Dr. Franc Vodopivec, dipl. inž. DK: 669.112 Metalurški inštitut Ljubljana 669.785.3 669.14.018.2 ASM/SLA: Ngr, CNr K i neti ka raztapljanja primarnih karbidnih zrn in tvorbe mrežastega cementita v jeklu za kroglične ležaje Eksperimentalno je bila določena kinetika raztapljanja karbidnih zrn pri 1140° C v jeklu za kroglične ležaje. Hitrost raztapljanja je razmeroma velika. Ze po 4 urah žarjenja se količina karbidov zmanjša na sprejemljivo mejo. Poprečna velikost preostalih zrn pade linearno s trajanjem žarjenja, kar kaže, da je hitrost procesa odvisna od hitrosti raztapljanja karbida na mejni površini austenit-karbid. Hitrost nastanka karbidne mreže okoli kristalnih zrn austenita je največja nad temperaturo, ko mreža nastaja v zaznavnem obsegu. Najbolj popolna mreža pa nastaja pri temperaturi 710° C. 1. UVOD Karbidne izceje so stalna skrb izdelovalcev jekla za kroglične ležaje. Podatki iz strokovnega tiska kažejo, da se je praktično nemogoče izogniti nastanku ledeburitnega evtektika zaradi neravno-težnega strjevanja jekla v kokilah ter da je odprava izcej pravzaprav problem ustrezne predelave jekla (Fellcht in Barz1, Ekstein2). Več je člankov v katerih avtorji opisujejo kako je mogoče z žar-jenjem odpraviti ali pa spraviti na sprejemljivo mejo karbidne izceje, ki pri vročem valjanju nastanejo iz polj ledeburita. Temperature in časi žarjenja, katere navajajo različni avtorji so precej različni in segajo od 2 ur žarjenja pri 1100° C, 8 ali 10 ur žarjenja pri 1200° C, (Humi in Jech3, Okamo-to4) do večstopenjskega žarjenja pri rastočih temperaturah (Cernjavskaja in sod.5). Te razlike so verjetno posledica razlik v velikosti izcej v študi-ranih jeklih, mogoče pa je njihov vzrok tudi v različnem načinu ohlajanja jekla med predelavo, saj na primer Ekstein navaja, da so karbidne se-gregacije v jeklu največje, če je temperatura valjanja med 920 in 850° C. Gre torej za dva pojava: raztapljanje karbidov na temperaturi komoge-nizacije in izločanje novega cementita iz austenita, ki postane zaradi ohlajanja in nepopolne homoge-nizacije prenasičen z ogljikom v okolici primarnih izcej. Da bi lahko presodili učinek enega in drugega procesa smo eksperimentalno določili kinetiko raztapljanja ledeburitnih karbidov. Nič manj kot karbidne segregacije je za jeklo za krogljične ležaje neprijetna cementitna mreža, ki nastane, če jeklo neprimerno ohlajamo skozi temperaturno področje, kjer postane zaradi ohlajanja austenit prenasičen z ogljikom. Različni avtorji (Vojnov in Šalimov6, Komissarov in sodelavci7, Keis in Komissarov8, Rižkov in Sašin9, Von-drašek in Kubelka10) navajajo meje nevarnega temperaturnega področja, nikjer pa nismo zasledili, da bi kdo eksperimentalno izmeril kinetiko nastanka karbidne mreže. V drugem delu našega članka obravnavamo prav ta problem. 