Prof. dr hab. inŜ. Leopold BERKOWSKI Dr inŜ. Jacek BOROWSKI
Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań
Wpływ struktury na skutki azotowania
chromowych stali ledeburytycznych
Część II. Warunki obróbki cieplnej stali NC10
The influence of structure on the results of the nitriding
of ledeburitic chromium steels
Part II. Heat treatment conditions of NC10 steel
StreszczenieStal NC10 naleŜy do tradycyjnych materiałów narzędziowych, stosowanych na narzędzia do obróbki plastycz-nej na zimno. Charakteryzuje się duŜą zawartością węgla i chromu, a takŜe duŜą zawartością austenitu po har-towaniu z wysokiej temperatury. W artykule przedstawiono wyniki oceny wpływu temperatury austenityzow-nia na skład fazowy stali oraz na parametry stereologiczne węglików, a dla wybranych warunków austenity-zowania (temperatura austenityaustenity-zowania 1000 i 1150 oC) wpływ warunków odpuszczania na twardość i zawar-tość austenitu szczątkowego.
Badania wykazały, Ŝe moŜliwe jest otrzymanie „pseudodwufazowych” struktur (martenzyt z niewielką ilością austenitu i węglików oraz bardzo trwały austenit ze śladami fazy α i niewielką ilością węglików pierwotnych. Badania wykazały ponadto, Ŝe istotne zmiany struktury zachodzą w temperaturze odpuszczania około 500 oC (M = 15500).
Abstract
NC10 steel is a traditional tool’s material used on dies for the plastic cold deformation. It contains a lot of carbon and chromium and austenite after hardening from the high temperature. The carried out investiga-tion have proved the influence of the austenitizing temperature on: the phase composiinvestiga-tion of hardening steel and stereological parameters of carbides. After hardening from 1000 and 1150 oC temperature, the influence of tempering parameters on the hardness and the rest austenite were specified.
The research shown, that the obtainment of the near two phase structures (martensite with a little part of the austenite and carbides or much stable of austenite with the fractional of the α phase and carbides) are possible. The research also shown, that the important changes of the matrix of the steel took place after tempering about 500 oC (M = 15500).
Słowa kluczowe: stal narzędziowa, obróbka cieplna, struktura, właściwości
Key words: tool steel, heat treatment, structure, properties
1. WSTĘP
Wysokochromowe stale narzędziowe nale-Ŝą do popularnych, stosunkowo tanich materia-łów narzędziowych, i w pewnych warunkach, jako stale przeznaczone na narzędzia do obrób-ki plastycznej na zimno, mogą z powodzeniem zastąpić stale szybkotnące. Jeśli wziąć pod uwagę aspekt historyczny, to omawiana w ni-niejszym artykule ledeburytyczna stal NC10 stanowiła w swoim czasie podstawowy
mate-riał narzędziowy; stosowany początkowo na narzędzia skrawające, potem na narzędzia do obróbki plastycznej, zwłaszcza na narzędzia do obróbki plastycznej blach (wykrawania i tło-czenia) oraz do wyciskania. Stal NC10 wybra-no jako materiał do badań równieŜ dlatego, Ŝe jedynym składnikiem stopowym tej stali jest chrom, a zawartość węgla 1,5–1,8 % jest zbli-Ŝona do zawartości węgla w stali X153CrMV12 (według. starej normy PN-86/H-85023 – NC11LV), którą oceniano w kolejnej
serii badań. Stal X210Cr12, równieŜ dawniej bardzo popularna i oznaczona symbolem NC11, o podobnej zawartości chromu, zawiera-ła jednakŜe więcej węgla, co utrudniało ocenę wpływu składu chemicznego na strukturę i właściwości wybranej grupy materiałów.
Chrom w stali powoduje przesunięcie tem-peratury A1 w stronę wyŜszej temperatury, co
utrudnia dyfuzję, i dlatego temperatura austeni-tyzowania stali NC10 jest wyŜsza, od tempera-tury austenityzownia stali chromowej o mniej-szej zawartości tego składnika. Pod wpływem chromu zmienia się takŜe kinetyka przemian fazowych, zachodzących podczas chłodzenia przy hartowaniu. Przemiany perlityczna i baini-tyczna zostają opóźnione; na wykresie CTPi (rys. 1 [1 i 2]) przesunięte w prawo. DuŜa za-wartość węgla powoduje równieŜ obniŜenie temperatury przemiany martenzytycznej Ms
[3]. Przez to obszar występowania austenitu jest bardzo duŜy, co umoŜliwia stosowanie
róŜnych wariantów obróbki
cieplno-plastycznej.
