VÝVOJ TECHNOLOGIE PŘESNÉHO LITÍ ČÁSTÍ ZE SUPERSLITIN, POUŽÍVANÝCH VE SKLÁŘSKÉM PRŮMYSLU.

Transkript

1 VÝVOJ TECHNOLOGIE PŘESNÉHO LITÍ ČÁSTÍ ZE SUPERSLITIN, POUŽÍVANÝCH VE SKLÁŘSKÉM PRŮMYSLU. Karel Hrbáček a JIŘÍ KUDRMAN b ANTONÍN JOCH a BOŽENA PODHORNÁ b a První brněnská strojírna Velká Bíteš,a.s., Vlkovská 279, Velká Bíteš,ČR b Škoda-ÚJP Praha, a.s., Nad Kamínkou 1345, Praha-Zbraslav, ČR Abstract Structural components used in glass industry are exposed to high temperature and must be very resistant to the used molten glass. Nickel based superalloys have been increasingly used for refractory components. The alloys hardened by thermally highly stable carbides seem very promising. However increased content of carbon and alloying with carbide formers like tungsten, niobium and tantalum requires also new metallurgical processes. Recently the foundry of PBS Velká Bíteš a.s. has mastered the technology of precise casting of defibering heads made of the materials used under the trade descriptions 141, 145 and ÚVOD Předložená práce shrnuje dosavadní výsledky řešení odlévání rozvlákňovacích hlav, používaných ve sklářském průmyslu / 1, 2 /. Tyto odlitky jsou velice značně namáhány. Pracují s teplotou skloviny, která je přibližně 1050 C, maximální průměr odlitku je 400 mm a pracovní otáčky jsou 2200 ot.min -1. Odlitky jsou vyrobeny přesným litím, metodou vytavitelného modelu. Ve snaze proniknout mezi světové dodavatele těchto odlitků věnujeme značnou pozornost zdokonalování používané technologie lití od metalurgických postupů výroby používané slitiny, přes výrobu velice komplikované keramické skořepiny, tavení slitiny a odlévání odlitků / 3, 4 /. Nejvíce pozornosti bylo věnováno výběru vhodného materiálu pro výrobu uvedené části tak, aby bylo dosaženo požadované životnosti a provozní spolehlivosti rozvlákňovacích hlav.

2 2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL A ZVOLENÉ METODY ZPRACOVÁNÍ Bylo odlito pět taveb niklových superslitin o různém chemickém složení. Slitiny 141,145 a jsou komerčně dodávané slitiny pro práci za vysokých teplot. Na základě prvých experimentálních zkoušek bylo navrženo chemické složení dalších dvou materiálů, které byly označeny pracovním názvem 141H a 141I. Chemické složení těchto materiálů je uvedeno v tabulce I. Tabulka 1. Chemické složení taveb v % hm. Slitina C Mn Si Cr Fe Nb Ta W Co Cu P S Ni 141 0,31 0,89 1,10 23,50 zbytek - - 5,13 - max. 0,05 0,009 0,005 54,07 141H 0,27 0,22 0,36 27,78 8,72 1,84-4,02 3,07 max. 0,05 0, zbytek 141I 0,34 0,58 0,55 26,87 7,97 0,99 0,93 4,94 4,47 max. 0,05 0,004 0,006 zbytek ,46 0,92 1,16 27,54 zbytek - - 5, ,005 0,011 49, ,30 0,15 1,00 32,00 0,10-0,95 7, zbytek Poznámka: Slitina 145 dále obsahovala 1,04 % hm Zr Z uvedených slitin byly odlity zkušební vzorky pro zkoušky tahem a zkoušky rázem v ohybu. Zkoušky tahem byly provedeny v intervalu teplot < 20; 1000 > C, zkoušky rázem v ohybu byly provedeny v intervalu teplot < 20; 900 > C. Dále byly sledovány změny tvrdosti na vzorcích, žíhaných při teplotách 900, 1000 a 1100 C po doby 5, 10, 50, 100, 500 a 1000 h pro teploty žíhání 900 a 1000 C. Při teplotě žíhání 1100 C byly sledovány změny tvrdosti po dobách žíhání 1, 2, 5, 8, 50 a 100h. Pro posouzení změn mechanických hodnot vlivem dlouhodobé výdrže na provozní teplotě byly ještě provedeny tahové zkoušky u všech těchto slitin po jejich žíhání při teplotě 900 C po doby 5 a 500h. U vybraných vzorků bylo provedeno velice podrobné zkoumání struktury vzorků, zaměřené na probíhající strukturní změny v důsledku provozních podmínek.

