Raziskava mikroizcej v jeklu UTOP Mo 2 s strjevalno mikrostrukturo UDK: 669.153.258.8:620.184.2 ASM/SLA: TS, M9-69 M. Torkar*, F. Vodopivec*, B. Ralič*, A. Rodič**, J. Rodič** Raziskava je osredotočena na dogajanje v jeklu med ogrevanjem pred valjanjem. Mikro homogenost jekla je bistvenega pomena za doseganje dobre vzdržljivosti orodij za delo v vročem. Pokazalo se je, da dosedanji interni predpisi predvidevajo prekratke čase homogenizacijskega žarjenja. kar onemogoča doseganje zadovoljive homogenosti jekla. A. UVOD Že dalj časa smo pogrešali raziskavo1, ki bi posegla na vmesno področje med jeklarstvo in predelavo, to je na področje dogajanj med strjevanjem in po strjevanju jekla. Material za orodje za delo v vročem mora imeti visoko trdnost in visoko mejo plastičnosti pri povišani temperaturi, dobro zadržanje trdote, visoko odpornost na obrabo, dobro žilavost in majhno občutljivost na temperaturne šoke. Vse te lastnosti so odvisne predvsem od mikrostruk-ture in od kemične sestave jekla. Za doseganje dobre žilavosti in trdnostnih lastnosti jekla za delo v vročem je predvsem pomembna mikro homogenost jekla. Literatura2 navaja, da je kontrakcija komercialnih orodnih jekel po končni toplotni obdelavi med 5 in 8 %, medtem ko pri mikrohomogenem jeklu z enako sestavo dosežemo kontrakcijo celo 40 % in več ter bistveno boljšo zdržljivost orodij. Z ustreznim žarjenjem je mogoče zagotoviti dobro homogeno sestavo, celo če je jeklo močno izcejano. Boljše od klasično izdelanih je EPŽ pretaljeno jeklo, ki kaže visoko stopnjo mikro homogenosti in ima po ustrezni toplotni obdelavi izotropne mehanske lastnosti. B. NAMEN DELA Pri dendritnem strjevanju jekla, ki se pojavlja skoraj pri vseh industrijskih jeklih, se pojavijo mikroizceje, ki predstavljajo lokalne koncentracijske spremembe. Den-dritne veje, ki rastejo v podhlajeno talino, se strjujejo kot relativno čista kovina; talina, ki te veje obkroža, pa se bogati z legirnimi elementi, in ko se strdi, predstavljajo področja med dendritnimi vejami mesta s povišano koncentracijo legirnih elementov. Poleg teh lokalnih koncentracijskih sprememb zasledimo v blokih tudi razlike v koncentracijah na daljše razdalje, kar imenujemo blokovne izceje. * — SŽ Metalurški inštitut, Ljubljana ** — SŽ Železarna Ravne Z izcejami nastalo razliko v koncentracijah označimo kot stopnjo izcejanja »k«, ki je definirana s: C k _ c kjer je: k — stopnja izcejanja Cmax — koncentracija elementa med dendriti Cmin — koncentracija elementa v dendritu Pri ravnotežnem strjevanju poteka strjevanje brez iz-cej zaradi izenačene difuzije v talini in v strjeni fazi. V laboratorijskih pogojih in pri majhni količini taline je možno doseči tudi izredno hitro brezdifuzijsko strjevanje, pri čemer dobimo amorfne kovine. Izceje oz. nehomogenosti se lahko izenačujejo z vi-sokotemperaturnim žarjenjem. Razlike v koncentracijah se pri teh temperaturah hitro izenačijo zaradi razmeroma hitre difuzije elementov. Iz literature1 so poznani empirični podatki za homo-genizacijo kristalnih izcej. Če je poznana polovična razdalja med dvema dendritnima osema, oziroma razdalja med minimalno in maksimalno koncentracijo, lahko za poljubno zmanjšanje stopnje izcejanja (do k = I) določimo parametre žarjenja. V tej raziskavi smo skušali ugotoviti, kakšna stopnja izcejanja kroma, molibdena in vanadija je v jeklu UTOP Mo 2 in v kakšnih pogojih se da to izcejanje zmanjšati oz. odpraviti. C REZULTATI Vzorci za raziskavo so bili vzeti