Rys. 1. Wykres CTPi stali NC10. Warunki austenityzowania – 950 oC/20 min [1 i 2]
Fig. 1. TTT diagram for NC10 steel. Parameters of austenitizing – 950 oC/ 20 min [1 i 2]
Charakterystyka CTP zaleŜy od warunków austenityzowania. PodwyŜszenie temperatury umoŜliwia obniŜenie punktu Ms
wysokochro-mowych stali narzędziowych poniŜej tempera-tury otoczenia, co ułatwia otrzymanie dwufa-zowej struktury, składającej się z węglików typu M7C3 i austenitu szczątkowego.
MoŜli-wość otrzymania struktur o skrajnych własno-ściach, zawierających austenit lub martenzyt i węgliki, zadecydowało o wyborze (stali NC10) materiału badań.
Struktura stali NC10, wytworzona sposo-bem tradycyjnym, zawiera w stanie wyŜarzo-nym duŜe ilości węglików w postaci ledebury-tycznej siatki i licznych wydzieleń węglików wtórnych. Obróbka plastyczna powoduje czę-ściowe rozbicie niekorzystnego układu, nie likwiduje jednak skupisk duŜych węglików. Węgliki te, połoŜone niekiedy blisko siebie i popękane, tworzą karby i obniŜają plastycz-ność stali. Wielokrotne, kosztowne przekuwa-nie tylko w przekuwa-niewielkim stopniu zwiększa od-porność na pękanie. Ledeburytyczne stale chro-mowe, produkowane z proszków, wykazują lepsze właściwości [4].
Wstępnie ledeburytyczne stale chromowe omówione zostały w pracy [5]. W niniejszym artykule przedstawione zostaną wyniki oceny wpływu warunków obróbki cieplnej na struktu-rę i własności stali NC10, wykonane w ramach projektu badawczego nr 1012/T08C/96/11 pt. „Podstawy technologii wytwarzania narzędzi z wykorzystaniem dyfuzji azotu w odkształco-nych, wysokochromowych stalach ledebury-tycznych”, finansowanego przez Komitet Ba-dań Naukowych. Wybrane będą warunki au-stenityzowania, celem uzyskania skrajnych struktur dwufazowych, zawierających austenit + węgliki oraz martenzyt + węgliki. Taki stan strukturalny umoŜliwi, w toku dalszych badań, ocenę wpływu struktury osnowy stali chromo-wych na dyfuzję azotu podczas obróbki ciepl-no-chemicznej. Badania miały dać odpowiedź na pytania:
• jaki jest wpływ warunków austenityzowania na strukturę osnowy, oraz
• jaka jest odporność na odpuszczające dzia-nie temperatury stali wysokochromowej o dwufazowej strukturze?
2. MATERIAŁ BADAŃ I OBRÓBKA CIEPLNA PRÓBEK
Materiałem badań była ledeburytyczna stal narzędziowa, wysokochromowa stosowana na narzędzia do obróbki plastycznej na zimno gatunku NC10, w postaci prętów o średnicy 24 mm. Stal NC10 wykazuje bardzo niejednorod-ną strukturę; i mimo obróbki plastycznej hutni-czej, zawiera duŜo węglików pierwotnych o bardzo nieregularnych kształtach ( pozostało-ści ledeburytycznego szkieletu). Skład che-miczny badanej stali był następujący (w %):
C – 1,57; Si – 0,19; Mn – 0,46; P – 0,021; S – 0,024; Cr – 10, 69.
Podczas badań analizowano wpływ wa-runków obróbki cieplnej na strukturę i twar-dość stali. Parametry austenityzowania wybra-no w ten sposób, aby obejmowały one trady-cyjnie zalecane warunki obróbki oraz tempera-turę umoŜliwiającą otrzymanie dwufazowej struktury (austenitu i węglików). Temperatura i czas austenityzowania wynosiły odpowiednio:
900, 950, 1000, 1050, 1100, 1150 i 1200 oC oraz 5, 10, 20 i 40 minut
Próbki o wymiarach Ф20 x 4 mm austeni-tyzowane były w kąpieli solnej i hartowane w oleju. Badanie odporności na odpuszczające działanie temperatury przeprowadzono na próbkach hartowanych w temperaturze 1000 i 1150 oC, w przedziale temperatury 200–600
o
C. Czas wytrzymywania próbek w temperatu-rze odpuszczania wynosił 1/2; 1, 2 i 4 godziny.
3. METODYKA BADAŃ
Celem badań było określenie „optymal-nych” warunków austenityzowania oraz wa-runków, które umoŜliwiłyby otrzymanie dwu-fazowej struktury - austenitu i węglików. W ramach badań oceniono wpływ parametrów austenityzowania (temperatury i czasu) na wielkości ziaren, na zawartość austenitu szczątkowego i twardość, oraz na stereologicz-ne parametry węglików.
