Vpliv oligoelementov na prekaljivost in hladno deformacijsko sposobnost ogljikovega ali manganogljikovega jekla
Y. Desalos*, R. Laurent* P. Rousseau**, D. Thivellier**
Influence des elements residuels courants sur la trempabilite et la ductilite a froid des aciers au carbone ou carbone — manganese
i. UVOD
Uporaba vedno večje količine starega železa v proizvodnji ogljikovega jekla, namenjenega za deformacijo v hladnem in/ali toplotno obdelavo, zahteva bolj natančno poznavanje vpliva oligoelementov, katerih ni mogoče odstraniti med izdelavo jekla. Predvsem je lahko naraščajoča koncentracija oligoelementov (Cu, Ni, Mo, Sn, As, Sb ...) problematična pri izdelavi elektro jekla, kjer uporabljamo v proizvodnji staro železo, ki često ni sortirano. Druge elemente, na primer Cr in P, lahko več ali manj odstranimo med izdelavo jekla, bodisii z oksidacijo ali reakcijo z žlindro, vendar za ceno večje izgube železa in povečane uporabe reducentov. V teh pogojih je proizvodnja jekla z nizko koncentracijo neželenih elementov zelo draga, oziroma je racionalno, da se jekla namenijo za uporabo, kjer so ti elementi nujno potrebni1.
Mnogo se razpravlja o prisotnosti oligoelementov v jeklih, namenjenih za deformacijo v hladnem2-3'4. Ti elementi v določenih koncentracijah povišujejo mejo raztezanja jekla, torej tudi silo5 in obrabo orodja med deformacijo v hladnem. Majhno znižanje duktilnosti jekla lahko prav tako prispeva k širjenju razpok kot posledica prisotnih površinskih napak6. iNa žalost je le težko razločiti vpliv elementa na deformacijsko sposobnost ferita od indirektnega vpliva (odvisnega od kemične sestave in toplotne obdelave) na pogoje transformacije gama^alfa in njenih posledic (velikost zrna, relativna količina posameznih 'komponent mikrostrukture). To razlaga, zakaj je precej sporen tudi vpliv najbolj pogosto prisotnih oligoelementov7-12.
Vpliv oligoelementov na Ikaljivost jekla v širšem smislu je siporen, ker je potrebno upoštevati vplive majhnih količin, ker ni linearnosti med vplivom in spremembami koncentracije in zaradi sinergičnih vplivov. Povečanje kaljivosti zaradi oligoelementov je v splošnem dobrodošlo pni masivnem in površinskem kaljenju nizko legiranih jekel, vendar je potrebno vplive ovrednotiti, da bi dobili ponovljive rezultate s talinami različnega izvora.
Težišče raziskovalnega dela je bilo zato usmerjeno na kaljivost in sposobnost jekla za deforma-
* — IRSID, Saint German-en-Laye
** — Centre de Recherche d'Ugine
I. INTRODUCTION
L'utilisation en quantites croissantes de ferrail-les recyclees pour obtenir des aciers fins au carbone destines a la fabrication de pieces obtenues par formage a froid et/ou soumises a un traitement thermique necessite des connaissances plus preci-ses sur le role des elements impossibles a eliminer au cours de 1'elaboration de 1'acier. En premier lieu, les teneurs croissantes en ces elements residuels (Cu, Ni, Mo, Sn, As, Sb ...) risquent de penaliser les elaborations du type four electrique qui absorbent beaucoup de ferrailles souvent peu triees. Par ailleurs, d'autres elements, tels que Cr ou P, peuvent etre plus ou moins laborieusement elimines par oxydation ou reaction avec le laitier mais au prix de pertes en fer et d'une consom-mation accrue de reducteurs. Dans de telles con-ditions, 1'obtention d'aciers a basses teneurs en elements «a priori indesirables« est relativement coiiteuse, et il convient de reserver rationnellement de tels aciers aux utilisations pour lesquelles cette specification est indispensable1.
Un des aspects les plus discutes de 1'influence des residuels sur les proprietes d'emploi est l'apti-tudea la mise en forme a froid2'3>4. Ces elements augmentent en effet dans une certaine mesure la limite d'ecoulement de l'acier, done les efforts5 et l'usure des outils lors du formage a froid. Une legere baisse de ductilite du metal pourrait egale-ment accroitre les risques de fissuration a partir de defauts superficiels6. II n'est malheureusement pas facile de dissocier l'influence propre d'un element sur la deformabilite de la ferrite de son influence indireete (fonetion de la composition de l'acier et de son traitement) sur les conditions de transformation r^« et ses consequences (taille de grain, proportion relative des constituants mi-crographiques ...). Ceci explique que les contribu-tions respeetives, meme des elements residuels. les plus courants, soient tres contreversees7—11.
Le role des residuels sur la trempabilite au sens large est egalement contreverse du fait des faibles variations a prendre en consideration, de la non linearite de ces variations avec les teneurs, et d'eventuels effets synergetiques. Bien que les gains de trempabilite dus aux residuels soient generalement bienvenus dans les cas de trempe
cijo v hladnem pri kontroliranem dodatku v jeklo enega ali več naslednjih oligoelementov: Cu, Cr, Ni, Si (< 0,5 %), Mo (< 0,10 %), P (< 0,050 %), Sn (< 0,050 %) v kvalitetnih ogljičnih jeklih (XC 10 in XC 42) in jeklih z majhnim dodatkom mangana (20 M5). Izbira sestave jekla je prilagojena analizi specifične vloge oligoelementov na naslednjih področjih:
—	klasična kaljivost pri jeklih XC 42 in 20 M5
—	sposobnost za površinsko kaljenje pri jeklu XC 42
—	utrjevanje ferita pri jeklu XC 10
—	globalna sposobnost za deformacijo v hladnem pri jeklih 20 M5 in XC 42 v normaliziranem in sferoidizacijsko žar j enem stanju.
II. EKSPERIMENTALNE TALINE IN
TOPLOTNA OBDELAVA
Petdeset talin s težo 25 kg je bilo izdelanih v visokofrekvenčni peči pod zaščitnim plinom argonom. V tabelah 1, 2 in 3 so prikazane kemične sestavine posameznih jekel, vrst XC 10, 20 M5 in XC 42.
Tab. 1: Kemična sestava talin XC10. Compositions chimigues des coulees XC10 (ppm)

t? 3 3 o >£5 o <n Z	C	Si	Mn	Ni Cr	Mo	Al	S P	Cu	Sn
297	101	205	612	044 068	014	017	016 007	042	004
148	102	183	619	044 068	014	005	018 006	297	005
157	097	181	634	044 060	014	011	016 005	491	004
161	095	183	605	047 065	014	014	016 006	740	004
166	097	179	611	050 075	014	010	016 023	039	005
169	095	204	619	047 071	014	011	016 046	039	005
176	100	194	613	044 504	014	008	016 006 039		004
188	097	188	621	500 064	014	008	015 006	039	005
191	094	482	616	040 060	014	005	016 006 038		003
194	097	198	603	044 060	014	006	016 006	039	043
195	089	185	600	040 248	013	007	015 006	304	004
200	094	203	600	044 248	014	007	016 023 040		005
201	102	187	594	044 062	014	007	016 024	303	005
Homogenost vsake taline je bila preverjena s kemično analizo vsake palice na šestih različnih mestih. Maksimalno odstopanje na preizkušenih kosih v posameznih elementih je reda velikosti ± 10 .10—5 za ogljik in v splošnem še manjše za druge elemente: ± 10 .10—5 pri manganu in bakru ter manj od 5 . 10—5 za druge elemente.
Če med seboj primerjamo kemične sestave posameznih talin istega jekla, kakor je to prikazano v tabelah 1, 2 in 3, lahko ugotovimo, da so vsebnosti ogljika in mangana precej konstantne, oziroma v mejah ± 10 .10—5 in 15 .10—:5.
dans la masse ou de trempe superficielle d'aciers peu allies, ces gains doivent neanmoins pouvoir etre quantifies, notamment pour obtenir des resul-tats reproductibles avec des coulees de provenan-ce differente.
La presente etude a done ete axee sur les effets au niveau de la trempabilite et de la deformabilite a froid, d'additions bien controlees d'un seul ou plusieurs des elements suivants: Cu, Cr, Ni, Si (< 0,5 %), Mo (<0,10 %), P (< 0,050 %), Sn (< < 0,050 %) dans des aciers fins au carbone (XC 10 et XC 42) ou faiblement allies au manganese (20 M5). Le choix de ces compositions est adapte a l'analyse du role specifique des residuels dans les domaines suivants:
—	trempabilite classique pour les nuances XC 42 et 20 M5
—	aptitude a la trempe superficielle pour les nuances XC 42
—	durcissement de la ferrite pour les nuances XC 10
—	aptitude globale a la deformation a froid pour les nuances 20 M5 et XC 42, a 1'etat normalise ou globulise.
II. ACIERS UTILISES ET TRAITEMENTS
THERMIQUES PREALABLES
Une cinquantaine de coulees de 25 kg ont ete elaborees au four a haute frequence sous argon.
Les tableaux 1, 2 et 3 presentent les compositions chimiques, respeetivement des familles XC 10, 20 M5 et XC 42.