2. EKSPERIMENTALNI POGOJI Kinetiko raztapljanja karbidov smo določili v jeklu za kroglične ležaje tipa OCR z 0,98 % C, 0,33 % Mn in 1,55 % Cr. Vzorci so bili odrezani od ingota industrijske šarže. Na željo železarne Jesenice, ki nam je dala jeklo na voljo, smo poizkuse izvršili na temperaturi 1140° C. Pri predpoizkusih smo izotermno žarili jeklo do 32 ur, vendar se je pokazalo, da za raztapljanje zadostuje že žarjenje do 4 ur. Po žarjenju smo vzorce kalili v vodi, nato pa pripravili toliko metalografskih obruskov, da je bila njihova površina med 22,5 in 24 cm2. Na obruskih smo v metalmikroskopu pri povečavi 500-krat prešteli in izmerili velikost vseh karbidnih zrn ali ledeburitnih polj, katerih linearna dimenzija je presegala 0,004 mm ali površina presegala 0,000015 mmC Slika 1 X 500, zaobljena karbidna zrna V normalno ohlajenem ingotu so bila karbidna zrna večinoma okroglasta, ovalna ali poligonalna z zaobljenimi robovi (si. 1 in 2) ob njih so bile mnogokrat pore. Redka so bila polja pravega ledeburita, v katerih smo pogosto opazili ravne Slika 2 X 500, poligonalno karbidno zrno karbidne lamele (slika 3). Pogosto so bile tudi bolj ali manj ravne lamele na stikih treh austenit-nih zrn (si. 4). Slika 3 X 500, karbidno zrno, pora in ledeburitni evtektik Slika 4 X 200, karbidno zrno na stiku treh grobih kristalnih zrn Isto jeklo smo uporabili tudi za določanje kine-tike nastanka karbidne mreže. Vzorce smo to pot vzeli iz valjanih palic 0 22 mm. Segrevali smo jih v peči na temperaturo 1140 ali 1170° C, zadržali 5 minut, nato pa izotermno žarili v soli pri temperaturah med 650 in 850° C v trajanju od 5 minut do 2 uri. Stopnjo izločanja mreže sekundarnega cementita smo določili tako, da smo na razdalji 45 mm v metal mikroskopu prešteli vse kristalne meje, na katerih je bil izločen sekundarni cementit. 3. REZULTATI 3.1. Raztapljanje karbidov Rezultate prikazuje tabela 1, zaradi lažje predstave pa še grafikon na sliki 5. Že po polurnem žarjenju je močno padlo število karbidnih zrn in njihova površina v primerjavi z nežarjenim vzorcem. Slika 5 Vpliv trajanja žarjenja pri 1140° C na število in površino karbidnih zrn na cm2 površine obruska in na poprečno velikost karbidnih zrn na obruskih Pri nadaljevanju izotermnega žarjenja se zmanjšuje poprečna velikost preostalih karbidnih zrn premo sorazmerno s časom žarjenja, med tem ko padata število karbidnih zrn in njihova gostota po bolj zapletni odvisnosti od časa žarjenja. V tabeli 2 vidimo, da se s trajanjem žarjenja relativno povečuje število manjših karbidnih zrn. Oblika krivulj na sliki 5 kaže, da je v začetku žarjenja raztapljanje karbidov mnogo hitrejše kot v nadaljevanju. Najverjetneje imamo v začetku opraviti z raztapljanjem karbidnih zrn sekundarne narave oziroma z raztapljanjem plašča primarnih zrn, ki je nastal zaradi izločanja cementita pri ohlajanju, ne pa nastal pri strjenju jekla, šele v nadaljevanju žarjenja imamo opraviti z raztapljanjem karbidnih zrn, ki so ledeburitnega izvora in rezultat izcejanja ogljika in kroma pri strjevanju jekla. TABELA 1 — Število in velikost karbidov Trajanje žarjenja (h) Površina obruskov (cm2) štev. karbidov (a) a cm2 Površina karbidov u2(b) b cm2 22,5 395 17,5 233500 10450 0,5 22,9 143 6,2 36100 1570 1 23,8 100 4,2 21650 910 2 24,5 38 1,5 6510 267 3 24,5 19 0,8 1650 67 4 24,0 7 0,3 220 30 Največji karbid (n2) 3000 2500 870 1050 270 70 Rezultati kažejo, da je raztapljanje ledeburitnih karbidov precej hiter proces, saj se po 4 urah žarjenja število karbidnih zrn zmanjša za 50-krat glede na začetno stanje ali za 22-krat