Wielkość ziaren byłego austenitu określo-no (zgodnie z określo-normą PN-84/H-04507/01) me-todą zliczania liczby przecięć siecznych z gra-nicami ziaren według Snyder-Graffa. Ocenę zawartości austenitu szczątkowego wyznaczo-no z pomocą dyfraktometru rentgewyznaczo-nowskiego KRISTALOFLEKS 4 firmy Siemens, posługu-jąc się metodą Bierwirtha [6], polegaposługu-jącą na porównaniu natęŜeń dwóch linii austenitu i martenzytu, a węglików – tradycyjną metodą zliczania ich powierzchni na zgładzie metalo-graficznym z pomocą analizatora obrazu MULTISCAN.
Ponadto na wybranych próbkach przepro-wadzono stereologiczne badania węglików, nierozpuszczonych podczas austenityzowania. Parametry stereologiczne węglików, ich liczbę i rozkłady określono przyjmując kulisty kształt cząstek w polidyspersyjnej strukturze, metodą Sałtykowa [7 i 8]. Oprócz liczby węglików w jednostce objętości Nv wyznaczono średnią
średnicę węglików D, ich dyspersję σD oraz powierzchnię właściwą Sv. Obserwacje za
po-mocą mikroskopu świetlnego przeprowadzono przy powiększeniu 1000 x. Z tego teŜ powodu znaczna część drobnych węglików nie została zauwaŜona.
4. WYNIKI BADAŃ
Badania stali NC10 obejmowały:
• ocenę wpływu parametrów (temperatury i czasu) austenituzowania na strukturę i twardość,
• stereologiczną ocenę skutków austenityzo-wania,
• badanie dopuszczalności stali o róŜnej, dwu-fazowej strukturze.
4.1. Wpływ parametrów austenityzowania na strukturę fazową i twardość
Związek pomiędzy temperaturą (T) a cza-sem (τ) austenityzowania opisać moŜna jednym parametrem
M = A(B+T)(C+logτ),
który odpowiednio związany z parametrem ziarnowej struktury stali ułatwia tworzenie
pro-stych charakterystyk materiałowych. Zmiany własności mechanicznych w pewnym przedzia-le temperaturowo-czasowym mogą być opisane zaleŜnością tych własności od wybranego pa-rametru struktury. Takie zaleŜności udało się określić podczas badań stali szybkotnących [9]. Wyznaczono wtedy związki wskaźnika wielko-ści ziaren Snyder-Graffa (S-G) z temperaturą i czasem austenityzowania, co pozwoliło zna-leźć interesujące, waŜne zaleŜności wybranych własności określonych w próbie zginania z tym wskaźnikiem. Oczywiście przy zastosowaniu stałych warunków odpuszczania. Podobne pró-by przeprowadzone na stali chromowej NC10 nie powiodły się, gdyŜ wielkość ziaren stali moŜna było ocenić dopiero po austenityzowa-niu w wyŜszej temperaturze, leŜącej poza za-kresem zalecanej temperatury hartowania.
W tablicy 1 przedstawiono wyniki pomia-rów wielkości ziaren ocenionych wskaźnikiem Snyder-Graffa. Wynika z niej, ze strukturę ziarnową stali NC10 moŜna było ocenić na próbkach austenityzowanych w temperaturze powyŜej 1050 oC, a więc wyŜszej od zalecanej. Z tablicy wynika ponadto, Ŝe wzrost temperatu-ry powoduje większe zmiany struktutemperatu-ry ziarno-wej stali aniŜeli wydłuŜenie czasu austenityzo-wania.
