DOKTORSKA DISERTACIJA

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI

NARAVOSLOVNOTEHNIŠKA FAKULTETA

DOKTORSKA DISERTACIJA

TILEN BALAŠKO

LJUBLJANA 2021

(2)

UNIVERZA V LJUBLJANI

NARAVOSLOVNOTEHNIŠKA FAKULTETA ODDELEK ZA MATERIALE IN METALURGIJO

TERMODINAMIČNI MODEL VISOKO

TEMPERATURNE OKSIDACIJE ORODNIH JEKEL ZA DELO V VROČEM

DOKTORSKA DISERTACIJA

TILEN BALAŠKO

LJUBLJANA, maj 2021

(3)

UNIVERSITY OF LJUBLJANA

FACULTY OF NATURAL SCIENCES AND ENGINEERING DEPARTMENT OF MATERIALS AND METALLURGY

THERMODYNAMIC MODEL FOR HIGH TEMPERATURE OXIDATION OF HOT WORK

TOOL STEELS

Ph. D. THESIS

TILEN BALAŠKO

LJUBLJANA, May 2021

(4)

iv PODATKI O DISERTACIJI

Število listov: 274 Število strani: 247 Število slik: 164 Število preglednic: 59

Število literaturnih virov: 184 Število prilog: 0

Študijski program: Doktorski študijski program 3. stopnje Znanost in inženirstvo materialov

Smer: Metalurgija

Komisija za zagovor:

Predsednik:

Mentor: prof. dr. Jožef Medved Somentorica: doc. dr. Maja Vončina Član: prof. dr. Primož Mrvar

Član: prof. dr. Milan Terčelj Član: doc. dr. Matjaž Godec

Ljubljana, ………:

(5)

v ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju prof. dr. Jožefu Medvedu za vse nasvete, strokovno pomoč in usmerjanje pri izdelavi doktorske disertacije.

Zahvaljujem se somentorici doc. dr. Maji Vončina za nasvete in strokovno pomoč.

Zahvaljujem se članom komisije prof. dr. Primožu Mrvarju, prof. dr. Milanu Terčelju in doc. dr.

Matjažu Godcu za strokovni pregled doktorske disertacije.

Zahvaljujem se doc. dr. Jaki Burji in dr. Barbari Šetina Batič za vso strokovno pomoč.

Zahvaljujem se tudi vsem na Oddelku za materiale in metalurgijo (NTF) ter Inštitutu za kovinske materiale in tehnologije (IMT), ki so kakor koli pripomogli k nastanku te doktorske disertacije.

Zahvalil bi se tudi staršem za vso spodbudo in podporo med nastajanjem te doktorske disertacije.

Še posebna zahvala gre tebi Mojca, ki si mi ves čas stala ob strani, me podpirala in spodbujala ob nastajanju te doktorske disertacije.

(6)

vi IZVLEČEK V SLOVENSKEM JEZIKU

V doktorski disertaciji smo preiskovali visoko temperaturno oksidacijo treh orodnih jekel za delo v vročem (Dievar, UTOPMO1 in W600). Omenjena jekla se uporabljajo predvsem v poboljšanem stanju, kar je razlog, da smo visoko temperaturno oksidacijo jekel preučevali v dveh toplotnih stanjih, in sicer v mehko žarjenem in poboljšanem.

Najprej so bili s termodinamičnim modeliranjem po metodi CALPHAD narejeni izračuni ravnotežnih sestav nastalih oksidnih plasti. Nato smo del vzorcev oksidirali v komorni peči in ostale v napravi za simultano termično analizo. Prvi so bili uporabljeni za metalografsko analizo sestave, debeline in drugih lastnosti oksidnih plasti. Druge smo uporabili za analizo kinetike visoko temperaturne oksidacije s termogravimetrično analizo. Hkrati je bila izvedena tudi XRD-analiza, z namenom določanja tipa nastalih oksidov v oksidni plasti. Na podlagi vseh zbranih rezultatov smo izdelali termodinamične modele za vsako analizirano jeklo pri posamezni temperaturi.

Omenjeni modeli opisujejo kinetiko visoko temperaturne oksidacije, ki je razložena in opisana tudi z zbranimi rezultati drugih analiz (SEM, XRD, Thermo-Calc itd.). Glede na to, da smo simulirali realne pogoje, je vsak model sestavljen iz dveh delov, in sicer prvi podaja kinetiko oksidacije pri pogojih ogrevanja in drugi pri izotermnih pogojih.

Kinetiko preiskovanih jekel lahko opišemo s tremi matematičnimi funkcijami:

eksponentno, parabolno in kubično funkcijo. Katera funkcija najboljše opiše kinetiko, je odvisno od temperature oksidacije in kemijske sestave jekla. Ugotovljeno je bilo, da imajo dodani legirni elementi velik vpliv na kinetiko oksidacije. Istočasno ima vpliv na kinetiko tudi izhodna mikrostruktura oziroma toplotna obdelava. Dokazano je bilo, da med ogrevanjem nastala oksidna plast vpliva na kinetiko oksidacije pri izotermnih pogojih, zato je relevantno tudi, ali ogrevanje poteka v zaščitni atmosferi ali ne.

Ključne besede: visoko temperaturna oksidacija, orodna jekla za delo v vročem, termodinamično modeliranje, termogravimetrična analiza, kinetika oksidacije

(7)

vii ABSTRACT

In this dissertation, the high temperature oxidation of three hot work tool steels (Dievar, UTOPMO1 and W600) was investigated. These steels are mainly used in the heat- treated conditions; therefore, the high temperature oxidation of these steels was investigated in two thermal conditions, namely, the soft-annealed and the heat-treated.

First, calculations of the equilibrium compositions of the oxide layers formed were carried out by thermodynamic modelling using the CALPHAD method. Then, half of the samples were oxidised in a chamber furnace and the rest in a STA device. The samples from the chamber furnace were used for metallographic analysis of the composition, thickness, and other properties of the oxide layers formed. Others were used for analysis of the kinetics of high-temperature oxidation by thermogravimetric analysis. At the same time, we also performed XRD analysis to determine the oxides formed in the oxide layers. Based on all collected results, we created thermodynamic models for each analysed steel at an individual temperature. These models describe the kinetics of high temperature oxidation, which is additionally explained and described using the collected results of other analyses (SEM, XRD, Thermo-Calc, etc.). Since we simulated real conditions, the model consists of two parts, the first reflecting the kinetics of oxidation under heating conditions and the second under isothermal conditions. The kinetics of the studied steels can be described by three mathematical functions, namely: exponential, parabolic, and cubic. However, which function best describes the kinetics depends on the oxidation temperature and the chemical composition of the steel. In fact, it was found that the added alloying elements have a great influence on the oxidation kinetics. At the same time, the heat treatment conditions also affect the kinetics. It also matters whether the heating takes place in a protective atmosphere or not. This is because, as has been shown, the oxide layer formed during heating influences the oxidation kinetics under isothermal conditions.

Key words: high temperature oxidation, hot work tool steels, thermodynamic modelling, thermogravimetric analysis, oxidation kinetics

(8)

viii ŠIRŠI POVZETEK VSEBINE

V doktorski disertaciji smo preiskovali visoko temperaturno oksidacijo treh orodnih jekel za delo v vročem (Dievar, UTOPMO1 in W600). Analizirana jekla imajo visoko trdoto, dobro obrabno obstojnost, odpornost proti deformaciji in porušitvi pri povišanih temperaturah. Uporabljajo se predvsem za izdelavo orodij, ki oblikujejo in režejo druge materiale, vključno z jekli, neželeznimi kovinami in polimeri. Zaradi zahtevanih mehanskih lastnosti pri povišanih temperaturah se jekla uporabljajo predvsem v poboljšanem stanju, zaradi tega smo visoko temperaturno oksidacijo omenjenih jekel preučevali v dveh toplotnih stanjih, in sicer v mehko žarjenem in poboljšanem. Jekli Dievar in UTOPMO1 spadata v skupino kromovih orodnih jekel za delo v vročem, medtem ko W600 spada v t. i. novo generacijo, saj ga zaradi specifične kemijske sestave ne moremo uvrstiti v nobeno skupino orodnih jekel za delo v vročem. Ker se omenjena orodna jekla uporabljajo predvsem za izdelavo orodij za visoko tlačno litje, smo oksidacijo preučevali v temperaturnem območju od 400 °C do 700 °C.

Glede na to, da smo želeli preiskovati jekla v dveh toplotnih stanjih, je bilo treba najprej del jekel toplotno obdelati. Toplotna obdelava je bila sestavljena iz avstenitizacije, kaljenja in popuščanja. Temperature avstenitizacije in časi zadržanja so bili odvisni od posameznega jekla, medtem ko je kaljenje v vseh primerih potekalo v olju. Nato je sledilo popuščanje, ki je bilo v primeru jekel Dievar in UTOPMO1 dvostopenjsko, ter v primeru jekla W600 tristopenjsko. Po koncu toplotne obdelave smo izdelali še vzorce, ki so bili različnih oblik, odvisno od zahtev posamezne uporabljene metode.

Po izdelavi vzorcev smo začeli s preučevanjem visoko temperaturne oksidacije.

