xviii-4-5-nowy, nc11lv(2)
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Obróbka Plastyczna Metali t. XVIII nr 4 (2007)
Prof. dr hab. inŜ. Leopold BERKOWSKI, doc. dr hab. inŜ. Ignacy WIERSZYŁŁOWSKI,
dr inŜ. Jacek BOROWSKI
Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań
Wpływ struktury na skutki azotowania
chromowych stali ledeburytycznych
Cz
ęść
IV. Dylatometryczne badania stabilno
ś
ci struktury
hartowanej stali NC11LV
The influence of structure on the results of the nitriding
of ledeburitic chromium steels
Part IV: Dilatometric analysis the stability of the structure
of hardened NC11LV steel
Streszczenie
W artykule omówiono wyniki badań, których celem była ocena stabilności austenitu szczątkowego w stali
NC11LV (X153CrMoV12) o pseudodwufazowej strukturze; zwłaszcza zawierającej węgliki, austenit szcząt-
kowy i martenzyt śladowej ilości. Udział austenitu szczątkowego określono metodą dylatometryczną. Badania
wykazały, Ŝe zakres przemiany austenitu przy chłodzeniu próbek z temperatury 900
o
C, stali zahartowanej
wstępnie z wyŜszej temperatury (1150
o
C), znajduje się w niŜszej temperaturze. Ponadto badania z wytrzymy-
waniem izotermicznym próbek w temperaturze 600
o
C wykazały, Ŝe austenit jest bardziej trwały, w porówna-
niu z austenitem próbek zahartowanych wstępnie z temperatury 1020
o
C.
Abstract
The aim of the research was denomination the stability of the austenite in pseudodublephase structure of the
NC11LV (X153CrMoV12) steel; especially contains the rest austenite, carbide and martensite in a very little
amount. The amount of the austenite has determined by dilatometric method. The research show, that the scope
of the austenite transformation during cooling from 900
o
C temperature, of the specimen initial hardening from
1150
o
C, lies in the lower temperature, besides – it observed during heating at 600
o
C – is very stable, to com-
pare to the rest austenite of the specimen hardened initially from lower temperature (1020
o
C).
Słowa kluczowe
: stal narzędziowa, obróbka cieplna, stabilność austenitu, badania dylatometryczne
Key words:
tool steel, heat treatment, stability of the austenite, dilatometric research
1. WST
Ę
P
Ŝe austenit szczątkowy, zwłaszcza stali
NC11LV, jest bardzo trwały.
DuŜa stabilność austenitu szczątkowego,
jego odporność na odpuszczające działanie
temperatury, spowodowała, Ŝe uzasadnione
stały się badania dylatometryczne. Celem tych
badań była analiza procesu odpuszczania pró-
bek ze stali NC11LV zahartowanej z tempera-
tury 1020 i 1150
o
C. Program badań obejmo-
wał analizę dylatometryczną:
1.
Ze wzrostem temperatury austenityzowa-
nia rośnie zawartość austenitu szczątkowego w
zahartowanej stali. Taką tendencję wykazuje
większość stali, a wśród nich chromowe stale
narzędziowe o strukturze ledeburytycznej. Ba-
dania stali NC10 [1] i NC11LV
(X153CrMoV12) [2] wykazały, Ŝe stale te po
zahartowaniu z temperatury powyŜej 1100
o
C,
wykazują pseudodwufazową strukturę, zawie-
rającą austenit szczątkowy (ze śladową ilością
fazy α) oraz węgliki. Z badań wynika ponadto,
przy podgrzewaniu i chłodzeniu, oraz
2.
podczas izotermicznego wygrzewania
w wybranej temperaturze odpuszczania.
38
L. Berkowski, I. Wierszyłłowski, J. Borowski
Na rys.1 pokazano struktury stali NC11LV
w stanie wyjściowym, tj. po zahartowaniu
w oleju z temperatury 1020
o
C (a) i 1150
o
C
(b). Czas austenityzowania wynosił 10 minut.
