WPŁYW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ NA GORĄCO NA

ARCHIWUM ODLEWNICTWA
Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (2/2)
ARCHIVES OF FOUNDRY
Year 2006, Volume 6, No 18 (2/2)
PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308
123/18
WPŁYW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ NA GORĄCO
NA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE STOPÓW
NA OSNOWIE FAZY MIĘDZYMETALICZNEJ Fe3Al
Z. KOMOREK1, S. JÓŹWIAK2, Z. BOJAR3
Wojskowa Akademia Techniczna, ul. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa
W pracy przedstawiono wpływ obróbki plastycznej na gorąco na mikrostrukturę
oraz właściwości wytrzymałościowe odlewniczego stopu na osnowie fazy
międzymetalicznej Fe3Al.
Zastosowana niekonwencjonalna obróbka plastyczna na gorąco skutecznie
umożliwia kształtowanie badanych stopów na osnowie fazy Fe3Al oraz prowadzi do
dwukrotnego rozdrobnienia ziaren. Rozdrobnienie to efektywnie wpływa na poprawę
właściwości wytrzymałościowych; znacząco wzrasta wytrzymałość na ściskanie (o
200MPa) oraz plastyczność (o ponad 60%).
Keywords: Iron aluminide, microstructure, mechanical properties.
1. WSTĘP
Stopy na osnowie uporządkowanej fazy międzymetalicznej Fe3Al, charakteryzują
się potencjalnie unikatowymi właściwościami mechanicznymi, obejmującymi niską
gęstość, wysoką odporność na korozję w temperaturze otoczenia oraz podwyższonej
[1-3]. Przeszkodą w komercyjnym zastosowaniu tych stopów jest ich skrajnie niska
plastyczność w stanie lanym oraz podatność do kruchego pękania, szczególnie w niskiej
temperaturze. Powyższe cechy stanowią istotną przeszkodę w kształtowaniu elementów
z tych stopów z wykorzystaniem klasycznych technologii wytwarzania, a tym samym
uniemożliwiają komercyjne zastosowanie stopów międzymetalicznych jako materiał
konstrukcyjny. Dalszy rozwój stopów na osnowie fazy międzymetalicznej Fe3Al i ich
wykorzystanie w przemyśle uzależnione jest od poprawy ich plastyczności i ogólnie
rozumianej podatności technologicznej [4-6].
Dotychczasowe badania wskazują, że odpowiedni dobór składu chemicznego, w
tym głównie domieszkowanie pierwiastkami poprawiającymi spójność oraz
zastosowanie złożonych procesów technologicznych umożliwia wyeliminowanie
podstawowych wad, przy jednoczesnym zachowaniu specyficznych właściwości tych
stopów [7-11].
1
dr inż., [email protected]
dr inż.
3
dr hab. inż.
2
243
Dlatego też podstawowe badania stopów na osnowie fazy międzymetalicznej Fe3Al
koncentrują się na zagadnieniach związanych z poprawą właściwości użytkowych,
poprzez zmniejszenie wielkości ziarna, w efekcie zastosowania nowoczesnych
technologii wytwarzania.
2. MATERIAŁ I ZAKRES BADAŃ
Badania dotyczyły stopów intermetalicznych z udziałem fazy międzymetalicznej
Fe3Al o składzie przedstawionym poniżej [% wag.]:
Fe16Al,
Fe16Al-Mo,
Fe16Al5Cr0,15Zr
Fe16Al5Cr1,6Mo0,09Zr
Technologia wykonania stopów obejmowała:
- kilkakrotne wytapianie próżniowe stopów z czystych pierwiastków w indukcyjnym
piecu próżniowym w ITME w Warszawie, z odlaniem w końcowym etapie wlewka
do kokili stalowej o średnicy 50 mm,
- wygrzewanie wlewków w temperaturze 1100°C przez 5 godzin w atmosferze argonu.
Celem rozdrobnienia mikrostruktury zastosowano unikatową obróbkę plastyczną na
gorąco obejmującą kucie w 1100°C wlewka z średnicy 50 na 20 mm oraz młotkowanie
w 1000°C z redukcją średnicy pręta z 20 na 8 mm.
3. WYNIKI BADAŃ
Zastosowana niekonwencjonalna obróbka plastyczna na gorąco umożliwiła około
2-krotne zmniejszenie wielkości ziarna badanych stopów. W przypadku stopu Fe16Al
uzyskano jednorodną strukturę o średniej wielkości ziarna wynoszącej 200 µm (rys. 1a).
