TWARDOŒÆ ODLEWANYCH STOPÓW Fe–C–Cr–Si

Pomiary twardoœci próbek badanych stopów prowadzono na poprzecznym przekro-ju próbek walcowych oraz na przeszlifowanych powierzchniach próbek prostopad³oœcien-nych, przeznaczonych do badania odpornoœci na zu¿ycie œcierne. Na próbkach prosto-pad³oœciennych wykonano po 10 pomiarów twardoœci (dwa razy po piêæ na ka¿dej po-wierzchni), a wartoœci œrednie zestawiono w tabeli 7.2.

Twardoœæ stopów zawieraj¹cych najmniejsz¹ iloœæ krzemu zwiêksza siê ze zwiêk-szaniem siê w nich iloœci wêgla i chromu, co zaobserwowano równie¿ w przypadku ba-danych dotychczas stopów, i zmienia siê z 455 HV 30 (próbka 11O) do 730 HV 30 (próbka 51O), przy czym najwiêkszy, ponad 30-procentowy wzrost obserwuje siê po zmianie zawartoœci wêgla z 2,25 do 3,0% wag. i chromu z 20 do 25% wag.

Wprowadzenie do badanych stopów 2% wag. Si powoduje zmniejszenie ich twardo-œci od 7 do 32%, spowodowane najprawdopodobniej procesami rozpadu austenitu i per-lityzacj¹ osnowy. Dalsze zwiêkszanie iloœci krzemu do 4% wag. powoduje zwiêksza-nie, od 1,5 do 20%, twardoœci próbek w porównaniu z próbkami zawieraj¹cymi 2% wag. Si, przy czym im wiêcej badany stop zawiera wêgla i chromu, tym wzrost ten jest wiêk-szy.

Wprowadzenie od 6 do 7% wag. Si sprzyja zwiêkszeniu twardoœci i w próbkach za-wieraj¹cych do 3,0% wag. C i 25% wag. Cr. Twardoœæ tych stopów systematycznie wzra-sta ze zwiêkszaniem siê zawartoœci dodatku stopowego. Wyj¹tek wzra-stanowi¹ tu: stop 16O, w którym zaobserwowano wydzielenia grafitu oraz grupa stopów o najwiêkszej zawar-toœci wêgla i chromu, gdzie nie obserwuje siê wp³ywu krzemu, a zmniejszenie twardo-œci (do 20%) jest zwi¹zane z wahaniami ilotwardo-œci wêgla i chromu w stopie.

Zwiêkszanie siê twardoœci próbek jest wynikiem umocnienia przez krzem ferrytycz-nej osnowy oraz tworzenia wiêkszej iloœci wêglików typu M₇C₃ wskutek zmniejszania siê rozpuszczalnoœci wêgla i chromu w osnowie.

Mikrotwardoœæ sk³adników struktury, okreœlona dla wydzieleñ pierwotnych wêgli-ków typu M₇C₃ oraz osnowy (tabela 7.6), wskazuje na efektywne oddzia³ywanie krze-mu w stopach Fe–C–Cr.

Mikrotwardoœæ pierwotnych wêglików typu M₇C₃ w wolniej stygn¹cych próbkach œrednicy 30 mm wynosi w stopach o najmniejszej zawartoœci wêgla i chromu od 1250 do 1270 HV 0,05 i zwiêksza siê do 1390 HV 0,05 dla stopu tej grupy o najwiêkszej zawartoœci krzemu (11,49% wag.). W grupie stopów zawieraj¹cych oko³o 1,75% wag. C i 15% wag. Cr twardoœæ wêglików pierwotnych wynosi od 1250 HV 0,025 do 1300 HV 0,05i nie zale¿y w jednoznaczny sposób od zawartoœci krzemu w stopie. Wêgliki pierwotne w trzeciej grupie stopów obserwuje siê dopiero w strukturze stopu zawiera-j¹cego 2,27% wag. C, 20,13% wag. Cr i 3,85% wag. Si, a ich mikrotwardoœæ wynosi 1250 HV 0,05. Ze wzrostem zawartoœci krzemu w stopie twardoœæ wêglików zwiêksza siê o 22% (dla 6,28% wag. Si) i ostatecznie o dalsze 4% przy maksymalnej zawartoœci tego dodatku.

