HODNOCENÍ VLASTNOSTÍ VÝKOVKŮ ROTORŮ Z OCELI 26NiCrMoV115 Martin BALCAR a), Václav TURECKÝ a), Libor Sochor a), Pavel FILA a), Ludvík MARTÍNEK a), Jiří BAŽAN b), Stanislav NĚMEČEK c), Dušan KEŠNER c) a) b) c) ŽĎAS, a.s., Žďár nad Sázavou, Česká republika VŠB TU Ostrava, Česká republika COMTES FHT, s.r.o. Plzeň, Česká republika Abstrakt Vývoj a ověření technologie výroby výkovků rotoru kompresoru a generátoru jednotky plynové turbíny dokladuje významný vliv tváření vstupního polotovaru ingotu a tepelného zpracování výkovku na dosažené užitné vlastnosti výrobku. Měřené hodnoty meze kluzu a meze pevnosti dokladují srovnatelné vlastnosti s určitým trendem v závislosti na místě odběru vzorku. Významné rozdíly v podélném i příčném směru po průřezu výkovku byly zjištěny zejména pro hodnoty přechodové teploty FATT T 50. Dosažené mechanické vlastnosti experimentálních výkovků rotoru z oceli 26NiCrMoV115 dokladují nezbytnost další optimalizace procesu tváření a tepelného zpracování. Práce byla řešena v rámci programu EUREKA projektu ENSTEEL identifikační číslo 1P04EO169 za finanční podpory Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky. Abstract The development and verification of production technology of rotor forgings for the compressors and generators document a significant effect of the input semi product (ingot) forming and forging heat treatment on the product manufacture properties achieved. The measured yield strength and strength limit documents comparable properties with a certain trend in dependence on the sample position in the rotor. Significant differences in the longitudinal as well as transversal directions over the cross section of a forging have been found especially for the transition temperature FATT T 50. The mechanical properties of experimental forgings of the rotor made of steel 26NiCrMoV115 point out that the forming and heat treatment processes may be optimized. The investigations were performed within the EUREKA program of the E!3192 ENSTEEL project, identification number 1P04EO169. The project was founded partially by financial support of the Ministry of Education, Youth and Sport of the Czech Republic. 1
Výroba rotorů kompresoru a generátoru jednotky plynové turbíny byla v podmínkách ŽĎAS, a.s. ověřena z pohledu dosažených užitných vlastností výrobku. Byly vyrobeny 3 experimentální tavby (EU1, EU2 a EU3) oceli jakosti 26NiCrMoV115 a odlity ingoty 8K10.0 určené na výkovky rotoru dle náčrtku na obrázku 1. Po provedení základního tepelné zpracování výkovků: kalení 850 C H 2 O a popouštění 615 C s poklesem 25 C/hod do 250 C dále s ochlazováním na vzduchu, následovalo ověření dosažených mechanických vlastností po průřezu výkovku. Pro hodnocení mechanických vlastností hotového výkovku byla zvolena místa značená (P) pata, (S) střed, (H) hlava, která odpovídají poloze v původním ingotu. Obr. 1: Nákres experimentálního kusu výkovku a místa odběru vzorků Stanovení mechanických vlastností zkouškou tahem bylo provedeno na trhacím stroji THZ 723. Zkouška vrubové houževnatosti na rázovém kladivu PSW 300 s využitím chladícího zařízení AMSLER TV 742. Tvrdost byla měřena tvrdoměrem Brinell KPE 3000. Požadavky na mechanické vlastnosti rotorů kompresoru a generátoru dle specifikace odběratele uvádí tabulka 1. Tab. 1. Požadavky na mechanické vlastnosti výkovků z oceli 26NiCrMoV115 Pro experimentální zkoušky byly zvoleny podmínky tepelného zpracování navržené pro výrobu rotoru kompresoru, přičemž bylo uvažováno, že mez kluzu a mez pevnosti je možné na požadavky mechanických vlastností rotoru generátoru upravit zvýšením popouštěcí teploty. Rovněž je třeba konstatovat skutečnost, že rozměry výkovku v místě odběru vzorku na stanovení mechanických vlastností u reálných výkovků nepřekračují průměr 250 mm případně tloušťku stěny 200 mm. Zkušební výkovky byly polotovary určené pro stanovení 2
