Vpliv kemijske sestave na lastnosti jekel za verige po toplotni obdelavi Influence of Chemical Composition on Properties of Steel for Chains after Heat Treatment A. Rodič, J. Žvokelj, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, Ljubljana F. Legat, S. Krivec, Veriga Lesce, Lesce Članek obravnava vpliv kemijske sestave jekla 20NiCrMo3 na kaljivost, popuščno obstojnost in mehanske lastnosti. Če je večina legirnih elementov na spodnji predpisani meji legiranosti ni mono doseči vse lastnosti, ki jih predpisujejo razni standardi. The paper is concerned with the influence of chemical composition on hardenebility tempering resistance and mechanical properties of the steel grade 20NiCrMo3 for chains. It is difficult to assure properties of steel, prescribed with standards, when majority of alloying elements approach to the lover limit although contents of ali elements remain vvithin prescribed tolerances. 1 Uvod V prispevku želimo na primeru jekla 20NiCrMo3 za verige prikazati in pojasniti odvisnost zagotavljanja optimalnih uporabnih lastnosti od kemijske sestave jekla v standardnem tehnološkem procesu industrijske proizvodnje. Izredno pomembno je poznavanje vseh medsebojnih vplivov: vsebnosti legirnih elementov, izdelave, predelave, toplotne obdelave jekla in kinetike razvoja mikrostrukture na kakovost izdelka. S spoznavanjem teh vplivov lahko učinkovito izkoristimo vse možnosti modemih naprav in računalniško vodenih tehnologij v proizvodnji jekla. Možnosti, ki jih prinaša računalniško krmiljenje tehnoloških procesov, lahko načrtovalca tehnologije in jeklarja kaj hitro zavedejo v smer splošnega zniževanja vsebnosti legirnih elementov, z namenom izboljševanja ekonomike v proizvodnji. Prav dobro moramo obvladovati poznavanje vplivov in posledic vsebnosti elementov kemijske sestave, če hočemo že v jeklami ustrezno zagotavljati kakovost kasnejših izdelkov. Z neustreznimi odnosi elementov kemijskih sestav jekla, četudi znotraj predpisanih mej, ki postajajo za moderno tehnologijo razmeroma široke, lahko močno zgrešimo pričakovane ali zahtevane lastnosti proizvodov. Če se danes raziskovalci z vso vnemo usmerjajo k novim materialom in novim tehnologijam, tudi raziskav klasičnih tradicionalnih proizvodov ne smemo zanemarjati, saj nove možnosti tudi v klasični tehnologiji zahtevajo nove raziskovalne pristope in specifične posege. 2 OPREDELITEV PROBLEMA Jeklo 20NiCrMo3 sodi v skupino nizkolegiranih jekel za poboljšanje z nizko vsebnostjo ogljika. Uporabljajo ga za verige različnih dimenzij, oblik in kakovostnih razredov. Že več kot desetletje je to jeklo standardizirano po DIN, UNI, ISO in drugih predpisih. Različne norme predpisujejo v glavnem enako kemijsko sestavo in tudi lastnosti, ki jih mora jeklo zanesljivo dosegati po predpisani—standardni toplotni obdelavi. Zanimive so ugotovitve zadnjih let, da imajo potrošniki jekla vse več problemov z zagotavljanjem predpisanih lastnosti po standardih, čeprav je kemijska sestava jekla povsem v predpisanih mejah. Jeklo danes proizvajamo v sodobnih pečeh z modernimi napravami za sekundarno metalurgijo in z računalniško podprtim krmiljenjem tehnologije. Vse to omogoča zoževanje statističnega trošenja vsebnosti posameznih legirnih elementov v mejah kemijske sestave in odpira možnost pomembnega premikanja ciljanih vsebnosti elementov znotraj s standardom predpisanih mej. Te možnosti jeklarji, ki ne razmišljajo o lastnostih končnega proizvoda, prav radi izkoristijo za svojo ekonomiko, kar je tudi povsem razumljivo. Prihranki, doseženi s splošnim "na spodnjo mejo", so v velikih jeklarskih pečeh zelo veliki in ekonomsko izredno vabljivi. Ob tem pa se lastnosti izdelkov iz teh jekel močno oddaljujejo od pričakovanih. Nekontrolirano izkoriščanje teh, z razvojem danih možnosti, kaže na odsotnost informacijskega sistema in organizacije integralnega krmiljenja kakovosti. 