Primerjalne preiskave konvencionalnega in kontinuirno ulitega cementacijskega jekla v C. 4320, ki je legirano z niobijem UDK: 669.14.018-298:620.17 ASM/SLA: Ay-b, S21, Nb D. Kmetič, F. Vodopivec, F. Vizjak, J. Žvokelj, B. Arzenšek Zaradi ekonomskih prednosti se vedno večji delež jekla lije po kuntinuirnih postopkih. Od slovenskih železarn je napravo za konti litje prva dobila Železarna Štore in za njo Železarna Jesenice. Predelovalna industrija bo imela na razpolago vedno več konti jekla. Zaradi specifičnih lastnosti, ki izvirajo iz načina izdelave, so za uporabnost teh jekel potrebne določene preiskave. Namen dela je seznaniti uporabnike z lastnostmi in uporabnostjo cementacijskega jekla Č. 4320, pri katerem smo dosegli afinacijo kristalnih zrn z niobijem. 1. UVOD Od kvalitetnih konstrukcijskih jekel, zlasti ce-mentacijskih, se zahteva poleg homogenosti in predpisanih mehanskih lastnosti tudi določena velikost primarnih in sekundarnih kristalnih zrn. Za afinacijo kristalnih zrn se najpogosteje uporablja aluminij. Pri konti litju gredic manjšega preseka, jekla v ponovci ne moremo pomirjati z aluminijem, ker se vključki aluminijevega oksida nabirajo v izlivnem kanalu in onemogočajo normalno litje. Nekaj aluminija sicer dodajajo pri litju v curek, vendar premalo, da bi imelo jeklo dovolj topnega aluminija, torej aluminija, vezanega v ni-trid, ki regulira velikost kristalnih zrn. Podoben afinacijski učinek ikot aluminij ima niobij, ki pa pri litju ne povzroča nobenih težav. Tudi v kristalizacijski strukturi gredic ni razlik v primerjavi s talinami brez dodatka niobija. V prvem delu razprave''2 smo obravnavali fizikalno metalurške značilnosti cementacijskega jekla Č. 4320 z dodatkom niobija. V tem nadaljevanju obravnavamo njegovo obnašanje pri toplotni obdelavi in cementaciji ter ga primerjamo z jeklom iste vrste, v katerem so kristalna zrna stabilizirana z aluminijem. 2. REZULTATI PREISKAV 2.1. Izdelava motorskih delov Da bi ugotovili, kako se to jeklo obnese v praksi, smo v sodelovanju z UNIOR-jem in TOMOS-om izbrali za preiskave dva elementa motorja (si. 1), ojnico in sojemalec (zagonski zobnik). Tako smo lahko poleg fizikalno metalurških preiskav naredili tudi tehnološke preizkuse na pulzatorju (ojnice) in trajnostne preizkuse sojemalcev. Slika 1 Makroposnetek ojnic in sojemalcev izdelanih iz konti jekla Č. 4320 Iegiranega z Nb Fig. 1 Macropicture of shaft and starter toothed vvheel made of continuously čast Č. 4320 steel alloyed with niobium Kemična sestava primerjalnega konvencionalnega jekla Č. 4320 in konti jekla, kjer smo kot afinator uporabili niobij, je podana v tabeli 1. Tabela 1: Kemična sestava jekel v % Jeklo Si Mn Cr Nb Alte C. 4320 0,16 0,18 1,05 0,016 0,014 0,88 — 0,01 C. 4320 Nb 0,14 0,26 1,0 0,015 0,019 0,85 0,02 — Ojnice smo utopno skovali v UNIOR-ju. V TO-MOS-u so jih mehansko obdelali, izdelali sojemalce in vzorce toplotno obdelali v cementacijski peči IPSEN 4 pri enakih pogojih ikot teče redna proizvodnja teh elementov. Sojemalci so v celoti ce-mentirani, pri ojnicah pa je cementirano le večje oko, v katerem teče kotalni ležaj, steblo in manjše oko (drsni ležaj) pa sta pri cementaciji zaščitena s pasto No-Carb. Najvažnejši parametri termične obdelave in zahtevane ter izmerjene globine ce-mentacije in trdote so navedene v tabeli 2. Tabela 2: Ojnice Sojemalci Temperatura cementacije 920° C 920° C Čas naogljičevanja 4,5 ure 2 uri Temperatura kaljen j a 820° C 820° C Temperatura popuščanja Čas popuščanja Zahtevana globina