L'homogeneite chimique de ces coulees a ete controlee en comparant, pour chaque barre, les analyses en 6 points differents. Les ecarts maxi-maux trouves sur le metal utilise d'un lingot sont de l'ordre de ± 10 .10—5 pour le carbone et gene-ralement plus faibles eneore pour les autres elements: ± 10 .10—5 pour Mn et Cu, mais moins de
Tab. 2: Kemična sestava talin 20 M5. Composition chimique des coulees 20 M5 (ppm)
3 g	c Si Mn Ni Cr Mo Al S P	Cu Sn *o Z
146	197 189 1,286 044 067 014 017 018 006	038 005
147	199 189 1,290 044 067 014 013 018 006	298 005
159	194 201 1,289 040 059 014 013 018 006	500 005
160	203 190 1,293 044 059 014 019 019 006	745 003 168	194 221 1,288 047 069 014 015 017 026	038 005
171	197 199 1,284 047 071 014 015 019 055	038 003
172	199 193 1,301 047 258 014 016 019 006	039 004 175	203 204 1,281 044 509 013 016 018 007	037 002 187	188 191 1,299 499 070 013 014 019 006	039 003 190	195 499 1,291 040 061 013 013 019 007	038 006 196	199 199 1,289 044 061 014 009 019 007	040 040
Tab. 3: Kemična sestava talin XC 42. Compositions chimigues des coulees XC 42 (ppm)
Št. šarže No coulec	C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	Al	S	P	Cu
289	422	204	621	044	087	014	028	018	007	043
145	428	196	597	044	067	014	021	018	007	038
149	424	191	608	044	065	014	021	019	007	295
308	412	191	632	044	076	015	029	017	011	503
290	425	197	607	040	074	014	023	018	007	728
167	423	197	608	047	081	014	015	020 023		039
170	433	194	608	040	067	014	013	019	048	042
294	426	212	603	040	264	014	023	017	006	040
293	423	200	601	040	486	014	021	018	006	042
177	433	189	606	296	069	014	014	019	007	041
178	424	195	606	498	065	014	013	019	007	040
189	422	483	619	044	065	014	015	019	008	038
192	423	195	614	047	066	051	013	018	007	039
193	414	196	598	044	060	103	013	018	007	039
309	417	199	599	040	266	016	027	017	010	306
198	423	205	596	044	249	103	014	018	006	038
310	411	197	599	295	072	014	028	018	010	303
202	427	196	605	305	253	014	009	019	028	303
296	423	200	602	308	254	014	022	018	007	301
Vse palice so bile toplotno obdelane z normalizacijo pri temperaturah avstenitizacije 900 °C, 875 °C in 830 °C s hitrostjo ohlajevanja 200°C/h za vsa jekla XC 10, 20 M5 in XC42. Nekatere palice so bile dodatno sferoidizacijsko žar j ene: interkri-tično zadrževanje nekoliko nad temperaturo A,, počasno ohlajevanje 10°C/h, zadrževanje 15 ur pri temperaturi 700 °C, nato ohlajevanje počasi do temperature okolice.
Po normalizaciji je bila v skupinah jekel 20 M5 in XC 42 homogena velikost zrn med 10 in 15fxm. Nasprotno pa so bila zrna v talinah XC 10 občasno velika in neenakomerna.
Toplotna obdelava za sferoidizacijo je dala zadovoljivo mikrostrukturo, značilno za precejšnjo sferoidizacijo cementita.
III. KARAKTERIZACIJA VPLIVA OLIGOELEMENTOV NA KALJIVOST
III. 1 Masivna toplotna obdelava
III.1.a Vpliv oligoelementov na širino področja kaljivosti
Izdelani so bili diagrami izotermične premene pri kontinuirnem ohlajevanju za jekla XC42 in 20 M5 (slika 1) po avstenitizaciji v pogojih, ki so predhodno omenjeni za normalizacijo. Za oceno vpliva elementov na širino področja kaljivosti smo upoštevali hitrost ohlajevanja (ki jo predstavlja na primer čas ohlajanja skozi področje med 700 in 300 °C), ki je potrebna, da nastane v strukturi 50 % martenzita.
5 . 10—5 pour les autres elements envisages. D'une nuance a l'autre d'une meme famille, les tableaux 1, 2 et 3 montrent que les teneurs en carbone et manganese sont maintenues constantes, respecti-vement a ± 10 .10~5 et ± 15 .10~5.
Toutes les barres ont subi un traitement de normalisation comportant un refroidissement a 200 °C/h depuis une austenitisation a 900 °C, 875 °C et 830 °C, respectivement pour les nuances XC 10, 20 M5 et XC 42. Certaines barres ont subi un cycle de globulisation complementaire: maintien inter-critique un peu audessus de la temperature A,, suivi d'un refroidissement a 10°C/h, puis maintien de 15 h vers 700 °C suivi de refroidissement lent.
Apres les traitements de normalisation adoptes, les familles d'aciers 20 M5 et XC 42 ont toutes des tailles de grains ferritiques relativiment homoge-nes, comprises entre 10 et 15 p-m. Par contre, fes nuances XC 10 presentaient des tailles de grains parfois grossieres et dispersees.
Les traitements de globulisation envisages ont conduit dans tous les cas a des struetures satisfa-isantes, caracteristiques d'une spheroidisation avancee de la cementite.
III. CARACTERISATION DE L EFFET DES
RESIDUELS SUR LA TREMPABILITE
III.l. Traitements thermiques dans la masse
III.1.a. Influence des elements consideres sur
Vetendue du domaine de trempe
Des courbes de transformation en refroidissement continu ont ete tracees pour les nuances XC 42 et 20 M5 (figure 1), apres austenitisation dans les conditions prementionnees des traitements de normalisation. Pour caracteriser l'eten-due du domaine de trempe, nous avons considere la vitesse de refroidissement (representee, par exemple, par la duree de refroidissement zlt 700/ /300 entre 700 et 300 °C) conduisant a une struetu-re constituee a 50 % ,de martensite.
Par extension d'une analyse de Moser et Legat,13 nous avons suppose que si Ata est la valeur de ce parametre de refroidissement pour l'acier de base de la famille consideree, et AU sa valeur pour une nuance da la meme famille differant se-ulement de l'acier de base par un exces (zfX;) % en element i, on peut calculer
log A— = a, (AXj) A to
et en deduire cij facteur de trempabilite intrinseque de 1'element residuel i.
Nous avons d'abord controle les limites <d'une telle analyse: le facteur d'action a; d'un element pour une famille d'acier determinee est bien inde-pendant de la teneur (supposee evidemment limi-tee) en cet element, de la teneur en carbone et de la concentration des autres residuels.
C Si Mn Ni Cr Mo Al S P Cu )04\621 I0.44\0.87\0.U \0JB\Q,W 10,0710/3 I--
AusteniHzirano. Austčnitisč d 830°C, 15min
C Si Mn Ni Cr Mo Al S P Cu
11971189\im\0.44\0.67\ 0.14\0.I7\0.IS\0.06\0.38\---
12031204 \l28l\Q44\ 50s| 0.1 J\0.16 |0.18\ Q07\qJ71-
Austenitizirano. Austentisč a 875"C. 15min
		II			11			n		
	A			| *						
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	1					i5				
Sekunde	čas med 700 °C in 300"C
Sicondts	Ttmps entre 700 "C 11 300'C
Slika 1
Vpliv oligoelementov na krivuljo TRC in krivuljo končne trdote v odvisnosti od hitrosti ohlajevanja
Fig. 1
Influence des residuels sur la courbe TRC et al courbe de durete finale en fonction de la vitesse de refroidissement
Z razširitvijo analize po Moserju in Legatu'5 smo predpostavljali naslednje: če je Atc vrednost parametra ohlajevanja za osnovno jeklo posamezne skupine in At, vrednost parametra za določeno jeklo, ki se pa razlikuje od osnovnega jekla samo v dodatku (AXj) elementa i, potem se lahko izračuna
log — = <Xi (AX;)
Ato
in faktor ai( ki je faktor inherentne kaljivosti re-zidualnega elementa i.
Najprej smo preverili omejitve take analize: vplivni faktor Gtj iskanega elementa v določeni kvalitetni skupini je neodvisen od koncentracije tega elementa (predpostavka je omejena), od vsebnosti ogljika in koncentracije ostalih oligoelementov. V tabeli 4 so prikazani faktorji kaljivosti, ki jih je dala ta analiza.
Presenetljiva je ugotovitev, da se faktorji kaljivosti analiziranih elementov kljub mnogim nenatančnostim zelo malo razlikujejo pri obeh vrstah jekel.
Če upoštevamo maksimalne dovoljene vsebnosti oligoelementov, ki so predpisane v francoskih normah: P = 0,035 %, Mo = 0,08 %, Cr = 0,30 %, Si = 0,050 %, Ni = 0,30 %, Cu = 0,40 %, dobimo naslednji vpliv faktorjev a; X; na širino področja kaljivosti jekel, vrst XC 42 ali 20 M5 po avsteniti-zaciji:
krom = 0,45, silicij = 0,35, fosfor = 0,20, molibden = 0,20, nikeljl = 0,10 in baker = 0,10.
Ti rezultati kažejo, kakor smo tudi predpostavljali, prevladujoč vpliv kroma in majhen vpliv niklja in bakra pri majhnih koncentracijah.
