STUDIUM ODUHLIČENÍ POVRCHOVÝCH VRSTEV LOŽISKOVÝCH OCELÍ 100Cr6. RESEARCH OF DECARBURIZATION SURFACE LAYER OF BEARING STEEL 100Cr6

Transkript

1 STUDIUM ODUHLIČENÍ POVRCHOVÝCH VRSTEV LOŽISKOVÝCH OCELÍ 00Cr6 RESEARCH OF DECARBURIZATION SURFACE LAYER OF BEARING STEEL 00Cr6 Petr Dostál a Jana Dobrovská b Jaroslav Sojka b Hana Francová b a Profi am Bau CM, spol. s r.o., Vídeňská 3, Brno, ČR, dostal.petr@centrum.cz b VŠB-TU Ostrava, 7.listopadu 5, Ostrava, ČR, jana.dobrovska@vsb.cz Abstrakt Ocel je nejrozšířenějším strojírenským materiálem, jehož vlastnosti je možno podle potřeby ve velkém rozsahu měnit. Za určitých podmínek tepelného zpracování může být poměrně měkká a velmi tvárná, takže se dá dobře tvářet i za studena. Může však být také velmi tvrdá, takže se hodí k výrobě řezných nástrojů. V zásadě lze říct, že mechanické vlastnosti oceli jsou dány jejím chemickým složením, zvláště pak obsahem uhlíku. Se zvyšováním obsahu uhlíku se v určitém rozsahu zvyšuje i její tvrdost, pevnost a mez kluzu na úkor tvárnosti a houževnatosti. Je proto důležité sledovat jak proces nauhličování oceli, tak i proces opačný tedy její oduhličování. V této práci byl u oceli pro valivá ložiska jakosti 00Cr6 studován proces oduhličení povrchových vrstev při žíhání na měkko bez ochranné atmosféry a to nad teplotou A c (při teplotě 790 C). Ocel byla studována ve dvou odlišných stavech ve výchozím stavu po válcování, tj. s částečně zokujeným povrchem a dále ve stavu s povrchem po osoustružení, tj. s povrchem kovově čistým. Abstract Steel is the most widespread engineering material, the properties of which may be changed as necessary to a large extent. Under certain conditions of heat treatment, steel may be relatively soft and very plastic so it can be easily cold-formed. It can however be very hard as well, therefore it is suitable for production of cutting tools. In substance one can say that mechanical properties of steel are given by its chemical composition, particularly by carbon contents. With increasing carbon content to certain extent, the steel hardness, tensile strength and yield strength increase as well at the expense of plasticity and toughness. It is therefore important observation as cementation steel process, also reverse process - then its. In bearing steel 00Cr6 process of surface layer along soft annealing without protective atmosphere was observed, namely partly upward A c temperature (in 790 C). Steel was studied in two different states in initial state after rolling, i.e. with partial scaling of surface, and then in state with metallically pure surface, i.e. turned surface.. ÚVOD Ocel je nejrozšířenějším strojírenským materiálem, jehož vlastnosti je možno podle potřeby ve velkém rozsahu měnit. V zásadě lze říct, že mechanické vlastnosti oceli jsou silně ovlivňovány jejím chemickým složením, zvláště pak obsahem uhlíku. Proto je velmi důležité

