Svinec kot avtomatni dodatek DK: ZaZm v jeklih za cementacijo asm/sla: sga r in poboljšanje ter njegov vpliv na predelavnost in fizikalne lastnosti jekel ' Anton Razinger Uporabnost svinčevih jekel je osnovana na predpostavki, da svinec izboljša ob delov alnost, ne da bi se zaradi njegove prisotnosti bistveno poslabšale fizikalne in tehnološke lastnosti jekel. Potrditev te hipoteze smo iskali tudi v raziskovalnem delu na vzorcih jekla, ki smo ga izdelali v Železarni Jesenice. Vse preiskave smo opravljali na vzorcih jekla s svincem in brez njega na isti šarži, tako da lahko ugotovljene razlike v lastnostih v celoti pripišemo prisotnosti svinca v jeklu. Poseben poudarek smo namenili mikrostrukturnim preiskavam oblike in porazdelitve svinca v pogojih plastičnega preoblikovanja in porušitve vzorcev. če upoštevamo relativno enakomerno porazdelitev svinca v makro strukturi blokov jekla, nevtralni vpliv prisotnosti svinca na porazdelitev ostalih legirnih elementov ter dejstvo, da je ves svinec izločen v mikrostrukturi v obliki drobnih izoliranih in asociiranih vključkov v elementarni obliki, potem lahko že utemeljimo naslednji zaključek naših preiskav. Prisotnost svinca v jeklu v splošnem nima pomembnega vpliva na fizikalne in tehnološke lastnosti jekel. Izjema je le manjši vpliv na iilavost in trajno utripno trdnost ter na obnašanje jekel pri povišanih temperaturah, kjer so vključki svinca tekoči. 1. UVOD 1.1 Smoter osvajanja svinčevih jekel Jeklo v obliki hladno predelanih palic zavzema pomemben delež v proizvodnem programu Slovenskih železarn. Hladno predelana palična jekla so namenjena predvsem za nadaljnjo predelavo na avtomatskih obdelovalnih strojih, kjer se z odrezovanjem oblikujejo strojni deli pri velikih rezalnih hitrostih in v velikih serijah. Obdeloval-nost kot fizikalna lastnost jekel je zato odločilnega pomena za kvaliteto hladno predelanih palič-nih jekel. Anton Razinger je magister metalurgije in višji strokovni sodelavec v raziskovalnem oddelku Železarne Jesenice Nalogo smo izdelali s sofinansiranjem sklada Borisa Kidriča (naloga št. 2-206/297-73). Na obdelovalnost jekel je mogoče vplivati predvsem z legiranjem žvepla, svinca, selena, telurja, bizmuta ter z ustrezno toplotno obdelavo palic, žveplo, ki je poceni in ga je mogoče enostavno legirati v jeklo, ima zaradi škodljivega vpliva na fizikalne lastnosti jekel omejeno uporabnost in se zato uporablja predvsem za povišanje obdelovalnosti kvalitetnih ogljikovih nelegira-nih jekel, ki so znana pod nazivom »avtomatna jekla«, žarjenje kot sredstvo za poboljšanje obdelovalnosti kvalitetnih in plemenitih ogljikovih in legiranih jekel je dokaj uspešno le pri visokih temperaturah in dolgih časih žarjenja, kar je v praksi praktično neizvedljivo, zato v normalnih pogojih z žarjenjem ne dosežemo bistvenega izboljšanja obdelovalnosti jekel. Svinec se je pokazal kot zelo primeren dodatek, ker močno poboljša obdelovalnost, ne poslabša pa fizikalnih in kemičnih lastnosti jekel. Za proizvajalca paličnih jekel pomeni osvajanje svinčevih jekel predvsem to, da obdrži visok kvalitetni nivo svojih proizvodov, s katerim lahko zadovolji zahteve potrošnikov po dobri obdelovalnosti vseh vrst paličnih jekel. Smoter osvajanja svinčevih jekel je predvsem izboljšanje kvalitete že osvojenih vrst jekel s poboljšanjem njihove obdelovalnosti. 1.2 Obseg preiskav ter jeklo za preiskave Izvršili smo obsežno raziskovalno delo z namenom, da ugotovimo, v kolikšni meri vpliva prisotnost svinca v jeklih na fizikalne in tehnološke lastnosti jekel. Ker je literatura na tem področju sorazmerno zelo bogata, smo se zato osredotočili predvsem na preiskave, kjer smo pričakovali negativni vpliv svinca. Poseben poudarek smo namenili preiskavam, ki naj pokažejo obliko in porazdelitev delcev svinca v mikrostrukturi jekel ter preiskavam prelomnih površin z namenom, da pojasnimo eventuelni vpliv svinca na fizikalne lastnosti jekel ali pa njegovo nevtralnost pri tem. Preiskave obdelovalnosti jekel so bile vzporednega značaja, saj so bile v večjem obsegu izvršene v okviru druge raziskovalne naloge (11). Za preiskavo vpliva svinca na predelavnost in fizikalne lastnosti jekel smo izbrali naslednje vrste reprezentančnih jekel: — ogljikovo nelegirano jeklo za cementacijo Č 1121 — ogljikovo nepomirjeno automatno jeklo — C 3990 — ogljikovo nelegirano jeklo za poboljšanje — C 1530 — nizko legirano jeklo za cementacijo — Č 4320 Jekla so bila izdelana v 60-tonski električni obločni peči in vlita v normalno konične kokile, kvadratnega preseka 650 X 650 mm, skozi lijak. Na vsaki livni plošči so bili vliti trije bloki. Svinec smo vpihavali v curek jekla (2) le na prvi plošči, na ostalih ploščah pa svinca nismo vpihavali. Na ta način smo dobili jeklo za preiskave z dodatkom svinca in za primerjavo jeklo brez svinca iste šarže. Bloke preiskovanega in primerjalnega jekla smo izvaljali v blume kvadratnega preseka 120 X X 120 mm. Vzorce za preiskavo smo izdelali iz blumov jekla, ki so ustrezali sredini blokov. Karakteristična kemična sestava vzorcev jekla za preiskave je podana v tabeli 1. 