cementacije Dosežena globina cementacije Zahtevana trdota cementiranih delov Dosežena trdota cementiranih delov (Č. 4320) Dosežena trdota cementiranih delov (Č. 4320 Nb) Zahtevana trdota stebla ojnice Dosežena trdota stebla ojnice (Č.4320) Dosežena trdota stebla ojnice (Č. 4320 Nb) Slika 2 Povečava 50 X. Mikrostruktura cementirane plasti na oj-nici in na zobu sojemalca — jeklo Č. 4320 Nb 2.2. Mikrostruktura in trdota Mikrostruktura ojnic in sojemalcev je podobna pri obeh vrstah jekel. Cementirana plast ima mar-tenzitno mikrostrukturo, ki proti notranjosti prehaja v mešano martenzitno bainitno mikrostrukturo (si. 2). Tudi na necementiranem delu ojnice je mikrostruktura ob robu martenzitna, v notranjosti pa martenzitno bainitna (si. 3). Delež marten-zita v mikrostrukturi je odvisen od velikosti preseka, saj so manjši preseki bolj prekaljeni. Večja kristalna zrna, ki jih opazimo na nekaterih presekih ojnice, so značilna za področja, ki so bila pri zadnjem udarcu kladiva le malo deformirana (kritična stopnja deformacije). ;Na teh mestih je pre-kaljivost boljša zaradi večjih zrn. 900 eoo 700 0 600 1 1 500 o 'I 400 3000 0.2 0.4 0,6 0.8 1,0 1.2 1.4 1.6 1,8 2.0 Oddaljenost od drsne ploskve v mm Slika 5 Potek mikrotrdote na cementiranem delu ojnice Fig. 5 Variation of microhardness in the čase of the shaft 800 700 -i s 600 £ .g 2 500 p | 400 30°0 0.2 0,4 0.6 0.8 1,0 1,4 1.6 1,8 2,0 Oddaljenost od površine v mm Slika 6 Potek mikrotrdote pri sojemalcih Fig. 6 Variation of hardness in the starter toothed wheel Fig. 2 Magnification 50 X. Microstructure of the čase on the shaft and the tooth of the starter toothed wheel — Č. 4320 Nb steel 150° C 180° C 60 min. 60 min. 0,8—1,1 mm 0,2—0,4 mm 0,85 mm 0,4 mm 60—64 HRC 56—60 HRC 63,2 HRC 59 HRC 61,7 HRC 57,9 HRC 30—45 HRC — 39,6 HRC 36,1 HRC Slika 3 Povečava 200 X. Martenzitno bainitna mikrostruktura na sredini dveh različnih presekov ojnice — levo konvenci-onalno jeklo C. 4320, desno konti jeklo Č. 4320 Nb Slika 4 Povečava 100 X. Martenzitno bainitna mikrostruktura na sredini preseka sojemalca — levo konvencionalno jeklo C. 4320, desno konti jeklo C. 4320 Nb Avstenitna zrna so pri ojnicah finejša kot pri sojemalcih (si. 4) zaradi večje stopnje deformacije jekla in nizke končne temperature kovanja (1020—1050° C). V velikosti avstenitnih zrn med obema jekloma ne opazimo razlike. Vzorci iz konti jekla imajo v strukturi nekaj več bainita in bainit-nega ferita. Fig. 3 Magnification 200 X. Martensite bainitic microstructure in the centre of two various sections of the shaft — left: conventional C. 4320 steel, right: continuously čast Č. 4320 Nb steel Fig. 4 Magnification 100 X. Martensite bainitic microstructure in the centre of cross section of the starter toothed vvheel — left: conventional Č. 4320 steel, right: continuously čast C. 4320 Nb steel Makro trdote cementirane plasti in jedra ojnic in sojemalcev ustrezajo predpisanim vrednostim. Globino cementirane plasti smo določili iz profilov mikro trdot (si. 5 in 6) v odnosu na mejno trdoto, ki smo jo izračunali po enačbi (5): G = 0,6 M + 0,4 J Pri tem pomenijo G mejno trdoto globine ce-mentacije, M maksimalno trdoto cementirane plasti in J trdoto jedra. Povprečna globina cementirane plasti je pri obeh vrstah jekel enaka in znaša pri ojnicah 0,85 mm in pri sojemalcih 0,4 mm. Globino cementacije smo določili tudi metalograf-sko na normaliziranih vzorcih (si. 7). Izmerjene vrednosti se dobro ujemajo z izračunanimi. Meritve makro in mikro trdote so pokazale, da so ojnice in zobniki, izdelani iz konti jekla, nekoliko mehkejši. tSfcrkj ■ "v,V*.