Raziskave za termično obdelavo valjev iz indefinitne litine UDK: 669.131:621.78—97 ASM/SLA: Cl-n, M28p Franc Mlakar, V. Tucič »Indefinite-chill« valji se v glavnem rabijo za vroče valjanje pločevine. Ti valji morajo imeti čim višjo trdoto pri določeni žilavosti. Po ulivanju imajo valji iz te litine nestabilno metalografsko strukturo, zato je nujna termična obdelava pred uporabo. V članku smo opisali raziskave različnih termičnih obdelav indefinitne litine. UVOD Indefinitna litina, s tujko »indefinite chill«, ki jo proizvajajo v železarni štore, se uporablja za ulivanje valjev. Glede na stopnjo legiranja indefinitne valje delimo v tri razrede trdot: Oznaka železarne Štore Trdota (ShC) Primerjalna trdota v HB IN-D-60 55—65 400—450 IN-D-65 60—70 440—500 IN-D-75 70—80 500—600 Indefinitni valji se v glavnem uporabljajo v valjarnah toplovaljanih tokov. Na reverzirnih ogrodjih polkonti valjam se uporabljata kvaliteti IN-D-60 in IN-D-65, medtem ko na končnih konti ogrodjih polkonti prog vgrajujejo valje, kvalitete IN-D-75. Ista kvaliteta se uporablja tudi na re-verzirnem ogrodju Steckel. LASTNOSTI INDEFINITNE LITINE Že sama beseda »indefinite Chill« pove, da ima takšen valj nedoločljivo makrostrukturo od delovne površine proti globini. Za primerjavo moramo vzeti trde valje — valje s trdo oblo—, kjer s prostim očesom zelo dobro ločimo delovno plast od jedra valja. Ti valji imajo plast sestavljeno iz ledeburita in perlita, brez izločenega grafita. Zato je ta plast svetla in jo imenujemo bela plast. Jedro teh valjev pa je sestavljeno iz perlita in lamelar-nega grafita. Zato je sredina valja sive barve. Prehod med belo (delovno) plastjo in jedrom je zelo oster. To lahko sklepamo tudi po padcu trdote (Dia.l). Oddaljenost od delovne površine (mm) Diagram 1 Padec trdote v oddaljenosti od delovne površine pri valjih s trdo oblo Diagram 1 Hardness reduction as the function of distance from the working surface for chilled rolls Pri indefinitnih valjih te meje med belo plastjo in jedrom s prostim očesom ne moremo ločiti. Bela plast postopoma prehaja v sivo jedro. Zaradi tega je tudi padec trdote manj izrazit kot pri trdih valjih (Dia. 2). Vzrok za to je, da indefinitni valji vsebujejo določeno količino izločenega grafita, katerega delež postopoma raste proti globini. Ne glede na način taljenja in modificiranja, dosežemo z legiranjem s kromom in nikljem »indefinite chill« strukturo. Za izboljšanje toplotne odpornosti pri eksploataciji valjev se dodaja molibden ali pa tudi titan in vanadij. Zaradi visokih vsebnosti kroma, niklja in molibdena je metalografska struktura pretežno sestavljena iz ledeburita in bainita, z vedno večjim deležem inter-dendritsko usmerjenega grafita proti notranjosti Oddaljenost od delovne površine (mm/ Diagram 2 Padec trdote v oddaljenosti od delovne površine pri »indefinite-chill« valjih Diagram 2 Hardness reduetion as the funetion of distance from the working surface for indefinite-chill rolls odlitka. To strukturo pa pogojuje tudi hitra ohladitev taline ob steni kokile (slike 1, 2 in 3). IZHODIŠČA ZA IZBIRO POSKUSOV Tehnologija izdelave livarskih kalupov, izdelave talin in termična obdelava s področja proizvodnje valjev je zelo slabo zastopana v tehnični literaturi. Vzroki za to so v visoki ceni tovrstnih odlitkov in Slika 1 Metalografska struktura na delovni površini »indefinite--chill« valja •— povečava 100 X, nital Fig. 1 Metallographic structure of the vvorking surface of indefinite-chill roll. Magnification 100 x, Nital Slika 2 