O spremembah v sestavi primarnih karbidnih zrn in izcej v jeklu za kroglične ležaje med homogenizacijskem iarjenjem F. Vodopivec in B. Ralič Večino mase primarnih karbidnih tvorb v litem jeklu s pribl. 1,0 % C in 1,5 % Cr tvori cementit z do 22 % Cr, manjši del pa karbid tipa M23C6 z najmanj 32 % Cr. Pri homogenizacijskem žarjenju se cementit hitro raztopi v avstenitu, raztapljanje karbida M23C6 pa je počasnejše in poteka linearno s časom izotermnega ogrevanja. Homogenizacija dendritnih izcej ima dve fazi, začetno zmanjšanje količine kroma v meddendrit-skih prostorih je hitro, nato pa preide v počasno, skoraj asimptotično približevanje k neki vrednosti, ki je tem višja, čim nižja je temperatura ogrevanja. Pred časom je bilo ugotovljeno (1), da se zmanjšuje količina karbidnih zrn v jeklu za kroglične ležaje z 0,98 % C, 0,28 % Si, 0,33 % Mn, 0,015 % P, 0,008 % S in 1,55 % Cr proporcionalno s trajanjem žarjenja potem, ko se je v začetku žarjenja zelo hitro zmanjšala. Nismo pa tedaj mogli dognati, ali se med homogenizacijskim žar-jenjem spreminja sestava preostalih karbidnih zrn. Literaturni podatki kažejo (2), da je homogenizacija izcej v bronih in v aluminijevih zlitinah razmeroma hitra in zato ni potrebno dolgotrajno ogrevanje blokov teh zlitin pred vročo predelavo. Eksperimentalnih podatkov o homogenizaciji izcej v jeklih za kroglične ležaje ni, zato smo določili kinetiko homogenizacije dendritnih izcej v takem jeklu in tako dobili celovito podobo o tem, kar se v njem dogaja med homogenizacijskim žarjenjem pred vročo predelavo. Mikroanalizator, ki smo ga imeli na voljo, je premalo občutljiv, da bi lahko izmerili izceje ogljika, ki so po videzu mikrostrukture pridružene izcejam kroma, zato smo izmerili le izceje tega elementa in izceje mangana pri eni temperaturi. Površinska (scanning) analiza je pokazala, kar na optičnem mikroskopu ni bilo mogoče razločiti, da je precej primarnih zrn dvofazne sestave. Na prilogi 1 vidimo v polju lamelarnega lede-burita dve karbidni zrni, ki sta zraščeni z vključ- Franc Vodopivec je dcuktor metalurških znanosti in samostojni raziskovalec na metalurškem inštitutu v Ljubljani Boško Ralič, višji tehnik na metalurškem inštitutu v Ljubljani koma manganovega sulfida. Na elektronskem posnetku sestave (ES) je ob temnem vključku temnejša lisa, kjer je večja koncentracija kroma in manjša koncentracija železa, kot v okolišnem karbidu. Slika 1 Profil koncentracije za krom in železo pri prehodu preko dveh ledeburitnih polj s karbidnim zrnom. Lito in v bloku ohlajeno jeklo. Linijska analiza (si. 1) je potrdila, da gre za dve vrsti karbida, ki imata zelo različno vsebnost kroma in železa. Levi grafikon kaže profil koncentracije železa in kroma pri prehodu čez enofazno karbidno zrno, desni pa profil pri prehodu čez dvo-fazno zrno. Karbidna zrna v litem jeklu torej niso enotna, marveč so v številnih primerih med njimi vložki, ki so bogatejši s kromom. Na poti iz notranjosti dendrita proti izcejanemu mestu enakomerno raste vsebnost kroma, v ledeburitnem polju pa postane porazdelitev kroma neenakomerna zato, ker cementitna komponenta evtektika vsebuje več kroma kot avstenitna komponenta. Na prehodu med ledeburitom in primarnim karbidnim zrnom skokoma zraste vsebnost kroma, enako je pri prehodu iz ene v drugo karbidno fazo. Mislimo, da je mogoče na osnovi porazdelitve kroma zanesljivo trditi, da so večja karbidna zrna v ledeburitnih poljih primarnega porekla in da so nastala zaradi neravnotežnega strjevanja jekla že pred kristalizacijo evtektika. V vzorcu jekla, ki