Preiskave jekla C. 4850-OCR 12 V M na elektronskem mikroanalizatorju DK: 669.14.018.25 : 669.15-196.58 ASM/SLA: M 21 e; TSh Jože Rodič, Franc Vodopivec, Boško Ralič Visokolegirano orodno jeklo Č.4850 — OCR 12 VM z 1,52 % C, 11,4 % Cr, 0,82 % Mo in 0,92 % V je eno izmed 11 različnih vrst orodnih jekel, ki jih sistematično raziskujemo v okviru raziskovalnega projekta Iedeburitnih jekel. Iz celotnega matričnega programa variacij toplotne obdelave smo izbrali nekaj tipičnih stanj: žarjeno, podkaljeno, normalno kaljeno, pregreto, visoko popuščano. Analize z elektronskim mikroanalizatorjem naj bi dopolnile številne druge preiskave s porazdelitvijo in profilom koncentracije elementov v osnovni matici in različnih vrstah karbidov v odvisnosti od pogojev toplotne obdelave. Preiskave na elektronskem mikroanalizatorju so bile izvršene v okviru projekta raziskav Iedeburitnih orodnih jekel na vzorcih jekla Č.4850 — OCR 12 VM z naslednjo kemijsko sestavo: C = 1,52 %; Cr = 11,4 %; W = 0,10 %; Mo = 0,82 %; V = 0,92 %; Ni = 0,18 %; Si = 0,13 %; Mn = 0,31%; S = 0,006 %; P = 0,026 %; Cu = 0,18 %. Vzorci so bili v naslednjih stanjih toplotne obdelave: oznaka vzorca PŽ 5 P1 P 51 P 60 P 101 P 110 stanje žarjeno kaljeno 900° C v olju kaljeno 1040° C v olju kaljeno 1040° C v olju in popuščano na 700° C kaljeno 1240° C v olju kaljeno 1240° C v olju in popuščano na 700° C Za opredelitev sestave karbidov in kovinske osnove v jeklu so bile izvršene preiskave po metodah površinske, linijske in točkaste analize na elektronskem mikroanalizatorju metalurškega inštituta v Ljubljani. Jože Rodič je diplomirani inženir metalurgije in vodja službe za razvoj tehnologije, izdelkov in metalurške raziskave v Železarni Ravne Franc Vodopivec je doktor metalurških znanosti in samostojni raziskovalec na metalurškem inštitutu v Ljubljani Boško Ralič, višji tehnik na metalurškem inštitutu v Ljubljani Z analizami po metodi površinske in linijske analize posameznih vzorcev smo prišli do naslednjih ugotovitev: VZOREC PŽ 5 V MEHKO ŽARJENEM STANJU Slika 1 kaže elektronski posnetek in specifične X-posnetke koncentracij posameznih elementov pri 600-kratni povečavi. Na teh posnetkih so za železo in dodane karbidotvorne elemente prikazani še profili koncentracij za nakazani položaj linijske analize. Za vsak vzorec smo še dodatno izvršili linijsko analizo na drugem značilnem mestu in natančneje registrirali profil koncentracij železa in dolegira-nih karbidotvornih elementov kroma, molibdena in vanadija. Tak posnetek z registrirnega traku prikazuje za vzorec PŽ 5 slika 2. Večja kardibna zrna so bogata z vanadijem, kromom in molibdenom, drugih elementov pa je v karbidih enako ali manj kot v kovinski osnovi. Železa je v karbidih znatno manj kot v kovinski osnovi. Natančnejši pregled koncentracijskih profilov pokaže, da obstaja razlika med sestavo kompaktnih evtektičnih karbidov in področji koncentriranih drobnih sekundarnih karbidov. Prvi imajo mnogo manj železa in mnogo več molibdena ter vanadija, medtem ko so razlike v koncentraciji kroma precej manjše. Č4850-0CR12VM VzotkI PŽS Žarjtno jSLm, Slika 2 Registriran profil koncentracije železa in dolegiranih karbidotvornih elementov za vzorec PŽ S v žarjenem stanju. Fig. 2 Registered concentration profile of iron and alloyed carbide-forming elements in PŽ 5 