iz industrijskih ingotov, ulitih iz jekla UTOP Mo 2, izdelanega v 25 t EOP. Šarža ima naslednjo sestavo: C Si Mn P S % 0,40 1,12 0,46 0,009 0,007 Cr Ni V Mo Cu Sn 5,05 0,18 0,99 1,25 0,19 0,015 Od ingota je bila takoj po strjenju odrezana plošča A 1, ki je bila nato ohlajena na zraku, in plošča A2, ki je bila v skladu z dosedanjim tehnološkim predpisom žar-jena v globinski peči in zadržana 2,5 ure na temperaturi 1200°C. Oznaka vzorcev je prikazana v tabeli 1. Tabela I: Oznaka vzorcev Al — po strjenju odrezana plošča, ohlajena na zraku A 11S — sredina plošče A 1 A 11 1/3 — odrezano na 1/3 od površine navznoter A11P — površina plošče A I A 2 — plošča po odrezu, žarjena skladno s teh. predpisom A21S — sredina plošče A 2 po žarjenju S plošče A 1, ki je bila po odrezu ohlajena na zraku, smo vzeli vzorce iz sredine, s površine in na 1/3 od površine proti sredini ingota. S plošče A 2, ki je bila segre-vana kot ingot pred valjanjem, smo vzeli vzorec iz sredine in na elektronskem mikroanalizatorju izmerili intenziteto izcejanja kroma, molibdena in vanadija. Rezultat meritve izcejanja so prikazani v tabeli 2 in 3. Tabela 2: Izcejanje kroma, molibdena in vanadija v strjenem in ohlajenem jeklu A 1 ter po žarjenju 2,5 ure na 1200 "C jekla A 2 Tabela 4: Vpliv temperature in časa žarjenja na zmanjšanje izcej kroma, molibdena in vanadija Temperatura Čas žarjenja Stopnja izcejanja Cr, Mo, V Cr (%) Mo (%) V (%) osnova izceja osnova izceja osnova izceja AIIS 5,80 8,98 Ali 1/3 5,70 7,95 AllP 6,09 7,99 A2IS 6,10 8,77 0,84 2,42 0,91 2,12 0,96 2,17 0,96 2,23 1,10 1,30 1,30 1,61 1,21 1,50 1,28 1,65 Tabela 3: Stopnja izcejanja »k« kroma, molibdena in vanadija vzorcev iz tabele 2 Vzorec Stopnja izcejanja k = Smi ^min kcr k\io kv AIIS 1,54 Ali 1/3 1,39 AllP 1,31 A2IS 1,43 2,88 2,32 2,26 2,32 1,18 1,23 1,23 1,28 Meritve kažejo močno izcejanje kroma, molibdena in vanadija v vzorcih s strjevalno strukturo in tudi v žar-jenih vzorcih. Za določitev zmanjševanja intenzitete izcejanja z dolgotrajnim visokotemperaturnim žarjenjem smo vzorce, odrezane iz sredine plošče A 1, žarili 1,2,4, 8, 16, 32 in 64 ur na temperaturah 1300, 1250 in 1200°C. Izmerjene intenzitete izcej kroma, molibdena in vanadija po žarjenju so prikazane v tabeli 4. Poleg vpliva časa in temperature žarjenja na zmanjšanje intenzitete izcej se opazi tudi znaten vpliv obeh na mikrostrukturo. Pri žarjenju na 1300°C po 4 urah izgine dendritna struktura in avstenitna zrna pričnejo rasti. Pri žarjenju na 1250°C zaradi počasnejše difuzije dendritna struktura izgine šele po 8 urah žarjenja, ko nastanejo globularna zrna, ki se pri daljšanju časa žarjenja povečujejo. °C h ko ^Mo kv 1300 1 1,28 1,73 1,45 2 1,20 1,63 1,37 4 1,11 1,25 1,14 8 1,01 1,00 1,03 16 1,02 1,05 1,01 32 1,00 1,04 1,01 1250 1 1,33 2,13 1,47 2 1,27 1,88 1,37 4 1,21 1,70 1,22 8 1,21 1,65 1,12 16 1,01 1,02 1,04 32 1,00 1,00 1,02 1200 1 1,31 2,09 1,51 2 1,35 2,16 1,38 4 1,24 1,72 1,28 8 1,10 1,29 1,15 16 1,06 1,09 1,04 32 1,04 1,09 1,03 64 1,03 1,08 — D ZAKLJUČKI Jeklo UTOP Mo 2 je nagnjeno k pojavu močnih izcej kroma, molibdena in vanadija. Raziskava je pokazala, da dosedanji tehnološki predpis zadrževanja po strjenju 2,5 ure na 1200°C ne zagotavlja zadovoljive izenačitve izcej, ker je čas homoge-nizacije prekratek. Optimalni čas za popolno odpravo izcej je pri žarjenju na 1250° okrog 12 ur, na 1300°C pa okrog 6 ur. Pri tem žarjenju se stopnja izcejanja vseh treh elementov približa vrednosti k=l. Čim bolj