Aleksander Kveder, dipl. inž. Metalurški Inštitut, Ljubljana DK 621.785.52 Visokotemperaturna cementacija II. del: MEHANSKE PREISKAVE V prvem delu tega članka smo opisali osnovne parametre cementacije pri različnih temperaturah in prikazali nekaj rezultatov metalografskih preiskav. V drugem delil, ki sledi, opisujemo vpliv različnih temperatur cementiranja na nekatere mehanske lastnosti jekla. Preiskali smo trdote jekel po cementaciji in kaljenju in izvršili nekaj upo-gibnih preiskusov, preiskusov udarne vzvojne žilavo st i in trajne trdnosti. Preiskave trdot: Za jekli Č. 4320, talina 1 in Č. 7420 smo radialno izmerili trdote za vse načine standardne cementacije in kaljenja. Krivulje trdot kaže diagram na sliki 11. Iz teh krivulj lahko sklepamo: 900 r 800 - 700 h 600 h 300 l- 800 700 400 ' t 4320,'talina 1 Cementirano: 50°C j 30 °C, 1h 9 00 °c , 6h 9 3h 10 M i \ N1' \\l \t\ \\\ V. i % --- \\\ \\v % V v\ X \ 'vT.v." č '420 Cemen tirano )0°C 0°C 1H i (s yi bh h yb Uul, 3h i \ % IUL 1 \\ w \ • \\\ % A \ \\< \ \\ \ \v \\\ T \ s \\ v, \ \ H 830 °C olje -----kaljeno iz 870 °C, olje -------kaljeno naravnost iz temperature c . •■ ! 1 i l 1 smenta cije popusčano 180° C 1 — Jeklo Č. 7420 daje nekoliko večjo globino kaljenja in večjo trdoto nekaljenega jedra. — Temperatura kaljenja ne vpliva dosti na globino kaljenja; opaznejše razlike so le pri vzorcih cementiranih na 900;l C pri katerih je globina kaljenja večja, če je višja temperatura kaljenja. — Nizko trdoto tik pod površino povzroča zaostali avstenit. Če vzamemo kot merilo za nagnjenost k zaostajanju avstenita maksimalno doseženo trdoto in globino, v kateri je ta dosežena, lahko ugotovimo, da ima jeklo č. 4320 mnogo slabšo ka-lilnost kot jeklo Č. 7420. Predvsem pa jeklo Č. 4320 ni primerno za direktno kaljenje iz temperatur nad 900° C. Jeklo Č. 7420 sicer tudi obdrži zaostali avstenit tik pod površino, vendar ne toliko, da bi nekaj pod površino ne doseglli zadovoljive trdote. Direktno kaljenje celo izboljša kalilnost tega jekla. Nekoliko slabšo kalilnost kaže to jeklo le po cementaciji na 950° C, kar je verjetno posledica malo višje površinske količine ogljika. Za nadaljnje mehanske preiskave smo izbrali le jeklo Č. 7420, in sicer dve talini: talino 1 smo že preiskušali, talina 2 je pa nova. Na tabeli 4 vidimo, da sta kemični sestavi obeh talin zelo podobni. Tabela 4: Kemična sestava talin Č. 1420 Element C.7420 talina 1 C.7420 talina 2 C 0,19 0,20 Si 0,27 0,30 Mn 0,73 0,70 P 0,02 0,027 S 0,016 0,014 Cr 0,43 0,50 Ni 0,15 0,12 Mo 0,45 0,48 Al nctopen Al topen 0,004 0,004 0,003 0,018 Vel. zrn ASTM 8 8 Globina v mm Slika 11: Krivulje radialnih enot Mimo tega smo poenostavili načine cementiranja in kaljenja. Odločili smo se le za dve temperaturi cementacije in sicer 920 in 980° C. Nižja velja za normalno temperaturo cementiranja v plinih, dočim je cementiranje na 980° C visokotempe-raturno. Namen nadaljnjih preiskav je bil torej primerjati lastnosti jekla po cementaciji na teh dveh temperaturah. Pri tem je seveda važno, da vzorce na obeh temperaturah enako globoko ce- 0,6 0,2 • : u __leklo C. 7420, talina 2 Temperatura cementacije 920°C *................; -2 4 Čas cementacije v urah -6 8 ~ 0,20 %C 980°C .0,75 15 Čas čemer ,3,5 tacije v urah 0,20 %C 1,6 1,4 £ 12 e i,o I0'8 ^0,6 ^0,4 ro ' 3 0,2 ° I 1,8 £1,6 S 1,4 g 1,2 1 1,0 ° 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1 V 1 1 / j / / Y / / / / j 1 1 obeh talin jekla C. 4320, katere