Najprej smo s termodinamičnim modeliranjem po metodi CALPHAD izvedli termodinamične izračune. V ta namen smo uporabili programsko opremo Thermo- Calc. Termodinamični izračuni so služili kot prvi vpogled v sestavo nastale oksidne plasti za posamezno jeklo pri analiziranih temperaturah. Izkazalo se je, da če so vhodni parametri nastavljeni pravilno, s termodinamičnimi izračuni lahko zelo zanesljivo predvidimo sestavo oksidne plasti. Rezultati izračunov se dobro ujemajo z eksperimentalnimi, seveda se pojavljajo tudi odstopanja, ki so minimalna. Nadaljevali smo z eksperimentalnim delom, pri čemer smo del vzorcev oksidirali v komorni peči, druge pa v STA-napravi. Prvi so bili uporabljeni za metalografsko analizo, pri čemer smo analizirali sestavo, debelino in druge lastnosti oksidnih plasti. Uporabili smo dve

(9)

ix

različni mikroskopiji, in sicer za prvi vpogled smo mikrostrukture in nastale oksidne plasti pregledali s svetlobno mikroskopijo. Nato smo z vrstično elektronsko mikroskopijo izmerili še debeline nastalih oksidnih plasti in analizirali kemijsko sestavo, tako oksidnih plasti kot jekla. Za analizo kemijske sestave smo uporabili linijsko analizo, analizo ploskovne porazdelitve elementov in energijsko disperzijsko spektroskopijo. Hkrati je bil uporabljen tudi sistem za določanje orientacije kristalnih zrn, s katerim smo določili tipe oksidov, ki sestavljajo nastale oksidne plasti. Po koncu analiz z vrstično elektronsko mikroskopijo smo vzorce še jedkali in posneli mikrostrukture, za referenco je bila uporabljena izhodiščna mikrostruktura. Preostale vzorce smo uporabili za analizo kinetike visoko temperaturne oksidacije. Analiza kinetike je potekala v STA-napravi, v kateri smo s termogravimetrično analizo spremljali spremembo mase med visoko temperaturno oksidacijo. Ker smo skušali simulirati enake pogoje kot v komorni peči, je tudi ogrevanje potekalo v atmosferi zraka.

Rezultat analize so oksidacijske krivulje, na podlagi katerih smo lahko opisali kinetiko in določili enačbe oziroma izdelali termodinamične modele. Kinetika je razdeljena na dva dela, in sicer prvi del predstavlja oksidacijo pri pogojih ogrevanja v atmosferi zraka in drugi oksidacijo pri izotermnih pogojih. Izkazalo se je, da nastala oksidna plast med ogrevanjem vpliva na nadaljnjo kinetiko oksidacije pri izotermnih pogojih. Namreč nastala oksidna plast je v nekaterih primerih dovolj dobra zaščita, da ščiti jeklo pred nadaljnjo oksidacijo. To je najočitneje pri jeklih, ki vsebujeta krom (Dievar in UTOPMO1). Naredili smo tudi XRD-analizo, s katero smo določali tipe nastalih oksidov v oksidni plasti. Na podlagi vseh zbranih rezultatov so bili izdelani termodinamični modeli za vsako analizirano jeklo pri posameznih temperaturah. Omenjeni modeli opisujejo kinetiko visoko temperaturne oksidacije, ki je razložena in opisana tudi z zbranimi rezultati drugih analiz (SEM, XRD, Thermo-Calc itd.).

Nastale oksidne plasti so bile po večini sestavljene iz treh podplasti. V primeru jekel Dievar in UTOPMO1 je v notranji oksidni podplasti oksid spinelne oblike (Fe, Cr)3O4 s povišanimi vsebnostmi molibdena, v primeru jekla UTOPMO1 tudi silicija; v srednji oksidni podplasti magnetit in v zunanji oksidni podplasti hematit. Pri 700 °C je v notranji oksidni podplasti še nekaj hematita in vustita. Srednjo oksidno podplast sestavlja po večini magnetit, pojavlja se tudi hematit, predvsem v okolici por in razpok. V primeru jekla W600 je zelo podobno, in sicer je notranja oksidna podplast sestavljena iz (Fe, Mo, Ni)3O4 in nekaj hematita, srednja oksidna podplast iz magnetita in zunanja iz

(10)

x

hematita. V primeru 600 °C in 700 °C opazimo ostanke matrice oziroma ferita s povišanimi vsebnostmi niklja v notranji oksidni podplasti.

Kinetiko preiskovanih jekel lahko opišemo s pomočjo treh matematičnih funkcij:

eksponentne, parabolne in kubične. Katera funkcija najbolje opiše kinetiko, je odvisno od temperature oksidacije in kemijske sestave jekla. Ugotovljeno je bilo, da imajo dodani legirni elementi velik vpliv na kinetiko oksidacije. V primeru ogrevanja lahko kinetiko vseh analiziranih jekel skozi celotno preiskovano temperaturno območje opišemo s pomočjo eksponentne funkcije. Pri izotermnih pogojih je nekoliko drugače in dejansko ne moremo opisati kinetike vseh analiziranih jekel z enim termodinamičnim modelom. Zato smo združili samo tiste modele, ki so podobni in so tudi opisani z enako matematično funkcijo. Istočasno ima vpliv na kinetiko tudi izhodna mikrostruktura oziroma toplotna obdelava. Dokazali smo, da je načeloma kinetika poboljšanega vzorca počasnejša od kinetike mehko žarjenega vzorca.

(11)

xi IZJAVA

Spodaj podpisani Tilen Balaško, izjavljam, da je doktorska disertacija z naslovom Termodinamični model visoko temperaturne oksidacije orodnih jekel za delo v vročem rezultat mojega raziskovalnega dela.

Podpis doktoranda /-tke/

(12)

xii VSEBINSKO KAZALO

1 UVOD ... 1

1.1 Potek dela ... 2

1.2 Znanstvene hipoteze ... 2

2 PREGLED LITERATURE ... 4

2.1 Orodna jekla ... 4

2.1.1 Razvrstitev orodnih jekel ... 5

2.1.2 Orodna jekla za delo v vročem ... 8

2.1.2.1 Kromova orodna jekla za delo v vročem... 10

2.1.2.2 Volframova orodna jekla za delo v vročem ... 15

2.1.2.3 Molibdenova orodna jekla za delo v vročem ... 18

2.1.3 Fizikalna metalurgija orodnih jekel za delo v vročem ... 19

2.1.4 Toplotna obdelava ... 24

2.1.5 Vpliv povišanih temperatur na lastnosti orodnih jekel za delo v vročem ... 30

2.2 Oksidacija ... 35

2.2.1 Kinetika oksidacije ... 39

2.2.2 Difuzijski in transportni procesi med oksidacijo ... 42

2.2.2.1 Difuzija in transportni procesi v oksidih ... 47

2.2.2.2 Difuzijski procesi v oksidni plasti ... 48

2.2.3 Nestehiometričnost oksidov ... 49

2.2.3.1 p-tip oksidov ... 50

2.2.3.2 n-tip oksidov ... 50

2.2.4 Wagnerjeva teorija oksidacije ... 51

2.2.5 Oksidacija železa in zlitin ... 56

2.2.6 Visoko temperaturna oksidacija železa ... 61

2.2.7 Visoko temperaturna oksidacija jekel ... 69

3 EKSPERIMENTALNI DEL ... 82

3.1 Uporabljena jekla in postopek izdelave vzorcev ... 82

3.1.1 Kratek opis uporabljenih orodnih jekel za delo v vročem... 82

3.1.2 Toplotna obdelava ... 85

3.1.3 Izdelava vzorcev ... 87

3.2 Termodinamična obravnava faznih ravnotežij ... 88

3.3 Visoko temperaturna oksidacija ... 89

3.3.1 Visoko temperaturna oksidacija v komorni peči ... 89

(13)

xiii

3.3.2 Visoko temperaturna oksidacija v STA-napravi ... 90

3.4 Metalografska analiza... 91

3.5 Analiza oksidnih plasti z rentgensko difrakcijo ... 92

4 REZULTATI ... 94

4.1 Termodinamična obravnava faznih ravnotežij ... 94

4.1.1 Rezultati termodinamičnih izračunov za jeklo Dievar ... 94

4.1.2 Rezultati termodinamičnih izračunov za jeklo UTOPMO1 ... 99

4.1.3 Rezultati termodinamičnih izračunov za jeklo W600 ... 104

4.2 Analiza vzorcev po visoko temperaturni oksidaciji ... 109

4.2.1 TG analiza ... 109

4.2.1.1 Visoko temperaturna oksidacija pri temperaturi 400 °C ... 110

4.2.1.5 Primerjava rezultatov ... 126

4.2.2 Optična mikroskopija ... 128

4.2.2.1 Dievar ... 129

4.2.2.2 DievarTO ... 130

4.2.2.3 UTOPMO1 ... 131

4.2.2.4 UTOPMO1TO ... 132

4.2.2.5 W600 ... 133

4.2.2.6 W600TO ... 134

4.2.3 Vrstična elektronska mikroskopija ... 135

4.2.3.1 Dievar ... 136

4.2.3.2 UTOPMO1 ... 151

4.2.3.3 W600 ... 169

4.2.4 Rezultati rentgenske difrakcije ... 186

5 DISKUSIJA REZULTATOV ... 190

5.1 Kinetika oksidacije – jeklo Dievar ... 190

5.2 Kinetika oksidacije – jeklo UTOPMO1 ... 199

5.3 Kinetika oksidacije – jeklo W600 ... 205

5.4 Primerjava rezultatov analiziranih jekel ... 210

5.4.1 Mikrostruktura ... 210

5.4.2 Mehanizem oksidacije ... 212

5.4.2.1 Sestave oksidnih plasti ... 212

5.4.2.2 Kinetika oksidacije ... 217

(14)

xiv

5.5 Odgovori na hipoteze ... 228 6 ZAKLJUČKI ... 232 7 VIRI ... 235

(15)

