xviii-3-1-nowy, nc11lv(1)
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Obróbka Plastyczna Metali t. XVIII nr 3 (2007)
Prof. dr hab. inŜ. Leopold BERKOWSKI
Dr inŜ. Jacek BOROWSKI
Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań
Wpływ struktury na skutki azotowania
chromowych stali ledeburytycznych
Cz
ęść
III. Warunki obróbki cieplnej stali NC11LV
The influence of structure of the results of the nitriding
of ledeburitic chromium steels
Part III. Heat treatment conditions of NC11LV steel
Streszczenie
Przestawiono wyniki badań stali chromowej NC11LV, stosowanej na narzędzia do obróbki plastycznej na zim-
no. Badania obejmowały pomiary twardości, analizę fazową, obserwacje mikroskopowe struktury oraz ocenę
stereologicznych parametrów węglików. Celem badań była ocena wpływu struktury osnowy hartowanej stali
(martenzyt z niewielką ilością austenitu oraz austenit ze śladami fazy α) na odpuszczające działanie temperatury.
Badania wykazały, Ŝe gwałtowne zmiany struktury zahartowanej stali zachodzą po austenityzowaniu w przedzia-
le temperatury 1050 – 1150
o
C. Wykazano ponadto, Ŝe austenit po hartowaniu z wyŜszej temperatury (powyŜej
1150
o
C) jest bardzo trwały. Z porównania charakterystyk stali NC10 [2] i NC11LV wynika, Ŝe stal NC11LV
wykazuje większa odporność na odpuszczające działanie temperatury.
Abstract
The paper show the result of the research of chromium tool steel NC11LV used especially on tools for the cold
plastic deformation. The research obtained the hardness measurements, the phase analyse, microscopic observa-
tion and the evaluation of stereological parameters of carbides. The aim was the determination the influence
of the structure of the matrix (martensite with a little part of the austenite or of austenite with the fractional
of the
α
phase) on the resistance of the tempering temperature of the steel under investigation.
The research show, that the rapid changes of the structure occurs after austenitizing in the temperature range
1050 – 1150
o
C. The research also show, that the austenit obtained after hardening by highest temperature
(above 1150
o
C) is very stable. The comparison of the characteristic of the steels NC10 and NC11LV show, that
the NC11LV steel exhibite significuntly much better resistance on the tempering tempera
ture.
Słowa kluczowe:
chromowe stale narzędziowe, obróbka cieplna, struktura, właściwości
Key words:
chromium tool steels, heat treatment, structure, properties
1. WST
Ę
P
NC11LV – podobnie jak stal NC10 – zawiera
duŜo węglików pierwotnych, co sprawia, Ŝe
wykazuje ona stosunkowo małą odporność na
pękanie, zwłaszcza w obszarach duŜej ich se-
gregacji. Dodatki stopowe powodują wzrost
odporności na odpuszczające działanie tempe-
ratury.
Na rys. 1 pokazano wykres CTPi stali
H12M [3] o składzie chemicznym zbliŜonym
do stali NC11LV. Charakterystyka stali jest
podobna, choć w porównaniu ze stalą NC10
Stal X153CrMoV12 (dawniej NC11LV), to
druga stal badana w ramach projektu KBN nr
1012/T08C/96/11, pt
Podstawy technologii
narz
ę
dzi z wykorzystaniem dyfuzji azotu w od-
kształconych, wysokochromowych stalach le-
deburytycznych
[1]. Stal zawiera zbliŜoną do
stali NC10 (omówionej w pracy [2]) zawartość
węgla i chromu, róŜni się natomiast dodatkiem
molibdenu i wanadu (w ilości około 1 %). Stal
4
L. Berkowski, J. Borowski
[2], przemiany perlityczna i bainityczna prze-
sunięte są w czasie (w prawo), a przemiana
martenzytyczna rozpoczyna się w niŜszej tem-
peraturze (Ms stali NC10 w 270
o
C, a stali
NC11LV w 230
o
C). Przyczyną tych zmian jest
z pewnością udział Mo i V, a takŜe nieco wyŜ-
sza temperatura austenityzowania stali
NC11LV; 950
o
C w przypadku stali NC10
i 980
o
C – stali NC11LV.
Ogólnie, chromowe stale ledeburytyczne
omówione zostały w pracy [5]. W niniejszym
artykule przedstawione zostaną wyniki badań
wpływu warunków obróbki cieplnej na struktu-
rę i własności stali NC11LV. Podobnie jak
w poprzedniej publikacji [2], celem badań było
określenie warunków otrzymywania skrajnych
struktur pseudodwufazowych, zawierających
austenit + węgliki oraz martenzyt + węgliki,
a takŜe uzyskanie informacji o wpływie stanu
osnowy (austenit lub martenzyt) na odpusz-
czalność badanej stali.