glede na stanje po polurnem žarjenju. Važnejše pa je, da se mnogo bolj kot število, zmanjša površina karbidnih zrn, oziroma množina karbidne mase v jeklu. Po 4 urah žarjenja pade ta na eno tisočinko glede na začetno stanje ali na eno stopetdesetinko glede na stanje po polurnem žarjenju. TABELA 2 — Razdelitev karbidov v velikostne razrede Zarjenje (h) 0 0,5 1 2 3 4 Razred (n2) a b a b a b a b a b a b 50 — — 36 1340 22 980 13 370 7 210 7 220 50 do 100 31 2610 23 1790 21 2590 8 590 8 670 _ 100 do 200 58 6820 47 7390 25 3730 6 1020 3 500 200 do 400 112 36050 20 9040 21 6010 7 1780 1 270 _ 400 do 800 119 77150 9 6200 10 7230 3 1700 _ _ _ _ 800 75 110700 8 10340 1 1110 1 1050 — — — — 395 233330 143 36100 100 21650 38 6510 19 1650 7 220 Poprečna velikost karbidov (ix2), c 590 253 216 170 87 30 b — površina karbidov a — število karbidov Poskusi kažejo, da je v primarnih karbidnih zrnih mnogo več kroma kot je poprečna vsebnost v jeklu (Vodopivec11). Domnevamo lahko, da še mnogo dlje po tem, ko so karbidna zrna že raztopljena ostanejo v njihovi okolici močnejše koncentracije kroma in ogljika. Ker ta dva elementa drug drugemu zmanjšujeta aktivnost v austenitu je proces izenačevanja njune koncentracije z difuzijo počasen. Zato lahko predpostavljamo, da mnoge od karbidnih izcej, katere najdemo v izvaljanem jeklu, niso ostanki ledeburita, marveč je njihovo poreklo sekundarno, t. j. nastale so pri ohlajanju iz izcej ogljika in kroma v področjih, kjer so se pri homogenizaciji že bolj ali manj popolno raztopila zrna ledeburitnih karbidov, kot je že pred časom domneval Houdremont12. Vprašamo se lahko katera reakcija, raztapljanje karbida na mejni površini karbid-austenit ali odvod sestavnih elementov ogljika in kroma od te površine z difuzijo, je mero-dajna za hitrost raztapljanja. V primeru, da kine-tiko procesa regulira raztapljanje, mora biti hitrost reakcije v linearni odvisnosti z velikostjo površine karbidnih zrn, oziroma v isti odvisnosti s kvadratom njihove poprečne velikosti, ali kar je isto v premem sorazmerju z njihovo poprečno velikostjo. Na sliki 5 vidimo, da po preteku približno pol ure, poprečna površina zrn dejansko pada linearno s trajanjem žarjenja. Torej lahko trdimo, da je 710°C/1170°C merodajna za kinetiko raztapljanja ledeburitnih karbidov v jeklu za kroglične ležaje pri temperaturi naših preizkusov, hitrost reakcije raztapljanja, ki poteka na mejni površini karbidno zrno-auste-nit. 3.2. Kinetika tvorbe mreže sekundarnega cementita Slika 6 prikazuje kinetiko tvorbe mreže pri nekaterih temperaturah, slika 7 pa stopnjo izoblikovanja karbidne mreže po 5 minutah in 30 minutah izotermnega žarjenja pri različnih temperaturah. 7740 °C 750° C/1170 °C 1140°C -675°^ /1170 °C- 660°C/1170°C ____ 650 °C/1170 °C (°c) Slika 7 Delež avstenitnih zrn, ki so obdana s karbidom po 5 minutnem in 30 min. žarjenju pri različnih temperaturah (min) Slika 6 Vpliv časa in temperature žarjenja in delež kristalnih zrn, ki so obdana s cementitno mrežo V preiskanem jeklu je mreža nastajala pri žarjenju približno v temperaturnem intervalu med 660 in 780° C. Pri temperaturah 650 in 800° C nismo opazili več cementita ob mejah med dvema zrnoma, marveč