Effect of Carbon Balance (Cbal) on Abrasive Wear Behavior of Semi-Multi-alloyed White Cast Iron

Abstract

In this work, the effect of carbon balance (Cbal) on abrasive wear behavior of heat treated semi-multi-alloyed white cast irons was investigated. The cast irons with varying Cbal from -0.68% to +0.53% Cbal were prepared. The annealed specimens were hardened from 1323K and 1373K austenitizing by fan air cooling. The hardened specimens were tempered at three levels of temperatures from 673 - 883K : the temperature giving the maximum tempered hardness (HTmax), the lower and higher temperatures than HTmax (L-HTmax and H-HTmax). The abrasive wear resistance was evaluated using Suga abrasion test (two-body-type) and Rubber wheel abrasion test (three-body-type).

The microstructure of all specimen consisted of primary austenite dendrite (γp) and eutectic structure (g+carbide). The (γ+MC) eutectic crystalized in all specimens. The (γ+M2C) appeared in the specimens with more than -0.20% Cbal. In addition, the (γ+M7C3) eutectic existed in specimens with less than 0.0% Cbal. The matrix in as-hardened state of all specimens composed of secondary carbide, martensite and retained austenite except for specimens with -0.68% Cbal. The macro-hardness and micro-hardness increased to 0% Cbal and then, decreased with an increase in the Cbal value. The volume fraction of retained austenite (Vg) increased with raising the Cbal value and austenitizing temperature.

A linear relation between wear loss (WI) and wear distance (Wd) was obtained in all the specimens. The lowest wear rate (Rw) or highest wear resistance was obtained in the as-hardened specimen or HTmax specimen. The highest Rw or lowest abrasive wear resistance was obtained in L-HTmax or H-HTmax specimen, irrespective of Cbal value and austenitizing temperature. In both abrasive wear tests, the Rw decreased continuously until 0% Cbal and then, increased gradually with raising the Cbal value. The Rw decreased with an increase in hardness. In the region of Vg less than 10%, the Rw values scattered in a wide range depending on hardness in both abrasion tests. When the Vg got over 10%, the Rw decreased a little with a rise of Vg value to 20% and then, increased gradually in two-body-type wear test. In three-body-type wear test, however, the Rw did not changed even if the Vg increased. The worn surface of all specimen consisted of grooving, scratching and pitting. The pitting was mostly appeared in eutectic region while the grooving and scratching were observed in matrix region.

งานวิจัยนี้ได้ศึกษาผลของคาร์บอนสมดุล (Cbal) ต่อความต้านทานการสึกหรอแบบขัดสีของเหล็กหล่อขาวเติมธาตุผสมกึ่งหลายชนิดที่ผ่านกรรมวิธีทางความร้อน ได้เตรียมเหล็กหล่อที่มีค่า Cbal เท่ากับ -0.68% จนถึง +0.53% Cbal ได้ชุบแข็งชิ้นงานอบอ่อนที่อุณหภูมิ 1323K และ 1373K ด้วยพัดลม ทำการอบคืนตัวชิ้นงานชุบแข็งที่อุณหภูมิสามระดับในช่วง 673K ถึง 883K ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ให้ความแข็งสูงสุดในการอบคืนตัว (HTmax) อุณหภูมิต่ำกว่า (L-HTmax) และอุณหภูมิสูงกว่า (H-HTmax) อุณหภูมิ HTmax ทดสอบความต้านทานการสึกหรอแบบขัดสีชนิดสองวัตถุด้วยเครื่องซูกะ (Suga abrasion test) และชนิดสามวัตถุด้วยล้อยาง (Rubber wheel abrasion test)

โครงสร้างจุลภาคของทุกชิ้นงานประกอบด้วยเดนไดรต์ของออสเทไนต์ปฐมภูมิ (γp) และโครงสร้างยูเทกติก (γ+คาร์ไบด์) โดยพบโครงสร้างยูเทกติกชนิด (γ+MC) ในทุกชิ้นงาน ส่วนโครงสร้างยูเทกติกชนิด (γ+M2C) พบในชิ้นงานที่มี Cbal ตั้งแต่ -0.20% Cbal ขึ้นไป และในขณะเดียวกันพบโครงสร้างยูเทกติกชนิด (γ+M7C3) พบในชิ้นงานที่มี Cbal น้อยกว่า 0.0% Cbal เนื้อพื้นในสภาพชุบแข็งของทุกชิ้นงานประกอบ ด้วยมาร์เทนไซต์ คาร์ไบด์ลำดับที่สองและออสเทไนต์เหลือค้าง ยกเว้นชิ้นงาน -0.68% Cbal ความแข็งมาโครและความแข็งแบบไมโครเพิ่มขึ้นจนถึงจุดสูงสุดที่ 0% Cbal จากนั้นลดลงเมื่อค่า Cbal เพิ่มขึ้น สัดส่วนเชิงปริมาตรของออสเทไนต์เหลือค้าง (Vg) ในสภาพชุบแข็งเพิ่มขึ้นตามค่า Cbal และอุณหภูมิชุบแข็ง

ความสัมพันธ์ระหว่างน้ำหนักที่สูญเสีย (WI) และระยะการสึกหรอ (Wd) เป็นเส้นตรงในทุกชิ้นงาน อัตราการสึกหรอ (Rw, mg/m) ต่ำสุดได้รับในชิ้นงานชุบแข็งหรือชิ้นงาน HTmax ค่า Rw สูงสุดได้รับในชิ้นงาน L-HTmax หรือ ชิ้นงาน H-HTmax ค่า Rw ลดลงอย่างต่อเนื่องจนถึง 0% Cbal จากนั้นเพิ่มขึ้นอย่างช้า ๆ ตามการเพิ่มขึ้นของค่า Cbal ค่า Rw ลดลงเมื่อความแข็งเพิ่มขึ้นในการทดสอบการสึกหรอแบบขัดสีทั้งสองแบบ ค่า Rw กระจายในช่วงกว้างขึ้นกับความแข็งในช่วงน้อยกว่า 10%Vg ในทั้งสองการทดสอบการสึกหรอ ในช่วงมากกว่า 10%Vg พบว่าค่า Rw ลดลงเล็กน้อยจนถึง 20% Vg และเพิ่มขึ้นอีกครั้งในการทดสอบการสึกหรอชนิดสองวัตถุ แต่จะไม่เปลี่ยนแปลงแม้ว่าค่า Vg เพิ่มขึ้นในการสึกหรอชนิดสามวัตถุ พื้นผิวที่สึกหรอประกอบด้วยการเกิดร่อ ขนาดใหญ่ การขีดข่วนและหลุม การเกิดหลุมจะพบในบริเวณโครงสร้างยูเทกติก ในขณะที่การเกิดร่องขนาดใหญ่และการขีดข่วนจะพบในบริเวณเนื้อพื้น