W grupie stopów o najwiêkszej zawartoœci wêgla i chromu mikrotwardoœæ pierwot-nych wêglików zwiêksza siê o 6,5% po wprowadzeniu oko³o 2% wag. Si, po tym ulega wahaniom tylko o maksymalnie 3% i ostatecznie, przy najwiêkszej zawartoœci krzemu (stop 56O) powraca do twardoœci mierzonej w stopach o minimalnej zawartoœci krzemu (1445 HV 0,1). W ostatnim z badanych stopów w strukturze wystêpuj¹ ponadto wy-dzielenia wêglikokrzemku, zidentyfikowanego jako faza typu M₇X₃, którego mikrotwar-doœæ wynosi 1105 HV 0,1.

Zwiêkszenie szybkoœci stygniêcia (próbki œrednicy 15 mm) nie sprzyja krystalizacji pierwotnego wêglika typu M₇C₃. Twardoœæ pierwszych jego wydzieleñ, o wielkoœci umo¿liwiaj¹cej pomiar mikrotwardoœci, w próbce 34O, zawieraj¹cej 2,13% wag. C, 19,65% wag. Cr i 6,28% wag. Si, wynosi 1370 HV 0,05 i zwiêksza siê nieznacznie wraz

109 Tabela 7.6. Mikrotwardoœæ HV 0,1 faz wystêpuj¹cych w stopach 11O–56O

Table 7.6. Microhardness HV 0,1 of phases present in the alloys 11O–56O

Próbka Ø30 mm Próbka Ø15mm

Stop wêgliki pierwotne _osnowa wêgliki pierwotne _osnowa

typu M₇C₃ typu M₇C₃ 11O – 434 – 378 12O – 382 – 420 13O 12481) 599 – 586 14O 12471) 564 – 639 15O 12721) 583 – 606 16O 13891) 617 – 686 21O – 452 – 353 22O – 380 – 445 23O – 351 – 519 24O 12531) 461 – 559 25O 13001) 482 – 567 26O 12552) 613 – 634 31O – 382 – 431 32O – 394 – 468 33O 12481)* 471 – 503 34O 1526 517 13692) 545 35O 1564 569 1436 603 36O 1592 598 1526 625 41O 1424 442 12352) 550 42O 1405 472 15202) 511 43O 1521 491 1466 504 44O 1518 547 1445 568 45O 1567 542 1465 612 46O 1628 628 1489 645 51O 1481 453 1535 544 52O 1587 336 1520 465 53O 1526 460 1481 571 54O 1587 563 1556 594 55O 1549 661 1601 680 56O 1445 574 1517 604

1) HV 0,025; 2) HV 0,05; * bardzo ma³e wydzielenia

ze zwiêkszaniem siê iloœci krzemu w stopie o 5%, a nastêpnie o 6% w przypadku prób-ki o najwiêkszej zawartoœci tego dodatku.

W szybko krzepn¹cych stopach o najwiêkszej zawartoœci wêgla i chromu mikrotwar-doœæ wêglików pierwotnych nie podlega wp³ywowi dodatku krzemu i ulega zmianom, zmniejszaj¹c siê o 3,5% lub zwiêkszaj¹c o 4%. Podobnie jak w grupie wolno stygn¹-cych stopów (próbki œrednicy 30 mm), w stopie o najwiêkszej zawartoœci wêgla, chro-mu i krzechro-mu (stop 56O) obserwuje siê w strukturze wydzielenia perytektycznie krysta-lizuj¹cego wêglikokrzemku typu M₇X₃, którego mikrotwardoœæ wynosi 1030 HV 0,1.

Mikrotwardoœæ osnowy w próbkach wolniej stygn¹cych (œrednica 30 mm) po wpro-wadzeniu ok. 2% wag. Si ulega zmniejszeniu o maksymalnie 25% w przypadku stopu zawieraj¹cego najwiêksz¹ iloœæ wêgla i chromu lub o oko³o 15% w przypadku pierw-szych dwóch grup stopów. W pozosta³ych stopach nie ulega praktycznie zmianom (ma-ksymalnie 5%).

Dalsze zwiêkszanie zawartoœci krzemu powoduje wzrost twardoœci osnowy. W stopach zawieraj¹cych najmniejsz¹ iloœæ wêgla i chromu twardoœæ zwiêksza siê po wprowadze-niu oko³o 4% wag. Si o 48% w porównawprowadze-niu ze stopem zawieraj¹cym oko³o 2% wag. Si (382 HV 0,1). Osnowa osi¹ga twardoœæ 620 HV 0,1 po zwiêkszeniu iloœci krzemu do maksymalnej zawartoœci (11,49% wag.).

