[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Obróbka Plastyczna Metali Nr 1, 2005 Materiałoznawstwo i obróbka cieplna
Dr. hab. inŇ . Ignacy Wierszyłłowski
1)
,
dr Ludwik SzczeĻniak
2)
1)
Instytut Obróbki Plastycznej, Poznaı,
2)
Instytut Fizyki Molekularnej PAN, Poznaı
WPŁYW OBRÓBKI KRIOGENICZNEJ
PO HARTOWANIU NA PRZEMIANY ZACHODZġCE
PODCZAS ODPUSZCZANIA WYBRANYCH
STALI NARZĦDZIOWYCH.
BADANIA DYLATOMETRYCZNE I DTA
Streszczenie
W pracy porównano zmiany zachodzĢce podczas izochronicznego odpuszczania stali NC10, NC11LV i SW7M zaraz po
hartowaniu oraz po hartowaniu i obróbce kriogenicznej. Zmiany badano metodĢ dylatometrycznĢ i DTA. Stwierdzono, Ňe obrób-
ka kriogeniczna powoduje wyraŅne obniŇenie temperatury poczĢtku wydzielania wħglików a iloĻę wydzielonych wħglików jest
wiħksza. Wzrost zawartoĻci wħglików jest wiħkszy niŇ to wynika z podwyŇszonej wskutek obróbki kriogenicznej zawartoĻci
martenzytu .
Słowa kluczowe: obróbka kriogeniczna, odpuszczanie izochroniczne, wydzielanie wħglików h
i e, dylatometr, DTA
1. Wstħp
dzi [11]. Uzyskane wyniki nie zostały po-
twierdzone innymi niŇ metalografia iloĻcio-
wa metodami.
PoniewaŇ wydzielanie wħglików z mar-
tenzytu powoduje skurcz próbki oraz obni-
Ňenie energii swobodnej układu zwiĢzane
z egzotermicznym efektem cieplnym, róŇ-
nice w przebiegu odpuszczania stali wy-
mraŇanych po hartowaniu i nie wymraŇa-
nych powinny byę widoczne podczas ba-
daı dylatometrycznych i DTA .
Obróbka podzerowa zwiħksza wielo-
krotnie trwałoĻę narzħdzi zuŇywajĢcych siħ
wskutek Ļcierania, co zostało potwierdzone
w wielu publikacjach [5-11]. Narzħdzia
poddawane sĢ przed ostatecznym kształ-
towaniem hartowaniu i odpuszczaniu. Ob-
róbkħ w temperaturach niŇszych od zera
przeprowadza siħ zaraz po hartowaniu,
pierwotnym jej celem było zmniejszenie
iloĻci miħkkiej fazy – austenitu szczĢtko-
wego , znaczna jego czħĻę podczas wy-
mraŇania przemienia siħ w twardy marten-
zyt [1-4]. Ostatnie badania stali narzħdzio-
wych po obróbce kriogenicznej zaraz po
hartowaniu, wskazujĢ na wystħpowanie
podczas niskiego odpuszczania wħglika hҚ
zamiast identyfikowanego dotychczas wħ-
glika e [11]. Badania dyspersji i zawartoĻci
procentowej wħglika h wykazały, Ňe jest
jego wiħcej niŇ wħglika e, a wydzielenia sĢ
drobniejsze [11]. Autorzy uwaŇajĢ to za
głównĢ przyczynħ wzrostu trwałoĻci narzħ-
2. Metodyka badaı
Badania dylatometryczne wykonano na
dylatometrze LK02 Adamel – Lhomargy
w Instytucie InŇynierii Materiałowej Poli-
techniki Poznaıskiej. Walcowe próbki
(2 mm x 13 mm ) umieszczono w kwarco-
wym uchwycie dylatometru. WydłuŇenie
próbki mierzono czujnikiem indukcyjnym.
Zmiany wymiarów przekazywał kwarcowy
popychacz. Próbki umieszczone we wspól-
nym ognisku dwóch elips nagrzewano
w pionowym piecu radiacyjnym i hartowano
strumieniem sprħŇonego helu, a potem
wymraŇano w temperaturze ciekłego azotu
i odpuszczano. Temperaturħ mierzono
termoparĢ Ni - CrNi, przygrzanĢ do prze-
ciwległych boków próbki. Wyniki zapisy-
wano cyfrowo w pamiħci komputera, prze-
bieg doĻwiadczenia był widoczny na ekra-
nie monitora.
