ANALIZA WPŁYWU SZYBKOŚCI CHŁODZENIA NA STRUKTURĘ I WŁASNOŚCI STALIWA L21HMF PO REGENERUJĄCEJ OBRÓBCE CIEPLNEJ

Transkrypt

1 73/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(2/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (2/2) PAN Katowice PL ISSN ANALIZA WPŁYWU SZYBKOŚCI CHŁODZENIA NA STRUKTURĘ I WŁASNOŚCI STALIWA L21HMF PO REGENERUJĄCEJ OBRÓBCE CIEPLNEJ G. GOLAŃSKI 1, S. STACHURA 2, B. GAJDA 3, J. KUPCZYK 4 Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Częstochowska, ul. Armii Krajowej 19, Częstochowa STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu różnych szybkości chłodzenia na strukturę i własności staliwa L21HMF poddanego regenerującej obróbce cieplnej. Optymalny zakres szybkości chłodzenia, dla uzyskania struktury bainitycznej, wyznaczono w oparciu o wykonany wykres CTP c. Wykazano, że struktura odpuszczonego bainitu zapewnia w badanym staliwie optymalne skojarzenie własności wytrzymałościowych i udarności. Key words: cooling rate, cast steel, bainitic structure, regenerative heat treatment 1. WPROWADZENIE Długotrwała eksploatacja staliwa w temperaturach o C przyczynia się do obniżania własności mechanicznych - małego spadku własności wytrzymałościowych oraz znacznego zmniejszenia udarności poniżej minimalnej wartości 27J [1 3]. Obniżanie własności jest spowodowane zachodzącymi w czasie eksploatacji zmianami w strukturze staliw, głównie: uprzywilejowanym wydzielaniem węglików po granicach ziaren oraz segregacją fosforu do granic ziaren i powierzchni międzyfazowych węglik/osnowa [2 6]. Stopień obniżenia własności spowodowany zachodzącymi zmianami w strukturze w czasie długotrwałej eksploatacji w podwyższonych temperaturach, zależy w dużym stopniu od struktury wyjściowej staliwa. 1) dr inż., grisza@mim.pcz.czest.pl; 2) prof. dr hab. inż., 3, 4) mgr inż.

2 Zmiany w strukturze i własnościach długotrwale eksploatowanych odlewów, nie ograniczają jednak możliwości ich dalszej bezpiecznej eksploatacji. Wydłużenie czasu eksploatacji staliw długotrwale eksploatowanych możliwe jest przez wykonanie rewitalizacji odlewów. Rewitalizacja odlewów staliwnych obejmuje usuwanie odkształceń, pęknięć oraz regenerację struktury zabiegiem obróbki cieplnej [7, 8]. Struktura odpuszczonego bainitu, jak wykazały badania własne [9,10], pozwala na uzyskanie optymalnego skojarzenia własności wytrzymałościowych i udarności staliwa. Ponieważ odlewy kadłubów turbin oraz komór zaworowych posiadają zróżnicowane grubości ścianek, stąd niezbędne jest określenie zakresu szybkości chłodzenia austenitu dla uzyskania struktury bainitycznej w całym odlewie. W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu różnych szybkości chłodzenia austenitu na strukturę i własności staliwa L21HMF. 2. MATERIAŁ DO BADAŃ Materiałem do badań było staliwo niskostopowe L21HMF o składzie chemicznym podanym w tabeli 1. Próbki do badań pobrano z kadłuba wewnętrznego turbiny eksploatowanego przez ponad godzin w temperaturze 540 o C przy ciśnieniu 13,5MPa. Tabela 1. Skład chemiczny badanego staliwa L21HMF w %wag. Table1. Chemical composition of the investigated cast steel (wt.%) C Mn Si P S Cr Mo V 0,19 0,74 0,30 0,017 0,014 1,05 0,56 0,28 W stanie poeksploatacyjnym struktura odlewu była ferrytyczno - perlityczna. Wewnątrz i na granicach ziaren ferrytu obserwowano bardzo liczne węgliki M 23 C 6, które często tworzyły ciągłą siatkę. W perlicie widoczny był proces fragmentacji i sferoidyzacji węglików M 23 C 6 (rys. 3a). Wewnątrz ziaren ferrytu obserwowano również węgliki VC i M 6 C. Wielkość ziarna ferrytu w badanym staliwie mieściła się w zakresie od 88 do 31µm, co odpowiada wielkości ziarna 4-7 według skali wzorców ASTM. Staliwo po eksploatacji charakteryzowało się bardzo niską udarnością wynoszącą 10J oraz twardością 156HV30. Staliwo po eksploatacji spełniało wymagania dotyczące wytrzymałości na rozciąganie i wydłużenia dla nowych odlewów, natomiast granica plastyczności była niższa o 15MPa od minimalnych wymagań zawartych w normie (tabela 2). 3. METODYKA BADAŃ Badanie struktury staliwa przeprowadzono za pomocą mikroskopii optycznej i skaningowej, na konwencjonalnie przygotowanych zgładach metalograficznych trawionych nitalem. Obserwację i rejestrację obrazów struktur przeprowadzono za pomocą mikroskopu optycznego Axiovert 25 z przystawką umożliwiającą cyfrową 144