smo že preiskovali (glej I. del). Vse preiskušance, ki smo jih potrebovali za nadaljne mehanske preiskave smo torej cementirali — pri 920° C 5 ur in — pri 980° C 1 uro. Preiskušance smo kalili na različne načine (podatke navajamo pri posameznih preizkusih), do-čim smo jih enako popuščali na 200° C, 1 uro. Statični upogibni preizkusi: Upogibali smo pre-izkušance premera 12 mm in dolžine 200 mm med podporama z razmakom 134 mm. Preizkuse smo vršili s hitrostjo obremenjevanja 4 kp/s. Po dva preizkušanca vsake taline smo cementirali na 920 in 980° C, vse pa po cementaciji direktno kalili v Globina v mm 2 4 6 8 Čas cementacije v urah Slika 12: Količina ogljika v cementirani plasti po različnih temperaturah in časih cementiranja in globina cementacije v odvisnosti od časa cementiranja za jeklo C. 7420, talina 2 in kaljenih preizkušancev jekla C. 7420 o-o C. 4320, talina 1 .-----• Č. 4320, talina 2 £r-----A Č 7420, talina 1 vfl JZ on n o co CD a N O® cO QJ E E C v globini 0,8 mm. Za talino 1 že imamo podatke (glej I. del), dočim smo morali za talino 2 dodatno napravit preiskuse za določitev standardne cementacije. Valjaste vzorce premera 20 mm smo na obeh temperaturah cementirali različne čase in s kemično analizo odstruženih plasti ugotavljali količine ogljika iz površine v notranjost. Rezultate kaže slika 12. Krivulje kažejo, da dosežemo standardno cementacijo pri 920° C po 5 urah, pri 980° C pa po eni uri cementiranja. Iz diagrama na sliki 13 pa vidimo, da poteka cementiranje jekla č. 7420, taline 2 zelo podobno kot cementiranje taline 1 in Jeklo Temperatura standardne cementacije in direktnega kaljenja v 0 C Poveš f mm Upogibna trdnost kp/mm2 C. 7420, talina 1 920 980 2,85 3,15 324 355 e. 7420, talina 2 920 3,80 980 4,43 385 401 Podatki na tabeli 5 in upogibne krivulje na sliki 14 kažejo, da daje cementacija pri višji temperaturi boljše upogibne vrednosti kot cementacija pri 920° C, ki je sicer v navadi. Preizkusi udarne vzvojne žilavosti: Ta preizkus uporabljamo za določevanje žilavostit rdih materialov. Preizkus udarne žilavosti ob zarezi, ki je v navadi za konstrukcijske materiale (Charpy), daje pri trdih materialih zelo nizke vrednosti in majhne razlike, tako da ne moremo ločiti različno žilavih jekel. Preizkuse smo vršili na stroju »Carpenter«. Obliko in mere preizkušancev za ta stroj kaže slika 15. Po navodilu za ta stroj izračunamo udarno vzvojno žilavost takole: p» = K . (m2 — n22) pv = udarna vzvojna žilavost v kpm K = konstanta stroja (0,000498) ni = začetno število obratov v minuti n^> = število obratov v minuti po lomu. r _J -3-0 -I 12V 35 12,5 30 120 D 9 Slika 15: Preizkušanec za preizkus udarne vzvojne žilavosti Vsi rezultati udarne vzvojne žilavosti, ki jih navajamo so povprečje štirih preizkusov. Omenimo naj le, da rezultati paralelk niso bistveno različni. Preizkušance smo standardno cementirali na 920 in 980° C in jih direktno kalili. Rezultate vsebuje tabela 6. šča od točke vpetja do prijemališča upogibne sile. Vse preizkušance smo v sredini zarezali do globine 0,2 mm s polmerom zaokrožitve zareze 0,1 mm. Dno zareze je pri okoli 0,85 % C. Za vsako od obeha talin smo določili Wohlerje-ve krivulje za sledeče variante cementiranja in ka-ljenja: — standardno cementirano na 920° č in direktno kaljeno, — standardno cementirano na 980° C in direktno kaljeno, — standardno cementirano na 980° C, ohlajeno in nato kaljeno iz 880° C. £ E \ o. a X> Tabela 6: Rezultati preizkusov