OBRÓBKA CIEPLNA STALIWA Cr Mo V PO DŁUGOTRWAŁEJ EKSPLOATACJI

Transkrypt

1 76/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (1/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (1/2) PAN Katowice PL ISSN OBRÓBKA CIEPLNA STALIWA Cr Mo V PO DŁUGOTRWAŁEJ EKSPLOATACJI G. GOLAŃSKI 1, J. KUPCZYK 2, P. WIECZOREK 3, B.GAJDA 4 Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Częstochowska, Al. Armii Krajowej 19, Częstochowa STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wpływ obróbki cieplnej na strukturę i własności staliwa niskostopowego Cr - Mo - V po długotrwałej eksploatacji. Wykazano, że wyżarzanie zupełne z odpuszczaniem, w badanym staliwie zapewnia uzyskanie struktury ferrytyczno perlitycznej o wymaganej udarności. Natomiast struktura bainityczno - ferrytycznej zapewnia wysokie własności wytrzymałościowych, jednak przy niskiej udarności. Key words: Cr - Mo - V cast steel, regenerating heat treatment, impact energy WSTĘP Długotrwała eksploatacja w podwyższonych temperaturach kadłubów i komór zaworowych wykonanych z niskostopowych staliw Cr - Mo i Cr - Mo - V powoduje w nich deformacje, pęknięcia oraz zmiany struktury obniżające własności mechaniczne. W wielu elementach drastycznie spada udarność znacznie poniżej wymaganego poziomu 27J, osiągając często wartość 6 10J oraz następuje wzrost temperatury przejścia w stan kruchy powyżej temperatury otoczenia. Niekorzystne zmiany własności użytkowych staliwa w czasie długotrwałej eksploatacji przypisuje się głównie następującym zmianom w strukturze [1, 2]: uprzywilejowanemu wydzielaniu węglików na granicach ziaren, a także zmianie morfologii i dyspersji wydzieleń; segregacji fosforu i innych pierwiastków śladowych do granic ziaren; rozpadowi obszarów perlitu lub/i bainitu. 1) dr inż., grisza@mim.pcz.czest.pl; 2) mgr inż., 3) dr inż., 4) mgr inż. 479

2 Wieloletnie badania własne nie ujawniły nieodwracalnych zmian pełzaniowych w kadłubach, dlatego też odlewy można poddać procesowi rewitalizacji. Rewitalizacja jako zespół zabiegów przedłużających czas bezpiecznej eksploatacji odlewów powyżej godzin, polega m.in. na wykonaniu regenerującej obróbki cieplnej w celu przywrócenia własności plastycznych [3]. W pracy przedstawiono wyniki badań zmian struktury i własności mechanicznych po różnych obróbkach cieplnych symulowanych w warunkach laboratoryjnych. MATERIAŁ DO BADAŃ Materiałem do badań było niskostopowe Cr Mo V staliwo o składzie chemicznym przedstawionym w tabeli 1. Próbki do badań pobrano z kadłuba turbiny eksploatowanej przez godzin w temperaturze 535 o C. Tabela 1. Skład chemiczny badanego staliwa (% wag.) Table 1. Chemical compositon of the investigated cast steel (wt.%) C Mn Si P S Cr Mo V Ni Cu As Sn , ,016 0,017 W stanie poeksploatacyjnym staliwo posiadało strukturę ferrytyczno - perlityczną z niewielką, około 5% ilością perlitu, rozmieszczonego w strukturze głównie po granicach ziaren (rys. 1). Wewnątrz ziaren ferrytu obserwowano liczne, drobne, sferoidalne węgliki VC i Mo 2 C, natomiast po granicach ziaren ujawniono węgliki M 23 C 6 (rys. 2). Węgliki wydzielone po granicach miejscami tworzyły ciągłą siatkę. W perlicie obserwowano zarówno płytkowe, jak i sferoidalne wydzielenia M 23 C 6. Średnia średnica ziarna ferrytu po eksploatacji była zróżnicowana i wynosiła 31 62µm, co odpowiada wielkości ziarna 7-5 według skali ASTM. Rys. 1. Struktura badanego staliwa w stanie poeksloatacyjnym Fig. 1. Structure of the investigated cast steel after long term operation 480

