20/41 ODLEWY STALIWNE ODI,ORNE NA KOROZJĘ WYSOKOTEMPERA TUROWĄ. l. Wprowadzenie

Transkrypt

1 20/41 Solidilication of Metais and Alloys, Year 1999, Volume l, Book No. 41 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 1999, Rocznik l, Nr 41 PAN - Katowice PL ISSN ODLEWY STALIWNE ODI,ORNE NA KOROZJĘ WYSOKOTEMPERA TUROWĄ KUBICKI Jerzy, PfEKARSKI Bogdan Instytut Inżynierii Materiałowej Politechniki Szczecińskiej O Szczecin, Al. Piastów 19 STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań własnych na temat zabezpieczania tac i koszy transportujących w piecach do nawęglania przed oddziaływaniem korozji wysokotemperaturowej. Odlewy tego typu wykonywane są z żarowytrzymałych staliw Ni Cr. Badania obejmowały dobór składu chemicznego materiału, powłok ochronnych i metod ich nanoszenia. Przedstawiono również wpływ obróbki skrawaniem na kinetykę nawęglania. Wykazano, że wzrost odporności odlewów na nawęglanie można osiągnąć wprowadzając do stopu pierwiastki podwyższające aktywność węgła tj.: nikiel i krzem, oraz pierwiastki węglikotwórcze : chrom, niob i tytan. Równie efektywnie działają powłoki ochronne typu Al-Cu łub Al-Si nanoszone na powierzchnię odlewu metodą proszkową łub odlewniczą. l. Wprowadzenie Korozja wysokotemperaturowa w atmosferach nawęglających obniża własności wytrzymałościowe odlewów wykonanych ze staliwa żarowytrzymałego czyniąc je jednocześnie mniej odpornymi na wstrząsy cieplne i mniej żaroodpornymi [1]. W niniejszej pracy zostaną przedstawione sposoby zabezpieczania odlewów ze staliwa Ni-Cr przed oddziaływaniem atmosfery nawęglającej. Prezentowane wyniki są efektem prac autorów nad podwyższaniem trwałości odlewanych elementów konstrukcyjnych w piecach do nawęglania [l +6]. Wspólną cechą charakteryzującą warunki pracy ww. odlewów jest to, że są one wygrzewane wraz z wsadem w atmosferze nawęglającej w temp C i gwahownie chłodzone, najczęściej w oleju. Obciążenie wsadem wynosi N, zaś ich ciężar własny! N. Przyczyną wycofywania odlewów z eksploatacji jest przede wszystkim ich pękanie. Powstawanie uszkodzeń poprzedza nawęglenie podpowierzchniowego obszaru odlewu [ 1]. W efekcie materiał staje się kruchy i bardzo szybko traci dobre właściwości - rys.l.