Naše vrednosti faktorja kaljivosti ustrezajo-naslednjim vrednostim ekvivalenta oligoelementov:
2	5
Les facteurs de trempabilite a, sont montres dans le tableau 4.
II est surprenant de constater que les facteurs de trempabilite des elements etudies sont voisins pour les deux nuances, malgre les nombreuses sources d'impreeision.
Si l'on considere isolement les teneurs maxi-males suivantes en elements «residuels» admises par les normes fran?aises: P = 0,035 %, Mo = = 0,08 %, Cr = 0,30 %, Si = 0,050 %, Ni = 0,30 %, Cu = 0,40 %, on obtient les effets suivants a, X, sur 1'etendue du domaine de trempe d'une nuance XC 42 ou 20 M5 apres austenitisation «classique»: chrome = 0,45, silicium = 0,35, phosphore = 0,20, molybdene = 0,20, nickel = 0,10, cuivre = 0,10.
Ces resultats montrent, comme on pouvait s'y attendre, rinfluence preponderante du chrome et le peu d'influence du nickel et du cuivre a ces faibles teneurs.
Tab. 4: Faktorji kaljivosti a.;. Facteurs de trempabilite a,-
Element Element
Jekla XC 42 Nuance XC 42
Jekla 20 M5 Nuance 20 M5
P
Mo
Cr
Si
Ni
Cu
6
2,5
1,5
0,7
0,27
0,25
1,4 0,7 0,47 0,27
Finalement, nos valeurs de facteurs de trempabilite justifient des «equivalences» en «residuels» repondant a la formule approchee suivante:
Si Ni + Cu
Cr + 4P + 2Mo + — +-
2	5
Precisons bien qu'il ne sagit la que d'ordres de grandeur valables dans le cadre des compo-sitions et conditions d'austenitisation de cette etude.
III.l.b. Essais de trempabilite industriels
Nous avons examine dans quelle mesure les petites variations de composition correspondant notamment a la presence d'elements residuels peuvent etre appreciees a travers des essais de trempabilite industriels. Parallelement aux essais Jominy classiques, nous avons envisage le trace de courbes en U a partir de cylindres de 0 25 mm trempes a 1' eau.
Les demi-courbes en U ont ainsi permis de suivre rinfluence des residuels consideres sur 1'evolution de la durete de l'acier XC 42 en fonction de la profondeur sous la peau. On peut esti-mer en particulier l'evolution de l'etendue du domaine martensitque en comparant les profon-deurs sous la peau correspondant a HV = 500. Les profondeurs et facteurs multiplicatifs correspon-dants sont portes dans le tableau 5.
Poudariti moramo, da gre pri tem za red velikosti, veljaven za sestavo in pogoje avstenizacije te raziskave.
lll.l.b Industrijski preizkusi kaljivosti
Opravili smo preizkuse, da bi ocenili, v koliki meri lahko zaznamo majhne spremembe v sestavi s pomočjo industrijskih preizkusov kaljivosti. Vzporedno s klasičnim Jominy preizkusom kaljivosti smo upoštevali tudi U krivulje na valju s presekom 0 25 mm, kaljenem v vodi.
Polovične U krivulje so omogočile, da smo ocenili vpliv upoštevanih oligoelementov na trdoto jekla, vrste XC 42, v odvisnosti od oddaljenosti od površine. Širjenje področja martenzita lahko ocenimo s primerjavo globin, kjer trdota dosega HV = 500. Te globine in ustrezni pomnoževalni koeficienti so prikazani v tabeli 5.
Tab. 5: Pomnoževalni koeficienti. Facteurs multiplicatifs
Sestava	dmm	f
Composition		1
Osnova - Base	3,2	cca 1
+ 0,3 % Cu	3,0	cca 1
+ 0,5 % Cu	3,5	1,09
+ 0,75 % Cu	4,0	1,25
+ 0,5 % Cr	4,2	1,30
+ 0,1 % Mo	5,6	1,75
+ 0,3 % Cu + 0,3 °/o Ni	3,75	1,17
+ 0,25 % Cr + 0,3 % Cu	4,4	1,38
+ 0,25 % Cr + 0,3 % Cu + 0,3 % Ni	5	1,55
Rezultati potrjujejo šibak vpliv bakra in niklja in kaže, da nekoliko minimizirajo vpliv 0,5 °/o dodatka kroma.
Velikostni razred in razvrstitev pomnoževalnih faktorjev pri globinah kaljenja na 25 % martenzita se ne razlikuje od prejšnjih toliko časa, dokler upoštevani oligoelementi ne spreminjajo izrazito velikosti bainitnega področja: 1,10 za 0,5 % Cu, 1,30 za 0,5 % Cr, toda blizu 3 za 0,1 % Mo.
Ob primerjavi rezultatov Jominy krivulj smo razvrstili v tabeli 6 za jekla XC 42 in v tabeli 7 za jekla 20 M5 trdote Rockwell C v nekaterih oddaljenostih J mm od kaljenega čela.
Pri jeklih XC 42, ki imajo ozko bainitno področje, opažamo velik vpliv kemične sestave na trdoto v oddaljenosti J4. Predzadnja kolona tabele (AHV)j4 = (HV —• HV„sndva)J4 kaže razširitev bainitno martenzitnega področja, medtem ko zadnja kolona v isti tabeli (Jominy oddaljenost z 48 HRC, kar ustreza približno 80 % martenzita) karakteri-zira širino martenzitnega področja.
Iz zadnjih dveh kolon tabele 6 lahko oblikujemo sklepe, :ki so primerljivi s tistimi, ki smo jih oblikovali iz krivulj »U«:
Ces resultats confirment les faibles effets du cuivre et du nickel mais semblent minimiser un peu l'effet de 0,5 % de Cr.
L'ordre de grandeur et le classement des facteurs multiplicatifs des profondeurs de traitement a 25 % de martensite n'est pas tres different des precedents tant que les elements consideres ne modifient pas nettement 1'etendue du domaine bainitique: 1,10 pour 0,5 % Cu, 1,30 pour 0,5 % Cr, mais pres de 3 pour 0,1 % de Mo.
Comparant maintenant les resultats des cour-bes Jominy, nous avons regroupe, dans le tableau 6 pour les nuances XC 42 et dans le tableau 7 pour les nuances 20 M5, les valeurs de durete Rockwell 1 a quelques distances J mm de l'extremite trempee.
Pour les nuances XC 42, a domaine bainitique tres etroit, on constate une forte influence de la composition sur la durete a J4. L'avant derniere colonne du tableau: WHVJ4 = (HV — HVbase))J4 donne une idee du gain de durete par extension du domaine bainite-martensite, tandis que la derniere colonne (distance Jominy a 48 HRC, soit environ 80 % de martensite) caracterise l'extension du domaine martensitique.
Tab. 6: Jominy preizkus — jeklo vrste XC 42. Essais Jominy — Nuances XC 42
Sestava Composition
> 53
o cd
S g
-L.
Osnova + 0,3 + 0,5 + 0,75 + 0,3 + 0,5 + 0,25 + 0,5 + 0,05 + 0,1 + 0,025 + 0,05 + 0,5
- Base % Cu % Cu % Cu % Ni % Ni % Cr % Cr % Mo % Mo o/o p % P % Si
54	29 53 28,5 55,5 34
55	31,5
53	29 55,5 31 55,5 38,5
56	49 53,5 30,5
54	35 52 28,5
55	30 55 33
26 24 25,5 23. 26,5 25 26 24, 26 24, 26,5 25 28 26 33,5 28
26	24, 27,5 26 25,5 24 25,5 24
27	26
23 22,5 23,5 23
23
24
25
26 23,5 24,5 22,5 23 25
0	2,5
0	2,5
5,5	2,7
3	2,6
0,5	2,5
2,5	2,6
10	2,9
20	4,2
2	2,5
6,5	2,6
0	2,5
1,5	2,6
4,5	2,6
+ 0,3 + 0,25	% Cu % Cr	55	32,5 26,5 25,5 24,5 3,5 2,6
+ 0,3 + 0,3	% Cu % Ni	56	42 29,5 25,5 24,5 13,5 3,1
+ 0,3 + 0,3 + 0,25	% Cu °/o Ni % Cr	55,5 43,5 28,5 26 25 15 3,2	
+ 0,3 % Cu + 0,3 % Ni + 0,25 % Cr + 0,025 % P		56	50 34,5 27 25,5 21,5 4,7
+ 0,2 + 0,1	% Cr % Mo	55	45,5 30,5 26,5 25 17 3,5
—	pri enostavnih upoštevanih dodatkih imata le krom in molibden pomemben vpliv na parametre kaljivosti. Baker, nikelj, silicij in fosfor so brez zaznavnega vpliva v koncentracijah, ki so bile upoštevane;
—	pri istočasnem dodatku več rezidualnih elementov so vplivi skoraj kumulativni.
Jekla, vrste 20 M5, pokažejo največje spremembe trdote na mestu J6, zato smo v predzadnji koloni tabele 7 upoštevali vrednosti (AHV)J6.
Tab. 1: Preizkus Jominy jekla, vrste 20 M5. Essais Jominy-nuances 20 M5
Sestava				š y
Composition	CN Tf	OO	o	K K 8 <1 i.