sample, annealed C.4<550- OCR 12 VM Slika 1 Fig. 1 Elektronski posnetek, specifični X - posnetki in profili kon- Electron picture, specific X-ray pictures and concentration centracij posameznih elementov vzorca PŽ 5 v žarjenem profiles of single elements in Pž 5 sample, annealed stanju (pov. 600 x). (Magnification 600 x) C.4850-OCR 12 VM Slika 3 Fig. 3 Elektronska posnetka pri dveh različnih povečavah, speci- Electron pictures at two different magnifications, specific fični X posnetki in profili koncentracij posameznih ele- X-ray pictures and concentratlon profiles of single mentov za vzorec P 1 kaljen z 900° C v olju. elements in P 1 sample, quenched from 900° C in oil Pri evtektičnih karbidih opazimo zelo ostro V osnovi so nihanja koncentracije molibdena izraženo močno povečano vsebnost vanadija in v smislu rahlih izcej bolj očitna kot pri vanadiju molibdena, vsebnost kroma pa je precej manj in kromu, pri katerih izrazito povečanje vsebnosti izrazito povečana. V področjih zgostitve drobnih pri večjih karbidih ostro sovpada s konturami sekundarnih kardibov opažamo namesto takih karbidov. Omenili pa smo že, da so pri vanadiju izrazitih razlik samo obogatitev kroma, vanadija in molibdenu zelo velike razlike med večjimi kar- in molibdena ter osiromašitev železa. bidi in področji drobnejših karbidov. 20/jm Slika 4 Mikrostruktura vzorca P 51 kaljenega s 1040° C v olju. Fig. 4 Microstructure of P 51 sample, quenched from 1040* C in oil Vzorec P 1 — kaljen z 900° C v olju Površinska analiza je pokazala, da ni velikih razlik v primerjavi z mehko žar j enim vzorcem PŽ 5 (slika 3). Pri tem moramo poudariti, da je temperatura kaljenja 900° C prenizka in je bila tudi namenoma tako izbrana za »podkaljenje«. Vzorec P 51 — kaljen s 1040° C v olju Mikrostruktura tega vzorca, ki je v glavnem normalno kaljen, je prikazana na sliki 4. Površinska in linijska analiza tega vzorca na sliki 5 ne kažeta kakih bistvenih razlik v primerjavi s prejšnjimi ugotovitvami. Sliki 6 in 7 kažeta primerjavo vsebnosti karbi-dotvornih elementov med osnovo, značilnim evtek- Slika 5 Elektronski posnetek, specifični X - posnetki in profili koncentracij posameznih elementov za vzorec P 51 kaljen s 1040° C v olju. Fig. 5 Electron picture, specific X-ray pictures, and concentration irofiles of single elements in P 51 sample, quenched from 1040° C in oil tičnim in karbidom in karbidom nepravilne in neizrazite oblike ali nekakim karbidnim gnezdom. Razlike koncentracij med osnovo in karbidom so za molibden in vanadij zelo velike, pri kromu pa mnogo manjše. Pri karbidih »nepravilne« oblike pa sta razliki vsebnosti molibdena in vanadija med osnovo in karbidom mnogo manjši, pri kromu pa je vsebnost v takem karbidu skoraj enaka kot pri večjem evtektičnem karbidu, razlika proti osnovi pa skoraj enaka. ČA850-0CR12VM Vzorec J PSI Kaljeno KMO°C - olje AvVAAJ Slika 6 Profila koncentracije molibdena in kroma. Fig. 6 Concentration profiles of molybdenum and chromium Slika 7 Profila koncentracije molibdena in vanadija. Fig. 7 Concentration profiles of molybden and vanadium Če ob profilu molibdena primerjamo osiroma-šitev železa, vidimo, da je ta pri obeh vrstah karbidov skoraj enaka, medtem ko so v molibdenu zelo velike razlike (slika 8). Slika 8 Profila koncentracije molibdena in železa. Fig. 8 Concentration