Vpliv nitriranja na premene jekla X38CrMoV51 Nitriding Influence on Transformation Temperature by Steel X38CrMoV51 F. Legat, Veriga Lesce Na tankih, v celoti nitriranih probah jekla za delo v toplem, kvalitete X38CrMoV51, smo izvedli preizkuse za določitev temperature premene v odvisnosti od hitrosti ogrevanja. Analizirali smo stanje austenita v odvisnosti od pogojev austenitizacije in ugotovili potek premen podhlajenega austenita v različnih pogojih austenitizacije. Z nitriranjem se ravnotežne temperature premene znižajo iz 833°C na 65CPC (Ac1b), oziroma iz 885°C na 820°C (Ac1e). Za potek premen nitriranega jekla je karakteristično pospeševanje eutektoidne in bainitne fazne premene, maksimalno povečanje trdote neposredno po končani tvorbi austenita in velik padec trdote pri dolgih časih zadrževanja. Ključne besede: toplotna obdelava, nitriranje, orodja za delo v vročem. Thin, nitrided specimens of the hot vvork die steel X38CrMoV51 (Utop Mo1) had been used to investigate the change of transformation temperature in dependence on the heating rate, to analyze the order of austenit in dependence on austenitiying conditions and to describe the transformation behaviour of the cooled down austenite by different austenitiying conditions. By nitriding the equilibrium transformation temperatures decreased from 833°C to 65CPC and from 885°C to 82CPC (Ac1e). Characteristic of the transformation behaviour of the nitrided steel are the important acceleration of the avtectoid and the bainitic transformation the maximal hardening direct after termination of austenitiying and the strong decrease of hardness by long holding times. Key words: heat treatment, nitriding, hot vvork tools. 1. Uvod Pri termodinamični obremenitvi nitriranih orodij za delo v kovačnici lahko pride do faznih premen v nitriranem sloju, ki znatno vplivajo na uporabnost orodij. Za pravilen izbor maleri-ala so pomembni podatki o poteku premen nitriranega sloja. Poleg tega je poznavanje temperature premene ferit-austenit predpogoj za določitev mejne temperature za feritno nitriranje. Opomnimo naj tudi na možno kombinacijo termične obdelave pri veliki hitrosti, da dosežemo lokalno izboljšanje premen. Tudi tu je potrebno poznavanje poteka premen v robni coni. Pri podhladitvi austenita, ki vsebuje dušik, lahko dobimo v odvisnosti od hitrosti ohlajevanja eutektoidno premeno v braunit (ferit in a-nitrid). Stabilizacijski učinek dušika na austenit daje pri nelegiranih in malolegiranih jeklih znižanje temperature premene ferit-austenit, zakasnitev eutektoidne in bainitne premene in znižanje martenzitne temperature. Delež zaostalega austenita narašča z vsebnostjo dušika. Nasprotno tej trditvi smo opazili pri karbonitridnem kaljenju Cr-legiranih jekel anomalije trdote na površini kot vzrok zmanjšanja kaljivosti robne cone. To si razlagamo z osiromašenjem osnove na Cr zaradi tvorbe kar-bonitridov. ki vsebujejo Cr in ki se pri običajnih pogojih austenitizacije le nepopolno topijo. 