3 Rys. 2. Przykładowe wydzielenia: a) węglika VC, b) węglika M 23 C 6 Fig. 2. Carbon extraction replicas micrographs of carbides particles: a) VC; b) M 23 C 6 Długotrwała eksploatacja staliwa przyczyniła się do zmian własności. Badane staliwo posiadało twardość wynoszącą 138HV30 i niską udarnością KV 22J. Celem przeprowadzonych badań było określenie wpływu wybranych procesów obróbki cieplnej na udarność niskostopowego długotrwale eksploatowanego Cr Mo V staliwa. BADANIA WŁASNE W celu ustalenia parametrów obróbki cieplnej dla badanego gatunku staliwa wyznaczono dylatometrycznie temperatury krytyczne A c1 = 763 o C i A c3 = 950 o C dla warunków równowagowych. Badania własne [4] wykazały, że austenityzacja w temperaturach wyższych od A c3 o 10 do 30 o C pozwala utrzymać drobne o podobnej wielkości ziarno austenitu. W oparciu o powyższe wyniki przyjęto parametry obróbki cieplnej staliwa: temperatury 960 i 980 o C w czasie 5 godzin. W celu zróżnicowania struktury próbki chłodzono w oleju oraz z programem 60 o C/h. Kolejnym procesem cieplnym było czterogodzinne odpuszczanie w zakresie temperatur o C, a następnie chłodzenie w powietrzu lub z programem 60 o C/h. Szybkość chłodzenia 60 o C/h po odpuszczaniu ma na celu zabezpieczenie odlewów przed możliwymi wypaczeniami i deformacjami. Schemat przeprowadzonej obróbki cieplnej przedstawiono w tabeli 2. Obserwację i rejestrację obrazów mikrostruktur przeprowadzono za pomocą mikroskopu optycznego Axiovert 25 i skaningowego mikroskopu elektronowego Joel JSM Identyfikację wydzieleń przeprowadzono za pomocą dyfrakcji elektronowej posługując się ekstrakcyjnymi replikami węglowymi. Obserwację i rejestrację obrazów dyfrakcyjnych wykonano na transmisyjnym mikroskopie elektronowym Philips EM 301G. Pomiary twardości i udarności wykonano zgodnie z obowiązującymi normami. 481

4 Tabela 2. Schemat obróbki cieplnej Cr Mo V staliwa Table 2. Heat treatment of the Cr - Mo - V cast steel Temperatura, o C/ 700/4 720/4 740/4 czas, h ośrodek chłodzący 60 o C/h pow. 60 o C/h pow. 60 o C/h pow. 960/5 60 o C/h olej 980/5 60 o C/h olej ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Przeprowadzone badania pozwoliły na następujące spostrzeżenia i stwierdzenia: po wyżarzaniu zupełnym z odpuszczaniem otrzymano drobnoziarnistą strukturę ferrytyczno - perlityczną z około 15% perlitu. Średnia średnica ziarna ferrytu po obróbce cieplnej wynosiła 22 31µm, co odpowiada wielkości ziarna 8/7 według skali wzorców ASTM. Odpuszczanie po wyżarzaniu przyczyniło się do wydzielenia dużych węglików po granicach ziaren. Węgliki wewnątrz ziaren perlitu uległy fragmentacji i sferoidyzacji (rys. 3a). Obróbka cieplna spowodowała rozdrobnienie struktury o 2 do 3 klas według skali wzorców w porównaniu ze stanem po eksploatacji. Ponadto wyżarzanie przyczynia się do usunięcia odwracalnej kruchości spowodowanej segregacją fosforu i innych domieszek szkodliwych do granic ziaren w czasie eksploatacji [1]. W wyniku wyniku przeprowadzonej obróbki udarność spełniła wymagania stawiane nowym odlewom, przy twardości porównywalnej jak w stanie po eksploatacji (tabela 3). Rys. 3. Struktura staliwa Cr Mo V po wyżarzaniu zupełnym Fig. 3. Structure of the Cr Mo V cast steel after full annealing 482