udarne vzvojne žilavosti Standardna cementacija na temperaturi »C Način kaljenja Udarna vzvojna žilavost v kpm C. 7420, talina 1 C. 7320, talina 2 920 direktno 98,8 980 direktno 97,2 96,0 101,2 Rezultati kažejo, da temperatura cementacije ne vpliva na udarno vzvojno žilavost. Tudi med obmea talinama ni bistvenih razlik. Preizkusi trajne nihajne trdnosti: Trajne nihanje trdnosti smo ugotavljali z vrtilno upogibnimi trajnimi preizkusi. Odločili smo se za kratki preizkušanec (slika 16), ki je enostransko vpet in ima spremenljiv upogibni moment, ki linearno nara- Na d) 8 mm zareza cjlobine 0,2 mm in polmerom zaokrozitve 0,1 mm Slika 16: Preizkušanec za preizkus trajne nihajne trdnosti Slika 17: Wohlerjeve krivulje različno cementiranih Wohlerjeve krivulje kaže slika 17, trajne trdnosti pa so navedne v tabeli 7. Tabela 7: Trajno nihanje trdnosti Oznaka Talina Cementacija Trajna v diagramu jekla na temperaturi Kaljenje trdnost (slika 17) C. 7420 »C kp/mm2 1 A 1 980 direktno 52,8 1 B 1 920 direktno 59,5 1 C 1 980-ohlajeno 880° C 66,0 2 A 2 980 direktno 54,8 2 B 2 920 direktno 62,0 2 C 2 980-ohlajeno 880° C 64,5 Razlika med talinama 1 in 2 ni bistvena — pri direktnih kaljenjih ima talina 2 nekoliko višjo trajno trdnost, pri kaljenju iz 880° C pa talina 1. Pri obeh talinah pa opazimo zelo jasno razliko pri različnih režimih cementiranja in kaljenja. Najnižjo trajno trdnost ima jeklo, cementirano na 980° C in direktno kaljeno, občutno višjo pa jeklo, Oznake: 2- A-cementirano na 980°C, direktno kaljeno v olju B-cementirano na 920°C, direktno kaljeno v olju C - cementirano na 980°C, ohlajeno, kaljeno iz 880 °C v o [ju Popuščanje 200°C, 1 uro Hf 1 | JIH;! Vse tqčk%n pri 10 i nihajev pomenjjo preizkuse 10J 10* 10 10b 10' Število nihajev N- log cementirano na 920° C in direktno kaljeno. Vsiljuje se vprašanje, ali se z višjo temperaturo slabša trajna trdnost zaradi visokotemperaturnega cementiranja ali zaradi direktnega kaljena. Wohler-jevi krivulji 1 C in 2 C, za kateri so bili preizku-šanci standardno cementirani na 980° C, nato pa ohlajeni in kaljeni iz 880° C kažeta namreč najvišjo trajno trdnost. Zelo je torej verjetno, da cementiranje pri visoki temperaturi ne poslabša trajne trdnosti če nato jeklo ohladimo in kalimo iz nižje temperature in da jeklu poslabša trajno trdnost direktno kaljenje iz visoke temperature. Sklepi: Iz rezultatov, ki smo jih dobili pri raziskovanju vpliva visokotemperaturne cementacije na mehanske lastnosti jekla lahko sklepamo sledeče: — Krivulje radialnih trdot kažejo, da je kalil-nost jekla C. 7420 boljša kot jekla C. 4320 in da je jeklo Č. 7420 primernejše za visokotemperatur-no cementacijo in direktno kaljenje. — Statični upogibni preizkus jekla, cementiranega pri visoki temperaturi (980° C) daje boljše upogibne karakteristike (poveš, upogibna trdnost) kot preizkus jekla, cementiranega pri normalni temperaturi (920° C). — Temperatura cementacije (920° C odnosno 980° C) ne vpliva na udarno vzvojno žilavost. — Iz rezultatov trajnih trdnosti lahko sklepamo, da temperatura cementiranja ne vpliva na trajno trdnost, dočim direktno kaljenje, posebno iz visoke cementacijske temperature občutno zniža trajno trdnost. ZUSAMMENFASSUNG Im ersten Teil dieses Artikels (Z. Z., 1967, 1, Nr. 1) beschrieben wir die Grundparameter der Hochtemperatur-zementierung. Die Zementierung tatigten wir mit Stadtgas bei Temperaturen von 900, 950 und 1000" C und verschieden lang: 2, 4, 6 und 