123/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (2/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (2/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 WPŁYW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ NA GORĄCO NA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE STOPÓW NA OSNOWIE FAZY MIĘDZYMETALICZNEJ Fe 3 Al Z. KOMOREK 1, S. JÓŹWIAK 2, Z. BOJAR 3 Wojskowa Akademia Techniczna, ul. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa W pracy przedstawiono wpływ obróbki plastycznej na gorąco na mikrostrukturę oraz właściwości wytrzymałościowe odlewniczego stopu na osnowie fazy międzymetalicznej Fe3Al. Zastosowana niekonwencjonalna obróbka plastyczna na gorąco skutecznie umożliwia kształtowanie badanych stopów na osnowie fazy Fe 3 Al oraz prowadzi do dwukrotnego rozdrobnienia ziaren. Rozdrobnienie to efektywnie wpływa na poprawę właściwości wytrzymałościowych; znacząco wzrasta wytrzymałość na ściskanie (o 200MPa) oraz plastyczność (o ponad 60%). Keywords: Iron aluminide, microstructure, mechanical properties. 1. WSTĘP Stopy na osnowie uporządkowanej fazy międzymetalicznej Fe 3 Al, charakteryzują się potencjalnie unikatowymi właściwościami mechanicznymi, obejmującymi niską gęstość, wysoką odporność na korozję w temperaturze otoczenia oraz podwyższonej [1-3]. Przeszkodą w komercyjnym zastosowaniu tych stopów jest ich skrajnie niska plastyczność w stanie lanym oraz podatność do kruchego pękania, szczególnie w niskiej temperaturze. Powyższe cechy stanowią istotną przeszkodę w kształtowaniu elementów z tych stopów z wykorzystaniem klasycznych technologii wytwarzania, a tym samym uniemożliwiają komercyjne zastosowanie stopów międzymetalicznych jako materiał konstrukcyjny. Dalszy rozwój stopów na osnowie fazy międzymetalicznej Fe 3 Al i ich wykorzystanie w przemyśle uzależnione jest od poprawy ich plastyczności i ogólnie rozumianej podatności technologicznej [4-6]. Dotychczasowe badania wskazują, że odpowiedni dobór składu chemicznego, w tym głównie domieszkowanie pierwiastkami poprawiającymi spójność oraz zastosowanie złożonych procesów technologicznych umożliwia wyeliminowanie podstawowych wad, przy jednoczesnym zachowaniu specyficznych właściwości tych stopów [7-11]. 1 dr inż., z.komorek@wme.wat.edu.pl 2 dr inż. 3 dr hab. inż. 243
Dlatego też podstawowe badania stopów na osnowie fazy międzymetalicznej Fe 3 Al koncentrują się na zagadnieniach związanych z poprawą właściwości użytkowych, poprzez zmniejszenie wielkości ziarna, w efekcie zastosowania nowoczesnych technologii wytwarzania. 2. MATERIAŁ I ZAKRES BADAŃ Badania dotyczyły stopów intermetalicznych z udziałem fazy międzymetalicznej Fe 3 Al o składzie przedstawionym poniżej [% wag.]: Fe16Al, Fe16Al-Mo, Fe16Al5Cr0,15Zr Fe16Al5Cr1,6Mo0,09Zr Technologia wykonania stopów obejmowała: - kilkakrotne wytapianie próżniowe stopów z czystych pierwiastków w indukcyjnym piecu próżniowym w ITME w Warszawie, z odlaniem w końcowym etapie wlewka do kokili stalowej o średnicy 50 mm, - wygrzewanie wlewków w temperaturze 1100 C przez 5 godzin w atmosferze argonu. Celem rozdrobnienia mikrostruktury zastosowano unikatową obróbkę plastyczną na gorąco obejmującą kucie w 1100 C wlewka z średnicy 50 na 20 mm oraz młotkowanie w 1000 C z redukcją średnicy pręta z 20 na 8 mm. 3. WYNIKI BADAŃ Zastosowana niekonwencjonalna obróbka plastyczna na gorąco umożliwiła około 2-krotne zmniejszenie wielkości ziarna badanych stopów. W przypadku stopu Fe16Al uzyskano jednorodną strukturę o średniej wielkości ziarna wynoszącej 200 µm (rys. 1a). Redukcja przekroju w procesie młotkowania spowodowała jednocześnie powstanie struktury włóknistej obserwowanej na przekroju wzdłużnym (wydłużenie ziaren nawet 10-krotne w stosunku do średnicy obserwowanej na przekroju poprzecznym rys. 1b). Stop Fe16Al po przeróbce plastycznej posiadał jednorodną twardość na całym przekroju na poziomie 330 HV. Rys. 1. Mikrostruktura stopu FeAl16 po obróbce plastycznej na gorąco; a kierunek poprzeczny, b kierunek równoległy do osi pręta Fig. 1. The Fe16Al alloy s microstructure after hot plastic working; a - transverse direction, b longitudinal direction to centre line of the bar 244
