VÝVOJ TECHNOLOGIE PŘESNÉHO LITÍ ČÁSTÍ ZE SUPERSLITIN, POUŽÍVANÝCH VE SKLÁŘSKÉM PRŮMYSLU. Karel Hrbáčeka JIŘÍ KUDRMANb ANTONÍN JOCHa BOŽENA PODHORNÁb a
První brněnská strojírna Velká Bíteš,a.s., Vlkovská 279, 595 12 Velká Bíteš,ČR b
Škoda-ÚJP Praha, a.s., Nad Kamínkou 1345, 156 10 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 2.4879. 1.
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.
EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL A ZVOLENÉ METODY ZPRACOVÁNÍ Bylo odlito pět taveb niklových superslitin o různém chemickém složení. Slitiny
141,145 a 2. 4879 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 141
Mn Si
Cr
Fe
0,31 0,89 1,10 23,50 zbytek
Nb
Ta
-
-
W 5,13
Co -
Cu
P
S
Ni
max. 0,009 0,005 54,07 0,05
141H
0,27 0,22 0,36 27,78 8,72
1,84
-
4,02 3,07 max. 0,004 0.004 zbytek 0,05
141I
0,34 0,58 0,55 26,87 7,97
0,99 0,93 4,94 4,47 max. 0,004 0,006 zbytek 0,05
2.4879 0,46 0,92 1,16 27,54 zbytek
-
145
-
0,30 0,15 1,00 32,00 0,10
-
5,35
-
-
0,95 7,43
-
-
0,005 0,011 49,04 -
-
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.
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 2.4879 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. 5 – 9. 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.
Tabulka 2. Pevnostní hodnoty slitin po dlouhodobém žíhání. Slitina Režim žíhání Teplota zkoušky [°C/h] [°C] 141 900/5 20 20 900/500 20 20 800 900 1000 145
900/5 900/500
Rp02 [MPa] 326 326 327 321 163 150 88
Rm [MPa] 484 463 524 514 286 174 105
A5 [%] 7,4 5,9 8,7 7,8 28,4 45,5 46,6
Z [%] 7,0 4,0 11,0 11,0 43,8 54,6 73,8
20 20 20 20 800 900 1000
382 377 469 458 225 198 117
458 458 499 494 377 249 149
3,3
1,2
3,6 3,3 9,8 44,6 53,4
1,4 1,2 9,8 41,1 55,7
141H
900/5 900/500
20 20 20 20 800 900 1000
345 318 297 320 165 153 94
562 544 501 539 286 181 111
10,7 12,7 7,7 13,3 29,7 29,2 29,4
14,0 14,0 9,0 15,0 39,2 46,1 39,8
141I
900/5
20 20 20 20 800 900 1000
286 275 300 300 185 172 107
498 519 540 503 332 204 128
5,6 7,3 5,3 4,3 38,7 27,5 35,5
5,0 9,0 10,0 7,0 46,7 47,4 43,5
900/500
2.4879
900/5
20 411 544 5,0 20 397 540 5,0 20 404 547 5,0 900/500 20 400 575 7,0 20 399 573 7,0 20 411 580 7,0 800 186 300 22,8 900 152 194 33,8 1000 86 105 43,2 Vliv dlouhodobého žíhání na vrubovou houževnatost je obdobný jako
3,0 4,3 3,0 7,0 4,0 4,0 33,2 41,6 57,1 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.
Tabulka 3. Vrubová houževnatost slitin po žíhání při 900°C Režim žíhání [°C/h]
Teplota zkoušky [°C]
900/5
20 20 800 800
900/500
20 20 200 200 400 400 600 600 800 800
Vrubová houževnatost KCU 2 [J.cm-2] Slitina 141 Slitina 145 Slitina Slitina 141H 141I 13,8 5,1 16,6 12,1 12,5 5,0 15,2 6,4 31,4 7,5 39,1 30,5 26,1 7,5 45,0 30,2 12,5 15,0 15,0 16,4 18,9 21,6 26,6 18,8 34,3 30,4
5,0 3,7 5,0 3,7 5,5 5,3 6,9 7,5 7,5 6,3
13,0 17,6 17,6 18,8 21,4 22,5 31,3 28,9 42,6 38,9
11,4 8,9 11,5 13,9 15,2 19,1 17,8 12,7 19,1 20,3
Slitina 2.4879 7,5 9,0 16,3 16,4 7,6 9,1 8,2 7,6 9,0 11,5 14,4 12,7 19,1 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 Výchozí stav Žíháno 900 °C/500 h Rp02 Rm A5 Rp02 Rm A5 [MPa] [%] [MPa] [%] [Mpa] [MPa] 141 178 304 35,7 163 286 28,4 141 I 185 299 21,6 185 332 38,7 141 H 182 314 35,8 165 286 29,7 145 188 345 33,1 225 377 9,8 2.4879 187 309 29,8 186 300 22,8
Teplota zkoušky 1000 °C Výchozí stav Žíháno 900 °C/500 h Rp02 Rm A5 Rp02 Rm A5 [MPa] [%] [MPa] [%] [MPa] [MPa] 79 91 49,0 88 105 46,6 101 118 28,2 107 128 35,5 102 118 35,0 94 111 29,4 105 128 43,6 117 149 53,4 99 117 39,7 86 105 43,2
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.
