TECHNOLOGIA WYTWARZANIA STOPÓW

5. MATERIA£Y, SPOSÓB WYTWARZANIA STOPÓW,

APARATURA POMIAROWA

5.1. MATERIA£Y PODSTAWOWE I DODATKOWE

STOSOWANE DO WYTWARZANIA STOPÓW

Badania wp³ywu krzemu na w³aœciwoœci stopów Fe–C–Cr prowadzono na próbkach, których sk³ad chemiczny zestawiono w tabeli 4.1.

Materia³ do badañ wytapiano w oporowym piecu Tammanna, b¹dŸ w piecu induk-cyjnym œredniej czêstotliwoœci albo napawano samoos³onowymi elektrodami proszko-wymi, z dobranych odpowiednio sk³adników zestawionych w tabeli 5.1.

5.2. TECHNOLOGIA WYTWARZANIA STOPÓW

Materia³ do badañ laboratoryjnych wytapiano w piecu Tammanna (w Lehr- und For-schungsgebiet Werkstoffwissenschaften der RWTH Aachen, Niemcy) w atmosferze ar-gonu klasy 5.0, w tyglu ceramicznym wykonanym z Al₂O₃ i przegrzewano do tempera-tury 1500 °C, nastêpnie odlewano do zabezpieczonych pokryciem ochronnym i podgrza-nych do temperatury od 350 do 500 °C form metalowych. Otrzymano w ten sposób próbki walcowe œrednicy 15 mm i d³ugoœci 100 mm, przeznaczone do badañ

metalograficz-Tabela 5.1. Materia³y u¿yte do badañ Table 5.1. Materials used in the research

Materia³ wsadowy Postaæ Sk³ad chemiczny, % wag.

C Cr Si Fe Pozosta³e

¯elazo Armco prêt Ø15 0,01 – – 99,7 –

¯elazochrom FeCr800 kawa³ki 6,9 65,4 1,6 26,04 –

¯elazokrzem FeSi75A kawa³ki 0,1 0,19 76,2 21,2 2Al; 0,32Mn

Wêglik chromu Cr₃C₂ proszek 13,2 86,8 – – –

> 250 µm

Chrom kawa³ki – 99,2 – – –

nych lub prostopad³oœcienne próbki o wymiarach 70×50×20 mm do badania odporno-œci na zu¿ycie odporno-œcierne.

Próbki do badañ odlewanych, stygn¹cych z mniejsz¹ prêdkoœci¹, stopów Fe–C–Cr–Si wytapiano w elektrycznym piecu indukcyjnym œredniej czêstotliwoœci w Zak³adzie Od-lewnictwa i Automatyzacji ITMiA Politechniki Wroc³awskiej, w tyglu grafitowo–sza-motowym w atmosferze azotu i przegrzewano do temperatury 1500 °C, po czym odle-wano do form skorupowych. Otrzymyodle-wano w ten sposób próbki walcowe œrednicy 15 i 30 mm i d³ugoœci 200 mm do badañ metalograficznych oraz prostopad³oœcienne o wy-miarach 70×50×20 mm do badañ odpornoœci na zu¿ycie œcierne.

Badanie napoin wykonanych ze stopów Fe–C–Cr–Si prowadzono na próbkach po-branych z napawanych trzywarstwowo – za pomoc¹ automatu do napawania ³ukowego typu UP 15 firmy Oerlikon (w Lehr- und Forschungsgebiet Werkstoffwissenschaften der RWTH Aachen, Niemcy) – p³yt ze stali St3S o wymiarach 250×100×30 mm. Napoiny wykonywano samoos³onow¹ elektrod¹ proszkow¹ w ró¿nej temperaturze napawanego pod³o¿a (20, 200 i 600 °C), stosuj¹c nastêpuj¹ce parametry:

• pr¹d napawania 280–375 A, • napiêcie napawania 33–35 V,

• prêdkoœæ posuwu drutu 0,018–0,028 m/s, • prêdkoœæ napawania 0,005–0,006 m/s.

Sk³ad chemiczny próbek okreœlono za pomoc¹ spektrometru GDS 750 QDP firmy LECO. W celach kontrolnych okreœlano zawartoœæ wêgla za pomoc¹ analizatora wêgla CS 244 firmy LECO i tradycyjn¹ metod¹ chemiczn¹ (tabela 4.1).

Ze wzglêdu na silnie grafityzuj¹ce oddzia³ywanie krzemu stwierdzono, potwierdza-j¹c obserwacje z wczeœniejszych badañ [24, 25], ¿e uzupe³nianie wêgla w badanych sto-pach w procesie ich wytwarzania dodatkiem grafitu prowadzi – przy zwiêkszonej za-wartoœci krzemu – do powstawania w strukturze stopów wydzieleñ grafitu niekorzyst-nych ze wzglêdu na odpornoœæ na zu¿ycie œcierne, korozjê i utlenianie. Zwi¹zane jest to z niezupe³nym rozpuszczaniem cz¹stek grafitu, szczególnie przy zwiêkszonej zawarto-œci krzemu, który ogranicza rozpuszczalnoœæ wêgla w stopie [50]. Wp³yw dodatków sto-powych na rozpuszczalnoœæ wêgla w austenicie i ciek³ym stopie przedstawiono na ry-sunku 5.1.