2 při tepelném zpracování oceli sledovat jak proces nauhličování (cementace), tak i proces opačný tedy oduhličování. Pro zabránění nauhličování či oduhličování povrchových vrstev oceli při tepelném zpracování je nutno pracovat s tzv. ochrannými atmosférami.. TEORETICKÝ ZÁKLAD Matematický popis procesu oduhličení, či nauhličení povrchových vrstev oceli při tepelném zpracování vychází z řešení difúzní rovnice (.Fickova zákona) pro poloprostor. Předpokládáme-li jednorozměrnou difúzi, difúzní tok je kolmý na rozhraní povrch oceli atmosféra, potom lze okrajovou úlohu popisující tento problém definovat následujícím způsobem: c c = D C () t x P.P.: c(x,0) = c C pro x > 0 () O.P.: c(0,t) = c 0 pro t > 0, (3) kde c C je počáteční koncentrace uhlíku v oceli, c 0 je koncentrace uhlíku v atmosféře (uhlíkový potenciál atmosféry), D C je difúzní koeficient uhlíku. Aplikací metody kombinace proměnných (bezrozměrné transformace) [] na okrajovou úlohu ()-(3) získáme řešení ve tvaru: c( x, t) c 0 x = erf (4) cc c0 DCt kde c(x,t) je koncentrace uhlíku v místě x od povrchu oceli v čase t. Pro případ nauhličení platí c 0 > c C, pro případ oduhličení platí c 0 < c C. Koncentrační profily uhlíku v oceli vykreslené dle rov(4) pro různé časy pro oba případy (oduhličení, nauhličení) jsou uvedeny na obr. a. Pro oba případy byla uvažována difúze uhlíku v austenitu (D C (γ) = 0-8 cm s - při teplotě 800 C []), dále pro jednoduchost byly uvažovány následující koncentrace uhlíku v oceli a atmosféře: oduhličení (obr.) c C = hm% a c 0 = 0 hm%; nauhličení (obr.) c C = 0 hm% a c 0 = hm%. Příklad na obr. je tedy pouze teoretický., koncentrace C (hm%) 0,8 0,6 0,4 0, c (x,h) c (x,h) c (x,5h) c (x,0h) c (x,h) 0 0 0, 0,4 0,6 0,8,,4 vzdálenost x (mm) Obr. Koncentrační profily uhlíku dle rov(4), oduhličení Fig. Carbon concentration profiles according eq(4),

3 , koncentrace C (hm%) 0,8 0,6 0,4 c (x,h) c (x,h) c (x,5h) c (x,0h) c (x,h) 0, 0 0 0, 0,4 0,6 0,8,,4 vzdálenost x (mm) Obr. Koncentrační profily uhlíku dle rov(4), nauhličení Fig. Carbon concentration profiles according eq(4), carburization Ve výše uvedených rovnicích ()-(4) jsou obecně uvažovány koncentrace uhlíku v atmosféře (c 0 ) a v oceli (c C ). Při reálných výpočtech je nutno uvažovat termodynamickou aktivitu uhlíku a to jak v atmosféře, tak v oceli. Termodynamická aktivita uhlíku v atmosféře se často označuje jako tzv. uhlíkový potenciál atmosféry. Uhlíkový potenciál atmosféry bývá nejčastěji zjednodušeně definován jako obsah uhlíku v plynné směsi (atmosféře), který je v termodynamické rovnováze s obsahem uhlíku v povrchových vrstvách oceli [3-5]. Ve skutečnosti je třeba vždy pracovat s termodynamickými aktivitami, a to jak na straně atmosféry, tak na straně oceli. Roztok uhlíku v železe nelze pokládat za ideální, proto je nutno stanovit termodynamickou aktivitu rozpuštěného uhlíku (a C ). Jak ukazují výsledky pokusů na obr. 3, je závislost mezi aktivitou uhlíku v austenitu a koncentrací nelineární, protože aktivita uhlíku roste rychleji než koncentrace. Svědčí to o značných kladných odchylkách od zákonů ideálních roztoků. Z obrázku je také patrno, že při stejné koncentraci klesá aktivita uhlíku s rostoucí teplotou. Obr.3 Závislost aktivity uhlíku v austenitu na jeho koncentraci [4] Fig. 3 Dependence of carbon activity in austenite on its concentration [4] 3

