VÝZKUM A VÝVOJ TECHNOLOGIE PŘESNÉHO LITÍ OBĚŽNÝCH KOL A STATOROVÝCH ČÁSTÍ TURBODMYCHADEL NOVÉ GENERACE

Transkript

1 VÝZKUM A VÝVOJ TECHNOLOGIE PŘESNÉHO LITÍ OBĚŽNÝCH KOL A STATOROVÝCH ČÁSTÍ TURBODMYCHADEL NOVÉ GENERACE R&D OF THE PROCESS OF PRECISION CASTING OF IMPELLER WHEELS AND STATOR PARTS OF A NEW GENERATION OF TURBOSUPERCHARGERS Karel Hrbáček a Božena Podhorná b Zdeněk Jonšta c Kudrman Jiří b Antonín Joch a Petr Ňuksa a a První brněnská strojírna Velká Bíteš, Vlkovská 279, Velká Bíteš, ČR, hrbacek.karel@pbsvb.cz b UJP PRAHA, Nad Kamínkou 1345, , Praha Zbraslav, ČR, podhorna@ujp.cz c VŠB TU Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava Poruba, ČR, zdenek.jonsta@vsb.cz Abstrakt V První brněnské strojírně Velká Bíteš, a.s. byla vyvinuta technologie přesného lití oběžných kol a statorových částí turbodmychadel nové generace. Tato dmychadla jsou vyráběna v České republice v PBS- Turbo, Velká Bíteš a u dvou významných německých výrobců dmychadel. Na odlitky oběžných kol a rozváděcích kol těchto dmychadel jsou kladeny vysoké technické požadavky s ohledem na mechanické vlastnosti a jakost odlitků. Odlitky oběžných kol jsou zhotoveny z materiálu IN 713LC, na odlitky rozváděcích kol byl použit materiál N 155 nebo jeho německá varianta Pro jejich výrobu byla zvolena technologie přesného lití pomocí vytavitelného modelu. Abstract První brněnská strojírna Velká Bíteš, a.s. has developed the process of precision casting of impeller wheels and stator parts of a new generation of turbochargers. The chargers are manufactured by PBS-Turbo, Velká Bíteš, based in the Czech Republic, and by two major manufacturers of the chargers residing in Germany. The castings used for the impeller and distribution wheels have to meet exacting requirements for mechanical properties and casting quality. The impeller wheel castings are made of IN 713LC, while the distribution wheel castings are manufactured of N 155 or its German variety designated When deciding about the technology to be utilized, we have opted for the process of precision investment casting. 1

2 1. ÚVOD V České republice vyvíjí a vyrábí turbodmychadla podniky ČZ a.s. Strakonice a PBS Turbo Velká Bíteš. Pro oba tyto podniky dodává potřebné odlitky ze žárupevných slitin slévárna přesného lití První brněnské strojírny Velká Bíteš, a.s. V uplynulém období bylo nutno vyvinout zcela nové technologie přesného lití oběžných a rozváděcích kol nových typů turbodmychadel, označených NR 12, NR 14, NR 15 a NR 17. Vývoj nových technologií přesného lití a splnění náročných technických podmínek pro dodávky těchto odlitků řešil kolektiv pracovníků PBS Velká Bíteš, a.s., UJP PRAHA a.s. a VŠB-TU Ostrava. 2. VÝVOJ TECHNOLOGIE PŘESNÉHO LITÍ OBĚŽNÝCH A ROZVÁDĚCÍCH KOL Oběžná kola turbodmychadel jsou běžně odlévána z materiálu IN 713C. Pro nové typy turbodmychadel byl stanoven materiál IN 713LC. Chemické složení těchto materiálů je uvedeno v tab.i. Jedná se o turbínová kola větších rozměrů. Pro jejich výrobu byla zvolena metoda přesného lití pomocí vytavitelného modelu. Rozváděcí kola byla navržena z materiálu N155 nebo jeho ekvivalentu Chemické složení těchto materiálů je uvedeno v tab.ii a III. Cílem vývojových prací bylo zavedení přesného lití oběžných a rozváděcích kol až do hmotnosti 15kg. Takto formulovaný cíl vyžadoval řešení následujících dílčích problémů: Konstrukční zpracování forem potřebných pro lisování voskových modelů a jejich velice náročnou výrobu s ohledem na požadovanou přesnost Vývoj a provozní osvojení nové technologie výroby keramických forem, umožňující odlévání ve vakuu turbínových kol o hmotnosti do 15 kg Výzkum mechanických vlastností použitých slitin Vývoj metalurgických postupů tavení a lití těchto slitin Navržení kontrolních operací, které budou garantovat požadovanou kvalitu odlitků Proškolit pracovníky zařazené do tohoto výrobního procesu a trvale dbát o jejich vysokou technickou úroveň. Odlitky byly navrženy s minimálními přídavky na následné mechanické obrábění. Pro jejich výrobu byla použita metoda přesného lití pomocí vytavitelného modelu. Navržený tvar odlitků vyžaduje vysokou přesnost jak při lisování voskových modelů, tak i při výrobě keramické formy a vlastním odlévání. Tavení a odlévání probíhá ve vakuu za přísného dodržování teplot lití a předepsané úrovně vakua. Veškeré odlitky jsou podrobeny 100% kontrole rozměrové a na výskyt povrchových vad. Tyto kontroly jsou vyhodnocovány dle předepsaných technických podmínek. Rovněž každá provozní dávka odlitků je podrobena mechanickým zkouškám dle sjednaných podmínek. Těmito zkouškami a přísným dodržováním technologických postupů je zabezpečena vysoká kvalita všech odlitků. 3. Změny mechanických vlastností slitiny IN 713LC při dlouhodobém působení teplot Vliv dlouhodobé teplotní expozice na změny základních mechanických vlastností byl sledován na žíhaných vzorcích bez aplikace vnějšího namáhání a to v intervalu teplot < 600;1000> C do časů max h. U všech vzorků byly zjištěny hodnoty tvrdosti 2

