Vpliv toplotne obdelave na raztapljanje in izločanje karbidov v ledeburitnih orodnih jeklih
UDK: 669.119.3:620.181:669.14.018.25/252.3 ASM/SLA: N8r, TS.2-64
T. Lavrič, F. Grešovnik, F. Vodopivec, V. Osterc
Sistematični študij določanja karbidov v ledeburitnih orodnih jeklih v odvisnosti od sestave in toplotne obdelave jekla. Izločanje in raztapljanje karbidov, spreminjanje sestave karbidne faze in osnovne mase jekla v odvisnosti od temperature kaljenja in popuščanja. Opis metodike raziskav. Preiskava desetih vrst ledeburitnih jekel in enega brzoreznega jekla v mehko žarjenem stanju, kaljenem stanju s temperature 900, 980, 1040, 1120 in 1200° C ter popuščenem stanju pri temperaturah 200 in 550° C.
UVOD
Pri segrevanju, ohlajanju, kaljenju in popuščanju ledeburitnih jekel potekajo številne strukturne spremembe v trdnem stanju, ki vplivajo na utrditev jekla in izboljšavo njegove obrabne sposobnosti. Pri toplotni obdelavi doživlja karbidna faza občutne kemične in fizikalne spremembe, spreminja se velikost, razporeditev, kemična in strukturna sestava ter množina izločenih faz,
kakor tudi množina v avstenitu raztopljenih faz. V okviru raziskav smo opazovali spremembe, ki se dogajajo s karbidno fazo in osnovno maso nekaterih ledeburitnih jekel in enega brzoreznega jekla pri kaljenju in popuščanju.
PREISKOVANI MATERIALI IN NAČIN RAZISKOVANJA
Raziskali smo devet vrst jekel ledeburitnega tipa in eno brzorezno jeklo v različnih stanjih toplotne obdelave. Sestava preiskovanih jekel je razvidna iz tabele 1, režim toplotne obdelave, ki je bil za vse vrste jekel enak, pa iz tabele 2, v kateri pomenijo znaki □, •, o, a oznake za posamezna stanja v nadaljnih diagramih. Jekla smo izbrali tako, da je možno ugotavljati pri približno enaki osnovni sestavi vpliv ogljika, kroma, volframa, molibdena in vanadija na količino in sestavo karbidne faze in sestavo osnovne mase. Jekla z oznako J, L, M, N so eksperimentalna jekla, izdelana v klasični indukcijski peči ACEC. Teža
Tabela 1: Kemijska sestava preiskovanih vzorcev
Oznaka vzorca	Vrsta jekla	% C	°/o Cr	O/o W	% Mo	°/o V
J	2 C -12 Cr	2,0	12,3	—	0,05	0,06
L	1,5 C-12 Cr-IV	1,59	12,3	—	0,01	1,05
M	1,5 C -12 Cr -1 Mo	1,57	12,0	—	0,99	0,06
N	1,5 C -12 Cr -1 V -1 Mo	1,58	12,0	—	0,94	1,15
R	OCR 12	2,03	11,3	0,10	0,06	0,13
S	OCR 12 sp	2,08	11,8	0,85	0,10	0,12
T	OCR 12 ex	1,59	11,8	1,11	0,66	0,16
P	OCR 12 M	1,52	11,4	0,10	0,82	0,92
V	CRV	0,91	10,6	0,10	1,05	0,25
Z	BRM 2	0,82	4,25	6,34	5,07	1,92
T. Lavrič, dipl. ing. kemije, samostojna raziskovalka na Metalurškem inštitutu
Dr. F. Grešovnik, dipl. ing. fizike, znanstveni sodelavec v Železarni Ravne
Dr. F. Vodopivec, dipl. ing. metalurgije, samostojni raziskovalec na Metalurškem inštitutu Prof. dr. V. Osterc, Inštitut za geologijo, Ljubljana
Tabela 2: Toplotna obdelava vzorcev
Oznaka	Temperatura	Kaljeno	Popuščeno stanje, 1 uro na
vzorca	kaljenja (°C)	stanje (•)	200° C (o)	550° C (A)
0	mehko žarjeno stanje (□)			
1	900	+		
2	900	+	+	
3	900	+		+
4	980	+		
5	980	+	+	
6	980	+		+
7	1040	+		
8	1040	+	+	
9	1040	+		+
10	1120	+		
11	1120	+	+	
12	1120	+		+
13	1200	+		
14	1200	+	+	
15	1200	+		+
vložka je bila 30 kg, ostala jekla pa so jekla redne proizvodnje. Za vsako vrsto jekla smo preiskali po šestnajst vzorcev; celo skupino vzorcev ene vrste označujemo v sestavku pogosto kot serija, npr. J serija itd.
Kvantitativno količino karbidne faze, kemično sestavo celotne karbidne faze in strukturno sestavo posameznih karbidov smo ugotavljali preko kar-bidnih izolatov, ki smo jih ločili iz jekla z elektro-kemično izolacijo. Značilno za elektrokemični postopek izolacije karbidne faze je, da zajame relativno veliko območje velikosti delcev1, v kolikor ne pride v elektrolitu do kemične razgradnje posameznih manj stabilnih faz. Osnovno maso smo raztapljali potenciostatsko, v elektrolitu KC1 + Na citrat2. Povprečna gostota toka je bila 20 mA cm—2, čas trajanja elektrolize štiri ure. Površina izoliranih jekel je bila po končanem raztapljanju gladka. Ločitev izolata od elektrolita nam ni povzročala težav, karbidi in prosti ogljik se niso raz-prševali v elektrolitu, kot to opisuje Berns3. Vse izolate smo analizirali na ogljik, krom, železo, vol-fram, molibden in vanadij. Analizna vsota kemične sestave karbidnih izolatov je bila za mehko žarjena jekla v mejah od 94 do 101 %, za kaljena in kaljena ter popuščena jekla pa v razponu od 90 do 99 %. S kemično sestavo smo dobili sestavo celotne karbidne faze in ne sestave posameznega specialnega karbida. Iz podatka o odstotku mase elementa v karbidnem izolatu, za besedo izolat uporabljamo v tekstu enakovreden izraz tudi kar-bidna faza, smo računsko ugotavljali količino elementa v karbidni masi, kar naj bi predstavljalo količino posameznega elementa, vezanega v karbidnih izločkih, izraženo kot absolutno količino mase elementa v jeklu v °/o.