2. Material in izvedba preizkusov Jeklo naj bi bilo iz Železarne Ravne (Utop Mol), celoten preizkus pa je bil ponovljen v tovarni verig v Briicklu - Avstrija. Kemična sestava jekla je navedena v tabeli 1. Za primerjavo smo vzeli poleg dveh serij prob nitriranja še jeklo v mehko žar-jenem stanju. Uporabili smo probe v ploščicah v izmeri 10 mm x 10 mm x 0,5 mm z namenom, da bi dobili približno enakomerno vsebnost dušika po vsej debelini probe. Proba dovoljuje tudi izvedbo dilatometričnih meritev, ki dopolnjujejo metalografske preiskave na istih probah. Probe smo nitrirali po plinsko-oksidativnem nitrirnem postopku, ki smo ga razvili v Freiburgu. Da bi preprečili ra-zogljičenje, vsebuje nitrit ni medij zemeljski plin. čigar delež je v skladu s procentom ogljika v jeklu. Tabela I. Kemična sestava jekla X38CrMoV51 v izhodnem stanju (utežni deli v %) Stanje Č Čr Mo V N3 Rob Jedro Nenitrirano, žarjeno 0,41 4,94 1,00 0.36 0.014 0.014 Nitrirano, serija 1 0,415 4,91 0,92 0,36 2,5 2,0 Nitrirano. serija 2 0.425 4,91 0.92 0,36 3.1 2.2 Kot je razvidno iz tabele I. se obe probni seriji razlikujeta poleg željenih razlik v vsebnosti dušika, le malo v vsebnosti ogljika. Preiskave z mikrosondo so pokazale, da nismo dosegli enakomerne porazdelitve dušika po preseku prob. Na primer: vsebnost dušika v robu ploščic serije 2 je znašala 3.1 'a . v jedru le 2.2'+. Probe so pokazale majhno spremembo trdote po debelini ploščice (trdota na robu 115(1 HV 0,1 in trdota v jedru 1 100 HV 0,1). Glede na razdelitev trdote in sestave po debelini ploščic lahko sklepamo, da predstavljajo probe prvih 150 um območja robu na orodju le "površinsko nitriranje". Težišče preiskav je bilo: - določitev temperature premen kot funkcija ogrevanja, z dilatometerskimi in metalografskimi preiskavami, analiza stanja austcnitizacije v odvisnosti od pogojev austeni-tizacije z metalografskimi preiskavami, z določanjem trdote in sestave faze. opis poteka premen podhlajenega austenita za različna stanja austcnitizacije s pomočjo TTT-diagramov. Za racionalno vrednotenje preizkusov in za zmanjšanje subjektivnih napak pri določanju temperatur premen, smo uporabili računalniško podprto vrednotenje dilatometerskih krivulj v OFF-L1NE sistemu. Na slikah in v tabelah navedene ogrevne in ohlajevalne hitrosti se nanašajo na temperaturno območje od 800 "C do 500"C (pri austenitizacijskih temperaturah pod 800"C na temperaturno območje od 700"C do 5()0"C). Določanje vsebnosti zaostalega austenita in vsebnosti Cr-nitrida smo izvedli rentgenografsko /. uporabo Co-Kip-sevanja. Rentgenografsko analizo strukture smo dopolnili /. meritvami /. magnetno tehtnico. 3. Rezultati preizkusov 3.1 Putck austcnitizacije Rezultati preizkusov in vpliv nitriranja na temperature premen pri ogrevni hitrosti med 2 K/min in 13700 K/min so navedeni na sliki 1. I/ tega sledi, da dušik močneje zniža temperaturo začetka austcnitizacije (Aclb), kot pa temperaturo konca tvorbe austenita (Ach). Omenjene razlike v vsebnosti dušika med robom in jedrom se kažejo v različnih temperaturah začetka tvorbe austenita. Na konec strukturne premene nimajo nobenega merljivega vpliva. Tako kot kažejo razlike v temperaturah premene med robom in jedrom kot tudi na sliki 1 navedene razlike med probami ra- 1100 HV5 900 800 700 600 500 iOO 300 200 rif- 1 Ac,, nitrir. ser. 1 O*- • ,nemtr. Ac, Sh iJC edro / yT L Ac„ Ac,, Olj r . s .T K/ mm Ž&LCir Z : 3 min (nitrt^j j 10 min --Vodno b - 20' 700 800 900 1000 "00 °C 1200 Ognev.