2. REZULTATI PREISKAV 2.1 Oblika in porazdelitev vključkov svinca v mikrostrukturi jekel ter obnašanje le-teh med vročo in hladno predelavo Preiskovalna metoda: elektronska mikroana-liza Laboratorij za preiskave: Metalografski laboratorij, Metalurški inštitut v Ljubljani (sodelavec dr. Kosec) Rezultati preiskav: V mikrostrukturi blokov jekel je ves svinec izločen v vključkih kot element Pb. Vključke svinca nahajamo v dveh oblikah: a) kot izolirane vključke krogljičaste oblike, katerih velikost ne presega 5 [x m b) v asociaciji z ostalimi nemetalnimi vključki, ki so v jeklih. Taki asociirani vključki imajo nepravilno obliko in se prilagajajo značilnim oblikam posameznih tipov nemetalnih vključkov. Ugotovili smo, da je velikost asociiranih vključkov svinca odvisna od velikosti nemetalnih komponent. Porazdelitev izoliranih vključkov svinca je v celotnem volumnu blokov enakomerna, porazdelitev asociiranih vključkov svinca pa sledi zakonitostim porazdelitve posameznih tipov nemetalnih vključkov (1) (2). Pri temperaturi vroče predelave jekla so vključki svinca v tekočem stanju. Med preoblikovanjem jekla se delci svinca razpotegnejo v smeri deformacije. Izolirani vključki svinca so razpotegnjeni močneje kakor oksidni ali oksisulfidni vključki (si. 1). Slika 1 Izolirani vključki svinca v vroče valjanem svinčevem jeklu (El. si. x 420, Pb-bel) Tabela 1: Kemična sestava vzorcev jekel za preiskave 'Vrsta jekla štev. šarže Vsebnost elementov (%) C Si Mn P S Al Pb C 1530 10 7038 0.52 0.35 0.68 0.018 0.010 0.018 — C 1530 Pb 10 7038 0.52 0.33 0.67 0.020 0.010 0.010 0.21 C 4320 10 7041 0.19 0.24 1.10 0.022 0.016 0.024 — C 4320 Pb 10 7041 0.19 0.23 1.10 0.022 0.015 0.028 0.18 C 1121 10 7039 0.08 0.28 0.47 0.022 0.021 0.014 — C 1121 Pb 10 7039 0.09 0.28 0.44 0.024 0.019 0.023 0.23 C 3990 10 7040 0.11 0.04 0.99 0.084 0.354 0.006 — ATJ 100 Pb 10 7040 0.11 0.05 1.00 0.084 0.361 0.008 0.23 V asociiranih vključkih ostane svinec tudi po deformaciji jekla v tesni zvezi z nemetalnimi komponentami v vključkih, vendar pa pri tem zavzame značilen položaj (si. 2). Mislimo, da svinec med tečenjem materiala izpolni praznine, ki se tvorijo med plastično deformacijo ob nemetal-nih vključkih (4). Takšna razporeditev delcev svinca ob nemetal-nih vključkih je zelo pomembna za vpliv svinca in nemetalnih vključkov na fizikalne lastnosti jekla. Med hladno deformacijo jekla pride do frag-mentacije lamel svinca, pri čemer ne opazimo nikakršne tvorbe praznin (si. 3). Študij povezave izoliranih vključkov z mikro-strukturnimi komponentami jeklene matice pa je pokazal naslednje (3): Pri nizkoogljičnem jeklu je večina svinčevih vključkov pridružena feritnim zrnom. V litem stanju, ko so še jasne segregacije ogljika, je pogostost svinčevih vključkov v otokih perlita enaka kot v feritu. Z naknadno toplotno obdelavo, pred- Slika 2 Asociirani vključki svinca v vroče valjanem svinčevem jeklu (El. si. in sp. X posn. pov. 840) Slika 3 Oblika vključkov svinca v hladno predelanem svinčevem jeklu (El. si. x 420, Pb-bel) vsem normalizacijo in visokotemperaturnim žarje-njem, ko se zmanjšajo ali odpravijo segregacije ogljika, opazimo »premeščanje« svinčevih vključkov iz perlita v ferit. Opazili smo tudi, da je po normalizaciji ali visoko temperaturnem žar j en ju lite strukture mnogo več vključkov svinca na mejah kot v notranjosti kristalnih zrn, kar v surovem litem stanju nismo opazili. V preoblikovanem stanju (palicah) so razlike v položaju izoliranih vključkov svinca pred toplotno obdelavo in po njej zanemarljive (si. 4) (si. 4a). Toplotni režim pred vročim preoblikovanjem in med preoblikovanjem povzroči spremembe, ki so v določeni meri ekvivalentne žarjenjem, ki smo jih opravili z litim jeklom, tako da po naknadnih toplotnih obdelavah predelanega jekla ne opazimo bistvenih sprememb v porazdelitvi vključkov svinca. Razpotegnjeni svinčevi vključki so v odvisnosti od dolžine povezani z večjim številom feritnih zrn ali pa lahko feritna zrna meje z vključkom. Že približna ocena razporeditve vključkov svinca je pokazala, da jih je mnogo več v notranjosti zrn kakor na mejah. Po normalizaciji pride sicer do prekristalizaci-je ferita tudi v okolici vključkov svinca, vendar pa to nima skoraj nobenega vpliva na položaj vključkov svinca glede na perlitno in feritno komponento jekla. V feritno-bainitni matici kaljenega jekla so vključki svinca pridruženi obem strukturnim komponentam. Verjetno je vzrok v večjem deležu perlita v istem jeklu. Pri srednje ogljičnem