Izračunamo jo po formuli:
Količina mase izolata v % X količina mase elementa v izolatu v %
100 %
Nadalje smo za vsakokratno sestavo karbid-nega izolata izračunali sestavo osnovne mase jekla in to tako, da smo legirni element, vezan v karbidni masi, izračunan po sprednji formuli, odšteli od % mase elementa v jeklu (% E). Pri nadaljnjem izračunu smo zmanjšali osnovno maso za količino mase karbidov in izračunali sestav osnovne mase jekla po formuli:
količina mase izolata v % X količinaN
„ _ mase elementa v izolatu v % % E —--.
100 %
100 %
,8 --------
100 % — količina mase izolata v %
Vse karbidne izolate smo preiskali s semi-kvantitativno strukturno analizo na aparatu firme Siemens in deloma na aparatu firme Philips, vsakokrat z bakrovo anodo. Oba aparata sta bila opremljena z grafitnim monohromatorjem.
Posamezne kompaktne vzorce jekel smo preiskali z elektronskim mikroanalizatorjem firme JEOL in ugotavljali sestavo karbidov, delcev velikosti nad 5 p.m.
REZULTATI RAZISKAV IN RAZLAGA
Na osnovi eksperimentalnih podatkov, ki smo jih dobili za vsa preiskana jekla, prikazujemo na sliki 1 količino mase karbidov v obliki izločkov za
Influence
vsa kaljena stanja in za mehko žarjena stanja. Vsakokratna razlika med količino mase izločkov v mehko žarjenem stanju in kaljenem stanju predstavlja za posamezno vrsto jekla odstotek karbidov, raztopljen v osnovni masi pri izbrani temperaturi kaljenja. Primerjava količine mase karbidov v mehko žarjenem stanju, ki ga privzamemo kot ravnotežno stanje, kaže, da vpliva na količino mase karbidov v jeklu prvenstveno odstotek ogljika v jeklu. Jeklo z večjim odstotkom ogljika in podobno ostalo sestavo ima znatno večjo količino mase karbidov, primerjava mehko žarjenih vzorcev J in R z vzorci L, M, N in P. Iz slike je tudi razvidno, da prispevajo krom, železo in vanadij približno enako k celotni količini mase kar-bidne faze; molibden nekoliko poveča količino mase karbidne faze, medtem ko ima volfram izrazit vpliv na povečanje količine mase karbidne faze; primerjava mehkožarjenih stanj jekel L, M, N in P s T. Vzorec V ima znatno manjši odstotek karbidov predvsem zaradi manjšega odstotka ogljika v jeklu, medtem ko se jeklo Z ne da primerjati na ta način z ostalimi jekli zaradi povsem drugačne sestave jekla.
Na sliki 2 prikazujemo vpliv temperature kaljenja in popuščanja na absolutno količino mase karbidne faze v jeklu. Iz slike je razviden potek krivulj za jeklo L. Za vsa ostala jekla je potek krivulj podoben, le da se celotno področje krivulj
za jekla z večjo količino mase karbidov razteza proti večjim odstokom. Pri vseh jeklih pada z naraščajočo temperaturo kaljenja absolutna količina mase izločene karbidne faze v jeklu. Z naraščajočo
100 200 300 iOO 500 600 /850 Temperatura popuščanja v "C
Slika 2
Vpliv temperature kaljenja in popuščanja na količino mase karbidov v jeklu
Fig. 2
Influence of the hardening and tempering temperature on the amount of carbides in steel.
Elem Jeklo	Sestava jekla v %		
	M	N	P
C Cr W Mo V	1.57 12,0 0.99 0.06	1.58 12.0 0,94 1,15	I.52 II,4 0.10 0,82 0,92
Karbid	m7c3	M7C3	MjC3
_!_I__I___
'800 900 1000 1100 1200 800 900 1000 1100 1200 800 900 1000 1100 1200
Te m perat ura kaljenja v "C Slika 1
Vpliv temperature kaljenja na količino izločene mase karbidov za različne vrste jekla
Fig. 1
of the hardening temperature on the amount of precipitated mass of carbides for various steel.
□ Mehko žarjeno • Kaljeno
temperaturo popuščanja (200 in 550° C) količina mase karbidne faze zopet narašča, če opazujemo jekla, kaljena z iste temperature. Pri posameznih vrstah jekla se je dogajalo, da so eksperimentalno dobljene vrednosti za odstotek karbidne faze, predvsem pri kaljenju- s 1200° C, nekoliko previsoke zaradi onesnaženja izolata z a in r-fazo, kar smo ugotovili z rentgensko analizo izolatov. Ti vzorci so na sliki 1 označeni z znakom (?), v tabeli 3 pa to posebej navajamo. Onesnaženje izolatov jekel za a in y-fazo, kaljenih s 1120° C, je zanemarljivo.
Nadaljnji poskusi in izračuni kažejo, slika 3, kako se z naraščajočo temperaturo kaljen j a zmanjšuje odstotek kroma v izločeni karbidni masi jekla. Istočasni potek raztapljanja kroma v osnovni masi prikazuje slika 4, ki kaže, da se osnovna masa z naraščajočo temperaturo kaljenja intenzivno bogati s kromom.
Sliki 3 in 4 kažeta tudi, kako narašča z naraščajočo temperaturo popuščanja odstotek kroma v karbidni masi, istočasno pa pada v osnovni masi. Točke a, ki ustrezajo pri 550° C popuščenim stanjem jekla, so na sliki 3 vedno na najvišjem nivoju, na sliki 4 pa na najnižjem nivoju za vsako vrsto jekla. Zaradi velikega števila podatkov smo v množici znakov lahko posebej označili le nekatere vrste jekla. Iz obeh slik pa je razvidno, da se pri popuščanju tvorijo popustni karbidi, ki vsebujejo krom.
no 11,0 10,0
o
•J 9,0 .01 '
55 o
S 8,0
c ."O
■e 7,o
o
S.o
4,0 3,0 2.0
Temperatura kaljenja v °C
Slika 3
Vpliv temperature kaljenja in popuščanja na odstotek kroma v karbidni masi jekla za različne vrste jekla
Fig. 3
Influence of the hardening and tempering temperature on the chromium percentage in carbide mass for various steel.