Metalografska struktura v globini 20 mm od delovne površine »indefinite-chill« valja — povečava 100 X, nital Fig. 2 Metallographic structure 20 mm belovv the working surface of indefinite-chill roll. Magnification 100 X, Nital konkurenčni bitki med posameznimi proizvajalci. Vsaka livarna valjev skuša ustvariti svoje raziskovalne vire, katerih izsledke nato izkoristi v proizvodnji, da bi dosegla boljšo vzdržnost valjev in s tem večji uspeh v konkurenčni tekmi med proizvajalci valjev v svetu. Zato so vsi raziskovalno-tehnološki izsledki tajnost samega proizvajalca in le redko zaidejo na strani tehnične literature. Ena od faz izdelave indefinitnega valja je termična obdelava. Za termično obdelavo je od začetka proizvodnje teh valjev v Štorah prevladovala zahteva po odpravi notranjih napetosti, ki so posledica ulivanja. Po navodilih nekega tujega strokovnjaka je to napetostno žarjenje potekalo pri 430° C. Slika 3 Metalografska struktura v globini 40 mm od delovne površine »indefinite-chill« valja — povečava 100 X, nital Fig. 3 Metallographic |structure 40 mm belovv the ivorking surface of indefinite-chill roll. Magnification 100 x, Nital. K trditvi, da gre pri tej termični obdelavi zgolj za odpravo notranjih napetosti, sta se pojavila dva dvoma: a) literatura navaja precej nižje temperature žarjenja za odpravo notranjih napetosti, b) trditve strugarjev pri mehanski obdelavi valja o boljši obdelovalnosti termično obdelanih valjev od tistih, ki niso bili napetostno žarjeni. L. Hiitter navaja, da trdota indefinitnih valjev narašča z večanjem mangana, kroma in niklja. Pri tem poudarja, da silicij bistveno ne vpliva na trdoto. Metalografska struktura naj bi pri teh kemičnih sestavah bila ledeburitno-martenzitna. J. Thieme pa navaja, da je struktura indefinitnih valjev ledeburitno-avstenitno-bainitna. To dokazuje z rezultati preiskav, ko zasleduje avste-nitno-bainitni del strukture pri različnih temperaturah žarjenja. Z rastočo temperaturo žarjenja prehaja avstenitno-bainitna struktura v območje zgornjega in spodnjega bainita. Pri različnih ter- 03 3: o "O £ 500 520 460 420 380 340 300 260 220 160 £2 \ 1 \ l \ \ \ O • B_ ^ / \ A \ o \ \ >_o--< 3 A \ \ \ \ S H t* S 300 400 500 600 700 Temperatura ("C ) Diagram 3 Vpliv temperature žarjenja na trdoto vzorcev iz avstenit-no-.bainitne strukture po J. Thiemeju Diagram 3 Influence of annealing temperature on the hardness of samples of austenitic-bainitic structure by J. Thieme mičnih obdelavah dobi Thieme povečano trdoto vzorcev pri temperaturi žarjenja okrog 5001 C. (Dia. 3) OPIS POSKUSOV V našem delu smo se odločili za iskanje najbolj primerne temperature toplotne obdelave in optimalnega časa žarjenja na delovni temperaturi. Za preiskave smo uporabili kokilne vzorce, ki se uporabljajo v redni proizvodnji za ocenitev uspešnosti priprave taline. Kokilni vzorci se ulivajo na kokilno ploščo pred ulivanjem valja. Iz njihovega preloma se da ugotoviti globina bele plasti, kar je livarju vodilo o uspešnosti ali neuspešnosti priprave taline. Poleg tega ima kokilni vzorec enako trdoto, oz. padec trdote, kot jo ima potem valj. Preiskovali smo vzorce z naslednjo kemično sestavo: C — 3,20 % Si — 0,93 % Mn — 0,55 % P — 0,035 °/o S — 0,065 % Cr — 1,29 % Ni — 3,70 % Mo — 0,47 % Ti — 0,073 % Valj s to kemično sestavo ima na površini 540—600 HB. Kokilne vzorce smo žarili v laboratorijski ža-rilni peči. Žarjenja so bila enostopenjska z ohlajanjem v zaprti peči. Trdote smo merili na stroju za merjenje trdot po Vickersovem načinu. Vse