W drugiej grupie stopów obserwuje siê podobn¹ zmianê mikrotwardoœci osnowy. Zmiana twardoœci nie jest jednak tak gwa³towna do zawartoœci oko³o 7,6% wag. Si (wzrost 27%). Przy maksymalnej zawartoœci krzemu obserwuje siê dalszy wzrost twardoœci o 27% do wartoœci 610 HV 0,1.

W stopach zawieraj¹cych oko³o 2,25 i 3% wag. C oraz 20 i 25% wag. Cr – trzecia i czwarta grupa stopów – obserwuje siê równomierny wzrost mikrotwardoœci osnowy wraz ze zwiêkszaniem zawartoœci krzemu, od wartoœci 380 HV 0,1 do 600 HV 0,1 – w grupie trzeciej i z 440 HV 0,1 do 630 HV 0,1 – w czwartej grupie stopów.

Mikrotwardoœæ osnowy ostatniej grupy stopów, po opisanym wczeœniej 26-procen-towym zmniejszeniu w zwi¹zku z wprowadzeniem 2% wag. Si , zwiêksza siê skokowo o 37% (przy zawartoœci 3,5% wag. Si) i roœnie systematycznie do wartoœci 660 HV 0,1 w przypadku stopu zawieraj¹cego ok. 8,5% wag. Si. Wprowadzenie 10,5% wag. Si do stopu prowadzi w stopie, w którym wydzieli³a siê dodatkowa faza wêglikowokrzemko-wa typu M₇X₃, do zmniejszenia mikrotwardoœci osnowy do wartoœci 570 HV 0,1.

Mikrotwardoœæ osnowy stopów stygn¹cych z wiêksz¹ szybkoœci¹ (próbki œrednicy 15 mm) zwiêksza siê systematycznie wraz ze zwiêkszaniem zawartoœci krzemu w sto-pach zawieraj¹cych do 2,25% wag. C i 20% wag. Cr (pierwsze trzy grupy badanych stopów). Wzrost ten w grupie stopów o najmniejszej zawartoœci wêgla i krzemu, po-cz¹tkowo niewielki – oko³o 10-procentowy (po wprowadzeniu oko³o 2% wag. Si) – ulega skokowej zmianie o ok. 40% po wprowadzeniu 4% wag. Si do wartoœci 590 HV 0,1. Dalsze zwiêkszanie dodatku krzemu prowadzi – przy maksymalnej zawartoœci tego do-datku – do osi¹gniêcia mikrotwardoœci osnowy równej 690 HV 0,1.

W drugiej grupie stopów, zawieraj¹cych oko³o 1,75% wag. C i 15% wag. Cr, zwiêk-szenie mikrotwardoœci osnowy nastêpuje wraz ze zwiêkszaniem iloœci krzemu w stopie

111

i jest ono ³agodniejsze. Pocz¹tkowa mikrotwardoœæ osnowy, równa 350 HV 0,1, okre-œlana dla stopu o najmniejszej zawartoœci krzemu, zwiêksza siê o 26% po wprowadze-niu oko³o 2% wag. Si i roœnie systematycznie o maksymalnie 15% do wartoœci 630 HV 0,1 okreœlonej dla stopu zawieraj¹cego najwiêksz¹ iloœæ krzemu (8,4 %wag.).

Wprowadzenie krzemu do stopu zawieraj¹cego ok. 2,25% wag. C i 20% wag. Cr powoduje równomierny (oko³o 10%) systematyczny wzrost twardoœci osnowy z 430 do 625 HV 0,1.

Podobnie jak w przypadku niektórych wolniej stygn¹cych stopów, mikrotwardoœæ osnowy stopów zawieraj¹cych najwiêksz¹ iloœæ wêgla i chromu pocz¹tkowo ulega zmniej-szeniu o 15% (po wprowadzeniu 2% wag. Si), po czym wzrasta o 23% i roœnie systema-tycznie (o maksymalnie 15%) do wartoœci 680 HV 0,1 dla próbki zawieraj¹cej 8,4% wag. Si. Dalsze zwiêkszanie zawartoœci krzemu (do 10,5% wag.) powoduje, podobnie jak w przypadku wolniej stygn¹cych stopów, zmniejszenie mikrotwardoœci osnowy o oko³o 12%. W próbce tej równie¿, poza wêglikami pierwotnymi i eutektycznymi, w osnowie stopu obserwuje siê obecnoœæ fazy wêglikowokrzemkowej typu M₇X₃.