Struktura obydwu próbek zawierała nieroz-
puszczone węgliki oraz martenzytyczno-
austenityczną osnowę. W próbce zahartowanej
z temperatury 1150
o
C, z duŜą ilością austenitu,
węglików jest znacznie mniej, a widoczne igły
świadczą o obecności martenzytu zbliźniaczo-
nego.
a)
2. METODA I ZAKRES BADA
Ń
W badaniach dylatometrycznych oceniano
wydłuŜenie próbki cylindrycznej, o średnicy
2 mm i długości 13 mm, spowodowane zmianą
jej objętości skutkiem przemian fazowych lub
wydzielania; w przypadku stali NC11LV
przemian (α→γ) i (γ→α) lub wydzielaniem
węglików. Badania przeprowadzono z pomocą
dylatometru
LK02
f-my
ADAMEL-
LHOMARGY.
Badania na próbkach zahartowanych
z temperatury 1020 i 1150
o
C prowadzone były
przy podgrzewaniu ciągłym z szybkością
0,02
o
C/s, a przy podgrzewaniu do temperatury
wytrzymywania izotermicznego z szybkością
2
o
C/s. Próbki zahartowane z temperatury
1020
o
C wygrzewano izotermicznie w tempera-
turze 480 i 600
o
C, a zahartowane z temperatu-
ry 1150
o
C – w temperaturze 540 i 600
o
C.
b)
3. WYNIKI BADA
Ń
Badania obejmowały określenie tempera-
tury przemian fazowych, zachodzących przy
podgrzewaniu i chłodzeniu ciągłym próbek ze
stali NC11LV o róŜnej, pseudodwufazowej
strukturze oraz ocenę stabilności tych struktur
podczas wielogodzinnego odpuszczania. Struk-
tury zawierały martenzyt z niewielką ilością
austenitu + węgliki lub węgliki i austenit ze
śladową zawartością martenzytu.
3.1. Analiza krzywych dylatometrycznych przy
podgrzewaniu i chłodzeniu ci
ą
głym
Rys. 1. Struktura stali NC11LV po zahartowaniu
z temperatury 1020 i 1150
o
C. Czas wytrzymywania
10 minut. Pow. 500 x
Fig. 1. Structure of NC11LV steel after hardening from
1020 and 1150
o
C. Holding time
- 10 minute.
Magnification 500 x
Na rysunkach 2 i 3 pokazano krzywe dyla-
tometryczne, wyznaczone przy podgrzewaniu
ciągłym do temperatury 900
o
C i przy chłodze-
niu z tej temperatury do temperatury otoczenia.
Wpływ struktury na skutki azotowania chromowych stali ...
39
Rys. 2. Krzywa dylatometryczna wyznaczona przy
nagrzewaniu i chłodzeniu ciągłym; próbka ze stali
NC11LV, zahartowanej wstępnie z temperatury 1020
o
C
Fig. 2. Dilatometric curve obtained at continously
heating and cooling; the specimen of NC11LV steel,
preliminary hardening from 1020
o
C
Krzywa dylatometyryczna stali NC11LV
zahartowanej z wysokiej temperatury
(1150
o
C), pokazana na rys. 3 ma inny prze-
bieg. Skurcz spowodowany wydzielaniem wę-
glika ε jest prawie niezauwaŜalny i występuje
w nieco niŜszej temperaturze. Natomiast prze-
dział przemiany austenitycznej przesunięty jest
w stronę wyŜszej temperatury. Ponadto moŜna
go podzielić na zakres proporcjonalnej, łagod-
nej zmiany objętości próbki (A
s
– 590
o
C)
i zakres intensywnej przemiany austenitu
(625
o
C – A
f
). Ten drugi zakres poprzedzony
jest skurczem spowodowanym prawdopodob-
nie wydzielaniem.