meritve trdot smo potem zaradi hitrejše primerjave z rezultati iz proizvodnje, kjer trdote valjev merimo po Shoreju ter primerjamo te vrednosti z Brinellom, pretvorili v stopinje Bri-nella (HB). Glede na padec trdote od delovne površine proti globini valja smo določili vedno ista mesta merjenja trdot, in sicer 5,15 in 25 mm od spodnjega roba kokilnega vzorca, oz. od kokilne plošče. VPLIV TEMPERATURE IN ČASA TOPLOTNE OBDELAVE NA TRDOTO IN STRUKTURO KOKILNIH VZORCEV Kokilne vzorce smo termično obdelali na temperaturah med 200 do 700° C. Žarjenje je trajalo dve uri na delovni temperaturi. Ohlajanje je potekalo v zaprti peči (Dia. 4). Merjenje trdot je pokazalo, da trdote do temperature žarjenja 350—400° C padajo. Po tej temperaturi pa pride do porasta trdote, ki ima svoj maksimum pri 500° C. Pri temperaturah nad 500° C trdota zopet začne padati (dia. 5). Oblika krivulj je podobna za vsa tri mesta merjenja trdot. Razlika je samo v tem, da je interval trdot širši do temperature okrog 400° C, pri višjih temperaturah pa je precej ožji. Čas popuščanja (h ) Diagram 4 Žarjenje kokilnih vzorcev, čas 2 uri Diagram 4 Annealing of mould-cast samples, 2 hours Podobni diagrami so poznani za orodna, oz. hitrorezna jekla, ki imajo martenzitno strukturo z zaostalim avstenitom. Pri višjih temperaturah popuščanja teh jekel pride do pretvorbe zaostalega avstenita in izločanja karbidov, ki povzročajo povišanje trdote. To je tako imenovana izločevalna utrditev. Metalografska preiskava nežarjenega kokilnega vzorca kaže, da je struktura sestavljena iz 50 % ledeburita, 20 % bainita in 30 °/o zaostalega avstenita (slika 4, 5). Kljub padanju trdote se ta struktura ne spreminja do temperature žarjenja 430° C (si. 6). Temperatura (°C) Diagram 5 Vpliv temperature na trdoto po dveurnem žarjenju Diagram 5 Influence of temperature on hardness after 2 hour annealing Slika 4 Metalografska struktura nežarjenega kokilnega vzorca v globini 15 mm t— povečava 100 X, nital Fig. 4 Metallographic structure of not annealed mould-cast sample 15 mm belovv the surface. Magnification 100 X, Nital Pri temperaturi 470° C opažamo povečano število bainitnih igel in izločene karbide v avstenit-nem področju, ki se opazijo samo pri velikih povečavah. Količina teh karbidov je največja pri temperaturi žarjenja 500° C (si. 7). Zato je povsem razumljivo, da je tu maksimum trdote pri žarjenju zaradi izločevalne .utrditve. Z zvišanjem temperature žarjenj pride do popolne pretvorbe zaostalega avstenita v bainit in koagu-lacije izločenih karbidov ter s tem padanja trdote. Zato že pri temperaturi 600° C ni več zaostalega avstenita, medtem ko pri 700° C lahko govorimo že o zgornjem bainitu (si. 8). Delež ledeburita je pri vseh temperaturah žarjenja enak. Slika 5 Metalografska struktura nežarjenega kokilnega vzorca v globini 15 mm —■ povečava 630 x, nital Fig. 5 Metallographic structure of not annealed mould-cast sample 15 mm belovv the surface. Magnification 630 X, Nital 500 <70 430 400 350 Ohlajanje 20°C/h Slika 6 Metalografska struktura kokilnega vzorca v globini 15 mm, žarjenega na temperaturi 430 "C, 2 uri — povečava 630 X, ni t al Fig. 6 Metallographic structure of mould-cast sample 15 mm belovv the surface, being annealed 2 hours at 430 "C. Ma-gnification 630 X, Nital V fazi izločevalne utrditve dobimo manjši padec trdote v globino, kot pri surovem vzorcu ali pri temperaturah žarjenja do 430° C. To si lahko razlagamo z enakomernim izločanjem karbidov po celem preseku vzorca in s tem približevanjem trdot