jeklu (v litem in valjanem stanju), so vključki svinca vloženi v feritno in Slika 4 Vključki svinca v feritno-perlitni matici valjanega svinčevega jekla C 1121 Pb (El. si. x 840, Pb-bel) Slika 4a Vključki svinca v feritno-perlitni matici valjanega in žarje-nega svinčevega jekla C 1121 Pb (El. si. x 840; Pb-bel) perlitno osnovo v notranjosti zrn in na kristalnih mejah. Naknadna normalizacija ne spremeni opazno deleža svinčevih vključkov v eni ali drugi osnovi (si. 5). Razpotegnjeni v smeri valjanja, pripadajo vključki povečini večjim kristalnim zrnom tako ferita kakor perlita. Legirni elementi vplivajo posredno na položaj vključkov svinca v mikrostrukturi jekla, ker pri Slika 5 Vključki svinca v feritno-perlitni matici valjanega svinčevega jekla C 1530 Pb (pov 500) danem ogljiku v jeklu povečujejo delež perlita. Pri jeklu Č 4320 Pb še vedno prevladujejo svinčevi vključki v feritu, precej pa jih je pridruženih tudi perlitu (si. 6). S toplotno obdelavo se v legiranih jeklih položaj vključkov svinca opazno ne spreminja. Druge pomembne ugotovitve so še naslednje: — vključki svinca ne vplivajo opazno na potek martenzitne premene in ne na oblikovanje mar-tenzita v okolici — vključki svinca ne preprečujejo rasti kristalnih zrn avstenita, na kar sklepamo iz grobega zrna po transformaciji v ferit, oziroma perlit. Tak rezultat ni v skladu s podatki iz literature (5). — pri mehkem žarjenju je površina vključkov svinca mesto, kjer lahko koagulirajo delci cemen-tita (heterogena kal za precipitacijo cementita). Slika 6 Svinčevi vključki v jeklu č 4320 Pb v povezavi s feritnimi (a) in perlitnimi (b) zrni (El. si. x 420, Pb-bel). Vključki svinca se pri tem obnašajo podobno kakor nekovinski vključki (npr. MnS). Položaj vključkov svinca proti ostalim strukturnim komponentam ostane po mehkem žarjenju nespremenjen, le da lamelami perlit zamenja zrnati cemen-tit. Na splošno lahko trdimo, da se izolirani vključki svinca javljajo na vseh značilnih mestih kovinske matice v feritu in perlitu znotraj kristalnih zrn in na mejah, še najbolj izstopa odvisnost položaja izoliranih vključkov svinca od deleža perlita v jeklu. Vključki svinca predstavljajo torej v matici svinčevih jekel statično in stabilno fazo, pri kateri so vse spremembe položaja le navidezne in so posledica transformacij oziroma rasti osnovnih strukturnih komponent jekla. Pasivno vlogo svinca v jeklu potrjujejo tudi rezultati, ki dokazujejo, da prisotnost svinca nima vpliva na porazdelitev ostalih legirnih elementov v blokih svinčevih jekel (1). 2.2 Obdelovalnost jekla Preiskovalna metoda: Struženje s konstantnim pritiskom (10) Laboratorij za preiskave: Tehnološki laboratorij RO Železarna Jesenice. Pogoji preizkusa: stružni noži BRC — Ravne geom. orodja: a 8°, y 12°, x 60°, X — 4°, e 90°, r 0,5 mm globina rezanja t = 2 mm rezalna hitrost 50 m/min. Pred preizkusom so bili preizkušanci normalizirani. Kriterij za oceno preoblikovalnosti: indeks ob-delovalnosti izračunan na osnovi regresijskih koeficientov premic. Rezultati preiskav so podani v tabeli 2 Tabela 2: Obdelovalnost ocenjena po metodi struženja s konstantnim pritiskom Vrsta jekila Koef. ■korel. Regres, ikoefic. St. nap. reg. koef. T vred. Index obdeloval. % C 1121 0.947 34.5 4.1 8.4 100 C 1121Pb 0.984 75.5 4.8 15.9 222 Č 4320 0.994 95.9 3.4 27.8 100 C 4320 Pb 0.994 123.1 4.5 27.4 129 C 1530 0.990 75.2 3.7 20.2 100 C 1530 Pb 0.993 106.3 4.3 24.7 143 C 3990 0.994 136.2 5.1 26.5 100 ATJ 100 Pb 0.989 199.0 10.4 19.1 147 Za dokaz pozitivnega vpliva prisotnosti svinca na obdelovalnost v tem primeru ni potrebna še analiza variance. Ugoden vpliv svinca na obdelovalnost potrjujejo tudi rezultati laboratorijskih in industrijskih preiskav, ki temeljijo na merjenju obrabe orodja, rezalnih sil in hrapavosti površine obdelovancev (11) (12) (13). Na osnovi dobljenih rezultatov preiskav obdelovalnosti pa lahko zaključimo tudi to, da dodatek svinca nima enakega vpliva na obdelovalnost pri vseh vrstah jekel, niti pri različnih pogojih odrezavanja. 2.3 Sposobnost svinčevih jekel za plastično preoblikovanje 2.31 Preoblikovalnost v vročem Preiskovalna metoda: torzijski preizkus v vročem (6) Laboratorij za preiskave: tehnološki laboratorij RO železarna Jesenice (sodelavec mag. Brudar) Pogoji preizkusa: deformacijski volumen 2400 mm2 vrtilna hitrost n = 27 obr./min, hitrost deformacije u = 0.135 s-1, Kriteriji za oceno preoblikovalnosti: — faktor predelovalnosti P — št. obratov do preloma pri sp. temp. optimalnega intervala vroče predelave 1050° C — npr — preoblikovalna trdnost Kf (kp/mm2). Rezultati preiskav so zbrani v tabeli 3. Tabela 3: Faktorji predelavnosti in preoblikovalna trdnost Oznaka jekla C 1121 20 94 6.4 8.1 Č1121 Pb 5 34 0.7 8.0 C 3990 6.5 10 0.11 7.7 ATJIOOPb 6.0 7 0.03 8.1 C 4320 5.5 48 2.18 8.5 Č 4320 Pb 5.0 25 0.31 8.4 C 1530 35 95 10.3 7.6 Č 1530 Pb 6.5 26 0.64 8.0 6.0 6.0 5.7 5.8 5.8 6.2 5.2 5.2 3.7 8.4 3.3 4.9 3.4 3.7 4.1 3.9 2.32 Preoblikovalnost v hladnem Preiskovalna metoda: Diskontinuirni tlačni preizkus (8) (9) Laboratorij za preiskave: Laboratorij za plastično preoblikovanje, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, (sodelavec mag. Kuzman) Pogoji preizkusa: dimenzije preizkušancev: enakostraničen valj r = 15 mm hitrost deformacije: u = 0.01 s-1 število stopenj 7 Kriteriji za oceno preoblikovalnosti: — lega krivulje oz. Kf —■ maksim. deformacije cp max. — koeficient utrjevanja n Rezultati preiskav so zbrani na si. 7. 