Rys. 2. Wykres CTPc stali NC11VL [4]
Fig. 2. CCT diagram for NC11VL steel
[4]
Rys. 1. Wykres CTPi stali H12M (1,55% C; 0,45% Si;
0,27% Mn; 11,34% Cr; 0,53% Mo 0,24% V).
Temperatura austenityzowania 980
o
C [3]
Fig. 1. TTT diagram for H12M steel (1,55% C; 0,45%
Si; 0,27% Mn; 11,34% Cr; 0,53 % Mo 0,24% V).
Austenitizing temperature 980
o
C
[3]
2. MATERIAŁ BADANY I OBRÓBKA
CIEPLNA PRÓBEK. METODY BADA
Ń
Materiałem badanym była stal NC11LV
w stanie wyŜarzonym, w postaci prętów
o średnicy f24 mm i następującym składzie
chemicznym w %:
Ze wzrostem zawartości węgla w stali ro-
śnie zawartość austenitu szczątkowego. W stali
wysokochromowej NC11LV występują węgli-
kotwórcze składniki stopowe - molibden i wa-
nad. StęŜenie tych składników w austenicie jest
bardzo nierównomierne; w pobliŜu nierozpusz-
czonych węglików stęŜenie jest większe, co
wpływa na kinetykę przemian fazowych przy
chłodzeniu stali. Natomiast wydzielanie węgli-
ków wtórnych na granicach ziaren, które za-
chodzi w pierwszej fazie przy chłodzeniu cią-
głym, zmniejsza zawartość węgla w austenicie.
Intensywność wydzielania węglików wtórnych
jest wtedy tak duŜa, Ŝe na wykresie CTPc (wg
J. Pacyny [4]) obserwuje się dwa zakresy tem-
peratury Ms. Na rys.2 przedstawiono wykres
CTPc stali NC11VL.
C – 1,65; Cr – 11,9; Si – 0,27; Mn – 0,30;
P – 0,029; S – 0,025; Mo – 0,9; V – 0,71;
Analizowano wpływ warunków obróbki ciepl-
nej na strukturę i twardość stali w zakresie
temperatury 900, 950, 1000, 1050, 1100, 1150,
1200
o
C oraz w zakresie czasu austenityzowa-
nia 5, 10, 20, 40 min.
Po austenityzowaniu w kąpieli solnej, próbki
o wymiarach Ф20x4 hartowane były w oleju.
Badania odpuszczalności przeprowadzono
w przedziale temperatury 200–600
o
C, na prób-
kach zahartowanych z temperatury 1020
i 1150
o
C. Czas wytrzymywania próbek w tem-
peraturze odpuszczania wynosił 0,5; 1; 2 i 4
godziny.
Wpływ struktury na skutki azotowania chromowych stali ...
5
Celem badań, podobnie jak w pracy [2],
było zoptymalizowanie warunków obróbki
cieplnej oraz określenie temperatury gwarantu-
jącej otrzymanie pseudodwufazowej struktury
– austenit + węgliki. W badaniach oceniano
wpływ parametrów austenityzowania (tempera-
tury i czasu) na wielkość ziaren wyznaczoną
metodą Snyder-Graffa (wg PN-84/H-
04507/01). Zawartość austenitu szczątkowego
określono za pomocą dyfraktometru rentge-
nowskiego Kristalofleks f-my Siemens, para-
metry struktury węglików określono za pomo-
cą analizatora obrazu Multiscan. Przeprowa-
dzono takŜe badania twardości. BliŜsze infor-
macje o zastosowanych metodach badawczych
podano w pracy [2]. Struktury stali obserwo-
wano pod mikroskopem świetlnym przy po-
większeniu 1000x.
a udział objętościowy węglików wynosi około
3%.
Tablica 1. Wyniki oceny struktury ziarnowej hartowanej
stali NC11LV
Table 1. Results of the evaluation of the grain structure
of NC11LV steel after hardening
Temperatura,
o
C
900
950 1000 1050 1100 1150 1200
5
5,5
4,3
10
Ziaren nie zaobserwowano
7,2
4,8
3,4
20
6,7
5,1
3,2
40
6,8
4,4
3,2
Tablica 2. Udział objętościowy węglików i austenitu
szczątkowego w hartowanej stali NC11LV
Table 2. Volume fraction of carbides and the retained
austenite in hardened NC11LV steel
Temperatura,
o
C
3. WYNIKI BADA
Ń
Czas
min
900 950 1000 1050 1100 1150 1200
Udział objętościowy węglików, %
Badania stali NC11LV obejmowały:
•
ocenę wpływu parametrów (temperatury
i czasu) austenityzowania na strukturę
i twardość,
5
10,6 11,0 10,2
9,4
9,6
3,8
2,8
10
9,2
12,9 10,8 11,0
4,3
3,8
2,5
•
stereologiczną ocenę skutków austenityzo-
wania,
20
10,8 18,6 10,1 12,9
8,9
2,9
2,4
40
11,1 10,7 11,9
9,2
4,2
4,5
3,0
•
badanie odpuszczalności stali o róŜnej,
dwufazowej strukturze.
