Mikrostrukturna dogajanja J^T™ med žarjenjem jekla z 0,035 % C in 1,96 % Si v temperaturnem intervalu 680 do 915 °C F. Vodopivec in B.Ralič Na vzorcih jekla, ki so bili ogrevani v nevtralni in razogljičevalni atmosferi, smo izvršili mikroskopske preiskave in preiskave na elektronskem mikroanalizatorju. Določili smo vpliv temperature in trajanja ogrevanja na sestavo ferita in avstenita v jeklu ter kinetiko razogljičenja. Eksperimentalni rezultati omogočajo razlago izmenjalnih reakcij, ki vplivajo na stabilnost avstenita v jeklu. Poenostavljeni račun kaze, da avstenitna faza ne vpliva na kinetiko razogljičenja jekla, ki pri nižjih temperaturah raste z rastjo difuzijske konstante za ogljik v feritu, pri višjih temperaturah pa pada s padanjem topnosti ogljika v feritu. Jeklo smo dobili v obliki toplo valjanega nelu-ženega traku z debelino 2,7 mm. Trak je bil obojestransko razogljičen do globine ca. 0,10 mm. šarž-na analiza jekla je naslednja: 0,035 % C; 1,96 % Si; 0,22 % Mn; 0,005 % P; 0,012 % S; 0,15 % Cu; 0,02 % Cr; 0,07 % Ni; 0,04 % Zr in 0,009 % Al. V začetku smo želeli opredeliti hitrost raztapljanja perlita, rezultati dobljeni med delom pa so nas navedli na nekoliko širšo raziskavo, saj se je pokazalo, da je potrebno poizkuse razširiti tudi na razogljičenje, da ne bi dobili preveč statične predstave o dogajanjih med žarjenjem jekla. Po toplem valjanju ima jeklo mikostruk-turo iz ferita in zelo malo lamelarnega perlita, ki je zbran v zelo drobnih kolonijah ob trikotnih stikih kristalnih zrn. Jeklo ohranja dvofazno mi-krostrukturo v vsem temperaturnem intervalu, ki prihaja v poštev za normalna žarjenja, feritno perlitno pod Acl in feritno avstenitno nad to temperaturo. Pogoji pri ohlajanju jeklenega traku po vročem valjanju so taki, da se ne more izvršiti do kraja razmešanje elementov, predvsem silicija in mangana, med avstenitno in feritno fazo. To se pokaže v tem, da vsebuje ferit več mangana in ogljika ter manj silicija, kot bi ga bilo v ravnotežnem stanju. Med ogrevanjem pri temperaturi obstojnosti avstenita in ferita prihaja zato v jeklu do prerazdelitve elementov, ki ima za posledico bogatenje avstenita z manganom in ogljikom ter Franc Vodopivec je doktor tehniških znanosti in samostojni raziskovalec na metalurškem inštitutu v Ljubljani. Boško Radič, višji tehnik na metalurškem inštitutu v Ljubljani. siromašenja avstenita z alfagenim silicijem. To lepo potrjujejo rezultati na sliki 1, na kateri vidimo kako se s trajanjem ogrevanja pri 780 in 915° C spreminja poprečna vsebnost mangana, silicija in niklja v avstenitu. Analize smo napravili s pomočjo elektronskega mikroanalizatorja. Gonilna sila prerazdelitve je pri isti aktivnosti različna koncentracija alfagenih in gamagenih elementov v feritu in avstenitu. Razlika v ravnotežni koncentraciji je tolikšna, kolikor je široko dvofazno področje v ustreznih binarnih sistemih ali kvazibi-narnih presekih ternarnih sistemov. V strokovnem tisku ni eksperimentalnih podatkov o širini teh področij, verjetno zato ker so potrebna ravnotežna žarjenja predolga, zamudne pa so tudi točne analize posameznih faz. Prerazdelitev elementov ima za posledico tudi spremembo mikrostrukture. Na sliki 2 vidimo, da s trajanjem izotermnega žarjenja raste količina avstenita v jeklu in velikost avstenitnih zrn, ne spreminja pa se praktično velikost feritnih zrn. To se lepo vidi tudi, če primerjamo mikroposnetke 3 in 4 ter 5 in 6. >Mn,915°C iNi,915°C Mn, 780°C p-""^ M,780°C - • Si,780°C 'Si, 915° C - 30 60 90 120 (min) Slika 1 Vpliv trajanja žarjenja pri temperaturah 915 in 780° C na razmerje koncentracije elementov v avstenitu (Cs) in feritu (CF) (m in ) Slika 2 Vpliv trajanja ogrevanja pri temperaturah 915 in 780° C nadelež avstenita (A), velikost avstenitnih zrn (AZ) in velikost feritnih zrn (FZ) v-.; '. V"- -■Ji*, ' <->' 'K. ■ ~ - S. 