ALUMINIDY ŽELEZA, PYROFERAL JAKO VYSOKOTEPLOTNÍ KONSTRUKČNÍ MATERIÁL David Pospíšil, Petr Kratochvíl a Milan Hanzal b a Technická Univerzita v Liberci, Hálkova 6, 461 17 Liberec, ČR, david.pospisil@vslib.cz pekrat@met.mff.cuni.cz b ČZ Strakonice a.s., Tovární 202, 386 15 Strakonice, ČR, slevarna.litiny@czas.cz Abstrakt Intermetalické slitiny železa s vyšším obsahem hliníku jsou zkoumány jako možná náhrada austenitických ocelí. Vynikají dobrou odolností vysokým teplotám v agresivním prostředí, nižší hustotou a nízkou cenou vstupních surovin. Z materiálu s obchodním názvem PYROFERAL (ČSN 42 2484) byly od padesátých let ve slévárně ve Kdyni odlévány tavicí kelímky, rošty, hrabla, obkladové desky a jiné příslušenství pecí. Materiál obsahoval 30 hm.% Al a 1 hm.% C, slévárenské vlastnosti byly srovnatelné s šedou litinou. Materiály o složení 1. 29,5 hm.% Al 0,92 hm.% C 0,60 hm.% Si 2. 30,1 hm.% Al 0,80 hm.% C 0,20 hm.% Si byly zkoušeny jako držáky do nauhličovacích pecí ve ŠKODA AUTO, Mladá Boleslav. Držáky byly odlity ve slévárně ČZ Strakonice, a.s. ve 100kg indukční peci. Provedena byla metalografická šetření a kontrola tvrdosti po odlití výrobku a v závislosti na době jeho užití. Creepové vlastnosti byly posuzovány jako průhyb nosné plochy držáku při zatížení vsázkou (ozubené hnací kolo rozvodovky). Maximální teplota použití byla 930 C. IRON ALUMINIDES AS A HIGH TEMPERATURE STRUCTURAL MATERIAL Abstract The ferrous alloys with high content of aluminium was investigated as potential substitution of Cr or Cr-Ni steels. They are characterized by corrosion resistance in HT environments, by of lower density and low material cost compared to other iron based alloys. The material with trade name PYROFERAL was fabricated from the fifties in the foundry Kdyně. Melt crucibles, grids, paddles, HT lining plates and other furnace accessories were cast from PYROFERAL (czech standard ČSN 42 2484).The material contains 30 wt.% Al and 1 wt.% C, the castability is comparable with grey iron. The materials which contains 1. 29,5 wt.% Al 0,92 wt.% C 0,60 wt.% Si 2. 30,1 wt.% Al 0,80 wt.% C 0,20 wt.% Si was tested as holders for carburization furnaces in ŠKODA AUTO, Mladá Boleslav (automotiv factory). The holders were cast in ČZ Strakonice Foundry division using 100kg induction furnace. Optical structure and hardness were examined of both unemployed and at high temperature emploeyd as-cast products. Creep resistance was evaluated as a deformation of holders during loading by charge (drive gear wheel). The typical temperature in the furnace is 930 C. Maximum time of employement is at present about 1000 hours. 1
METAL 2002 ALUMINIDY ŽELEZA, PYROFERAL JAKO VYSOKOTEPLOTNÍ KONSTRUKČNÍ MATERIÁL David Pospíšil, Petr Kratochvíla Milan Hanzalb a Technická Univerzita v Liberci, Hálkova 6, 461 17 Liberec, ČR, david.pospisil@vslib.cz pekrat@met.mff.cuni.cz b ČZ Strakonice a.s., Tovární 202, 386 15 Strakonice, ČR, slevarna.litiny@czas.cz ÚVOD Intermetalické slitiny železa s hliníkem byly zkoumány již v první polovině 20. století. Limitujícím faktorem využití byla vždy křehkost těchto slitin. Nad oblastí rozpustnosti hliníku v železe byly zkoumány materiály o stechiometrickém složení Fe3Al až FeAl. Materiály bez uhlíku, nebo s obsahem uhlíku až přes 1%, byly navíc legovány pro snížení křehkosti. Používány byly v litém stavu, materiály s nízkým obsahem uhlíku byly tvářeny pro zlepšení mechanických vlastností. Hlavním cílem užití byla náhrada chromových a chromniklových ocelí pro použití za vysokých teplot, a to i v agresivním prostředí. Tvrdost materiálů se pohybovala od 200 do 800HV. Obrobitelnost byla porovnatelná s austenitickou ocelí až s bílou litinou. V Čechách byly tyto slitiny zkoumány od roku 1953 ve Státním Výzkumném Ústavu Materiálu v Praze pod vedením prof. Pluhaře a Ing. Vyklického. Odlita byla řada materiálů o různém složení, provedeny byly mnohé materiálové zkoušky. Výsledky byly zachyceny v několika nepublikovaných výzkumných zprávách.[1] Jako vysokoteplotní konstrukční materiál, zejména pro použití v pecích, byl určen materiál s obchodním názvem Pyroferal. Jeho složení je dáno normou ČSN 42 2484. Jedná se o slitinu s 30%hm.Al a 1%hm.C, obsah Mn a Si nepřevyšoval 0,5%. Uhlík je zde vyloučen v tenkých plátcích karbidu, při vyšších teplotách zlepšuje creepové vlastnosti. Materiál je použitelný max. do cca 1200 C, slévárenské vlastnosti jsou podobné šedé litině. Odléván byl od padesátých let do roku 1990 ve slévárně ve Kdyni u Klatov. Vyráběly se tavicí kelímky, hrabla, rošty, obkladové desky apod. (obr. 1) [2] Obr. 1. Lopatky z pyroferalu, padesátá léta 2