ledeburitnih in bainitnih področij. Že te ugotovitve nakazujejo, da predpisana termična obdelava indefinitnih valjev (430° C) ni zgolj žarjenje za odpravo notranjih napetosti. Bistvo je v pretvorbi zaostalega avstenita v bainit, kar pomeni, da je to v principu popuščanje. Zato smo v nadaljnjem delu zasledovali čas držanja na temperaturi popuščanja, da bi ugotovili, kako ta čas vpliva na pretvorbo zaostalega Slika 7 Metalografska struktura kokilnega vzorca v globini 15 mm, žarjenega na temperaturi 500 "C, 2 uri — povečava 620 X, nital Fig. 7 Metallographic structure of mould-cast sample 15 mm belovv the surface being annealed 2 hours at 500 "C. Ma-gnification 620 x, Nital Slika 8 Metalografska struktura kokilnega vzorca v globini 15 mm, žarjenega na temperaturi 700 "C, 2 uri — povečava 630 X, nital Big. 8 Metallographic structure of mould-cast sample 15 mm bellovv the surface, being annealed 2 hours at 700 °C. Ma-gnification 630 X, Nital avstenita v bainit. Časi popuščanja so za različne temperature bili med dvema in oseminštiridesetimi urami (Dia. 6). Daljši časi popuščanja na 500° C so povzročili zelo hiter padec trdote (Dia. 7). Tako so vrednosti trdot po petih urah popuščanja blizu spodnje meje in po dvanajstih urah povsem na spodnji meji zahtevanih trdot. Po dveh urah popuščanja na tej temperaturi opazimo karbide, ki se izločajo iz avstenita. Peturno popuščanje pa privede do Diagram 6 Žarjenje kokilnih vzorcev pri različnih temperaturah in časih popuščanja Diagram 6 Annealing of mould-cast samples at various annealing temperatures and tempering times 600 580 cq 560 a: S o 73 L1- ■g 540 520 500 Globina k o----/5 mm x----— 25 mm % \ \\ \ \ \ \ \ \ \ 520 / / S s ____—- ■----' 2 5 12 Čas popuščanja (h) Diagram 7 Vpliv časa popuščanja na trdoto pri temperaturi 500 '"C Diagram 7 Influence of tempering times on the hardness at 500'C do koagulacije karbidov. Po dvanajstih urah popuščanja pride do pojava zgornjega bainita, podobno kot pri dveurnem popuščanju na 700° C. Podaljševanje časov popuščanja na 470° C je prineslo precej manjši padec trdote v primerjavi s padcem le-te pri temperaturi 500° C (Dia. 8). Po štiriindvajsetih urah popuščanja imamo približno enake trdote kot po petih urah popuščanja na temperaturi 500° C. Do popolne pretvorbe zaostalega avstenita v bainit je prišlo po petih urah popuščanja, koagulacija karbidov pa se je pojavila po dvanajstih urah žarjenja na 470° C. Čas popuščanja I h) Diagram 9 Vpliv časa popuščanja na trdoto pri temperaturi 430 "C Diagram 9 Influence of tempering times on the hardness at 430 "C Precej drugačno sliko dobimo pri popuščanju na temperaturi 430° C. Po precej nizkih trdotah, ki smo jih dobili po dveurnem žarjenju, se trdota precej dvigne po petih urah popuščanja, ko skoraj že doseže zgornjo mejo predpisanih trdot. Trdota doseže svoj maksimum po dvanajstih urah in je konstantna za nadaljnjih dvanajst ur popuščanja. Šele po štiriindvajsetih urah popuščanja začne padati (Dia. 9). Pri popuščanju na temperaturi 400° C je za povišanje trdote potreben precej daljši čas. Trdota šele po dvanajstih urah doseže enake vrednosti, kot po petih urah popuščanja na 430° C (Dia. 10). Naredili smo tudi nekaj poizkusov popuščanja na temperaturi 350° C. Trdota se začne približevati zgornji predpisani meji šele po šestintrideseturnem popuščanju. Struktura je tudi po tem času popuščanja sestavljena iz bainita in zaostalega avstenita. Izločenih karbidov kljub porastu trdote nismo opazili. POVZETEK IN ZAKLJUČKI Zasledovali smo