Badania DTA (termoróŇnicowe) walco-
wych próbek (F 6mm x 10 mm z otworem
F3 głħbokim na 5 mm) wykonano na De-
rivatographie w Instytucie Fizyki Molekular-
nej PAN w Poznaniu. Przed badaniem DTA
próbki hartowano i wymraŇano w tempera-
turze ciekłego azotu. RóŇnicħ temperatury
miħdzy próbka a wzorcem (badany mate-
riał bez obróbki cieplnej) mierzono termo-
parĢ Ni-Cr Ni. Wyniki zapisywano na reje-
stratorze optycznym w układzie czas tem-
peratura i czas krzywa termoróŇnicowa.
Próbkħ i wzorzec o takiej samej masie
i wymiarach umieszczano w głowicy urzĢ-
dzenia i nagrzewano izochronicznie w pie-
cu oporowym.
Badano trzy wysokostopowe stale na-
rzħdziowe (NC10, NC11LV i SW7M). Skład
stali podano w tablicy 1.
Wykonano dwie serie próbek. Pierwsza
zbliŇona do konwencjonalnej obróbki ciepl-
nej, w której próbki po austenityzowaniu
hartowano w oleju i odpuszczano izochro-
nicznie w DTA. Temperatury austenityzo-
wania wynosiły: 1000
o
C – NC10, 1025
o
C –
NC11LV, stal SW7M była austenityzowana
poczĢtkowo w 900
o
C, a potem w 1200
o
C.
Czasy austenityzowania dobrano odpo-
wiednio do przekroju próbek (krótszy czas
dla próbek dylatometrycznych, dłuŇszy dla
próbek do DTA). Druga seria była austeni-
tyzowania i hartowana tak jak pierwsza
i dodatkowo zaraz po hartowaniu wytrzy-
mywana w temperaturze ciekłego azotu
(obróbka kriogeniczna ).
Obróbkħ cieplnĢ próbek dylatometrycz-
nych (nagrzewanie, austenityzowanie, har-
towanie, obróbka kriogeniczna i odpusz-
czanie) wykonano w dylatometrze LK02
Adamel – Lhomargy.
3. Omówienie wyników
W próbkach hartowanych i chłodzonych
w dylatometrze do temperatur rzħdu
-190
o
C zauwaŇono drugĢ przemianħ au-
stenitu szczĢtkowego w martenzyt (wi-
doczny wzrost wydłuŇenia próbki) w tempe-
raturach rzħdu -15 do -25
o
C. Przykład
takiego wykresu przedstawia rys. 1.
Tablica 1
Skład stali
Gatunek stali % C
%Mn
% Si
%P
%S
%Cr
W
Mo
V
NC10
1,57
0,45
0,19
0,021
0,024
10,7
NC11LV
1,65
0,30
0,27
0,029
0,025
11,9
0
0,9
0,71
SW7M
0,86
0,27
0,31
0,03
0,03
4,08
6,5 4,86 2,05
Rys. 1. Wykres zmian wydłuŇenia podczas obróbki kriogenicznej zahartowanej stali NC 10.
Linia przerywana to zmiany temperatury, linia ciĢgła to zmiany wydłuŇenia
Badania przebiegu izochronicznego
odpuszczania w dylatometrze wykazały
istotne róŇnice pomiħdzy próbkami obra-
bianymi tradycyjnie i obrabianymi krioge-
nicznie po hartowaniu.
Wyniki przedstawiono na rysunkach 2
(temperatury poczĢtku i koıca pierwszego
skurczu podczas odpuszczania) i 3 (tem-
peratury poczĢtku i koıca drugiego skur-
czu podczas odpuszczania ).
obróbce kriogenicznej i tradycyjnej, tempe-
ratury koıca pierwszego etapu odpuszcza-
nia sĢ takie same (rys. 2). RóŇnice tempe-
ratur sĢ w tym przypadku znacznie mniej-
sze.
RóŇnice temperatur poczĢtku i koıca
drugiego skurczu odpuszczania sĢ znacz-
nie mniejsze niŇ w poprzednim przypadku
i sĢ inne dla kaŇdej z badanych stali
(rys. 3).
