temperatura odpuszczania: +1 (973 K) i -1 (773 K), x 3 - czas odpuszczania: +1 (60 min.) i -1 (30 min). 3. WYNIKI BADAŃ Przykładową postać struktury dendrytycznej badanych gatunków staliwa pokazano na rysunku 1. Rysunek 1. Struktura dendrytyczna staliwa Fig. 1. Dendritic structure of cast steel a) Cr = 3%; Mo = 0,34%; V = 0,1% b) Cr = 13%; Mo = 1,22%; V = 0,53% Adekwatne równania regresji opisujące wpływ Cr, Mo i V na badane charakterystyki struktury i właściwości przyjmują następującą postać (2 9): - liniowa wielkość dendrytów: l d = 33,95-2,87 x 2-4,18 x 3 + 6,89 x 1 x 3-0,95 x 2 x 3-4,29 x 1 2 + 4,81 x 2 2
245 + 1,56 x 2 3 ; µm, (2) - liniowa wielkość przestrzeni międzydendrytycznych: l p = 11,29 + 2,05 x 2 + 0,22 x 2 1 + 0,36 x 2 2 + 0,82 x 2 3 ; µm, (3) - objętość właściwa dendrytów: V d = 75,22 + 4,09 x 1-4,35 x 2-4,12 x 2 1 +1,61 x 2 2 + 0,02 x 2 3 ; (4) - powierzchnia właściwa dendrytów: S d = 60,04-7,26 x 1 + 3,87 x 2 + 4,84 x 3-9,33 x 1 x 3 + 16,65 x 2 1-7,98 x 2 2-4,76 x 2 3 ; (5) - zużycie przez tarcie w temperaturze 293 K: I z(293) = 7,5-0,5 x 1 + 0,4 x 2 + 0,6 x 3-0,6 x 1 x 2-0,5 x 2 x 3-0,6 x 2 2 1 + 0,05 x 2 + 0,3 x 2 3 / 10-2 ; mm/m, (6) - zużycie przez tarcie w temperaturze 773 K: I z(773) = 6,4-0,56 x 1-0,2 x 1 x 2-0,3 x 1 x 3-0,4 x 2 x 3 + 0,09 x 2 2 1-0,15 x 2-0,2 x 2 3 / 10-2 ; mm/m, (7) - twardość po wyżarzeniu: HRC = 46,8 + 1,1 x 1-1,3 x 3 + 0,3 x 1 x 2 + 0,8 x 2 x 3-0,1 x 2 1 + 0,2 x 2 2 2 + 0,1 x 3 (8) - współczynnik zmniejszenia twardości po wyżarzaniu (termiczne osłabienie): H o = 0,85 + 0,07 x 1-0,07x 3 + 0,05 x 2 1 + 0,03 x 2 2 2-0,12 x 3 (9) Istotne współczynniki regresji b i (wg kryterium t - Studenta dla t 8; 0,05) przy określaniu stosunku mikrotwardości µhvo, przy odpowiednich zmiennych, mają następujące wartości: b 0 = 0,66; b 1 = 0,14; b 2 = 0,20; b 1,2 = 0,12 (b 1,2 jest współczynnikiem regresji przy podwójnej zmiennej x 1 x 2 ). Dodatnie wartości współczynników regresji oznaczają, że niska zawartość chromu i wysoka temperatura odpuszczania sprzyjają zmniejszaniu różnicy mikrotwardości dendrytów i faz międzydendrytycznych. Przykładowe elementy graficznych postaci zależności (2 9) pokazano na rysunkach 2 4. Rysunek 2. Wpływ Cr i V na powierzchnię właściwą dendrytów Fig. 2. Effect of Cr and V on the dendrites unit area
246 Rysunek 3. Wpływ Cr i V na współczynnik zmniejszenia twardości staliwa Fig. 3. Effect of Cr and V on the hardness diminution coefficient of cast steel Rysunek 4. Wpływ Cr i Mo na zużycie ścierne I z staliwa w temperaturze 293K i 773K [4] Fig. 4. Effect of Cr and Mo on abrasive wear I z of cast steel at 293K & 773K 4. ANALIZA WYNIKÓW Z analizy współczynników regresji zawartych w zależnościach (2 9) wynika, że wpływ badanych pierwiastków węglikotwórczych na procesy krzepnięcia, krystalizacji i termomechanicznej destrukcji staliwa jest zróżnicowany w nieoczekiwanym stopniu. Chrom będący podstawowym pierwiastkiem stopowym nieistotnie wpływa na liniowe charakterystyki dendrytów, silnie zmniejszając jednak ich powierzchnię właściwą. Molibden i wanad odwrotnie - powierzchnie te zwiększają i rozdrabniają strukturę dendrytyczną (zal.