METAL 2002 Od roku 1995 jsou tyto materiály zkoumány na Technické Univerzitě v Liberci ve spolupráci s Univerzitou Karlovou v Praze. Ve spolupráci s pamětníky Kdynium, a.s. Kdyně a ČZ Strakonice, a.s. bylo odlito několik taveb Pyroferalu. Některé tavby byly realizovány i v laboratořích Katedry strojírenské technologie TU v Liberci.[3] Obr. 2. Držák ozubených kol Obr. 3. Držák včetně vsázky EXPERIMENT Jako zkušební odlitek byl zvolen držák do nauhličovacích pecí Aichelin ve Škodě - Auto Mladá Boleslav (obr. 2,3). Držáky umožňují automatické tepelné zpracování ozubených kol rozvodovky. Pecí projíždějí v 22h cyklech, maximální teplota je 930 C po dobu 5h. Nosná plocha držáku je zatížena nauhličovanými ozubenými koly. Během provozu dochází vlivem zatížení k její deformaci. Současně se tenká žebra deformují tepelnými dilatacemi, dochází k jejich zakřivení i k celkové deformaci nosné plochy. U běžně používaných držáků z austenitické oceli ČSN 42 2951(20-22%Cr, 37-40%Ni, dále Si, Al, Ti) dochází dlouhodobým působením nauhličovacího prostředí k napadení namáhaných oblastí odlitku, objevuje se zde vysoká poréznost a dochází k degradaci mechanických vlastností. U držáků z pyroferalu k tomuto jevu nedochází, materiál je imunní vůči chemickému působení pecního prostředí, nedochází k nauhličování jeho povrchu. Nepříznivým jevem u pyroferalových držáků je jejich křehkost, k praskání tenkých žeber dochází častěji než u ocelových držáků. Obr. 4. Forma z furanové směsi 3
Celkem asi 30ks pyroferalových držáků bylo odlito v prototypové dílně ČZ Strakonice za použití 100kg indukční pece. Odlitky byly formovány pomocí volného dřevěného modelu do furanové formovací směsi (obr. 4). Praskání tenkých žeber při chladnutí odlitku bylo úspěšně vyřešeno úpravou vtokové soustavy. Uskutečněny byly tavby o těchto složeních: 1. 29,5 hm.% Al 0,92 hm.% C 0,60 hm.% Si 2. 30,1 hm.% Al 0,80 hm.% C 0,20 hm.% Si Obsah manganu nepřesahoval 0,4%. Hliník byl do roztaveného železa legován v pevném stavu. Vlivem exotermické reakce se po přidání studeného hliníku teplota taveniny zvýší o cca 100 C. [4] Metalografie dokumentuje strukturu před a po nasazení (obr. 5,6). Je zřejmé že plátky karbidu Al 4 C 3 se z velké části rozpustily v kovové matrici. Obr. 5. Struktura po odlití, 200x Obr. 6. Struktura po nasazení v peci, 200x Držáky byly nasazovány v několika etapách, společné umístění na jednom roštu umožňovalo pravidelné sledování. Na odlitcích byl sledován průhyb nosné plochy, měřena byla výška obruče nad podložkou, vždy v osmi uzlech. Měření bylo prováděno po 14 cyklech. Výsledky měření jsou zachyceny v grafu (obr. 7). Znázorněn je průhyb držáků z druhé tavby. 2 4 6 8 doba provozu [týdny] Obr. 7. Průběh deformace držáku 4
DISKUSE Výzkumná zpráva [1] uvádí creepové vlastnosti pyroferalu mírně lepší než u žárupevné oceli AKC (24Cr, 19Ni). Provedené sledování potvrdilo již dříve popsané creepové vlastnosti pyroferalu. Na začátku expozice je rychlost tečení vyšší, po určité době se zpomaluje. U pyroferalu byla pozorována nižší únosnost než u držáků z austenitické oceli. Toto může být způsobeno lepšími creepovými vlastnostmi oceli ČSN 42 2951. Pyroferal užitý v [1] měl vyšší obsah Si (cca 1%), tím vyšší křehkost, ale vyšší creepovou odolnost. V neposlední řadě mohla mít vliv i hrubozrnost jednotlivých mateiálů. Při vztažení únosnosti materiálu k jeho hmotnosti, je nízká hustota pyroferalu (5,3 kg/cm 3 ) příznivá. ZÁVĚR Zkoušený materiál obstál bez problémů v prostředí nauhličovacích pecí, byla potvrzena možnost náhrady vysokolegovaných austenitických ocelí. Problematika praskání tenkých žeber by měla být vyřešena konstrukční úpravou držáku v chystaném experimentu. S materiálem je počítáno i pro některé aplikace v automobilovém průmyslu. Doplněním výzkumu budou již probíhající creepové zkoušky pyroferalu včetně porovnání se zmíněnou ocelí ČSN 42 2951. LITERATURA [1] PLUHAŘ, J., VIKLICKÝ, M. Výzkumné zprávy SVÚM Praha z let 1953 1957. [2] PLUHAŘ, J., Karbidické žáruvzdorné slitiny železa a hliníku. In Problémy a výhledy našeho hutnictví a slévárenství, SNTL Praha, 1956, str.61 75. [3] KRATOCHVÍL, P. aj. Lité výrobky ze slitin na basi FeAl, struktura a vlastnosti. Hutnické listy, 2001, roč. 56, č. 1-3, str. 25-29. ISSN 0018-8069. [4] DEEVI, S. C., SIKKA, V. K. Nickel and iron aluminides. In Intermetallics 4, 1996, str. 357-375. 5