termično obdelavo tehnoloških vzorcev, ulitih iz indefinitne litine. Na podlagi meritev smo izdelali diagrame trdot za posamezne temperature popuščanja in čase popuščanja na teh temperaturah. Pri tem smo ugotovili, da trdota Globina 5 mm 75 mm 25 mm Čas popuščanja (h) Diagram 8 Vpliv časa popuščanja na trdoto pri temperaturi 470 "C Diagram 8 Influence of tempering times on hardness at 470'C Čas popuščanja (hI Diagram 10 Vpliv časa popuščanja na trdoto pri temperaturi 400 °C Diagram 10 Influence of tempering times on the hardness at 400 "C izhodnega stanja pada po dveh urah popuščanja do temperature popuščanja 400° C, nato začne naraščati do temperature 500° C. Če temperaturo termične obdelave še dvigujemo, pride do ponovnega padanja trdote. Podobni diagrami trdot so poznani za hitrorezna jekla. Metalografska preiskava vzorcev je pokazala, da je mikrostruktura sestavljena iz ledeburita in bainita z zaostalim avste-nitom. Pri temperaturah popuščanja nad 400° C pride do izločanja karbidov iz zaostalega avstenita. Pretvorba zaostalega avstenita je v popolnosti končana pri temperaturi 500° C. Zato je prišlo tu do največjega povečanja trdote. Po popuščanju na višjih temperaturah pride do koagulacije teh karbidov in zaradi tega začne trdota padati. Pri daljših časih popuščanja pride do izločanja karbidov iz zaostalega avstenita, kot tudi do popolne pretvorbe zaostalega avstenita pri nižjih temperaturah, ki pa niso nižje od 400° C. Skupni odnos trdot, temperatur popuščanja in časov popuščanja prikazuje diagram 11. Iz dobljenih rezultatov izhajajo naslednje ugotovitve in zaključki: Diagram 11 Vpliv temperature in časa popuščanja na trdoto kokilnih vzorcev Diagram 11 Influence of tempering temperature and time on the hardness of mould-cast samples 1. Termična obdelava, ki se je do sedaj uporabljala za »indefinite-chill« valje, ni samo napetostno žarjenje, ampak je tudi popustno žarjenje. 2. Možno je izbrati drug način žarjenja v odvisnosti od temperature in časa žarjenja. Pri tem je treba upoštevati, da je potrebno zariti za odpravo notranjih napetosti, ki nastanejo kot posledica ulivanja in volumskih sprememb pri pretvorbi zaostalega avstenita. 3. Termična obdelava indefinitnih valjev je potrebna, ker povečanje notranjih napetosti lahko povzroča poškodbe (luščenje, zlom) v toku eks-ploatacije. Do pretvorbe avstenita lahko pride med časom obratovanja zaradi ogretja delovne površine v kontaktu z valjancem. 4. Glede na večjo maso valjev v primerjavi z vzorci (nižji gradient ogrevanja), je možno valje žariti na pretvorbo zaostalega avstenita pri temperaturah 400—470° C, medtem ko odpravo napetosti lahko izvršimo pri nižjih temperaturah ali s kontroliranim počasnim ohlajanjem. Dobljene rezultate že apliciramo v redni proizvodnji. Pri tem natančno zasledujemo obnašanje valjev v fazi eksploatacije, kot tudi preiskavo ob-delovalnosti po termični obdelavi. Nadaljevanje dela na tem področju vidimo v kvantitativni in kvalitativni določitvi izločenih karbidov iz avstenita na mikroanalizatorju za potrditev preiskav na optičnem mikroskopu. Literatura 1. L. Hiitter: Hartensswalzen: Nickel-Berichte 1961, Helf 11 in 12. 2. J. Thieme: Der Einfluss einer Warmebehandlung auf die Struktur der Bomite, besonders in Gusseisen; Giesserei 1959, Helf 23. 3. Schumann: MetaUographie — Leipzig 1962. 4. I. Panfeilič: Tehnologija termičke obrade čelaka Novi Sad 1974. 