Mikrostruktura i właściwości wysokoaluminiowych stopów Fe-C-Al z dodatkami tytanu, niobu, chromu i boru

• Autorzy: Fraś E. , Kopyciński D.

Warianty tytułu

EN

Microstructure and properties of high aluminium Fe-C-Al alloys with titanium, niobium, chromium and boron additions

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy wykazano możliwość eliminacji niepożądanego węglika A14C3 ze struktury wysokoaluminiowych stopów Fe-C-Al. W tym celu przegrzano żeliwo wysokoaluminiowe do temperatury powyżej temperatury likwidus dla A14C3 i otrzymano roztwór ciekły żelaza, aluminium i węgla. Wprowadzenie dodatków tytanu do tego roztworu zainicjowało reakcję (3) powstawania węglika tytanu. Utworzenie TiC w roztworze ciekłym jest wynikiem odpowiedniego dodatku tytanu do kąpieli i może spowodować całkowite usunięcie węgla z roztworu ciekłego. Wykazano również, że każda nadwyżka węgla w roztworze ciekłym prowadzi do utworzenia niepożądanego A14C3, według reakcji (7). Głównym składnikiem strukturalnym w żeliwie wysokoaluminiowym jest eutektyczny i nadeutektyczny węglik A14C3 (rys. 2a). Dodatek 1,3 % Ti powoduje zanik nadeutek-tycznych wydzieleń węglika A14C3 i wpływa na powstanie węglika tytanu (rys. 2b). Zwiększanie zawartości Ti w roztworze prowadzi do ciągłego zmniejszania się udziału A14C3 w strukturze (rys. 2c). Przy zawartości tytanu 5,4 %, węglik A14C3 jest zastąpiony węglikiem tytanu (rys. 2d). W pracy przeprowadzono szczegółową analizę teoretyczną (popartą doświadczalnie) wpływu zawartości tytanu na udział objętościowy węglików: A14C3 i TiC (rys. 4). Dodatkowe wprowadzenie boru wyraźnie rozdrabnia strukturę wysokoaluminiowych stopów Fe-C-Al (rys. 6). Opracowany stop [16] posiada strukturę składającą się z osnowy fazy międzymetalicznej umocnionej węglikami tytanu (rys. 3a) lub -jeżeli do roztworu ciekłego wprowadzimy inny pierwiastek węglikotwórczy np.: niob - węglikami niobu (rys. 3b). Taką strukturę cechuje wysoka odporność na utlenianie otrzymanych materiałów, przewyższająca właściwości żeliwa i staliwa wy-sokochromowego [15] (rys. 10). Dodatkowo otrzymany stop Fe-C-Al z domieszką chromu i boru posiada dobre właściwości plastyczne. Dodatki boru zwiększają wartość odkształcenia podczas płynięcia plastycznego do 5,3 %, a boru i chromu nawet do 15,5 %, co pokazano na rys. 7-9.

EN

In this work, a method was investigated to eliminate the presence of undesirable A14C3 phases in a high-aluminium alloys, and thus improve the production process. The melting conditions employed in this work enabled the formation of a Fe-Al-C liquid solution. Moreover, titanium additions into the liquid allowed the precipitation of TiC through the reaction (3). According to this reaction, the extent of carbon removal from the melt is strongly influenced by the amount of Ti additions. Hence, proper titanium levels can result in total removal of carbon from the liquid. Any remaining carbon can lead to the formation of undesirable A14C3 through the reaction (7). Figure 2 shows the resultant micro-structures as a function of the Ti content in the Fe-Al-C solidified alloy. From this Figure, it is apparent that in the Ti-free alloy, primary and eutectic A14C3 phases are present (Fig. 2a). Ti additions of 1.3 % promote the formation of TiC as the primary phase, but the eutectic constituent is still A14C3. Further Ti additions lead to total replacement of the eutectic A14C3 by TiC (Figs. 2c-d). In this case, at Ti mass fractions 5.4 %, A14C3 is totally replaced by TiC (Fig. 2d). Considering the stoichiometry of reactions (3) and (4), and from Equations 5 and 6, the estimated volume fractions of precipitated carbides are plotted in Fig. 4. Notice from this figure that Ti additions above 4.5 %, totally eliminate the undesirable A14C3 precipitates. As it is shown in Fig. 6 making Cr, Ti, B additions reduces size of FeAl alloys grains. Thus, the resultant composite [16] can be considered an intermetallic Fe matrix strengthened by TiC (Fig. 3a) and NbC (Fig. 3b) reinforcements. In addition, preliminary work indicates that the Fe-C-Al alloy posses high oxidation resistance (just as in high-aluminum cast iron), exceeding that of high-chromium cast iron and chromium cast steels [15] (Fig. 10). Finally, the alloy ductility can be enhanced by additions of dopants such as B and Cr. Hence, additions of 0.03 % B and 0.03 % B-5 % Cr combined with a heat treatment were implemented. As a result, the alloy ductility was significantly improved as shown in Figures 7^9, where the strain 8 of up to 5.3 %, (B alone) or 15 % (B-KY) were obtained.