4 V literatuře (např. [4,6]) lze najít empiricky odvozené vztahy vyjadřující vztah mezi koncentrací uhlíku a jeho aktivitou v závislosti na teplotě. 3. EXPERIMENT Jako experimentální materiál byla vybrána ocel pro valivá ložiska jakosti 00Cr6 (% C;,5% Cr). U vzorků této oceli byl studován proces oduhličení povrchových vrstev při žíhání na měkko bez ochranné atmosféry nad teplotou A c (při teplotě 790 C). Ocel byla studována ve dvou odlišných stavech ve výchozím stavu po válcování, tj. s částečně zokujeným povrchem, a dále ve stavu s povrchem po soustružení, tj. povrchem kovově čistým. Doba žíhání se pohybovala v intervalu hodin pro vzorky se zokujeným povrchem a 4 hodin pro vzorky se soustruženým povrchem. 4. VÝSLEDKY A JEJICH DISKUSE Při žíhání nad teplotou A c (790 C) byl proces oduhličení poměrně výrazný, projevil se jak při vizuálním studiu povrchových vrstev na mikroskopu, tak poklesem mikrotvrdosti. Projevil se také vliv stavu povrchu vzorků. U vzorků se soustruženým povrchem bylo oduhličení převážně rovnoměrné, vyskytovalo se na celém obvodu žíhaných vzorků nebo na převážné části obvodu a projevilo se existencí vrstvy feritu (s proměnlivou tloušťkou), na kterou navazovala vrstva feriticko-perlitická, jež pak postupně přecházela v základní neoduhličenou strukturu. U vzorků se zokujeným povrchem byla oduhličená vrstva nerovnoměrná a vyskytovala se jen na části obvodu vzorků, přičemž zbylá část obvodu se jevila jako neoduhličená (tj. bez výskytu feritu). Příklady povrchových vrstev vzorků žíhaných při teplotě 790 C jsou uvedeny na obr Obr. 4 Zokujený povrch, 790 C/ h, nevýrazné oduhličení Fig. 4 Scaling surface, 790 C/ h, hardly noticeable Obr. 5 Zokujený povrch, 790 C/ h, oblast výrazného oduhličení Fig. 5 Scaling surface, 790 C/ h, noticeable 4

5 Obr. 6 Soustružený povrch, 790 C/4 h, výrazné oduhličení Fig. 6 Turned surface, 790 C/4 h, noticeable Obr. 7 Soustružený povrch, 790 C/ h, výrazné oduhličení Fig. 7 Turned surface, 790 C/ h, noticeable Výsledky experimentálního výzkumu, zejména v případě soustruženého povrchu, korespondují s teoretickými výpočty uvedenými v grafickém zpracování na obr.. V průběhu tepelného zpracování (žíhání) bez ochranné atmosféry při teplotě 790 C došlo k výraznému oduhličení povrchových vrstev použité oceli. V současné době probíhá kvantifikace rozsahu oduhličení prostřednictvím stanovení obsahu uhlíku v oceli v přesně stanovených vzdálenostech od povrchu oceli. Předložené výsledky jsou první z rozsáhlé studie, mající za cíl studium chování povrchových vrstev oceli při žíhání v ochranných atmosférách (zejména z hlediska možného nauhličení či oduhličení) a také možnosti řízení obsahu uhlíku v povrchových vrstvách oceli při tepelném zpracování pomocí těchto ochranných atmosfér. 5.ZÁVĚR V příspěvku byly předloženy pilotní experimentální výsledky studia procesu oduhličení povrchových vrstev při žíhání oceli jakosti 00Cr6 na měkko bez ochranné atmosféry při teplotě 790 C. Bylo zjištěno, že oduhličení povrchových vrstev vzorků se soustruženým povrchem se vyskytovalo rovnoměrně po celém obvodu žíhaných vzorků a bylo ve shodě s teoretickými výpočty. U vzorků se zokujeným povrchem byla oduhličená vrstva nerovnoměrná a vyskytovala se jen na části obvodu vzorků, v tomto případě byl tedy mechanismus oduhličení odlišný. Práce vznikla v rámci řešení projektu MŠMT ČR, reg. č. MSM LITERATURA [] CRANK, J. The Matematics of Diffusion. nd ed., Oxford University Press, 975, 44s [] POIRIER, D.R., GEIGER, G.H. Transport Phenomena in Materials Processing. TMS, USA, 994, s.500 [3] ASM Handbook, Vol. 4, Heat Treating, ASM Int., USA, 99, 0s. [4] RYŠ, P. aj. Nauka o materiálu I, sv. 4, Železo a jeho slitiny, ACADEMIA, Praha, 975, 54s. [5] KORECKÝ, J. Cementování oceli. SNTL Praha, 957, 44s. [6] BARRALIS, J., MAEDER, G. Precis de metallurgie. AFNOR-NATHAN Paris, 994, 86s 5