- -j,' ..... Slika 7 Povečava 50 X. Normalizirana mikrostruktura cementira-nega dela ojnice iz konvencionalnega jekla Č. 4320 (levo) in iz konti jekla C. 4320 Nb (desno) cementiranih vzorcih je pri absolutnih vrednostih trajne vrtilno upogibne trdnosti med jekloma določena razlika. Razmerje med trajno vrtilno upogibno in natezno trdnostjo je pri teh vzorcih bistveno višje kot pri kaljenih in popuščenih (0,67 oz. 0,65) in tudi v tem primeru ni odvisno od načina izdelave jekla. Pri nateznem preizkusu se cementirana plast krhko lomi, žilavost jedra ne pride do izraza in preizkušanci imajo nižje vrednosti mehanskih lastnosti kot v kaljenem in po-puščenem stanju. Cementiirana plast pa zaradi •" ~ .". - »t-:***. * ■ Fig. 7 Magnification 50 X. Normalized microstructure of the čase of the shaft made of conventional C. 4320 steel (left) and of continuously čast Č. 4320 Nb steel (right) 2.3. Mehanske lastnosti Cementirane vzorce za določitev mehanskih lastnosti smo termično obdelali istočasno z ojni-cami, kaljene in popuščane pa smo pripravili na Metalurškem inštitutu pri enakih temperaturah, kot so bile obdelane ojnice (tabela 2). Mehanske lastnosti kaljenih in popuščanih preizkušancev ustrezajo v standardih predpisanim vrednostim. Meja plastičnosti in natezna trdnost sta pri konti jeklu nekaj nižji, pri raztezku (15 %) in kontrakciji (40 %) pa med jekloma ni razlike. V konti jeklu smo opazili večje silikatne vključke, ki izvirajo iz procesa izdelave jekla. V velikosti kristalnih zrn ni razlike. Zato lahko razlike v mehanskih lastnostih in tudi v trdoti pripišemo različni kemični sestavi jekla, saj ima konvencional-no jeklo Cekv 0,524, konti jeklo pa 0,488. Za vrednotenje uporabnosti konstrukcijskih jekel je pomembna dinamična trajna trdnost, saj so strojni elementi večinoma obremenjeni izmenično. Dinamične lastnosti smo določili enkrat na za to pripravljenih preizkušancih in drugič direktno na ojnicah, oz. na zagonskih zobnikih. Trajno vrtilno upogibno trdnost smo določili po metodi stopnic (7). Pri kaljenih in popuščanih vzorcih imata jekli zaradi odstopanj v kemični sestavi različno trajno dinamično trdnost. Razmerje trajne vrtilno upogibne in natezne trdnosti pa je pri obeh jeklih enako in znaša 0,42. Tudi pri svoje trdote močno poviša vrtilno upogibno trdnost, ker je pri taki obremenitvi najmočneje obremenjena površinska plast preizkušanca. 460 450 440 430 430 420 410 400 t. 4320 \ / \ /N n2 / a t = o49 N/mrr om= 1070N/mr otvu = 450 N/rr z m om m2 zloma C.4320 Nb / \ / \ oi = BC SN/mt n2 \ / \ / \ / am=960 N/mm2 otvu=405N/mm2 III I 2 5 6 7 9 10 11 12 13 3 4 Zaporedje preizkušancev Slika 8 Potek vrtilno upogibnih preizkušanj za obe vrsti jekla v poboljšanem stanju Fig. 8 Rotation-bending testing of both steel after quenching and tempering V diagramih na slikah 8 in 9 je prikazan potek vrtilno upogibnih preizkušanj. Navedene so tudi vrednosti meje plastičnosti (ac), natezne trdnosti (O in trajno vrtilno upogibne trdnosti (ctvu). Najustreznejše podatke o trajni trdnosti smo dobili z neposrednim preizkušanjem ojnic na statično dinamičnem preizkuševalnem stroju IN- 2 3 4 5 6 7 8 9 10 II 12 13 Zaporedje preizkušancev Slika 9 Potek vrtilno upogibnih preizkušanj za obe vrsti jekla v cementiranem stanju Fig. 9 Rotation-bending testing of both steel being čase hardened STRON (500 KN). Preizkušali smo steblo ojnic, ki je kaljeno in popuščeno. Obe očesi, cementirano in necementirano, sta vpeti v čeljusti. Oljnice smo pulzirali pri frekvenci 25 Hz. Na lom ojnic vplivajo številni dejavniki (mehanske lastnosti, mikro-struktura, napake na površini, obdelava površine), zato so se ojnice lomile v širšem področju najožjega preseka stebla. Wohlerjevi krivulji za obe vrsti ojnic sta prikazani v diagramu na sliki 10. 