100 t« i 60 i iO p" ___ — 1 - it JM 0 «/' n f maj. t C 15 30 tot.i 0.195 0.633 2 t ti30 Pb 93.5 0,1 tO 0,656 3 t i320 91.' 0.159 0.566 Krivulja plastičnosti Kf =Kf-f! t 11370 Pb 89.0 0.165 0,563 5 11120 695 0,200 0.856 6 Č 1120 Pb 7i.e 0.211 0,875 1 1 III! 0,05 0.10 0,20 Q30 primerjalno deformacija W Q 50 100 Faktorji predelavnosti Preoblikoval, trdnos n„, nm„ P 1050° C 1150° C 1250° C Zaradi prisotnosti svinca se poslabša plastičnost jekel v vročem, če jo ocenjujemo po kriteriju števila obratov do porušitve, oziroma s faktorjem preoblikovalnosti. Kljub temu pa lahko trdimo, da so svinčeva jekla sposobna za vročo predelavo z valjanjem, oziroma kovanjem, saj je število obratov do preloma tudi pri spodnji temperaturi vroče predelave nad kritično mejo. Ce pa ocenjujemo vpliv prisotnosti svinca na plastičnost v vročem na osnovi preoblikovalne trdnosti med jekli s svincem in brez njega, ni statistično pomembnih razlik. Nobene razlike med osnovnimi in svinčevimi variantami jekel nismo opazili tudi med samim procesom predelave jekel z vročim valjanjem. Slika 7 Krivulje plastičnosti mehko žarjenih jekel C1120, C1530 in C 4320 s in brez svinca Preiskave plastičnosti jekel v hladnem pri zmernih deformacijah so pokazale, da prisotnost svinca nima vpliva na preoblikovalnost, izraženo s preoblikovalno trdnostjo, maksimalno deformacijo in koeficientom utrjevanja. Tak rezultat potrjuje tudi praksa hladnega vlečenja palic in žice. 2.4 Vpliv prisotnosti svinca na žilavost jekel Laboratorij za preiskave: Laboratorij za mehanske preiskave in metalo-grafski laboratorij, Metalurški inštitut v Ljubljani (sodelavca: dr. Kosec, ing. Žvokelj) 2.41 Rezultati preiskav žilavosti Vzorce za preiskavo žilavosti smo odrezali iz gredic prečno na smer valjanja. Način toplotne obdelave vzorcev za preiskave je razviden v tabeli 4, pogoji preizkušanja žilavosti pa so podani v tabeli 5. Vse preiskave smo izvršili v treh paralelkah. Pri analizi rezultatov pa smo upoštevali srednjo vrednost. Dobljeni rezultati preiskav žilavosti so zbrani v tabeli 6: Tabela 5: Toplotna obdelava vzorcev jekla za preiskave žilavosti Vrsta jekla Toplotna obdelava s in brez Pb A Č 1121 normalizirano 900° C, 1 uro slepo kalj. 900°C, voda č 3990 normalizirano, ohlaj. zrak slepo kalj. 900° C, voda C 4320 žarjeno 900° C, 1 uro slepo kalj. 870° C, olje Č 1530 žarjeno 600° C, 3 ure poboljšano TA 870° C, olje TN 620° C Tabela 6: Pogoji preizkušanja žilavosti Stanje Oblika Toplotna Temperatura preizkušanja preizk. zareze obdelava °C I. V Notch A — 40 + 70 + 350 II. DVM A — 40 + 70 + 350 III. V Notch B — 40 + 70 + 350 Tabela 6: Rezultati preiskav žilavosti (kpm/cm2) Tamp. preizkušanja in stanje preizkušanca vrsta jekla — 40° C + 70" C + 350" C I. II. III. I. II. III. I. II. III. C 1121 1.6 2.1 3.5 13.6 14.0 11.4 12.3 14.5 8.2 C 1121 Pb 2.6 1.9 3.0 9.4 10.3 7.9 7.3 9.8 6.9 C 3990 0.6 0.8 0.8 3.1 2.6 1.4 2.8 2.6 1.4 ATJ 100 Pb 0.6 0.8 0.8 3.1 2.9 1.7 3.3 3.0 1.5 C 4320 1.5 3.3 1.3 8.3 8.0 2.6 7.4 5.4 2.0 C 4320 Pb 1.6 2.2 1.1 5.0 5.8 2.0 5.2 8.4 1.6 C 1530 1.1 1.6 4.7 4.5 4.3 6.1 7.4 5.4 2.0 C 1530 Pb 1.0 1.0 2.4 4.1 3.5 3.5 3.3 3.8 3.3 Vpliv prisotnosti svinca na žilavost preiskanih vrst jekel smo ocenjevali s pomočjo statistične metode analize variance (3 x 3 X 2). Pri tej metodi lahko s 95 % verjetnostjo (P = 0.05) trdimo, da vpliv prisotnosti svinca na žilavost ni slučajen, če je vrednost P: STP večja kakor F iz tabele. Pri posameznih vrstah jekla smo za Nt = 1, N2 = 4 in F = 7.71 (tabela) ugotovili naslednje: (tabela 7). Tabela 1: Vpliv prisotnosti svinca na žilavost izbranih vrst jekel Vrsta jekla Vrednosti iz analize variance P STP P: STP Vpliv prisot. svinca C 1121 27.133 0.975 27.828 ni slučajnosten č 4320 2.645 1.684 1.570 slučajnosten C 3990 0.108 0.016 6.75 slučajnosten Č 1530 13.005 0.137 94.93 ni slučajnosten Pri posameznih temperaturah pa je vpliv prisotnosti svinca razviden iz podatkov v tabeli 8: Tabela 8: Vpliv prisotnosti svinca na žilavost pri posameznih temperaturah Temp. °C SKP P:SKP Vpliv prisot. •svinca — 40 0.845 + 70 25.205 + 350 10.000 0.232 3.65 slučajnosten 0.797 31.399 ni slučajnosten 2.131 8.447 ni slučajnosten S statističnimi metodami smo lahko ugotovili, da prisotnost svinca znižuje žilavost preiskanih vrst jekel. 