3 a vyhodnoceny i strukturní stavy a jejich změny s dobou žíhání. Měření tvrdosti ukázalo, že dlouhodobá expozice vede k pomalému odpevňování slitiny. To je zřejmé z parametrické závislosti tvrdosti na teplotě a době žíhání / obr. 1 /. Po dlouhodobé expozici byly zjišťovány teplotní závislosti hodnot získaných zkouškami pevnosti v tahu ve výchozím stavu slitiny a po žíhání 1000 a 5000h při teplotě 900 C. Probíhá ještě žíhání při 900 C po dobu h, výsledky budou vyhodnoceny v průběhu tohoto roku. Teplotní závislosti meze kluzu, meze pevnosti a tažnosti jsou uvedeny na obr Mez kluzu při 20 C s dobou žíhání mírně klesá. Mez pevnosti se v průběhu žíhání prakticky nemění. Tažnost se znatelně zlepšila. V případě tažnosti se však projevuje přítomnost mikroskopických licích vad zvýšeným rozptylem měřených hodnot. Vliv dlouhodobého žíhání při teplotě 900 C byl také sledován u zkoušek vrubové houževnatosti. Hodnoty odpovídající stavu po odlití jsou porovnány se stavy po žíhání 1000, 2000 a 5000h. Probíhá ještě vyhodnocování těchto údajů po žíhání po dobu 10000h. Teplotní závislosti jsou uvedeny na obr. 5. Dlouhodobé žíhání podstatně neovlivnilo výsledky vrubové houževnatosti. V rozmezí teplot C dochází k poklesu naměřených hodnot, což je pravděpodobně spojeno s dodatečným vytvrzením slitiny. 4. ZÁVĚR Byly shromážděny a analyzovány dostupné informace o mechanických vlastnostech, strukturních dějích a tepelném zpracování pro slitinu IN713LC / 1 4 /, která je navrhována jako vhodný materiál pro výrobu turbodmychaldel nové generace metodou přesného lití na vytavitelný model. Byly shromážděny základní údaje o vlastnostech této slitiny tak, aby byly vytvořeny soubory dat potřebných pro konstrukční výpočty a řešení daného úkolu z hlediska metalurgie / 5 7 /. Ekonomicky významnou předností slitiny IN713LC je skutečnost, že po odlití není vyžadováno tepelné zpracování. To tuto slitinu upřednostňuje před jinými niklovými slitinami podobných žárupevných vlastností a vedlo k jejímu širokému použití. To potvrzují i experimenty provedené v této práci, které ukazují, že rozpouštěcí žíhání a žíhání během obvyklých vytvrzovacích teplot nevede k významným změnám vlastností slitiny. Bylo zjištěno: fáze γ / je teplotně velmi stabilní a teprve ohřev nad 1180 C vede k jejímu úplnému rozpouštění. Při dlouhodobém žíhání se od teplot 850 C projevuje postupné hrubnutí vyloučených částic této fáze hrubnutí částic fáze γ / během dlouhodobého žíhání je doprovázeno velmi pomalým poklesem tvrdosti změny disperzity částic fáze γ / při dlouhodobém žíhání se projevily slabým poklesem meze kluzu při pokojové teplotě. Vliv na hodnoty meze pevnosti během realizovaných žíhacích dob při 900 C nebyl prokázán. Plastické vlastnosti tažnost, kontrakce, vrubová houževnatost se v žádném případě nezhoršují byla prokázána vysoká strukturní stabilita slitiny do teploty 850 C. Při teplotách 850 až 900 C je strukturní stabilita omezená a při delších dobách exploatace je možno očekávat pomalý pokles pevnostních vlastností V další části práce / 8-9 / byla věnována pozornost nehomogenitě struktury a vlastností odlitků v důsledku odměšování přísad při tuhnutí kovu. Byly popsány její příčiny a 3