3 3. MECHANICKÉ VLASTNOSTI SLEDOVANÝCH SLITIN. Ze sledovaných slitin byly odlity vzorky pro výrobu zkušební tyčí pro zkoušky tahem a pro zkoušky rázem v ohybu. Výsledky jednotlivých zkoušek jsou uvedeny na obr.1-4. Nejnižší pevnost při vysokých teplotách byla zjištěna u slitiny 141, nevyšší pak u slitiny 145. Modifikace chemického složení u slitin 141 H a 141 I vedla k mírnému zlepšení pevnosti za vysokých teplot. Slitina má s modelovými slitinami prakticky shodné vlastnosti. U studovaných slitin bylo možno pozorovat výrazný vzrůst plastických vlastností při teplotách nad 700 C. Při nižších teplotách byla tažnost nízká, zejména u slitiny 145. Je možno konstatovat, že rozdíly v legování slitin ovlivňují spíše plastické vlastnosti studovaných slitin. Rozdíly v pevnostních hodnotách byly jen malé. U všech sledovaných slitin byla zjišťována i teplotní závislost vrubové houževnatosti. Výsledky těchto zkoušek jsou uvedeny na obr. 4. Nejnižší hodnoty vrubové houževnatosti byly naměřeny u slitiny 145. Ostatní slitiny mají vrubovou houževnatost rovněž nízkou, avšak na přijatelnější úrovni. 4. ZMĚNY MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ BĚHEM DLOUHODOBÉHO ŽÍHÁNÍ Sledované slitiny jsou během provozu vystaveny působení vysokých teplot. Pro posouzení, jak mohou být ovlivněny jejich mechanické vlastnosti vlastním provozem, byly tyto slitiny podrobeny žíhání 900, 1000 a 1100 C po doby 5, 10, 50, 100, 500 a 1000h. Na takto připravených vzorích byla zjišťována tvrdost. Dále byly slitiny podrobeny žíhání při 900 C po doby 5 a 500h. Pak takto tepelně ovlivněné vzorky byly podrobeny zkoušce tahem při teplotách 20, 800, 900 a 1000 C a zkoušce vrubové houževnatosti při teplotách 20, 400, 600 a 800 C. Závislosti tvrdosti sledovaných slitin na době žíhání jsou znázorněny na obr Z obrázků je patrno, že slitina 141 má výchozí tvrdost nižší, ale již po krátké době žíhání dochází k jejímu vytvrzení. Tvrdost slitiny 145 se prakticky nemění, nicméně je trvale vyšší. Výsledky tahových zkoušek jsou uvedeny v tab.2. Největší zvýšení pevnosti během žíhání bylo zjištěno u slitiny 141. U ostatních slitin je zpevnění menší. U slitiny 145 bylo po žíhání 900 C/500h patrno mírné zvýšení pevnosti v důsledku vyloučení sigma fáze. Podobný průběh u sledovaných slitin měly i změny hodnot meze kluzu. Dlouhodobé žíhání ovlivňovalo i hodnoty tažnosti. S výjimkou slitiny 141 H a 145 byl u všech slitin zaznamenán během žíhání při teplotě 900 C mírný pokles tažnosti. U slitiny 145 jsou hodnoty tažnosti nízké a během žíhání se prakticky neměnily. Pokles tažnosti je pravděpodobně spojen se sekundárním vytvrzováním slitin.

4 Tabulka 2. Pevnostní hodnoty slitin po dlouhodobém žíhání. Slitina Režim žíhání [ C/h] Teplota zkoušky [ C] Rp02 Rm A 5 [%] Z [%] / ,4 7, ,9 4,0 900/ ,7 11, ,8 11, ,4 43, ,5 54, ,6 73, /5 900/ ,3 1, ,6 1, ,3 1, ,8 9, ,6 41, ,4 55,7 141H 900/ ,7 14,0 900/ ,7 14, ,7 9, ,3 15, ,7 39, ,2 46, ,4 39,8 141I 900/5 900/ ,6 5, ,3 9, ,3 10, ,3 7, ,7 46, ,5 47, ,5 43, / ,0 3, ,0 4, ,0 3,0 900/ ,0 7, ,0 4, ,0 4, ,8 33, ,8 41, ,2 57,1 Vliv dlouhodobého žíhání na vrubovou houževnatost je obdobný jako na tažnost. Vytvrzení sekundárně vyloučenými karbidy vedlo ke snížení jejich hodnot. Největší pokles byl u slitiny 141, kde je precipitační vytvrzení nejvýraznější. Naměřené hodnoty jsou uvedeny v tab.3.