5 Tabela 3. Wyniki pomiarów udarności i twardości po wyżarzaniu zupełnym Table 3. Measurements of impact energy and hardness after full annealing Temp., o C/ 960/5/ 60 o C/h czas, h/ 700/4 720/4 740/4 chłodzenie 60 o C/h KV, J HV hartowanie bainityczne z odpuszczaniem pozwoliło uzyskać strukturę bainityczno ferrytyczną z licznymi wydzieleniami węglików zarówno po granicach ziaren byłego austenitu, jak i po granicach listew bainitu (rys. 4). Ilość ferrytu, rozmieszczonego nierównomiernie w strukturze, określono na 22%. Struktura bainityczna w niskostopowych staliwach Cr Mo V zapewnia wysokie własności wytrzymałościowe i udarność KV > 100J. Ponadto gwarantuje najmniejszy spadek własności plastycznych w czasie długotrwałej eksploatacji w podwyższonych temperaturach [4]. W badanym staliwie mimo otrzymania po obróbce cieplnej struktury bainitycznej, uzyskano niską udarność (tabela 4). Niską udarność odpuszczonej struktury bainityczno ferrytycznej można przypisać wysokiej sumarycznej zawartości w badanym staliwie tzw. pierwiastków śladowych, pierwiastków silnie wpływających na kruchość. Długi czas odpuszczania umożliwia dyfuzję atomów pierwiastków śladowych do granic ziaren powodując obniżenie kohezji granic, przyczyniając się tym samym do wzrostu ich kruchości [5]. Rys. 4. Struktura bainityczno ferrytyczna Cr - Mo - V staliwa Fig. 4. Ferritic bainitic structure of the cast steel 483

6 Tabela 4. Wyniki pomiarów udarności i twardości po hartowaniu bainitycznym Table 4. Measurements of impact energy and hardness after bainitic hardening Temp., o C/ 960/5/ olej 980/5/ olej 960/5/ olej 980/5/ olej czas, h/ 700/4 720/4 700/4 700/4 700/4 720/4 740/4 chłodzenie 60 o C/h 60 o C/h powietrze powietrze KV, J HV STWIERDZENIA I WNIOSKI 1. Wyżarzanie zupełne poprzez rozdrobnienie struktury ferrytyczno - perlitycznej i usunięcie koncentracji fosforu na granicach ziaren powoduje, że udarność po obróbce cieplnej spełnia wymagania stawiane nowym odlewom. 2. Otrzymanie struktur bainityczno - ferrytycznych zapewnia uzyskanie wysokich własności wytrzymałościowych, przy niskiej udarności bez względu na szybkość chłodzenia po odpuszczaniu. LITERATURA [1] Stachura S., Trzeszczyński J. - "Dobór regeneracyjnej obróbki cieplnej kadłubów turbin ze staliwa Cr - Mo i Cr - Mo - V" Inżynieria Materiałowa, 6, 1997, 227 [2] Stachura S. Zmiany struktury i własności mechanicznych w stalach i staliwach eksploatowanych w podwyższonych temperaturach", Energetyka, 2, 1999, 109 [3] Dobosiewicz J., i inni, - "Dotychczasowe doświadczenia związane z rewitalizacją korpusów turbin parowych", Energetyka, 50, 1, 1996, 39 [4] Stachura S., Kupczyk J., Gucwa M., - "Optymalizacja struktury i własności staliwa gatunków Cr - Mo i Cr - Mo - V przeznaczonych do pracy w podwyższonych temperaturach", Przegląd Odlewnictwa, 5, 2004, 402 [5] Islam M.A., Knott J.F., Bowen P. Kinetics of phosphorus segregation and its effect on low temperature fracture behaviour in 2.25Cr 1Mo pressure vessel steel, Mater. Sc. and Techn., vol. 21, 1, 2005, 76 HEAT TREATMENT OF Cr Mo V CAST STEEL AFTER LONG-TERM OPERATION SUMMARY This work presents the influence of heat treatment on the structureand properties of lowalloy Cr - Mo - V cast steel after long-term operation. Full annealing with tempering ensures obtaining of ferritic-perlitic structure with required impact energy. Moreover obtainment of the bainitic-ferritic structure ensures high endurance properties at low impact energy. Recenzował: Prof. Zbigniew Stradomski 484