Z rysunku 5.1 wynika, ¿e na rozpuszczalnoœæ wêgla wp³ywaj¹ pierwiastki wêgliko-twórcze, miêdzy innymi chrom, a krzem przeciwnie – zmniejsza, co potwierdzaj¹ inni autorzy [7, 118, 128]. Dlatego okreœlono wp³yw równoczesnego oddzia³ywania chromu i krzemu na rozpuszczalnoœæ wêgla w stopach Fe–C.

Dla uk³adów wielosk³adnikowych Fe–C–Cr–Si rozpuszczalnoœæ wêgla, zgodnie z da-nymi [108], mo¿na obliczyæ z zale¿noœci

%C_max = 1,3 + 2,57·10–3T + 0,063· %Cr – 0,31·%Si (5.1) dla zawartoœci Cr ≤ 9% wag., Si ≤ 5,5% wag. i w temperaturze 1152–2000 °C.

55

Na podstawie analizy wyników badañ nad stopami Fe–C–Cr–Si, Breuer [15] zapro-ponowa³ okreœlanie maksymalnej rozpuszczalnoœci wêgla wed³ug wzoru

C Si Cr Fe max %C ^{− − −} = 1,30 + 2,57·10–3T – (0,22·%Si – 0,002·%Si2 + 0,065·%Si·10–3T) + (0,07·%Cr – 0,002·%Cr·%Si) (5.2) przy zawartoœci od 0 do 25% wag. Si, od 0 do 60% wag. Cr i w temperaturze 1300– 1700°C.

Maksymaln¹ rozpuszczalnoœæ wêgla w ciek³ych stopach Fe–C–Cr–Si mo¿na okre-œliæ, zgodnie z [85], z nastêpuj¹cej zale¿noœci

C_C,max = 1,34 + 2,53·10–3T – (0,294 + 2,9·10–5T) i c i c

c

k

c

k

w której wspó³czynnikk_ci zale¿y od temperatury i rodzaju dodatku stopowego, przy czym zale¿noœæ ta obowi¹zuje w zakresie temperatury 1300–1600°C.

Z obliczeñ prowadzonych za pomoc¹ zale¿noœci (5.1)–(5.3) wynika, ¿e obliczone wartoœci rozpuszczalnoœci wêgla ró¿ni¹ siê miêdzy sob¹ i w temperaturze 1300 °C ró¿-nica ta osi¹ga najwiêksz¹ wartoœæ równ¹ 30%, przy czym najwiêksze wartoœci

rozpu-5.2. Technologia wytwarzania stopów

Rys. 5.1. Wp³yw dodatków stopowych na granicê rozpuszczalnoœci C w ciek³ym Fe w 1550 °C [32] Fig. 5.1. Influence of alloying additions on solubility limit of C in liquid Fe at 1550 °C [32]

1 3 5 0 Co

1 2 9 0 Co

1 4 9 0 Co

szczalnoœci obliczono z równania (5.3) [85]. Rozpuszczalnoœæ wêgla, obliczona za po-moc¹ pozosta³ych zale¿noœci (wed³ug [15, 108, 109]) nie ró¿ni³a siê o wiêcej ni¿ o 8%. Podobnie ró¿nice rozpuszczalnoœci miêdzy wartoœciami obliczonymi za pomoc¹ przed-stawionych równañ w wy¿szej temperaturze s¹ minimalne.

Zaobserwowano, ¿e w strukturze próbek, o bliskiej do obliczonej ze wzorów (5.1)– (5.3) maksymalnej zawartoœci wêgla, wystêpuj¹ niekorzystne wydzielenia grafitu pier-wotnego i eutektycznego (rys. 5.2a) [50]. Zjawisko to wystêpowa³o szczególnie wtedy, gdy w procesie wytwarzania stopów zawartoœæ wêgla uzupe³niano dodatkami grafitu.

Po wykonaniu korekty sk³adu wsadu metalowego, tj. wprowadzeniu wêgla w postaci wêglika chromu Cr₃C₂ oraz zmniejszeniu do niezbêdnego minimum dodatku grafitu, wy-eliminowano ze struktury stopów niekorzystne wydzielenia grafitu (rys. 5.2b) [50]. Je-dynie w dwóch stopach, wytworzonych w procesie odlewania i zawieraj¹cych najwiêksz¹ iloœæ krzemu i wêgla, w których zawartoœæ wêgla przekracza³a lub by³a bliska zgodnej z obliczeniami granicy jego rozpuszczalnoœci, w strukturze obserwuje siê pojedyncze pierwotne lub dendrytycznie rozmieszczone wydzielenia grafitu).

Rys. 5.2. Struktura stopów 20N (a) i 21N (b) (tabela 4.1). Trawiono Mi27Fe; pow. 500× Fig. 5.2. Structure of the alloys 20N (a) and 21N (b) (Table 4.1) (etched with Mi27Fe; 500×)

Wykresy, sporz¹dzone na podstawie przedstawionych w literaturze zale¿noœci ma-ksymalnej rozpuszczalnoœci wêgla w stopach Fe–C–Cr–Si (rys. 5.3), umo¿liwiaj¹ do-bór odpowiedniego sk³adu chemicznego stopów, gwarantuj¹cego ca³kowite rozpuszczenie wêgla i brak niekorzystnych wydzieleñ grafitu w strukturze.

57

5.3. STANOWISKA I APARATURA POMIAROWA