		1-1	1-5	C3 II
Osnova - Base	40 26	17,5 13,5 U		0 2,3
-f 0,3 % Cu	41,5 30	21 16,5	14	3,5 2,6
+ 0,5 °/o Cu	42 30	21 16	13,5	3,5 2,7
+ 0,75 % Cu	43 32	23 18	15	5,5 2,9
+ 0,5 % Ni	43 30,5 22 17		15	4,5 2,8
+ 0,25 % Cr	43 30,5 26 20,5		17,5	8,5 3
4- 0,5 % Cr	44,5 38	30,5 26	23	13 4
+ 0,025 % P	43 30	20 16	13	2,5 2,8
+ 0,05 % P	43,5 31	21,5 17	14	4 2,9
+ 0,5 % Si	43 32	22,5 18	15	5 2,9
+ 0,04 % Sn	42,5 30,5 21 16,5		14	3,5 2,2
Iz pregleda rezultatov v tabeli lahko ugotovimo, da imajo samo jekla z dodatkom kroma izrazito drugačno Jominy krivuljo, kot talina z osnovno sestavo. Kaže, da fosfor in kositer ne vplivata na kaljivost, ki jo ocenimo iz Jominy preizkusov.
Zanimivo je, da se prispevki različnih elementov k Jominy kaljivosti ujemajo pri jeklih XC 42 in 20 M5. Nasprotno pa lahko ugotovimo s primerjavo vpliva dodatkov 0,1 % Mo ali 0,5 % Cr na kaljivost jekla XC 42, da Jominy indeksi kaljivosti privedejo do uvrstitev, ki se razlikujejo od tistih, ki izhajajo iz U krivulj. To kaže dvomljivi značaj indeksov kaljivosti in na precejšnje težave pri oceni vpliva oligoelementov.
III.2 Preizkusi površinskega kaljenja (jeklo vrste XC 42)
III.2.a Karakteristike kaljivosti pri hitrem ogrevanju
Toplotni ciklus za industrij sik o površinsko ka-ljenje je odvisen za vsako globino od nastavitve parametrov na napravi: moč, frekvenca, čas delovanja induktorja in ostrost kaljenja. Maksimalna temperatura na površini ob koncu ogrevanja v mejah 900 do 1000 °C je dosežena v približno desetih sekundah. Da bi karakterizirali vpliv zelo hitrega ogrevanja (nepopolna avstenizacija, homogeni-zacija porazdelitve ogljika, velikost avstenitnega zrna na površini itd.), smo uporabili dilatometer z visokofrekvenčnim ogrevanjem, ki omogoča, da se ogreje v vakuumu do temperature 1000 °C in homogeno v približno 10 sekundah votel preizku-
Les deux dernieres colonnes du tableau 6 per-mettent des conclusions assez comparables a celles tirees du depouillement des courbes en U:
—	Pour les additions simples considerees, seuls le chrome et le molybdene ont un effet signi-ficatif sur les parametres de trempabilite retenus. Cuivre, nickel, silicium et phosphore n'ont guere d'influence apparente aux teneurs considerees.
—	Pour les additions simultanees, les contribu-tions individuelles sont a peu pres cumulatives.
Pour les nuances 20 M5, ce sont les valeur s de durete a J6 qui presentent les plus fortes variati-ons, de sorte que nous avons pris en oonsideration 1'evolution de (HV)J6 a l'avant derniere colonne du tableau 7.
L'examen de ce tableau montre que seules les coulees au chrome ont une courbe Jominy nette-ment differentes de celle de la nuance de base. Le phosphore et l'etain n'ont pas, semble-t-il, d' influence significative sur la trempabilite estimee a partir de ces essais Jominy.
II est interessant de noter que les contributi-ons a la «trempabilite Jominy» des differents elements sont concordantes pour les nuances XC 42 et les nuances 20 M5. Par contre, on peut consta-ter en comparant les effets d'une addition de 0,1 % Mo ou 0,5 % Cr sur la trempabilite d'un acier XC 42, que les indices de trempabilite Jominv peuvent conduire a des classements differents de ceux obtenus a partir des courbes en U. Ceci montre bien le caractere un peu arbitraire des indices de trempabilite et les difficultes d'appreciation du role des residuels.
111.2. Traitements de trempe superficielle
(nuance XC 42)
III.2.a. Caracterisation de la trempabilite
apres chauffage rapide
Les cycles thermiques de trempe superficielle industrielle dependent, a chaque profondeur sous la peau, des parametres de reglage de 1'installa-tion: puissance, frequence, couplage et temps d'action de 1'inducteur, severite de la trempe. La temperature maximale de peau en fin de chauffage est generalement situee entre 900 et 1000 °C et atteinte en une dizaine de secondes. Pour carac-teriser les effets d'un chauffage tres rapide (auste-nitisation incomplete, homogeneisation de la di-stribution du carbone, tailles des grains austeniti-ques superficiels ...), nous avons utilise un dilato-metre a chauffage haute frequence permettant de chauffer, sous vide, vers 1000 °C, en une dizaine de secondes, et de maniere, relativement homogene, une eprouivette creuse (4 et 2,6 mm de diame-tres exterieur et interieur). Les vitesses de refroi-dissement peuvent atteindre 500°C/s sur ce type d'eprouvette. Les conditions de chauffage etudiees sont les suivantes: montee en temperature en 3 a 9 secondes, maintien de 3 secondes a une temperature de 900, 950 ou 1000 °C.
Začetno stanje Etat initial
Normalizirano Normalise
Sferoidizacijsko žarjenje Globulise
Temper. °C Temper. °C
900 950 1000 830 1000 830
Čas ogrevanja Duree du chauffage	6 ali 12 s	9 s	12 s	15. min	<N	15. min
P	3,4	5	—	6	_	_
Mo	0,8	3,5		2,5	2,2	2
Cr	0,95	1,45	1,5	1,5	1,35	1,35
Si	0	0,3	—	0,7	—	—
Ni	0,20	0,25	0,27	0,27	—	—
Cu	0,16	0,3	0,25	0,25	0,6	0,25
_____I normalizirano
base° \normalis^ f) c o/ rJ sferoidizirano'
8
Secondes Sekunde
Čas med 700 "C in 300°C Temps en tre 700°C et 300 "C

Slika 2a
Vpliv načina avstenitiziranja na krivuljo trdota/hitrost ohlajevanja za jeklo vrste XC 42 z 0,25 % Cr, 0,3 % Cu, 0,3 % Ni in 0,03 % P
Fig. 2a
Influence des conditions d'austenitisation sur la courbe durete-vitesse de refroidissement de la nuance XC a 0,25 % Cr, 0,4 °/o Cu, 0,3 % Ni, 0,03 % P
šanec (zunanji premer 4 mm, notranji premer 2,6 mm). Na takih preizkušancih se lahko doseže hitrost ohlajevanja do 500°C/s. Pogoji ogrevanja so bili naslednji: ogrevanje na temperaturo v času 3 do 9 sekund, držanje 3 sekunde pri temperaturah 900, 950 ali 1000 °C.
Da bi preiskali vpliv začetne porazdelitve ce-mentita, so bili preizkusi narejeni vzporedno na preizkušancih, ki so bili normalizirani in sferoidizacijsko žar j eni.
Krivulje trdote v odvisnosti od hitrosti ohlajevanja (sliki 2a in 2b) so omogočile, da smo določili, kot v tabeli 6, faktorje kaljivosti po hitrem ohlajevanju. Te faktorje prikazuje tabela 8.
Tab. 8: Faktorji kaljivosti pri hitrem ohlajanju. Facteurs de trempalilite apres chauffage rapide
Slika 2b
Vpliv začetne strukture (normalizirana ali sferoidizira-na) na krivuljo trdota/hitrost ohlajevanja za jeklo vrste XC 42 in dodatkom 0,5 % Cr, po avstenitizaciji na 1000 °C/s
12 ;S
Fig. 2b
Influence de la structure initiale (normalisee ou globulisee) sur la courbe durete-vitesse de refroidissement des nuances XC 42 de base et a 0,5 °/o Cr apres austenitisation a 1000 "C en 12 s
Pour examiner 1'influence de la distribution initiale de la cementite, les essais ont ete effectues parallelement sur les etats normalises et globuli-ses.
Les oourbes correspondantes de durete en fonction de la vitesse de refroidissement (cf. fig. 2a, 2b) ont permis de determiner, comme en 6, des facteurs de trempabilite apres chauffage rapide:
Ces resultats montrent que, pour une temperature maximale inferieure a 950 °C, les facteurs de trempabilite des elements susceptibles de se sub-stituer dans la cementite (Mo, Cr) ou de segreger dans la ferrite (Si) peuvent etre sensiblement inferieurs a ceux obtenus pour les conditions d'austenitisation d'une normalisation.
Si l'on part d'une structure initiale globulisee, les resultats preeedents sont transposables avec toutefois des facteurs de trempabilite systemati-quement plus faibles pour les elements carburi-genes (Cr, Mo).
III.2.b. Influence des residuels sur les profondeurs de trempe lors d'essais de trempe superficielle sur barres en XC 42
Ces essais ont ete effectues sur une installation comportant un chauffage a haute frequence (10 kHz) et une trempe par douche avec rotation et translation de 1'eprouvette (0 25 mm), preala-blement normalisee.
