Vpliv toplotne obdelave na žilavost bainita Cr-W- V jekel UDK: 620.178.746.22:621.785.4 ASM/SLA: J 26 p, Q 6 n, N 8 g, N 8 m Franc Uranc Ugodnosti kaljenja v bainit so že dolgo znane, ni pa veliko podatkov o vplivu legirnih elementov na pogoje nastajanja najbolj žilavega bainita. Te pogoje smo preiskovali pri Cr-W-Vjeklih. 1. SPLOŠNO O NASTAJANJU IN LASTNOSTIH BAINITA Jeklene izdelke, ki morajo biti obenem trdi in žilavi, moramo izdelati po kateri od posebnih tehnologij izdelave, predelave ali toplotne obdelave. Od toplotnih obdelav pride najbolj v poštev izotermno kaljenje v bainit. Ta način kaljenja si bomo podrobno ogledali. Glede na način tvorbe strukture razlikujemo izotermno nastali bainit od zvezno nastalega, ki nastaja med zveznim ohlajanjem. Glede na temperaturo nastajanja in glede na lastnosti pa razlikujemo zgornji bainit od spodnjega. Prvi je veliko manj žilav in manj trd kot drugi.1 Vzrok različnim lastnostim je v različnem nastajanju: Zgornji bainit nastaja iz avstenita tako, da se paralelno izločajo plasti Fe3C in ferita. Takoj po nastanku se struktura popusti. Lamele Fe3C so debele 0,1 |im in dolge 0,3 |im, lamele ferita so dolge do 1,7 jim. Feritne meje so delno nekoherentne, orientacijski odnos med feritom in Fe3C je delno podoben kot v popuščenem martenzitu. Število malokotnih mej med feritnimi zrni in gostota dislokacij sta manjša kot v tršem spodnjem bainitu (sl.l). Slika 1 Struktura zgornjega bainita jekla z 0,1 % C. Premena pri 600 °C. 75000 x . Mikrograf s tenko folijo1. Fig. I Structure of upper bainite in steel with 0.1 % C. Transformation at 600 "C. Micrograph with thin foil1. 75,000 x. V visokolegiranih in visokoogljičnih jeklih zgornji bainit ne nastopi. Spodnji bainit nastaja pri določeni temperaturi tako, da se iz avstenita tvori ferit, v katerem se nato izločajo karbidne paličke pod kotom 60° glede na os feritne igle". Feritne meje so koherentne, orientacijski odnos med feritom in Fe3C je večinoma podoben kot pri popuščenem martenzitu: Fe3C Ferit (001) II (211) [100] || [011] [010] || [011] Strukturo spodnjega bainita jekla z 0,4 % C po premeni pri 350° C kaže slika 2. Slika 2 Struktura spodnjega bainita jekla z 0,4 % C po premeni pri 350'C. 45000 x . Mikrograf s tenko folijo'. Fig. 2 Structure of lower bainite in steel with 0.4 % C after transformation at 350 "C. Micrograph with thin foil1. 45,000 x. Habitusna ravnina ferita (122) ustreza ravnini (245) avstenita. Bainit je martenzitu podoben po orientacijskih značilnostih in po temperaturi nastajanja pod re-kristalizacijsko temperaturo, perlitu pa po tem, da ni te-tragonalen in po tem, da se tvorijo legirani karbidi šele po tvorbi bainita3. Obema vrstama bainita je skupna enaka energija za tvorbo kali. Avstenit se lahko popolno spremeni v bainit le pri določeni primerni temperaturi, t. j., izotermno. Drugače je med zveznim ohlajanjem, npr. po litju, valjanju, varjenju, toplotni obdelavi, ko je premena v bainit nepopolna — jeklo vsebuje po ohladitvi še druge strukturne sestavine. Če je vsebnost ogljika nad 0,6 %, se izločajo karbidi že iz avstenita. Vsebnost ogljika določa mejo med zgornjim in spodnjim bainitom. Hitrost ohlajanja močno vpliva na lastnosti zvezno ohlajene strukture. Na lego bainitnega območja v TTT diagramu vplivajo legirni elementi. Spreminjanje vsebnosti ogljika le nebistveno vpliva na čas premene avstenita v bainit v jeklu, ki ne vsebuje znatnih deležev drugih legirnih elementov. Dodatek do 2 % W malo podaljša premenski čas. Dodajanje kroma do 3 % tudi odmika krivuljo bai-nitne premene na desno, vendar je vpliv volframa močnejši. Dodajanje volframa bolj odmika krivuljo perlit-nega kot bainitnega začetka, kar lahko pričakujemo4. 