xv SEZNAM SLIK

Slika 1: Ohlajevalne krivulje vzorcev iz jekla H13 različnih velikosti (12,5 mm; 150 mm in 300 mm). Ohlajani so bili na zraku iz temperature avstenitizacije a) 1030 °C in b) 1080 °C. Na diagramih so tudi krivulje pripadajočega CCT-diagrama (A – avstenit, B – bainit, C – cementit, M – martenzit, P – perlit ) [1, 19, 22] ... 13 Slika 2: Odvisnost med trdoto in parametrom P za H11-orodno jeklo za delo v vročem [1] .. 15 Slika 3: Trdote različnih karbidov [17] ... 22 Slika 4: Fazni diagram Fe-C (črtkane krivulje predstavljajo ravnotežje železo-grafit) [37].... 24 Slika 5: Procesna pot toplotne obdelave orodnih jekel a) med procesom izdelave jekla in b) med končno toplotno obdelavo. L – talina; A – avstenit; C – karbidi; F – ferit in MS martenzit start temperatura [14] ... 25 Slika 6: Shematični prikaz temperaturnih razlik med površino in jedrom (ΔT), ki nastanejo med ogrevanjem jekla. Črtkana krivulja prikazuje temperaturo površine, če jeklo predgrevamo (v smislu izotermnih segmentov med ogrevanjem). V tem primeru je bilo jeklo zadržano pri temperaturi 600 °C za nekaj minut in nato še pri 850 °C, prav tako nekaj minut [14] ... 26 Slika 7: Prikaz vpliva posameznih mehanizmov a) na trdoto orodnega jekla za delo v vročem H11 [38]. Zaporedje izločanja posameznih karbidov b), ki se pojavljajo v H11-orodnem jeklu za delo v vročem [14] ... 29 Slika 8: Diagram prikazuje odvisnost med trdoto in temperaturo, prikazan je padec trdote (izmerjene pri sobni temperaturi) po izpostavljanju visokim temperaturam za dve različni orodni jekli za delo v vročem. Lepo je viden vpliv odpornosti proti mehčanju oz. popuščanju, pri jeklu, ki ima večjo vsebnost molibdena (H11 mod – povišan molibden) [14] ... 30 Slika 9: Popuščni diagram za najpogosteje uporabljena orodna jekla za delo v vročem [14] . 31 Slika 10: Odvisnost med a) trdoto in b) žilavostjo za H13-orodno jeklo za delo v vroče, v odvisnosti od temperature [14] ... 32 Slika 11: Vpliv temperature okolice na žilavost orodnih jekel za delo v vročem. Udarna trdnost se nanaša na Charpy preizkus z zarezo V [14] ... 33 Slika 12: Vpliv vsebnosti silicija na popuščno krivuljo in žilavost H11-orodnega jekla za delo v vročem [49] a) in b) razporeditev sekundarnih karbidov (A) nizka vsebnost silicija, (B) visoka vsebnost silicija, kjer vidimo da so karbidi koncentrirani na martenzitnih mejah (prikazano s puščicami), to pa je tudi vzrok za nizko žilavost. To potrjuje tudi lomna površina (C) [47, 48], kjer najdemo na zlomu prav te karbide [14]... 35 Slika 13: Reakcije in transportni procesi, ki se dogajajo med rastjo oksidne plasti [7] ... 37 Slika 14: Ellinghamov diagram (prosta energija v odvisnosti od temperature za oksidacijo kovin) [52, 53] ... 38 Slika 15: Shematski prikaz spremembe mase med oksidacijo. Predstavljene so krivulje spremembe mase po času, če kinetika oksidacije sledi linearnemu, parabolnemu ali logaritemskemu zakonu [56] ... 39 Slika 16: Shematski prikaz Kirkendallovega učinka v homogenem binarnem A-B-difuzijskem paru: a) začetno stanje, pred difuzijskim žarjenjem, b) koncentracijski profil in položaji

(16)

xvi

markerjev po difuzijskem žarjenju, c) variacije difuzijskih tokov in izvor praznin/gostota

ponorov praznin (𝑑𝐽𝑣𝑑𝜉) in d) nastanek por v odsotnosti ponora praznin [50]... 45

Slika 17: Difuzijski tokovi in nastanek/izničenje napak za MOn-oksidno plast pri konstantnem gradientu kisika: a) n-tip oksida z anionskimi prazninami in b) p-tip oksida s kationskimi prazninami [50] ... 48

Slika 18: Reakcije na stični površini in transportni procesi, ki se dogajajo med visoko temperaturno oksidacijo: a) mobilnost kationov in b) mobilnost anionov [9, 10] ... 49

Slika 19: Shematski prikaz nastanka oksida p-tipa [52] ... 50

Slika 20: Shematski prikaz nastanka oksida n-tipa [52] ... 51

Slika 21: Shematski prikaz nastanka oksidne plasti glede na Wagnerjev model [9] ... 52

Slika 22: Izopletni fazni diagram Fe-O, na X-osi je aktivnost kisika (izračunano s programskim orodjem Thermo-Calc) ... 57

Slika 23: Izopletni fazni diagram Fe-O, na X-osi je masni odstotek kisika (izračunano s programskim orodjem Thermo-Calc) ... 58

Slika 24: Shematski prikaz nastale oksidne plasti, ki nastaja na železu pri temperaturah nad 570 °C. Pod shematskim prikazom so zapisane tudi kemijske reakcije, ki potekajo na posameznih mejnih površinah (1–4) [50] ... 58

Slika 25: Kristalna struktura a) vustita (FeO), b) magnetita (Fe3O4) in c) hematita (α-Fe2O3) [68] ... 60

Slika 26: Arrheniusov diagram za samodifuzijo železa in kisika [54] ... 60

Slika 27: Shematski prikaz reakcij, ki potekajo med površino kovine in kisikom pri visokih temperaturah [50, 82, 83] ... 62

Slika 28: Morfologija posameznih oksidnih podplasti pri temperaturi 700 °C in času 240 min a) Fe2O3, b) Fe3O4 in c) FeO [131] ... 75

Slika 29: Tip oksidne plasti v odvisnosti od začetne temperature in hitrosti ohlajanja [77, 154] ... 78

Slika 30: Struktura oksidne plasti Tip-2, tanka zunanja podplast hematita, relativno debela srednja podplast magnetita, debela notranja podplast vustita, ki vsebuje magnetitne izločke in magnetitni rob na mejni površini med oksidno plastjo in jeklom [77, 154] ... 79

Slika 31: Termodinamični izračun stabilnih faz v odvisnosti od parcialnega tlaka kisika (𝑝𝑂2) pri a) 550 °C in b) 600 °C [158] ... 80

Slika 32: Termodinamični izračuni za glavne faze, ki jih najdemo v oksidni plasti H13-jekla [158] ... 81

Slika 33: Na diagramih je prikazana a) odvisnost mehanskih lastnosti od temperature in b) popuščna obstojnost orodnega jekla za delo v vročem Dievar [159] ... 84

Slika 34: CCT-diagram za orodno jeklo za delo v vročem Dievar [159] ... 85

Slika 35: Popuščni diagram za orodno jeklo za delo v vročem Dievar [159] ... 85

(17)

xvii

Slika 36: CCT diagram a) in popuščni diagram b) za orodno jeklo za delo v vročem UTOPMO1 [160] ... 86 Slika 37: Vzorec po avstenitizaciji in pred kaljenjem v olju ... 87 Slika 38: Fotografija vzorcev različnih geometrij, ki so bili uporabljeni v eksperimentalnem delu a) iz ptičje perspektive in b) s sprednje strani ... 88 Slika 39: Prikaz postavitve vzorcev v peč pred visoko temperaturno oksidacijo ... 89 Slika 40: STA-naprava NETZSCH STA Jupiter 449C ... 90 Slika 41: a) STA-naprava in b) DTA-nosilec s posebnim nastavkom Al2O3, pločevina iz platine in vzorec, zraven je viden še lonček reference ... 91 Slika 42: Izopletni ravnotežni fazni diagram za jeklo Dievar ... 95 Slika 43: Diagram vsebnosti faz v odvisnosti od temperature, a) Y-os do 100 mas. %, b) povečava Y-osi do 6,0 mas. % in c) še večja povečava Y-osi do 1,0 mas. % vsebnosti termodinamično stabilnih ravnotežnih faz ... 96 Slika 44: Vsebnost termodinamično stabilnih faz, nastalih med visoko temperaturno oksidacijo v odvisnosti od aktivnosti kisika za jeklo Dievar pri temperaturi 400 °C... 97 Slika 45: Vsebnost termodinamično stabilnih faz, nastalih med visoko temperaturno oksidacijo v odvisnosti od aktivnosti kisika za jeklo Dievar pri temperaturi 500 °C... 97 Slika 46: Vsebnost termodinamično stabilnih faz, nastalih med visoko temperaturno oksidacijo v odvisnosti od aktivnosti kisika za jeklo Dievar pri temperaturi 600 °C... 98 Slika 47: Vsebnost termodinamično stabilnih faz, nastalih med visoko temperaturno oksidacijo v odvisnosti od aktivnosti kisika za jeklo Dievar pri temperaturi 700 °C... 99 Slika 48: Izopletni ravnotežni fazni diagram za jeklo UTOPMO1 ... 100 Slika 49: Diagram vsebnosti faz v odvisnosti od temperature, a) Y-os do 100 mas. %, b) povečava Y-osi do 6,8 mas. % in c) še večja povečava Y-osi do 1,0 mas. % vsebnosti termodinamično stabilnih faz ... 101 Slika 50: Vsebnost termodinamično stabilnih faz, nastalih med visoko temperaturno oksidacijo v odvisnosti od aktivnosti kisika za jeklo UTOPMO1 pri temperaturi 400 °C ... 102 Slika 51: Vsebnost termodinamično stabilnih faz, nastalih med visoko temperaturno oksidacijo v odvisnosti od aktivnosti kisika za jeklo UTOPMO1 pri temperaturi 500 °C ... 102 Slika 52: Vsebnost termodinamično stabilnih faz, nastalih med visoko temperaturno oksidacijo v odvisnosti od aktivnosti kisika za jeklo UTOPMO1 pri temperaturi 600 °C ... 103 Slika 53: Vsebnost termodinamično stabilnih faz, nastalih med visoko temperaturno oksidacijo v odvisnosti od aktivnosti kisika za jeklo UTOPMO1 pri temperaturi 700 °C ... 104 Slika 54: Izopletni ravnotežni fazni diagram za jeklo W600 ... 105 Slika 55: Diagram vsebnosti faz v odvisnosti od temperature, a) Y-os do 100 mas. %, b) povečava Y-osi do 4,0 mas. % in c) še večja povečava Y-osi do 1,0 mas. % vsebnosti termodinamično stabilnih faz ... 106