Deux conditions d'essai correspondant a une temperature maximale de peau de 900—925 °C ont ete adoptees pour ces traitements au defile:
Rezultati kažejo, da je pri temperaturi pod 950 °C faktor kaljivosti rezidualnih elementov, ki lahko nadomestijo železo v cementitu (Mo, Cr) ali izcejajo v feritu (Si), občutno nižji, kot je bilo ugotovljeno pri avstenitizaciji za normalizacijo jekla.
Če pa izhajamo iz sferoidizirane strukture, so prejšnji rezultati prenosljivi, vendar s faktorji kaljivosti, ki so dosledno nižji za karbidotvorne elemente.
III.2.b Vpliv oligoelementov na globino kalje-
nja pri preizkusih površinskega kaljenja na
palicah jekel, vrste XC 42
Te preiskave smo izvršili na napravi z visokofrekvenčnim ogrevanjem (10 kHz), kal j en jem pod prho in rotacijo preizkušanca 0 25 mm, ki je bil predhodno normaliziran.
Preizkusi pri maksimalni temperaturi površine 900—925° C so bili izvršeni pri dveh različnih hitrostih pomika:
—	hitrost pomika 700 mm /min — moč 30 kW (tanke kaljene plasti)
—	hitrost pomika 200 mm'min — moč 10 kW (debele kaljene plasti)
a)	tanke kaljene plasti
Po nekaj sekundah ogrevanja je pod površino toplotni gradient ogrevanja zelo izrazit in v globini 3 mm jeklo ni več avstenitizirano. Kaljenje je tedaj zelo uspešno (manjša količina toplote za odvajanje, bližina tuširane površine) in kaljivost osnovnega materiala je zadostna, da se vse avstenitizirano jeklo pretvori v martenzit. Metalografske preiskave in hitri prehod trdote med 650 in 250 HV potrjujejo, da je zelo ozka prehodna cona med martenzitom in avstenitiziranim perlitom.
V	teh pogojih imajo le obroben pomen majhne spremembe kaljivosti, povezane s prisotnostjo oligoelementov. To je prikazano na sliki 3, kjer je primerjava trdote neposredno pod površino med osnovnim jeklom in istim jeklom z maksimalnimi dodatki oligoelementov. Če vzamemo kot kriterij globine kaljenja bodisi 510 H V (kar se često uporablja v industrijski praksi), bodisi 375 HV (kar ustreza ca. 50 % martenzita v strukturi), je zanemarljiv vpliv oligoelementov v koncentracijah, ki smo jih uporabili pri naših preiskavah globine kaljene plasti (tabela 9).
b)	Debela kaljena plast
V	primerjavi s preizkusi, ki so opisani pod a), ustvari daljše in bolj progresivno ogrevanje, širšo avstenitizirano plast (velikost ca. 6 mm) in manjši radialni gradient pred kaljenjem. Obstaja zato tudi precej debela plast, kjer je maksimalna dosežena temperatura imed A, in A3 (parcialna avste-nitizacija) in kjer hitrost ohlajevanja ni tako velika, kakor je pri kratkem kaljenju. To daje slutiti večjo kaljivost jekla in blažji potek končne trdote pod kaljeno površino. Metalografske- preiskave so
—	translation a 700 mm mn — puissance 30 kw (couche trempe mince)
—	translation a 200 mm/mn — puissance 10 kw (chouche trempee epaisse)
a)	couches trempees minces
Apres les quelques secondes de chauffage, le gradient thermique sous la peau est important et les points situes a 3 mm de la surface ne sont pas austenitises. La trempe est alors tres efficace (faible quantite de chaleur a evacuer, proximite de la surface aspergee) et la trempabilite du metal de base est suffisante pour que la quasi-totalite du metal austenitise soit transformee en martensite. Les observations micrographiques et les variations brutales de durete entre 650 et 250 HV confirment la tres faible epaisseur de la zone de transition entre martensite et perlite austenitisee.
Dans ces conditions, les petites variations de trempabilite liees a la presence de residuels n'in-terviennent que de fagon marginale. Ceci est illu-stre par la figure 3 ou sont comparees les evolu-tions de durete sous la peau de la nuance de base et de la nuance la plus alliee consideree. Si l'on prend comme critere de profondeur trempee, soit 510 H V (souvent utilise dans la pratique industriel-le), soit 375 HV (correspondant sensiblement a 50 % de martensite), 1'effet des teneurs etudiees en residuels sur Teipaisseur de la couche trempee est negligeable (cf. tableau 9).
b)	couches trempees epaisses
Par rapport aux essais decrits en a, le chauffage plus long et progressif conduit evidemment a une couche austenitisee plus epaisse (de 1'ordre de 6 mm) et un gradient thermique radial plus reduit avant la trempe. II existe alors une couche assez epaisse ou la temperature maximale atteinte est comprise entre A, et A3 (austenitisation partielle) et ou la vitesse de refroidissement n'est pas aussi elevee que dans le cas des trempes breves. Ceci laisse presager une influence plus grande de la trempabilite du metal et une evolution plus pro-gressive de la durete finale avec la profondeur sous la peau trempee.
Les observations micrographiques revelent effectivement une couche de transition etendue sous la couche martensitique avec passage progressif, de structures resultant d'une austenitisation complete, a des structures typiques d'une austenitisation partielle.
La fig. 3 montre 1'evolution radiale de la durete pour les echantillons XC 42 de base et pour la nuance la plus alliee.
Cette figure montre que la couche trempee est nettement plus epaisse et l'evolution de la durete plus progressive pour la nuance a forte teneur en residuels.
Nous avons finalement regroupe au tableau 9 les valeurs de 1'epaisseur trempee (critere HV =
pokazale široko prehodno cono pod martenzitnim slojem s počasnim prehodom in mikrostrukture, ki izvirajo iz popolne in iz delne avstenitizacije.
Sliika 3 kaže radialni potek trdote pri osnovnem in pri najbolj legiranem jeklu vrste XC42. Slika pove, da je kaljeni sloj izrazito debelejši in prehod trdote blažji pri jeklu z veliko količino oligoelementov. Ob koncu smo pregrupirali v tabeli 9 debeline kaljene plasti (kriterij HV510 ali HV 375), katere smo dobili pri različnih variantah jekel, vrste XC 42, v pogojih, opisanih v odstavkih a in b.
Tab. 9: Primerjava globine kaljenja v mm. Comparaison des epaisseurs trempees en mm
Sestava Composition
Hiter	Počasen
prehod	prehod
Defilement	Defilement
rapide	lent
	> K	> ffi	> X	> X
	o U-l	in r-co	o u-i	LO r-ro
Osnova - Base	1,75	2,1	2,2	3,3
+ 0,75 % Cu	1,9	2,3	2,8	3,9
+ 0,5 % Ni	1,8	2,1	2,7	4,0
+ 0,5 % Cr	1,7	2,2	3,2	4,1
+ 0,1 % Mo	2,0	2,1	3,5	4,4
+ 0,3 % Cu + 0,3 % Ni	1,9	2,3	2,4	3,7
+ 0,25 °/o Cr + 0,3 °/o Cu + 0,3 % Ni + 0,025 % P
2,1 2,4 4,4 6,2
Medtem ko zelo hitro ogrevanje ni odkrilo vloge oligoelementov, sta počasen pomik in večja globina avstenitizacije omogočila, da lahko uvrstimo elemente po pojemajočem vplivu na globino kaljene plasti (pri uporabljenih koncentracijah): Mo, P, Cr, Ni, Cu; zadnja dva elementa imata zanemarljiv vpliv, če koncentracija ne presega 0,3 % Čim bolj je ogrevanje počasno, tem bolj se približujemo pogojem masivnega kaljenja. Pri pogojih ogrevanja, ki imajo za posledico avstenitizacijo do globine preko 5 mm, je globina kaljenja (kriterij 510 HV) praktično enaka Jominy razdalji pri 510 HV.
IV. KARAKTERIZACIJA VPLIVA
OLIGOELEMENTOV NA DEFORMACIJSKO
SPOSOBNOST V HLADNEM
Ta vpliv se lahko zazna v normaliziranem in v sferoidiziranem stanju, tako pri utrditvi ferita, neodvisno od dejavnikov, povezanih s temperaturo transformacije (velikost zrn), kot pri karbidni fazi: relativni delež perlita, razlike v kinetiki sferoidi-zacije itd.
IV. 1 Utrjevanje ferita
V tabeli 10 smo zbrali za jekla, vrste XC 10, podatke o mikrotrdoti ferita po Vickersu pri obtežbi 100 g (povprečje neritev in standardno odstopanje,
= 510 ou HV = 375) obtenues sur differentes nuances de la famille XC 42 dans les conditions des paragraphes a et b.
Alors que la serie d'essais effectuee avec chauf-fage tres rapide n'a pu mettre en evidence le role des residuels, celle avec defilement lent et auste-nitisation plus profonde a permis de classer les elements par ordre d'influence decroissante sur l'epaisseur trempee (pour les teneurs usuelles): Mo, P, Cr, Ni, Cu, les deux derniers elements ayant d'ailleurs une influence negligeable aux teneurs ne depassant pas 0,3 %. Plus le chauffage est ralenti, plus on se rapproche des conditions d'une trempe dans la masse. Pour les conditions de chauffage conduisant a austenitisation sur plus de 5 mm de profondeur, la profondeur trempee (critere 510 HV) est pratiquement egale a la distan-ce Jominy a 510 HV.