8 Stunden (die Apparatur fiir die Zementierung zeigt Bild 1, die Gaszusammensetzung die Ta-belle 1). Wir untersuchten zwei Stahlsorten, deren che-mische Zusammensetzung die Tabelle 2 zeigt. Die Gradien-ten der Kohlenstoffkonzentration fiir die verschiedenen Temperaturen und Zementierungsdauer zeigen die Dia-gramme auf den Abbildungen 3, 4 und 5. Wir stellten fest, dass wir die Stamdardzementierung (0,3 % C in der Tiefe von 0,8 mm) erreichten: — bei 9003 C mach 6 Stunden Zementierung, — bei 900' C nach 6 Studnen Zementierung, — bei 950° C nach 3 Stunden Zementierung und — bei 1000° C nach 1 Stun.de Zementierung. Die Oberflachenmenge an Kohlenstoff ist die grosste bei der Zementierung auf 950° C, besonders bei Chrom- stahl C 4320 (Bild 7). Jedoch auch bei dieser Temperatur iibersteigt die Standardzementierung nicht 1,25% C. Wir untersuchten metallographisch den Stahl C 7420 und stellten fest, dass nach langerer Zementierungszeit auf 950 und 1000° C die Kristallkorner schwellen. Jedoch nach den Zeiten fiir die Standardzementierung ist diese Erscheinung noch nicht ausgepragt (Abbildungen 8, 9 und 10). Im II. Teil beschreiben wir den Einfluss der Hoch-temperaturzementierung auf einige mechanische Eigen-schaften des Stahles. Die Versuchsstiicke vvurden stan-dardzementiert auf 920 und 980° C. Die Resultate des Bie-geversuches sind besser, wenn vvir den Stahl bei hoherer Temperatur zementieren (Bild 14). Die mittels des Schlag-drehversuches bestimmte Zahigkeit des Stahls ist sehr gut und hiingt nicht von der Zementierungstemperatur ab. Die Dauerfestigkeit bestimmten wir mit dem Umlaufbiege-versuch. Aus den Resultaten sehliessen \vir, dass die Zementierungstemperatur keinen Einfluss aus die Dauerfestigkeit hat, wahrend direktes Harten, besonders aus hoher Zementierungstemperatur empfindlich die Dauerfestigkeit reduziert. (Bild 17 und Tabelle 7). SUMMARY In the first part of this article (Z. Z., 1967, 1, No. 1) the basic parameters of high temperature cementation were described. Cementation was carried out in city gas at temperatures 900°, 950° and 1000° centigrades for different period s: 2, 4, 6 and 8 hour (Fig. 1 is .shawing the arrange-ment for cementation and table 1 gas analysis). Two grades of steel were examined. Chemical analysis is show,n in table 2. Carbon concentration gradients for different temperatures and time of cementation are shown in graphs of figure 3, 4 and 5. It was found out that standard cementation (0,6% C čase depth 0,8 mm) was attained at 900° C after 6 hour cementation period 950° C after 3 hour cementation period 1000° C after 1 hour cementation period The highest surface carbon concentration is shoivn at 950" C cementation, particularly for chromium steel Č 4320 (Fig. 7). Nevertheless if standard cementation is employed it never exceeds 1,25% C. Under microscope steel Č 7420 vvas examined and found that after longer periods of cementation at 950 and 1000° C the grain size is increasing. Nevertheless after periods of standard cementation this phenomenon is not severe (Fig. 8, 9 and 10). In part two the high temperature cementation influ-ence on some mechanical properties is described. Standard cementation for the samples vvas carried out at 920 and 980° C. Bend test results are better if cementation is carried out at higher temperatures (Fig. 14). Impact strength determined by torsional impact test is very good and does not depend upon cementation temperature.