je bil ogrevan 0,5 ure pri 1140° C, je bilo manj karbidnih zrn, v vseh pa smo ES ET XCr XFe X5i XMn X5 i——j Priloga 1 Primarni karbidni zrni v ledeburitnem polju. Elektronska posnetka sestave (ES) in topografije (ET) ter specifični X posnetki za krom, železo, silicij, mangan in žveplo. Slika 2 Profil koncentracije za krom in železo pri prehodu čez karbidni zrni v vzorcu, ki je bil ogrevan 0,5 ure pri 1140« C in kaljen v vodi. našli karbid, bogatejši s kromom (slika 2). čeprav v mikroskopu okoli karbidnih zrn nismo opazili ledeburita, pokaže linijska analiza, da je na tem mestu porazdelitev kroma neenakomerna. Torej se je cementit hitreje raztopil v avstenitu, kot je prišlo do izenačevanja vsebnosti kroma kljub so-razmeroma majhni razdalji med obema komponentama, ki sestavljata ledeburit. Po enournem žarjenju smo našli v preostalih karbidnih zrnih le poredkoma dele z manjšo vsebnostjo kroma (si. 3), po dveurnem žarjenju pa so bila vsa karbidna zrna le iz faze z več kroma. Na profilu koncentracije za krom na sliki 3 opazimo le statistične variacije, kar je znak, da v avstenitu ob karbidnih zrnih ni več mikroheterogenosti v porazdelitvi kroma, ki je, kot smo že omenili, posledica različne vsebnosti kroma v obeh komponentah, ki sestavljata ledeburit. Točkasta kvantitativna analiza na elektronskem mikroanalizatorju z upoštevanjem korekture na fluorescenco po Reedu (3), rezultati so v tabeli 1, je potrdila, da gre res za dve vrsti karbida, od katerih je v enem 18 do 21,5 % kroma, v drugem pa 32 do 35 % kroma in seveda ustrezno manjša vsebnost železa. Slika 3 Isto kot slika 2 za vzorec, ki je bil ogrevan 1 uro. Tabela 1 — Vsebnost kroma v karbidnih zrnih v litem stanju in po različno dolgem ogrevanju pri 1140° C: Nežarjen Žarjen 0,5 ure: 1) 1) 34,6 % Cr 18,9 do 21,4 % 2) 33,3 % 18,3 % 1) 34,0 % 18,4 % 2) 32,9 % 20,4 % 3) 33,9 % 20,3 % 1) 35,0 % 2) 34,5 % 3) 34,7 % 1) 33,3 % 2) 31,9 % 3) 32,2 % Na osnovi sestave jekla in vsebnosti kroma je mogoče opredeliti karbid z manj kroma kot cementit, ki po podatkih iz literature (4) lahko topi do 20 % kroma. Debye-Scherrer analiza karbidnega izolata iz jekla, ki je bilo ogrevano 1 uro pri 1140° C, je pokazala, da je drugi karbid vrste M^C,. Na sliki 4 je profil koncentracije kroma in železa pri prehodu preko karbidnih zrn, katera smo našli v karbidnih segregacijah v gredici jekla iste vrste, vendar druge šarže. Tudi tu sta v karbidnih zrnih 2 fazi z različno vsebnostjo železa in kroma. Na osnovi preje opisanih ugotovitev sklepamo, da po ogrevanju pred valjanjem v jeklu ni bilo neraztopljenega cementita, temveč le preostala neraztopljena zrna kromovega karbida. Med ohlaja- Slika 4 Profil koncentracije za krom in železo pri prehodu pravokotno na vzdolžno os čez karbidne segregacije v gredici Iz jekla z okrog 1 % C in 1,5 % Cr. njem se na teh karbidnih zrnih izloča cementit iz okolišnega avstenita, ki je zaradi nepopolne homo-genizacije bogat z ogljikom (5). Obliko krivulje, ki kaže kinetiko raztapljanja karbidov (1), je mogoče razložiti takole: začetna hitra faza predstavlja raztapljanje v primarnih karbidnih zrnih prevladujoče cementitne mase; proces z linearno kinetiko, ki predstavlja raztapljanje karbidnih zrn tipa M23C6, je bolj počasen kot proces raztapljanja cementita in odvisen od reakcije na mejni površini karbid-avstenit. Poskuse homogenizacije smo napravili na istem jeklu pri temperaturah 1050, 1150 in 1250° C, to je v temperaturnem intervalu, ki prekriva območje ogrevanja jekla pred valjanjem. Po končanem ogrevanju smo vzorce kalili v