2. PREIZKUSI 2.1. Primerjava TTT diagramov Cr-W-V jekel Preizkuse za ugotavljanje lastnosti bainita Cr-W-V jekel smo omejili na jekla Č. 4830 - VCV 150, Č. 6444 - Osikro 4, Č. 4146 - OCR 4 ex. sp., Č. 4150 - OCR 12, Č. 4650 - OCR 12 special. Razpredelnica 1 kaže smerne sestave teh jekel. Razpredelnica 1 •' Smerna kemijska sestava preizkušenih jekel JEKLO C Kemijska Cr sestava V V Č.4830-VCV150 0,5 1 - Q15 C 6444 -Osikro i 0,6 1 2 0,2 Č 4146-OCR4exsf. 1 ',5 - - Č. 4150-OCR 12 2 12 - - Č 4650 OCR12sp 2 12 Q6 0,15 Jekli, podobni prvima dvema, so že izotermno kalili v bainitnem območju5-6, druga tri jekla pa so v bainit-nem stanju manj preiskana. Za določanje vpliva legirnih elementov in pogojev toplotne obdelave na lastnosti bainita smo preiskali precej več jekel, kot smo jih preizkusili. Določenih jekel legirnega tipa Cr-W-V nismo preizkušali, ker so prejšnje preiskave pokazale bodisi težavnost bodisi nekoristnost obdelave v bainit: — Ogljično jeklo z 0,8 C se zelo dobro obnaša po izotermni premeni v bainit, toda kaljenje terja posebno kopel z veliko hladilno zmožnostjo. — Utopno jeklo z volframom so tudi kalili v bainit, toda bainit ni pri temperaturi uporabe utopov nič bolj žilav kot enako trd martenzit. — Hitrorezno jeklo, legirano s kromom, volframom in vanadijem, so že poskušali kaliti v bainit, toda zadelj potrebe po dolgem zadrževanju pri temperaturi premene je takšno kaljenje negospodarno. Koliko je katero jeklo primerno za premeno v bainit, je možno videti s TTT diagrama. Glavna spremenljivka, ki nas zanima, je čas. Jeklo moremo izotermno kaliti v bainit, če je začetek premene zadosti dolgo po začetku ohlajanja z avstenitizacijske temperature. Krivulja TTT naj bo odmaknjena od začetka diagrama vsaj za nekaj sekund. Premena naj ne traja predolgo, zavoljo gospodarnosti. Od jekel, ki smo jih vzeli v preiskavo, imajo le prva tri takšne TTT diagrame, ki obljubljajo ugodnosti izo-termnega kaljenja v bainit. Izotermni TTT diagrami za ta tri jekla so si precej podobni, zato je zadosti, če si ogledamo le enega (si. 3). Ktmfska C Si Mn P s C' Cu Mo Ni V sestava f'A) 0.55 0.22 0.96 aoi? qon 1.02 0,07 — QOl 0," Slika 3 Izotermni TTT diagram jekla C. 4830 — VCV 1507. Fig. 3 Isothermal TTT diagram of C. 4830 - VCV 150 steel7 Izotermni TTT diagram jekla Č. 6444 — Osikro 4 kaže najhitrejšo premeno avstenita v bainit pri nižji temperaturi (t. j. pri okoli 350°C) kot TTT diagram jekla Č. 4830 — VCV 150. Druga razlika med jekloma je v tem, da povišanje avstenitizacijske temperature loči v TTT diagramu jekla Č. 6444 — Osikro 4 perlitno območje od bainitnega, medtem ko se območji v TTT diagramu jekla Č. 4830 — VCV 150 ne ločita. Vzrok tema razlikama je navzočnost volframa v drugem jeklu. SI. 4: TTT diagram jekla Č. 4150 - OCR 12 je povsem drugačen. Bainitno območje je zelo močno odmaknjeno na desno. Popolne premene v bainit pri tem jeklu ne moremo pričakovati v nekaj urah. Poskuse smo opravili s tem jeklom zato, ker smo želeli zvedeti, ali more že majhen delež bainita znatno zboljšati žilavost orodjem iz visokokromovega jekla. Med ohlajanjem jekla z livarske, kovaške ali kalilne temperature potekajo strukturne premene, ki jih prikazujejo kontinuirni diagrami TTT, t. j. diagrami premen med zveznim ohlajanjem. Za jeklo Č. 4830 — VCV 150 je prikazan tak diagram na sliki 5. Najbolj izrazita razlika med diagramoma jekel Č. 4830 — VCV 150 in Č. 6444 — Osikro 4 je v časovnem območju nastopanja bainita. V jeklu Č.4830 — VCV 150 se pojavlja bainit po hitrem ohlajanju (I — 15°C/s) z avstenizacijske temperature, v jeklu Č. 6444 — Osikro 4 pa po počasnejšem (0,2—5°C/s). V jeklu Č. 4146 — OCR 4 ex. sp. se pojavlja bainit po zelo hitrem ohlajanju (3—20°C/s). V jeklu Č. 4150 — OCR 12 se pojavi bainit šele med zelo počasnim ohlajanjem (0,2—0,5°C/s) z avstenitizacijske temperature. 