10,0
9.0
8.0
o
Jc
vi o
£ 7.0
c ^
O c O
=- 6,0
k.
o
s;
S.o
4.0
3.0
Slika 4
Vpliv temperature kaljenja in popuščanja na odstotek kroma v osnovni masi jekla za različne vrste jekla
Fig. 4
Influence of the hardening and tempering temperature on the chromium percentage in the matrix for various steel.
Podobno kot krom se pri kaljenju in popuščanju jekel obnaša tudi železo. Zanj veljajo podobni poteki krivulj. Naraščanje vsebnosti železa pri popuščanju na 550° je naj intenzivneje pri vzorcih, kaljenih z 900, 980 in 1040° C, kar potrjuje tvorbo velike količine popustnih karbidov, bogatih z železom. Izreden prirastek železa smo opazili pri vzorcih R in S serije.
Slike 5 do 7 prikazujejo raztapljanje volframa, molibdena in vanadija v osnovni masi jekla, odvisno od temperature kaljenja in popuščanja, za tiste kvalitete, ki vsebujejo te tri elemente. Količina vseh treh, tako v osnovni masi kot v karbidni fazi, je odvisna prvenstveno od količine posameznega elementa v jeklu. Večja je celotna količina elementa v jeklu, več ga je v karbidni fazi in osnovni masi ter obratno. Odstopanje je opazno le pri volframu med S in T vzorci, iz česar se da sklepati, da se volfram vsebujoči karbidi S serije lažje in hitreje raztapljajo kot volfram vsebujoči karbidi T serije. Kljub približno enaki vsebnosti volframa v obeh vrstah jekla vsebuje karbidna faza jekel T skupine zaradi molibdena in nižje vsebnosti ogljika v jeklu mnogo več karbidov tipa M23C6, tabela 3, ki se težje raztapljajo v avstenitu zaradi vgrajenega molibdena.
Z naraščajočo temperaturo kaljenja se raztapljajo v osnovni masi karbidi, ki vsebujejo volfram in vanadij, sliki 5 in 7, medtem ko so karbidi, ki vsebujejo molibden pretežno bolj stabilni in se ne
raztapljajo v osnovni masi tudi pri kaljenju s 1200° C. Količina molibdena je glede na količino molibdena v jeklu skoraj za vse kvalitete v vseh
i.o
0,6
0.4
Sestavo jekla v %	
W \Mo	v
R 0.10 0.06 P 0.10 \0,82 l/ 0.10,1.05 S ' 0,5510,70 T 1.1110,66 Z \ 634\ 5,07	0.13 0.92 0,25 0.12 0.16 1.92
0,6 -
• Kaljeno ° Kaljeno, popuščeno pri 200°C ti Kaljeno, popuščeno pri 550°C - n Mehko žarjeno [
A /
900	1000 I m 12 00
Temperatura kaljenja v °C
Sestavo jekla v %	
\Mo \ V \W	Cr
L ~ 7,05! -M C199\0J36 -N 0,94 1,15 -T 0.66 0,16 1.11 P 0.82 d.92\ 0.10 R 0.06,0,13; 010 S 0.10'0,12 6.85 V 7,05 0,25' 0,70 7 i 507 7,92 6,34	12.3 12,0 12.0 11.8 11.4 11,3 11,8 1Q6 425
°i,(7 J/O;
S e
čE
Ž 25 t 10 o
=* 0,4
Slika 5
Vpliv temperature kaljenja in popuščanja na odstotek volframa v osnovni masi jekla za različne vrste jekla Fig. 5
Influence of the hardening and tempering temperature on the tungsten percentage in the matrix for various steel.
900	1000 1100 1200
Temperatura kaljenja v °C
Slika 6
Vpliv temperature kaljenja in popuščanja na odstotek molibdena v osnovni masi jekla za različne vrste jekla Fig. 6
Influence of the hardening and tempering temperature on the molybdenum percentage in the matrix for various steel.
0.1
900	1000 1100 1200
Temperatura kaljenja v °C
Slika 7
Vpliv temperature kaljenja in popuščanja na odstotek vanadija v osnovni masi jekla za različne vrste jekla
Fig. 7
Influence of the hardening and tempering temperature on the vanadium percentage in the matrix for various steel.
toplotno obdelanih stanjih približno konstantna, tako v osnovni masi kot v karbidni masi jekla, nekje v mejah analizne napake, dasi narašča absolutna vrednost molibdena v karbidni fazi na račun raztapljanja drugih karbidov v osnovni masi. Izjema so jekla V-serije, pri katerih je opazno raztapljanje molibden vsebujočih karbidov v osnovni masi z naraščajočo temperaturo kaljenja in ponovno izločanje pri popuščanju, enako velja tudi za brzorezno jeklo — Z-serija. Za brzorezno jeklo je značilno, da se s kaljenjem tudi molibden vsebujoči karbidi intenzivno raztapljajo v osnovni masi. Popuščanje pa povzroči pri tej vrsti jekla zmanjšanje količine molibdena v osnovni masi, iz česar sklepamo na občutno ponovno izločanje karbidov, ki vsebujejo poleg drugih elementov tudi molibden. Izvajanja so v skladu z rezultati tabele 3, ki obravnava rezultate rentgenskih raziskav, iz katerih sledi, da so karbidi tipa \1,;C6, ki vsebujejo poleg volframa in ostalih elementov tudi znatne količine molibdena, stabilnejši. Prav tako so stabilni tudi karbidi tipa M23C6, ki vsebujejo samo molibden, primer karbidi serije M, N in P. Tudi Baumel navaja4, da se poveča stabilnost karbida M23C6 z obogatitvijo z molibdenom. Odstopanja ponašanja molibden vsebujočih karbidov Z serije, ki se znatno raztapljajo pri kaljenju, si razlagamo s povsem drugačno strukturno sestavo karbidne faze, ki jo pogojuje drugačna kemična sestava jekla.