-temperatura. °C Slika 2. Vpliv temperature ogrevanja na kalilno trdoto Figure 2. Influence of the heating temperature on the hardness /.ličnih serij, reagira temperatura Ac,b zelo občutljivo na stanje nitriranja. Zato jc v praksi računati z velikim raztrosom temperatur premen Ac,b pri nitriranih orodjih. Pri ogrevni hitrosti 3K/min dobimo ravnotežne temperature premen za začetek in konec premene ferit-austenit tako kot so navedene na sliki 1. Naraščanje dušika na okrog 3,1 ck v jeklu za delo v toplem, kvalitete X38CrMoV5 1. daje do 3x večje zmanjšanje temperature Aclb v primerjavi z Ac, . Dobljene vrednosti sc dobro ujemajo z rezultati v literaturi, ki navaja temperaturo A, s 660"C za nitrirani sloj podobnega jekla za delo v toplem, kvalitete X40CrMoV51. Zasledovanje postopka austenitizacije z merjenjem trdote je pokazalo, da ima martenzit nitriranega jekla že neposredno po končani tvorbi austenita maksimalno trdoto, to pomeni, da doseže to brez sledečega zadrževanja lslika 2). Medtem pa nenitrirano jeklo doseže maksimalno trdoto šele po prekoračitvi temperature Ac za okrog 100K in pri času 1000 O o r« d. E Slika I. Vpliv hitrosti ogrevanja na temperature premen Figure I. Influence ol thc heating rate on the transformation temperatures zadrževanja 10 minut (/a topnost posebnih karbidov se zahteva visoka austenitizacijska temperatura in daljši časi zadrževanja). Za ni tri ran a stanja veljajo v osnovi druga razmerja. Poleg dušika. ki je vezan kot Cr-nitrid ima feritna osnova preko ravnotežne vrednosti raztopljen "prebitek dušika". Poleg tega se je med ni-triranjem zaradi premene nitridov, ki vsebujejo Cr. v Cr-kar-bonitrid oziroma Cr-nitrid. izločil prosto nastali ogljik kot lažje topni železov karbid. V nitriranem stanju lahko zato austenit prevzame že med ogrevanjem večje količine dušika in ogljika. Sprememba trdote preiskovanega jekla v obeh stanjih glede na čas zadrževanja poudarja razlike v poteku austenitizacije. /. večjim časom zadrževanjapride pri nenitriranem jeklu do raztapljanja karbidov in do izravnave koncentracij. Pri ogrevanju na 1040"C s časom zadrževanja preko 5 minut kalimo iz območja homogenega austenita. Kalilna trdota in martenzitna temperatura se zato z rastočim časom zadrževanja in s temperaturo austenitizacije ne spremenita več (slika 3). Pri ogrevanju na 845"C oziroma na 895"C dobimo večfazno strukturo (ferit. austenit in karbidi). S časom zadrževanja dajeta rastoči delež austenita in napredujoča topnost karbidov povečanje martenzitne trdote in padec martenzitne temperature. V nitriranem stanju ne obstajajo, kol kaže slika 2. pri ogrevanju na 8()()"C in na 875"C, praktično nobene razlike (slika 4). Ogrevanje jedra probe na temperaturo Aclb (750"C) daje pri času zadrževanja 90 minut nehomogeno kalilno strukturo z velikimi razlikami v trdoti. Z večjim časom zadrževanja nastalo zmanjšanje trdote si razlagamo z denitriranjem prob, ki se z naraščajočo temperaturo začenja vedno prej. Vzroke kalilne trdote lahko potrdimo z določanjem vsebnosti zaostalega austenita. Kol kaže slika 5 daje ogrevanje tik nad temperaturo Aclh zelo veliko vsebnost zaostalega austenita. Po tem sklepamo na zelo veliko vsebnost dušika v austenitnih kaleh. O or o u <" 400 Č 380 2 350 0) | 340 1r 320 C QJ o Z 300 280 260 240 >r«V..temperatu ^845 °C — = 47 K/min Ohla-j, /==270 K/min —.895 °C 1 1040 °C 1110 °c 1=1« T---- T'---- -- 0,1 10 min 100 Slika 3. Vpliv časa zadrževanja na trdoto in na M.