Slika 3
Primerjava trdotnih krivulj po VF kaljenju p. veliko (700 mm/min) in majhno (200 mm/min) hitrostjo pomika za osnovno jeklo XC 42 in jeklom iste vrste z maksimalnim dodatkom oligoelementov
Fig. 3
Comparaison des profils de durete apres trempe HF & grande (700 mm/mn) et faible (200 mm/mn) vitesse de defilement pour les nuances XC42 de base et XC42 la plus chargee
IV. CARACTERISATION DE L'EFFET DES RESIDUELS SUR LA DEFORMABILITE A FROID
Cette influence peut etre per^ue sur les etats normalises ou globulises, soit au niveau du durcis-sement relatif de la ferrite, independamment ou non de facteurs lies aux temperatures de transformation (tailles de grains), soit au niveau de la phase carburee: quantite relative de perlite, diffe-rence dans les cinetiques de globulisation ...
Hitrost pomika Defilement 700 mm/mn — 200mm/mn
Globina v mm Profondeur en mm
Base +0,25 %Cr+ 0,3 % Cu+ 0,3% Ni+ 0,025% P
merjeno na 20 mestih), po ohlajevanju z temperature 1250 °C z 10 oziroma 100 °C na uro (največja velikost zrna je 100 um).
Celota rezultatov (preko 500 meritev mikrotr-dote) kaže, da kljub upoštevanju vseh posebnih pogojev (velikost feritnih zrn, elektrolitsko polira-nje) ni bilo mogoče opredeliti pomembne utrditve ferita zaradi oligoelementov.
Kaže, da pri hitrem ohlajevanju vplivajo na utrjenje ferita krom, baker in fosfor, medtem ko se pri počasnem žarjenju pokaže vpliv bakra in manj fosforja.
V primerih, ko je količina bakra višja od 0,3 %, je potrebno razločevati12 rahlo substitucijsko utrjenje ferita, dokler je hitrost ohlajevanja nad 50°C/h, in pomembnejše utrjenje zaradi izločanja faze e v feritu, ki se tvori pri bolj počasnem ohlajevanju. Pri takem počasnem ohlajevanju je na-rastek trdote reda velikosti 15 H V pri dodatku 0,50 % Cu. Ta prispevek bakra sta upoštevala že Brown6 in Sachs1 in naj bi bil desetkrat večji od tistega, katerega omenjata Pickering in Gladman9.
IV.2 Vpliv oligoelementov na volumski delež
perlita pri počasnem ohlajevanju jekla
Poizkusili smo opredeliti, ali oligoelementi spremenijo relativni delež perlita po normalizaciji pri jeklih, vrst 20 M5 in XC 42. Po ustreznem jedkanju so bile količine perlita izmerjene na kvantitativnem analizatorju QTM 720. Pokazalo se je, da samo dodatek kroma 0,5 % in v manjši meri dodatek fosforja 0,05 %, opazno povečata relativni delež frakcije perlita po toplotni obdelavi.
IV.3 Vpliv oligoelementov na globalne
mehanske lastnosti v normaliziranem in
sferoidiziranem stanju
IV.3.1 Ponašanje pri nateznih preizkusih
Raztržni preizkusi so bili izvršeni na preizku-šancih iz jekel vseh treh vrst po normalizacijskem žarjenju in po sferoidizacijskem žarjenju. Preizkusi so bili izvršeni pri hitrosti 0,6 mm/min z registracijo racionalne natezne krivulje in numeričnim registriranjem sile in deformacije. Registracija rezultatov je omogočila izračun racionalne raztezne krivulje, njeno izvrednotenje v obliki c = k . s" in izračun parametrov k in n (koeficient utrjenja) v neposredni bližini maksimuma trgalne krivulje z natančnostjo reda velikosti 10—3. Po pretrgu smo določili še raztezek A5d in kontrakcijo Z, kar vse opredeljuje duktilnost kovine.
Pri jeklu vrste XC10 je ugotovljeno, da so spremembe v meji plastičnosti in v koeficientu utrjanja (AR, ea. 70N/mm2, ko a zraste od 15 do 50 |im) bolj posledica razlik v velikosti feritnega zrna kot vpliva oligoelementov. Zelo podobne vrednosti za Z in n v normaliziranem in v sferoidiziranem stanju kažejo na zelo majhno korist dragega postopka sferoidizacije za jekla s tako nizko koncentracijo ogljika.
IV.l. Durcissement de la ferrite
Le tableau 10 regroupe les resultats (moyenne et ecart-type sur 20 mesures) des microduretes Vickers sous 100 g de la ferrite des nuances XC 10, apres refroidissement depuis 1250 °C a 10 ou 100°C/h (taille de grain superieure a 100 ixm).
Tab. 10: Mikrotrdota po Vickersu. Microduretes Vickers
Kemična sestava	100° C/h		10° C/h	
Composition	HV	a	HV	a
Osnova - Base	107	7	102	6
+ 0,3 % Cu	113	9	112	6
+ 0,5 % Cu	118	6	117	9
+ 0,75 % Cu	114	6	115	8
+ 0,5 % Ni	—	—	107	6
+ 0,5 % Cr	123	9	100	7
+ 0,025 °/o P	111	7	103	9
+ 0,050 % P	112	6	113	8
+ 0,5 % Si	—	—	105	7
+ 0,045 % Sn	—	—	100	6
+ 0,25 % Cr +0,3 % Cu	119	6	106	8
+ 0,25 % Cr + 0,025 % P	120	7	105	8
+ 0,025 % P + 0,3 % Cu	120	7	109	9
L'ensemble de ces resultats (plus de 500 mesures de microdurete) montre que malgre toutes les precautions prises (tailles des grains de ferrite, polissages electrolytiques), il n'est pas possible d'apprecier de maniere significative le durcissement de la ferrite par les teneurs considerees en elements residuels.
Pour le refroidissement le plus rapide, les elements qui semblent jouer un role sont le chrome, le cuivre et le phosphore, tandis que pour le recuit le plus lent interviendraient surtout le cuivre, et a moindre titre le phosphore.
En ce qui concerne l'effet d'une teneur en cuivre superieure a 0,3 °/o, il faut distinguer12 le faible durcissement de la ferrite par substitution tant que la vitesse de refroidissement est superieure a environ 50 9C/h, et le durcissement un peu plus important resultant de la precipitation de la phase e dans la ferrite formee lors de refroidisse-ments plus lents. Pour de tels refroidissements, le durcissement apparent de la ferrite serait de 1'ordre de 15 HV pour une addition de 0,5 % Cu. Cette contribution du cuivre est celle retenue par Brown6 et Sachs1, mails elle serait dix fois superieure a celle mentionee par Pickering et Gladman9.
Bolj značilne so trdnostne karakteristike pri jeklih vrst XC 42 in 20 M5, kjer je toplotna obdelava, kot smo že ugotovili, jeklom dala velikost feritnega zrna med 10 do 15p,m.
Na osnovi dobljenih rezultatov, ki so prikazani v tabeli 11, lahko definiramo pri jeklu, vrste 20 M5, značilne vplive v absolutnem in relativnem smislu (številke v oklepajih).
Tab. 11: Jekla 20 M5. Rezultati mehanskih preizkusov. Aciers 20 M5. Resultats des essais mecanigues
S
D o
■3 -3
O TJ
Q <
Stanje Etat
AR, ARm AZ
(N/rnm2) (N/mm2) (%)
An
3 O
U")
ro
Normal. 20 (5 96)35 (7 %) -3 (4 %) —0,015 (8%) Sferoid. 25 (8 %) 30 (7 %) -2 (2 %) —0,005 (2%)
§ Normal. 20 ^ Sferoid. 25
Normal. 05 Sferoid. 20
u U
o"
i/5
^ Normal. 15 Sferoid. 40
rr
o"
Oh
§ Normal. 05
£ Sferoid. 25
cs
o"
C cn
^ Normal. 0 ^ Sferoid. 0
o
35 30
30 30
20 40
30 30
> 0 0
0
-2
—3
—1
—0,015 —0,005
—0,015 —0,005
—0,010 —0,005
—0,005 —0,005
—0,015 0
Kljub disperziji rezultatov opazimo primerljivi vpliv prisotnih koncentracij Cu, Ni, Cr, Si in P na trdnost in na duktilnost. Kot smo predvidevali, Vpliva na duktilnost tudi Sn, vendar prav tako malo kot ostali, prej omenjeni elementi.
Tabela 12 prikazuje vpliv istih dodatkov na trdnostne lastnosti jekla, vrste XC42.
Namenoma smo prikazali v tabeli tudi navidezno protislovne rezultate pri dodatkih 0,025 % P in 0,050 % P, da bi opozorili na disperzijo, kateri se ni mogoče izogniti, predvsem pa na prag zelo škodljivega vpliva fosforja na duktilnost
AZ Z
— 20 %,
An n
■ — 10 % za 0,050 % P).
IV.2. Influence eventuelle des residuels sur la fraction volumique de perlite apres refroidissement lent
Nous avons cherche a verifier si les residuels modifiaient notablement la fraction relative de perlite obtenue apres recuit de normalisation pour les aciers 20 M5 et XC 42. Apres attaque adequate, les echantillons ont fait 1'objet de mesures de la teneur en perlite sur analyseur quantitatif QTM 720. II semble que seules 1'addition de 0,5 % Cr et, a moindre titre, 1'addition de 0,050 % P augmen-tent de maniere notable la fraction relative de perlite apres de tels traitements.