le še redke izločke na stikih treh kristalnih zrn. V izcejah, kjer je jeklo obogateno s kromom in ogljikom, pa je bila karbidna mreža še jasno izoblikovana tudi po žarjenju pri temperaturi 850° C (sliki 8 in 9). Razlika v temperaturi žarjenja 1150 ali 1170° C nima opaznega vpliva na oblikovanje mreže. Hitrost tvorbe mreže je največja pri temperaturi, pri kateri nastaja v omembe vrednem obsegu. Z naraščanjem temperature se zmanjšuje hitrost nastanka mreže, veča pa se stopnja izoblikovanja. Najbolj popolna mreža nastaja pri temperaturi okoli 710° C, kjer smo po polurnem žarjenju mrežo opazili okoli 80 % vseh austenitnih zrn. Z naraščanjem temperature hitrosti nastanka mreže še nadalje pada, pada pa tudi končna stopnja izoblikovanja. Razlog za to je eno- Slika 8 X 100, (jedkano z Na-pikratom). Karbidna mreža po mejah austenitnih zrn v izceji. Temperatura žarjenja 850° C Slika 9 X 500, detalj slike 8 staven, z rastjo temperature je na voljo manj in manj ogljika za tvorbo mreže, dokler nekoliko nad 780° C mreža praktično ne nastaja, ker ostaja ogljik raztopljen v austenitu. Pri temperaturah pod točko Act cementitna mreža lahko nastaja samo v času, ko se austenit še ni pretvoril v perlit. Ta je pri 650° C tako kratek, da mreže praktično ni, pri 660° C pa je mreža tanka in se z daljšanjem žarjenja cementit po mejah celo nekoliko sferoidizira (sliki 10 in 11). Posnetki kažejo, da ima že po petih minutah žarjen vzorec popolnoma perlitno strukturo, kar je jasen znak, da se je mreža izoblikovala preje kot v petih minutah. Cementitna mreža nastala pri višji temperaturi je debelejša. p II lipi f?~ ''' Slika 12 X 500, (jedkano z Na-pikratom). Karbidna mreža po mejah austenitnih zrn po 10 min. žarjenja pri 710° C HHl Slika 10 X 500, (jedkano z Na-pikratom). Karbidna mreža po mejah austenitnih zrn po 5 minutah žarjenja pri 660° C Slika 11 X 500, isto kot si. 10 po 30 min. žarjenja Pri 710° C žarjeni vzorci imajo po 5 in 10 minutah žarjenja čisto martenzitno strukturo, po polurnem žarjenju mešano martenzitno perlitno, po eni uri pa čisto perlitno. To se ujema z videzom ustrezne krivulje na sliki 6, in kaže, da je končna izoblikovanost praktično dosežena po polurnem žarjenju. Jasno je torej, da lahko nastaja cementitna mreža le dokler imamo v jeklu še austenit. Sodeč po krivuljah na slikah 6 in 7 je verjetno hitrost Slika 13 X 500, isto kot na si. 12 po 60 min. žarjenja tvorbe odvisna preje od prenasičenosti austenita z ogljikom, ki raste z padajočo temperaturo, kot od hitrosti difuzije ogljika v austenitu, ki razumljivo pada s temperaturo. 4. SKLEP 1. Eksperimentalno smo izmerili kinetiko raztapljanja karbidnih zrn ledeburitnega porekla v jeklu za kroglične ležaje tipa OCR 4 pri temperaturi 1140° C. Ugotovili smo, da je hitrost raztapljanja karbidov razmeroma velika in da se po 4 urah žarjenja množina neraztopljenih karbidov zmanjša na sprejemljivo količino. Poprečna velikost preostalih karbidnih zrn linearno pada s trajanjem žarjenja, kar je znak, da je hitrost procesa odvisna od hitrosti raztapljanja karbida na mejni površini austenit-karbid. 