Zawartość austenitu szczątkowego, %
5
4,2
3,7
6,1
10,7 40,7
Ślady Fe α
3.1. Wpływ parametrów austenityzowania na
struktur
ę
fazow
ą
i twardo
ść
10
1,2
2,8
6,0
15,4 41,8
20
0,0
4,7
6,4
20,5 27,1
40
2,1
1,3
2,2
12,0 20,3
W tablicy 1 przedstawiono wyniki pomia-
rów wielkości ziaren ocenionych wskaźnikiem
Snyder-Graffa. Wynika z niej, Ŝe zmiany struk-
tury ziaren zaleŜą głównie od temperatury au-
stenityzownia; zmiany wskaźnika S-G ze wzro-
stem czasu są nieregularne. Podobnie, duŜą
nieregularność zmian pod wpływem czasu au-
stenityzowania zauwaŜono przy ocenie udziału
objętościowego węglików oraz zawartości au-
stenitu szczątkowego stali NC11LV.
Z tablicy 2 wynika, Ŝe ze wzrostem tempe-
ratury austenityzowania udział węglików
zmniejsza się, a zawartość austenitu szczątko-
wego – rośnie; intensywnie po przekroczeniu
temperatury 1100
o
C. Z tablicy wynika ponad-
to, Ŝe skład fazowy stali, powyŜej temperatury
1150, zawiera jedynie śladowe ilości ferrytu,
Wyniki pomiarów twardości podano w ta-
blicy 3. Z tablicy wynika, Ŝe do temperatury
austenityzowania 1050
o
C (zalecana, górna
temperatura hartowania) twardość stali wzrasta,
a powyŜej tej temperatury, skutkiem gwałtow-
nego wzrostu zawartości austenitu szczątkowe-
go, intensywnie maleje do temperatury austeni-
tyzowania 1150
o
C. PowyŜej tej temperatury,
zmiany twardości pod wpływem zmiany tem-
peratury są minimalne; podobnie jak zmiany
austenitu szczątkowego. Z tablicy wynika rów-
nieŜ, Ŝe wpływ czasu austenityzowania na
twardość jest minimalny.
Czas
min
6
L. Berkowski, J. Borowski
Tablica 3. Wpływ warunków austenityzowania
na twardość stali NC11LV
Table 3. Influence of austenitizing temperature
on the hardness of NC11LV steel
Temperatura austenityzowania,
o
C
struktury węglikowej stali NC11LV w stanie
wyŜarzonym były następujące:
Czas
min
900
N
V
= 31,4x10
-7
mm
-3
;
D
= 1,49 µm;
σ
D
= 0,77 µm; S
V
= 275 mm
2
/mm
3
; σ
D
= 0,52.
950 1000 1050 1100 1150 1200
5
49,2 55,3 62,0 64,2 50,5 34,7 29,2
10
50,8 54,5 63,0 62,2 54,7 28,3 30,8
20
54,0 59,7 63,0 63,2 59,0 36,7 31,0
40
53,0 59,3 63,3 63,2 59,7 34,8 29,3
Na rysunku 3 przedstawiono podsumowa-
nie wyników badań strukturalnych (określenie
zawartości austenitu szczątkowego i udziału
objętościowego węglików) oraz pomiarów
twardości. Obserwowane zmniejszenie udziału
węglików wiąŜe się ze wzrostem udziału au-
stenitu szczątkowego i ze spadkiem twardości.
Z wykresu wynika ponadto, Ŝe od temperatury
1150
o
C struktura staje się pseudodwufazowa;
zawiera austenit ze śladami fazy α oraz węgliki
w ilości (około 3%). Ten stan strukturalny wy-
korzystano w badaniach wpływu struktury na
dyfuzję azotu w odkształconej plastycznie stali
NC11LV.
Rys. 4. Struktura stali NC11LV w stanie wyŜarzonym.
Pow. 500x
Fig. 4. Structure of the NC11LV steel after annealing.
Magnification 500x
Na rys. 5 pokazano rozkład prezentujący
liczność węglików N
V
w poszczególnych kla-
sach wielkości średnic. Podobnie jak w przy-
padku stali NC10 [2] wykres ten, jak i pozosta-
łe rozkłady liczności węglików stali NC11LV
róŜnią się od rozkładu normalnego, przy czym
liczność węglików w najmniejszej klasie stali
w stanie wyŜarzonym przewyŜsza liczność
węglików w tych klasach stali hartowanej
(rys.10). Powodem jest to, Ŝe podczas austeni-
tyzowania część drobnych węglików zanika,
a większe zmniejszają się skutkiem rozpusz-
czania.
węgliki
austenit szczątkowy
martenzyt
twardość
100%
75
80%
60
60%
45
40%
30
20%
15
0%
0
stan
wyŜ.