profiles of molybdenum and iron Vzorec P 60 — kaljen s 1040° C v olju in popuščan na 700° C K sliki 9 bi lahko dali podoben komentar, saj kažejo odnosi vsebnosti posameznih elementov v karbidih in osnovi enake značilnosti. Vzorec P 101 — kaljen s 1240° C v olju Mikrostruktura je zaradi pregretja bistveno drugačna kot pri vseh prejšnjih vzorcih (slika 10). Velika avstenitna zrna obkroža evtektična mreža. Evtektična polja okrogle oblike najdemo ponekod tudi v sredini teh zrn. Na nekaterih drugih mestih opazimo v avstenitnem zrnu karbide oglatih oblik (slika 11). Evtektična faza je bogata s kromom, vanadijem in molibdenom ter siromašna z železom. Linijska analiza, ki je prikazana s kontamina-cijsko sledjo in profilom koncentracije, je pokazala zelo definirane sestave obeh faz, trdne raztopine in evtektika, kar je zaradi visoke temperature avstenizacije razumljivo. Trdna raztopina ima zelo enakomerno sestavo, sestava evtektika pa ni povsod enaka. Razmerje med vsebnostjo molibdena, vanadija in kroma je približno konstantno, tako da se vsebnost teh treh elementov spreminja paralelno navzgor ali navzdol, spreminja pa se razmerje med njihovo vsoto in količino železa v evtektiku. Č4850-0CR12VM Vtarac 3 PSI Katjino ttCC-ofje Č.4850-0CR12VM l'zoreč 3 P 51 Kaljeno 10W°C-o!je f Slika 9 Elektronski posnetek, specifični X - posnetki in profili koncentracij posameznih elementov za vzorec P 60 kaljen s 1040° C v olju in popuščan na 700" C. Fig. 9 Electron picture, specific X-ray pictures, and concentration profiles of single elements in P 60 sample, quenched from 1040° C in oil and tempered at 700° C Na drugem mestu smo še natančneje registrirali profil koncentracij posameznih legirnih elementov in železa. Na poti, ki jo prikazuje kontaminacij ska sled, smo dobili profile, prikazane na sliki 12. Evtektik, ki nastaja pri pregretju, je večkrat precej nehomogen. Največje so nehomogenosti, ki so izražene s profilom molibdena. Pomembne so tudi razlike med evtektikom, ki tvori mrežo okrog avstenitnih zrn in karbidi v notranjosti zrna. Karbidi v notranjosti avstenitnih zrn so bolj homogeni in bogatejši s karbidotvorni-mi elementi kot evtektik. To je razumljivo že po osnovnih značilnostih teh mikrostruktur. Evtektik, ki obdaja zrna, je bil sestavljen iz karbidov in avstenita, ki je po izločanju sekundarnih karbidov razpadel po perlitni reakciji v alfa železo in karbide. Na nekaterih mestih zasledimo v notranjosti velikih avstenitnih zrn karbide, ki so v bistvu otočki tipične evtektične konfiguracije z značilno obliko ledeburita. Ti se po nivojih legirnih elementov skoraj izenačujejo z evtektično mrežo po mejah zrn in se po koncentracijah posameznih elementov bistveno razlikujejo od posebnih — kompaktnih karbidov okrogle ali oglate oblike v notranjosti zrn. Razlike vsebnosti molibdena in vanadija so v teh primerjavah mnogo večje kot razlike vsebnosti kroma. Vzorec P 110 — kaljen s 1240° C v olju in popuščan na 700° C Značilna mikrostruktura tega vzorca je prikazana na sliki 13. Slika 10 ► Elektronska posnetka pri dveh različnih povečavah, specifični X - posnetki in profili koncentracij posameznih elementov za vzorec P 101 kaljen s 1240° C v olju. Fig. 10 Electron pictures at two different magnifications, specific X-ray pictures, and concentration profiles of single