3 UGOTOVITEV STANJA 3.1 Kemijska sestava Z analizo porazdelitve smo za 63 uporabljenih šarž jekla 20NiCrMo.3 primerjali ugotovljene vsebnosti posameznih elementov s predpisanimi mejami po standardu. Na sliki 1 prikazujemo samo primerjavo dejanskih območij vsebnosti elementov s predpisanimi. Vsebnosti ogljika so lepo centrirane v sredino. Vsebnosti kroma, niklja in posebno molibdena so v spodnjem delu zahtevanega območja in celo pod spodnjo dopustno mejo. Porazdelitev vsebnosti mangana pa je pomaknjena do zgornje dopustne meje. C 7. 0.15 0,17 -0,23 _ 0.18-0.22 ^ i __L..... J. i____I_ 0.20 0.25 Cr % 0.25 0.30 0,35 - 0.65 r S.26 v.b': „ ti-1_I_I_li h l i 0,50 0.70-0,90 M8 - QJ3_ J 0.70 Ni 7. 0.50 0,70 0.80 0,90 M o 7o Mn 7. 0,15-0,25 »S 0,11 0,15 0,19 0,21 0,25 0,29 0,60-0,90 0 72-0 90 0,50 0,60 0.70 0,80 0.90 1.0 Vsebnost legirnih elementov v ut 7«. C - 0,22 Si = 0,21 Mn = 0,74 Cr=0.40 Ni =0,75 Mo =0,17, Kaljeno s temperature 880°C <_> cc m o "O predpisane meje vsebnosti legirnih elementov --dejanske meje vsebnosti legirnih elementov Slika 1. Širine trošenja vsebnosti legirnih elementov za 63 talin jekla 20NiCrMo3. Figure I. Scattering ranges of alloying elemenls ft»r 63 heats of steel grade 20NiCrMo3. 3.2 Kaljivost in popustna obstojnost Z normami je predpisan Jominy pas kaljivosti1 za temperaturo avstenitizacije 880° C, ki je tudi v proizvodni tehnologiji najprimernejša za kaljenje verig. Na sliki 2 je prikazan Jominy pas garantirane kaljivosti za jeklo 20NiCrMo3, v katerem je vrisana Jontiny krivulja šarže s podano sestavo. Jontiny krivulja leži blizu spodnje meje pasu kaljivosti, kar je ob kemijski sestavi tudi razumljivo. Četudi je kaljivost še v mejah, so z njo povezane uporabne lastnosti pod povprečjem. Popustni obstojnosti jekla pri ugotavljanju ustrezne kemijske sestave sploh ne posvečamo pozornosti, vendar vemo, da je vpliv posameznih kemijskih elementov zelo velik, in da s kaljivostjo samo ne moremo zagotavljati mehanskih lastnosti, če je karakteristična popustna obstojnost jekla zaradi sestave neustrezna. 3.3 Mehanske lastnosti Mehanske lastnosti jekla 20NiCrMo3 po končni toplotni obdelavi s kaljenjem in popuščanjem so močno odvisne od osnovne mikrostrukture po kaljenju in od popustnih efektov. Pri kontroli jekla za verige je z normami zahtevana natezna trdnost /?,„ = mili .1180 N/mnr, Re = min .980 N/mnr, raztezek A = min. 10%, kontrakcija Z = min .50%, žilavostno delo je min. 40 J. Te lastnosti mora 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Oddaljenost od kaljenega cela v mm — Slika 2. Jominy pas kaljivosti jekla 20NtCrMo3 z vrisano Jominv krivuljo in sestavo podano ob sliki. Figure 2. Jominy hardenability band of sleel grade 20NiCrMo3 with a Jominy curve of a heal with given composition. imeti jeklo po kaljenju v vodi s temperaturo 880° C in 1 urnim popuščanjem na 420° C. Ta zahteva standardov predstavlja v proizvodnji verig večje težave, kot bi jih od tovrstnega jekla s povprečno sestavo v predpisanih mejah pričakovali. 