2.42 Preiskave prelomnih površin (14) Preiskovalna metoda: mikrofraktografija in elektronska mikroanaliza vzorcev prelomnih površin Z mikrofraktografskimi in mikroskopskimi preiskavami prelomnih površin pri danih povečavah nismo zaznali vpliva vključkov svinca na mehanizem preloma. Dokazali smo celo, da je delež svinčevih vključkov na prelomnih površinah povsem slučajen (si. 8). Slika 8 Svinec na prelomni površini (EI. si. in sp X Pb x 840) Da bi dobili več informacij o ponašanju vključkov svinca med prelomom žilavostnih epruvet, smo izvršili nekaj preizkusov z epruvetami, ki so vsebovale makrovključke svinca. Vzorci jekla so bili vzeti iz območja poudarjenih izcej svinca v blumig jekla C1121Pb. Epruvete so imele DVM zarezo, preizkus pa smo izvršili v popolnoma plastičnem in popolnoma krhkem področju. Ugotovili smo naslednje značilnosti prelomnih površin: a) vključki svinca ostanejo po prelomu tesno spojeni s kovinsko matico; b) prelom poteka preko vključkov svinca in ima vedno plastičen izgled; Slika 9 Prelomna površina na prehodu iz perlita (zgoraj) v svinčev vključek (spodaj) (pov. 3800) Slilka 10 Plastičen prelom preko velikega svinčevega vključka (pov. 500). c) nekovinski vključki, ki se nahajajo v asociaciji z vključki svinca, propagirajo potek razpoke z dekohezijo s kovinsko osnovo. Navedena opažanja ilustriramo z nekaj karakterističnimi primeri: (slika 9) (slika 10). Na osnovi opazovanj velikega števila prelomnih ploskev svinčevih jekel lahko postavimo naslednjo shemo porušitve preko svinčevega vključka v izolirani in asociirani obliki (si. 11) (si. 12). Svinčev vključek v plastični osnovi Slika 11 Shema porušitve izoliranega svinčevega vključka v plastični osnovi. Ker smo podobne zakonitosti zasledili tudi pri preiskavi prelomnih površin epruvet svinčevih jekel, porušenih z nateznim in pa upogibno torzij-skim preizkusom, smatramo, da je potrebno iskati vzroke za eventuelno poslabšanje fizikalnih lastnosti jekel zaradi prisotnosti svinca v dogajanjih na meji (interface) med jekleno matico in nekovinskimi vključki ter vključki svinca. Prav v tej smeri nameravamo nadaljevati naše raziskovalno delo. Prelcm Pb M/učka, h ime: nekovinski vkijuček Tabela 10: Natezna trdnost in trajna nihajna trdnost Vrsta jekla Natezna trdnost (kpmm2) Trajna nihajna trdnost v (kp/mm-) 3000 vrt/min 6000 vrt.'min C 1120 76.5 32.6 30.6 C 1120 Pb 79.0 28.6 30.6 C 4320 120.7 76.6 74.6 C 4320 Pb 110.8 56.6 56.6 C 1530 87.4 36.6 40.6 C 1530 Pb 87.3 34.6 36.6 C 3990 46.6 24.6 — ATJ 100 Pb 45.2 26.6 — Slika 12 Shema porušitve asociiranega svinčevega vključka v plastični osnovi 2.5 Vpliv prisotnosti svinca na trajno nihajno trdnost Preiskovalna metoda: Vrtilno upogibni preizkus Laboratorij za preiskave: Laboratorij za mehanske preiskave Metalurški inštitut v Ljubljani (sodelavca: ing. Brifah, dr. Kosec). Preizkuse smo izvršili pri dveh vrtilnih hitrostih, 3000 in 6000 vrt./min. Preizkušanci so bili najprej grobo mehansko obdelani, nato toplotno obdelani in nazadnje mehansko obdelani na mero in polirani. Pogoji toplotne obdelave vzorcev jekla so podani v tabeli 9. Natezna trdnost in dosežena trajna nihajna trdnost je za posamezne vrste jekel podana v tabeli 10. Primerjava Wohlerjevih krivulj vseh jekel, razen C 4320 in C 4320 Pb tudi ne kaže nobenih pomembnih razlik, iz katerih bi lahko sklepali na škodljivi vpliv svinca na dinamične lastnosti jekla. Pri jeklu C 4320 s in brez svinca pa so se pojavile razlike, ki jih ne moremo več pripisati slučajnim pojavom (si. 13). Rezultati poskusov kažejo jasno odstopanje pri trajni upogibni trdnosti, trajni torzijski trd- nosti in tudi po notranjem trenju se jekli med seboj jasno ločita (si. 14). V vseh primerih gredo lastnosti v prid jeklu brez svinca. Pri ostalih preizkušenih jeklih, razen pri trajni torzijski trdnosti jekel Č 3390 in č 3390 Pb, kjer so pa razlike ravno obratne, se izmerjene lastnosti obeh vrst jekel zelo dobro skladajo. VVohlerjeva krivulja jekla C 4320 s in brez svinca- Po morfologiji preloma jeklene matice ni mogoče trditi, da prisotnost svinčevih vključkov vpliva na mehanizem preloma jekla. Z našimi poskusi pa nismo mogli ugotoviti, če vpliva in kako vpliva svinčev vkijuček, posebej še tisti na Tabela 9: Toplotna obdelava vzorcev jekla za preiskave Vrsta jekla Način in pogoji toplotne obdelave C 3990, ATJ 100 Pb C 1120, C 1120 Pb C 4320, C 4320 Pb C 1530, Č 1530 Pb normalizacija, 900° C, 1 ura, zrak cementacija, solna kopel ( 00" C, 1 ura, voda cementacija, solna kopel 900° C, 1 ura, olje poboljšanje, kaljenje 850° C, voda, nap. 620° C 0.6 0,5 0.4'- I 0,2 .E C Č 4320 Pb -d. =50mm» oL =75 » A cL =100' * 2*" c) cementacije