Słowa kluczowe

PL

wysokoaluminowe stopy Fe-C-Al; mikrostruktura; właściwości; wpływ tytanu; wpływ boru i chromu

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 28, nr 5
• Strony: 835--839
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Fraś E.

autor

Kopyciński D.

• Wydział Odlewnictwa, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie,

Bibliografia

• [1] Podrzucki Cz.: Żeliwo – Struktura, właściwości, zastosowanie. Wydawnictwo ZG STOP. Kraków 1991
• [2] Case S. L., Van Horn K. R.: Aluminium in Iron and Steel. N. York 1953
• [3] Milman B. S., Alexandrov N. N.: Structure and properties of heat-resistant aluminium containing cast iron inoculated with cerium. Foundry Trade Journal 126, 1969, 943
• [4] Gierek J: Badania nad samorzutnym rozpadem stopów Fe-Al-C w atmosferze powietrza i w temperaturze pokojowej. Postępy Technologii Maszyn i Urządzeń 1, 1977, 46
• [5] Wojtysiak A.: Mechanizm samorzutnego rozpadu stopów Fe-Al-C. PAN. Prace Komisji Metalurgiczno-Odlewniczej, Metalurgia. 40, 1990, 43
• [6] Barcik J., Gierek A., Kupka M., Mikuszewski T.: Technologiczne aspekty wytwarzania i odlewania stopów na osnowie międzymetalicznej typu FeAl. Hutnik 6, 2001, 214
• [7] Eminger Z.: Přispěvek k otăzce wýrobu odlitku z Pyroferalu. Slevarenstvi. 4, 1955, 309
• [8] Binczyk F.: Wpływ warunków krzepnięcia stopów Fe-Al-C na wybrane cechy morfologii węglika Al4C3. Inżynieria Materiałowa 4/5, 1992, 96
• [9] Binczyk F., Renowicz D: Fracture of high aluminum alloy castings. Archiwum Nauki o materiałach 15, 3, 1994, 177
• [10] Gierek J., Binczyk F.: Kierunki praktycznego wykorzystania samorozpadowych proszków metalowych zawierających Fe i Al oraz inne pierwiastki stopowe. Inżynieria Materiałowa 3/4, 1994, 55
• [11] Rapp R. A., Zheng X.: Thermodynamic consideration of grain refi nement of aluminium alloys by titanium and carbon. Metallurgical Transactions 22A, 1991, 3071
• [12] Bahadur A., Mohanty O. N.: The development of Fe-Al intermetallics. Journal of Materials Science 26, 1991, 2685
• [13] Huang Y. D., Yang W. Y., Sun Z. Q.: Effect of the alloying element chromium on the room temperature ductility of Fe3Al intermetallics. Intermetallics 9, 2001, 119
• [14] Mrowec S.: Podstawy teorii utleniania metali i stopów, Wyd. NT, Warszawa 1989
• [15] Fraś E., Kopyciński D., Lopez H.: Development of Al4C3-Free FeAl-TiC composites in high aluminium cast iron. AFS Transactions 111, 2003, 773
• [16] Fraś E., Kopyciński D., Janas A., Kolbus A.: Sposób wytwarzania kompozytów na bazie żeliwa wysokoaluminiowego. Patent PL 18129 z dnia 30.06.2005