Na podstawie krzywych dylatometrycz-
nych odpuszczania okreĻlono dla kaŇdej
stali zmiany wartoĻci skurczu, wykorzystu-
jĢc podany na rys. 4 schemat. Stwierdzo-
no, Ňe skurcz podczas odpuszczania za-
hartowanych i obrabianych kriogenicznie
próbek był wyraŅnie wiħkszy. RóŇnicħ
przedstawiono na rys. 5.
Tem peratury pierw szego skurczu podczas
odpuszczania, p- poczĢtek skurczu,
k- koniec s kurczu
250
200
150
NC10
NC11LV
SW7M
100
50
0
I-p, c
I-k, c
I -p,
I -k
c- obróbka kriogeniczna
Rys. 2. Temperatury poczĢtku i koıca
pierwszego skurczu podczas odpuszczania
Temperatury drugiego skurczu podczas odpuszczania, p-
poczĢtek skurczu, k-koniec skurczu
500
400
NC10
NC11LV
SW7M
300
200
100
0
II -p,c II-k,c II -p II- k
Rys. 4. Schemat okreĻlania skurczu podczas
odpuszczania (róŇnica wydłuŇenia pomiħdzy
prostĢ 1 i krzywĢ 2)
NajwiħkszĢ róŇnicħ stwierdzono po-
miħdzy próbkami ze stali NC10, mniejsze
róŇnice wystħpowały w stali NC11LV
i SW7M. Obie stale zawierajĢ Mo i V, które
spowalniajĢ przemiany zachodzĢce pod-
czas odpuszczania [1-4] i skurcz jest wtedy
mniejszy. Wiħkszy skurcz podczas od-
puszczania po obróbce kriogenicznej wy-
nika ze zwiħkszonej zawartoĻci martenzytu
we wszystkich stalach.
c- obróbka kriogeniczna
Rys. 3. Temperatury poczĢtku i koıca drugiego
skurczu podczas odpuszczania
Podczas odpuszczania próbek obra-
bianych kriogenicznie zaraz po hartowaniu,
pierwszy skurcz pojawia siħ w niŇszych
temperaturach (rys. 2) w kaŇdej z bada-
nych stali.
Temperatury koıca tego etapu odpusz-
czania dla próbek ze stali NC10 i NC11LV
obrabianych kriogenicznie (rys. 2) sĢ rów-
nieŇ niŇsze. Dla próbek ze stali SW7M po
Wpływ obróbki krigenicznej na wzrost skurczu
podczas odpuszczania stali narzħdziowych.Se r.1-
SW7M ,
ser.3 - NC11LV, ser.4-NC10
16
14
12
10
Serie1
Serie3
Serie4
8
6
4
2
0
0
100
200
300
400
Tem peratura w C
Rys. 5. Wpływ obróbki kriogenicznej na wzrost skurczu podczas odpuszczania. RóŇnica skurczu
podczas odpuszczania pomiħdzy próbkami zahartowanymi oraz zahartowanymi i obrabianymi
kriogenicznie
ZawartoĻci austenitu szczĢtkowego odpo-
wiadajĢce zastosowanym warunkom au-
stenityzowania i hartowania (bez obróbki
kriogenicznej) wynosiły: ok. 20% dla stali
NC10, ok. 15% dla stali SW7M stali oraz
ok. 10%, dla NC11LV. ZawartoĻci austenitu
szczĢtkowego w próbkach dylatometrycz-
nych okreĻlono metodĢ magnetycznĢ. Tak
wiħc przedstawione na rys. 5 zmiany zale-
ŇĢ od zawartoĻci austenitu szczĢtkowego
po hartowaniu. Uzyskane wartoĻci skurczu
sĢ jednak znacznie wiħksze (ok. dwukrot-
nie), niŇ to wynika ze zwiħkszonej kosztem
przemiany austenitu szczĢtkowego zawar-
toĻci martenzytu.
Wpływ obróbki kriogenicznej na prze-
bieg odpuszczania zahartowanych próbek
badano równieŇ metodĢ DTA. Badania
te wykazały wyraŅne róŇnice kształtu krzy-
wych próbek hartowanych i obrabianych
kriogenicznie oraz tylko hartowanych. Dla
przykładu podano krzywe DTA izochro-
nicznego odpuszczania stali NC11LV.
Na rys. 6 przedstawiono krzywĢ odpusz-
czania stali NC11LV uprzednio hartowanej
w oleju.
Na rys. 7 podano krzywĢ tej samej stali
hartowanej i obrabianej kriogenicznie przez
30 min a na rys. 8 krzywĢ po obróbce krio-
genicznej przez 4,5 godz.