Ze wzrostem temperatury i czasu austeni-tyzowania węgliki w znacznej części ulegają rozpuszczeniu, co wiąŜe się ze wzrostem udzia-łu austenitu szczątkowego w stali. W tablicy 2 przedstawiono wyniki badań, podczas których wyznaczono udział objętościowy węglików oraz zawartość austenitu szczątkowego w har-towanej stali NC10. Wyniki potwierdzają w pewnym stopniu wspomniane tendencje. Doty-czy to przede wszystkim temperatury austeni-tyzowania. Z tablicy wynika ponadto, Ŝe od temperatury 1150 oC, niezaleŜnie od czasu au-stenityzowania, struktura jest stabilna; zawiera śladowe ilości martenzytu, a zawartość węgli-ków nie przekracza 3 %.
Wyniki pomiarów twardości podano w tablicy 3. Z tablicy wynika, Ŝe w dolnym zakresie temperatury austenityzowania twar-dość wzrasta ze wzrostem czasu i temperatury; w górnym zakresie obserwujemy odwrotne tendencje. Powodem jest wyraźnie zmniejsza-jący się udział węglików i wzrost zawartości austenitu szczątkowego.
Tablica 1: Wyniki oceny struktury ziarnowej hartowanej stali NC10 Table 1: Results of the evaluation of the grain structure of NC10 steel
Temperatura austenityzowania, oC Czas min 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 5 8,5 5,7 4,2 10 Ziaren nie zaobserwowano 8,8 5,4 3,5 20 7,4 7,6 4,9 3,9 40 8,0 7,3 5,8 3,5
Tablica 2. Udział objętościowy węglików i austenitu szczątkowego w hartowanej stali NC10 Table 2. Volume fraction of carbides and the retained austenite in hardened NC10 steel
Temperatura austenityzowania, oC Czas
min 900 950 1000 1050 1100 1150 1200
Udział objętościowy węglików, %
5 22,7 22,9 6,6 7,6 6,8 2,9 2,7
10 12,3 10,1 10,2 6,5 8,3 2,6 2,2
20 20,1 18,6 10,1 12,9 8,9 2,9 2,4
40 7,9 9,5 12,0 8,3 8,3 3,3 2,3
Zawartość austenitu szczątkowego, %
5 5,5 4,9 7,7 22,0 61,9
10 5,3 4,8 8,9 20,1 50,7
20 4,4 4,3 8,9 21,5 38,7
40 3,6 6,1 12,0 23,9 45,9
Ślady Fe α
Tablica 3. Wpływ warunków austenityzowania na twardość stali NC10 Table 3. Influence of austenitizing temperature on the hardness of NC10 steel
Temperatura austenityzowania, oC Czas min 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 5 52,8 59,6 64,6 64,5 51,8 33,0 28,0 10 54,7 61,3 64,6 60,0 50,3 31,7 28,7 20 55,5 61,8 64,5 61,7 53,7 34,0 29,0 40 57,5 62,2 64,7 61,3 51,7 32,3 24,3
Tablica 4. Parametry struktury stali NC10 hartowanej z róŜnej temperatury Table 4. Structure parameters of the NC10 steel after hardening from different temperature
Temperatura austenityzowania, oC Parametry struktury 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 NV, 107 mm-3 9,1 12,6 11,2 7,1 2,5 0,56 0,51 D, µm 0,99 0,98 1,00 0,82 1,24 1,55 1,51 σD, µm 0,41 0,37 0,42 0,39 0,86 0,92 0,91 SV, mm2/mm3 325 437 410 184 176 56 49 σD/D 0,42 0,38 0,42 0,47 0,70 0,59 0,60
Rysunek 2 stanowi podsumowanie wyni-ków badań rentgenostrukturalnych (austenit szczątkowy), mikroskopowej oceny udziału objętościowego węglików oraz pomiarów twardości. Z rysunku wynika, ze w niskiej tem-peraturze austenityzowania do około 1000 oC udział węglików moŜliwych do zaobserwowa-nia pod mikroskopem świetlnym (powiększe-nie 1000 x) zmienia się stosunkowo (powiększe-nie wiele. Zmniejszenie zawartości węglików po austeni-tyzowaniu w wyŜszej temperaturze wiąŜe się jednocześnie z wyraźnym wzrostem zawartości austenitu szczątkowego i obniŜeniem twardo-ści. Z wykresu wynika ponadto, Ŝe od tempera-tury 1150 oC udział objętościowy węglików i twardość prawie nie ulegają zmianie, a struk-tura staje się dwufazowa; składa się jedynie z austenitu i węglików w ilości do około 3%. Tę sytuację wykorzystano w dalszych bada-niach, związanych z oceną wpływu struktury i odkształcenia plastycznego na dyfuzję azotu w ledeburytycznych stalach chromowych o róŜnej strukturze osnowy.