vodi. Analize smo napravili na standardnih metalografskih obruskih, jedkanih z nitalom. Izceje so se lahko razločile, ker v meddendritskih prostorih skoraj ni bilo martenzita, razen pri dveh najdaljših ogrevanjih pri 1250 in 1150° C. Vsebnost kroma in mangana smo izmerili na 50 mestih v izcejah, brez upoštevanja mest, kjer so bila v jeklu primarna karbid-na zrna. V grafikonu na sliki 5 je upoštevano samo deset največjih izmerjenih vrednosti na vsakem vzorcu. Izmerjene vsebnosti kroma smo korigirali na fluorescenco po Reedu. Rezultati na sliki 5 kažejo, da je dosežena homogenizacija odvisna od temperature in od trajanja homogenizacije. Zmanjšanje vsebnosti kroma in mangana v izcejah je v začetku žarjenja hitreje kot pri nadaljevanju. Ta razlika je pri kromu bolj poudarjena pri temperaturi 1250° C, kjer nadaljevanje žarjenja po osmih urah ne povzroča več nobenega pomembnega izenačevanja koncentracije. Očitno je tedaj doseženo stanje, ko se je povečala dolžina difuzijskih poti in povečal vpliv medsebojnega zmanjšanja aktivnosti ogljika in kroma, ki sta C/.Cr) (%Mn) Slika 5 Intenziteta izcej kroma in mangana v odvisnosti od temperature in trajanja ogrevanja. Za lito stanje je upoštevan vzorec, ki je bil ogrevan 0,5 ure, pri 850" C in kaljen v vodi. raztopljena v avstenitu, na proces izenačevanja koncentracij z difuzijo. Hiter potek homogenizacije kroma je manj izrazit pri temperaturi 1150° C, proces homogenizacije pa daljši kot pri 1250° C. Proces homogenizacije pri temperaturi 1050° C je zelo počasen in tehnološko brez pomena. Na prilogi 2 vidimo makroposnetke vzorcev, ki so bili različno dolgo ogrevani pri temperaturi 1250° C. Če primerjamo posnetke s sliko 5, ugotovimo, da so po enakem jedkanju izceje zelo jasne na vzorcih, ki so bili ogrevani od 1 do 16 ur in v katerih se je vsebnost kroma v izcejah zmanjšala od 3,2 na 2,3 %; na vzorcu, ki je bil ogrevan 48 ur pa izceje komaj zaznamo, čeprav je intenziteta izcejanja le malo manjša (za 0,2 °/o). Torej lahko trdimo, da po videzu na metalografsko pripravljenem obrusku ni mogoče popolnoma zanesljivo sklepati o homogenosti jekla. Rezultati kažejo, da je popolna homogenizacija jekla s pribl. 1 % C in 1,5 °/o Cr tehnološko neizvedljiva in da je bolj učinkovito povišanje temperature ogrevanja kot podaljšanje trajanja ogrevanja, če želimo doseči čim bolj homogeno sestavo jekla. Sklep Zaradi neravnotežnega strjevanja nastajajo v jeklu z okrog 1 % C in 1,55 % Cr primarne karbid-ne tvorbe, katerih večino mase tvori karbid ce-mentitnega tipa, ki vsebuje do pribl. 22 % kroma; v njih pa so tudi drobna zrna karbida tipa M23C6, ki ima najmanj 32 °/o kroma. Pri homogenizacij-skem ogrevanju se cementitna masa raztopi v avstenitu razmeroma hitro, precej počasneje pa je raztapljanje karbida tipa MaC6. Homogenizacija dendritskih izcej ima dve fazi. Začetno zmanjševanje vsebnosti kroma v med-dentritskih prostorih je hitro, nato pa preide homogenizacija v počasen proces skoraj asimpto-tičnega približevanja intenzitete izcejanja kroma neki končni vrednosti, ki je tem višja, čim nižja je temperatura ogrevanja. Na osnovi videza izcej na metalografsko pripravljenem obrusku ni mogoče sklepati zanesljivo o homogenosti jekla, ki je bila dosežena s homogenizacijskim ogrevanjem. Literatura 1. Vodopivec F.: A. Einsenhuttenvvesen 42, (1971), 4, 283—286. 2. Kosec L., Podgornik A. in Ralič B.: Rudarsko Metalurški Zbornik, 1972, 4, 417-428. 3. Reed S. J. B.: Brit. Journal Ap. Physics 16, (1965), 913— —926. 4. Kuo K.: Journal of ISI 173, (1953), april, 363—375. 