The effect of cooling rate on the structure, porosity and mechanical properties of sinter-hardened Fe-3% Mn-0.8%C PM Steels

• Autorzy: Sułowski M. , Dudek P.

Warianty tytułu

PL

Wpływ szybkości chłodzenia na strukturę, porowatość i własności mechaniczne spiekanych stali Fe-3% Mn-0.8%C przeznaczonych do obróbki typu sinter-hardening

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

New applications for manganese PM steels are continuously introduced on the market. Many of these new applications utilize the unique possibilities of powder metallurgy to achieve high strength in combination with close dimensional tolerances and to minimize the manufacturing operations. The mechanical properties of PM steels are affected by many factors, including the green and as-sintered densities, porosity, sintering temperaturę, sintering atmosphere and cooling ratę. In this paper the influence of cooling ratę on structure, porosity and mechanical properties of sintered manganese PM steels is discussed. The materials used was Fe-3%Mn-0.8%C steel, prepared of commercial iron powder, finely ground Fe-77%Mn-1.3%C low-carbon ferroalloy, and carbon added in the form of graphite powder. Following mixing in double cone laboratory mixer, the mixtures of powders were cold compacted into standard tensile specimens according to ISO 2740/MP1F or rectangular specimens, 55x10x5 mm in size. Zinc stearate was used for die wali lubrication. To achieve green densities 7.0 gcm-³, the pressing pressure was 660 MPa for "dogbone" specimens and 820 MPa for rectangular specimens. Sintering was carried out in laboratory furnace at 1120°C and 1250°C. After sintering, the specimens were cooled to the room temperaturę at different cooling rates (4.5-65°C/min). The hydrogen atmosphere with -60°C dew point was used to prevent of sublimation and oxidation of the manganese. Densities (green and as-sintered) of samples varied from 6.87 gem-³ to 7.02 gcm-³ for "dogbone" and from 6.91 gcm-³ to 7.03 gcm-³ for rectangular specimens. The porosity analysis and microstructure investigations were pursued using light-optical microscope. The measured values of mean equivalent circular diameter (ECD) and mean porę area for specimens sintered at 1250°C were consistently lower, than for their counterparts sintered at 1120°C. However higher internal porosity was observed in samples sintered at 1250°C. The sintered microstructures were sensitive to the cooling ratę. Slow furnace cooling between 4-9°C/min resulted in pearlitic structures for sintering temperaturę 1120°C and pearlitic structures with some ferrite for specimens sintered at 1250°C. Martensite, fine pearlite, bainite and retained austenite characterize the steel cooled from 40°C/min to 65°C/min ratę.

PL

Stale manganowe, produkowane metodami metalurgii proszków, znajdują coraz szersze zastosowanie, z których wiele wskazuje na możliwość otrzymania wyrobów spiekanych o wysokich własnościach wytrzymałościowych w połączeniu z małymi tolerancjami wymiarowymi przy niskich nakładach kosztów. Własności mechaniczne spiekanych stali zależą od wielu czynników takich jak gęstość, temperatura i atmosfera spiekania oraz prędkość chłodzenia. W pracy opisano wpływ prędkości chłodzenia na strukturę, porowatość i własności mechaniczne spiekanych stali manganowych. Badanym materiałem była stal o składzie Fe-3%Mn-0,8%C, wykonana z proszku żelaza NC100.24, proszku niskowęglo-wego żelazomanganu (Fe-77%Mn-1.3%C) oraz proszku grafitu C-UF. Mieszanie realizowano w mieszalniku dwustożkowym. Z przygotowanej mieszanki proszków, metodą jednokrotnego prasowania w stalowej matrycy, wykonano dwa rodzaje wyprasek: zgodne z PN-EN ISO 2740, przeznaczone do badań wytrzymałości na rozciąganie oraz prostopadłościenne, o wymiarach 55x10x5 mm, przeznaczone do badań wytrzymałości na zginanie, udarności oraz twardości. W procesie prasowania próbek, jako środek poślizgowy zastosowano stearynian cynku w celu zabezpieczenia stempli i ścianek matryc przed uszkodzeniem. Wypraski spiekano w wodorze o punkcie rosy -60°C w dwóch temperaturach: 1120°C i 1250°C. Po spiekaniu kształtki chłodzono prędkościami zmieniającymi się w zakresie od 4,5°C do 65°C. Zastosowanie podczas spiekania próbek wodoru miało na celu zapobieżenie sublimacji i tworzenia się tlenków manganu. Gęstości wyprasek i spieków wynosiły odpowiednio 6,87 g/cm3 i 7,02 g/cm3 dla próbek wytrzymałościowych oraz 6,91 g/cm3 i 7,03 g/cm3 dla próbek prostopadłościennych. Analiza porowatości została wykonana na podstawie obserwacji mikroskopowych spieków. Uzyskane wartości średniej średnicy zastępczej (ECD) i średniej powierzchni porów dla próbek spiekanych w temperaturze 1250°C były niższe niż dla próbek spiekanych