(18)

xviii

Slika 56: Vsebnost termodinamično stabilnih faz, nastalih med visoko temperaturno oksidacijo v odvisnosti od aktivnosti kisika za jeklo W600 pri temperaturi 400 °C ... 107 Slika 57: Vsebnost termodinamično stabilnih faz, nastalih med visoko temperaturno oksidacijo v odvisnosti od aktivnosti kisika za jeklo W600 pri temperaturi 500 °C ... 107 Slika 58: Vsebnost termodinamično stabilnih faz, nastalih med visoko temperaturno oksidacijo v odvisnosti od aktivnosti kisika za jeklo W600 pri temperaturi 600 °C ... 108 Slika 59: Vsebnost termodinamično stabilnih faz, nastalih med visoko temperaturno oksidacijo v odvisnosti od aktivnosti kisika za jeklo W600 pri temperaturi 400 °C ... 109 Slika 60: Oksidacijske krivulje pri temperaturi oksidacije 400 °C a) za vzorce v mehko žarjenem stanju in b) za vzorce v toplotno obdelanem stanju ... 111 Slika 61: Primerjava vseh oksidacijskih krivulj preiskovanih jekel pri temperaturi oksidacije 400 °C ... 112 Slika 62: Povečava primerjave vseh oksidacijskih krivulj preiskovanih jekel za prvih 10 h oksidacije pri temperaturi 400 °C ... 112 Slika 63: Shematični prikaz ujemanja enačb z eksperimentalnimi krivuljami, a) prvi del krivulje – ogrevanje, b) drugi del krivulje – izoterma in c) primerjava ujemanja krivulj različnih enačb s krivuljo eksperimentalnih podatkov ... 113 Slika 64: Oksidacijske krivulje pri temperaturi oksidacije 500 °C a) za vzorce v mehko žarjenem stanju in b) za vzorce v toplotno obdelanem stanju ... 115 Slika 65: Primerjava vseh oksidacijskih krivulj preiskovanih jekel pri temperaturi oksidacije 500 °C ... 116 Slika 66: Povečava primerjave vseh oksidacijskih krivulj preiskovanih jekel za prvih 10 h oksidacije pri temperaturi 500 °C ... 117 Slika 67: Oksidacijske krivulje pri temperaturi oksidacije 600 °C a) za vzorce v mehko žarjenem stanju in b) za vzorce v toplotno obdelanem stanju ... 119 Slika 68: Primerjava vseh oksidacijskih krivulj preiskovanih jekel pri temperaturi oksidacije 600 °C ... 120 Slika 69: Povečava primerjave vseh oksidacijskih krivulj preiskovanih jekel za prvih 10 h oksidacije pri temperaturi 600 °C ... 120 Slika 70: Oksidacijske krivulje pri temperaturi oksidacije 700 °C a) za vzorce v mehko žarjenem stanju in b) za vzorce v toplotno obdelanem stanju ... 122 Slika 71: Primerjava vseh oksidacijskih krivulj preiskovanih jekel pri temperaturi oksidacije 700 °C ... 124 Slika 72: Povečava primerjave vseh krivulj preiskovanih jekel za prvih 10 h oksidacije pri temperaturi 700 °C ... 124 Slika 73: Primerjava vseh oksidacijskih krivulj preiskovanih jekel pri temperaturi oksidacije 400 °C in 500 °C ... 127 Slika 74: Povečava primerjave vseh oksidacijskih krivulj preiskovanih jekel pri temperaturi oksidacije 400 °C in 500 °C ... 127

(19)

xix

Slika 75: Primerjava vseh oksidacijskih krivulj preiskovanih jekel pri temperaturi oksidacije 600 °C in 700 °C ... 128 Slika 76: Povečava primerjave vseh oksidacijskih krivulj preiskovanih jekel pri temperaturi oksidacije 600 °C in 700 °C ... 128 Slika 77: Prikaz mikrostrukture jekla Dievar pred in po oksidaciji za vsako temperaturo oksidacije ... 129 Slika 78: Prikaz mikrostrukture jekla DievarTO pred in po oksidaciji za vsako temperaturo oksidacije ... 131 Slika 79: Prikaz mikrostrukture jekla UTOPMO1 pred in po oksidaciji za vsako temperaturo oksidacije ... 132 Slika 80: Prikaz mikrostrukture jekla UTOPMO1TO pred in po oksidaciji za vsako temperaturo oksidacije ... 133 Slika 81: Prikaz mikrostrukture jekla W600 pred in po oksidaciji za vsako temperaturo oksidacije ... 134 Slika 82: Prikaz mikrostrukture jekla W600TO pred in po oksidaciji za vsako temperaturo oksidacije ... 135 Slika 83: Jeklo Dievar in nastala oksidna plast po oksidaciji pri temperaturi 400 °C. Prikazan je vzorec istega jekla v dveh različnih toplotno obdelanih stanjih z dvema različnima površinama, in sicer a) Dievar – brušen, b) Dievar – poliran, c) DievarTO – brušen in d) DievarTO – poliran ... 137 Slika 84: Prikaz analize disperzijske spektroskopije (EDS) s pripadajočimi spektri analize, tako oksidne plasti kot jekla Dievar po oksidaciji pri temperaturi 400 °C – brušena stranica ... 138 Slika 85: Jeklo Dievar in oksidna plast po oksidaciji pri temperaturi 500 °C. Prikazan je vzorec istega jekla v dveh različnih toplotno obdelanih stanjih z dvema različnima površinama, in sicer a) Dievar – brušen, b) Dievar – poliran, c) DievarTO – brušen in d) DievarTO – poliran .... 139 Slika 86: Prikaz analize disperzijske spektroskopije (EDS) s pripadajočimi spektri analize, tako oksidne plasti kot jekla Dievar po oksidaciji pri temperaturi 500 °C – brušena stranica ... 140 Slika 87: Jeklo Dievar in oksidna plast po oksidaciji pri temperaturi 600 °C. Prikazan je vzorec istega jekla v dveh različnih toplotno obdelanih stanjih z dvema različnima površinama, in sicer a) Dievar – brušen, b) Dievar – poliran, c) DievarTO – brušen in d) DievarTO – poliran .... 141 Slika 88: Prikaz analize disperzijske spektroskopije (EDS) s pripadajočimi spektri analize, tako oksidne plasti kot jekla DievarTO po oksidaciji pri temperaturi 600 °C – polirana stranica 142 Slika 89: EDS-ploskovna porazdelitev elementov za jeklo Dievar v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 600 °C. Prikazani so rezultati polirane stranice ... 143 Slika 90: EDS-ploskovna porazdelitev elementov za jeklo Dievar v poboljšanem stanju po oksidaciji pri temperaturi 600 °C. Prikazani so rezultati brušene stranice ... 144 Slika 91: EDS-linijska analiza jekla Dievar po oksidaciji pri temperaturi 600 °C a) v mehko žarjenem stanju (Dievar) in b) v poboljšanem stanju (DievarTO) ... 145 Slika 92: Jeklo Dievar in oksidna plast po oksidaciji pri temperaturi 700 °C (slike odbitih elektronov, posnete z elektronskim mikroskopom – BEI angl. backscattered electron image).

(20)

xx

Prikazan je vzorec istega jekla v dveh različnih toplotno obdelanih stanjih z dvema različnima površinama, in sicer a) Dievar – brušen, b) Dievar – poliran, c) DievarTO – brušen in d) DievarTO – poliran ... 146 Slika 93: EDS-ploskovna porazdelitev elementov za jeklo Dievar v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C. Prikazani so rezultati polirane stranice ... 147 Slika 94: Prikaz analiziranih območij oksidne plasti jekla Dievar v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C z EBSD-analizo (slika odbitih elektronov, posneta z elektronskim mikroskopom – BEI) ... 148 Slika 95: Zgornji del oksidne plasti (1) jekla Dievar v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C, analiziran z EBSD-analizo. Prikazani so a) slika kvalitete uklonskih slik (angl. image quality (IQ) or band contrast (BC) or Kikuchi band contrast), b) fazna analiza, c) IPF-Z magnetit, č) in d) IPF-Z hematit ... 148 Slika 96: Srednji del oksidne plasti (2) jekla Dievar v mehko žarjenem stanju, po oksidaciji pri temperaturi 700 °C, analiziran z EBSD-analizo. Prikazani sta a) slika kvalitete uklonskih slik in b) fazna analiza ... 149 Slika 97: Srednji del oksidne plasti (2) jekla Dievar v mehko žarjenem stanju, po oksidaciji pri temperaturi 700 °C, analiziran z EBSD-analizo. Prikazane so a) IPF-Z-vustit, b) slika kvalitete uklonskih slik, c) IPF-Z-magnetit, č) IPF-Z vse faze, (image quality overlay), d) IPF-Z hematit in e) IPF-Z, vse faze (brez image quality overlay) ... 149 Slika 98: Stična površina jeklo/oksidna plast (3) jekla Dievar v mehko žarjenem stanju, po oksidaciji pri temperaturi 700 °C, analizirana z EBSD-analizo. Prikazane so a) slika kvalitete uklonskih slik, b) fazna analiza, c) slika kvalitete uklonskih slik, č) IPF-Z-magnetit in d) IPF- Z-hematit ... 150 Slika 99: EDS-ploskovna porazdelitev elementov za jeklo DievarTO v poboljšanem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C. Prikazani so rezultati polirane stranice ... 151 Slika 100: Jeklo UTOPMO1 in oksidna plast po oksidaciji pri temperaturi 400 °C. Prikazan je vzorec istega jekla v dveh različnih toplotno obdelanih stanjih z dvema različnima površinama, in sicer a) UTOPMO1 – brušen, b) UTOPMO1 – poliran, c) UTOPMO1TO – brušen in d) UTOPMO1TO – poliran ... 152 Slika 101: Prikaz analize disperzijske spektroskopije (EDS) s pripadajočimi spektri analize, tako oksidne plasti kot jekla UTOPMO1 po oksidaciji pri temperaturi 400 °C – polirana stranica ... 153 Slika 102: Jeklo UTOPMO1 in oksidna plast po oksidaciji pri temperaturi 500 °C. Prikazan je vzorec istega jekla v dveh različnih toplotno obdelanih stanjih z dvema različnima površinama, in sicer a) UTOPMO1 – brušen, b) UTOPMO1 – poliran, c) UTOPMO1TO – brušen in d) UTOPMO1TO – poliran ... 154 Slika 103: Prikaz analize disperzijske spektroskopije (EDS), s pripadajočimi spektri analize, tako oksidne plasti kot jekla UTOPMO1 po oksidaciji pri temperaturi 500 °C – polirana stranica ... 155 Slika 104: Jeklo UTOPMO1 in oksidna plast po oksidaciji pri temperaturi 600 °C. Prikazan je vzorec istega jekla v dveh različnih toplotno obdelanih stanjih z dvema različnima površinama, in sicer a) UTOPMO1 – brušen, b) UTOPMO1 – poliran, c) UTOPMO1TO – brušen in d) UTOPMO1TO – poliran ... 156