1 10 sekunde 10 24 Slika 4 Izotermni TTT diagram jekla Č. 4150 — OCR 12. Fig. 4 Isothermal TTT Diagram of Č.4150 — OCR 12 steel Poleg TTT diagramov jekel, ki smo se jih namenili preizkusiti, smo si ogledali še izotermne TTT diagrame drugih Cr-W-V jekel. Ugotovili smo, da se z zviševanjem vsebnosti ogljika ali z zmanjševanjem vsebnosti kroma in volframa znižuje najvišja temperatura, pri kateri že začne izotermno nastajati bainit. Zviševanje vsebnosti ogljika in volframa ter zmanjševanje vsebnosti kroma znižujeta temperaturo najhitrejše premene avstenita v bainit. Povečanje vsebnosti teh elementov nekoliko podaljšuje čas do začetka tvorbe bainita, dodajanje vanadija pa ta čas močno podaljšuje. Povečevanje vsebnosti kroma in volframa močno podaljša čas do popolne premene avstenita v bainit. 2.2. Vpliv temperature in časa za premeno na žilavost in trdoto bainita, ki nastaja izotermno Ker moremo ustvariti čisto bainitno strukturo določene vrste le z izotermno premeno avstenita v bainit, smo začeli ugotavljati vpliv toplotne obdelave na lastnosti bainita ravno s poskusi izotermnega kaljenja. Žilavost in trdoto jekla Č. 4830 — VCV 150 v odvisnosti od pogojev izotermnega zadrževanja kaže slika 6. 40 30 20 10 40 30 2 20 I 10 o 40 30 1 20 i 10 D £ o 40 3 30 20 10 40 30 20 10 ^ Temperatura kaljena 330°C »J —J 3WX -HRC Ay 360°C iHRC ---tSS. 55 <5 35 55 45 o * I Žilavost talina 80234 talina 26149 55 45 35 55 45 35 10 20 30 40 50 SO Čas kal/en/a (min) C. 4830-VCV 150 (0,5 % C, 1 % Cr, 0,15 % V) Avstenitizirano 850V30 minut Tri paralelke y Slika 6 Odvisnost žilavosti in trdote jekla C. 4830 — VCV 150 od temperature premene avstenita v bainit in od časa zadrževanja jekla pri tej temperaturi. Fig. 6 Relationship between the toughness and the hardness of Č. 4830 — VCV 150 steel, and the transformation temperature of aus-tenite into bainite and the holding time of steel at this temperature Kem/ina sestava C Si Mn P S Cr Mi V W Cu «b 0,56 0.31 0.96 0,021 0,026 1,10 0.07 0.11 - o.ie <102 ' sekunde 10 W 1000 10000 100000 'mnjte >°° «*» čas -' ure 10 Slika 5 Diagram zveznega ohlajanja jekla Č. 4830 — VCV 150. Fig. 5 Diagram of continuous cooling Č. 4830 — VCV 150 steel Preizkušance smo avstenitizirali pri 850°C/30 minut, nakar smo jih prestavili v solno kopel z določeno stalno temperaturo, pri kateri smo vsako trojko preizku-šancev zadrževali določen čas. Ordinata diagrama na sliki 6 kaže žilavost in trdoto preizkušancev, ki so bili določen čas na temperaturi premene. Abscisa kaže čas zadrževanja pri temperaturi premene avstenita v bainit. V zgornjem desnem kotu vsakega diagrama je zapisana temperatura premene. Trdota preizkušancev, zadrževanih pri temperaturi premene različno dolgo, se ne spreminja bistveno. Povsem drugače je z žilavostjo, ki pokaže po določenem času zadrževanja pri temperaturi nastajanja bainita maksimum. Kakor je videti, nastopa ta maksimum povsem razločno pri preizkušancih, zadrževanih pri temperaturi premene 340 ali 350°C. Najbolj žilavi so preiz-kušanci, ki so bili zadrževani pri teh temperaturah 10, oz. 15 minut. Čas, potreben za popolno premeno avstenita v bainit, je pri teh temperaturah 5 minut. Slika 7 kaže žilavost in trdoto jekla Č. 6444 — Osi-kro 4 po izotermni premeni avstenita v bainit. Te žilavo-stne krivulje kažejo maksimume za čas zadrževanja 12—15 minut (temperatura premene od 260 do 340°C). Trdota je skoraj neodvisna od časa zadrževanja preiz-kušanca pri temperaturi premene avstenita v bainit. Preizkušanci, ki so bili 5 minut pri temperaturi 260 °C, 40-30 20 30 20-10- Ttmpratura katjfya 220°C v: / 320-C 300% K v-^. innor s AvstefvtiDrano na 650'C 16444 OStKBO 4 Probe z zarezo DVM »lijiapm (umrkiAncsv pruzkuknctv 900IT 1000'C 960 K (tal 19625) tal 23394} aeo°c 9X°C (tal 19625) 10 20 30 40 50 60 Čas ttaljen/a (min) Č6444 - OSKROt ffl,6V.C, f%Cr 2%W. 02% V) Po dve