PIEKARSKI Bogdan Politechnika Szczecińska, Instytut Inżynierii Materiałowej O Szczecin, Al.Piastów 17

Transkrypt

1 33/10 Solidifikation of Metais and Alloys, No. 33, 1997 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 33, 1997 PAN - Odclzial Kntowice PL ISSN (, DOBÓR ZA WARTOŚCI Nb I Ti WSTALIWIE TYPU 18/30 POD KĄTEM JEGO ZASTOSOWANIA NA ELEMENTY KONSTRUKCYJNE PIECÓW DO NAWĘGLANIA PIEKARSKI Bogdan Politechnika Szczecińska, Instytut Inżynierii Materiałowej O Szczecin, Al.Piastów 17 W oparciu o wcześniej przeprowadzone badania mające na celu opracowanie zależności pomiędzy zawartością Nb i Ti, a właściwościami fizycznymi i mechanicznymi staliwa austenitycznego L30Hl8N30S podjęto próbę doboru ich zawartości przyjmując za funkcję celu maksymalną odporność stopu na nawęglanie. Stwierdzono, że dla przyjętych ograniczeń minimalną wartość przyrostu masy w wyniku nawęglania zapewnia zawartość 1.35% Nb i 0.18% Ti (%mas.). l. WPROW ADZENIE Niniejsza praca jest kontynuacją wcześniejszych badań [ 1-3] zmierzających do opracowania, na bazie staliwa austenitycznego L30Hl8N30S, stopu zawierającego dodatkowo niob lub/i tytan. Staliwo ma być stosowane na elementy konstrukcyjne pieców do nawęglania. O materiałach tego typu można ogólnie powiedzieć, że powinny charakteryzować się wysoką odpornością na nawęglanie i zmęczenie cieplne przy dobrychjednocześnie właściwościach mechanicznych. Skład chemiczny doświadczalnych wytopów przedstawia tabl.l. W stopach zmienna miała być tylko zawartość krzemu, niobu i tytanu, ale realizacja tego założenia napotkała wiele trudności (4].

2 81 Wyniki wcześniej cytowanych prac pokazały, że wzrost zawarto ś ci Nb lub/i Ti w stopie korzystnie oddziaływuje na jego żaroodporność [1], ale równocześnie pogarsza żarowytrzymałość [3]. Ta często spotykana prawidłowość przy projektowaniu materiałów konstrukcyjnych przeznaczonych do pracy w wysokich temperaturach wymaga poszukiwania racjonalnego kompromisu drogą optymalizacji składu chemicznego i struktury materiału taką wstępną p róbę. [5]. Zebrane dotychczas informacje pozwalają na T a bl' tca l Skł a d c h emtczn b a d anyc h stopo w, o mas. Nr c S i Mn p s Cr Ni N b T i stopu l , MATERIAL BADAWCZY I WYNIKI BADAŃ Staliwo austenityczne przeznaczone na elementy konstrukcyjne pieców do nawęglania musi charakteryzować się m.in. dużą odpornością na nawęglanie [6]. Kontynuacja wcześniejszych badań [l] pozwoliła na wyznaczenie zależności pomiędzy przyrostem masy po 300 godz. nawęglania w temp. 900 C a zawartością Nb i Ti w staliwie L35H18N30S. Ma ona następującąpostać: gdzie (patrz tabl.l): M1 / S = xNbxrł. mg cm 2 XNb,Ti = (x- Xmin)(Xmax- X min)+ 0.5 (l) Równ. (l) przyjęto jako funkcję celu, a do sformułowania ograniczeń wykorzystano zależności matematyczne opisujące wpływ węgla, krzemu, niobu i tytanu na właściwości mechaniczne po 300 godz. wyżarzania lub nawęglania w temp. 900 C [3]. Poniżej przedstawiono wyznaczone funkcje: A. Po procesie wyżarzania (2)

3 82 (3) (4) R~o.w = x~i (5) A~ = x~b (6) Afgo.w = x~i (7) B. Po procesie nawęglania (8) R~~o.n = x i + 7.2x5~ (9) (lo) R l -l m = - Xc + Xsi XTi ( 11) (12) (13) W dalszych rozważaniach porrumęto równ. (9) ze względu na brak bezpośredniej zależności R~~o.n od zawartości niobu lub/i tytanu. Ustalono również zawartość węgla na poziomie 0.3%(xc=0.64) i krzemu 2%(xsi=l.l2). Zadanie do rozwiązania przyjęło następującą postać:. ~M( rrun S XNb' XTi) przy ograniczeniach: Ro.2 Ren, Ato (xnb XTi) ~ 0 gdzie: 0.5 $ XNb Xyj $ 1.5 (14) Do ograniczeń przyjęto wartości wynikające z uśredniania pomiarów Ro.2 Rm i Ato siedmiu badanych stopów (tabl.2): R; 2 ;::; MPa, R~~o,w;::; 72.9 MPa, R~~ MPa, R~ 0 w;:;ll2.3 MPa,