(21)

xxi

Slika 105: Prikaz analize disperzijske spektroskopije (EDS) s pripadajočimi spektri analize, tako oksidne plasti kot jekla UTOPMO1 po oksidaciji pri temperaturi 600 °C – polirana stranica ... 157 Slika 106: EDS-ploskovna porazdelitev elementov za jeklo UTOPMO1 v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 600 °C. Prikazani so rezultati polirane stranice ... 158 Slika 107: EDS-ploskovna porazdelitev elementov za jeklo UTOPMO1TO v poboljšanem stanju po oksidaciji pri temperaturi 600 °C. Prikazani so rezultati polirane stranice ... 159 Slika 108: EDS-linijska analiza jekla UTOPMO1 po visoko temperaturni oksidaciji pri temperaturi 600 °C a) v mehko žarjenem stanju (UTOPMO1) in b) v poboljšanem stanju (UTOPMO1TO) ... 160 Slika 109: Jeklo UTOPMO1 in oksidna plast po oksidaciji pri temperaturi 700 °C (slike odbitih elektronov, posnete z elektronskim mikroskopom). Prikazan je vzorec istega jekla v dveh različnih toplotno obdelanih stanjih z dvema različnima površinama, in sicer a) UTOPMO1 – brušen, b) UTOPMO1 – poliran, c) UTOPMO1TO – brušen in d) UTOPMO1TO – poliran ... 161 Slika 110: EDS-ploskovna porazdelitev elementov za jeklo UTOPMO1 v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C. Prikazani so rezultati polirane stranice ... 162 Slika 111: Prikaz analiziranih območij oksidne plasti jekla UTOPMO1 v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C z EBSD-analizo (slika odbitih elektronov, posneta z elektronskim mikroskopom) ... 163 Slika 112: Zgornji del oksidne plasti (1) jekla UTOPMO1 v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C, analiziran z EBSD-analizo. Prikazane so a) slika kvalitete uklonskih slik, b) fazna analiza, c) IPF-Z-magnetit in č) IPF-Z-hematit ... 163 Slika 113: Srednji del oksidne plasti (2) jekla UTOPMO1 v mehko žarjenem stanju, po oksidaciji pri temperaturi 700 °C, analiziran z EBSD- in EDS-analizo. Prikazane so a) slika kvalitete uklonskih slik, b) fazna analiza, c) EDS-analiza krom (zelena barva) in molibden (rdeča barva), č) EDS-analiza – molibden in d) EDS-analiza – krom ... 164 Slika 114: Srednji del oksidne plasti (2), jekla UTOPMO1 v mehko žarjenem stanju, po oksidacij pri temperaturi 700 °C, analiziran z EBSD-analizo. Prikazane so a) IPF-Z-magnetit (image quality overlay), b) IPF-Z-hematit (image quality overlay), c) IPF-Z-magnetit in č) IPF- Z-hematit ... 165 Slika 115: Sredina notranje oksidne plasti jekla UTOPMO1 v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C, analizirana z EBSD- in EDS-analizo. Prikazane so a) slika kvalitete uklonskih slik, b) fazna analiza, c) EDS-analiza – molibden in č) EDS-analiza – krom ... 166 Slika 116: Stična površina jeklo/oksidna plast (3) jekla UTOPMO1 v mehko žarjenem stanju, po oksidaciji pri temperaturi 700 °C, analizirana z EBSD- in EDS-analizo. Prikazane so a) slika kvalitete uklonskih slik, b) fazna analiza, c) EDS-analiza – molibden in č) EDS-analiza – krom ... 167 Slika 117: Stična površina jeklo/oksidna plast jekla UTOPMO1 v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C, analizirana z EBSD-analizo. Prikazane so a) IPF-Z-magnetit (image quality overlay), b) IPF-Z-hematit (image quality overlay), c) IPF-Z-ferit (image quality overlay), č) IPF-Z-magnetit, d) IPF-Z-hematit in e) IPF-Z-ferit ... 168

(22)

xxii

Slika 118: EDS-ploskovna porazdelitev elementov za jeklo UTOPMO1TO v poboljšanem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C. Prikazani so rezultati polirane stranice ... 169 Slika 119: Jeklo W600 in oksidna plast po oksidaciji pri temperaturi 400 °C. Prikazan je vzorec istega jekla v dveh različnih toplotno obdelanih stanjih z dvema različnima površinama, in sicer a) W600 – brušen, b) W600 – poliran, c) W600TO – brušen in d) W600TO – poliran ... 170 Slika 120: Prikaz analize disperzijske spektroskopije (EDS) s pripadajočimi spektri analize, tako oksidne plasti kot jekla W600 po oksidaciji pri temperaturi 400 °C – polirana stranica 171 Slika 121: Jeklo W600 in oksidna plast po oksidaciji pri temperaturi 500 °C. Prikazan je vzorec istega jekla v dveh različnih toplotno obdelanih stanjih z dvema različnima površinama, in sicer a) W600 – brušen, b) W600 – poliran, c) W600TO – brušen in d) W600TO – poliran ... 172 Slika 122: Prikaz analize disperzijske spektroskopije (EDS) s pripadajočimi spektri analize, tako oksidne plasti kot jekla W600 po oksidaciji pri temperaturi 500 °C – polirana stranica 173 Slika 123: Jeklo W600 in oksidna plast po oksidaciji pri temperaturi 600 °C (slike odbitih elektronov, posnete z elektronskim mikroskopom – BEI angl. backscattered electron image).

Prikazan je vzorec istega jekla v dveh različnih toplotno obdelanih stanjih z dvema različnima površinama, in sicer a) W600 – brušen, b) W600 – poliran, c) W600TO – brušen in d) W600TO – poliran ... 174 Slika 124: Prikaz analize disperzijske spektroskopije (EDS) s pripadajočimi spektri analize, tako oksidne plasti kot jekla W600 po oksidaciji pri temperaturi 600 °C – polirana stranica 175 Slika 125: EDS-ploskovna porazdelitev elementov za jeklo W600 v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 600 °C. Prikazani so rezultati polirane stranice ... 176 Slika 126: EDS-ploskovna porazdelitev elementov za jeklo W600TO v poboljšanem stanju po oksidaciji pri temperaturi 600 °C. Prikazani so rezultati polirane stranice ... 177 Slika 127: EDS-linijska analiza jekla W600 po visoko temperaturni oksidaciji pri temperaturi 600 °C a) v mehko žarjenem stanju (W600) in b) v poboljšanem stanju (W600TO) ... 178 Slika 128: Jeklo W600 in oksidna plast po oksidaciji pri temperaturi 700 °C (slike odbitih elektronov, posnete z elektronskim mikroskopom – BEI angl. backscattered electron image).

Prikazan je vzorec istega jekla v dveh različnih toplotno obdelanih stanjih z dvema različnima površinama, in sicer a) W600 – brušen, b) W600 – poliran, c) W600TO – brušen in d) W600TO – poliran ... 179 Slika 129: EDS-ploskovna porazdelitev elementov za jeklo W600 v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C. Prikazani so rezultati polirane stranice ... 180 Slika 130: Prikaz analiziranih območij oksidne plasti jekla W600 v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C, z EBSD-analizo (slika odbitih elektronov, posneta z elektronskim mikroskopom – BEI angl. backscattered electron image) ... 181 Slika 131: Zgornji del oksidne plasti (1) jekla W600 v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C, analiziran z EBSD-analizo. Prikazane so a) slika kvalitete uklonskih slik, b) fazna analiza, c) IPF-Z-magnetit (image quality overlay) in č) IPF-Z-hematit (image quality overlay) ... 181 Slika 132: Srednji del oksidne plasti (2) jekla W600 v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C, analiziran z EBSD- in EDS-analizo. Prikazane so a) slika kvalitete