5. F. Mlakar, V. Tucič, B. Mlač: Optimalni parametri izdelave »mdefinite-chill« valjev; Poročilo Metalurškega Inštituta v Ljubljani, december 1980. ZUSAMMENFASSUNG Aus IndefiiiMite-chill Guss werden Walzen gegossen. Dieses Gusseisen hat ein unbestimmtcs Makrogefiige von der Arbeitsoberflache bis zum Innern. Das met allographische Gefiige des Wiirm ebcba n delt en Indefiniite Gusseisens ist aus Ledeburit, Bainit, Restau-stendt und interdendritiseh gerichteten ausgeschiedenen Grapbites zusammengesetzt. Im ersten Teil der Umtersuchuingen sind Froben aus diesem Gusseisen bei Temperaturen zvvischen 200 und 700 °C vvarmenbehandelt worden. Das Gliihen auf der Arbeitstemperatur dauerte zwei Stunden, das Abktihlen erfolgte im gesehlossenen Ofen. Die Ergeboisse der Hartemessuingen zeigten, dass die Hartevverte bis zu der Gluhtemperatur von 350 bis 400 "C fallern. Nach dieser Temperatur steigen die Hartevverte bis zu dem MaxLmum bei 500»C. Bei hoheren Temperaturen (400—500 °C) kommt zu der Umvvandlung des Restaustenites und der Ausscheidung von Karbiden die edne Erhohung der Harte zur Folge haben. Das ist die Ausscheidungshartung. Noch hohere GlUhtemperaturen (500—700° C) haben eiine vollkomrnens Umvvandlung des Restaustenites in Bainit und eine Koagulation der ausgescbiedenen Karbide und damiit einen Abfall der Harte zur Folge. Im zweiten Teil der Untersuchungen sind der Einfluss der Zeit und der Gluhtemperatur auf das genanote Um-wandlungsmechaniismus verfolgt worden. Die Untersuchungen zeigten, dass eine volkommene UmvvandJung des Restaustenites bei niedrigeren Temperaturen moglich ist, wenn die Gliihzait lang genug ist. Fiir die Umvvandlung des Restaustenites bei der Temperature von 500 °C war eine Gliihzeit von zwei Stunden ausreichend, dagegen sind bej 1100 °C vierundzvvanzig Stunden Gliihzeit notig. SUMMARY Indefinite-chill čast iron is utilized for casting rolls. This čast iron has indefinite maerostrueture from the working surface tovvards the centre. Metaldographic structure of heat treated indefioite-chiill čast iron is coanposed of ledeburite, bainite, retained austenite, and interdendri;tically direeted precipitated graphite. In the first part of investigatiions the samiples were heat treated between 200 and 700 °C. Annealing lasted two hours on the vvorking temperature, and cooling was in a olosed furnace. Hardness measurements shovved the reduetion of hardness up to annealing temperatures 350 to 400 °C. At this annealing temperature hardness oom-niences to increase and it reaches the peak at 500 °C. At higher annealing temperatures (400 to 500 °C) the retained austenite is transformed and carbides are precipitated vvhich cause the increase of hardness. It is the precipi-tation hardening. Stili higher annealing temperatures (500 to 700 °C) cause the complete transformation of retained austenite into bainite aind the coagulatijon of precipitated carbides, and thus the hardness is reduced. In the seoond part of the investigation, the influence of annealing time and temperature on the mentioned transformation mechaniism was analyzed. The investiga-tions shovved that complete transformation of retained austenite is possible at lovver temperatures if the annealing tirnes are Iong enough. At 500 "C the necessary time is tvvo hours, at 400 °C 24 hours. 3AKAIOTEHHE aaa Ii3rOTOBAeHHH t. H. BaAKOB, KOTOpbie yn0Tpe6Aai0Tca npu [OopsieA AHCTonpoKaTKH cAyaatT pacnAaB HeonpeAeAeHHoS MHKpo-cTpyKTypbi HairaeCKaa CTpyKTypa TepMiMecKH o5pa6o-TaHHbix o6pa3itoB raKOBO pacnAaBa coctoht H3 AeAe6ypHTa, 6efiHHTa, ocTaTOMHoro aycrcHHTa h bhacachim MescAeHApHTHO opneHTHpoBaH-noro rpa