3 rejestrację zdjęć oraz skaningowego mikroskopu JEOL JSM Wykres CTPc badanego staliwa sporządzono w oparciu o założony program różnych szybkości chłodzenia próbek w dylatometrze optycznym typu LS 4. Statyczną próbę rozciągania przeprowadzono na serwohydraulicznej maszynie wytrzymałościowej MTS 810. Pomiary twardości wykonano za pomocą twardościomierza Future-Tech FV Badania własności mechanicznych wykonano zgodnie z obowiązującymi normami. Tabela 2. Własności staliwa L21HMF po eksploatacji Table 2. Mechanical properties of cast steel after serviced R m R e A 5 Z KV MPa MPa % % J HV30 Struktura po ferrytyczno eksploatacji - perlityczna wymagania wg normy* min. 320 min min ** 197 *- PN - 89/ H ; ** - twardość Brinella 4. WYNIKI BADAŃ I ICH DYSKUSJA Temperatury krytyczne Ac 1 i Ac 3 badanego staliwa wyznaczono przy szybkości nagrzewania 0,05 K/s. Wynosiły one odpowiednio 775 o C oraz 906 o C. Przyjęto optymalną temperaturą austenityzacji 910 o C oraz czas austenityzacji 3 godziny. Taki czas austenityzacji stosowany jest dla kilkutonowych odlewów kadłubów i komór zaworowych. Szybkość nagrzewania próbek wynosiła v 5-8 8,76 K/s. Temperatura austenityzacji nie przekraczająca temperatury Ac 3 o 30 o C, zapewnia drobne ziarno austenitu o średniej średnicy około 15µm [10]. Rys. 1. Wykres CTP c dla staliwa L21HMF Fig. 1. CCT diagram for the L21HMF cast steel 145

4 Zastosowanie rożnych szybkości chłodzenia austenitu w zakresie temperatur o C zamieszczonych w tabeli 3, pozwoliło na sporządzenie wykresu CTPc przedstawionego na rysunku 1. Ponadto w tabeli 3 zamieszczono również twardości uzyskanych struktur oraz ich analizę ilościową. Tabela 3. Wpływ szybkości chłodzenia na rodzaj struktury i twardość staliwa L21HMF Table 3. The influence of the cooling rate on the type of structure and hardness of the cast steel Nr V 8-5 K s -1 HV 30 Rodzaj mikrostruktury / procenty martenzyt/100 V k martenzyt/ bainit/ bainit/ 94, ferryt/ bainit/90, ferryt/ bainit/81, ferryt/ bainit/78, ferryt/ ferryt/53, bainit/44, pojedyncze ziarna perlitu / ferryt/84, bainit/12, perlit / ferryt/80, perlit/16, bainit/ ferryt/76, perlit/21, bainit/ ferryt/74, perlit/ ferryt/74, perlit/26 W oparciu o analizę krzywych dylatometrycznych stwierdzono, że austenit chłodzony z szybkością 0,004 K/s v 8-5 0,017 K/s ulega przemianie w ferryt i perlit. Szybkość chłodzenia austenitu wynosząca 0,023 < v 8-5 0,869 K/s pozwala uzyskać struktury ferrytyczno perlityczno bainityczne. Natomiast chłodzenie w zakresie od 0,869 K/s < v ,63 K/s pozwala otrzymać strukturę bainityczno ferrytyczną, z zwiększającym się udziałem bainitu w miarę wzrostu szybkości chłodzenia. Struktura bainityczna powstaje przy szybkościach chłodzenia v ,33 K/s. Krytyczna szybkość chłodzenia, obliczona na podstawie składu chemicznego i temperatury austenityzacji, wyniosła 71,43 K/s (tabela 3). Wpływ szybkości chłodzenia na strukturę i twardość badanego staliwa przedstawiono w formie graficznej na rysunku