0% 20% 40% 60% 80% 100% 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 Temperatura hartowania oC U d zi ał o b ję to śc io w y 0 15 30 45 60 75 T w ar d o ść H R C
węgliki austenit szczątkowy martenzyt twardość
Rys. 2. Wpływ temperatury austenityzowania na skład fazowy oraz na twardość hartowanej stali NC10;
czas austenityzowania - 10 minut Fig. 2. Influence of the austenitizing temperature on the phase composition and hardness of NC10 steel;
time of austenitizing – 10 minute
4.2 Stereologiczna analiza struktury harto-wanej stali NC10
Na rys. 3 pokazano mikrofotografie struk-tury stali NC10 w stanie wyŜarzonym oraz har-towanym z temperatury 1000 i 1150 oC. Ste-reologiczne badania struktury tej stali hartowa-nej z róŜhartowa-nej temperatury przeprowadzono na próbkach austenityzowanych w ciągu 10 minut.
Wyniki pomiarów parametrów struktury wę-glików NV, D, σD , σD /D i SV stali podano
w tablicy 4 oraz na rysunkach 3-5.
a)
b)
c)
Rys. 3. Struktura stali NC10 w stanie wyŜarzonym (a), oraz hartowanym z temperatury 1000 oC (b) i 1150 oC (c).
Pow. 500x
Fig. 3. Structure of the NC10 steel in annealing state (a)
an after hardening from 1000 oC (b) and 1150 oC (c).
Z rys. 4 wynika, Ŝe gwałtowna zmiana ilości węglików Nv następuje po przekroczeniu
1000 oC i wiąŜe się z wyraźnym wzrostem ich średniej średnicy D (rys. 5). Od temperatury 1050 oC wzrasta średnie odchylenie σD oraz wartość stosunku σD do średniej średnicy wę-glików (rys. 5), co wskazuje na zwiększona ich niejednorodność w wyŜszej temperaturze. Zmiany powierzchni właściwej węglików Sv
(rys. 6) ze wzrostem temperatury austenityzo-wania były podobne jak zmiany wartości Nv
(rys. 4). 0 2 4 6 8 10 12 14 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 Temperatura, oC L ic zn o ść NV , 1 0 7 m m 3
Rys. 4. Wpływ temperatury austenityzowania na liczność NV węglików hartowanej stali NC10 Fig. 4. Influence of the austenitizing temperature
on the number of carbide in the volume unit NV of the hardening NC10 steel
a b c 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 Temperatura, oC D , σ D , m 0 0,2 0,4 0,6 0,8 σ D /D
Rys. 5. Wpływ temperatury austenityzowania na parametry struktury węglikowej hartowanej stali NC10: a – średnią średnicę D, b – odchylenie standar-dowe średniej średnicy σD, c – wartość stosunku
odchy-lenia standardowego do średniej średnicy σD/D Fig. 5. Influence of the austenitizing temperature on carbide structure parameters of the hardening NC10
steel: a – mean diameter D, b - mean deflection of the mean diameter σD, c – value of the ratio of the mean deflection to the mean diameter σD/D
Interesująco wypada ocena wpływu tempe-ratury austenityzowania na liczność węglików w poszczególnych klasach (rys. 7) Krzywe rozkładu róŜnią się od rozkładu normalnego Gaussa. W kaŜdym przypadku najwięcej wę-glików znajduje się w klasie najdrobniejszej. Wzrost temperatury powoduje zmniejszenie liczby węglików w klasach najdrobniejszych; zwiększa się udział węglików w klasach o większej średnicy. W próbce hartowanej z najwyŜszej temperatury 1200 oC, węgliki w klasie najdrobniejszej prawie nie występują.