vlivu tváření a tepelného zpracování na dosahované užitné vlastnosti materiálu při výrobě výkovků větších průřezů. ZKOUŠKA TAHEM PŘI TEPLOTĚ 20 C Hodnoty mechanických vlastností zjištěné zkouškou tahem v podélném směru při 20 C uvádí tab. 2. Nezvýrazněné hodnoty pro povrch výkovku nesplňují požadavky pro předepsanou úroveň mechanických vlastností rotoru kompresoru. Tab. 2. Mechanické vlastnosti při teplotě 20 C podélný směr Dle tabulky 2 je zřejmé, že nebylo dosaženo požadované meze kluzu u tavby EU1 v případech na povrchu výkovku z části těla pod hlavou a ve stření části původního ingotu. Ostatní mechanické vlastnosti vyhovují požadavkům pro rotor kompresoru dle tabulky 1. Tabulka 3 dokumentuje hodnoty mechanických vlastností zjištěné zkouškou tahem v příčném směru, přičemž jsou zvýrazněny hodnoty Rp 0,2 < 800 MPa. Tab. 3. Mechanické vlastnosti při teplotě 20 C příčný směr Tabulka 4 uvádí vypočtené průměrné hodnoty mechanických vlastností zjištěné zkouškou tahem u výkovků z ingotů taveb EU1, EU2 a EU3. Tab. 4. Mechanické vlastnosti při 20 C průměr EU1, EU2, EU3 Z průměrných hodnot v tabulce 4 je zřejmé dosažení srovnatelných mechanických vlastností v podélném a příčném směru, přičemž vyšší pevnost materiálu je v podélném směru. VRUBOVÁ HOUŽEVNATOST A PŘECHODOVÁ TEPLOTA 3
Výsledky měření vrubové houževnatosti dané změnou nárazové práce KV (J) a podílem houževnatého lomu na lomové ploše S H (%) při 20 C v podélném směru v závislosti na poloze odběru vzorku z výkovku uvádí tabulka 5. Uvedené průměrné hodnoty z provedených měření na třech vzorcích nevyhovující v povrchových vrstvách požadavku KV 90 J nebo S H < 100% jsou zvýrazněny. Tab. 5. KV (J) a S H (%) při teplotě 20 C Z tabulky 5 vyplývá dosažení vyhovujících hodnot nárazové práce v příčném směru v povrchové části výkovku, přičemž ve dvou případech s výskytem podílu křehkého lomu na lomové ploše tvořené lomem houževnatým. Relativně nízkých hodnot nárazové práce bylo dosaženo ve směru podélném a ve všech případech byl podíl křehkého lomu zasahující lomovou plochu méně než 20%. Z uvedených hodnot zejména podílu houževnatého lomu vyplývá, že požadovaných hodnot nárazové práce lze při současné technologii tepelného zpracování dosahovat pouze u malých průřezů. Dalším hlediskem hodnocení mechanických vlastností výkovků rotorů bylo stanovení přechodové teploty FATT T 50 definované 50 % podílem křehkého a houževnatého lomu na lomové ploše zkušebního vzorku. Výsledky na vzorcích orientovaných v podélném a příčném směru uvádí tabulka 6. Přechod z houževnatého lomu do křehkého je graficky zvýrazněn. 4
Tab. 6. KV (J) a S H (%) pro stanovení FATT T 50 Uvedená tabulka opět dokumentuje dosažení vyhovujících parametrů z hlediska přechodové teploty FATT T 50 v povrchové části výkovku rotoru. Hodnoty přechodové teploty významně klesají ve vnitřních částech výkovku, přičemž v osové části je vyšší houževnatost než v oblasti 1/2R mezi povrchem a středem výkovku. Přechodovou teplotu FATT T 50 lze získat aproximací v diagramu KV S H. TVRDOST Měření tvrdosti HB bylo provedeno po průřezu výkovků taveb EU1, EU2 a EU3. Změnu tvrdosti uvádí tabulka 7. Tab. 7. Tvrdost materiálu po průřezu výkovků průměr EU1, EU2 a EU3 Grafické vyjádření průběhu průměrných hodnot tvrdosti po průřezu výkovku uvádí obrázek 2. 5