'A % t ' r $ ■ • 4 y>< s . ,«•* -r^"-" •» - .v-v..v >v - .. ^ ti ' ~ - »»^"V '-C" 'i r-^V'/".v • <-■<. "/"».,< * 2E. ..... v" V „ 1 "»-v; .» * \ '*-» -A / ¥■ -v . o ^ , T ■> - . f- Slika 3 in 4 200 X Vzorca sta bila ogrevana 2 min oz. 60 min pri 780° C lJ i*"?'' je v v j> > W J 4 caLr V* v ^ H H- ! • ^ • /Sk ? ■i * 4 jf" i SK3 « V- . . . i.®""* J."-^ jsu^/rS.' ^ »i t.-*. *» Slika 5 in 6 200 X Vzorca sta bila ogrevana 2 min oz. 120 min pri 915° C Pri ogrevanju dinamo jekla, ki ima začetno fe-ritno-perlitno mikrostrukturo, pri temperaturi nad Acl točko, ne prihaja torej do raztapljanja ce-mentita v feritu, ampak se perlitne kolonije pretvorijo v avstenit, ki ga je z nadaljevanjem žarjenja vedno več in je bolj in bolj stabilen. Iz ravnotežnega sistema (Fe, Si)-C vemo, da pri 2 % Si, avstenit pod 780° C ni več obstojen1. Na preiskanem jeklu spodnje temperature obstojnosti avstenita eksperimentalno nismo določali. Isti vir navaja, da ima avstenit v jeklu z 2 % Si pri 800° C 0,53 % C, pri 900° C 0,25 % C in pri 1000° C 0,076 % C. Iz vsega tega lahko sklepamo, da raste količina avstenita pri izotermnem žarjenju zato, ker se v njem zbira ogljik iz ferita, pri povečanju temperature pa zraste količina avstenita predvsem zato, ker za obstojnost potrebuje manjšo količino ogljika, zaradi česar se pri enaki količini ogljika v jeklu poveča volumen avstenitne faze. Opisane spremembe potekajo, če so mogoče le izmenjave legirnih elementov med feritom in av-stenitom, proces pa se spremeni, če je mogoče še oddajanje ogljika v atmosfero, do česar prihaja pri razogljičevalnem žarjenju. Ko se vzpostavi gradient koncentracije ogljika v obrobnem delu pločevine, oddaja v notranjosti ferit ogljik istočasno avstenitnim otokom in proti atmosferi. Ko pa se zaradi razogljičenja aktivnost ogljika v feritu zmanjša pod aktivnost v avstenitu, se smer reakcije obrne in avstenit oddaja ogljik feritu, ta pa ga odvaja naprej v atmosfero. Reakcijam razogljičenja čistega ferita: (C)ter-> (C)pov in (C)pov + O -> CO, ki ustvarjata gradient ogljika v razogljičenem sloju jekla in odvajata kisik v atmosfero, se pridruži še reakcija (C)avst (C)fer s katero avstenitni otoki oddajajo ogljik feritu, ki jih obdaja, zaradi česar se zmanjšuje količina / 805°C 850° C 750°C 1000°Q£ *7 20° C 10°C 90°C 2 4 6 8 10 12 14 16 (t^, min) Slika 7 Hitrost rasti razogljičenega sloja pri različnih temperaturah. Na ordinati je globina razogličenja (Y„) na abscisi pa čas v parobolični koordinati Slika 8 Vpliv temperature na velikost konstante kP in velikost difuzijskega toka F avstenita v jeklu. Izgorevanje ogljika na površini z zračnim kisikom, vodno paro ali ogljikovim dioksidom je hitra reakcija in v standardnih pogojih gotovo ne more biti merodajna za kinetiko razogljičenja. Iz izkušenj vemo, kažejo pa tudi meritve na našem jeklu, da je kinetika razogljičenja, kot kine-tika vseh difuzijskih pojavov, parabolične oblike. Če na absciso nanesemo čas v paraboličnih enotah (t1/2) in na ordinato globino razogljičenja (yr), dobimo ravne črte, katere je mogoče opisati z enostavno enačbo: yr = K + Kp tw V izrazu je K konstanta, Kp pa parabolična konstanta, katere velikost je merilo za hitrost razogljičenja. Na si. 7 je prikazana kinetika razogljičenja pri ogrevanju v vlažnem vodiku. Na si. 8 pa vidimo, kako se spreminja s temperaturo velikost parabolične (kinetične) konstante. Če bi bil pojav razogljičenja odvisen samo od temperature, bi morala njegova hitrost rasti s temperaturo, saj difuzijski koeficient za ogljik v feritu in v avstenitu s temperaturo raste. Poizkusi pa kažejo, da to ne drži, ampak da hitrost razogljičenja