(23)

xxiii

uklonskih slik, b) fazna analiza, c) EDS- analiza – molibden (image quality overlay), č) EDS- analiza – kisik (image quality overlay) in d) EDS-analiza – nikelj (image quality overlay) . 182 Slika 133: Srednji del oksidne plasti (2) jekla W600 v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C, analiziran z EBSD-analizo Prikazane so a) IPF-Z, vse faze (image quality overlay), b) IPF-Z, vse faze (brez image quality overlay), c) IPF-Z-magnetit, č) IPF-Z-hematit in d) IPF-Z-ferit ... 183 Slika 134: Stična površina jeklo/oksidna plast (3) za jeklo W600 v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C, analizirana z EBSD- in EDS-analizo. Prikazane so a) slika kvalitete uklonskih slik, b) fazna analiza, c) EDS-analiza – molibden (image quality overlay) in č) EDS-analiza – nikelj (image quality overlay) ... 184 Slika 135: Stična površina jeklo/oksidna plast (3) za jeklo W600 v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C, analizirana z EBSD-analizo. Prikazane so a) IPF-Z-ferit (image quality overlay), b) IPF-Z-magnetit (image quality overlay), c) IPF-Z-hematit (image quality overlay), č) IPF-Z-ferit, d) IPF-Z-magnetit in e) IPF-Z-hematit... 185 Slika 136: EDS-ploskovna porazdelitev elementov za jeklo W600TO v poboljšanem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C. Prikazani so rezultati polirane stranice ... 186 Slika 137: Rentgenogram analiziranih vzorcev po visoko temperaturni oksidaciji pri temperaturi 400 °C ... 187 Slika 138: Rentgenogram analiziranih vzorcev po visoko temperaturni oksidaciji pri temperaturi 500 °C ... 187 Slika 139: Rentgenogram analiziranih vzorcev po visoko temperaturni oksidaciji pri temperaturi 600 °C ... 188 Slika 140: Rentgenogram analiziranih vzorcev po visoko temperaturni oksidaciji pri temperaturi 700 °C ... 189 Slika 141: Izračunane Gibbsove proste energije za reakcije oksidacije izbranih karbidov, legirnih elementov in oksidov ... 190 Slika 142: Rezultati TG-analize za vse preiskovane vzorce iz jekla Dievar ... 191 Slika 143: Prikaz morfologije oksidne plasti za jeklo Dievar po oksidaciji pri 400 °C. Označena so mesta, kjer se je oksid odkrušil ... 194 Slika 144: Prikaz morfologije oksidne plasti pri mehko žarjenem vzorcu jekla Dievar po oksidaciji pri temperaturi 400 °C (z oranžnimi krogi je označenih nekaj področij, kjer so karbidi) ... 195 Slika 145: Prikaz morfologije oksidne plasti pri poboljšanem vzorcu jekla Dievar po oksidaciji pri temperaturi 400 °C ... 196 Slika 146: Rezultati TG-analize za vse preiskovane vzorce iz jekla UTOPMO1 ... 200 Slika 147: Prikaz morfologije oksidne plasti za jeklo UTOPMO1 po oksidaciji pri 400 °C.

Označena so mesta, kjer se je odkrušil oksid (oranžni krogi) in kjer je nastal oksid na karbidu (rdeči kvadrati) ... 201 Slika 148: Rezultati TG-analize za vse preiskovane vzorce iz jekla W600 ... 206

(24)

xxiv

Slika 149: Mikrostruktura analiziranih jekel v izhodnem stanju in po vsaki temperaturi oksidacije, ravnilo je pri vseh rezultatih velikosti 100 μm ... 211 Slika 150: Diagram prikazuje izmerjene trdote pred in po visoko temperaturni oksidaciji za vsa analizirana jekla pri posamezni temperaturi ... 212 Slika 151: Oksidna plast jekla Dievar v mehko žarjenem stanju po oksidacij pri temperaturi 400

°C ... 213 Slika 152: Oksidna plast jekla Dievar v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C ... 213 Slika 153: Oksidna plast jekla UTOPMO1 v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 500 °C ... 214 Slika 154: Oksidna plast jekla UTOPMO1 v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700 °C ... 215 Slika 155: Oksidna plast jekla W600 v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 500

°C ... 215 Slika 156: Oksidna plast jekla W600 v mehko žarjenem stanju po oksidaciji pri temperaturi 700

°C ... 216 Slika 157: Izmerjene debeline oksidnih plasti za vse vzorce ... 217 Slika 158: Prikazani so diagrami TG-rezultatov pri posamezni temperaturi oksidacije za vsa analizirana jekla ... 218 Slika 159: Nastale oksidne plasti po visoko temperaturni oksidaciji pri vseh preiskovanih temperaturah za vsa analizirana jekla v mehko žarjenem stanju... 220 Slika 160: Nastale oksidne plasti po visoko temperaturni oksidaciji pri vseh preiskovanih temperaturah za vsa analizirana jekla v poboljšanem stanju ... 223 Slika 161: Morfologija oksidne plasti mehko žarjenih vzorcev po oksidaciji pri temperaturi 400

°C, z oranžnimi krogi so označena področja, kjer se je oksid odkrušil ... 224 Slika 162: Morfologija oksidne plasti mehko žarjenih vzorcev po oksidaciji pri temperaturi 400

°C, z oranžnimi krogi so označena področja, kjer se vidi oksidacija večjih karbidov – povečava ... 225 Slika 163: Morfologija oksidne plasti poboljšanih vzorcev po oksidaciji pri temperaturi 400 °C – povečava ... 226 Slika 164: Primerjava oksidnih plasti jekla W600 po oksidaciji pri temperaturi 600 °C za mehko žarjeni vzorec (W600) in poboljšani vzorec (W600TO) ... 231

(25)

xxv SEZNAM PREGLEDNIC

Tabela 1: Razdelitev orodnih jekel glede na AISI [1, 4, 14, 16–18] ... 6 Tabela 2: Kemijska sestava pogosto uporabljenih kromovih orodnih jekel za delo v vročem [1, 6, 20] ... 12 Tabela 3: Kemijska sestava pogosto uporabljenih volframovih orodnih jekel za delo v vročem [1, 6, 20] ... 16 Tabela 4: Kemijska sestava molibdenovega orodnega jekla za delo v vročem [1, 6, 20] ... 19 Tabela 5: Splošni vpliv najpogostejših legirnih elementov v orodnih jeklih za delo v vročem [1, 4] ... 19 Tabela 6: Razvrstitev vseh tipov karbidov, ki se pojavljajo v jeklih, z nekaj pripadajočimi primeri [6] ... 23 Tabela 7: Lastnosti zlitinskih karbidov, ki jih najdemo v orodnih jeklih [2] ... 23 Tabela 8: Izmerjene trdote pri sobni temperaturi za različna orodna jekla za delo v vročem po različnih režimih popuščanja [14] ... 31 Tabela 9: Tipi oksidov različnih kovin ... 50 Tabela 10: Tipi železovih oksidov [64] ... 57 Tabela 11: Razmerje Fe:O na mejnih površinah (vustit/železo in vustit/magnetit), povprečna gostota vustita in pretvorbeni faktor α [77] ... 65 Tabela 12: Kemijska sestava uporabljenih jekel v mas. % ... 82 Tabela 13: Lastnosti orodnega jekla za delo v vročem Dievar, ki jih je podal proizvajalec [159]

... 83 Tabela 14: Mehanske lastnosti orodnega jekla za delo v vročem Dievar v odvisnosti od trdote [159] ... 83 Tabela 15: Fizikalne lastnosti v odvisnosti od temperature za orodno jeklo za delo v vročem UTOPMO1 [160] ... 84 Tabela 16: Režim toplotne obdelave za posamezno analizirano jeklo ... 86 Tabela 17: Trdote eksperimentalnih jekel v mehko žarjenem (brez TO-oznake) in poboljšanem stanju (s TO-oznako) ... 87 Tabela 18: Vhodna kemijska sestava v mas. %, ki je bila uporabljena pri termodinamičnih izračunih za jeklo Dievar ... 95 Tabela 19: Izpis premenskih točk iz ravnotežnega diagrama vsebnosti faz v odvisnosti od temperature ... 95 Tabela 20: Vhodna kemijska sestava v mas. %, ki je bila uporabljena pri termodinamičnih izračunih za jeklo UTOPMO1 ... 99 Tabela 21: Izpis premenskih točk iz ravnotežnih diagramov vsebnosti faz v odvisnosti od temperature ... 99

(26)

xxvi

Tabela 22: Vhodna kemijska sestava v mas. %, ki je bila uporabljena pri termodinamičnih izračunih za jeklo W600 ... 104 Tabela 23: Izpis premenskih točk iz ravnotežnih diagramov vsebnosti faz v odvisnosti od temperature ... 104 Tabela 24: Končne spremembe mase preiskovanih jekel, pri temperaturi oksidacije 400 °C 111 Tabela 25: Sprememba mase preiskovanih jekel v odstotkih, za posamezni del krivulje pri temperaturi oksidacije 400 °C ... 111 Tabela 26: Tip enačbe in pripadajoči koeficienti za posamezno preiskovano jeklo, pri temperaturi oksidacije 400 °C ... 114 Tabela 27: Izračunane konstante hitrosti za posamezno preiskovano jeklo pri temperaturi oksidacije 400 °C ... 115 Tabela 28: Končne spremembe mase preiskovanih jekel pri temperaturi oksidacije 500 °C 115 Tabela 29: Sprememba mase preiskovanih jekel v odstotkih za posamezni del krivulje pri temperaturi oksidacije 500 °C ... 116 Tabela 30: Tip enačbe in pripadajoči koeficienti za posamezno preiskovano jeklo pri temperaturi oksidacije 500 °C ... 117 Tabela 31: Izračunane konstante hitrosti za posamezno preiskovano jeklo, pri temperaturi oksidacije 500 °C ... 118 Tabela 32: Končne spremembe mase preiskovanih jekel pri temperaturi oksidacije 600 °C 119 Tabela 33: Sprememba mase preiskovanih jekel v odstotkih, za posamezni del krivulje pri temperaturi oksidacije 600 °C ... 119 Tabela 34: Tip enačbe in pripadajoči koeficienti za posamezno preiskovano jeklo pri temperaturi oksidacije 600 °C ... 121 Tabela 35: Izračunane konstante hitrosti za posamezno preiskovano jeklo pri temperaturi oksidacije 600 °C ... 122 Tabela 36: Končne spremembe mase preiskovanih jekel pri temperaturi oksidacije 700 °C 123 Tabela 37: Sprememba mase preiskovanih jekel v odstotkih za posamezni del krivulje pri temperaturi oksidacije 700 °C ... 123 Tabela 38: Tip enačbe in pripadajoči koeficienti za posamezno preiskovano jeklo pri temperaturi oksidacije 700 °C ... 125 Tabela 39: Izračunane konstante hitrosti za posamezno preiskovano jeklo pri temperaturi oksidacije 700 °C ... 126 Tabela 40: Izmerjene trdote jekla Dievar pred in po oksidaciji za vsako temperaturo oksidacije ... 130 Tabela 41: Izmerjene trdote jekla DievarTO pred in po oksidaciji za vsako temperaturo oksidacije ... 131 Tabela 42: Izmerjene trdote jekla UTOPMO1 pred in po oksidaciji za vsako temperaturo oksidacije ... 132