enaki probi Slika 7 Odvisnost žilavosti in trdote jekla Č. 6444 — Osikro 4 od temperature premene avstenita v bainit in od časa zadrževanja pri tej temperaturi. Fig. 7 Relationship betvveen the toughness and the hardness of the C. 6444 — Osikro 4 steel, and the transformation temperature of austenite into bainite and the holding time of steel at this temperature pokažejo trdoto 56—57 HRC; preizkušanci, ki so bili 15 minut pri tej temperaturi premene avstenita v bainit, imajo trdoto 57 — 57,5 HRC. Enako trdoto imajo preizkušanci, ki so pri temperaturi premene 300 °C bodisi 15 bodisi 60 minut. Podobno je s preizkušanci, ki so bili zadrževani pri 340"C: po 30 minutah zadrževanja je trdota 47,5—48 HRC, po 60 minutah pa 48 HRC. Žilavost jekla Č. 4146 — OCR 4 ex. sp. po izotermni premeni avstenita v bainit je prikazana na sliki 8. Preiz- OCR 4ex sp (Č.4146) Avstenitizaoia 850°/30 minut ■45 160 200 240 280 320 360 Temperatura izotermnega kaljenja (°C) Slika 8 Odvisnost žilavosti in trdote jekla Č. 4146 — OCR 4 ex. sp. od temperature premene avstenita v bainit in od časa zadrževanja pri tej temperaturi. Fig. 8 Relationship between the toughness and the hardness of the Č. 4146 — OCR 4 ex. sp. steel, and the transformation temperature of austenite into bainite and the holding time of steel at this temperature OCR 12 - &U50 (2'/. C. 12'/. Cr) Avstemtiziran 960°C/30 minut ha 60 76 H 12 S 8 t 6 10 i* 2 ■66 ■64 62 •Ki 200 220 240 260 280 300 320 340 Temperaturo izotermnega držonjo (°C) Čas v kopeli (minute): • 8 o 12 ■ 16 □ 60 Po dve enaki probi Slika 9 Odvisnost žilavosti in trdote jekla Č. 4150 — OCR 12 od pogojev izotermne premene avstenita v bainit. Fig. 9 Relationship betvveen the toughness and the hardness of the Č. 4150 — OCR 12 steel, and the conditions of the isothermal tansformation of austenite into bainite kušancev nismo pustili pri temperaturi premene zadosti dolgo, da bi dobili 100 %-no bainitno strukturo, saj nam ne koristi jeklo s premajhno trdoto. Ob trdoti 60 HRC je največja dosegljiva žilavost okoli 5 J (zareza DVM), kar je celo manj, kot je žilavost prizkušancev, ki so kaljeni v olju in popuščeni pri 200 °C. Diagrama žilavosti in trdot jekel Č. 4150 — OCR 12 in C. 4650 - OCR 12 sp. (si. 9 in si. 10) sta si podobna. Največjo žilavost pokažejo preizkušanci, ki so bili zadrževani pri pretvorbeni temperaturi 300°C. Hkrati pa ti preizkušanci pokažejo tudi najmanjšo trdoto. Preizku-šanec z najmanjšo trdoto je enako trd kot preizkušanec, ki je bil kaljen v olju in nato popuščen pri 200°C, vendar je bolj žilav od tega, v martenzit kaljenega, preizku-šanca. Kakor kaže trdota, bi bilo daljše kot 60-minutno zadrževanje pri temperaturi premene avstenita v bainit nezaželeno zavoljo premajhne dosegljive trdote. OCR 12 spec - Č. 4650 (2'/.C, mCr,0,6V.W. 0.15'/. V) Avsteniliziran 960"/30min 12 -i ^ 8 i O VSi 2 kaljen' pop 200° C \ \ 350°C enako dolgo kot preizkušanci, ki so bili avsteni-zirani pri 1000°C. Nekaj preizkušancev smo po izotermni premeni ohladili v vodi. Nekaj preizkušancev od vsake vrste smo po ohladitvi na sobno temperaturo oz. temperaturo vode popuščali pri 200 °C. Ti poskusi niso zboljšali žilavosti preizkušancev, ki so bili kaljeni v bainit, temveč so žilavost kvečjemu poslabšali. 2.4. Vpliv legiranja z volframom na žilavost zvezno ohlajanih preizkušancev Po zveznem ohlajanju z avstenitizacijske temperature nastopa v jeklih C. 4830 - VCV 150 in Č. 6444 -Osikro 4 poleg ferita ali martenzita še bainit. Razpredelnica 2 kaže za ti jekli strukturo, žilavost in trdoto po ohlajanju z največjo ali najmanjšo hitrostjo, ki še omogoča premeno avstenita v bainit. Razpredelnica 2: Vpliv hitrosti ohlajanja s temperature 880° C (prvo jeklo) ali 900°C (drugo jeklo) na strukturo, žilavost in trdoto jekel sestav 0,5 % C, 1 % Cr, 0,15 % V ali 0,6 % C, 1 % Cr, 2 % W, 0,2 % V. 200 220 240 260 280 300 320 340 Temperatura izotermnega frianja (°C) Kemijsko sestave C Cr° W V Hitrost o °C/s blajanja vTTTdiag. Strukturo Žilavost J (DVM) Trdota HRC 0,5 1 0,15 Q5-1,5 t-f M M F.B 16 33 10 , o? 43 B * M 55 26 0,6 1 2 0,2 03-1 i B * M 38 37 1-3 rt & B K 59 Cas izotermnega drianja (minute): m 16 □ 60 X- koljen 960°/olje +pop. 200°: 8 J . 