raste do določene temperature, nato pada, pri nadalnjem povečanju temperature pa znova raste. Iz nauka o kovinah vemo, da je tok atomov snovi (F), ki difundira, sorazmeren produktu difu-zijske konstante (D) in gradienta koncentracije (dc/dx). V poenostavljeni obliki lahko to napišemo kot Ac Iz tega izraza lahko izračunamo difuzijski tok, če izberemo globino razogljičenja, poznamo vrednost za difuzijsko konstanto in predpostavimo, da je na meji kovina-atmosfera koncentracija ogljika zanemarljivo majhna v primerjavi s koncentracijo na meji, kjer se v notranjosti kovine začne razogljičeni pas, oziroma na kratko povedano, predpostavimo, da je Ac enak topnosti ogljika v feritu pri določeni temperaturi. V literaturi nismo našli podatkov o topnosti ogljika v silicijevem železu, zato smo pri našem računu uporabili podatke o topnosti ogljika v alfa železu, katere smo posneli po faznem diagramu Fe-Fe3 C, katerega navaja Hansen2. Vrednost za difuzijsko konstanto za ogljik v feritu smo povzeli po Lordu in Beshersu3. S temperaturo se nad Acl topnost ogljika v feritu toliko zmanjša, da se kljub rasti difuzijske konstante, vrednosti difuzijskega toka nad približno 830° C znova zmanjšuje. Praktični poskuci kažejo, da je hitrost razogljičenja največja pri približno 800° C. Razlika med teoretično in praktično temperaturo največje hitrosti razogljičenja je sprejemljivo majhna. Najverjetneje je ta razlika posledica premalo točnega poznavanja vrednosti za difuzijo in za topnost ogljika v silicijevem feritu. Na kratko torej praktične ugotovitve in teoretično analizo lahko rezumiramo takole: a) Po prekoračenju Acl temperature nastanejo iz perlitnih kolonij v jeklu z 1,96 % C in 0,035 % C avstenitni otočki. Z nadaljevanjem izotermnega žarjenja raste velikost otočkov avstenita zato, ker se bogati z ogljikom, ki prihaja iz ferita in se veča njegova obstojnost zato, ker se bogati z gamage-nimi elementi, ki prihajajo iz ferita in siromaši z alfagenim silicijem, katerega oddaja feritu. Pri povišani temperaturi se poveča količina avstenita v jeklu zato, ker je pri višji temperaturi avstenit obstojen že pri manjši koncentraciji ogljika. Ogljik, ki je na voljo v jeklu, se zato razdeli na večjo prostornino. b) Hitrosti razogljičenja v intervalu med 700 in 900° C je odvisna od produkta difuzijske konstante za ogljik v feritu in gradienta koncentracije ogljika v razogljičenem pasu. Pri tem pri nižji temperaturi prevladuje naraščanje difuzijskega koeficienta s temperaturo in zato hitrost razogljičenja raste, pri višji temperaturi pa prevladuje zmanjšanje topnosti ogljika v feritu in se zato hi-troct razogljičenja zmanjšuje. Temperaturna odvisnost in oblika izotermne kinetike kažejo, da prisotnost avstenitnih otočkov v feritu in izme-njalne reakcije med feritom in avstenitom ne vplivajo na kinetiko razogljičenja. Zahvaljujeva se UJŽ Beograd, ki je materialno omogočilo, da se je to delo izvršilo in Metalurškemu Institutu Hasan Brkič v Zenici za preiskave na kvantitativnem mikroskopu. Literatura: 1. Metals Handbook, ASM Cleveland, 1948 2. M. Hansen: Constitution of Binary Alloys: zal. McGraw-Hill, New York, 1958 3. A. E. Lord in D. N. Beshers: Acta Metal. 