Iz slik 5 do 7 opazimo tudi, da popuščanje nima bistvenega vpliva na spremembo odstotka volframa, molibdena in vanadija v osnovni masi jekla pri jeklih M, N, P, S in T vrste. Odstopanja so nekje v mejah napake določitve in separacije. Kljub temu so za pri 550° C popuščena stanja pretežno značilne najnižje vsebnosti volframa, molibdena in vanadija v osnovni masi, kar je posledica nastajanja manjše količine popustnih karbidov in nadomeščanja železa v že obstoječih karbidih, z legirnimi elementi. Občutne spremembe so tozadevno opazne pri seriji V za molibden in pri seriji Z za volfram, molibden in vanadij, kar potrjuje, da se popustni karbidi jekel Z serije bogatijo z volframom, molibdenom in vanadijem.
Odvisnost fazne sestave karbidov preiskovanih jekel od kemične sestave jekla in stanja toplotne obdelave je razvidna iz tabele 3. Z rentgensko analizo karbidnih izolatov mehko žar j enih, kaljenih in kaljenih ter popuščenih jekel smo ugotovili v izolatih karbide tipa M7C, in M,,C6 oba hkrati ali samo M7C3. V karbidnih izolatih Z serije smo identificirali karbide tipa M^Cs, M,,C — karbid brzo-reznih jekel in karbide tipa MC. Ugotavljamo, da pogojujeta v ledeburitnih jeklih volfram in molibden nastanek karbida M23C6. Vanadij sam v kombinaciji s kromom in železom ne povzroča nastanka te vrste karbida. Pri nekaterih vrstah jekla temperatura kaljenja in popuščanja nimata vpliva na sestavo karbidne faze, jekla M, N in P, kar seveda ne velja za absolutno količino karbidne faze v jeklu. Pri jeklih serije S, T in V opazimo z naraščajočo temepraturo kaljenja intenzivnejše raztapljanje karbidov tipa MaC6, zaradi česar se spreminja volumska sestava karbidnega izolata. Popuščanje jekla nima vpliva na razmerje med obema tipoma karbidov pri skoraj celotni skupini T jekel. Nekoliko je zaznaven vpliv popuščanja na strukturo pri S seriji, očiten pa je vpliv na volumsko razmerje obeh tipov karbidov v jeklih, oziroma karbidinh izolatih V serije.
Pri brzoreznem jeklu ima temperatura kaljenja izrazit vpliv na medsebojno volumsko količinsko razmerje karbidov, tipa M^O,, M6C in MC, medtem ko nima temperatura popuščanja nobenega vpliva.
Raziskave kažejo, da se karbidi, tipa MaC6 v brzoreznem jeklu pri kaljen ju s 1040° C že povsem raztopijo v avstenitu. Primerjava z ostalimi vzorci tabele kaže, da se raztaplja karbid, tipa M^Cf,, brzorezno jeklo, v avstenitu najhitreje, nekoliko počasneje pri jeklih S, T in V, pri jeklih M, N in P serije pa zelo počasi, če se sploh raztaplja. Medsebojna odstopanja volumske količine karbidov v izolatih pri zadnjih treh skupinah jekel so v mejah napake identifikacije. Mogoče je sprejemljiva razlaga Weiganda in Haberlinga5, da je karbid tipa M23C6 v brzoreznem jeklu S 6-5-2 bolj železo-vol-fram-molibden-karbid, ki vsebuje zelo malo kroma, čeprav izhaja po strukturi iz kromovega karbida CrBC6, medtem ko je karbid tipa M23C6 v ostalih jeklih pretežno krom-železo-volfram-mo-libden karbid. Opazno je, da povečuje prisotnost molibdena v karbidu, tipa M23C6 v jeklih serije M, N, P in T do neke mere obstojnost karbida proti raztapljanju v avstenitu. Ponovno opozarjamo na primerjavo S in T serije, ki smo jo že obravnavali.
V vseh izolatih popuščenih jekel smo iskali z rentgensko analizo tudi popustne karbide, tipa M,C. Sprva nam zaradi aparativnih težav tega tipa karbida ni uspelo identificirati. Obstajala pa je tudi možnost, da razpadejo pri elektrolitski izolaciji pri izbranih delovnih pogojih posamezni kemično manj stabilni karbidi, kar M3C karbid prav gotovo je, in se na ta način odtegne preiskavam ter ga tudi zato eventualno ne moremo identificirati. Struktura kaljenih in naknadno popuščenih jekel pa je za raztapljanje kljub naštetim nevarnostim zahtevala uporabo klorovodikovo kislega elektrolita. Naslednja možnost izgube je bila tudi, da so popustni karbidi, tipa M3C, drobnozrnati, katerih linearna dimenzija je pod 0,1 ^m in celotna vsebnost v karbidnem izolatu pod 3 %, kar vse onemogoči identifikacijo z rentgensko analizo.
Z identifikacijo karbida, tipa M,C smo uspeli šele s konstrukcijsko izpopolnjenim difraktome-trom. Zaradi prej omenjenih problemov obstajajo še vedno možnosti delnih izgub karbida, tipa M3C. Vendar smatramo, da je bistveno, da nam je identifikacija karbida, tipa M3C, v popuščenih jeklih sploh uspela.