4 83 A~~ 6.96%, Afgo.w~4.7%, R~.2 ~302.5 MPa, R~~376.1 MPa, R~o,n~l34.2 MPa, A]o~ 1.77%, Afg 0 "~14.6%. T b!' 2 W 'k', 6 ł '. h. a.1ca. /yru 1 pomtar w w asc1wosc1 mec amcznyc h Nr po ~. 2.MPa Rm, MPa AJO,% wyżarzaniu stopu po Temperatura badania: 20/9000C f-- nawęglaniu l w 186.3/ / /22.9 n 263.8/ / / w 236.4/ / /30.4 n 298.8/ / / w 231.9/ / /31.3 n 314.4/ / w 242.6/ /24.3 n 308.8/ / / w 239.1/ / n 314.8/ / w 253.5/ / /24.5 n 307.6/ / / w 243.5/ / n / /16.3 Powyższe zadanie rozwiązano przy użyciu programu Eureka [7]. Otrzymano następujące rozwiązanie: (LlM/S)min == 8.6 mg cm-2 dla xnb= 1.27( 1.35%Nb) i XT; = 0.65(0.18% T i). 3. PODSUMOWANIE W wyniku przeprowadzonych obliczeń otrzymano staliwo austenityczne o składzie chemicznym (%mas): 0.3C, 2Si, 0.9Mn, 18Cr, 30Ni, 1.4Nb, 0.2Ti reszta Fe i nieuniknione zanieczyszczenia. W warunkach oddziaływania atmosfery nawęglającej stop powinien zapewnić elementom konstrukcyjnym pieców do nawęglania dobrą odporność na nawęglanie przy odpowiednich właściwościach mechanicznych. Jak zaznaczono wcześniej ten etap pracy nie zamyka badań nad opracowaniem składu staliwa L30H18N30S stabilizowanego Nb lub/i Ti. W dalszych badaniach musi być również uwzględniony wpływ tych pierwiastków na odporność na zmęczenie

5 84 cieplne i przedstawione szersze spojrzenie na rolę poszczególnych elementów mikrostruktury w kształtowaniu właściwości staliwa. Niemniej otrzymane rozwiązanie (1.35% Nb i 0.18%Ti) wskazuje, że dla warunków prowadzonych badań, wysoką odporność na nawęglanie i dobre właściwości mechaniczne gwarantuje przede wszystkim podwyższenie w staliwie zawartości niobu - zaproponowane ograniczenia minimalizujązawartość tytanu w stopie. LITERATURA [l] Piekarski B.: Carburized zone in austenitic cast steel type 18/30 with additions o f Nb and Ti, IV Inter.Conf. "Carbides-nitrides-borides", Kołobrzeg 1993, p.l7-22. [2] Piekarski B.: Wysokostopowe staliwo Ni-Cr z dodatkami Nb i Ti, I Krajowa Konf.Nauk. MOJ'97, Polit.Krakowska, , Kraków 1997, T. l, s [3] Piekarski B. : Właściwości mechaniczne staliwa austenitycznego 18/30 stabilizowanego Nb lub/i Ti. Konf.: Teoria i praktyka procesów odlewniczych. Filia Polit.Lódzkiej w Bielsku-Białej, r. Artykuł zgłoszony. (4] Piekarski B.: Wytapianie staliwa austenitycznego w piecu indukcyjnym z wyłożeniem kwaśnym. Mat. Inter. Conf. offaculty offoundry Eng., Wydz. Odlew. AGH, Kraków 1995, s [5] Mrowiec St.: Kinetyka i mechanizm utleniania metali. Wydaw. Śląsk, Katowice [6] Kubicki J.: Piekarski B., Podwyższanie trwałości odlewanych elementów konstrukcyjnych pieców do obróbki cieplno-chemicznej, Przegląd Odlewnictwa, T.45, 1995, nr 4, s.l [7] Tadeusiewicz R.: Eureka. Podręczna Pamięć Programisty. Wydaw.N-T, Warszawa 1991.