14, 1966, 1959 ZUSAMMENFASSUNG Beim Aufwarmen des Stahles entstehen beim iiber-schreiten der ACi Temperatur aus perlitischen Kolonien austenitische Inseln. Beim fortschreitenden isoithermaien gliihen werden diese Inselchen grosser, weil der Austenit an Kohlenstoff, welcher von Ferrit kommt reicheir wird. Die Bastandigkeit dieser Inselchen wird grosser weil der Austenit an gammagenen Elementen wie Mn und Ni, reicher und an alfagenen wie Si armer wird. Beim Teimperatur-anstieg wird die Austenitmenge grosser weil bei hoherer Temperatur der Austenit schon bei einer kleineren Menge von Kohlenstoff bestandig ist. Der zur Verfiigung stehende Kohlenstoff im Stahl verteilt sich deshalb auf ein gros-sares Austenitvolumen. Die Entkohlungsgeschwiendigkeit im Interval zvvischen 700° C und 915° C ist vom Wert des Froduktes der Diffusi- onsikonstante und des Kohlenstoffkonzentrationsgradien-tes in ebkohlter Stahlschicht abhangig. Bei niedriger Tem. peratur ist das Zunehmen des Diffusionsikoeffizientes vor-wiegand, so, dass die Enthohlungsgeschwindigkett mit der Temperatur steigt, bei hoherer Temperatur ist das ab-nehmen des Konzentrationlkoeffizientes vorwiegend und es wird demnachst die Entkohlungsgeschwindigkeit :kleiner. Die Temperaturabhangigkeit und die Form der Isothermen Kinetik zeiigen, dass die Anivesenkeit der austenitisohen Inselchen im Ferrit keinen Einfluss auf die Enthohlungs-geshwindigkeit ausiibt, was ein Zethan dafiir ist, dass Obargang des Kohlenstoffes aus detm Austenit in den Ferrit schnaller ist ails die Diffusion des Kohlenstoffes gegen die Stahiloberflatihe. SUMMARY In heating steel austenite isllands are formed out of the pearlite colonies aifter transgressing Aci temperature. Durkig furthar isohtarinal amnealing the iislands grow because the austenite is einriched by carbon diffusing from ferrite, and they are becoming more stable because austenite is enrichad also iby gammagenoiis alements, i. e. manganese and nickel, and imtpcuverished by alphageneous silicon. The amount of austenite is increased with the increased temperature because the austenite is stable at higher temperatures already at the lower carbon content. Carbon available in steel is thus distributed over a greater volume of austenite. Decarburisation rate between 700 and 915° C dapends on the product of diffusivity and concentration gradient of carbon in the decarburized steel layer. At lower tem- peratures the increase of diffusivity prevails and the decarburisation rate increases with the increased temperature whiile at higher temperatures the reduction of the concentration gradient prevails and the decarburisation rate decreases. Temperature function and the shape of isothermal kinetics show that preseince of austenite islanids in ferrite does nos infiluence the decarburisation rate which means that the transition of carbon from austenite into ferrite is faster than the diffusion of carbon tovvards the steel surface. 3AKAKDHEHHE IIpn HarpeBe CTaAii nocAe npeBbimeHHa Teiun-pbi Acl BbiAeAaiOTca 113 KOAOHHbl nepAHTa CKOIIACHHH ayCTeHHTa. IIpu npOAOAHCeHHH H30TcpMimecK0ra OT>Kiira iicAiiuima 3thx CKOnAenHii yneAjmiiBaeTC5l, TaK KaK ayCTeHHT oSoromaerea c yrAepoAOM KOTopbifi BeAeAaeTCa H3 4>eppHTa. B 3tom npouecce yBeAHMHBaeTca hx ciofiKocTb, TaK KaK ayCT6HHT oGoromaeTca c raMAia-reHHHMH 3ACMeuraMH MapraimeM h HHKeAbeM, a SeAHeeT Ha aAb<}>a-reHHbiM Si. Heo6xoAHMio OTMeTHTb, Kanne YBeAHMHBaeTCa- n03T0My, HaxoAammiCH Ha pac-nopajKeHHH b CTaAH yrAepoA pacnpeAeAseTca b SoAee yBeAH^eH oSteMe aycTenHTa. EbicTpoTa o6e3yrAepo>KHBaHHa b HHTepBaAe MesKAY 700—915° U 3aBHCHT ot BeAHHHHbi np0H3BeAenna nocTOaHHora HHCAa ah4>4>h3hh h rpaAHeHTa KOHueHTpauHH yrAepoAa b o6e3yrAe-po;Kanano\i caok) CTaAii npeoSAaAaeT yBCAHqcHne K034>c|)HHHeHTa AH(Jj4>Y3HH, n03T0My SbicTpOTa o6e3yrAepojKHBaHHK CTaAH yBeAiraH-BaeTca, npH SoAee bbicokoh TeMn-pe-rpaAHeHT KOHueHTaiiHH yMeHb-inaeTca H, n03T0My, Gf.iCTpora o6e3yrAepo3KHBaHHa yMeHbiiiaeTCSi. TeMnepaTypiiaa 3aBHCHMOCTb h 4>opMa ii30Tep.MHqccK0ii khhcthkh noKa3E.iBac'i, mto npncyTCTBHe HaKonAeHHii aycTeHHTa b c|>cppMTe He BAHaeT Ha 6bicTpoTy o6e3yrAepo}KHBaHHa. 3ro yKa3biBaeT, mto nepe-xoa yrAepoAa H3 aycTeHHTa B ij>eppnT nponcxoAHT BbicTpee HeM AH(tiy3HOHHbiH nepeHoc 3Tora SAeMem-a k noBepxnocTH CTaAH.