0 100 200 300 400 500 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 Temperatura, oC S v , m m 2 /m m 3
Rys. 6. Wpływ temperatury austenityzowania na powierzchnię właściwą SV hartowanej stali NC10
Fig. 6. Influence of the austenitizing temperature on the specific surface of carbide SV
of the hardening NC10 steel
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7
Maksymalna średnica węglików w klasie, µm
L ic zn o ść N v , 1 0 7 m m -3 950 1050 1200
Rys. 7. Rozkłady liczności węglików (w klasach średnic) hartowanej stali NC10 po austenityzowaniu w róŜnej
temperaturze; 950, 1050 i 1200 oC
Fig. 7. Frequency distribution of carbides (in classes of diameter) of the NC10 steel quenched after austeniti-zing at different temperature; 950, 1050 and 1200 oC
Z rysunków wynika, Ŝe istotne zmiany struktury węglikowej mają miejsce w przedzia-le temperatury austenityzowania 1000-1150 oC. Wtedy to większość węglików rozpuszcza się, co sprzyja rozrostowi ziaren i powoduje, Ŝe ze wzrostem temperatury austenityzowania zawar-tość austenitu szczątkowego w osnowie harto-wanej stali wzrasta. W temperaturze leŜącej powyŜej tego zakresu zawartość austenitu szczątkowego prawie nie ulega zmianie, choć rozpuszczanie węglików nadal zachodzi. Wpływa to na jednorodność struktury węgli-kowej. Pozostające po austenityzowaniu bardzo drobne węgliki nie stanowią juŜ przeszkód dla migracji granic ziaren. Skutkiem tego otrzymu-jemy obszary gruboziarnistej struktury (rys. 8). W miejscach większych skupisk duŜych węgli-ków struktura ziarnowa jest raczej stabilna.
Rys. 8. Struktura stali NC10 hartowanej z temperatury 1200 oC. Pow. 500x
Fig. 8. Structure of the NC10 steel after hardening from 1200 oC. Magnification 500x
Zmiany stanu strukturalnego stali NC10 wykorzystano w dalszych badaniach. Oceniając wpływ warunków odpuszczania na własności wykorzystano istotne róŜnice osnowy. Do ba-dań wybrano próbki o róŜnej ,w przybliŜeniu dwufazowej strukturze, zawierające węgliki z martenzytem lub austenitem. W strukturach pominięto, wykryte podczas rentgenowskiej analizy strukturalnej, śladowe zawartości γ lub α-Fe. Otrzymanie takich struktur gwarantowała temperatura austenityzowania - 1000 i 1150 oC.
4.3. Wpływ stanu strukturalnego po hartowa-niu na odpuszczalność stali NC10
Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno, zwłaszcza stale o strukturze ledebury-tycznej, cechuje złoŜoność zjawisk struktural-nych zachodzących podczas odpuszczania. Istotny wpływ na właściwości tych stali (twar-dość, udarność, wytrzymałość na zginanie i inne) ma stan strukturalny osnowy oraz wiel-kość i udział węglików. Wpływ zawartości austenitu szczątkowego na własności jest nadal badany. 0 10 20 30 40 50 60 70 100 200 300 400 500 600 700 Temperatura odpuszczania, oC T w ar d o ść , H R C 1000 1150
Rys. 9. Wpływ temperatury dwugodzinnego odpuszczania na twardość stali NC10 hartowanej
z temperatury 1000 i 1150 oC
Fig. 9. Influence of the temperature of two hours tempering on the hardness of NC10 steel after hardening
from 1000 and 1150 oC
Materiałem badanym były próbki zaharto-wane z temperatury 1000 oC, o twardości około 64 HRC, oraz z temperatury bliskiej solidusu – 1150 oC, o twardości 33 HRC, gwarantującej otrzymanie dwufazowej struktury – austenitu i węglików. Odpuszczanie przeprowadzono w temperaturze 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550 i 600 oC, w ciągu 0,5; 1; 2 i 4 godzi-ny. Na rys. 9 przedstawiono wyniki badań w postaci tradycyjnej charakterystyki; zaleŜ-ność twardości od temperatury odpuszczania w ciągu dwóch godzin. Przy ocenie dopusz-czalności wykorzystano równieŜ związek Jaffe-Hollomona pomiędzy temperaturą (T), a cza-sem odpuszczania (t) w postaci
M + T (C + log t),
który odpowiednio związany z twardością uła-twia tworzenie prostej charakterystyki
materia-łowej (rys. 10 i 11). Z rysunków wnioskować moŜna o wpływie struktury po hartowaniu na zachowanie się stali podczas odpuszczania.
0 10 20 30 40 50 60 70 9000 11000 13000 15000 17000 19000 Parametr odpuszczania M=T(C+logt)
T w ar d o ść , H R C 0 5 10 15 20 25 30 35 A u st en it , % Twardość Austenit
Rys. 10. Wpływ parametru odpuszczania na twardość i zawartość austenitu w stali NC10 hartowanej
z temperatury 1000 oC
Fig. 10. Influence of the tempering parameter on the hardness and the value of austenite of the NC10 steel after hardening from 1000 oC
Rys. 11. Struktura stali NC10 hartowanej z temperatury 1000 oC, po dwugodzinnym odpuszczaniu
w temperaturze 500 oC. Pow. 1000x
Fig. 11. Structure of the NC10 steel after hardening from 1000 oC and after two hour tempering at 500 oC.