5 Tabulka 3. Vrubová houževnatost slitin po žíhání při 900 C Režim žíhání Teplota zkoušky Vrubová houževnatost KCU 2 [J.cm -2 ] [ C/h] [ C] Slitina 141 Slitina 145 Slitina 141H Slitina 141I Slitina / ,8 5,1 16,6 12,1 7, ,5 5,0 15,2 6,4 9, ,4 7,5 39,1 30,5 16, ,1 7,5 45,0 30,2 16,4 900/ ,5 5,0 13,0 11,4 7, ,0 3,7 17,6 8,9 9, ,0 5,0 17,6 11,5 8, ,4 3,7 18,8 13,9 7, ,9 5,5 21,4 15,2 9, ,6 5,3 22,5 19,1 11, ,6 6,9 31,3 17,8 14, ,8 7,5 28,9 12,7 12, ,3 7,5 42,6 19,1 19, ,4 6,3 38,9 20,3 17,8 V tabulce 4 jsou porovnány hodnoty pevnosti a tažnosti měřené při 800 a 1000 C ve výchozím stavu slitin po odlití a ve stavu po žíhání 900 C/500h. Tabulka 4. Porovnání hodnot zjišťovaných zkouškou tahem při teplotách 800 a 1000 C. Slitina Teplota zkoušky 800 C Teplota zkoušky 1000 C Výchozí stav Žíháno 900 C/500 h Výchozí stav Žíháno 900 C/500 h Rp02 [Mpa] Rm A 5 [%] Rp02 Rm A 5 [%] Rp02 Rm A 5 [%] Rp02 Rm A 5 [%] , , , ,6 141 I , , , ,5 141 H , , , , , , , , , , , ,2 V tabulce 5 jsou porovnány hodnoty vrubové houževnatosti při teplotách 20 a 800 C u vzorků ve stavu po odlití a po žíhání 900 C/500h.

6 Tabulka 5. Porovnání hodnot vrubové houževnatosti při 20 a 800 C u vzorků ve stavu po odlití a po dlouhodobém žíhání. Slitina Teplota zkoušky 20 C Teplota zkoušky 800 C Výchozí stav Žíháno 900 C/500 h Výchozí stav Žíháno 900 C/500 h KCU [J.cm -2 ] KCU [J.cm -2 ] KCU [J.cm -2 ] KCU [J.cm -2 ] ,7 13,7 49,1 32,4 141 I 13,9 10,0 39,5 19,6 141 H 16,9 15,3 40,0 40, ,8 4,4 8,8 6, ,5 8,4 25,2 18,5 5. Závěr. Byly studovány statické mechanické vlastnosti a kinetika strukturních dějů u slitin typu Ni Cr W C, u kterých byly modifikovány přísady dalších kovů. Výsledky řešení je možno shrnout do následujících závěrů / 2, 5 /: Hodnoty pevnosti a meze kluzu při 20 C u studovaných slitin dosahují zhruba 50% úrovně hodnot těchto veličin u slitin, vytvrzených fází gama. Při teplotách C však mají srovnatelné vlastnosti a při 1000 C dosahují již vyšších hodnot, Plastické vlastnosti a vrubová houževnatost jsou u těchto slitin nízké, výrazně se zlepšují při teplotách nad 800 C. Příčinou je charakteristická licí struktura, tvořená skeletem primárně vyloučených karbidů na rozhraních buněk licí struktury, Během dlouhodobého žíhání při teplotách C jsou modelové slitiny velmi stabilní a byly pozorovány jen velmi malé strukturní změny. Tomu odpovídaly i velmi malé změny mechanických vlastností, Výraznější precipitace sekundárních karbidů byla zjištěna jen u slitin označených 141 a , kde byla nejnižší koncentrace přísad tvořících karbidy stabilní do velmi vysokých teplot. Při této precipitaci docházelo k vylučování karbidů bohatých wolframem a k částečnému rozpouštění karbidů na bázi chromu, U zbývajících tří slitin je precipitace spojena především s vyrovnáváním nehomogenit chemického složení, vziklých při tuhnutí slitin po odlití. U slitiny 145 byla při teplotě 900 C a dobách žíhání 500 h a více zjištěna precipitace křehké fáze σ, Provedené analýzy ukázaly, že přísady Nb, Ta a Co vedou ke zvýšení strukturní stability slitin. Přísada wolframu nad 5% hm se ukázala neúčinná,