Tabela 3; Strukturna sestava izolatov
Oznaka vzorca	J	i.	R	M		N		p				S			T			v			2		
Sestava jekla	2fi C	1,56 C	2,0 C	1,57 C		1,58 C		1,52 C				2,0 C			1,59 C			0,90 C			0,82 C		
v %	12,3 Cr	12,3 Cr	11,3 Cr	12/) Cr		12/) Cr		11,4 Cr				11,8 Cr			113 Cr			10,6 Cr			4,25 Cr		
	- W		0,10 w	- W		- W		0,10 W				0,85 W				W		0,0 w			6,34	w	
	0,05 Mo	0,01 Ms	0,06 Mo	0,99 Mo		0,94 Mo		0,82				0,10 M			0,66 Mo			1,05			5,07	Mo	
	0,06 V	1-05 V	0,13 V	0,06 V		1,15 V		0,92 V				0,12 V			0,1	V		0,25 V			1,92	V	
Oznaka vzorca			Volumska količina karbidov v Izda		hi v %																		
	m/"3 m3c r	M7C3 M3C	M,C * f	M^Cj M23C6 MjC		^6 "3°		"23C6		M,C *	r	"7C3 *3C *		r		«*23C6	M3C	^S M23C6 M3C		=* f		MoC	MC
0	100	100	100	90	10	90	10	90	10			90	10		60	40		40	60		10	80	10
	100	100	100	92	3	93		92	8			94			60	40			56		10	80	10
2	100	100	100	92	8	93	7	92	8			95	5		55	45		23	77		10	30	10
3	100	100	100	90	13	90	10	90	10			93	7		55	45		33	67		10	80	10
4	100	100	100	93	7	92	8	93	7			95	5		65	35		50	50		7	83	10
5	100	100	loe	92	8	90	10	90	10			96			65	35		46	54			83	10
6	100	100	95 5	90	10	90	10	90	10			93	7		65	35		38	62		5	85	10
7	100	100	100	92	8	91	9	90	10			98	2		85	15		78	22			90	10
8	100	100	100	90	10	91	9	90	10			97	3		85	15		48	32			90	10
9	100 +	100	94 6	91	9 +■	90	10	90	10	+		95,	5		85	15		S	31			90	10
10	100	100	98 2	90	10	90	10	92	B			97	2	1	90	10		99,4	-	- 0,6		83	17
n	100	100	94 3 3	9?	8	92	8	93	7			91	4	5	90	10		100				86	14
»2	100	100	95 S	93	7	91	9	94	*			97	3	-	90	10		95	-	- 5		82	18
13	80 20	100	79 21	92	8	90	10	45	5	IS	35	80		20	70	10	20	50		20 30		85	15
14	100	100	77 23	92	8	92	8	35	5	15	45	73		27	70	10	20	54		11 39		84	16
15	100	100	92 8	92	8	90	10	35	5	20	40	93	6 1		60	10	20	47		10 36		85	15
+ prisotnost ugotovljeno - prisotnost ni ugotovljena
Tabela 4: Primerjava rezultatov raznih avtorjev za brzorezno jeklo BRM2 (S 6-5-2)
Avtor
Način raziskovan ja -
Sestava jekla v %
Cr W Mo
Toplotna obdelava
% količine Sestava osnovne mase v
mase karbidov
Cr W Mo
Kayser in7 izolacija Kohen analiza izolata
izračun osnovne °'83 4'22 6'38 5<35 !-92 1218» C/olje 11,8 4,6 2,0 3,0 1,0
mase
Peter in7 mikrosonda	6 7
Kolhaus kvantimet °'89 4'30 6'45 5'00 '-90 1220°C/ vol. kol. 3'8 3'9 ^ °'8
Preis in8 Lennartz	izolacija analiza izolata	0,85	S 6-5-2			1230° C/	9,75	4,4	3,3	3,2	1,2
Krump9 Grundler	izolacija analiza izolata izračun osnovne mase*	0,86	4,09 6,45	4,98	1,75	1190° C/	10,5	4,2	2,8	3,1	1,0
Naše6 raziskave	izolacija analiza izolata izračun osnovne mase	0,82	4,25 6,34	5,07	1,92	1200°/olje mehko žar j eno	10,9 20,4	4,4 3,0	3,4 0,4	3,1 1,4	1,4 0,05
Weigand-Haberling5		0,85	4,17 6,26	5,09	1,79	kaljeno mehko	10—11,8	4,1	3,5	3,1	1,1
						žar j eno	20—21,4	2,8	0,33	0,53	0,51
* naš izračun iz podatkov, ki so bili na voljo
Zaradi velike vsebnosti primarnih karbidov smo morali uporabiti za identifikacijo cementita tudi njegove manj intenzivne linije. Raziskave smo usmerili predvsem na izolate jekel, kaljenih s 1040° C in popuščenih pri 550° C, pri katerih smo ugotovili največji prirastek železa v popuščenem stanju, glede na kaljeno stanje. Predpostavljali smo možnosti zadostne količine izločkov tega tipa, hkrati pa tudi zadovoljivo velikost izločkov, kar vse je pogoj za uspešno identifikacijo z rentgensko analizo. Karbidne izločke, tipa M3C, smo ugotovili v jeklih J, R, M, P in S serije, tabela 3.
Primerjalna analiza posameznih kompaktnih vzorcev ledeburitnih jekel z mikroanalizatorjem kaže samo na izločke tipa M7C3 in M,3C6. V njih smo identificirali poleg železa vse legirne elemente, ki jih vsebuje posamezno jeklo. Seveda pa veljajo tudi za to analizo podobni kriteriji glede velikosti delcev kot pri strukturni analizi. Merili smo samo karbidna zrna z velikostjo nad 5 p.m.
Na osnovi primerjave naših rezultatov6 z raziskavami Bernsa in Kettla3 o sestavi osnovne mase in karbidne faze ledeburitnih jekel, kakor tudi na osnovi primerjave podatkov različnih avtorjev z našimi rezultati, o sestavi osnovne mase brzorez-nega jekla S 6-5-2 ugotavljamo, da se naši eksperimentalni podatki zadovoljivo ujemajo z njihovimi podatki, ne glede na način raziskave in ne glede na to, da imamo opravka z jekli različnih proizva-
jalcev. Primerjava podatkov za brzorezno jeklo je razvidna iz tabele 4. Berns in KetteP, Kayser in Kohen7, Preis in Lennartz8, Krump in Gundler9 izhajajo iz elektrolitsko izoliranih karbidov, medtem ko izvajata Peter in Kohlhaas7 svoje raziskave kompaktnih vzorcev, karbidne in osnovne mase z elektronskim mikroanalizatorjem ter kvanti-metom.
SKLEPI
—	Elektrokemična izolacija karbidne faze iz preiskovanih jekel je verodostojna metoda ločitve karbidov iz jekel ledeburitnega tipa, kakor tudi za brzorezno jeklo BRM 2. Izolirani karbidi predstavljajo reprezentativen vzorec za količino karbidov v jeklu in dopuščajo kvantitativno oceno karbidne faze v jeklu v različnem stanju toplotne obdelave. Elektrokemična izolacija zbere v karbidnih izola-tih delce z velikostjo v relativno velikem območju, praktično delce skoraj vseh dimenzij. Reproduk-tivnost izolacije karbidne faze iz jekla je zadovoljiva.