2 oo?oo c goo 1oo c 900 Rys. l. Wpływ temperatury na właściwości mechaniczne staliwa G-X20NiCrSi 36-18: a) stan lany, b) wyżarzony, c) nawęglony. Wyżarzanie/ nawęglanie: 340godz C (2]. Fig. I. Influence oftemperature on mechanical properties ofg-x20nicrsi cast steel : a) ascast condition, b) after annealing, c) after carburization. Annealing/carburization: 340h-900 C [2]. 2. Podwyższanie odporności odlewów na nawęglanie Wzrost odporności staliwa niklowo-chromowego na nawęglanie można osiągnąć stosując przynajmniej jedną z poniższych metod [I]: - wprowadzenie do jego składu pierwiastków ograniczających bądź eliminujących dyfuzję węgla w osnowie bez jednoczesnego pogorszenia właściwości mechanicznych materiału, - obniżenie aktywności powierzchni odlewu względem otoczenia np.: przez nakładanie powłok ochronnych lub obróbkę mechaniczną powierzchni Skład chemiczny stałiwa Chcąc poznać kierunek i stopień oddziaływania węgla, niklu i chromu na odporność na nawęglanie, wstrząsy cieplne i właściwości wytrzymałościowe staliwa austenitycznego zaplanowano wykonanie Ił wytopów doświadczalnych [!]. Obszar zmienności badanych pierwiastków ustalono na podstawie normy DIN tak, by obejmował wszystkie powszechnie stosowane stopy tego typu: C , Ni , Cr (%mas.). Średnia zawartość pozostałych pierwiastków Vl)'nosiła: S i - I, 15, Mn , Cu- 0.14, S , P (%mas.). Tak przygotowany materiał badawczy pozwolił na wielokryterialną ocenę wpływu podstawowych składników staliwa na jego własności w temp. 20 i 900"C po procesie wyżarzaniu lub nawęglaniu. Na rys. 2 przedstawiono postać graficzną równań opisujących wpływ niklu i chromu na wskaźniki charakteryzujące odporność na nawęglanie i wstrząsy cieplne staliwa austenitycznego: przyrost masy próbek w wyniku nawęglania przypadający na jednostkę pow. - L'lM/S, całkowita głębokość dyfuzji węgla - Z, liczbę

3 149 pęknięć zarodkujących na nawęglonej powierzchni próbek- Lp. Jak obrazuje to rys. 2, wzrost zawartości niklu w stopie obniża wartość badanych wskaźników. Wpływ chromu jest dwutorowy: pozytywny w przypadku ograniczania procesu nawęglania (~M / S i Z), a negatywny gdy chcemy podwyższyć odporność stopu na zmęczenie cieplne (Lp). Wzrost zawartości chromu oddziaływuje również niekorzystnie na właściwości mechaniczne. W konsekwencji, podczas optymalizacji składu chemicznego stopu, jego zawartość jest ograniczana do minimum. (l, 4]. Efektem prowadzonych badań było opracowanie chronionego patentem stopu G X30NiCrSi (1]. W wyniku dalszych badań wykazano też, że wprowadzając do nowo opracowanego staliwa niob i tytan można osiągnąć dalszy wzrost jego odporności na nawęglanie. W przypadku tytanu dzieje się to jednak kosztem znacznego obniżenia innych własności [3], natomiast Nb można dodawać do poziomu 1.8% mas. bez większych obaw.? ~ Ni Rys. 2. Wpływ niklu i chromu na odporność na nawęglanie i pękanie staliwa austenitycznegoomówienie w tekście. Warunki testu odporności : nawęg l anie gazowe 900 C/500 godz. [3]. Fig. 2.Influence o f nickei and chromiurn on resistance to carburization and cracking o f austenitic cast steel- described in the text. Conditions for resistance test: gas carburization 900 C/500 h [3] Powłoki ochronne Uwzględniając warunki pracy odlewów, antynawęgleniowa powłoka ochronna powinna spełniać następujące kryteria [5]: żaroodporność co najmniej taka sama jak podło 7A, duża odporność na naprężenia mechaniczne i termiczne wywołane zmianami temperatury, wysoka przewodność cieplna, wartość współczynnika termicznej rozszerzalności liniowej zbliżona do podłoża. Po przeprowadzeniu niezbędnej analizy [4], zdecydowano ocenić p r zydatność powłok typu AI-Cu, Al-Si i Al-Fe. Powłoki zamierzano wytwarzać metodami: proszkową, pasty i odlewniczą przy czym tę o s tatnią uznano jako docelową. Ze wzgl ę du na łatwość wykonania, w pierwszej fazie badań sprawdzono jakość powłok nakładanych metodą proszkową. Nasycanie dyfuzyjne w mieszaninach proszkowych prowadzono w temp. 950 C w czasie 3 godz. Skład mieszanin przedstawiono w tabeli l [4], natomiast na rys. 3a pokazano schemat budowy, grubość i skład fazowy otrzymanej powłoki AI-Cu.