Redukcja przekroju w procesie młotkowania spowodowała jednocześnie powstanie
struktury włóknistej obserwowanej na przekroju wzdłużnym (wydłużenie ziaren nawet
10-krotne w stosunku do średnicy obserwowanej na przekroju poprzecznym – rys. 1b).
Stop Fe16Al po przeróbce plastycznej posiadał jednorodną twardość na całym
przekroju na poziomie 330 HV.
a)
b)
Rys. 1. Mikrostruktura stopu FeAl16 po obróbce plastycznej na gorąco; a – kierunek poprzeczny,
b – kierunek równoległy do osi pręta
Fig. 1. The Fe16Al alloy’s microstructure after hot plastic working; a - transverse direction, b –
longitudinal direction to centre line of the bar
244
Wygrzewanie stopu FeAl16 w temperaturze do 900°C w czasie 30 minut
powoduje obniżenie twardości, przy czym maksymalny spadek jej wartości wynoszący
około 100HV występuje wskutek wyżarzania w temperaturze 800-850°C.
Przeprowadzone badania mikrostruktury potwierdziły zajście procesu rekrystalizacji w
temperaturze 850°C (rys. 2a). Zasięg rekrystalizacji w badanym stopie jest
zróżnicowany, ale globalnie rekrystalizacja ma charakter lokalny. W mikroobszarach
przebudowa mikrostruktury doprowadziła do powstania ziaren o wielkości 50µm.
a)
b)
Rys. 2. Mikrostruktura stopu FeAl16 po wyżarzaniu; a - 850°C/30 min, b - 900°C/30 min
Fig. 2. FeAl16 alloy’s microstructure after heat treatment; a - 850°C, b - 900°C/30 min
Stop FeAl16-Mo po obróbce plastycznej na gorąco charakteryzuje się
zróżnicowaną wielkością ziaren; przy średniej ich wielkości na poziomie 300 µm
występują ziarna pierwotne o wielkości dochodzącej do 500 µm (rys. 3a).
Analiza mikrostruktury po przeprowadzonych zabiegach wygrzewania wykazała
wysoką stabilność struktury stopu z dodatkiem molibdenu w temperaturze do 900°C.
Dla zastosowanych wariantów obróbki cieplnej nie zaobserwowano rekrystalizacji
stopu, jedynym efektem było ujednorodnienie wielkości ziaren w wyniku wygrzewania
w temperaturze 800°C (rys. 3b).
a)
b)
Rys. 3. Mikrostruktura stopu FeAl16-Mo; a – po obróbce plastycznej na gorąco, b – po
wygrzewaniu w temp. 900°C
Fig. 3. The FeAl16-Mo alloy microstructure after; a - heat treatment, b - heat treatment 900°C
245
Twardość stopu FeAl16-Mo po przeprowadzonej obróbce plastycznej na gorąco
wynosi 265HV i pomimo identycznych warunków przygotowania jest nieznacznie
niższa w porównaniu do stopu bez dodatku molibdenu. Wyżarzanie tego stopu w
temperaturze do 900°C powoduje jedynie nieznaczne obniżenie twardości - najniższa
twardość jest po wyżarzaniu w temperaturze 800°C (spadek o 45 HV).
W celu określenia wpływu obróbki plastycznej na gorąco na właściwości
wytrzymałościowe przeprowadzono statyczną próbę ściskania próbek w stanie lanym
oraz po obróbce plastycznej na gorąco. Wyniki tych badań przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1 Zestawienie wyników prób ściskania
Table 1. Results of static compression tests’
Rce [MPa]
Rc [MPa]
A [%]
Stan lany
Po obróbce plastycznej na gorąco
FeAl16
FeAl16-Mo
FeAl16
FeAl16-Mo
460
370
620
500
1500
1600
1700
2000
15
13
25
25
Zmniejszenie wielkości ziarna uzyskane w wyniku przeprowadzenia obróbki
plastycznej na gorąco wpływa znacząco na poprawę właściwości wytrzymałościowych
w temperaturze otoczenia. Plastyczność badanych stopów po obróbce plastycznej na
gorąco wzrsta o ponad 60% osiągając wartość 25%. Zastosowana obróbka plastyczna
powoduje wzrost wytrzymałości na ściskanie o 200MPa dla stopu FeAl16 oraz o
400MPa dla stopu FeAl16-Mo. Szczególnie istotny dla zastosowań inżynierskich jest,
zauważalny na wykresach ściskania, wzrost granicy plastyczności do 620MPa dla stopu
FeAl16 oraz o 500MPa dla stopu FeAl16-Mo.
Dokonano weryfikacji wpływu zastosowanej obróbki plastycznej na gorąco na
podatność do kruchego pękania poprzez badania udarności na młocie udarowym PW30
o energii 300J z komputerową rejestracją przebiegu procesu łamania.