Słowa kluczowe

EN

powder metallurgy (PM); PM manganese steels; porosity characterisation; mechanical properties

PL

metalurgia proszków; stale spiekane; stale manganowe; porowatość; własności mechaniczne

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 53, iss. 3
• Strony: 827--837
• Opis fizyczny: Bibliogr. 38 poz., rys.

Twórcy

autor

Sułowski M.

autor

Dudek P.

• AGH university of Science and Technology, 30-059 Kraków, 30 Mickiewicza Av.

Bibliografia

• [1] A. S. Wroński, A. Cias, P. Barczy, M. Stoytchev et al, Tough Fatigue and Wear Resis-tant Sintered Gear Wheels, Finał Report on EU Coper-nicus Contract No. ERB CIPA CT-94-0108, European Commission, 1998.
• [2] A. Cias, S. C. Mitchell, A. S, Wroński, Proc. 1998 Powder Metallurgy World Congress, EPMA, Granada, Spain 3, 179-184, (1988).
• [3] A. Cias, S. C. Mitchell, A. Watts, A. S. Wroński, Powder Metallurgy 42, 3, 227 (1999).
• [4] S. C. Mitchell, A. S. Wroński, A. Cias, M. Stoytchev, Proc. PM2TEC99, MPIF, Princeton, New Jersey 7, 129-144, (1999).
• [5] M. Sulowski, A. Cias, Inżynieria Materiałowa 2, 4, 1179(1998).
• [6] P. K. Jones, K. Buckley-Golder, H. David, R. Lawcock, D. Sarafinchan, R. Shivanath, L. Yao, Proc. 1998 Powder Metallurgy World Congress, EPMA, Granada, Spain 3, 155-166, (1988).
• [7] C. Lindberg, Proc. PM2TEC99, MPIF, Princeton, New Jersey 7, 229-244, (1999).
• [8] P. K. Jones, K. B. Goder, R. Lawcock, R. Shivanath, Proc. PM World Congress on PM and Particulate Materials, MPIF, Princeton, New Jersey 4, p. 13, 439-450, (1996).
• [9] R. Shivanath, P. K. Jones, R. Lawcock, Proc. PM World Congress on PM and Particulate Materials, MPIF, Princeton, New Jersey 4, p. 13, 427-437, (1996).
• [10] M. Youseffi, S. C. Miteheli, A. S. Wronski, A. Cias, Powder Metallurgy 43, 4, 353 (2000).
• [11] S. C. Mitchell. The Development of Powder Metallurgy Manganese Containing Low-Alloy Steels, Ph.D. thesis, (2000), University of Bradford.
• [12] A. Cias, M. Stoytchcv, A. S. Wroński, Proc. PM2TEC 2001, MPIF, Princeton, New Jersey 10, 131-140(2001)
• [13] A. S. Wroński, B. S. Becker, C. S. Wright, S. C. Mitchell, Proc. DFPM'99, edited by L. Parilak and H. Danninger 1, 155-166, (1999).
• [14] S. C. Mitchell, B. S. Becker, A. S. Wroński, Proc. 2000 Powder Metallurgy World Congress, Kyoto, K. Kosuge and H. Nagai, Eds., (2001), The Japan Society of Powder and Powder Metallurgy, Part II, 923-926, (200?).