-temperaturo za jeklo X38CrMoVS I. Figure 3. Influence of the holding time on the hardness and M -ot X38CrMoV51. Slika 4. Vpliv časa zadrževanja na trdoto nitriranega jekla X38CrMoV51 Figure 4. Influence of the holdina time on the hardness of nitrided steel X38CrMoV51 1000 °C 1101 Slika 5. Vsebnost zaostalega austenita v nitriranih probah v odvisnosti od temperature austenitizacije Figure 5. Residual austenitic content in dependence of temp. aust. of the nitrided spec. s? E o i_ Js: -C S oe 10 700 800 900 1000 1100 1200 °C 1300 Tpmnprirlurn Slika 6. Vpliv temperature na vsebnost Cr, ki je raztopljen v austenitu (izračunano) Figure 6. Influence of the temperature on the content of Cr solved in austenite X38CrMoV5 1 £ /. N. 272 °Zo (Kyi|/, II 1,75% (K-i/ - 2] 1,5 °Zo (K*—" — J) 1,0 % I K -<,-41 ^ 30 CO' (carbcnitrif, j. t ^t* CcK.3 Slika 7. Kontinuirni TTT-diagram /a jeklo X.3SCrMoV51 (hitrost ogrevanja 47 K/min. austenitizaeija: I030"C III mini Figure 7. Continuous TTT-diagram of the steel X38CrMoV5I, aust. temp.: I030 C Nitrirano jeklo je bilo v vsem preiskovanem temperaturnem območju in časovnem zadrževanju ekstremno fino zrnato. Ta fi-nozrnatost kaže na prisotnost termično stabilnih izcej. Čeprav moramo i/ metalografskih preiskav računati / /mesnimi nitridi oziroma / /.mesnimi karbonitridi, ki so v nitriranem jeklu, smo zaradi pomanjkanja termodinamičnih podatkov za izračun, privzeli prisotnost stehiometričnega kromnitrida CrN. Kol lahko i/ slike 6 razberemo, je glede na zasnovo v dodatku, v austenitu raztopljen procent Cr znatno manjši od skupne vsebnosti Cr v jeklu. I/ lastnih raziskav analizirana območja temperature austenitizacije (do 11()()"C) kažejo, da moramo računati z znatnimi deleži neraztopljenih kromnitridnih izcej tipa CrN. Ta trditev velja tako za obnašanje topnosti CrN izcej v jedru prob pri vsebnosti dušika v jedru 2,2%. kot tudi v primeru zmanj- šanja dušika zaradi denitriranja. Na sliki 6 je to prikazano /a tri stanja denitriranja. z 1.75'; N. 1.5', N in 1.09; N. i .2 Potek premen pri poilh/ajenem austenitu Da bi analizirali vpliv različnih stanj austenitizacije na potek premen v podhlajenem austenitu, kot na primer /aradi temperaturnih gradientov pri lokalni toplotni obdelavi / veliko hitrost jo, oziroma, ki utegnejo nastopiti pri termični obremenitvi orodij, smo izdelali TTT-diagrame /a različne pogoje austenitizacije. oziroma za temperature austenitizacije. Temperatura austenitizacije stanja I leži okrog 130 K nad Acle. Pri nenitriranem jeklu odgovarja to običajni kalilni temperaturi. Kaljenje se izvede i/ območja strukturno homogenega austenita. Struktura nitriranega jekla se pri tej temperaturi sesto- CL e 10000 K/min. upoštevanjem rezultatov za oceno stanja austenitizacije kot tudi iz literature, si lahko razlagamo to pospešeno nagnjenje k premenam s prisotnostjo neraztopljenih izcej. ki: odv zamejo austen-itu legirni element Cr. ki zavira premene; tvorijo kali za eutek- t- CL e °C 900 700 500 300 100 tiifr. ser, t Austenit • Ferr - it . Nitrid Ac, Ac, e (820°CI Braunit N. Ac b.rob(696 °C) ^2500^ . I0«\A»1 19 \ 168 \ 41 \ 26 \ 12 KZmin Q568j) \ (532j\ \ \ \\ (555j (547] Ulliutl) U94jU64HV5j 10° 10 10 o Co* 103 10 Slika 12. Kontinuirni TTT-diagram nitriranega jekla X38CrMoV51 (hitrost ogrevanja: 46 K/min. austenitizacija: 75()"C) Figure 12. Continuous TTT-diagram of the nitrided steel. aust. temp.: 75()"C toidne premene; posredno s preprečevanjem rasti austenitnega zrna dajejo dodatne kali za premene. 