—	Vrsta in količina karbidne faze v izolatu, oziroma jeklu je odvisna od sestave jekla in od toplotne obdelave. Razvidno je, da je v večini preiskovanih jekel prevladujoča faza M7C3. Kaže se tendenca, da molibden in volfram pogojujeta na-
stanek karbida M^C^. Vanadij sam v kombinaciji z železom ne povzroča tvorbe tovrstnega karbida. V brzoreznem jeklu pogojujeta volfram in molibden nastanek karbida tipa M6C, vanadij pa karbide tipa MC. Odvisno od kvalitete in toplotne obdelave jekla smo identificirali v izolatih po en, dva ali tri tipe karbidov hkrati. V nekaterih izolatih popuščenih jekel, in to predvsem onih, popuščenih pri 550° C, smo identificirali poleg ostalih za preiskovano jeklo tipičnih karbidov tudi popustni karbid, tipa M,C, katerega elektronska mikroana-liza ni ugotovila v kompaktnem vzorcu.
—	Iz kemične sestave karbidnega izolata in njegove količine mase v jeklu lahko izračunamo sestavo osnovne mase in karbidne mase jekla pri različnih stanjih toplotne obdelave ter zasledujemo vpliv toplotne obdelave na spreminjanje njune sestave.
—	Z naraščajočo temperaturo kaljenja pada količina karbidne faze v preiskovanih jeklih, karbidi se raztapljajo v avstenitu — eni hitreje, drugi bolj počasi, eni sploh ne. Ugotovili smo, da so karbidi, tipa M23C6 stabilnejši, se težje raztapljajo v avstenitu, če vsebujejo molibden.
—	S popuščanjem se ponovno izloča karbidna faza, izločajo se popustni karbidi, ki so po strukturi deloma podobni karbidom, ki so v jeklu prisotni po kaljenju, poleg tega pa nastajajo v nekaterih vrstah jekla tudi karbidi, tipa M,C.
Literatura
1.	W. Schuffenhauer: Grundlagen, Moglichkeiten und Gren-zen der metallkundlichen Analysen mittels elektro-chemischer Isolierung von Ausscheidungen, Neue Hiitte, 20, 7, 1975, 417—421.
2.	O. Opravil: Erfassung von Gehalt und chemischer Zusammensetzung der a — Phase in austenitischen Chrom — Nickel — Stahlen mit rd. 18'% Cr, 8 % Ni und 2 bis 10 % Mo, Archiv fiir das Eisenhiittemvesen 45, 4, 1974, 257—261.
3.	H. Berns, J. Kettel: Ermittlung der Zusammensetzung von Grundmasse und Carbiden durch Riickstandsiso-lierung bei ledeburitischen Chromstahlen, Archiv fiir das Eisenhuttenwesen 47, 6, 1976, 391—393.
4.	A. Baumel, W. Tomich: tiber die Erprobung eines Salz-saure — Glykol — Elektrolyten fiir die Riickstandsiso-lierung bei chemisch bestandigen Stahlen, Archiv fiir das Eisenhiittemvesen 33, 2, 1962, 91—100.
5.	H. H.Weigand, E. Haberling: Sondercarbide in Schnell-arbeitsstahlen, TEW — Technische Berichte, 1, 2, 1975, 110—121.
6.	T. Lavrič, F. Grešovnik, F. Vodopivec: Študij kinetike in izmenjave količine in sestave karbidov v jeklih glede na toplotno obdelavo, Poročilo Metalurškega inštituta, N 648, 1978, Ljubljana.
7.	W. Peter, E. Kohlhaas: t)ber die Zusammensetzung und die Mengenanteile verschiedener Carbidtypen in Schnell-arbeitsstahlen, Mikrochimica Acta, Suppl. II 1967, 235 do 248.
8.	G. Preis, G. Lennartz: Erfahrungen bei der Isolierung von Schnellarbeitsstahlcarbiden sovvie der Trennung von MC und M,<C, Archiv fiir das Eisenhiittemvesen 46, 8, 1975, 509—514.
9.	D. Krump, O. Griindler: Untersuchungsmethoden zur Pliasenbestimmung in Schncllarbeitsstahlen, Mikrochimica Acta, Suppl. 6, 1975, 49—64.
ZUSAMMENFASSUNG
Es werden die Ergebnisse iiber die Untersuchungen der Bestimmung der Menge, der chemischen und Geftige-zusammensetzung der Karbidphase in neun ledeburitischen Stahlen mit 0.9 bis 2 % Kohlenstoff und rund 12 % Chrom, beschrieben. Zum Vergleich werden auch die Forschungsergebnisse fiir einen Schnellarbeitsstahl BRM 2 angegeben. Bei jeder Stahlsorte sind Proben im weichgegliihten Zustand, und im von der Temperatur 900, 980, 1040, 1120 und 1200° C abgeschreckten, und bei den Temperaturen 200 und 550° C angelassenem Zustand, untersucht worden.
Die Untersuchungen sind an Karbidisolaten durch-gefiihrt worden, vvelche durch die elektrochemische Isolierung aus den Stahlen isoliert worden sind. Nur ein-zelne Vergleichsanalysen sind an kompakten Proben mit dem Elektronenmikroanalysator durchgefiihrt worden.
Aus den experimentell gewonnenen Daten, ist die Zusammensetzung der Karbidmasse, und der Stahlgrund-masse, ausgerechnet worden. Die Umwandlung in der Zusammensetzung und im Gefiige, wie auch die Menge und Art der Karbidausscheidungen, in Abhangigkeit von der Stahlzusammensetzung, der Abschreck und der An-Iasstemperatur, sind untersucht worden.
Forschungsergebnisse:
—	Die elektrochemische Isolierung der Karbidphase ist eine eimvandfreie Methode fiir die Trennung der Karbide aus den untersuchten Stahlen des ledeburitischen Types, wie auch beim Schnellarbeitsstahl BRM 2. Die iso-lierten Karbide stellen eine representative Probe fiir die Karbidmenge im Stahl dar, und erlauben eine quantita-tive Schatzung der Karbidphase im Stahl, beim verschie-denen Warmebehandlungszustand. Durch die elektrochemische Isolierung werden in den Karbidisolaten Teilchen im weiten Grossenbereich gesammelt. Die Reproduktivitat der Isolierung der Karbidphase aus dem Stahl ist aus-reichend.