2. Daločili smo kinetiko tvorbe cementitne mreže pri izotermnem žarjenju istega jekla, ohlajenega s temperature 1140 in 1170° C. Preizkusi so pokazali, da je hitrost izločanja največja nad temperaturo, ko mreža nastaja v pomembnem obsegu, medtem ko se najbolj popolna mreža izoblikuje pri temperaturi ca 710° C. Literatura 1. K. Felcht in R. Barz: Neue Hutte 3, 1958, št. 341—350 2. J. Hkstein: Neue Hutte 4, 1959, št. 4, 304—311 3. J. Jech in P. Hulm: Hutnik 16, 1966, št. 10, 486--188 4. K. Okamoto, S. Shiko in T. Ota: Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan, 7, 1967, No. 4, 197—204 5. S. G. Cernjavskaja, T. J. Malinovskaja, L. D. Močkevič, A. J. Hitrik, V. J. Travinin in J. A. Stečenko: Stali, 1967, št. 9, 841—843 6. S. G. Vojnov in A. G. šalinov: šarikopodšipnikovanja Stalj, Metallurgizdat, Moskva, 1962 7. A. J. Komissarov, V. A. Horoš in A. A. Hudenjih: Stalj, 1966, št. 4, 359—360 8. V. J. Keis in A. J. Komissarov: Stalj, 1965, št. 7, 654—657 9. G. M. Riškov in P. J. Sašin: Stalj, 1964, št. 12, 1128—1129 10. V. Vondrašek in A. Kubelka: Hutnicke Listy, 1968, št. 3, 155—161 11. F. Vodopivec: Poročilo Metalurškega Inštituta, Ljubljana, febr. 1969 12. E. Houdremont: Springer Verlag, 1956, str. 431 ZUSAMMENFASSUNG Versuchsweise ist die Losungskinetik der Karbidkorner bei 1140oC im Kugellagerstahl bestimmt worden. Die Lo-sungsgeschwindigkeit ist verhaltnismasig gross. Schon nach vierstundiger Gliihungsdauer verringert sich die Men-ge der Karbide auf eine annehmbare Grenze. Die durch-schnittliche Grosse der iibrigen Korner fallt linear mit der Gliihungsdauer, das zeigt, dass die Prozessgeschwindigkeit von der Losungsgeschwindigkeit des Karbides an der Au-stenit-Karbid Grenze abhangig ist. Die Geschwindigkeit der Bildung des Karbidnetzes ringsum die Austenitkorner ist am grossien iiber der Temperatur, wo das Netz im vvahrnehmbaren Umfang entsteht. Das vollkommendste Netz entsteht bei der Temperatur von 710° C. SUMMARY Kinetics of dissolving carbide particles at 1140° C in steels for bali bearings was experimentaly determined. The rate of dissolution is comparatively high since the amount of carbides reduces down to the permissible level after 4 hrs of heating already. Average particle size of retained carbide particles decreases linearily with the duration of hiating which suggests that the rate of the process de- pends on the rate of dissolution of carbide on the austeni-te-carbide interface. The rate of the formation of carbide netvvork around autenite crystal grains is the highest at a temperature above that at vvhich the formation of carbide network can be observed. The formation of the most complete netvvork occurs at 710° C. 3AKAIOTEHHE OnbiTaMH onpeAeAeiia KHHeTHKa iL\aBAeHH$i Kap6HAHbix 3epeH npn TeMn-pu oa 1140° U b CTaAH aah uiapHKonoAiUHiiHHKOB. Ebi-dpoTa nAaBAeHHH OTHOCHTeAbHO SoAbinaa, y^ce nocAe 4 nacoB OT^cnra koahhcctbo KapSHAOB yMeHbinaeTCH na OTMe^aHbiH npeAeA. CpeAHHH BeAHMHiia octabinhxca 3epeH YMeHbmaeTC« ahhchho b otho uieHHH Ha AAmeAbHOCTb oT>KHra. 3to noKa3biBaaT, mto SbicrpoTa npouecca 3aBiicHT ot SbicTpoTbi nAaBAeHna KapSuAOB na noBepxHocTH aycTeHHT-KapoHA. EbICTpOTa nOHBAeHHH KapSHAHOik CeTKH 3aBHCHT oa BbICOTbI reMn-pbi a caMa« noAHa« h Bbipa3HTeAbHaH npH TeMn-pbi oa 710° u.