IV.3. Influence des «residuels» sur les caracteristiques mechaniques globales a I'etat normalise ou globulise
IV.3.1. Comportement en traction
Des essais de traction ont ete effectues sur des eprouvettes normalisees prelevees dans les trois familles de nuances, soit apres recuit de normalisation, soit apres recuit de globulisation. Ces essais ont ete effectues a la vitesse de 0,6 mm/mn avec enregistrement de la courbe et acquisition nume-rique des forces et deformations. Ces acquisitions de resultats ont permis le calcul de la courbe rati-onnelle de traction, son ajustement par une rela-tion du type a = k£n, et le calcul des parametres k et n (coefficient d'ecrouissage) au voisinage du maximum de la courbe de traction avec une pre-cision de l'ordre de 10—Apres rupture, la deter-mination de rallongement AM et de la striction Z venait completer la caracterisation de la ductilite du metal.
En ce qui concerne les nuances XC 10, les dif-ferences de tailles du grain ferritique sont plus largement responsables des variations de la limite d'elasticite ou du coefficient d'ecrouissage que les elements residuels (zlRe~ 70 N/mm2 quand d passe de 15 a 50,[xm). Les valeurs voisines de Z et n dans les etats normalise et globulise montrent, au passage, le peu d'interet d'un traitement one-reux de globulisation pour des nuances a si faible teneur en carbone.
Les comparaisons des caracteristiques de traction sont plus significatives en ce qui concerne les nuances XC 42 et 20 M5 puisque nous avons vu que les traitements adoptes ont confere a ces aciers des tailles de grains ferritiques comprises entre 10 et 15 p,m.
Les resultats obtenus sur les nuances 20 M5, presentes dans le tab. 11, permettent d'etablir les influences-types suivantes en valeur absolue et relative (chiffres entre parentheses).
On remarque, malgre les dispersions, des effets comparables des teneurs envisagees en Cu, Ni, Cr,
Tab. 12: Jekla XC 42. Rezultati mehanskih preizku sov. Aciers XC 42. Resultats des essais mecanigues
Dodatek Addition	Stanje Etat	AR, (N/mm2)	AR™ (N/mm2)	AZ (%	An
0,35 % Cu	Normal.	10	05	0	0
	Sferoid.	10	05	0	0
0,35 % Ni	Normal.	25	05	— 3	0
	Sferoid.	25	10	0	0
0,35 °/o Cr	Normal.	15 (4 °/o)	10 (7 °/o)	0	—0,008 (5 %)
	Sferoid.	05	25	— 1	—0,005
0,05 % Mo	Normal.	10	0	0	0
	Sferoid.	05	0	0	0
0,4 % Si	Normal.	40 (11 %'	30 (5 %)	0	0
	Sferoid.	40 (12 %)	30 (6 %)	— 2	0
0,025 % P	Normal.	20	05	0	0
	Sferoid.	25	0	0	0
0,050 % P	Normal.	—30	40	—10 (18 %)	—0,015 (8 %)
	Sferoid.	—30	20	— 5	—0,010
0,30 % Cu +	Normal.	10	20	— 3	—0,009
0,3 % Ni	Sferoid.	10	15	— 1	—0,002
0,25 °/o Cr +	Normal.	60 (18 °/o)	90 (16 %.')	— 2 (3 °/o)	—0,025 (15 %)
0,3 % Cu +	Sferoid.	60 (20 %)	85 (16 %),	— 2 (3 %)	—0,025 (12 °/o)
0,3 % Ni					
0,25 % Cr +					
0,3 % Cu +	Normal.	30	80	— 8 (15 %)	—0,020
0,3 % Ni +	Sferoid.	25	55	— 9 (13 °/o)	—0,020
0,025 % P					
Če izvzamemo visoke koncentracije fosforja, enostavni upoštevani dodatki povzročajo zelo majhne spremembe Re in Rm ter zanemarljivo zmanjšanje duktilnosti (Z in n) v normaliziranem in v sferoidiziranem stanju.
Združen dodatek 0,25 % Cr + 0,30 % Cu + + 0,30 % Ni, kar ustreza izjemnim koncentracijam oligoelementov, se odraža z JR. = 60 N/mm2, /)Rm = 90 N/mm2, AZ = —2 °/o, An = —0,025 in v normaliziranem in v sferoidiziranem stanju. Vrednost /)Rm je primerljiva z vrednostjo 120 N/mm2 po Sachsu z ekstrapolacijo količine oligoelementov v Angliji do 0,25 % Cr + 0,35 % Cu + 0,30 % Ni + + 0.07 % Mo + 0.035 % Sn.
IV.3.2 Ponašanje pri krčilnem preizkusu
Preizkusi deformacije z enkratnim stiskanjem so bili izvršeni s hitrostjo 1 mm/s na stiskalnici 600 t. Preizkusni komadi so bili cilindrične oblike (0O = 14 mm, h« = 21 mm), gladki ali zarezani, poglobljeni na vsaki strani za 0,5 mm in deformirani na ravni in zarezani podlagi. S tem, da smo sledili napredovanju deformacije zunaj poglobitve in opazovali z biokularno lupo površinske napake, smo lahko s točnostjo ±5 % določili mejno deformacijo pred pojavom razpoke.
Pri jeklih, -vrste XC 10, v normaliziranem in v sferoidiziranem stanju ni bilo mogoče pri preizku-
si, P, sur la resistance et la ductilite. Comme pre-vu, seule cette derniere est affectee par 1'addition d'etain, mais dans des proportions aussi modestes que pour les elements prečites.
Le tableau 12 resume l'effet des memes additi-ons, eventuellement conjointes, sur les caracte-ristiques de traction des nuances XC 42.
Nous avons volontairement fait figurer dans ce tableau les resultats apparemment contradictoires obtenus pour une addition de 0,025 % P ou 0,050 % P, de maniere a rendre compte des dispersions inevitables, et surtout d'un seuil d'action du pho-sphore particulierement nefaste au niveau de la ductilite
^ ~ _ 20 °/o, —--10 % pour 0,050 °/o P).
Z	' n
A l'exception de la teneur elevee en phosphore, les additions simples considerees conduisent a des variations tres faibles de Re ou Rm et a une baisse insignifiante de la ductilite (Z et n), tant a l'etat normalise que globulise.
Une addition conjointe de 0,25 % Cr + 0,30 °/o Cu + 0,30 % Ni, qui correspond a une teneur exceptionnelle en residuels, se traduit par /|RC = = 60 N/mm2, z(Rm = 90 N/mm2, AZ = — 2%,
sih gladkih .preizkušancev, opravljenih na IRSID in na UGINE, zaslediti nobenih napak tudi pri maksimalni deformaciji 82 %, ki jo je omogočila stiskalnica.
Tabela 13 prikazuje zbir rezultatov za jekla, vrste 20 M5 in XC 42.
Tab. 13: Rezultati preizkusov krčenja. Resultats des essais en ecrasement
Preizkus Essais
Narez. podlaga Sur tas stries
Gladka podlaga Sur tas lilsses
Tip preizkušanca Type d'eprouvettes	Gladek Lisses	Gladek Lisses	Gladek Lisses	Zarez. Entaillees	Zarez. Entaillees
Stanje	"a	-d ^	13		
materiala	B	o 5	e		. =s
Etat etudie	i-. o	0) O	o	O d	
	Z	C/3 M		2 6	W 2 M
	%	%	°/o	%	%
Sestava jekel vrste 20 M5					
Composition des nuances 20 M5					
Osnova - Base	70	70	>82	50	65
+ 0,3 % Cu	70	70	—	50	—
+ 0,5 % Cu	—	—	—	51	70
+ 0,75 % Cu	55	55	>82	50	80
+ 0,5 % Ni	—	—	>82	45	—
+ 0,5 % Cr	65	—	>82	52	—
+ 0,5 % Si	—	—	>82	50	—
-f 0,050 % P	70	—	>82	48	70
+ 0,040 % Sn	45	50	67	48	—
Sestava jekel vrst XC 42					
Composition des nuances XC 42					
Osnova - Base	50	50	55	—	65
+ 0,3 % Cu	—	—	60	—	61
+ 0,5 % Cu	50	—	60	—	60
+ 0,75 % Cu	—	55	60	—	65
+ 0,5 % Cr	—	—	56	—	—
-f 0,050 % P	—	—	55	—	72
+ 0,25 % Cr					
+ 0,1 % Mo	50	—	—	—	—
+ 0,5 % Cu					
+ 0,3 % Ni	40	65	—	—	—
+ 0,25 % Cr					
+ 0,3 % Cu	50	55	—	—	—
+ 0,3 % Ni					
Pri jeklih, vrste 20 M5 ima, kaže, le dodatek 0,040 % Sn pomemben vpliv na deformacijo pred nastankom razpoke.
An — — 0,025 a ,1'etat normalise ou globulise. La valeur de ARm est comparable a celle de 120 N/mm2 prevue par Sachs1 pour une extrapo-lation du niveau des residuels au Royaume-Uni a 0,25 % Cr + 0,35 % Cu + 0,30 % Ni + 0,07 % Mo + 0,035 % Sn.