Obr. 2: Průběh hodnot tvrdosti materiálu po průřezu výkovků taveb EU1, EU2 a EU3 Průměrné hodnoty tvrdosti stanovené z hodnot naměřených ve sledovaných oblastech výkovku prokazují dosažení nejvyšší tvrdosti v povrchových partiích výkovku. ZÁVĚR Bylo provedeno měření mechanických vlastností po průřezu zkušebních výkovků experimentálních taveb. Zjištěné hodnoty mechanických vlastností vykazují některé trendy vzhledem k poloze zkoušky ve výkovku v příčném řezu. V podélně orientovaných vzorcích, v porovnání s příčnými vzorky, byly zkouškou tahem při 20 C zjištěny vyšší hodnoty mechanických vlastností, přičemž v podélném směru bylo v průměru ze tří výkovků dosaženo na povrchu výkovku vyhovujících vlastností Rp 0,2 = 827 MPa, Rm = 955 MPa, A 5 = 17,1%, Z = 65,8%. Ostatní hodnoty směrem k ose výkovku vykazují z hlediska úrovně meze kluzu a pevnosti nižší pevnost materiálu a zhoršené plastické vlastnosti definované tažností a zúžením. Stanovení vrubové houževnatosti oceli určené nárazovou prací při rázové zkoušce za teploty 20 C prokázalo dosažení KV = 80 až 136 J v podélném směru a KV = 106 až 151 J ve směru příčném. Při podílu houževnatého lomu S H = 83 až 98 % v podélném směru a S H = 90 až 100 % v příčném směru konstatujeme na povrchu výkovku lepší vrubovou houževnatost v příčném směru. Směrem k ose výkovku hodnoty nárazové práce rapidně klesají. V oblasti vzdálené ½ poloměru hřídele od povrchu je dosahováno v příčném směru KV = 34 až 55 J při S H = 28 až 50 % a v oblasti z osy výkovku pak KV = 50 až 91 J při S H = 48 až 83 %. V osové části výkovku materiál vykazuje lepší vrubovou houževnatost než v oblasti mezi střední a povrchovou částí výkovku. Měřené hodnoty meze kluzu a meze pevnosti experimentálních výkovků dokladují srovnatelné vlastnosti s určitým trendem v závislosti na místě odběru vzorku. Významné rozdíly v podélném i příčném směru po průřezu výkovku byly zjištěny zejména pro hodnoty přechodové teploty FATT T 50. 6
Dosažené mechanické vlastnosti experimentálních výkovků rotoru z oceli 26NiCrMoV115 dokladují nezbytnost další optimalizace procesu tváření a tepelného zpracování. Přechodové teploty FATT T 50 stanovené na základě nárazové práce KV (J) a podílu houževnatého lomu na lomové ploše S H (%) dokladují změnu plastických vlastností oceli. Nejnižší přechodová teplota byla určena vždy na povrchu výkovku. Ve všech případech byla dosažena nižší přechodová teplota v osové části v porovnání s oblastí mezi osou a povrchem výkovku hřídele. Významné rozdíly v závislosti na poloze vzorku ve vztahu k původnímu ingotu nebyly zjištěny. Měřením tvrdosti po průřezu výkovku ve sledovaných oblastech výkovku byly potvrzeny trendy změn mechanických vlastností. Značný pokles tvrdosti lze pozorovat ve vzdálenosti 40 mm pod povrchem výkovku, přičemž další změny směrem k ose výkovku nejsou významné. Průměrné hodnoty tvrdosti z hodnot naměřených ve sledovaných oblastech původního ingotu prokazují dosažení nejvyšší průměrné tvrdosti 294HB ve výkovku v místě odpovídajícímu části pod hlavu ingotu, nižší průměrnou tvrdost 288HB v patní části a s ní srovnatelnou průměrnou tvrdost 287HB ve střední části výkovku resp. původního ingotu. Porovnáním rozptylu hodnot mechanických vlastností potvrzuje přijatelnou anizotropii mechanických vlastností. LITERATURA [1] Balcar, M., Sochor, L., Martínek, L., Turecký, V. a kol: Mechanické vlastnosti výkovků z oceli 26NiCrMoV115 taveb EU1, EU2 a EU3. Dílčí zpráva k řešení projektu E!3192 ENSTEEL identifikační číslo 1P04OE169 v roce 2006. Žďár nad Sázavou. 2006. 16 s. [2] Němeček, S.: Tepelné zpracování rotorových ocelí. Zpráva číslo Z-2006/059. COMTES FHT, s.r.o. 2006. 15 s. [3] Kvačkaj, T.: Priebežná správa projektu EUREKA E!3192 ENSTEEL. Technická universita Košice. 2005. 14s. 7