61 HRC Slika 10 Odvisnost žilavosti in trdote jekla Č. 4650 — OCR 12 sp. od pogojev izotermne premene avstenita v bainit. Fig. 10 Relationship betvveen the toughness and the hardness of the Č. 4650 — OCR 12 sp. steel, and the conditions of the isother-mal transformation of austenite into bainite 2.3. Posebni poskusi ob izotermnem kaljenju Preizkušanci prvih dveh jekel lahko pri ugodnih pogojih premene preidejo v povsem bainitno strukturo. Za jeklo, podobno jeklu Č. 6444 — Osikro 4, so ugotovili', da je po izotermni premeni v bainit bolj žilavo, če je bilo avstenizirano pri 1000°C namesto pri 900 °C. Žilavost preizkušancev jekel Č. 6444 — Osikro 4 in Č. 4830 — VCV 150, ki smo jih avstenitizirali pri 1000°C in jih izotermno kalili pri 350°C, ni bila večja od žilavosti preizkušancev, ki so bili avstenitizirani pri 900°C (oz. 850°C drugo jeklo) ter nato zadržani pri Prvo jeklo (C. 4830 - VCV 150) sestave 0,5% C, 1 % Cr in 0,15% V je bilo po ohlajanju s hitrostjo 10°C/s, ko ni nastopal ferit, veliko bolj žilavo in ni bilo znatno manj trdo kot po počasnejšem ohlajanju. Drugo jeklo (C. 6444 — Osikro 4) je bilo po počasnem ohlajanju (0,3— 1 °C/s) veliko bolj žilavo in trše kot prvo jeklo po podobnem ohlajanju. Drugo jeklo je po hitrejšem ohlajanju (1—3°C/s) sicer razmeroma krhko, toda je za 3 enote HRC trše kot enako žilav popuščeni martenzit brez bainita. Enako trd (59 HRC) martenzit po kaljenju v olju pokaže žilavost komaj 7 J (DVM). Različnost žilavosti struktur, ki nastanejo med različno hitrim ohlajanjem, lahko razložimo s pomočjo dila-tometrskih krivulj. Na sliki 11 sta narisani dilatometrski krivulji za ti jekli, ohlajani z avstenitizacijske temperature z enako hitrostjo (l,16°C/s). Črtkana krivulja prikazuje dimenzijske spremembe prvega jekla. Zanimiva je ukrivljenost ohlajevalnih krivulj pod temperaturo, pri kateri se začne tvoriti bainit. Zaokrožitev krivulje jekla Č. 4830 — VCV 150 je veliko ostrejša kot zaokrožitev krivulje drugega jekla. Iz ukrivljenosti krivulj lahko sklepamo, da je pri tej ohlajevalni hitrosti veliko hitrejša tvorba bainita v prvem kot v drugem jeklu. 100 200 300 400 500 Temperatura (°C) Avstenitaaci/a 950°C /10 minut Hitrost oHa/an/a ir6°C/s Slika 11 Relativne dimenzijske premembe jekel z 0,5 % C, 1 % Cr, 0,15 % V in 0,6 % C, 2 % W, 1 % Cr, 0,2 % V med ohlajanjem z avsteni-tizacijske temperature. Fig. 11 Relative dimensional changes in steel with 0.5 % C, 1 % Cr, 0.15 % V, and with 0.6 % C, 2 % W, 1 % Cr, 0.2 % V during cool-ing from the austenitising temperature Ko avsteniziramo prvo jeklo in ga ohlajamo s hitrostjo 1,16 C/s, se začne pod temperaturo 500°C zelo hitro tvoriti bainit — krhki zgornji bainit. Ko po avstenitizaciji ohlajamo z enako hitrostjo drugo jeklo (Č. 6444 — Osikro 4), nastaja bainit zelo zložno — krivulja le počasi spreminja smer proti povečanju dolžine. Zgornji bainit nastaja počasi. Iz tega lahko sklepamo, da nastaja v jeklu Č. 4830 — VCV 150 sorazmerno več zgornjega bainita kot v enako hitro ohlajenem jeklu Č. 6444 — Osikro 4. V drugem jeklu je torej po takem ohlajanju z avstenitizacijske temperature veliko večji delež spodnjega bainita v skupni količini bainita, kot pa znaša ta delež v prvem jeklu. Tako lahko razložimo, zakaj je drugo jeklo bolj žilavo od prvega, ki je ohlajano s podobno hitrostjo — okoli 1 °C/s. Podobna razlaga velja za veliko žilavost prvega jekla (Č. 4830 — VCV 150) po ohlajanju s hitrostjo 10°C/s. Taka sprememba v stopnji nastajanja zgornjega bainita je naravna posledica logaritemske zakonitosti nastajanja nove strukture. Podoben učinek kot povečanje hitrosti ohlajanja pri prvem jeklu ima na žilavost jekla dodatek 2 % volframa, ki odmakne bainitno območje v TTT diagramu na desno. Trdota 59 HRC in žilavost 14 J (DVM) sta dosegljivi pri jeklu Č. 6444 — Osikro 4 le z žilavostnimi preizku-šanci. Le-ti se na zraku ohlajajo s takšno hitrostjo, da teče ohlajevalna krivulja skozi skrajni levi del bainitne-ga območja v TTT diagramu zveznega ohlajanja. 3. PRIMERJAVA ZILAVOSTI BAINITA IN MARTENZITA Koliko koristi prinaša kaljenje v bainit, nam more povedati primerjava lastnosti bainita in martenzita. Najbolj nas zanimata trdota in žilavost preizkušanih jekel. Slika 12 prikazuje odnos med žilavostjo in trdoto zgornjega in spodnjega bainita in martenzita jekla C. 4830 — VCV 150. Zgornji dve krivulji kažeta žilavost spodnjega bainita določenih trdot. Pod njima je krivulja žilavosti popuščenega martenzita in pod to sta v levem spodnjem kotu diagrama žilavosti in trdote zgornjega bainita. Ob točkah krivulj žilavosti bainita so napisane temperature nastajanja bainita, ob točkah krivulje žilavosti martenzita so napisane temperature popuščanja martenzita. Preizkušanci z žilavostjo 30 J (DVM) imajo trdote 43 HRC (spodnji bainit), 39—42 HRC (martenzit), 35 HRC (zgornji bainit). Iz lege krivulj je očitna prednost spodnjega bainita pred martenzitom in zgornjim bainitom. Žilavost spodnjega bainita, ki je nastal v 15 minutah, je večja od žilavosti bainita, ki je bi! pri pretvorbeni temperaturi eno uro. Bainit, ki je nastajal pri temperaturi Ms točke (280°C), je manj žilav kot bainit, ki nastane pri višji ali nižji temperaturi. Č4830-VCVI50 Sesfo« C Cr V Mn 0.5 1 a«, 1 60 50 Q I 30 >15 20 10 620^. Čas zadrževan/a v kalilr* )tpeti(2B0 520°C) \ . 3600s 0 900 s V 36CPC - Temperatura aotermnega zadrževanja S 00°C\ \ \ V 380°C 1 500 v \ \ > N. I Zgornji bainit „ 1 - Popuscna temp 380 °c 530°C 300°C 200X i9CK430°C 34 36 38 40 42 U 46 48 50 52 54 56 58 Trdota (HRC) Slika 12 Vpliv temperature tvorbe abainita ali temperature popuščanja martenzita na trdoto in žilavost jekla C. 4830 — VCV 150. Av-stenitizacija: 850 "C/30 minut. Fig. 12 Influence of the formation temperature of bainite or tempering temperature of martensite on the hardness and the toughness of the C. 4830 — VCV 150 steel. Austenitising: 850"C/30 minutes Na sliki 13 je prikazan odnos žilavosti in trdote obeh bainitov in martenzita jekla C. 6444 — Osikro 4. Tudi pri tem jeklu je spodnji bainit veliko bolj žilav kot enako trd martenzit ali zgornji bainit. Izjema je spodnji bainit, ki je nastal v preizkušancih, ki so bili eno uro pri pretvorbeni temperaturi. Od preizkušancev, ki so bili 15 minut pri temperaturi premene, so pokazali tisti, ki so bili pri 300°C, manjšo žilavost kot tisti, katerih bainit je nastal pri 280 ali 340 °C. Preizkušanci z žilavostjo 20 J kažejo trdoto 57 HRC (spodnji bainit), 51 HRC (martenzit), 42 HRC (zgornji bainit). Slika 14 omogoča primerjavo trdot in žilavosti mar-tenzitne in delno bainitne strukture jekla C. 4150 — OCR 12. Temperature, zapisane ob točkah krivulj, so C UO,-Osikro i Sestava C Cr W V 0.6 1 2 02 40 30 20 5 ■Nj 10 Cas zadrievanp v kalilni kopeli 1260° UCPC1 o 3600s • o 900s(dve talini) 28crc\ 3S0X 440X o Zgornji bainit 34 0X 340°C 400°CT~ / Fbpušcen mar temi t \ Spodnji bainit K \260X 300X "V 250 38 40 42 44 46 4<9 50 52 54 5(5 53 60 52 Trdota (HRCJ Slika 13 Vpliv temperature tvorbe bainita ali popuščanja martenzita na trdoto in žilavost jekla Č. 6444 — Osikro 4. Avstenitizacija: 880 "C 30 minut. Fig. 13 Influence of the formation temperature of bainite or tempering temperature of martensite on the