—	Die Art und Menge der Karbidphase im Isolat bzw. im Stahl, ist von der Stahlzusammensetzung und der Warmebehandlung abhangig. Aus den Untersuchungen geht hervor, dass in den meisten untersuchten Stahlen die M7C3 Phase tiberwiegt. Es kann die Tendenz beobachtet werden, dass das Entstehen des Karbides M23C6 durch Molibden und WoIfram bedingt ist. Vanadium allein in Kombination mit Eisen verursacht nicht die Bildung diesartigen Karbides. Im Schnellarbeitsstahl ist die Bildung
des Karbides M»C durch Wolfram und Molibden bedingt, und die Bildung des Karbides MC durch Vanadium.
Abhangig von der Giite und der VVarmebehandlung des Stahles sind in den Isolaten zugleich ein, zwei bis drei Typen der Karbide identifiziert worden. In einigen Stahlisolaten, vor allem bei der Temperatur 550° C ange-lassenen Stahlen, sind neben den fiir den untersuchten StahI charakteristischen Karbide, auch der Anlasskarbid des Types MiC festgestellt worden, welcher mit der Elek-tronenmikroanaIyse in der kompakten Probe nicht festgestellt werden konnte.
— Aus der chemischen Zusammensetzung des Isolates und dessen Menge im StahI, kann die Zusammensetzung der Grundmasse und der Karbidrnasse des Stahles, bei verschiedenen Warmebehandlungszustanden, ausgerechnet
werden, und der Einfluss der Warmebehandlung auf die Anderung deren Zusammensetzung kann verfolgt werden.
—	Mit der wachsenden Abschrecktemperatur fallt die Menge der Karbidphase in den untersuchten Stahlen. Einige Karbide losen sich im Austenit schneller, die ande-ren langsamer, einige iiberhaupt nicht. Es ist festgestellt \vorden, dass die Karbide von Typ M23C6 stabiller sind und sich im Austenit langsamer losen, wenn sie Molibden enthalten.
—	Beim Anlassen scheidet die Karbidphase vvieder aus, die Anlasskarbide werden ausgeschieden, die dem Gefiige nach den Karbiden ahnlich sind, welche im StahI nach dem Abschrecken entstehen. Neben dem, entstehen in einigen Stahlsorten, auch die Karbide des M3C Types.
SUMMARY
The investigation results on determining the amount, chemical and structural composition of carbide phase in nine ledeburitic steel with 0.9 to 2 % carbon and about 12 % chromium are presented. For comparison the investigation results on the BRM 2 high speed steel are cited. Samples of each steel were investigated as soft annealed, as quenched from 900, 980, 1040, 1120, and 1200° C, and tcmpered at 200 and 550" C.
Main investigations were made vvith carbide isolates being isolated from steel electrochemically, onlv few com-paring analyses were made vvith complete samples by the electron microanalyzer.
Experimental data enabled to determine the composition of the carbide mass and the steel matrix. Variations of composition and structure of both, as well as the amount and type of carbide precipitates depending on the steel composition and the quenching and tempering temperature were analyzed.
The following results were obtained:
— Electrochemical isolation of carbide phase from the investigated steel is a reliable method for separation of carbides from ledeburitic steel as well as for the BRM 2 high speed steel. Isolated carbides are a represen-tative sample for the amount of carbides in steel, and they enable the quantitative estimation of carbide phase in steel after various heat treatment stages. Carbide par-ticles vvith a relatively wide size range are accumulated in the carbide isolates after the electrochemical method. Reproducibility of isolation of carbide phase from steel is satisfactory.
—	Type and amount of carbide phase in isolate or steel depends on the steel composition and heat treatment. It is evident that predominant phase in the rnajority of investigated steel is M7C3. A tendency is shown that molybdenum and tungsten cause formation of MaCs carbide. Vanadium alone in combination \vith iron does not promote formation of such carbide. In high speed steel tungsten and molybdenum promote formation of M»C carbide while vanadium promotes MC carbide. Depending on the steel quality and heat treatment, one, two, or three various carbide types were simultaneously found in the isolates. In some isolates of tempered steel, mainly in those tempered at 550° C, also tempering MiC carbides were found beside the other carbides typical for the investigated steel, but the electron microanalysis of the complete samples could not identify them.
—	Chemical composition of the carbide isolate and its amount in steel enable to calculate the composition of the matrix and the carbide phase in steel after various stages of heat treatment, and thus the influence of heat treatment on the variation of the composition can be analyzed.
—	Increased quenching temperature reduces the amount of carbide phase in the investigated steel. Carbides dissolve in austenite, some faster some slower, some even not. It was found that M23C6 carbides are more stable if they contain some molybdenum, i. e. their dissolution is more difficult.
—	Tempering causes reprecipitation of the carbide phase. Tempering carbides are precipitated, their structure is partially similar to that of carbides being present in steel after quenching, partially in some steel also M3C carbides are formed.
3AKAIOTEHHE
IIpHBeAeHH peauALTaTEji HCCAeAOBaHHH onpeAeAeHiia KOAimecTua, KiiMiiHCCKOro 11 CTpyKTvpHoro cocTaBa KapGiiAiioii 4>a3bi acbjith coptob ctaah AeAe6ypHTHoro Tuna c coAepacaHHeM ot 0,9 ao 2 % yrAepoAa h npn0A. 12 % xpoMa.	cpaBHeniia npiibeaeabi takjse
TOJKAeCTBeHHLie pCJVALtaTLI aas 6LICTpopC>KViaeir CTaAH MapKH brm 2. a^h Ka>KAoro copTa CTaAH pacCMOTpenti o6pa3iiu b co-ctohhhh HenoAHoro oT2CHra h o6pa3iiH, aaKaAeHHLie c TeitnepaTyp 900 , 980, 1040, 1120 H 1200», a OTnymeHti npH TeMnepaTypax 200 n 550«.