Struktura hartowanej stali wpływa takŜe na
przemianę martenzytyczną. Zakres temperatury
M
s
– M
f
, próbek zahartowanych wstępnie
z niŜszej temperatury, po ochłodzeniu z tempe-
ratury 900
o
C, jest szerszy, a punkt M
s
, w po-
równaniu z krzywą chłodzenia próbki zaharto-
wanej wstępnie z temperatury 1150
o
C, znajdu-
je się w wyŜszej temperaturze. Wykazano za-
tem, Ŝe struktura wyjściowa próbek ze stali
NC11LV, po zahartowaniu z róŜnej temperatu-
ry, wpływa nie tylko na przebieg krzywych
dylatometrycznych przy podgrzewaniu, ale
takŜe na przemianę martenzytyczną przy chło-
dzeniu ciągłym z temperatury 900
o
C.
Rys. 3. Krzywa dylatometryczna wyznaczona przy
nagrzewaniu i chłodzeniu ciągłym; próbka ze stali
NC11LV, zahartowanej wstępnie z temperatury 1150
o
C
Fig. 3. Dilatometric curve obtained at continously
heating and cooling; the specimen of NC11LV steel,
preliminary hardening from 1150
o
C
3.2. Analiza krzywych dylatometrycznych wy-
znaczonych podczas wygrzewania izoter-
micznego
Dylatogram stali NC11LV zahartowanej
z temperatury 1020
o
C (rys. 2) pozwala wyróŜ-
nić (przy podgrzewaniu) trzy zakresy tempera-
turowe:
•
110
o
C – 170
o
C -
skurcz w przedziale
110–170
o
C, spowodowany prawdopodob-
nie intensywnym wydzielaniem węglika ε;
dalsze zmiany struktury węglikowej prze-
biegają w sposób ciągły i nie są obserwo-
wane na krzywej dylatometrycznej,
Na podstawie badań dylatometrycznych
przy chłodzeniu ciągłym (rys. 2 i 3) wyznaczo-
no zakresy temperaturowe, w których zachodzi
przemiana austenitu szczątkowego:
350
o
C – 635
o
C dla próbek zahartowanych
z temperatury 1020
o
C,
380
o
C – 710
o
C dla próbek zahartowanych
z temperatury 1150
o
C.
Na tej podstawie określono temperaturę wy-
grzewania izotermicznego, odpowiednio
480
o
C i 600
o
C dla próbek zahartowanych
z niŜszej temperatury oraz 540
o
C i 600
o
C,
zahartowanych z wyŜszej temperatury. ZałoŜo-
no, Ŝe mogą to być warunki odpuszczania stali
NC11LV do zastosowania w praktyce.
•
348
o
C – 635
o
C -
wzrost objętości próbki,
którego przyczyną jest rozpad austenitu
szczątkowego w strukturę zawierającą fer-
ryt i węgliki; temperatura początku tego
rozpadu A
s
(348
o
C), a końca A
f
(635
o
C),
•
805
o
C – 860
o
C -
w przedziale temperatu-
ry 805–860
o
C (A
1
) powstaje stopowy au-
stenit.