30r Število obremenitev Slika 10 Wohlerjevi krivulji za obe vrsti ojnic Fig. 10 Wohler curve for both shafts Trajna dinamična trdnost je pri obeh vrstah ojnic skoraj enaka. V področju, kjer pride do zloma pri končnem številu nihajev (malonihajna utrujenost), ko so amplitude cikličnih napetosti tako visoke, da prihaja do elastično plastičnih deformacij, se krivulji nekoliko razlikujeta. Sojemalce smo v TOMOS-u preizkušali na napravi, ki ponazarja delovanje v motorju. Obremenitev v motorju je 3 Nm. Preizkušanci iz obeh vrst jekla so vzdržali predpisano število zagonov (23000). Tudi pri povišani obremenitvi ni prišlo do lomov zob, niti nismo opazili nobenih znakov obrabe. 3. ZAKLJUČEK Iz industrijskega jekla Č. 4320 z dodatkom niobija in brez aluminija smo izdelali in toplotno obdelali preizkusne vzorce dveh elementov motorja, ojnice in sojemalce. Fizikalno metalurške lastnosti jekla in rezultate tehnoloških preizkusov smo primerjali z vzorci iz konvencionalnega jekla. Mehanske lastnosti konti jekla ustrezajo vrednostim, ki jih predpisujejo standardi. Zlasti je pomembno, da je razmerje med dinamičnimi in statičnimi lastnostmi pri obeh jeklih enako in da imajo motorski deli ustrezno trajno trdnost. Niobij ne vpliva na cementacijsko sposobnost jekla. Vpliva pa posredno na kaljivost, saj je finejša mikrostruktura slabše prekaljiva. Na osnovi teh primerjalnih preiskav lahko zaključimo, da ima dobro izdelano konti jeklo Č. 4320, pri katerem smo dosegli afinacijo kristalnih zrn z niobijem, ustrezne mehanske lastnosti in velikost kristalnih zrn. Pri izdelavi elementov, pri katerih je potrebna daljša toplotna obdelava pri temperaturah nad 900 »C, ima to jeklo zaradi večje stabilnosti avstenitne strukture boljše lastnosti kot konvencionalno jeklo. Literatura 1. F. Vodopivec, G. Manojlovič, F. Vizjak, O. Kiirner, D. Gnidovec: Afinacija avstenitnih in feritnih zrn v kontinuirno ulitih jeklih. Poročilo MI, Ljubljana 1977 (ob-lj avl j eno v železarskem zborniku) 2. F. Vodopivec, F. Vizjak, G. Manojlovič, D. Kmetič: Afinacija kristalnih zrn v kontinuirno litih jeklih, Poročilo MI, Ljubljana 1979 (objavljeno v železarskem zborniku) 3. D. Kmetič, F. Vodopivec, M. Gabrovšek: Kinetika nastajanja ferita v mikrolegiranem jeklu, železarski zbornik št. 1/2, 1980 (39—47) 4. F. Vodopivec: Opredelitev parametrov za perlitno kovanje. Poročilo MI, 1978 5. J. Žumer: Globina cementacije pod kritično lupo. Zbornik posvetovanja o 'toplotni obdelavi, Ravne na' Koroškem 1980 (112—122) 6. D. Kmetič, F. Vodopivec, B. Ralič: Uvodjenje korištenja elektronske mikrosonde u rešavanju tehnoloških problema črne metalurgije — IX., Ispitivamje konti livenog i konvencionalno livenih kvalitetnih čelika istih vrsta Poročilo MI, 1979 7. J. Žvokelj: Preizkušanje vrtilno upogibne trdnosti nekaterih konstrukcijskih in orodnih jekel, Poročilo MI, 1974 8. J. Žvokelj: Ponašanje jekel pri utrujanju z nizkim številom nihajev do loma, Poročilo MI, 1979 ZUSAMMENFASSUNG Auf Grund der vorherigen Untersuchungen haben wir aus einer industriellen Stahlschmelze eines mit Niobium legierten Einsatzstahles, Č. 4320 ohne Aluminiumgehalt zwei Versuchselemente des Otomotors, die Kurbehvelle