Tabulka 5. Porovnání hodnot vrubové houževnatosti při 20 a 800°C u vzorků ve stavu po odlití a po dlouhodobém žíhání. Slitina 141 141 I 141 H 145 2.4879
5.
Teplota zkoušky 20 °C Výchozí stav Žíháno 900 °C/500 h KCU [J.cm-2] KCU [J.cm-2] 22,7 13,7 13,9 10,0 16,9 15,3 3,8 4,4 9,5 8,4
Teplota zkoušky 800 °C Výchozí stav Žíháno 900 °C/500 h KCU [J.cm-2] KCU [J.cm-2] 49,1 32,4 39,5 19,6 40,0 40,8 8,8 6,9 25,2 18,5
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 800 – 900°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 900 – 1100°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 2.4879, 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,
•
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, 2000. 2. PODHORNÁ, B., KUDRMAN, J., ČMAKAL, J. Centrum vývoje litých niklových superslitin určených pro extrémní podmínky při vysokých teplotách. Zpráva č. 964, Škoda – ÚJP , Praha, 2001. 3. HRBÁČEK, K. aj. Centrum vývoje litých niklových superslitin určených pro extrémní podmínky při vysokých teplotách. Zpráva PBS Velká Bíteš, 2000. 4. HRBÁČEK, K. aj. Centrum vývoje litých niklových superslitin určených pro extrémní podmínky při vysokých teplotách. Zpráva Z – 01 – 01, PBS Velká Bíteš, 2001. 5. 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.
6. SKLENIČKA, V., KUCHAŘOVÁ, K., DANĚK, R. Získání souboru dat základních creepových vlastností vybraných litých niklových slitin. Zpráva II, ÚFM AV ČR , Brno, 2000. 7. SKLENIČKA, V. aj. Získání souboru dat základních creepových vlastností vybraných litých niklových slitin. Zpráva III, ÚFM AV ČR , Brno, 2001. 8.
SIEGL, J. Fraktografický atlas litých niklových slitin 141, 141H, 141I, 145 a 2.4879. FJFI Praha, 2001.
9. DOBROVSKÁ, J aj. Heterogenita superslitiny na bázi niklu. Zpráva MP 612014, VŠB – TÚ Ostrava, 2001. 10. Pawliczek aj. Příspěvek k chemické mikroheterogenitě prvků v žárupevné niklové slitině. In Sborník z konference METAL 2001. Ostrava: Tanger, 2001. 11. Vlasák, T. aj. Příspěvek k optimalizaci materiálu pro lopatky leteckých turbin. In Sborník z konference METAL 2001. Ostrava: Tanger, 2001. 12. Vlasák, T. aj. Optimalizace chemického složení lité žáropevné slitiny s cílem prevence vzniku sigma fáze ve struktuře. Slévárenství, 2001, č.10, str. 601-606.
Obr. 1. Teplotní závislost meze pevnosti.
0br.2. Teplotní závislost meze kluzu.
Obr. 3. Teplotní závislost tažnosti.
0br. 4. Změny vrubové houževnatosti s teplotou.
Obr. 5. Změny tvrdosti s dobou žíhání slitiny 141.
Obr. 6. Změny tvrdosti s dobou žíhání slitiny 141 I.
Obr. 7. Změny tvrdosti s dobou žíhání slitiny 141 H.
Obr. 8. Změny tvrdosti s dobou žíhání slitiny 145 .
Obr. 9. Změny tvrdosti s dobou žíhání slitiny 2.4879.