hardness and the toughness of the Č. 6444 — Osikro 4 steel. Austenitising: 880 "C/30 minutes. \ 18 16 14 12 10 C 4150 -OCR 12 ? * O r s. 6 o 4- Čas zadrževanja na 'emperaturi tvorbe bumitu Jura Oy> 00°C 250°C 20CPC \ - Kaljeno na zraku m v* popuščeno J\260°C Delno spodnji bainit 220oCNb 200° C -1-1-1-1- -1-1 i 56 58 60 62 64 66 68 Trdota (HRC) Slika 14 Vpliv temperature tvorbe bainita ali popuščanja martenzita na trdoto in žilavost jekla Č. 4150 — OCR 12. Avstenitizacija: 1000 "C 30 minut. Fig. 14 Influence of the formation temperature of bainite or tempering temperature of martensite on the hardness and the toughness of the C. 4150 — OCR 12 steel. Austenitising: 1000'C/30 minutes. popuščne temperature martenzita ali temperature nastajanja bainita. Preizkušanci trdot pod 63 HRC so bolj žilavi, če je struktura martenzitnobainitna kot marten-zitna. Preizkušanci s trdoto 61 HRC imajo žilavost 15 J (delno spodnji bainit) ali 12 J (martenzit). 4. SKLEPI Iz ITT diagramov vidimo, da povečevanje vsebnosti ogljika znižuje najvišjo temperaturo nastajanja bainita, povečevanje odstotka kroma in volframa pa to temperaturo povišuje. Temperaturo najhitrejše premene avstenita v bainit poviševanje vsebnosti ogljika in volframa znižuje, poviševanje vsebnosti kroma pa jo zvišuje. Čas do začetka premene avstenita v bainit ti elementi malo podaljšujejo, konec premene znatno podaljšata le krom in vol-fram. Vanadij podaljša predvsem čas do začetka nastajanja bainita, zato je v jeklih za premeno v bainit prav primeren. Vpliv pogojev izotermnega nastajanja bainita na njegovo žilavost je najlažje razkrivati pri jeklih Č. 4830 - VCV 150 (0,5 % C, 1 % Cr, 0,15 % V) in C. 6444 -Osikro 4 (0,6 % C, 1 % Cr, 2 % W, 0,2 % V). Najugodnejši temperaturni območji nastajanja bainita sta 340 do 360°C (C. 4830 - VCV 150) in 260-340°C (C. 6444 -Osikro 4). Meja nastajanja zgornjega in spodnjega bainita je pri približno 370 °C. Spodnji bainit je za 100% bolj žilav kot enako trd martenzit in za 100—300% oz. 50% (pri jeklu Č. 6444 — Osikro 4) bolj žilav kot zgornji bainit. Enako žilava zgornji in spodnji bainit se razlikujeta za 5—19 enot HRC. Največjo žilavost doseže bainit, če je jeklo le toliko časa na temperaturi nastajanja bainita, da je možna popolna premena. Izjema je temperatura tik pod prehodom zgornjega v spodnji bainit: pri tej je treba zadrževati jeklo 300 sekund dlje, kot kaže krivulja konca premene. Najmanjšo žilavost kaže spodnji bainit, nastal blizu Ms temperature. Volfram ne vpliva na žilavost bainita: enako trda bainita jekel C. 4830 — VCV 150 in C. 6444 - Osikro 4 sta enako žilava, čeprav je martenzit volframovega jekla (C. 6444) bolj žilav kot martenzit jekla brez volframa (C. 4830 - VCV 150). Ležajnemu jeklu (Č. 4146 — OCR 4 ex. sp.), ki vsebuje 1 % C in 1,5 % Cr, ne moremo bistveno zboljšati ži-lavosti s kaljenjem v bainit, ne da bi mu padla trdota pod dopustnih 61 HRC. Jekli C. 4150 - OCR 12 (2 % C, 12 % Cr) in OCR 12 sp. (Č. 4650) sta v delno bainitnem stanju (čas pri temperaturi premene eno uro) za 20 % bolj žilavi kot v martenzitnem. Z zveznim ohlajanjem jekla skozi skrajni levi del bainitnega območja TTT diagrama (zveznega ohlajanja) se pojavi bainit, ki je pretežno spodnji bainit in zato precej zboljša žilavost jekla sestave 0,6 % C, 1 % Cr, 2 % W in 0,2 % V. Viri 1 Pickering F. B.: The Structure and Properties of Bainite in Steels. Transformation and Hardenability in Steels. Sympo-sium 1967, Climax Molybdenum Company of Michigan, Amax, str. 109-129. 2 Bolšakov V. N., L. I. Kotorova, I. A. Mongait: Vibor opti-malnogo strukturnogo sostojanija konstrukcionnih stroitel-nih stalej beinitnogo klassa, Metallovedenie i termičeskaja obrabotka metallov, 1976, No 2, str. 28—30. 3 Eckstein H-J: Warmebehandlung von Stahl, Leipzig 1971, str. 200-214. 