5. Houdremont E.: Handbuch der Sonderstahlkunde; 3 Aufl. Berlin u. Diisseldorf, 156, 5.431. b) 1250 °C, 1 uro, d) 1250 "C, 4 ure, e) 1250 »C, 16 ur, a) 850 "C, 0,5 ure, c) 1250 »C, 2 uri, f) 1250 "C, 48 ur Priloga 2 Videz izcej na vzorcih, ki so bili različno dolgo ogrevani in nato kaljeni v vodi. ZUSAMMENFASSUNG Es sind einige Versuche des Homogenisierungsgluhens eines Stahles mit etwa 1 % C und 1.5 % Cr durchgefuhrt vvorden, um den Verlauf der Karbidlosung im Austenit, und die Kinetik der Ausgleichung der Konzentrations-unterschiede in dendritischen Seigerungen festzustellen. Der Hauptteil der Masse der primaren Karbidbil-dungen besteht aus Zementit, welcher bis zu 22 % Cr ent-halt, und nur ein kleiner Teil der Masse wird von Karbidkornern des Types M23C6 gebildet, vvelche wenigs-tens 32 °/o Cr enthalten. Beim Gliihen losst sich Zementit sehr schnell im Austenit. Das Auflosen der Karbidkorner M23C6 verlauf langsamer und ist Iinear von der Zeit abhangig. Der Losungsmechanismus zeigt, dass die Karbid-seigerungen, welche im warmverformten Stahl dieser Sorte zu finden sind, sekundarer Herkunft und als Folge der nichtgerechten Abkiihlung des Stahles sind. Der Konzentrationsangleich der dendritischen Seige-rungen verlauft in zvvei Phasen, zunachst die schnelle Verminderang des Chromgehaltes in zvvischen dendritischen Platzen, und in der zweiten, das asimptotische Nahern des Chromgehaltes zu einem Endwert, welcher um so grosser ist, je niedriger die Gliihtemperatur des Stahles ist. Eine Erhohung der Gliihtemperatur vermin-dert die Seigerungen wirkungsvoller als die Verlangerung der Gliihzeit. SUMMARY Steel with about 1.0 % Cr, and with 1.5 % Cr were homogctiized to analyze the dissolution of carbides in austenite and to determine the kinetics of equalizing den-dritic segregations. The majority of primary carbide segregations is com-posed of cementite with up to 22 % Cr, and only a mino-rity are the carbide grains of M23C6 type containing at least 32 % Cr. In annealing, cementite is quickly dissolved in austenite while dissolving of M2JC6 carbide grains is slower and linear with time. The dissolving mechanism shows that the carbide segregations in such hot vvorked steel are a secondary phenomenon, and they are caused by un-adequate cooling of steel. Homogenizing of dendrite segregations is composed of two steps, i. e. the initial fast reduction in chrome content in the interdendritic spaces, and the step of nearly asym-ptotic approaching of chrome content to a final value which is the higher the lower is the annealing temperature. Higher annealing temperatures much more effectively re-duce the segregations than the prolonged annealing times. 3AKAIOMEHHE Mto6u onpeAeAHTb KaKHM 0Qpa30M iipohcxoaht pacTBopeHHe KapgHAOB B aycTeHHTe, KaKOBa KHHeiHKa ypaBHOBeuiHBaHHa cerpera-uhh AeHApHTOB b CTaAH c coAepacaHHeM npn6A. 1.0 % C h 1.5 % Cr BbHIOAHeH HH3 OIIblTOB. OnpeAeAHAH, mto caMyio 5oAJbmyio *jacTb 06pa30BaHHH npeA-ciaBAaeT ueMeHTHT c coAepacaHHeM ao 22 % Cr, a toalko \teHLuiyio nacTL cocTaBAHioT 3epHa Kap6nAOB rana M23OS, KOTopbie coAepacaT He MeHee 32 % Cr. Bo BpeMa o\>KUra ueMeHTHT SbicTpo pacTBop-aeTLCH b aycTcntrrc, MeacAV Te« KaK 3epHH KapGtiAOB M23O6 pacTBop-aiOTbca MeAAeHHee, napaAAeABHO c tcmchkcm BpeMaHH. MexaHH3M pacTBopeHHH noKa3tiBaeT, mto cerperamia Kap6HAOB, K0T0pyK> mojkho oSHapyacHTb b ropaie nepeAeAaHoS CTaAH srara copTa BTopHiHora npoHcxo5KAeHHa, CAeACTBite HenpaBHAbHora oxAaa AeHAPHTHbix cerperauHH o6pa3yMT Ase a3bi; nepByio, SucTpoe yMeHbmeHHe coAepjKaHiia xpoMa b np0Me>KyT0