4 RAZPRAVA, POJASNILA IN UGOTOVITVE 5 celovito raziskavo smo pojasnili vplive variacij kemijske sestave jekla 20NiCrMo3 na mehanske lastnosti po končni toplotni obdelavi s pomočjo sistematičnega preizkušanja kaljivosti, popustne obstojnosti in metalografskih analiz mikrostrukture po kaljenju in popuščanju. S kaljivostjo označujemo sposobnost jekla, da pri hitrem ohlajanju iz avstenitnega območja zadrži avstenit do marten-zitne ali do bainitno martenzitne premene. Na kaljivost jekla vplivajo: • legimi elementi • temperatura in čas avstenitizacije • velikost avstenitnega zrna • ohlajevalna hitrost Pri standardiziranem preizkušanju kaljivosti po Jominy-jevi metodi so parametri avstenitizacije s temperaturo, časom in načinom ohlajanja predpisani—torej konstantni. Ohlajevalna hitrost je vzdolž Jominy preizkušanca različna in sicer od tiste, ki na čelu probe ustreza intenzivnemu ohlajanju v vodi, do tiste pri glavi probe, ki ustreza ohlajanju na mirujočem zraku. Vplivni spremenljivki sta torej velikost avstenitnega zrna, predvsem pa vsebnost legirnih elementov. Pri jeklu 20NiCrMo3 lahko velikost zrna smatramo za konstanto, kar utemeljujemo z naslednjim: standard predpisuje vsebnost aluminija od 0.020 do 0.050% in dušika ntaks. 0.012%, ki zagotavljata drobno zrno na temperaturi kaljenja tudi v primeru, če je vsebnost aluminija na spodnji predpisani meji. A1N zavira migracijo mej, kar je zelo pomembno posebno pri varjenju verig. Za preverjanje zanesljivosti teh trditev smo s posebno serijo poizkusov spremljali kinetiko rasti avstenitnega zrna v temperaturnem območju od 800° C do 1050° C in s časi avstenitizacije od 30 minut do 2 uri. Pod vplivom temperature in časa držanja na temperaturi se je velikost zrna spreminjala od velikosti 9 do 7.5 po ASTM primerjalni tabeli. Tako majhne razlike v velikosti avstenitnega zrna ne izražajo zaznavnega vpliva na kaljivost jekla. Jominy vzorci, kaljeni s temperatur 850, 900 in 950°C, so imeli na posameznih oddaljenostih od kaljenega čela razlike trdot največ 0.5 HRC. V ozkem območju normalnih temperatur avstenitizacije in posebno ob standardizirani temperaturi avstenitizacije 880° C lahko torej vpliv velikosti avstenitnega zrna na kaljivost zanemarimo. Pri analizah kaljivosti na osnovi rezultatov Jominyjevih preizkusov se torej lahko omejimo samo na vpliv kemijske sestave. Širina Jominy pasu na posameznih oddaljenostih od kaljenega čela preizkušanca ponazarja vplive legimih elementov znotraj predpisanih mej. Z matematično statistično obdelavo velikega števila Jominy krivulj pridemo do jakostnega vpliva posameznega legimega elementa na posameznih oddaljenostih od kaljenega čela. Jakostni vpliv legimih elementov je shematsko prikazan na sliki 32. 1000 Jeklo: 20 NiCrMo3 . avstemtizacijo 880°C , 15 minut 1 10 sekunde 10000 100.000 1000 100 ure 10 C = 0.22 Si - 0.21 Mn =0.74 Cr =0.40 Ni = 0.75 Mo = 0.17 AC = -0.01 ASi =-0,05 AMn =0.54 ACr =0.15 ANi =0,21 AMo = 0.37 C = 0.21 Si = 0.18 Mn = 1,28 Cr=0,55 Ni = 0.96 Mo=0,54 1000, Jeklo: 23MnNiCrMo54 avstenitizacija 880°C.l5min - J mm Slika 3. Shematski prikaz, vpliva legimih elementov na kaljivost jekel. Figure 3. Schematically presented influenees of alloying elements on hardenability. S statistično analizo regresije lahko dokaj dobro kvan-tificiramo jakostne vplive posameznih legimih elementov za posamezne oddaljenosti od kaljenega čela. Regresijske enačbe, vgrajene v računalniški sistem jeklarne, dajejo neposredne napovedi tehnologu v obliki računalniškega dialoga. Iz Jominy krivulj ali pasov lahko s pomočjo Wyssovih'5 nomogramov napovedujemo trdoto gotovih izdelkov različnih dimenzij na površini, v sredini ali po preseku. Za sekunde r488l