elements in P 101 sample, quenched from 1240° C in oil buux C.4650 -OCR 12 VM Elektronski posnetki, specifični X - posnetki in profili koncentracij so prikazani na sliki 14 in kažejo zelo podobne značilnosti, ki smo jih opisali pri kaljenem vzorcu P 101. ES 300x ES 600x i ■ , ■■-v PC • ^Ir •"> ' i- 1 'I fc-llf f * f r m - -'"SEK^sa C4850-0CR12VM a Vzorec 5 PI01 Ž | Kaljeno 1240 °C -olje g 5 O SCO, ° 5 " "5 tO Dl N , Mo Slika 12 Profili koncentracij legirnih elementov in železa na poti, ki jo prikazuje kontaminacijska sled. Fig. 12 Concentration profiles of alloyed elements and iron along the contamination path Na sliki 14 cikcakasti profil koncentracije pri prehodu evtektične mreže (posebno izrazito pri kromu) jasno ponazarja zgradbo rebrastega ev-tektika. V mikrostrukturi tega vzorca opazimo poleg trdne raztopine in evtektika (kakor v vzorcu P 101) še reliefna polja bainitnega karakterja, nastala po razpadu zaostalega avstenita in popuščanju mar-tenzita (slika 15). Površinska analiza kakor tudi profil koncentracij pri linijski analizi ni pokazal v teh bainitnih poljih večjih razlik v vsebnosti legirnih elementov. 20 /im I--—i Slika 11 Mikrostruktura vzorca P 101 kaljenega s 1240° C v olju. Fig. 11 Microstructure of P 101 sample, quenched from 1240° C in oil .v itip p** mm |20^mJ Slika 13 Mikrostruktura vzorca P110 kaljenega s 1240° C in po-puščanega na 700" C. Fig. 13 Microstructure of P 110 sample, quenched from 1240° C and tempered at 700° C KVANTITATIVNE MERITVE NA ELEKTRONSKEM MIKROANALIZATORJU Te meritve smo napravili le na treh tipičnih vzorcih: na žar j enem vzorcu z oznako PŽ 5, na vzorcu, ki je bil kaljen pri 1040° C, in na vzorcu, ki je bil kaljen pri 1240° C. Na osnovi rezultatov površinske in linijske analize smo namreč sklepali, da analiza drugih vzorcev verjetno ne bi pokazala pomembnejših posebnosti. Slika 14 ► Elektronska posnetka pri dveh različnih povečavah, specifični X - posnetki in profili koncentracij posameznih elementov za vzorec P 110 kaljen s 1240° C v olju in popuščan na 700° C. Fig. 14 Electron pictures at two different magnifications, speciflc X-ray pictures, and concentration profiles of single elements in P 110 sample, quenched from 1240° C and tempered at 700° C E S 300x ES 600x Slika 15 Profili koncentracij legirnlh elementov in železa na poti, ki jo prikazuje kontaminacijska sled. Fig. 15 Concentration profiles of alloyed elements and iron along the contamination path Zaradi neenakomerne sestave v mikronskem merilu s točkastim merjenjem smo določili povprečne sestave osnove, oz. trdne raztopine v stiku s karbidnimi zrni le na dveh vzorcih; pričakovali smo namreč, da bomo sestavo osnove lahko določili iz linijske analize s pomočjo sestave karbidov. Pokazalo pa se je, da se sestava karbidov, ki so po morfološkem videzu enaki, precej razlikuje, zato niso primerni za kalibracijo. Dopolnilne analize osnove se dajo po potrebi hitro izvršiti, ker lahko uporabimo že izračunane korekcijske faktorje. Upoštevajoč vse karakteristike izvršenih meritev, sodimo, da so ugotovljene povprečne vsebnosti posameznih elementov v karbidih in osnovi dokaj zanesljive, razen pri železu, za katerega so določene vsebnosti gotovo nekoliko previsoko zaradi fluorescence okolice. Računsko pač tega povečanja ni mogoče opredeliti. Tudi glede