4 její vliv na morfologii strukturních složek a na mechanické vlastnosti. Byly sledovány i možnosti ovlivnění nehomogetit vysokoteplotním žíháním. Bylo zjištěno, že vysokoteplotním žíháním je možno ovlivnit nejsnáze nehomogenitu chemického složení u tuhého roztoku. U intermetalických fází a u karbidů je homogenizace účinná při ohřevu nad teplotu jejich termodynamické stability, tj. na teplotu kdy jsou rozpuštěny v tuhém roztoku. To je ovšem u primárně vyloučených karbidů velmi obtížné a u vysoce legovaných slitin nelze zcela rozpustit ani částice fáze γ /. PODĚKOVÁNÍ Tento projekt byl realizován za finanční podpory ze státních prostředků prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu. LITERATURA 1. HRBÁČEK, K., JOCH, A., HRBÁČEK, K.ml., ŇUKSA, P., ŠUSTEK, P., ŠVENDA, L. Výzkum a vývoj technologie lití oběžných kol a statorových částí turbodmychadel nové generace. Výzkumná zpráva Z-03-04, PBS VB, PODHORNÁ, B., KUDRMAN, J. Výzkum a vývoj technologie lití oběžných kol a statorových částí turbodmychadel nové generace. Výzkumná zpráva UJP 1105, UJP PRAHA, VESELÝ, V. Řešení ekologických problémů při provozu spalovacích turbín na kompresních stanicích. In Sborník z mezinárodní konference Dny plamene spalování a životní prostředí. Praha, PODHORNÁ, B., KUDRMAN, J. Výzkumná zpráva UJP 1060, UJP PRAHA, SKLENIČKA, V., KUCHAŘOVÁ, K., DANĚK, R. Soubor creepových zkoušek materiálu IN 713LC. Výzkumná zpráva, ÚFM AV ČR,Brno, KUNZ, L., LUKÁŠ, P. Vysokocyklová únavová životnost materiálu IN 713LC. Výzkumná zpráva, ÚFM AV ČR,Brno, OBRTLÍK, K. Nízkocyklová únava materiálu IN 713LC. Výzkumná zpráva, ÚFM AV ČR,Brno, JONŠTA, Z. Analýza slitiny IN 713LC. Výzkumná zpráva, VŠB-TU Ostrava, DOBROVSKÁ, J., STRÁNSKÝ, K., DOBROVSKÁ, V., REK, A., POKLUDOVÁ, J. Heterogenita superslitin na bázi niklu. Výzkumná zpráva, VŠB-TU Ostrava,

5 Tabulka I. Chemické složení slitin IN 713C a IN 713LC v %hm. IN 713 C IN 713 LC C 0,08-0,20 0,03-0,07 Mn max. 0,25 max. 0,25 Si max. 0,50 max. 0,50 Cr 12,0-14,0 11,0-13,0 Ti 0,50-1,00 0,40-1,00 Al 5,50-6,50 5,50-6,50 Fe max. 2,50 max. 0,50 B 0,005-0,015 0,005-0,015 Zr 0,050-0,150 0,050-0,150 Nb + Ta 1,80-2,80 1,50-2,50 Mo 3,80-5,20 3,80-5,20 Cu max. 0,50 max. 0,50 Co max. 1,0 max. 1,0 S max. 0,015 max. 0,015 P max. 0,015 max. 0,015 Ni zbytek zbytek Tabulka II. Chemické složení materiálu N 155 v %hm. C max. 0,20 W 2,00-3,00 Mn 1,00-2,00 Nb+Ta 0,75-1,25 Si max. 1,0 Co 18,5-21,0 Cr 20,0-22,5 N 2 0,10-0,20 Ni 19,0-21,0 P max. 0,04 Mo 2,50-3,50 S max. 0,03 Fe zbytek Tabulka III. Chemické složení materiálu v %hm C 0,08 0,16 Si max. 1,00 Mn max. 2,00 P max. 0,045 S max. 0,030 Co 18,50 21,00 Cr 20,00 22,50 Mo 2,50 3,50 N 0,100 0,200 Nb 0,750 1,250 Ni 19,00 21,00 W 2,00 3,00 5

6 Obr. 1. Vliv tvrdosti na teplotě a době žíhání - IN713LC Obr. 2. Vliv dlouhodobého žíhání na mez kluzu - IN713LC 6

7 Obr. 3. Vliv dlouhodobého žíhání na mez pevnosti - IN713LC Obr. 4. Vliv dlouhodobého žíhání na tažnost - IN713LC 7

8 Obr. 5. Vliv žíhání na teplotní závislost vrubové houževnatosti - IN713LC 8

9 NR 12 NR 14 NR 15 NR 17 Obr.5. Oběžná kola turbodmychadel 9

10 Leitapparat NR12 Leitapparat NR15 Leitapparat NR17 10