40
L. Berkowski, I. Wierszyłłowski, J. Borowski
Rys. 4. Krzywa dylatometryczna wyznaczona przy
nagrzewaniu izotermicznym w temperaturze 480
o
C;
próbki ze stali NC11LV, zahartowanej wstępnie
z temperatury 1020
o
C
Fig. 4. Dilatometric curve obtained at isothermal
heating at 480
o
C; the specimen of NC11LV steel,
preliminary hardening from 1020
o
C
Rys. 6. Krzywa dylatometryczna wyznaczona przy
nagrzewaniu izotermicznym w temperaturze 540
o
C;
próbki ze stali NC11LV, zahartowanej wstępnie
z temperatury 1150
o
C
Fig. 6. Dilatometric curve obtained at isothermal
heating at 540
o
C; the specimen of NC11LV steel,
preliminary hardening from 1150
o
C
Rys. 5. Krzywa dylatometryczna wyznaczona przy
nagrzewaniu izotermicznym w temperaturze 600
o
C;
próbki ze stali NC11LV, zahartowanej wstępnie
z temperatury 1020
o
C
Fig. 5. Dilatometric curve obtained at isothermal
heating at 600
o
C; the specimen of NC11LV steel,
preliminary hardening from 1020
o
C
Zmiany wydłuŜenia próbki zahartowanej
z temperatury 1020
o
C i nagrzewanej izoter-
micznie do temperatury 480
o
C pokazano na
rys. 4. Widoczny jest niewielki skurcz w po-
czątkowym zakresie izotermicznego wytrzy-
mywania, potem zmierzający do plato. Nie
zaobserwowano natomiast wzrostu objętości
próbki spowodowanego przemianą austenitu.
W próbce wygrzewanej w temperaturze 600
o
C
(rys. 5) wzrost taki jest widoczny i kończy się
po 1950 sekundach izotermicznego wytrzy-
mywania; przemiana austenitu szczątkowego
jest wtedy zakończona.
Rys. 7. Krzywa dylatometryczna wyznaczona przy
nagrzewaniu izotermicznym w temperaturze 600
o
C;
próbki ze stali NC11LV, zahartowanej wstępnie
z temperatury 1150
o
C
Fig. 7. Dilatometric curve obtained at isothermal
heating at 600
o
C; the specimen of NC11LV steel,
preliminary hardening from 1150
o
C
Dylatogram próbki zahartowanej z tempe-
ratury 1150
o
C, wygrzewanej izotermicznie
w temperaturze 540
o
C pokazano na rys. 6.
Widoczny jest spadek, a po około 14 godzinach
stopniowy wzrost długości próbki, spowodo-
wany przemianą austenitu. Widać równieŜ, Ŝe
wzrost wydłuŜenia jest skokowy, a więc prze-
miana nie zachodzi w sposób ciągły. W próbce
wytrzymywanej w temperaturze 600
o
C (rys. 7)
wzrost wydłuŜenia skutkiem przemiany auste-
nitu rozpoczyna się juŜ po 45 minutach,
a przemiana kończy się po trzydziestu godzi-
nach wytrzymywania.
Porównując pokazane dylatogramy (rys.
4-7) moŜna zauwaŜyć, Ŝe próbki zahartowane
z temperatury 1150
o
C wykazują nieporówna-
nie większą zawartość austenitu szczątkowego
i Ŝe jest on bardziej stabilny. Potwierdzają to
Wpływ struktury na skutki azotowania chromowych stali ...
41
równieŜ wyniki badań omówionych w pracach
[1 i 2]. Skokowy przebieg przemiany moŜna
tłumaczyć chwilową zmianą napręŜeń wła-
snych podczas przemiany. Relaksacja napręŜeń
następuje w zakresie przystanku, ułatwiając jej
dalszy przebieg. Wyniki badań wskazują po-
nadto, Ŝe podczas wytrzymywania izotermicz-
nego w temperaturze 480
o
C (rys. 4), w stali
zahartowanej z temperatury 1020
o
C, przemia-
na austenitu praktycznie nie zachodzi.