v soli — cementacijo izvršili pri temperaturi 930° C — časi cementacije 1, 2 in 5 ur Preiskave so pokazale, da v nobenem primeru prisotnost svinca v jeklu ne vpliva pomembno na lastnosti cementiranega sloja v pogledu: — globine cementacije —■ standardne cementacije — površinske količine ogljika —• mikrostrukture cementiranega sloja Kot dokaz nevtralnega vpliva svinca v cemen-tiranem sloju navajamo analizo variance površinskih količin ogljika v jeklih s svincem in brez prisotnosti svinca (tabela 12, tabela 13) Tabela 12: Vrednosti površinskih količin ogljika za analizo variance t)2 300 /O3 3200 JO i -— število nihajev Slika 14 Notranje trenje jekla č 4320 s in brez svinca površini oziroma v cementirani coni, na začetek razpoke in njeno širjenje pri dinamični obremenitvi jekla. Da bi se približali pojavom, ki se dogajajo v neposredni okolici svinčevega vključka, bi morali uporabiti tehnike in naprave, katere nam danes še niso na razpolago. 2.6 Vpliv prisotnosti svinca na lastnosti cementiranega sloja Laboratorij za preiskave: Metalurški inštitut v Ljubljani, sodelavec ing. Kveder (15) Program teh preiskav je obsegal sledeče cementacije: a) cementacije v trdnem sredstvu — sredstvo za cementacijo: Durferrit Granulat 6 — cementacijo smo izvršili pri temperaturah 850°, 900° in 950° C — čas cementacije pa je bil vsakokrat 2, 5 in 10 ur — ohlajevanje v zabojih na zraku b) cementacije v plinu — sredstvo za cementacijo: svetilni plin z manjšim dodatkom mešanice butan propan — temperatura in časi cementacije isti kot pri trdnem sredstvu — ohlajevanje v izolacijskem sredstvu jeklo C 1121 C 4320 T Cas Granulat 6-G Plin - P Granulat 6-G lemp-(ure) s Pb s Pb s Pb Plin - P s Pb 8503 C 5 0.80 0.82b 1.00 1.05 0.85 0.83 1.19 1.26 10 0.87 0.85 1.07 1.05 0.86 0.87 1.35 1.14 2 0.81 0.83 0.65 0.49 0.84 0.84 0.64 0.58 9003 C 5 0.91 0.90 1.04 0.93 0.91 0.88 1.05 1.10 10 0.94 0.96 1.15 1.12 0.97 1.00 1.70 2.00 2 0.92 0.93 1.13 1.06 0.98 0.98 1.08 1.18 950° C 5 0.99 0.95 1.14 1.14 1.03 1.04 1.69 1.29 10 1.12 1.10 1.07 1.08 1.10 1.07 1.72 1.46 Tabela 13: Analiza variance Oznaka jekla R2 izračunan F (a = 0,05) iz tabel C 1120 C 1120 Pb 0.0031 7.4 7.71 C 4-320 C 4320 Pb 0.002 0.49 7.71 S 95 % statistično gotovostjo lahko trdimo, da v pogledu površinskih količin ogljika med jekli s svincem in brez svinca ni razlik. Tudi pri nitri-ranju nismo opazili nobenega vpliva svinca na lastnosti nitriranega sloja (slika 15). Kaljenje cementiranih vzorcev je dalo pričakovane rezultate brez očitnih razlik med variantami jekla s svincem in brez njega. Dosežene trdote po kaljenju preizkušancev, ki so bili cementirani v granulatu Durferrit 6 na temperaturi 900° C 6 ur, so zbrani v tabeli 14 (vsak podatek je povprečje 15 meritev). Slika 15 Potek trdote v nitriranem sloju Tabela 14: Trdote po cementiranju in kaljenju Oznaka Temper. Trdota HRC jekJa kaljenja (voda) (olje) C 1121 Pb 810° C 67.5 35.0 C 1121 810° C 67.5 35.0 C 4320 Pb 840° C 64.5 64.3 C 4320 840° C 64.6 64.7 ATJ 100 Pb 810° C 66.6 Č 3990 810° C 66.6 Preiskali smo tudi obrobno kaljivost jekel. Vzorci za te preiskave so bili cementirani v gra-nulatu Durferrit 6 pri temperaturi 950° C 10 ur. Vsebnost ogljika v cementiranih plasteh je prikazana na si. 16. Dobljeni diagrami obrobne kaljivosti kažejo določene razlike med različnimi variantami jekel, ki pa za tako delikaten preizkus niso velike (si. 17). Na osnovi preiskav obrobne kaljivosti jekel, zopet lahko trdimo, da prisotnost svinca nima pomembnega vpliva na sposobnost jekla za cementacijo. Slika 16 Gradient ogljika v cementirani plasti. oddaljenost [mm] Slika 17 Diagram obrobne kaljivosti jekla č 1120 s in brez svinca 2.7 Vpliv prisotnosti svinca na kaljivost in trdnostne lastnosti jekla Č 1530 v poboljšanem stanju Laboratorij za preiskave: Fizikalni laboratorij — Raziskovalni oddelek Železarna Jesenice Kaljivost več šarž jekla Č 1530 s svincem in brez njega smo preiskali s pomočjo standardnega Jominy preizkusa. Na podlagi medsebojne primerjave preiskovanih in primerjalnih jekel ter položaja krivulj v kalilnem pasu kvalitete jekla Č 1530 proizvodnje Železarne Jesenice (si. 18) lahko zaključimo, da prisotnost svinca nima vpliva na kaljivost jekla Č 1530. Preiskave trdnostnih lastnosti v poboljšanem stanju smo izvršili na vzorcih eksperimentalne šarže 10 7038 z mikrotrgalnimi probami. Vzorci so bili iz temp. 850° C kaljeni v vodi. Napuščni diagram je prikazan na si. 19 in ne kaže razlik med obema variantama jekla. Preiskave trdnostnih lastnosti poboljšanega jekla pri povišanih temperaturah pa kažejo povečano krhkost svinčevega jekla pri temperaturah v okolici tališča svinca (si. 20.). o S 10 15 20 25 30 35 «0 45 50 55 M t5mm • _i-1-1-1-1-1-1-'--■ ' Slika 18 Kaljivost jekla C 1530 z in brez svinca (po Jominiju). 