7 Nejlepší creepovou odolnost vykazuje slitina 145 a to v oblasti teplot do 900 C. Při nejvyšších zkušebních teplotách / 1000 C / jsou creepové vlastnosti sledovaných základních variant slitin 141 a 145srovnatelné, zejména v oblasti nižších napětí, Slitiny jsou velmi odolné vysokoteplotní oxidaci. Pozorovatelný růst oxidů byl zjištěn až při teplotě 1100 C. Oxidy byly kompaktní a rychlost růstu vrstvy se s dobou expozice snižuje. Mimo těchto zkoušek byl proveden velice podrobný výzkum creepového chování studovaných superslitin / 6, 7 /, na základě zkoumání lomových ploch byl zpracován fraktografický atlas uvedených litých slitin / 8 / a dále bylo provedeno velice rozsáhlé studium chemické a strukturní mikroheterogenity těchto slitin / 9, 10 /. Rovněž byla věnována velká pozornost určení přesného chemického složení studovaných slitin tak, aby nedocházelo k jejich křehnutí během provozu. Jednalo se o obdobný problém, jak byl řešen v / 11, 12 /. PODÉKOVÁNÍ Výzkumný program, jehož výsledky jsou uvedeny v této práci, byl realizován v rámci projektu č. 106/99/1649 za finanční podpory Grantové agentury ČR a projektu FB C2/53, řešeného za finanční podpory ze státních prostředků prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu. LITERATURA 1. PODHORNÁ, B., KUDRMAN, J., ČMAKAL, J. Centrum vývoje litých niklových superslitin určených pro extrémní podmínky při vysokých teplotách.zpráva č. 927, Škoda ÚJP, Praha, PODHORNÁ, B., KUDRMAN, J., ČMAKAL, J. Centrum vývoje litých niklových superslitin určených pro extrémní podmínky při vysokých teplotách. Zpráva č. 964, Škoda ÚJP, Praha, HRBÁČEK, K. aj. Centrum vývoje litých niklových superslitin určených pro extrémní podmínky při vysokých teplotách. Zpráva PBS Velká Bíteš, HRBÁČEK, K. aj. Centrum vývoje litých niklových superslitin určených pro extrémní podmínky při vysokých teplotách. Zpráva Z 01 01, PBS Velká Bíteš, SKLENIČKA aj. Vysokoteplotní vlastnosti systému Ni Cr W C. Závěrečná zpráva o řešení projektu GA ČR reg. č. 106/99/1649, ÚFM AV ČR, Brno, 2001.

8 6. SKLENIČKA, V., KUCHAŘOVÁ, K., DANĚK, R. Získání souboru dat základních creepových vlastností vybraných litých niklových slitin. Zpráva II, ÚFM AV ČR, Brno, SKLENIČKA, V. aj. Získání souboru dat základních creepových vlastností vybraných litých niklových slitin. Zpráva III, ÚFM AV ČR, Brno, SIEGL, J. Fraktografický atlas litých niklových slitin 141, 141H, 141I, 145 a FJFI Praha, DOBROVSKÁ, J aj. Heterogenita superslitiny na bázi niklu. Zpráva MP , VŠB TÚ Ostrava, Pawliczek aj. Příspěvek k chemické mikroheterogenitě prvků v žárupevné niklové slitině. In Sborník z konference METAL Ostrava: Tanger, Vlasák, T. aj. Příspěvek k optimalizaci materiálu pro lopatky leteckých turbin. In Sborník z konference METAL Ostrava: Tanger, Vlasák, T. aj. Optimalizace chemického složení lité žáropevné slitiny s cílem prevence vzniku sigma fáze ve struktuře. Slévárenství, 2001, č.10, str

9 Obr. 1. Teplotní závislost meze pevnosti. 0br.2. Teplotní závislost meze kluzu.

10 Obr. 3. Teplotní závislost tažnosti. 0br. 4. Změny vrubové houževnatosti s teplotou.

11 Obr. 5. Změny tvrdosti s dobou žíhání slitiny 141. Obr. 6. Změny tvrdosti s dobou žíhání slitiny 141 I.

12 Obr. 7. Změny tvrdosti s dobou žíhání slitiny 141 H. Obr. 8. Změny tvrdosti s dobou žíhání slitiny 145.

13 Obr. 9. Změny tvrdosti s dobou žíhání slitiny