4. Zaključki Vpliv nitriranja na potek premen jekla za delo v toplem, kvalitete X38CrMo5l (Utop Mol) smo preizkušali s pomočjo dilatometra. z merjenjem trdote, z metalografijo kot tudi z rentgenografskimi in z magnetnimi analizami faz. Z dušikom se znižajo ravnotežne temperature premena jekla X38CrMoV51 od 833"C na 650"C (Aelh) oziroma iz 850"C na 82()"C (Aclc). Zato je možno dvigniti temperaturo za feritno nitriranje na preko 590"C. Maksimalna temperatura nitriranja sledi iz zahtevane trdnosti jekla v odvisnosti od popuščne obstojnosti jekla. Pri nitriranih orodjih za delo v toplem iz jekla X38CrMoV51 mora biti zagotovljeno, da temperatura uporabe ne presega 630 C. da s tem preprečimo fazne premene. Potek premen nitriranega jekla se jasno razlikuje od nenitriranega jekla. Poudariti moramo znatno pospeševanje evtektoidne in bainitne fazne premene, doseganje maksimalne kaljivosti neposredno po ogrevanju na temperaturo tik nad AcK„ veliko zmanjšanje trdote pri dolgem času zadrževanja, velik delež zaostalega austenita pri ogrevanju na temperaturo pod Ack. in zelo veliko termično stabilnost kromnitridnih CrN izeej v austenitu. Kot rezultat teh preizkusov je zaključek, da pri ohlajevanju delov konstrukcije in orodij po nitriranju na visoki temperaturi ne moremo vzpostavili martenzitne kaljene strukture, ker ima nitrirni sloj zelo veliko nagnjenje za premene ter se zahtevane velike olilajevalne hitrosti na orodjih ne da doseči. Lokalna termična obdelava bo pri opti-miranem vodenju postopka predvidoma zaradi realizirane velike olilajevalne hitrosti dala znatne učinke. Za stanje austenitizacije II in III na nenitriranih probah izdelani TTT-diagrami dajo napotke za razlago struktur po premenah po lokalnem kaljenju s postopkom ogrevanja z veliko hitrostjo. Literatura 1. Bell. T., Farnell, B. C.: An Electron Microscopz Studz of Braunitie and Bainitic Transformations, Jernkont. Ann.. 155 (1971), 8. s 415-421 2. Biswas, M. (J. A.. Codd. I:: An Electron Transmission Studz oflron-Nitrogen Martensite, Journal Iron & Steel Institute. 206(1968), 5. s 494-497 3. Edenhofer, B., Trenkler. H.: Beitrag zum Einfluss der Stahlzusammensetzung auf die Lage der A,-Temperatur von Nitrierschichlen, Hiirterei-Tech. Mitt.. 35 (1980). 4. s 175-181 4. Spies, H.-J., Trubitz. P., Weliner. W.: Untersuchungen zum Umwandlungsverhallen des nitrierten Warmarbeitsstahls 38CrMoV2 L14. Neue Hiitte, 28 (1983), 4. s 157-158 5. Trubitz. P.: Beitrag zum Umwandlungsverhalten des nitrierten VVarmarbeitsstahls 38CrMoV2L 14, Dr.-Ing. Diss.. Bergakademie Freiberg, 1985 6. Salonen, L. et al.: Einfluss von Legierungselementen auf den Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt von karbonitrierten Einsatzstuhlen, Hiirterei-Tech. Mitt., 25 (1970). 3. s 161-164 7. Zenker. R.: Kombinierte Ihermochemisclie Hochge-schwindigkeitswurmebehandlung einige Grundlagen und Behandlungsergebnisse. Neue Hiitte. 31 (1986). 1. s 1-6 8. Spies. Trubitz: Einfluss des nitrierens auf das Umwandlungsverhalten, HTM, 43 (1988).