HccACAOBaimfl bliiioamsahcl Ha BbiAGAeHHax Kap6HAOB, h30ah-pOBaHHBIX 113 CTaACH 3ACKTpOXHMHqeCKHM cn0C060M, H TOAbKO OT-AeAbHLie CpaBHHTeAbHbie aHaAH3LI SblAH BfcinOAHeHLI Ha KOMnaKTHLIX OOpa3fjax C SAeKTpOHHblM MHKp0aHaAII3aT0p0M. Ha OCHOBaHHH 3KCne-piIMeHTaABHO nOAyMeHH6IX AaHHWX, bbllhcahaii COCTaB Kap6HAHOii
Maccbl II OCHOBHOH MaCCbl CTaAH, CAeAHAH 3a H3MeHeHHeM COCTaBa h cTpyKTypbi, TaKJKe 3a Ko.uinecTBOM Kap6HAHHx BbiAeAeHiifl b 3a-BHCIIMOCTH OT COCTaBa CTaAH H OT TeMnepaTypbI 33KaAKH H OT-nymennH.
Pe3yAbTaTbi HCCAeAOBaHHH CAeAYK>mHe:
— 3AeKTpOXHMHiieCKHa cnocos H30AHp0BaHH5I BMAeAeHHH Kap-Shahoh <i>a3bi H3 HcnbiTaHbix cTaAefi npeACTaBAHeT coSofi HaAeacHbiii MeTOA AAa oTASAeHHS KapSHAOB H3 CTaAefi AeAe6ypHTHOTO Tirna, a TaKJKe h aah 6bicTpopeacymett CTaAH mapkh BRM 2. H30Aiip0-BaHHbie KapSHAM npeACTaBAaioT coSoft TaKace penpe3eHTaTHBHMH o6pa3eu aah onpeAeAeHHa KOAiraeCTBa KapSHAOB b CTaAH h no-3boahiot KOAHieCTBeHHyK> OIieHKy KapSHAHOft ^aSM B CTaAH npH pa3AH«hom COCTOHHHK TepMHieCKOH o6pa6orKII. 3AeKTpoXHMH«ieCKHft
cnocofi H30AHUHH KapOHAHblX BblACACHHH C03AaeT lUlKail \eHH3 H3CTHM cpaaHHTeAbtio iunpoKoro AnanajOHa, npaKTHMCCKM naCTHH Bcex pa3-\iep. PenpoAVKmifl hioamuhu KapGiiAHoii d>a.u. «3 ctsah yAOBAeTBO-pini-AbHa.
— Bma H KOAHMeeTBO KapOlIAHOH (gasili b II30AHpOBaHHLIX CKonAemiii, oth. b ciaAH 3aBHCHT ot cocTaBa ciaAH h ot TepMH-■jecKoft o5pa5oTKH. Oicbhaho, hto b 6oAbulniicTBe HccAeAOBaHHbix c td A h x npeoSAaAaer 4)a3a M7C3. YKa3biBaeTca CTpe.MAeHHe, >jto MOAHČAeH h BOAbcjjpa« o6ycAaB\HBaioT 06pa30BaHiie M23C6. CaM BanaAiiii B Ko.uSiiHaitini c >KeAe3o.\i ne cnoco6cTByeT 06pa30BaHHKi KapSiiAa 'no 1 o bh Aa.
B 6bicTpope>Kymeii CTaAH BOAb<j>paM H moahoach o6ycAaBAHBaiOT 05pa30BaHne Kap6iiAa THna MsC, BanaAuii ace — KapSiiAa MC. B 3a-bhchmocth OT KaHeCTBa H TepMHHeCKOH o6paooTK«, aBTOpbl pa3-paOoTKl! HAeHTHlj)HUHpOBaAH b II30AIip0BaHHbIX Kap5iiAHbix BbiAe\eHHii OAHOBpeMeHHO ABa hah TpH bhaa Kap6HAOB.
B HeKOTOpbIX H30AIip0BaHHbIX CKOHAeHHSX oinymeHHbix ciaAeii, b oco6chhocth Tex, KOTOpbie 6 bi a h 0TnymeiiHbi npH 550°, aBTopbi paSoTbi iiAi'HnupniinponaAii KpoMe Kap6nA0B 1 nnicnii>ix aah nccAe-
Ayeiioii CTaAH TaK>Ke OTnvmeHHbrii KapGiiA THna M:C, KOTopi.iii c SAeKTpoHnbiM MHKpocKonoM b KOMnaKTHOM oGpa3ije ne 6bia 06-napvaceH.
—	H3 xiiMiiHecKoro cocTaBa H30AnpoBaiiHoro Kap6iiAiioro CKOlIAeHIia H ero Maccbl b CTaAH MOŽKHO BblHHCAHTb COCTaB OCHOB-hoii Maccbi h KapčiiAHoii Maccbi ctaah npit pa3AHmibix pe>KiiAiax lep.MimecKott o6pa6oTKH h CAeAHTb 3a imieHeHiieM nx cocTaBa.
—	C noBbniiemieM TeMnepaTypbi 3aKaAKH b nccAeAOBaHHbix CTaAax ycT3HOBAeHO, hto KOAHHeCTBO Kap6iiAH0H $a3bi v.\ieHbiiiaeTCa: KapoiiAbi pacTBopmoTca b aycTemiTe, oahh Sbicipee, Apyrae MeA-AeHHee, hah BOBCe He paCTBopaiOTCa. VcTaHOBAeHO, no KapSiiAti Tiina MbCii SoAee ycTofmHBbi, h ecAH ohh C0Aep>KaT MOAn6Aen, 10 ux pacTBopHMOdb b avcTeHHTe nponcxoAiiT TaaceAeii.
—	tipu OTnyCKe KapGiiAHaa <j>a3a cHOBa BbiAeAfleTca; BHAeAaiOTca OTnvTiieHHbie Kap6iiAbi, Koropue no CBOeii CTpyKrype noxoa\Ll Ha KapoiiAbi, KOTOpbie oGpaaoBaAHCb b CTaAH nocAe 3aKaAKH. B He-kotopijx copTax CTaAH AeAe6ypHTHoro Tiina o6pa3yK>TCfl TaiOKe KapoiiAbi Tima M3C.