und das Antriebszahnrad hergestellt und vvarmebehandelt. Die physikalischen und metallurgischen Eigenschaften des Stahles und die Ergebnisse der technologischen Versuche sind mit den Ergebnissen, erhalten an Teilen aus konven-tionell hergestellten Stahles verglichen worden. Die mecha-nischen Eigenschaften des stranggegossenen Stahles ent-sprechen den Wlerten die durch Normen vorgeschrieben sind. Es ist sehr wichtig, dass das Verhaltnis zvvisehen den dynamischen und statischen Eigenschaften bei beiden Stahlen gleich ist, und dass die Motorenteile eine ent- sprechende Dauerfestigkeit besitzen. Niobium beeinflusst nicht die Einsatzhartungsfahigkeit des Stahles. Indirekt beeinflusst er die Hartbarkeit, denn das feinere Mikro-gefiige ist schlechter durchhartbar. Die Ergebnisse zeigten, dass ein gut hergestellter und stanggegossener Einsatzstahl Č. 4320, bei dem die Affination der Kristallkorner durch Niobium erzielt worden ist, ent-sprechende mechanische Eigenschaften und Kristallkorn-grosse besitzt. Bei Erzeugung der Teile bei welchen langere Warm-behandlung bei Temperaturen iiber 900 °C notig ist, hat dieser Stahl wegen der hoheren Stabilitat des Austeni-tischen Gefuges bessere Eigenschaften wie konventionall erzeugter Stahl. SUMMARY Based on previous investigations the industrial'ly made melt of case-hardenable Č. 4320 steel vvith added niobium and vvithout aluminium was used for test saimples of two motor constituentjs, i.e. of a shaft and of starter toothed wheel, ali foeing heat treated. Physicail metallurgicaJ properties of steel and the results of technological tests were compared vvith the results obtained vvith the samples imade of conventional steel. Mechanical properties of the conti-nuously čast steel correspond to the values prescribed by the standards. EssentiaJ is the fact that ratio betvveen the dynamic and the static properties of both steel is the same and that motor constituents have sufficient fatigue strength. Niobium does not influence the case-hardena-bility of steel. It directly influences the hardenability sin-ce the finer microstructure has lovver through-hardena-bility. Results shovved that correctly made continuously čast C. 4320 steel vvith refined crystal grains vvith niobium has corresponding mechanical properties and the size of obstal grains. For the parts vvhich demand longer heat treat-ment above 900 °C this steel has better properties than the conventional steel due to greater stability of austenitic structure. 3AKAKMEHHE Ha ociioBaHHH npeAeAyn(HX HCCAeAOBaHHH H3TOTOBHAH H3 pacnAaBa UCMCHTVCMuii CTaAH Č. 4320, AerapoBaHHoro c HHo5neM 6e3 AoSaBKH a.uoMHHHa, nOAy>ieHHOro npoMbmiAeHHbiM cnoco6oM o6pa3-Ubi AByx -jacmchtob MOTOpa, otaočau h pa3roHHbie mecrepHii. 3th oniiTHHe o5pa3ULJ TaiOKe TepMiraecKH oSpaSoTaHbi. H3HK.o-MeTaAAyprnmyiO. npOTHOCTb. TaiOKe yctahobaeho, mto hhoShh He oKan.inaer baiihinic Ha cnoco6-HOCTb UCMeilTaUtlH CTaAH, HO KOCTBeHHO BAHHeT Ha 3aKaAKy, TaK itaK SoAee MeAKaa MHKpoCTpyKTypa yMeHbiuaeT npoKaAHBaeMoeTb. B Hiore HccAeAOBaHHa noKa3aAH, ito xopouio H3r0T0BAeHHaa cTaAb AAa HenpepbiBHoro AHTba C. 4320, na KOTOPOH aHHa}K KpHCTaAAH-qecKHx 3epeH bbinoahch c 'jacmchtom hho6nem oBAaAaeT coorBeTCT-bvkjiiihmh MexaHmecioiMH CBOHCTBaMH h HMeeT 5KeAaeMyio Be.MiqiiHy KpHCTaAAimeCKHX 3epeH. IlpH H3r0TOBAeHHH H3AeAHH, KOTOpbie Tpe-5yK>T SoAee AAHTeAbHyio TepMmecKyio o5pa6oTKy npn T-pe CBbimi 900° 3Ta CTaAb, n3-3a SoAee bhcokoh cra6nABHOCTH aycTeHHTHoft CTpyKiypbi, HMeeT SoAee ČAaronpHaTHbie CBOHCTBa,