7.3.2. ODPORNOŒÆ NA ZU¯YCIE ŒCIERNE

ODLEWANYCH STOPÓW Fe–C–Cr–Si

Odpornoœæ na zu¿ycie œcierne odlewanych stopów Fe–C–Cr–Si okreœlano na zmo-dernizowanym urz¹dzeniu Haworth ZIS-116 [21, 43] zgodnie z opisan¹ w rozdziale 5.3 metod¹ i podanymi parametrami, a wyniki badañ zestawiono w tabeli 7.2.

Jak wynika z danych zawartych w tabeli 7.2, odpornoœæ na zu¿ycie stopów o naj-mniejszej zawartoœci wêgla i chromu jest niewielka (równa odpornoœci na zu¿ycie refe-rencyjnych materia³ów St3S i 60). Wraz ze wzrostem zawartoœci wêgla i chromu w sto-pie odpornoœæ na zu¿ycie zwiêksza siê, osi¹gaj¹c, w przypadku próbki o najwiêkszej zawartoœci wêgla i chromu, odpornoœæ porównywaln¹ z najlepszymi badanymi dotych-czas próbkami laboratoryjnymi i napoinami.

Wprowadzenie do badanych stopów oko³o 2% wag. Si, a w niektórych przypadkach 4% wag. Si, powoduje pogorszenie odpornoœci na zu¿ycie œcierne luŸnym œcierniwem. W pierwszej grupie stopów, po wprowadzeniu oko³o 2% wag. Si, ubytek próbki – a tym samym zmniejszenie odpornoœci na zu¿ycie – wzrasta o 23%, po czym od zawartoœci 4% wag. Si ubytek ten systematycznie maleje, najpierw 10-krotnie, a nastêpnie 18-krotnie, a¿ do wartoœci 1,22 g przy zawartoœci 9,42% wag. Si. Dalsze zwiêkszanie iloœci krzemu do ok. 11,5% wag. powoduje oko³o 12-procentowe zmniejszenie odpornoœci na zu¿y-cie, co jest spowodowane pojawieniem siê w mikrostrukturze próbki wydzieleñ grafitu pierwotnego. Obserwuje siê zatem w rozpatrywanej grupie stopów podobieñstwo prze-biegu zmian twardoœci i odpornoœci na zu¿ycie.

Odpornoœæ na zu¿ycie œcierne stopów zawieraj¹cych oko³o 1,75% wag. C i 15% wag. Cr jest oko³o 3-krotnie wiêksza ni¿ materia³ów referencyjnych i maleje o 35% po wpro-wadzeniu do 3,8% wag. Si. Dalsze zwiêkszanie zawartoœci krzemu powoduje

tyczne zwiêkszanie odpornoœci na zu¿ycie œcierne i przy zawartoœci 8,4% wag. Si uby-tek wagi próbki wynosi 1,09 g (oko³o 6-krotnie mniej ni¿ próbki bez krzemu).

W stopach zawieraj¹cych oko³o 2,25% wag. C i 20% wag. Cr przebieg odpornoœci na zu¿ycie jest podobny do rozpatrywanych poprzednio grup stopów. Pocz¹tkowo na-stêpuje skokowe zmniejszenie tej odpornoœci (oko³o 3,5-krotne), po czym, przy zawar-toœci od 7,63% wag. Si, odpornoœæ na zu¿ycie zwiêksza siê do poziomu stwierdzonego dla grupy najlepszych stopów Fe–C–Cr–Si.

Przebieg zmian odpornoœci na zu¿ycie œcierne stopów czwartej grupy jest równie¿ podobny do poprzednich. Po skokowym pogorszeniu siê odpornoœci, ze wzrostem za-wartoœci krzemu (wprowadzenie ok. 2% wag. Si), nastêpuje systematyczne jej zwiêk-szanie, a bardzo dobr¹ odpornoœci¹ na zu¿ycie odznaczaj¹ siê stopy zawieraj¹ce od 7,8% wag. Si. Równie¿ w tym przypadku przebieg zmian twardoœci jest podobny do przebie-gu zmian zu¿ycia.

Odpornoœæ na zu¿ycie stopów z ostatniej grupy jest równie¿ du¿a. Wprowadzenie krzemu powoduje jej zmniejszanie, co ³¹czy siê ze zmianami struktury, wzrastaj¹c¹ ilo-œci¹ pêkniêæ, a tak¿e z wydzielaniem siê grafitu w próbce o najwiêkszej zawartoœci krze-mu.

8. WP£YW DODATKU KRZEMU NA ODPORNOŒÆ