4 150 Tabela l. Skład proszkowych mieszanin nasycających, %mas. T a bl e l C ompos1t10n o f pow d er saturation mixtures, wt-%. T_y_p powłoki AI-Cu AI-Si Al-Fe Skład chemiczn~ 15%Al+ 15%Cu+67% Ab0 3 +3%NH 4 C 35%ai+35%FeSi+27% Al % NH4C 35%Al+ 35%Fe+ 27%Al % NH 4 Cl Ocenę zdolności powłok do hamowania dyfuzji węgla dokonano wykorzystując izotopową metodą autoradiograficzną określając rozkład stężeń węgla C 14 na przekroju powłok po 15 godz. nawęglania w temp. 900 C. Następnie obliczono szybkość ich nawęglania i masę węgla transportowaną przez jednostkę powierzchni - tabela 2. Tabela 2. Strumień masy węgla J przenikający przez powierzchnię bez powłoki i powloki ochronne oraz szybkość nawęglania powloki V [5) Table 2. Stream of carbon mass J penetrated through the surface without coating and with protective coating, and carburization rate of coating V [5]. Powłoka Bez powłoki Al-S i l AI-Cu Al-Fe Jx10-6, kg/m 2 -s Vx10' 3, m/s Biorąc pod uwagę wyniki zestawione w tabeli 2, do dalszych eksperymentów wybrano powłoki AI-Si i AI-Cu. Za pomocą badań mikroskopowych i rentgenastrukturalnych oceniano ich stabilność strukturalną w warunkach nawęglania i oddziaływania wstrząsów cieplnych wskazując na powłokę AI-Cu jako trwalszą [4, 5]. Opracowane powłoki chronione są patentem [I]. a) J..lm 700 b) (Ni,Fe)3Al (Ni,Fe)AI M23Ce ~,_ (.) z ai u.,_ podłoże G-X35NiCrSi Rys. 3. Schemat budowy, grubość i ważniejsze składniki fazowe typowej powłoki Al-Cu otrzymanej metodąproszkową(a) i odlewniczą(b) [4]. Fig. 3. Scheme of structure, thickness and important phase constituents of typical AI-Cu coating obtained by a) powder b) casting method [4].

5 151 Jak wspomniano, głównym celem dalszych badań było opracowanie podstaw odlewniczej metody nanoszenia powłok, przy czym skoncentrowano się przede wszystkim na powłokach AI-Cu. W skład mieszanin nakładanych na powierzchnię formy odlewniczej wchodziły [4]: -proszki Al i Cu o ziarnistości J.lm mieszane w proporcjach AI :Cu= , -szkło wodne Rl45 w ilości 12% w odniesieniu do masy proszków, -topnik KCI+ NaCI+ NaF w ilości 5% w stosunku do masy proszków metali. Formy suszono w temp. 200 C przez 40 godz., po czym zalewano staliwem G X25N icrsi Wykonano 43 doświadczenia, zmieniając w nich równocześnie inne parametry wytwarzania tj.: gęstość pokrycia formy mieszaniną, grubość ścianki odlewu, temperaturę zalewania staliwa, szybkość podnoszenia metalu w formie i ciśnienie metalostatyczne [4]. Schemat budowy powłoki typu Al-Cu przedstawia rys. 3b. a) b) Jedn. gęstość Cu w odlewie gtcm' 4 0, Rys. 4: Przykłady opracowania wyników badań : a- względna głębokość nawęglania powłok : l bez powłoki, 2- najgorsza powłoka, 3- średnia głębokość nawęglenia, 4- najlepsza powłoka ; b wpływ sumarycznej zawartości Al i Cu, jednostkowej gęsto ś ci Cu w odlewie i ś redniej grubości powłoki na głębokość nawęglania [6]. Fig.4. Examples of test results elaboration: a - relative thickness of coatings' carburization; l - without coating, 2 - the worst coating, 3 - average depth o f carburization, 4 - the bcst coating; b - influence o f total eontent of Al and Cu, a unit density of Cu in casting and average thickness of coating on depth o f carburization [6]. Przeprowadzone badania pozwoliły na opracowanie metody doboru parametrów odlewniczego procesu wytwarzania powłok - rys. 4a,b[8]. Generalnie odlewnicze powłoki typu AI-Cu charakteryzują się dobrymi własnościami ochronnymi gdy: zawierają: - dużą ilość Al i Cu, -mają umiarkowaną grubość J.lffi, - odznaczają się wysokąjednostkową gęstością C u, - zawierają następujące składniki fazowe- WAI(Ni, Fe), a(fe:, Cr, Ni), oraz y(fe, Ni, Cr). Jak pokazuje rys. 3 powłoki proszkowa i odlewnicza różni się między sobą budową, nie mniej prawie w tym samym stopniu blokuje dyfuzję węgla [4].