Rys. 6. Krzywa DTA odpuszczania stali
NC11LV hartowanej z 1000
o
C do oleju
Na rys. 6 jest widoczny wyraŅnie tylko
jeden egzotermiczny pik spowodowany
przemianĢ austenitu szczĢtkowego w tem-
peraturze ok. 450
o
C.
Rys. 7. Krzywa DTA odpuszczania stali
NC11LV hartowanej z 1000
o
C do oleju
i obrabianej kriogenicznie przez 0,5 h
Na rys. 7 duŇy pik w temperaturze
ok. 490
o
C poprzedzany jest przez trzy ma-
łe ale wyraŅne piki egzotermiczne.
spowodowany przez wydzielanie wħglików
stopowych lub rekrystalizacjĢ osnowy. Du-
Ňy egzotermiczny pik wystħpujĢcy w tem-
peraturze ok. 490
o
C moŇe byę wynikiem
nakładania siħ dwóch procesów, inten-
sywnego wydzielania wħglików i przemiany
niewielkiej iloĻci austenitu szczĢtkowego
(pozostałej po obróbce kriogenicznej).
PrzyczynĢ obniŇenia temperatur po-
czĢtku procesów wydzieleniowych i wiħk-
szej iloĻci wydzieleı w czasie odpuszcza-
nia po obróbce kriogenicznej moŇe byę
inny rodzaj wydzieleı (wħglik h zamiast e )
[11] oraz dodatkowo nieznane jeszcze
czynniki ułatwiajĢce migracjħ wħgla i za-
rodkowanie wħglika h w osnowie martenzy-
tycznej. Wiħksza zawartoĻę wydzielonych
po obróbce kriogenicznej i odpuszczaniu
wħglików moŇe tłumaczyę stwierdzony
w innych badaniach wzrost ŇywotnoĻci
narzħdzi obrabianych kriogenicznie po har-
towaniu [5-11].
4. Wnioski
Rys. 8. Krzywa DTA odpuszczania stali
NC11LV hartowanej z 1000
o
C do oleju
i obrabianej kriogenicznie przez 4,5 h
1. Po hartowaniu i obróbce kriogenicznej
procesy wydzieleniowe podczas od-
puszczania zaczynajĢ siħ we wszyst-
kich badanych stalach w niŇszych
temperaturach.
2. IloĻę wydzieleı po hartowaniu i obróbce
kriogenicznej jest wiħksza i zaleŇy od
zawartoĻci austenitu szczĢtkowego po
hartowaniu. Uzyskane wartoĻci sĢ jed-
nak wyraŅnie wiħksze niŇ to wynika ze
zwiħkszonej kosztem przemiany auste-
nitu szczĢtkowego zawartoĻci marten-
zytu.
Na rys. 8 poprzednio widoczne piki sĢ
wyraŅniejsze i nieco wiħksze a dodatkowo
pojawia siħ pik egzotermiczny w tempera-
turze ok. 550
o
C. Podobne zmiany były
widoczne w stali NC10 i SW7M.
Piki poprzedzajĢce duŇy pik egzoter-
miczny sĢ spowodowane obniŇeniem
energii swobodnej układu wskutek proce-
sów wydzieleniowych podczas pierwszego
i drugiego etapu odpuszczania. We wszyst-
kich stalach po obróbce kriogenicznej wy-
stħpujĢ dwie temperatury Ms, i odpowiada-
jĢce im dwa rodzaje martenzytu. Dlatego
teŇ przemiany podczas odpuszczania kaŇ-
dego z nich mogĢ zachodzię w nieco in-
nych zakresach temperatur. PiĢty pik
(ok. 550
o
C) widoczny na rys. 8 moŇe byę
Literatura
1. L.M. Dobrzaıski „Metaloznawstwo
z podstawami nauki o materiałach”
WNT Warszawa 1998.
2. J.D. Verhovern „Fundamentals of Phy-
sical Metallurgy” John Wiley & Sons,
Inc 1975
3. Alloying. Edited by John L. Walter,
Melvin R. Jackson, Chester T. Sims.
ASM International Metals Park, Ohio
44073, 1988
4. D.A. Porter, K.E. Easterling. Phase
Transformations in Metals and Alloys.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
© 2009 Po zniszczeniu przeszłości przyszedł czas na budowanie przyszłości. - Ceske - Sjezdovky .cz. Design downloaded from free website templates