150 130 E 110 E 90 to 70 50 s\ \o v -Č 1530 -----Č 1530Pb ! \ \ S k \s • VN L 400 450 500 550 600 650 700 Temperatura napuščanja ("C) Slika 19 Napuščni diagram jekla C1530 z in brez svinca. Krhkost svinčevih jekel pri kritičnih temperaturah narašča z naraščajočo trdoto jekla. Opisani fenomen, ki je za Cr-Mo svinčeva jekla opisan v literaturi (16), lahko pomeni določeno omejitev uporabnosti svinčevih jekel, če so obratovalne temperature strojnih delov v kritičnem temperaturnem območju. ZAKLJUČKI Zaključki, ki so pomembni za razumevanje vpliva prisotnosti svinca na lastnosti jekel, so naslednji: 1. V blokih svinčevih jekel je svinec enakomerno porazdeljen v vseh tistih območjih, kjer so tudi ostali legirni elementi enakomerno porazdeljeni. Dokazano je, da prisotnost svinca ne vpliva na porazdelitev ostalih legirnih elementov v jeklu. e N O "k 20 200 250 300 350 C00 <50 500 Ttmperatura prerskušanja l 'C ) Slika 20 Razmerje raztezkov in kontrakcij svinčevega in osnovnega jekla C 1530 v poboljšanem stanju 2. Ves svinec je v jeklu izločen v vključkih v kovinski obliki. Vključki svinca so izolirani ali pa asociirani z ostalimi nemetalnimi vključki v jeklu. 3. Med vročo predelavo se izolirani vključki svinca razpotegnejo v smeri deformacije močneje kakor nemetalni vključki. V asociiranih vključkih zavzame svinec po deformaciji značilen položaj, ki sovpada z votlinami ob nemetalnih komponentah. Med hladno predelavo pride do fragmentacije lamel svinca brez tvorbe praznin. 4. Vključki svinca predstavljajo v matici jekel statično in stabilno fazo, pri kateri so vse spremembe položaja le navidezne in so posledica transformacij, oz. rasti osnovnih strukturnih komponent jekla. Glede vpliva svinca na fizikalne in tehnološke lastnosti pa lahko zaključimo naslednje: 5. Svinčeva jekla imajo zmanjšano sposobnost za preoblikovanje v vročem ter nespremenjeno sposobnost za preoblikovanje v hladnem pri zmernih deformacijah. 6. Zaradi prisotnosti svinca se v vseh primerih izboljša obdelovalnost, vendar pa je to izboljšanje različno pri različnih vrstah jekel. 7. Svinčeva jekla imajo nižjo žilavost in trajno utripno trdnost, vendar po morfologiji prelomov ni mogoče trditi, da prisotnost vključkov svinca vpliva na mehanizem preloma jekla. 8. Svinec v cementacijskih jeklih nima vpliva na cementacijske in kalilne lastnosti jekel. 9. Pri temperaturah v okolici tališča svinca je dokazana krhkost svinčevih jekel, ki je tem večja, čim trše je jeklo. Literatura 1. A. Razinger: Železarski zbornik 8 (1974), št. 2, str. 99—109. 2. A. Razinger: Magistrsko delo -— Jesenice 1973. 3. L. Kosec in sodelavci: Poročilo Metalurškega inštituta — naloga 295, Ljubljana 1974. 4. W. E. Brovver: Metallurgical Transaction (1972), vol. 3, str. 3025—3031. 5. A. P. Weaver: Trans. A. S. M. (1957), 49, str. 464—481. 6. A. Kveder: Železarski zbornik 4 (1970), št. 3, str. 167—178. 7. B. Brudar: Železarski zbornik 7 (1973), št. 2, str. 101—108. 8. K. Kuzman, A. Razinger: Železarski zbornik 7 (1973) 4, str. 189—197. 9. B. Rudolf: Diplomsko delo št. 1788 — Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 1972. 10. A. Razinger: Železarski zbornik 2 (1968), št. 1, str. 21—34 11. Dr. Peklenik in sodelavci: Raziskave obdelovalnosti jekel s posebnim poudarkom za obdelavo na avtomatih. Poročilo št. 130 inst. LAKOS, Ljubljana 1973, (sof. SBK). 12. Bajželj Miro: Diplomsko delo št. 1774 — Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 1972. 13. Šink Jakob: Diplomsko delo št. 1689 — Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 1972. 14. A. Razinger, L. Kosec: Poročilo raziskovalnega oddelka ŽJ, št. 36/1973, Jesenice 1970. 15. A. Kveder: Poročilo Metalurškega instituta v Ljubljani, Naloga 188, Ljubljana 1973. 16. S. Mostovoy, N. N. Breoer: Trans. ASM196 1, vol. 61, str. 219—232. ZUSAMMENFASSUNG Ziel dieser Arbeit war den Einfluss der Bleianwesen-heit auf die Zerspannbarkeit, auf die physikalischen und technologischen Eigenschaften des Stahles festzustellen und zu erlautern. Die Untersuchungen sind an vier ver-schiedenen representativen Stahlsorten mit und ohne Blei legiert, an derselben Schmelze durchgefiihrt worden. Die festgestellten Unterschiede konnen deshalb mit Sicherheit der Bleianwesenheit zugeschrieben werden. Im Bezug auf die verschiedenen Literaturangaben haben wir in unserer Arbeit besonderen Wert den Untersuchungen der Form und der Verteilung des Bleies bei den Bedingungen der plasti-schen Verformung und Zerstorung der Proben gelegt. Dazu ist die Elektronnenmikroanalyse als Untersuchungsmetho-de angewendet worden: Die Bleieinschlusse stellen in der Stahlmasse eine statische und stabyle Phase dar. Das Verhalten der Stahle bei den Bedingungen der plastischen Verformung haben wir an warmen Torsions-proben und kalten Stauchproben