6 Oddziaływanie obróbki skrawaniem Zmieniając stan technologiczny powierzchni odlewu możemy zdecydowanie ograniczyć jego nawęglanie- rys. 5. Widoczne różnice w kinetyce procesów prawdopodobnie wiążą się z tworzeniem się na obrabianej skrawaniem powierzchni cienkiej, zgniecionej warstewki tzw. warstwy Beilby'ego blokującej dyfuzję węgla w głąb materiału.!s (/- :! :l " E 8 l ~~wie~~ z naskórkiem odlewniczym 4 Powierzchnia odlewu: 2 o chropowatości R. = m ~ polerowana frezowana ~ == szlifowana Podsumowanie Nawęglanie, h Rys.5. Kinetyka nawęglania próbek o różnym stanie powierzchni- nawęglanie gazowe 900 C [l]. Fig. 5. Kinetics of carburization of specimens having different condition o f surface - gas carburization at 900 C [l]. Przedstawione wyniki badań pozwalają na szersze zapoznanie się z możliwościami podwyższania odporności na nawęglanie elementów konstrukcyjnych pracujących w warunkach korozji wysokotemperaturowej w silnie nawęglających środowiskach. Nie wyczerpują one wszystkich obecnie dostępnych metod zapobiegania tego rodzaju korozji, ale w omawianym zastosowaniu znajdują swoje ekonomiczne uzasadnienie. Należy dodać, że tak samo ważnym dla trwałości tego typu odlewów j est właściwy dobór składu chemicznego staliwa, zastosowanie powłok ochronnych jak i przemyślana ich konstrukcja. LITERATURA [I] Kubicki J., Piekarski 8.: Podwyższanie trwałości odlewanych elementów konstrukcyjnych pieców do obróbki cieplno-chemicznej; Przeg. Odlew. 4(1995)149. [2] Gutowski P., Piekarski B.: Zmiana własnmici mech. staliwa typu 17/36 w zakresie temp K, Mater. XVI Symp. ITiMO AGH, Kraków 1988, s. 123-; [3] Piekarski B.: Staliwo G-X30NiCrSiNbTi do pracy w atmosferach nawęglających, Krzepnięcie Metali i Stopów, PAN Oddział Katowice 1999, nr 40, s. 183.;.188. [4] Kubicki J.: Odlewnicze powłoki ochronne A1-Cu na staliwie żarowytrzymałym; Zesz. Nauk. Polit. Szczecińskiej, nr 529, Szczecin [5] Kubicki J., Piekarski B.: Structure and carburization resistance of Al-Cu casting coatings; Mater. Konf. AMT '98, Inż. Mat., 4(1998)1104. [6] Kubicki J.: Metoda doboru parametrów wytwarzania odlewniczych powłok ochronnych Al-Cu na staliwie żarowytrzymałym; Prze g. Odlew. 7+8( 1996) 176. Recenzował: Władysław Orłowicz