• [15] A. Šalak, M. Selecka, R. Bures, TU Wien Workshop Sintering Atmospheres for Ferrous Components Hoganas Chair, 10-11.09.1999.
• [16] A. Cias, S. C. Mitchell, K. Pilch, H. Cias, M. Sulowski, A. S. Wroński, Powder Metallurgy 46, 2, 165 (2003).
• [17] A. Cias, M. Sulowski, S. C. Mitchell, A. S. Wroński, Proc. of PM2001, organized by EPMA, Nice4, 246-251,(2001).
• [18] A. Šalak, Proc. DFPM'96, Ed. by L. Parilak, H. Danninger, J. Dusza, B. Weiss, IMR-SAS Kosice 1, 205-210, (1996).
• [19] M. Sulowski, Ph. D. Thesis, AGH-UST, Cracow, 2003, in Polish.
• [20] A. Cias, Development and Properties of Fe-Mn-(Mo)-(Cr)-C Sintered Structural Steels, (AGH-UST, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne, Cracow 2004).
• [21] A. Šalak, V. Miskovic, E. Dudrova, E. Rudanova, Powder Metallurgy International 6, 3, 128 (1974).
• [22] A. S. Wronski, A. Cias, Proc. PM 2004 World Congress & Exhibition 3, 1-6, (2004).
• [23] A. S. Wronski, A. Cias, Powder Metallurgy Progress 3, 3, 119 (2003).
• [24] S. C. Mitchell, A. Cias, Powder Metallurgy Progress 4, 3, 132 (2004).
• [25] A. Šalak, International Journal of Powder Metallurgy and Powder Technology 16, 4, 369 (1980).
• [26] A. Šalak, Powder Metallurgy International 12, 2, 72 (1980).
• [27] A. Šalak, Powder Metallurgy International 18, 4, 266 (1986).
• [28] A. Šalak, M. Selecka, R. Bureś, Powder Metallurgy Progress 1, 1, 41 (2001).
• [29] ASTM Committee E-4, Standard Practice for Determining the Inclusion or Second-Phase Constituent Content of Metals by Automatic Image Analysis. Annual Book of ASTM Standards 2001, Sect. 3, 03.01, 2001.
• [30] G. Matheron, Journal of Microscopy, no 95, 15 (1972).
• [31] T Allen, Particie size analysis: Classification and sedimentation methods, lst Eng. Lang. Ed., Chapman and Hall, London, 1994.
• [32] L. Svarovsky, Characterization of powders, in Principles of powder technology, N.J. Rhodes, ed., John Wiley & Sons, Chicester, 35, 1990.
• [33] R. Davies, Particie size measurements: Experimental techniques in handbook Powder science and technology, M.E. Fayed and L. Otten, eds., Van Nostrand Reinhold Company, New York, 31, 1984.
• [34] Ya. E. Gieguzin, Physics of Sintering, Ed. Science, Moscow 1984.
• [35] H. Masuda, K. Iinoya, Journal of Chemical Engineering Japan 4, 1, 60 (1971).
• [36] ISO/CD 13322 Particie Size Analysis-Image Analysis Methods, International Organisation for Standarization, Geneva.
• [37] FC hagnon, D. Barrow, Powder Metallurgy 41, 115 (1998).
• [38] EU Carcinogen Directives 90/394/EEC and 91/322/EEC.