Wygrzewanie stopu FeAl16 w temperaturze do 900 C w czasie 30 minut powoduje obniżenie twardości, przy czym maksymalny spadek jej wartości wynoszący około 100HV występuje wskutek wyżarzania w temperaturze 800-850 C. Przeprowadzone badania mikrostruktury potwierdziły zajście procesu rekrystalizacji w temperaturze 850 C (rys. 2a). Zasięg rekrystalizacji w badanym stopie jest zróżnicowany, ale globalnie rekrystalizacja ma charakter lokalny. W mikroobszarach przebudowa mikrostruktury doprowadziła do powstania ziaren o wielkości 50µm. Rys. 2. Mikrostruktura stopu FeAl16 po wyżarzaniu; a - 850 C/30 min, b - 900 C/30 min Fig. 2. FeAl16 alloy s microstructure after heat treatment; a - 850 C, b - 900 C/30 min Stop FeAl16-Mo po obróbce plastycznej na gorąco charakteryzuje się zróżnicowaną wielkością ziaren; przy średniej ich wielkości na poziomie 300 µm występują ziarna pierwotne o wielkości dochodzącej do 500 µm (rys. 3a). Analiza mikrostruktury po przeprowadzonych zabiegach wygrzewania wykazała wysoką stabilność struktury stopu z dodatkiem molibdenu w temperaturze do 900 C. Dla zastosowanych wariantów obróbki cieplnej nie zaobserwowano rekrystalizacji stopu, jedynym efektem było ujednorodnienie wielkości ziaren w wyniku wygrzewania w temperaturze 800 C (rys. 3b). Rys. 3. Mikrostruktura stopu FeAl16-Mo; a po obróbce plastycznej na gorąco, b po wygrzewaniu w temp. 900 C Fig. 3. The FeAl16-Mo alloy microstructure after; a - heat treatment, b - heat treatment 900 C 245
Twardość stopu FeAl16-Mo po przeprowadzonej obróbce plastycznej na gorąco wynosi 265HV i pomimo identycznych warunków przygotowania jest nieznacznie niższa w porównaniu do stopu bez dodatku molibdenu. Wyżarzanie tego stopu w temperaturze do 900 C powoduje jedynie nieznaczne obniżenie twardości - najniższa twardość jest po wyżarzaniu w temperaturze 800 C (spadek o 45 HV). W celu określenia wpływu obróbki plastycznej na gorąco na właściwości wytrzymałościowe przeprowadzono statyczną próbę ściskania próbek w stanie lanym oraz po obróbce plastycznej na gorąco. Wyniki tych badań przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1 Zestawienie wyników prób ściskania Table 1. Results of static compression tests Stan lany Po obróbce plastycznej na gorąco FeAl16 FeAl16-Mo FeAl16 FeAl16-Mo Rce [MPa] 460 370 620 500 Rc [MPa] 1500 1600 1700 2000 A [%] 15 13 25 25 Zmniejszenie wielkości ziarna uzyskane w wyniku przeprowadzenia obróbki plastycznej na gorąco wpływa znacząco na poprawę właściwości wytrzymałościowych w temperaturze otoczenia. Plastyczność badanych stopów po obróbce plastycznej na gorąco wzrsta o ponad 60% osiągając wartość 25%. Zastosowana obróbka plastyczna powoduje wzrost wytrzymałości na ściskanie o 200MPa dla stopu FeAl16 oraz o 400MPa dla stopu FeAl16-Mo. Szczególnie istotny dla zastosowań inżynierskich jest, zauważalny na wykresach ściskania, wzrost granicy plastyczności do 620MPa dla stopu FeAl16 oraz o 500MPa dla stopu FeAl16-Mo. Dokonano weryfikacji wpływu zastosowanej obróbki plastycznej na gorąco na podatność do kruchego pękania poprzez badania udarności na młocie udarowym PW30 o energii 300J z komputerową rejestracją przebiegu procesu łamania. Stop FeAl16 po obróbce plastycznej na gorąco wykazał się zadowalającą udarnością KV wynoszącą 15J/cm 2 (rys. 4). Udarność stopu z dodatkiem molibdenu jest znacznie niższa i przy poziomie 9J/cm 2 nie odbiega od udarności typowej dla stopów na bazie faz intermetalicznych z układu Fe-Al w stanie lanym. Rys. 4. Wykres z próby udarności stopu FeAl16 Fig. 4. The impact strength s chartfe16al alloy 246