upoštevanja zanesljivosti posameznih korekturnih faktorjev je vsebnost železa najmanj zanesljiva. Karbidna zrna v vseh primerih vsebujejo le sled mangana in volframa. Naj omenimo, da vzporedno opravljamo zelo obsežno raziskovalno nalogo, ki obsega razvoj optimalne elektrolitske izolacije karbidov ter mi-krokemijsko in rentgensko analizo karbidov. Po zaključku prve faze se bomo v nadaljevanju posebej posvetili povezovanju rezultatov, dobljenih z analizami na vseh omenjenih področjih, kar bo prav gotovo imelo velik pomen. Zaenkrat možnosti neposrednih primerjav še nimamo, saj bo treba vsekakor analize po različnih metodah izvajati na istih vzorcih. Prav na kratko skušaj mo povezati kvantitativne točkovne analize s prej opisanimi linijskimi analizami. Na sliki 16 a imamo primerjavo dveh različnih tipov karbidov za žarjeni in normalno kaljeni vzorec: Razlike med obema tipoma karbidov v žarje-nem stanju niti niso tako velike, kot bi jih pričakovali po ugotovitvah linijske analize po registriranih profilih koncentracij. Ugotovitve, dobljene po obeh vrstah meritve, pa se lepo potrjujejo, četudi kvantitativni odnosi niso povsem neposredni. Ker na sliki 16a ni prikazana osnova, naj posebej omenimo, da vsebujejo drobna karbidna zrna v žarjenem vzorcu približno dve tretjini več molibdena kot okolišnja osnova ter trikrat več kroma kot osnova med njimi. Že pri komentiranju rezultatov linijskih analiz in specifičnih X-posnetkov smo ugotovili, da se karbidi v žarjenih in normalno kaljenih vzorcih med seboj bistveno ne razlikujejo. Točkaste kvantitativne meritve te ugotovitve samo potrjujejo, kakor vidimo na sliki 16 a. Slika 16 a Kvantitativna analiza žarjenih in normalno kaljenih vzorcev jekla C.4850 — OCR 12 VM na elektronskem mikroanalizatorju. Fig. 16 a Quantitative analysis of annealed and normalIy quenched C.4850 — OCR 12 VM steel samples in electron mlcro-analyzer Slika 16 b Kvantitativna analiza pri kaljenju pregretih vzorcev jekla Č.4850 — OCR 12 VM na elektronskem mikroanalizatorju. Fig. 16 b Quantitative analysis of č. 4850 — OCR 13 VM steel samples, overheated before quenching, in electron microana!yzer CIS50-0CR12VM Vzorec S Pno papufctof« ax°c o 8 Fff Jeklo C 050 0CRI2VM Vzorec 1.2 PŽ5-n*f*o iorjen 3. i PSI-kajcnlOtO°C v olju Kvantitativna analiza no elektronskem miHAio KoimeH-Tpaimit 3AeMeHTOB b ochobhoh Macce, a TaKHce o pacnpeAeAeHHio pa3AHMIIbIX BHAOB Kap6lIAOB B 33BHCHMOCTH OT pe2KHM3 TepMOOČpa-COTKH. VCTaHOBAeHHO, MTO npH oto>K>KeHHbIX, 3aKaAeHHbIX C HeAOrpeBOM h HopiuaAbHo 3aKaAeHHbix o6pa3itax cymecTByeT pa3Hima b co- CTase KOMnaKTHbix 3BTeKTHHecKHx KapCHAOB h o6AacTeft KOHueH-TpnpoBaHHbIX MeAKHX BTOpHMHbIX KapSuAOB. IlepBbie coAep>KaT ro-pa3AO MeHbme Fe, ropa3AO SoAbme Mo h V, pa3HHUbi npn Cr ro-pa3Ao MeHbiue. IIpii nporpeTbix oopaanax MHKpocTpyKTypa cymecTBeHHO Apy-raa; nOAy«[aiorca doAbmne pa3HHijbi Me)KAy sbtckthkoh no rpaHHijax 3epeH h pasAHMHbiMH BHAaMH KapSiiAOB. 3rtckthk oneiib HeroMO-reHHbift b oco6eHHOc™ npn KOimempamias MOAllSACHa. B BHyTpeH-HOCTH 3epeH KapBiiAbi coAepacaT SoAbine Kap6iiAoo6pa3yiomHX 3Ae-MeHTOB MeM 3BTeKTHK. Ha O0pa3uax b oroaoKeiiiioM cocToaHHii, HopMaAbHo 3aKaAeinmx h ciiAbHO nporpeTbix npn 3aKaAKe BMnoAHeHa TaKJKe cepnja koah-as. Co-CTaB KapSlIAOB, KOTOpbie MOp4>oaorh'ieCKH BblTAHAVTb OAHHaKOBO BeCbMa pa3AHHHhlfi.