2)
przy podgrzewaniu próbki zahartowanej
wstępnie z temperatury 1150
o
C zaobser-
wowano dwa zakresy przemiany austenitu;
łagodny (A
s
– 590
o
C) i intensywny
(625
o
C - A
f
), poprzedzony prawdopodob-
nie wydzielaniem węglika (skurcz),
3)
zakres przemiany martenzytycznej
M
s
– M
f
próbki zahartowanej wstępnie
z temperatury 1020
o
C, wyznaczony pod-
czas chłodzenia stali z temperatury 900
o
C,
znajduje się powyŜszej takiego zakresu
stali zahartowanej z temperatury 1150
o
C,
4. PODSUMOWANIE WYNIKÓW BADA
Ń
I WNIOSKI
4)
w przypadku próbki zahartowanej z tempe-
ratury 1020
o
C wygrzewanie w temperatu-
rze 480
o
C nie spowodowało przemiany
austenitu (brak wzrostu objętości próbki),
a jedynie niewielki skurcz spowodowany
wydzielaniem węglika; izotermiczne wy-
grzewanie próbki w temperaturze 600
o
C
spowodowało pełną przemianę austenitu
w bainit, juŜ po półgodzinnym wytrzymy-
waniu,
Obróbka cieplna chromowych stali narzę-
dziowych o strukturze ledeburytycznej, takŜe
stali NC11LV, pozwala w skrajnych przypad-
kach otrzymać pseudodwufazowe struktury,
zawierające węgliki, oraz martenzyt i austenit
w odpowiednich proporcjach. Wykorzystując
w praktyce te moŜliwości moŜna produkować
narzędzia nie tylko o wysokich własnościach
wytrzymałościowych, ale takŜe o umocnionej
powierzchni i ciągliwym rdzeniu, z duŜą za-
wartości austenitu szczątkowego.
Wiadomo, Ŝe stal w stanie zahartowanym
znajduje się w stanie metastabilnym. Nasuwają
się więc pytania:
- jak stabilna jest struktura stali po jej zahar-
towaniu, zwłaszcza z wysokiej temperatury?
- co dzieje się podczas podgrzewania stali
o róŜnej strukturze hartowania?
Badania wykazały, Ŝe struktura stali po zahar-
towaniu z wyŜszej temperatury (1150
o
C) jest
bardzo stabilna; rozpad austenitu szczątkowego
przy podgrzewaniu odbywa się w wyŜszej
temperaturze, a wytrzymywanie próbki w tem-
peraturze 600
o
C nie powoduje początkowo
istotnych zmian osnowy; przemiana austenitu
szczątkowego kończy się dopiero po trzynasto-
godzinnym wytrzymywaniu w tej temperatu-
rze.
Analiza krzywych dylatometrycznych po-
zwoliła wyciągnąć następujące wnioski:
1)
austenit w stali zahartowanej z temperatury
1150
o
C jest bardzo trwały; jego przemiana
w bainit w temperaturze 540
o
C rozpoczy-
na się dopiero po trzynastu godzinach wy-
trzymywania, a zakończenie przemiany
przy izotermicznym wygrzewaniu w tem-
peraturze 600
o
C następuje dopiero po
trzydziestu godzinach.
DuŜa trwałość austenitu szczątkowego po
zahartowaniu stali NC11LV, zwłaszcza z tem-
peratury 1150
o
C, ułatwia zastosowanie nisko-
temperaturowej obróbki cieplno-chemicznej –
azotowania. Wyniki badania stabilności auste-
nitu szczątkowego tej stali stanowią waŜną
informację, pomocną przy projektowaniu pro-
cesu technologicznego, gwarantującego pro-
dukcję narzędzi o ciągliwej strukturze rdzenia
i warstwie odpornej na ścieranie.
przy podgrzewaniu próbki zahartowanej
wstępnie z temperatury 1020
o
C (rys. 2)
wyróŜniono zakres wydzielania węglików
ε (110–170
o
C), rozpadu austenitu szcząt-
kowego (348 – 635
o
C) oraz przemiany A
1
(805–860
o
C),
Badania zrealizowano w ramach projektu
nr 1012/T08C/96/11 - „Podstawy technologii
narz
ę
dzi z wykorzystaniem dyfuzji azotu w od-
kształconych, wysokochromowych stalach le-
deburytycznych”, finansowanego przez Komitet
Bada
ń
Naukowych
[3].
5)
[ Pobierz całość w formacie PDF ]