IV.3.2. Comportement en ecrasement
Des essais d'ecrasement en une seule compres-sion a la vitesse de 1 mm/s ont ete effectues sur une presse de 600 T. Les eprouvettes cylindriques (0O = 14 mm, ho = 21 mm) lisses ou entaillees etaient encastrees sur 0,5 mm a chaque extremite et deformees sur tas lisses ou stries. En suivant la progression des deformations hors encastrement d'une eprouvette a 1'autre, et en detectant a la loupe binoculaire les defauts superficiels apres ecrasement, on a pu determiner a ±5 % la deformation limite avant crique.
Pour les nuances XC 10 normalisees ou globu-lisees, les essais effectues a 1'IRSID et a UGINE sur eprouvettes lisses n'ont pas permis de deceler le moindre defaut, meme apres le taux de reduc-tion maximum permis par la presse (82 %).
Le tableau 13. resume les resultats trouves pour les nuances 20 M5 et XC42
En ce qui concerne les nuances 20 M5, seule 1'addition de 0,040 % Sn semble avoir une influence significative sur le deformation limite avant crique.
Pour les nuances XC 42, la dispersion des resultats n'a pas permis de deceler une influence significative des residuels sur le taux limite d'ecrasement.
On peut penser que le taux limite d'ecrasement reflete en partie la ductilite dans le sens travers du metal, laquelle depend en particulier de l'etat inclusionnaire de l'eprouvette testee.
V. CONCLUSIONS
Cette etude s'est d'abord interessee au role des residuels sur la trempabilite d'aciers fins au carbone ou carbone-manganese.
Pour des conditions de traitement thermique classiques dans la masse, des essais dilatometri-ques completes par le trace de courbes en U et de courbes Jominy ont permis de degager des facte-urs de trempabilite: pour une meme teneur, ces facteurs se classent dans 1'ordre decroissant suivant: P, Mo, Cr, Si, (Ni, ou Cu. Pour des teneurs inferieures a 0,3 %, le cuivre et le nickel ont des effets insignifiants. Globalement, l'effet des residuels sur la trempabilite peut etre estime a travers des equivalences entre teneurs du type:
r< , a t, , t » j Si Ni + Cu Cr + 4 P + 2 Mo -4---u-
2	5
Pri jeklih, vrste XC 42, disperzija rezultatov ni dovolila, da bi določili pomemben vpliv oligoelementov na mejno vrednost krčenja.
Domnevamo, da mejna vrednost krčenja odraža del duktilnosti v prečni smeri, kar pa je odvisno tudi od količine in vrste vključkov v preizku-šancu.
V. ZAKLJUČKI
Ta raziskava je najprej obravnavala vpliv oligoelementov na kaljivost kvalitetnih ogljikovih in mangan-ogljikovih jekel.
V pogojih klasične masivne toplotne obdelave so omogočile dilatometrske meritve, dopolnjene z U in Jominy krivuljami, določitev faktorjev kaljivosti; pri isti količini je padajoči vrstni red faktorjev kaljivosti naslednji: P, Mo, Cr, Si, Ni in Cu, pri čemer pada ta vpliv od fosforja proti bakru. Pri koncentracijah pod 0,3 % imata baker in nikelj nepomemben vpliv. V celoti bi lahko izrazili vpliv oligoelementov na kaljivost z naslednjimi ekvivalencami med količinami:
Cr + 4P + 2Mo+^ + ^Cu
2 5
Analiza kaljivosti jekel, vrste ^kvalitete XC 42, pri pogojih hitre avstenitizacije (simulacija površinskega kaljenja), ki je bila izvršena z masivnim kaljenjem majhnih preizkušancev in s klasičnim površinskim kaljenjem s pomikom pri VF ogrevanju, je privedla do naslednjih zaključkov:
—	v primeru kratke avstenitizacije je na majhni debelini (<2mm) vsa avstenitizirana plast transformirana v martenzit, ne da bi se pri tem pokazale razlike v kaljivosti po debelini kaljene plasti;
—	v primeru podaljšane avstenitizacije z manjšo močjo, ki povzroči bolj globoko avsteniti-zacijo, lahko spremembe v kaljivosti, povezane z oligoelementi, povečajo konvencionalno globino kaljene plasti. Prispevki elementov Cr, Si, P in Mo se uvrščajo v istem redu pomembnosti kot pri klasični avstenitizaciji (na primer kaljivost, katero ugotavljamo z Jominy preizkusom). Vendar se lahko zmanjšajo »faktorji vplivnosti« karbidotvor-nih oligoelementov, če lokalna temperatura kratke avstenitizacije ne preseže 950 °C.
In končno, kadar je želena določena kaljivost (masivna toplotna obdelava ali površinsko kalje-nje z debelim slojem), lahko elementi, ki jih prinaša staro železo (Cr, Si Mo), izboljšajo ekonomičnost namenskih dodatkov (tak je Cr), ki so potrebni za zagotovitev kaljivosti jekla, proizvedenega iz grodlja ali iz predreduciranih peletov.
Drugi del raziskav obravnava sposobnost hladnega oblikovanja jekla, ki smo ga ocenili z meritvami utrjevanja ferita, razteznimi preizkušanci
L'analyse de la trempabilite des nuances XC 42 en condition d'austenitisation rapide (simulation des traitements de trempe superficielle), conduite a partir de traitements dans la masse de petites de trempe superficielle apres shauffage HF, a abouti aux conclusions suivantes:
—	dans le cas d'une austenitisation breve sur une faible epaisseur (< 2 mm), toute la couche austenitisee est pratiquement transformee en martensite sans que puissent intervenir de petites variations de la trempabilite de 1'acier sur 1 epaisseur de la couche trempee;
—	dans le cas d'une austenitisation plus pro-longee a puissance moderee conduisant a une austenitisation plus profonde, les variations de trempabilite liees aux residuels peuvent augmenter l'epaisseur conventionnelle de la couche trempee. Les contributions respectives des elements Cr, Si, P et Mo se classent dans le meme ordre d'impor-tance qu'apres austenitisation classique (trempabilite, mise en evidence par un essai Jominy, par exemple). Toutefois, les »facteurs d'action des residuels carburigenes peuvent etre reduits apres austenitisation breve si les temperatures maxima-les atteintes localement sont inferieures a 950 °C.
Finalement, dans les cas ou I'on souhaite une certaine trempabilite (traitements dans la masse ou trempes superficielles en couches epaisses) des elements apportes par les ferrailles (Cr, Si, Mo) permettent d'economiser 1'addition volontaire d'elements (tels Cr) parfois necessaires pour aju-ster la trempabilite des aciers au carbone elabores a partir de fonte ou de prereduits.
Le second volet de 1'etude concernait l'aptitude au formage a froid appreciee a travers des mesu-res de durcissement de la ferrite, des essais de traction et des essais d'ecrasement. Nous avons montre que, meme pour les fortes teneurs en residuels envisagees, les caracteristiques de resistance et de ductilite se trouvent rarement modifiees en valeur relative de plus de 10 %. Les durcisse-ments relatifs de la ferrite sont difficiles a apre-cier, de meme que les variations de taux limite d'ecrasement. Seul l'etain (0,04 %) et le phosphore (a partir de 0,050 %) semblent affecter sensible-ment la ductilite du metal. Les residuels semblent jouer des roles identiques a l'etat normalise et a l'etat globulise. L' interet de traitement onereux de globulisation n'est d'ailleurs evident que pour les nuances a partir de 0,25 % C, pour lesquelles de petites variations dans le traitement thermique peuvent masquer 1'influence secondaire des residuels.
Finalement, 1'emploi de ferrailles recyclees est sans consequences vraiment defovorables sur l'aptitude au formage a froid, a condition d'exclure les ferrailles susceptibles de tro,p relever la teneur en etain (fer blanc). Les plus faibles teneurs en P et Cr qui peuvent caracteriser les elaborations electriques par rapport aux elaborations a partir de fonte ou de prereduits sont d'ailleurs des facteurs plutot favorables a la deformabilite a froid.
in krčenjem v hladnem. Dokazali smo, da se tudi pri velikih količinah oligoelementov trdnost in duktilnost jekla le v redkih primerih spremeni za več od 10 % v relativnem smislu. Zelo težko je ugotoviti utrjevanje ferita, prav tako spremembe mejne vrednosti krčilnega preizkusa. Kaže, da samo kositer (0,04 %) in fosfor (preko 0,050 %) občutno spremenita duktilnost kovine. Oligoelemen-ti vplivajo enako v normaliziranem in v sferoidizi-ranem stanju. Draga toplotna obdelava jekla za sferoidizacijo je upravičena le za jekla z nad 0,25 % C, pri čemer lahko variacije v toplotni obdelavi zakrijejo sekundarni vpliv oligoelementov.
Končno je uporaba recikliranega starega železa brez resnično neugodnih posledic za sposobnost jekla za preoblikovanje v hladnem pod pogojem, da se izločijo odpadki, ki lahko močno povečajo količino kositra (bela pločevina). Zelo nizke vsebnosti P in Cr, ki so karakteristične za elektro jeklo v primerjavi z jeklom, ki je izdelano iz grodlja ali iz predreduciranih peletov, vplivajo sicer ugodno na sposobnost deformacije jekla v hladnem.
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