Magnification 1000x
Po tradycyjnym hartowaniu z niŜszej tem-peratury twardość stali jest z razu wysoka i po niewielkim spadku na początku, do temperatu-ry odpuszczania 500 oC. (rys. 9) i M = 15500 (rys. 10) utrzymuje się na stałym poziomie; powyŜej następuje gwałtowny spadek twardo-ści. Od tego miejsca (temperatury odpuszcza-nia) zaczyna się wzrost twardości próbek har-towanych z temperatury 1150 oC. W przypadku stali hartowanej z niŜszej temperatury niewielki spadek twardości, w zakresie parametru od-puszczania do wartości M = 15500,
spowodo-wany jest utwardzaniem wydzieleniowym, a przy mniejszej wartości parametru M izoter-miczną przemianą austenitu w martenzyt lub w bainit. Na rys. 11 pokazano strukturę stali NC10 hartowanej z temperatury 1000 oC i od-puszczonej w temperaturze 500 oC.
Stal hartowana z temperatury 1150 oC (rys. 12) zawiera bardzo stabilny austenit, a jego przemiana w strukturę o większej twardości (prawdopodobnie w strukturę typu bainitycz-nego) zachodzi, w bardzo wąskim przedziale, dopiero powyŜej wartości parametru M = 1550; powyŜej następuje spadek twardości skutkiem koagulacji węglików wydzielonych.
0 10 20 30 40 50 60 70 9000 11000 13000 15000 17000 19000 Parametr odpuszczania M=T(C+logt)
T w ar d o ść , H R C 0 15 30 45 60 75 90 105 A u st en it , % Twardość Austenit
Rys. 12. Wpływ parametru odpuszczania na twardość i zawartość austenitu w stali NC10 hartowanej
z temperatury 1150 oC
Fig. 12. Influence of the tempering parameter on the hardness and the value of austenite of the NC10 steel after hardening from 1150 oC
Przemiany zachodzące przy odpuszczaniu stali NC10 hartowanej z temperatury 1150 oC ilustrują mikrofotografie na rys. 13. Z rysunku wynika, Ŝe czterogodzinne odpuszczanie w temperaturze 450 oC (a) nie powoduje jesz-cze wyraźnych zmian struktury osnowy stali. Ślady przemiany struktury austenitu na grani-cach ziaren austenitu widoczne są w strukturze próbki odpuszczonej w temperaturze 500 oC (b). Wzrost temperatury o 50 oC powoduje dal-szy rozpad austenitu, mimo krótkiego czasu odpuszczania. Czterogodzinne odpuszczanie w temperaturze 600 oC powoduje prawie całkowi-tą likwidację austenitu, o czym moŜna wnio-skować na podstawie charakterystyk na rys. 12.
a)
b)
c)
d)
Rys. 13. Struktura stali NC10 po hartowaniu z temperatury 1150 oC i odpuszczonej; temperatura i czas odpuszczania: a) 450 oC/ 4 h, b) 500 oC/ 4 h,
c) 550 oC/ 0,5 h, d) 600 oC/ 4 h. Pow. 1000x Fig. 13. Structure of the NC10 steel after hardening from 1150 oC and after tempering; temperature and time
of the tempering: : a) 450 oC/ 4 h, b) 500 oC/ 4 h, c) 550 oC/ 0,5 h, d) 600 oC/ 4 h. Magnification 1000x
5. PODSUMOWANIE WYNIKÓW BADAŃ I WNIOSKI
DuŜy wpływ chromu na stabilność austeni-tu w stali o strukausteni-turze ledeburytycznej, po jej hartowaniu z wyŜszej temperatury, wzbudził nasze zainteresowanie. Chodziło o wykorzy-stanie tej cechy w praktyce; moŜliwość zasto-sowania nagniatania celem uzyskania wyrobów i narzędzi umocnionych powierzchniowo z ciągliwym rdzeniem. Konieczne było zatem wyznaczenie udziału austenitu po hartowaniu stali w szerokim przedziale temperatury auste-nityzowania. WaŜną była równieŜ ocena stabil-ności otrzymanych struktur i raz ich ilościowy opis metodami stereologicznymi.