Stop FeAl16 po obróbce plastycznej na gorąco wykazał się zadowalającą udarnością
KV wynoszącą 15J/cm2 (rys. 4).
Udarność stopu z dodatkiem molibdenu jest znacznie niższa i przy poziomie 9J/cm2 nie
odbiega od udarności typowej dla stopów na bazie faz intermetalicznych z układu Fe-Al
w stanie lanym.
Rys. 4. Wykres z próby udarności
stopu FeAl16
Fig. 4. The impact strength’s
chartFe16Al alloy
246
Badane stopy charakteryzują się niemal identyczną morfologią przełomów,
typową dla pękania międzykrystalicznego łupliwego (rys. 5). Niszczenie stopów
następuje w wyniku pękania kruchego rozprzestrzeniającego się zarówno w
płaszczyźnie łamania, jak również po płaszczyznach łupliwości prostopadłych do
płaszczyzny łamania.
a)
b)
Rys. 5. Morfologia przełomu; a - stopu FeAl16, b – stopu FeAl16-Mo
Fig. 5. Fracture surface: a – FeAl16 aloy, b – FeAl16-Mo alloy
4. WNIOSKI
Zastosowana niekonwencjonalna obróbka plastyczna na gorąco obejmująca kucie
w 1100°C wlewka z średnicy 50 na 20 mm oraz młotkowanie w 1000°C z redukcją
średnicy pręta z 20 na 8 mm umożliwia efektywne kształtowanie mikrostruktury
badanych stopów na osnowie fazy Fe3Al i prowadzi do dwu-krotnego rozdrobnienia
ziaren. Taka zmiana mikrostruktury skutecznie poprawia właściwości mechaniczne; o
10% (z 15 do 25%) podwyższa się plastyczność w temperaturze otoczenia oraz o około
200MPa wzrasta wytrzymałość na ściskanie. Wzrasta również granica plastyczności (do
620MPa dla stopu FeAl16), co jest szczególnie istotne dla zastosowań inżynierskich
tych stopów.
Stop FeAl16 po przeprowadzonej obróbce plastycznej na gorąco charakteryzuje się
zadowalającą udarnością w temperaturze otoczenia wynoszącą 15J/cm2, natomiast w
temperaturze 400°C udarność tego stopu wzrasta około 10-krotnie.
LITERATURA
[1] C.T.Liu; Recent Advances in Ordered Intermetalics Proc. In High-temperature
Ordered Intermetallic Alloys, Symp. 30.11-3.12.1992 Boston USA, publ. Materials
Research Society (1992).
[2] S.C.Deevi, V.Sikka; Intermetalics. 4 (1996).
[3] C.T. Liu; Intermetallics 2, 75 (1994).
[4] P.J. Maziasz, D.J. Alexander; Intermetallics 5 (1997).
[5] J. Barcik, M. Kupka; Inżynieria Materiałowa 2 (1997).
[6] Z. Bystrzycki, R. Varin, Z. Bojar; Postępy w badaniach stopów na bazie
uporządkowanych faz międzymetalicznych z udziałem aluminium, Inżynieria
Materiałowa 5 (1996).
247
[7] E.P. George, J. Backer; Phil. Mag A77, 737 (1998).
[8] J. Barcik, J. Cebulski; Archives of Metallurgy v. 45 (2000).
[9] R.Łyszkowski, J.Bystrzycki; Evolution of mictrostructure in FeAl intermetallic
during deformation at elevated temperature, Acta Metallurgica Slovaca, Kosice
2/2002.
[10] S. Jóżwiak, T. Durejko, Z. Bojar; Strukture and properties of Fe-Al based
heterogeneous intermetallic materials, Acta Metallurgica Slovaca, Kosice 2/2002.
[11] Z. Komorek, Z. Bojar; The influence of chemical composition on microsructure
and mechanical properties of Fe-Al phase based intermetallics, Acta Metallurgica
Slovaca, Kosice 2/2002.
THE INFLUENCE OF HOT WORKING ON MECHANICAL PROPERTIES OF
ALLOYS BASED ON INTERMETALLICS PHASE Fe3Al
SUMMARY
Used orthodox hot working enables effective shaping of tested alloys based on Fe3Al
and leads to twice refinement of microstructure.The refinement of microstructure in
effective way increases mechanical properties, at about 10% increases plasticity in
ambient temperature and at about 200MPa increases compressive strength and what is
especially crucial for engineers applications increases the yield point up to 620MPa for
FeAl16 alloy.
Recenzował: Prof. Wojciech Przetakiewicz
248