247 2 5). Wzrostowi zawartości chromu - generalnie biorąc - towarzyszy wzrost odporności na ścieranie, zwłaszcza w temperaturze pokojowej i przy umiarkowanej (0,4 0,6 %) zawartości molibdenu. Jego udział w staliwie badanego typu powinien wynosić min. 8 (10) %. Wzrost udziału molibdenu i wanadu w staliwie silnie zwiększa zużycie I z w temperaturze 293 K i nie wywołuje istotnych zmian w odporności na ścieranie staliwa w temperaturze 773 K. Wzrost temperatury otoczenia pary trącej z 293 K do 773 K powoduje zmniejszenie zużycia ściernego badanego staliwa średnio o około 20 %. Zmiękczona podwyższoną temperaturą osnowa dendrytów tworzy - jak się okazuje - korzystniejszą konfigurację tribologiczną z twar-dą międzydendrytyczną fazą węglikową. Nie występuje przy tym ilościowa zależność między twardością staliwa i zużyciem przez tarcie (6,7,8). Wysoką odporność na termiczne osłabienie staliwa uzyskuje się przy wysokich zawartościach chromu (ok. 12 %) i niskich wanadu. Zwraca przy tym uwagę pomijalny indywidualny wpływ molibdenu. Ogólnie biorąc, molibden i wanad spełniają rolę wspomagającą - wspierającą wpływ chromu na procesy strukturalne zachodzące w staliwie. Ilościowy i jakościowy wpływ badanych pierwiastków na strukturę i właściwości eksploatacyjne staliwa zależy od wzajemnych między nimi relacji. Każdy z nich tworzy ekstremum wpływu, a przy zmianie udziału drugiego pierwiastka węglikotwórczego, może zmienić się nie tylko położenie ekstremum ale i znak, czyli kierunek wpływu (rys. 2 i 4). Charaktery modelowych zależności oraz ekstremalne obszary ilościowych charakterystyk struktury, odporności na zużycie i termiczne osłabienie staliwa nie pokrywają się. Konieczne jest zachowanie dla danych warunków pracy staliwa odpowiednich relacji między stopniem niezbędnej heterogenizacji struktury dendrytycznej, a wymaganą cechą eksploatacyjną. Nadmierne rozdrobnienie struktury staliwa ułatwia i powierzchniową jego destrukcję przy tarciu i procesy termodyfuzyjne zmniejszające wymaganą heterogenizację. Wyrazem tego jest zwłaszcza zmniejszenie różnicy czyli wzrost stosunku mikrotwardości dendrytów i faz międzydendrytycznych staliwa poddanego długotrwałemu odpuszczaniu w temperaturze 973 K [3]. 5. WNIOSKI 1. Nie ma wspólnej, modelowej zależności miedzy zawartością Cr, Mo i V, a geometrią struktury dendrytycznej, zużyciem przez tarcie i termicznym osłabieniem staliwa do pracy na gorąco typu Cr - Mo - V - Cu - Ni. Nie ma też ilosciowej zależności między twardością tego staliwa i jego zużyciem przez tarcie. 2. Wszechstronnie korzystnym i niezastąpionym pierwiastkiem stopowym w badanym staliwie jest chrom. Molibden i wanad odgrywają rolę pomocniczą, ale przy ich wysokiej zawartości, nadmiernie rozdrabniając strukturę dendrytyczną w procesach zachodzących w zakresie temperatur likwidus - solidus, mogą niekorzystnie wpływać na właściwości eksploatacyjne staliwa. 3. Każdej z ilościowych kombinacji zestawów chromu, molibdenu i wanadu odpowiada odrębne natężenie, a nawet kierunek ich wpływu na właściwości staliwa. Wynika to z tworzenia ściśle określonych dla danych warunków, strukturalnych relacji eksploatacyjnych.
248 4. Najkorzystniejsze relacje strukturalno - eksploatacyjne badanego staliwa przypadają na zawartość Cr 12 %, 0,1 0,2 % V, 0,4 0,6 % Mo przy zużyciu ściernym i max. 0,13 % Mo przy przewadze wpływu termicznego osłabienia staliwa. LITERATURA [1] Wojtkun F.: Opracowanie staliw o wysokiej trwałości na formy do odlewania pod ciśnieniem stopów aluminium. Monografia nr 5, Radom, WSI, 1992. [2] Wojtkun F., Poprzeczka A., Ropelewski Z.: Procesy mikrostrukturalne w czasie symulacyjnej eksploatacji staliwa do pracy na gorąco. Praca n - b statutowa 984/06/P, etap I - III, WSI Radom, 1992-93. [3] Wojtkun F., Poprzeczka A., Ropelewski Z.: Symulacyjne badania wpływu Cr, Mo i V na właściwości eksploatacyjne staliwa do pracy na gorąco. Praca n - b statutowa 1272/06/P, etap I - III, Radom, WSI, 1995-97. [4] Wojtkun F., Kocur L.: Wpływ Cr, Mo i V na strukturę i zużycie przez tarcie staliwa do pracy na gorąco. Tribologia nr 4, 1995. INFLUENCE OF CR, MO AND V CONTENTS ON THE STRUCTURE AND CHOSEN EXPLOITATION PROPERTIES OF CAST STEEL FOR HOT - WORK SUMMARY Quantitative and qualitative influence research of Cr, Mo and V contents on the structure, the abrasive wear and the thermic enfeeblement of cast steel for hot-work were described in this article. The carbide-created elements influence on the working parameters of cast steel by creating specific relations between the dendrite structure and exploitation properties.