900
950 1000 1050 1100 1150 1200
Temperatura hartowania [
o
C]
14
Rys. 3. Wpływ temperatury austenityzowania na skład
fazowy oraz na twardość hartowanej stali NC11LV;
czas austenityzowania - 10 minut
Fig. 3. Influence of the austenitizing temperature
on the phase composition and hardness of NC11LV
steel; time of austenitizing – 10 minute
12
10
8
6
4
2
0
3.2. Stereologiczna analiza struktury stali
NC11LV
0
2
4
6
8
10
12
Maksymalna średnica węglików w klasie,
µ
m
Stal NC11LV w stanie wyŜarzonym za-
wiera przede wszystkim węgliki Cr
7
C
3
, roz-
mieszczone nierównomiernie na tle ferrytycz-
nej osnowy (rys. 4). Stereologiczne parametry
Rys. 5. Rozkład liczności węglików (w klasach średnic)
stali NC11LV w stanie wyŜarzonym
Fig. 5. Frequency distribution of carbides (in classes
of diameter) of the NC11LV steel after annealing
Wpływ struktury na skutki azotowania chromowych stali ...
7
a)
Na rys. 6 pokazano struktury stali NC11LV
w stanie zahartowanym w oleju, po austenity-
zowaniu w róŜnej temperaturze. Z rysunku
wynika, Ŝe po hartowaniu z temperatury powy-
Ŝej 1100
o
C ilość węglików gwałtownie maleje,
a granice ziaren stają się widoczne.
Stereologiczne badania struktury węgliko-
wej stali NC11LV przeprowadzono na prób-
kach austenityzowanych w ciągu 10 minut.
Parametry struktury węglików, ich liczbę i roz-
kłady określano – podobnie jak poprzednio [2]
– przyjmując kulisty kształt cząstek w polidys-
persyjnej strukturze, metodą Sołtykowa [6].
Oprócz liczby węglików w jednostce objętości
N
V
, wyznaczono średnią średnicę węglików
D
,
ich dyspersję
σ
D
oraz powierzchnię właściwą
S
V
. Z pomocą analizatora obrazu oceniano 10
miejsc struktury przy powiększeniu 1000x. Jest
to stosunkowo małe powiększenie i dlatego
część drobnych węglików mogła być pominięta
w ocenie. Wyniki obserwacji podano w tablicy
4 oraz na rysunkach 7, 8, 9.
b)
c)
Tablica 4. Parametry struktury stali NC11LV
hartowanej z róŜnej temperatury
Table 4. Structure parameters of the NC11LV steel after
hardening from different temperature
Para-
metry
struk-
tury
Temperatura austenityzowania,
o
C
900
950 1000 1050 1100 1150 1200
N
v
,
10
7
mm
-3
5,1
9,2
6,8
9,2
2,9
0,8
0,6
D,
m
1,16 1,11 1,11 1,04 1,04
1,31
1,49
σ
D
, m
0,58 0,53 0,55 0,49 0,54
0,89
1,03
d)
S
v
,
mm
2
/mm
3
269
449 331 384 127
68
63
σ
D
/
D
0,50 0,47 0,50 0,47 0,51
0,68
0,69
Rys. 6. Struktura stali NC11LV w stanie zahartowanym
z temperatury 1000
o
C (a), 1100
o
C (b), 1150
o
C (c)
i 1200
o
C (d). Pow. 500x
Fig. 6. Structure of the NC11LV steel after hardening
from 1000
o
C (a), 1100
o
C (b), 1150
o
C (c)
and 1200
o
C (d). Magnification 500x
Na rys. 7 przedstawiono wpływ temperatu-
ry austenityzowania na liczność węglików.
Z rysunku wynika, Ŝe od temperatury austeni-
tyzowannia 1050
o
C udział węglików wyraźnie
się zmniejsza, a od temperatury austenityzowa-
nia 1150
o
C nie ulega zmianie. DuŜy rozrzut
udziałów węglików w próbkach zahartowanych
z niŜszej temperatury wynika z występowania
w nich (prawdopodobnie) duŜej segregacji
i bardzo zróŜnicowanej ich wielkości. Stal
NC11LV, stal narzędziowa o strukturze lede-
burytycznej, zwłaszcza konwencjonalnego wy-
topu, charakteryzuje się duŜą niejednorodno-
[ Pobierz całość w formacie PDF ]