studiert. Wir haben fest-gestellt, dass das Blei im Stalil die plastischen Eigenschaften im warmen Zustand verschlechtert, dass es aber keinen Einfluss auf die plastische Eigenschaften im kalten Zustand hat. Diese letzte Feststellung halten wir fiir sehr wichtig. In der Hinsicht der Festigkeitseigenschaften kann kein Unterschied zwischen den mit Blei legierten und nicht-legierten Stahlen beobachtet werden. Eine nur kleinere Verschlechterung der Zahigkeit und Dauerfestigkeit konnte beobachtet werden, wobei aber durch die mikrofrakto-graphischen Untersuchungen der Bruchflachen der Grund dazu nieht festgestellt werden konnte. Die Untersuchungen haben auch eine grossere Sprodigkeit der Vergiitungsstahle im Bereich der Bleischmelztemiperatur ergeben. Die Einsatzhartungsuntersuchungen an Stahlen haben ergeben, dass die Amvesenheit von Blei im Stahl keinen Einfluss auf die Hartungseigenschaften der Stahle hat. Einen giinstigen Einfluss des Bleies auf die Zerspannbarkeit haben wir auch mit der Gevvichtsvorschub-verfahren Methode und mit den Industrieversuchen be-statigt. Die Untersuchungsergebnisse sind sowohl fiir den Erzeuger, wie auch fiir den Verbraucher direkt anvvendbar. SUMMARY The paper presents and explains the influence of lead on workability, and physical and technological properties of steels. Samples of four general steels once with usual composition and once with added lead but of the same batch were investigated. The found differencies can thus be surely attributed to the presence of lead. Because of numerous data in references the emphasis of our investi-gations was devoted to the shape and distribution of lead during forming and breaking of samples. Electron micro-analysis was used in this investigations. Lead inclusions were found to be a constant and stable phase in the steel matrix. Steel behaviour during forming was studied by the hot torsion test and bv the cold tensile test. Presence of lead was found to deteriorate the hot plasticity of steel but has no influence on the cold plasticity. The latter finding is very important. There vvas found also no difference between the strength of steels with lead and without it. Slight deterioration was observed in toughness and fatigue strength, but microfractographic investigations of frac-tures could not explain the reasons. Increased fragility of steels for tempering at the temperatures close to the melting point of lead were confirmed. Studies of čase ha~dening showed that lead has no influence on the case-hardening and quenching properties of steel. Favourable influence of lead on the machinability was confirmed by investigations with constant feed pressure and by the industrial tests. Results of investigations are useful for the manufac-turers and the consumers of lead steels. 3AKAKMEHHE IJieAb H3yHeHHH 6bIAa OnpeAeAIITb H o6bJICHHTb BAHflHHe HaAHHHfl BCHHiia Ha npuroAHOCTb k o6pa6oTKH a TaioKe Ha <|)H3HHecKHe h TexH0A0rHHecKHe CBOHCTBa CTaAeii. HccAeAOBaHHH BbinoAHJiAH Ha o6pa3U[ax yeTbipex penpe3eHTaTHBHbix coptob ctaah b ochobhoh H B MOAH(J)HKamiH C CBHHLJOM O AH OH H TOH >Ke HIHXTbI. Il03T0My vctahobaehhbie pa3HHqbi mo>kho c haae»choctbk) npHnncaTb npn-CyTCTBHH CBHHHa. YHHTaH MHOrOHHeCACHHbie CBeAeHHH B AHTepaType, HCCAeAOBaTeAH ocoSeHHoe BHHMaHHe oGparaAH Ha ^opMV H pacnpe-AeAeHHe CBHHHa b ycAOBHax nAacTHHecKOH Ae4>opMauHH h pa3py-UieHHH 06pa3H0B. ripH HCCAeAOBaHHH ynOTpe6HAH SAeKTpOHHblH MHKpoaHaAHTHMecKHii MeTOA. HccAeAOBaHHeM onpeAeAHAH, ito BKAIOHeHHH CBHHna npeACTaBAHIOT Co6oi*I b OCHOBHOH Macce CTaAH CTaTH^ieCKVK) II CTaSlIAbHbllO 4Ja3V- IloBeAeHiie CTaAH npn ycAOBHflx nAacTHMHOH AecfiopManHH H3y-laAH Ha o6pa3uah HcnbiTaHiieM Ha npoMHOCTb npn KpyjeHHH B rop-jmeM COCTOHHHH H HCIlblTaHHeM Ha CJKaTHe B XOAOAHOM. OnpeAeAHAH, hto npncyTCTBye CBHHna ocAaoAfleT nAaCTii^HOCTt CTaAH b ropu-HTO npHCVTCTBHC CBHHna OCAaGAseT IIAaCTUMHOCTL B XOAOAHOH nepe-pa6oTKH. 3to cbohctbo, no MHeHiiio HcCAeAOBaTCACH HMeeT Da>Kfioe 3HayeHHe. *Ito KacaeTCH npoiHOCTH, Me)KAy CTaAaMH c cbhhuom h 6e3 Hero pa3Hima He očHapvaceHa. He3HaiiiTeALHoe ocAaSAeHHe 06HapyaceH0 npn BH3KOCTH h AAHTeABHoii nyAB3Hpyemeft npoiHOCTH, HO yCTaHOBHTb npHHHHy 3TOra HCCAeAOBaHHeM nOBepXHOCTH H3AOMa nyTeM mhkpo paKTorpaHiiecKiix chhmkob ne yAaAocb. HccAeAOBaHHeM AOKa3aAH noBbnneHiie xpynKOCTH npn CTaAHX aah yAy>imeHiiH npn TeMnepaTypax b npeAeAax okoao tomkh nAaBAeHH« CBHHna. HccAeAOBaHHH ueMeHTamm CTaAH noKa3aAH, ito npHCyTCTBHe CBHHHa B CTaAH He HMeeT HHKHKOTO BAHHHHH Ha CBOHCTBa CTaAH npH 3aKaAKe h neMeHTaijHH. EAaronpiiHTHoe BAHHHHe CBHHna Ha 06pa6aTUBaeM0CTb AOKa-3aAH TaK>Ke HCCAeAOBaHHeM MeTOAOM c noAaieii K0HCTaHTH0ra AaB-AeHna a Taioice onbiTaMH b npoMbniiAeHHOCTH. Pe3yAbTaTbI 3THX HCCAeAOBaHHH npHMeHHMbl OAHHaKOBO aax npOH3BOAHTeAS H nOTpeBHTeAS CBHHUOBbIX CTaAefi.