Badane stopy charakteryzują się niemal identyczną morfologią przełomów, typową dla pękania międzykrystalicznego łupliwego (rys. 5). Niszczenie stopów następuje w wyniku pękania kruchego rozprzestrzeniającego się zarówno w płaszczyźnie łamania, jak również po płaszczyznach łupliwości prostopadłych do płaszczyzny łamania. Rys. 5. Morfologia przełomu; a - stopu FeAl16, b stopu FeAl16-Mo Fig. 5. Fracture surface: a FeAl16 aloy, b FeAl16-Mo alloy 4. WNIOSKI Zastosowana niekonwencjonalna obróbka plastyczna na gorąco obejmująca kucie w 1100 C wlewka z średnicy 50 na 20 mm oraz młotkowanie w 1000 C z redukcją średnicy pręta z 20 na 8 mm umożliwia efektywne kształtowanie mikrostruktury badanych stopów na osnowie fazy Fe 3 Al i prowadzi do dwu-krotnego rozdrobnienia ziaren. Taka zmiana mikrostruktury skutecznie poprawia właściwości mechaniczne; o 10% (z 15 do 25%) podwyższa się plastyczność w temperaturze otoczenia oraz o około 200MPa wzrasta wytrzymałość na ściskanie. Wzrasta również granica plastyczności (do 620MPa dla stopu FeAl16), co jest szczególnie istotne dla zastosowań inżynierskich tych stopów. Stop FeAl16 po przeprowadzonej obróbce plastycznej na gorąco charakteryzuje się zadowalającą udarnością w temperaturze otoczenia wynoszącą 15J/cm 2, natomiast w temperaturze 400 C udarność tego stopu wzrasta około 10-krotnie. LITERATURA [1] C.T.Liu; Recent Advances in Ordered Intermetalics Proc. In High-temperature Ordered Intermetallic Alloys, Symp. 30.11-3.12.1992 Boston USA, publ. Materials Research Society (1992). [2] S.C.Deevi, V.Sikka; Intermetalics. 4 (1996). [3] C.T. Liu; Intermetallics 2, 75 (1994). [4] P.J. Maziasz, D.J. Alexander; Intermetallics 5 (1997). [5] J. Barcik, M. Kupka; Inżynieria Materiałowa 2 (1997). [6] Z. Bystrzycki, R. Varin, Z. Bojar; Postępy w badaniach stopów na bazie uporządkowanych faz międzymetalicznych z udziałem aluminium, Inżynieria Materiałowa 5 (1996). 247
[7] E.P. George, J. Backer; Phil. Mag A77, 737 (1998). [8] J. Barcik, J. Cebulski; Archives of Metallurgy v. 45 (2000). [9] R.Łyszkowski, J.Bystrzycki; Evolution of mictrostructure in FeAl intermetallic during deformation at elevated temperature, Acta Metallurgica Slovaca, Kosice 2/2002. [10] S. Jóżwiak, T. Durejko, Z. Bojar; Strukture and properties of Fe-Al based heterogeneous intermetallic materials, Acta Metallurgica Slovaca, Kosice 2/2002. [11] Z. Komorek, Z. Bojar; The influence of chemical composition on microsructure and mechanical properties of Fe-Al phase based intermetallics, Acta Metallurgica Slovaca, Kosice 2/2002. THE INFLUENCE OF HOT WORKING ON MECHANICAL PROPERTIES OF ALLOYS BASED ON INTERMETALLICS PHASE Fe 3 Al SUMMARY Used orthodox hot working enables effective shaping of tested alloys based on Fe 3 Al and leads to twice refinement of microstructure.the refinement of microstructure in effective way increases mechanical properties, at about 10% increases plasticity in ambient temperature and at about 200MPa increases compressive strength and what is especially crucial for engineers applications increases the yield point up to 620MPa for FeAl16 alloy. Recenzował: Prof. Wojciech Przetakiewicz 248