se stopnja izcejanja približuje vrednosti k= 1, tem bolj homogeno je jeklo. Neugoden pojav, ki spremlja visokotemperaturno žarjenje, je rast kristalnih zrn. Potrebno je izbrati optimum med še dopustno stopnjo izcejanja, naraščanjem kristalnih zrn ter stroški pri daljšem žarjenju. E. Literatura 1. M. Torkar, F. Vodopivec, B. Ralič, A. Rodič, J. Rodič: Poročilo Metalurškega inštituta, št. 83-029, Ljubljana 1983 2. J. H. Stuhl, A. M. Schindler: New Materials Study of 5 % Chromium Type Steels for Use in Die Casting Dies, 8SDCE Congress, Detroit 17-20 March 1975, paper No. G-75-053 3. H. J. Eckstein: Warmebehandlung vom Stahl, VEB Deu-tscher Verlag Leipzig, 1971 ZUSAMMENFASSUNG Fur den Stahl UTOP Mo2 mit der Erstarrungsstruktur sind starke Seigerungen von Chrom, Molibden und Vanadin kenn-zeichnend. Die Untersuchungen zeigten, dass die jetzige Vorschrift fur die Haltedauer von 2,5 Stunden auf I200"C nach der Erstar-rung fiir eine genugende Ausgleichung der Seigerungen nicht ausreichend ist, da die Diffusionszeit zu kurz ist. Optimale Zeit fiir die vollkommene Abschaffung von Seigerungen betragt beim Gliihen auf 1250°C etvva 12 Stunden und beim Gliihen auf 1300°C etwa 6 Stunden. Bei dieser Gliih-behandlung nahert sich der Seigerungsgrad aller drei Elemente dem Wert k = 1. Je naher der Seigerungsgrad dem Wert k = 1 liegt desto homogener wird der Stahl. Eine ungiinstige Nebenerscheinung des Gluhens bei hohen Temperaturen ist allerdings die Grobkornbildung. Ein Optimum zwischen dem noch zulassigen Seigerungsgrad, dem Kornwachstum und den Kosten bei langeren Gliih-zeiten ist zu finden. Tipically for the UTOP Mo2 steel with solidification struc-ture are the strong segreations of chromium, molybdenum, and vanadium. The investigation showed that the technological instructions to keep steel after solidification 2 1/2 hours at 1200"C do not assure the statisfactory equalization of segrega-tions since the time of homogenization is too short. Optimal time for complete elimination of segregations is 12 hours at 1250 "C or about 6 hours at 1300 "C. At such anneal- ing the degree of segregations of ali the three elements ap-proaches to the value k = 1. The closer is the degree of segregations to the value k = 1, the more homogeneous is the steel. Unfavourable phenomenon accompanying the high temperature annealing is the growth of crystal grains. Thus the optimum must be chosen between the stili accept-able degree of segregations, the growth of crystal grains, and the costs of prolonged annealing. 3AKJ1K)HEHME Jim crajiH MapKH UTOP Mo2 c CTpyKTypofi ynpoHHeHua xapaKTepHbi CHJibHbie cerperauHH xpo\ta, MOJiH6aeHa h BaHa-mn. MccaeaoBaHH« noKa3aJiH, hto npe>KHee TexHOJiorHHecicoe npennHcaHHe 3aaep>KHBaHHH nocjie oTBepaeHtist b TeneHHH 2,5 HacoB npn Te\m-pe 1200°C He oSecneHHBaeT yaoBJieTBopn-TejibHbie ypaBHHBaHMH cerperauHH, TaK KaK BpeMa roMoreHH-3auHH cjiHiuKo.M KopoTKoe. OnTHviajibHoe BpeMa nojiHoro yiiajieHHa cerperauHii BbinoJiHaeTCH npn OTjKure 3Toii CTajiH npH Te\in-pe 1250°C b TeneHHH okojio 12 nacoB, a npn OTJKHre npu 1300°C okojio 6 nacoB. IlpH 3tom ot*Hre CTeneHb ot-CTpaHeHHa cerperauHH Bcex Tpex sjieMeHTOB npH6jiH)KaeTca 3HaneHHK) k= 1, neM crajib 6ojiee roMoreHHa. OTpnuaTeJibHoe »BJieHHe, KOTopoe conpoBO>KaaeT Bbic0K0TeMnepaTypHbifi OT-5KHT 3TO pOCT KpHCTajUlHHeCKHX 3epeHb. Heo6xoaHMO Bbi6paTb onTHMyM M)Kay nonyCTHMofi CTe-neHH cerperauHH, pocTa KpHCTajrjiHHecKHx 3epeH h pacxo.aa-mh npH aajibHefiuieM 0T»Hre.