(27)

xxvii

Tabela 43: Izmerjene trdote jekla UTOPMO1TO pred in po oksidaciji za vsako temperaturo oksidacije ... 133 Tabela 44: Izmerjene trdote W600 pred in po oksidaciji za vsako temperaturo oksidacije ... 134 Tabela 45: Izmerjene trdote jekla W600TO pred in po oksidaciji za vsako temperaturo oksidacije ... 135 Tabela 46: Debelina oksidne plasti jekla Dievar po oksidaciji pri temperaturi 400 °C. Oznaka P pomeni polirano in B brušeno stranico ... 137 Tabela 47: Debelina oksidne plasti jekla Dievar po oksidaciji pri temperaturi 500 °C. Oznaka P pomeni polirano in B brušeno stranico ... 139 Tabela 48: Debelina oksidne plasti jekla Dievar po oksidaciji pri temperaturi 600 °C. Oznaka P pomeni polirano in B brušeno stranico ... 141 Tabela 49: Debelina oksidne plasti jekla Dievar po oksidaciji pri temperaturi 700 °C. Oznaka P pomeni polirano in B brušeno stranico ... 146 Tabela 50: Debelina oksidne plasti jekla UTOPMO1 po oksidaciji pri temperaturi 400 °C.

Oznaka P pomeni polirano in B brušeno stranico ... 152 Tabela 51: Debelina oksidne plasti jekla UTOPMO1 po oksidaciji pri temperaturi 500 °C.

Oznaka P pomeni polirano in B brušeno stranico ... 161 Tabela 54: Debelina oksidne plasti jekla W600 po oksidaciji pri temperaturi 400 °C. Oznaka P pomeni polirano in B brušeno stranico ... 170 Tabela 55: Debelina oksidne plasti jekla W600 po oksidaciji pri temperaturi 500 °C. Oznaka P pomeni polirano in B brušeno stranico ... 172 Tabela 56: Debelina oksidne plasti jekla W600 po oksidaciji pri temperaturi 600 °C. Oznaka P pomeni polirano in B brušeno stranico ... 174 Tabela 57: Debelina oksidne plasti jekla W600 po oksidaciji pri temperaturi 700 °C. Oznaka P pomeni polirano in B brušeno stranico ... 179 Tabela 58: Izračunane konstante hitrosti za posamezna jekla pri temperaturi oksidacije 700 °C ... 227 Tabela 59: Splošni termodinamični modeli visoko temperaturne oksidacije orodnih jekel za delo v vročem za posamezno analizirano področje ... 228

(28)

xxviii SEZNAM OKRAJŠAV IN POSEBNIH SIMBOLOV

Ms temperatura začetka transformacije martenzita (angl. Martensite start temperature) P Hollomon-Jaffe parameter

FATT temperatura prehoda iz žilavega v krhki prelom (angl. Fracture Appearance Transition Temperature)

A1 premenska točka pri temperaturi 727 °C v metastabilnem sistemu Fe-Fe3C

A3 premenska točka v temperaturnem območju od 727 °C do 912 °C (krivulja S-G) v metastabilnem sistemu Fe-Fe3C

TTT diagram čas temperatura transformacija (angl. Time-Temperature-Transformation) CCT diagram transformacij pri kontinuirnem ohlajanju (angl. Continuous-Cooling- Transformation)

IT diagram izotermnih transformacij (angl. Isothermal-Transformation) T temperatura

TL likvidus temperatura oz. temperatura tališča (angl. Liquidus Temperature) TS solidus temperatura (angl. Solidus Temperature)

G Gibbsova prosta energija H entalpija

S entropija

K konstanta ravnotežja μ kemijski potencial R plinska konstanta p tlak

t čas

n število molov ρ gostota

W masa

A specifična površina Q aktivacijska energija J tok snovi

C koncentracija snovi D difuzijski koeficient

V volumen

(29)

1

1 UVOD

Poznamo veliko vrst orodnih jekel, ki so razvrščene v skupine oziroma tipe glede na določeno uporabo posameznega jekla. V splošnem lahko orodna jekla razvrščamo glede na kemijsko sestavo (glavni legirni element), uporabo (za delo v vročem, visoka odpornost proti obrabi itd.) in sposobnosti utrjevanja (kaljena v vodi, olju, na zraku itd.). Glede na AISI (angl. American Iron and Steel Institute) lahko jekla razdelimo na devet skupin. Preiskovana jekla spadajo po AISI v skupino H (jekla za delo v vročem), kjer je glavni legirni element krom, volfram ali molibden. Imajo srednjo vsebnost ogljika in so visoko legirana. Orodna jekla za delo v vročem imajo visoko trdoto, dobro obrabno obstojnost, odpornost proti deformaciji in porušitvi pri povišanih temperaturah. Gre za različne zlitine železa, ogljika in drugih dodanih legirnih elementov, ki omogočajo želene mehanske in fizikalne lastnosti. Uporabljajo se predvsem za izdelavo orodij, ki oblikujejo in režejo druge materiale, vključno z jekli, neželeznimi kovinami in polimeri. Po definiciji so orodna jekla sposobna kaljenja in popuščanja do želenih mehanskih lastnosti (trdota, trdnost, žilavost itd.). Preiskovana orodna jekla za delo v vročem se uporabljajo predvsem za izdelavo orodij za tlačno litje lahkih kovin, iztiskovanje polimerov in utopno kovanje [1–5].

Toplotna obdelava orodnih jekel za delo v vročem je svojevrstna in je točno določena za vsako jeklo posebej. Proizvajalci jekla dostavljajo v mehko žarjenem stanju (sferoidizacijski karbidi in feritna matrica) in jih je treba po oblikovanju v končno obliko še toplotno obdelati. V prvi stopnji toplotne obdelave se jeklo segreje na temperaturo avstenitizacije, nato sledita deformacija (kovanje, valjanje itd.) v vročem in kaljenje. Po končanem kaljenju se jekla še popuščajo, le-to je po navadi večstopenjsko. Namen popuščanja je dobiti želene mehanske lastnosti, predvsem trdoto in zmanjšati notranje napetosti, ki so nastale med vročim preoblikovanjem in kaljenjem. Potek toplotne obdelave je odvisen od tipa in zahtevanih končnih lastnosti orodnega jekla za delo v vročem. Mikrostruktura je sestavljena iz martenzita in izločenih karbidov (primarnih in sekundarnih) [2, 6].

Vroča predelava, toplotna obdelava in končna uporaba (orodja za tlačno litje, iztiskovanje polimerov ipd.) potekajo pri povišanih temperaturah, pri tem so jekla izpostavljena visoko temperaturni oksidaciji. Za podaljšanje življenjske dobe jekla in korozijsko zaščito je treba poznati stopnjo oksidacije in razumeti ter nadzorovati morfologijo reakcij. Za razumevanje kinetike oksidacije jekel je treba najprej razumeti oksidacijo železa. Reakcije med železom oziroma kovinami in kisikom so eksotermne, višja, kot je temperatura oksidacije, več entalpije

(30)

2

se bo med oksidacijo sprostilo. Poznano je, da je dolgotrajna oksidacija pri izotermnih pogojih stabilna in običajno sledi parabolnemu zakonu. Oksidacija jekla je veliko kompleksnejša od oksidacije železa. Legirni elementi spreminjajo potek oksidacije in nastajanje kompleksne oksidne plasti [7–11]. S pomočjo termodinamičnih izračunov in modeliranja s programsko opremo Thermo-Calc, ki deluje na načelu metode CALPHAD, lahko predvidimo, kateri oksidi bodo nastajali pri določenih pogojih oksidacije [12, 13]. Seveda je treba poudariti, da simulacije podajo ravnotežne faze, pri nadzorovanih pogojih, ki jih je treba potrditi z eksperimenti.

Namen doktorske disertacije je bil izdelati termodinamični model visoko temperaturne oksidacije orodnih jekel za delo v vročem. Z modelom je opisana in razložena kinetika visoko temperaturne oksidacije orodnih jekel za delo v vročem. Hkrati model omogoča opredelitev vpliva dodanih legirnih elementov na oksidacijo. Termodinamična obravnava faznih ravnotežij nam je služila kot prvi vpogled v sestavo oksidne plasti pri ravnotežnih pogojih.

1.1 Potek dela

Pri doktorski disertaciji smo delo razdelili na tri dele, in sicer prvi je bil pregled literature, pri čemer smo se posvetili orodnim jeklom in oksidacij. Tukaj smo predstavili tako teoretični del kot tudi dosedanje raziskave na področju visoko temperaturne oksidacije. Drugi del je bil eksperimentalno delo, v sklopu katerega smo izvedli zastavljene preizkuse. Najprej smo analizirana jekla (Dievar, UTOPMO1 in W600) toplotno obdelali in nato izdelali vzorce različnih dimenzij. Zatem je sledila termodinamična obravnava faznih ravnotežij s programskim orodjem Thermo-Calc. Tukaj smo naredili termodinamične izračune za preiskovana jekla in procese oksidacije preiskovanih jekel pri posamezni temperaturi.

Nadaljevali smo s preizkusi visoko temperaturne oksidacije, kjer so prvi potekali v komorni peči, drugi pa v napravi STA 449 C Jupiter. Nato so bili vzorci, ki so bili oksidirani v komorni peči, še nadalje pripravljeni za metalografsko analizo. Mikrostrukturo in nastale oksidne plasti smo analizirali z optično in vrstično elektronsko mikroskopijo. Hkrati smo izdelali tudi vzorce za analizo rentgenske difrakcije, ki so bili oksidirani v komorni peči, skupaj z vzorci za metalografsko analizo. Z rentgensko difrakcijo smo določili tipe oksidov, ki se pojavljajo v nastalih oksidnih plasteh. Tretji del je bila diskusija rezultatov in na koncu smo iz diskusije izluščili nekaj bistvenih zaključkov.