4 Thelning K-E: Steel and its Heat Treatment, Bofors Hand-book, Buttervvorths, London and Boston, 1975, str. 95—103. 5 Birjukova V. N.: Izotermičeskaja zakalka instrumentalnih stalej, MITOM, 1965, No 9, str. 53-57. 6 Hengerer F.: Zwischenstuffenumwandlung von \Valzlager-stahlen. Draht — Zeitschrift, 1976, No 3, str. 108-109. 7 Wever F., A. Rose, W. Peter, W. Strassburg, L. Rademacher: Atlas zur Warmebehandlung der Stahle. Herausg. Max — Planck Institut fur Eisenforschung, Wekstoffausschuss des Vereins Deutscher Eisenhuttenleute, 1954/56/58, Verlag ' Stahleisen MBH, Dusseldorf, 1972. ZUSAMMENFASSUNG Die Zahigkeit der niedriglegierten Cr-W-V Stahle wird durch das isothermische Harten in Bainit dem Martensit ent-gegen um 50 bis 300 % verbessert. Die gleich zahen, der obere und der untere Bainit unterscheiden sich in der Harte um 5 bis 19 HRC Einheiten. Die Haltedauer der Proben auf der Umvvandlungstempe-ratur soli gleich der Zeit der vollkommenen Umwandlung in Bainit sein. Die Zeit, die notig ist fur das Erreichen der grossten Zahigkeit in der Nahe der Bildung von oberem Bainit soli langer sein von der Zeit fur die vollkommene Umwand-lung von austenit in Bainit. Der in der Nahe der Ms Temperatur bildende Bainit ist we-niger zahe als der bei etwas hoherer oder niedriger Temperatur bildende Bainit. Das Legieren mit Wolfram hat keinen Ein-fluss auf die Zahigkeit von Bainit. Den Stahlen mit 2 % C und 12 % Cr kann durch Teilweise Umvvandlung in Bainit die Zahigkeit um 20 % gegeniiber Mar-tensitzustand verbessert werden. Durch die kontinuirliche Abkuhlung von Stahl durch den ausserst linken Teil des Bainitbereiches im TTT Diagram bil-det sich Bainit der die Zahigkeit erheblich verbessert. SUMMARY In low al!oyed Cr-W-V steel, the isothermal hardening into bainite increases the toughness for 50 to 300 % compared with the martensite. Similarly tough uper and lower bainite differ in hardness for 5 to 19 HRC. The holding time on the transformation temperature should be equal to the time of complete transformation into bainite. The time for achieving the highest toughness close to the temperature of formation of upper bainite should be long-er than the time for complete transformation of austenite into bainite. Bainite, formed close to M5 temperature, is less tough than that formed at slightly higher or lovver temperature. Alloying with tungsten does not influence the bainite toughness. In steel with 2 % C and 12 % Cr the partial transformation into bainite improves the toughness for 20 % compared with the martensite structure. By continuous cooling of steel through the extreme left bainite region in the TTT diagram, the bainite is formed which improves the steel toughness to a relative high extent. 3AKJ1HDMEHHE ripil CpaBHeHHli BH3K0CTH ayCTeHIlTa B 6eHHHT c bh3k0-ctbki aycTeHHTa b \iapreHCHT no H30Tep\iHHecKOfi 3aKajiKH MajiojiernpoBaHHbix Cr-W-V CTajiefi yctahobjrehho, hto bh3koctb b SeHHHT 50 jo 300 % jiyHUie. Mto we KacaeTca TBep- aOCTH, TO pa3HHLia Nie)Kiiy BepXHHM II H11>KHHM 6eHHHTOM COC- TaBJisieT 5 ao 19 eanmm HRc. ripoziojDKHTejibHOCTb 3aaep>KKH 06pa3U0B npii Tevm-pe npeo6pa30BaHHH aoji»Ha aJiHTbca no nojiHoro npe06pa30Ba-hhh ayCTeHHTa b 6eHHHT. A-ifl no.nyHeHH5i \iaKciiMaJibHoii B33KOCTH npii TeMn-pe 6jih3koh npe.ae.ny 06pa30BaHiiH Bep-XHero 6eHHHTa hojdkho Bpe.via npe06pa30BaHiis 6biTb 6ojiee ajiHTejibHoe, ie\i BpeMH Heo6xonHMoe ana nojiHoro npeo6pa-30BaHiiJi aycTeHMTa b 6eiiHiiT. Bsi3KOCTb 6efiHHTa, KOTopbifi 06pa30BaiiC5i npn Te\in-pe b6jiH3h tohkh Ms MeHee yaoBJieT-BopiiTejibHaa b cpaBHeHim c bh3kocthmh, K0T0pbie noJiy-naioTCsi npii HecKO/ibKo noBbiuieHHbix min aKaeHHeM CTajlH Hepe3 KpaHHHK) jieByK> nacTb 6eHHHTHoR 30Hbi b TTT aiiarpaMMe MoaceT 06-pa30BaTbcsi 6eiiHHT, K0T0pbifi cymecTBeHHO yjiyiiiiHTb Ba3KOCTb cra.iH.