Badania wykazały, Ŝe moŜliwe jest otrzy-manie pseudodwufazowych struktur; martenzy-tu z niewielką ilością austenimartenzy-tu szczątkowego i węglików, oraz austenitu ze śladowa zawarto-ścią fazy α, z niewielką ilozawarto-ścią nierozpuszczo-nych węglików pierwotnierozpuszczo-nych. Jak wykazały badania, otrzymany w ten sposób austenit jest bardzo trwały, dopiero powyŜej 500 oC (para-metr M = 15500) ulega rozpadowi na struktury typu bainitycznego.
Badania pozwoliły sformułować następu-jące wnioski:
1. Strukturę ziarnową stali NC10 moŜna oce-nić dopiero po austenityzowaniu i harto-waniu z temperatury 1000 oC. Z dwóch pa-rametrów austenityzowania (temperatury i czasu) czas ma - w tym przypadku - mniejsze znaczenie.
2. Ze wzrostem temperatury austenityzowa-nia węgliki rozpuszczają się; intensywnie w przedziale temperatury 1000 – 1100 oC. Rośnie przy tym udział węglików w kla-sach większej średnicy. PowyŜej tempera-tury austenityzowania 1150 oC zawartość węglików w stali i ich parametry stereolo-giczne nie ulegają zmianie.
3. Segregacja węglików wpływa na niejedno-rodność struktury ziarnowej stali NC10, zwłaszcza po hartowaniu z wysokiej tem-peratury.
4. Stal NC10 po hartowaniu tradycyjnym i po odpuszczaniu do temperatury 500 oC (M = 15500) wykazuje duŜą twardość; powyŜej następuje gwałtowny spadek twardości. 5. Stal NC10 po hartowaniu z temperatury
1150 oC, skutkiem duŜej zawartości auste-nitu, wykazuje małą twardość (33 HRC). Austenit jest bardzo stabilny; twardość ta utrzymuje się do temperatury odpuszcza-nia 500 oC (parametr odpuszczania 15500). Wysoką twardość (około 60 HRC) uzy-skano w wąskim przedziale temperatury, powyŜej tego zakresu.
LITERATURA
[1] Bielecki M.: Charakterystyki stali. Seria F: Stale narzędziowe. Tom II: Stale stopowe do pracy na zimno. Wyd. Śląsk – Katowice 1976, s. 205 [2] Peter W., Matz W.: Das Umwandlungsverhalten
von Stählen mit 12 bis 14 % Cr. Arch. Eisenhüt-tenwesen. 1957, t. 28, nr 12, s. 807 – 823, 22 rys., 1 tab., bibliogr. 16 poz.
[3] Staska E., Kulmburg A.: Einfluß der Austenisie-rungsbedingungen auf und Regin der Martensi-tumwandlung nund die Härte Ledeburitischer Stäh-le mit 12 % Cr. Arch. Eisenhüttenwesen. 1972, t. 43, nr 11, s. 855 – 861, 14 rys. 1 tab., bibliogr. 58 poz.
[4] Černyševa T. A., Gvozdev A. E., Bazyk A. C.: Vlijanie sverchplastičeskoj deformacji pri različych schemach napražennogo sostojanija na strukturu bystrorežuščich stalej. Metalloved. i Term. Obrab. Metallov.: 1989, nr 5, s. 30 – 34, 1 rys., 2 tab., bibliogr. 19 poz.
[5] Berkowski L.: Wpływ struktury na skutki azotowa-nia chromowych stali ledeburytycznych. Część 1: Informacje o materiale badań. Obróbka Plastyczna Metali. 2005, t. 16, nr 5, s. 5 – 15, 12 rys., 2 tab., bibliogr. 26 poz.
[6] Bierwirth G.: Sonderdruck aus Materialprüfung. Siemens 1961
[7] Sałtykow S.A.: Stereometričeskaja metallografija. Izd. Metallurgija, Moskwa 1976, s. 375, rys. 190, tab. 59, bibliogr. 166 poz.
[8] Ryś J.: Metalografia ilościowa, Skrypt AGH nr 922, Kraków 1983, s. 172, rys. 52, tab. 20, bibliogr. 56 poz.
[9] Berkowski L.: Stale szybkotnące na narzędzia do obróbki plastycznej. INOP Poznań 1994, s. 230, rys. 133, tab. 10, bibliogr. 77 poz.