(31)

3 1.2 Znanstvene hipoteze

V okviru doktorske disertacije smo postavili naslednje znanstvene hipoteze:

- Termodinamiko in kinetiko visoko temperaturne oksidacije lahko modeliramo s pomočjo termodinamičnih izračunov (CALPHAD angl. CALculation of PHAse Diagrams).

- Na model oksidacije in tipe oksidnih plasti, ki bodo posledično nastale, vplivata dodani legirni element/elementi in njegov/njihov delež. Zato bomo analizirali različne tipe orodnih jekel za delo v vročem.

- Visoko temperaturna oksidacija ima vpliv tudi na mikrostrukturo orodnega jekla, ki se po oksidaciji spremeni.

-

Predhodna toplotna obdelava vpliva na potek visoko temperaturne oksidacije.

(32)

4

2 PREGLED LITERATURE

2.1 Orodna jekla

Orodna jekla imajo visoko trdoto, dobro obrabno obstojnost, odpornost proti deformaciji in porušitvi ter povečano obstojnost pri povišanih temperaturah. To so zlitine železa, ogljika in drugih namensko dodanih kemijskih elementov, ki dajo želene mehanske in fizikalne lastnosti.

Uporabljajo se predvsem za izdelavo orodij, kokil in form, ki oblikujejo in režejo druge materiale, vključno z jekli, neželeznimi kovinami, polimeri, lesom, betonom itd. [1]. Točno določene definicije za orodna jekla v literaturi ni moč zaslediti. Če citiramo definicijo orodnih jekel iz Priročnika jeklenih proizvodov društva železa in jekla (angl. Steel Products Manual of Iron and Steel Society), je razlaga naslednja [14]:

»Orodna jekla so (1) ogljikova-, legirana- ali hitrorezna jekla, ki imajo sposobnost utrjevanja in popuščanja. Običajno so staljena v električni peči in (2) izdelana po posebnem postopku za izdelavo orodnih jekel, da dosežejo zahtevane lastnosti. Uporabljajo se lahko za nekatera ročna orodja ali mehanske naprave za (3) rezanje, oblikovanje, preoblikovanje in izrezovanje pri sobni ali povišani temperaturi. Orodna jekla se uporabljajo za širok spekter uporabe, kjer so zahtevane obrabna obstojnost, trdnost, žilavost in ostale materialne lastnosti za optimalno delovanje [14, 15].«

Zgornja razlaga je sestavljena iz treh poglavitnih točk. Prva točka se nanaša na dejstvo, da orodna jekla vsebujejo široko področje kemijskih oziroma legirnih elementov, in sicer od nizke do visoke vsebnosti. Lastnosti orodnih jekel se s pomočjo točno opredeljene toplotne obdelave (kaljenje, utrjevanje, popuščanje itd.) lahko spreminjajo. Zelo zanimivo je, da so orodna jekla morebiti edini material v naravi, ki so zmožna rezati oziroma preoblikovati sama sebe: toplotno obdelano orodno jeklo lahko uporabljamo za rezanje ali vrtanje v mehko žarjeno orodno jeklo.

Druga točka zadeva predvsem procesno pot izdelave orodnih jekel. Namreč orodna jekla predstavljajo le 0,1 % svetovne proizvodnje jekla. Razlog tiči tudi v postopkih izdelave, ki so zahtevnejši, kot npr. za izdelavo nizko ogljičnih jekel. Zadnja točka govori o končni uporabi orodnih jekel: za oblikovanje, preoblikovanje, rezanje železnih ali neželeznih kovin, polimerov in drugih materialov pri sobni ali povišani temperaturi [15].

Orodna jekla se običajno izdelujejo v EOP (elektro obločna peč), čemur s pomočjo sekundarne metalurgije sledijo različni postopki čiščenja taline in dodatna legiranja za doseganje želene kemijske sestave. Tipična procesna pot izdelave orodnih jekel v sekundarni metalurgiji je, da

(33)

5

po taljenju v EOP talino prelijejo v ponovčno peč in nato po obdelavi v ponovci sledi čiščenje taline s pomočjo vakuumskega razplinjevanja, običajno je to v konverterju VOD (angl. Vacuum oxygen decarburization). Določene specialne kvalitete orodnih jekel je treba rafinirati v konverterju AOD (angl. argon oxygen decarburization) z namenom doseganja želene sestave in čistosti taline. Dodatni specialni postopki prečiščevanja in sekundarnega pretaljevanja (ESR – angl. Electroslag Remelting – elektro pretaljevanje pod žlindro) so za določene kvalitete orodnih jekel nujni, predvsem zaradi doseganja zahtevane kakovosti jekel. Po drugi strani srednje do visoko legirana orodna jekla potrebujejo še skrbno nadzorovano kovanje in valjanje, kar običajno pripelje do velikih količin ostankov. Polizdelkom se preverjajo čistost, trdota, velikost kristalnih zrn, žarjena mikrostruktura in sposobnost kaljenja [1, 16].

2.1.1 Razvrstitev orodnih jekel

Poznanih je več različnih razvrstitev orodnih jekel, ki temeljijo na različnih standardih posameznih držav (npr. ameriški, kitajski, evropski/nemški, japonski, francoski, britanski, švedski itd.), hkrati imajo izdelana jekla tudi komercialne oznake proizvajalcev [14, 16].

Najbolj poznana je razvrstitev orodnih jekel (Tabela 1) po AISI (angl. American Iron and Steel Institute) [1, 4, 14, 16–18]. ASTM (angl. American Society for Testing and Materials ) in SAE (angl. Society of Automotive Engineers) sta leta 1975 razvili še UNS-sistem (angl. Unified Numbering System) za razvrstitev kovin in zlitin. Največ se trenutno uporablja razvrstitev po sistemu AISI [1]. Predstavljenih bo nekaj osnovnih načel legiranja in toplotne obdelave za lažjo primerjavo med posameznimi skupinami orodnih jekel, in sicer:

• Kaljena mikrostruktura tipičnega orodnega jekla je sestavljena iz martenzitne matrice, ki vsebuje različne izločke železa in karbidov.

• Visoka vsebnost ogljika in legirnih elementov poveča prekaljivost oziroma sposobnost tvorjenja martenzita pri ohlajanju jekla.

• Višja, kot je vsebnost ogljika in legirnih elementov v nasičenem martenzitu, večja je gostota karbidov, ki se tvorijo med popuščanjem.

• Večja, kot je vsebnost močnih karbidotvornih legirnih elementov, večja bo gostota karbidov, ki so stabilni v avstenitu med vročo predelavo in avstentizacijo. Ti karbidi se ohranijo kot del mikrostrukture, poleg tistih karbidov, ki se tvorijo med popuščanjem.

• Večji, kot je delež ogljika v martenzitu in večja, kot je gostota karbidov, večji bosta trdota in obrabna obstojnost. Toda hkrati bo manjša žilavost orodnih jekel [1].

(34)

6

Tabela 1: Razdelitev orodnih jekel glede na AISI [1, 4, 14, 16–18]

Skupina orodnih jekel

Simbol

Jekla, kaljena v vodi

W

Jekla, odporna na temperaturne šoke

S

Jekla, kaljena v olju za preoblikovanje v hladnem

O

Srednje legirana jekla, kaljena na zraku za delo v hladnem

A

Visoko ogljična, visoko kromova, za delo v hladnem

D

Jekla za kokile

P

Jekla za delo v vročem – kromova, volframova in molibdenova

H

Volframova hitrorezna (angl. HSS – High-speed steel) jekla

T

Molibdenova hitrorezna (angl. HSS – High-speed steel) jekla

M

W – jekla, kaljena v vodi, so med najcenejšimi orodnimi jekli. Imajo najmanjšo vsebnost legirnih elementov, kar ima za posledico tudi slabšo prekaljivost. Zaradi tega se ta jekla za doseganje martenzitne mikrostrukture kalijo v vodi. Vsebujejo od 0,6 mas. % do 1,4 mas. % C ter majhne vsebnosti kroma in vanadija. Krom se dodaja predvsem z razlogom povečanja prekaljivosti in obrabne obstojnosti, medtem ko se vanadij dodaja zaradi ohranjanja majhnih kristalnih zrn. Hkrati imajo ta jekla manjšo odpornost proti mehčanju pri povišanih temperaturah. Zaradi manjše vsebnosti legirnih elementov so primerna za preoblikovanje v hladnem, na primer za kovanje, vtiskovanje; za obdelavo lesa itd. [1, 4, 14, 16, 18].

S – jekla, odporna na temperaturne šoke, so bila razvita predvsem z namenom zagotavljanja visoke žilavosti in odpornosti proti lomu v kombinaciji z visoko trdnostjo in obrabno obstojnostjo pod obremenitvami. Vsebnost legirnih elementov je v primerjavi z jekli iz skupine W večja, kar pomeni tudi večjo prekaljivost. Legirni elementi, ki jih najdemo v teh jeklih, so mangan, silicij, krom, volfram in molibden, njihova vsebnost znaša med 1 mas. % in 3 mas. %.

Vsebnost ogljika je približno 0,5 mas. %. Ta jekla se uporabljajo za namene, kjer je potrebna visoka žilavost. Iz njih izdelujejo dleta, prebijala, orodja za kovičenje itd. [1, 4, 14, 16, 18].

O – jekla, kaljena v olju za preoblikovanje v hladnem, imajo visoko vsebnost ogljika in večjo vsebnost legirnih elementov kot orodna jekla iz skupine W. Visoka trdota je posledica popuščenega martenzita, z visoko vsebnostjo ogljika, ki zagotavlja enakomerno porazdelitev karbidov v matrici. Skupina ima veliko različnih kombinacij legirnih elementov in hkrati tudi