5 Rys. 2. Wpływ szybkości chłodzenia austenitu na strukturę i twardość staliwa L21HMF Fig. 2. Influence of the cooling rate on structure and hardness of the cast steel Tabela 4. Parametry obróbki cieplnej, własności i struktura staliwa L21HMF Table 4. Structure and properties of the L21HMF cast steel after regenerating heat treatment Parametry obróbki cieplnej R m MPa R e MPa A 5 % Z % KV J HV30 Struktura 910 o C/ 3h/ 33,33 K s o C/4h bainityczna 910 o C/ 3h/ 2,791 K s o C/4h bainityczno ferrytyczna 910 o C/ 3h/ 0,017 K s o C/4h ferrytyczna - perlityczno wymagania wg normy* min. 320 min. 20 min ** 197 *- PN-89/ H "Staliwo do pracy w podwyższonych temperaturach"; ** - twardość Brinella W celu ustalenia wpływu struktury na własności staliwa L21HMF, przeprowadzono obróbkę cieplną. Próbki poddano chłodzoniu z szybkościami zapewniającymi uzyskanie struktury: bainitycznej, bainitycznej z około 20% ferrytu 147

6 oraz ferrytycznej z ok. 20% perlitu, z następnym odpuszczaniem w temperaturze 720 o C przez 4 godziny [10]. Uzyskane struktury i własności badanego staliwa po obróbce cieplnej przedstawiono odpowiednio na rysunku 3 i w tabeli 4. Rys. 3. Struktura staliwa L21HMF po: a) eksploatacji; b) chłodzeniu z szybkością v 8-5 ~ 33,33 K/s i odpuszczaniu; b) chłodzeniu z szybkością v 8-5 ~ 2,791 K/s i odpuszczaniu; c) chłodzeniu z szybkością v 8-5 ~ 0,017 K/s i odpuszczaniu. Fig. 3. Structure of the cast steel after: a) serviced; b) cooling rate v 8-5 ~ 33,33 K/s and tempered; b) cooling rate v 8-5 ~ 2,791 K/s and tempered; c) cooling rate v 8-5 ~ 0,017 K/s and tempered. WNIOSKI I STWIERDZENIA 1. Uzyskanie struktury bainitycznej w badanym staliwie wymaga chłodzenia odlewów z szybkościami większymi od 33,33 K/s. Struktura bainityczna po odpuszczaniu posiada optymalne skojarzenie wysokich własności wytrzymałościowych i udarności. 148

7 2. Zawartość około 20% ferrytu w strukturze bainitycznej, przyczynia się do obniżeniu udarności o około 40%, przy nieznacznym, nie przekraczającym 5%, spadku własności wytrzymałościowych. 3. Badania wykazały niekorzystny wpływ struktury ferrytyczno - perlitycznej na własności staliwa L21HMF. Własności wytrzymałościowe i udarność zawierały się na poziomie minimalnych wymagań zawartych w normie. 4. Celowa jest minimalizacja ilości ferrytu w strukturze bainitycznej, ze względu na jego niekorzystny wpływ na udarność staliwa. LITERATURA 1. Dobosiewicz J. Wpływ eksploatacji na zmiany własnosci mechanicznych metalu kadłubów turbin parowych, Energetyka, 1, 1992, Stachura S., - "Zmiany struktury i własności mechanicznych w stalach i staliwach eksploatowanych w podwyższonych temperaturach", Energetyka, 2, 1999, Golański G., Kupczyk J., Stachura S. - " Zmiany struktury i własności staliw długotrwale eksploatowanych w podwyższonych temperaturach", VII Międzynarodowa Konferencja Naukowa "Nowe technologie i osiągnięcia w metalurgii i inżynierii materiałowej", Częstochowa, 2006, Stachura S., Stradomski Z., Golański G., - "Fosfor w stopach żelaza", Hutnik - Wiadomości Hutnicze, 5, 2001, Stachura S. Segregacja fosforu w stali i staliwie Cr Mo V po długotrwałej pracy w podwyższonych temperaturach, Inżynieria Materiałowa, 6, 1998, 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", Materials Sc. and Techn., vol.21, No.1, 2005, Trzeszczyński J., Grzesiczek E., Brunne W. Skuteczność rozwiązań wydłużających czas pracy długo eksploatowanych staliwnych elementów turbin i rurociągów parowych, Energetyka, 3, 2006, Dobosiewicz J., i inni, - "Dotychczasowe doświadczenia związane z rewitalizacją korpusów turbin parowych", Energetyka, 50, 1, 1996, Stachura S., Kupczyk J., Gucwa M. - "Optymalizacja struktury i właściwości staliwa gatunków Cr - Mo i Cr - Mo - V przeznaczonych do pracy w podwyższonych temperaturach", Przegląd Odlewnictwa, 54, 5, 2004, Golański G., Kupczyk J., Stachura S., Gajda B., - Regeneracyjna obróbka cieplna długotrwale eksploatowanego staliwa Cr Mo V, Inżynieria Materiałowa, 3, 2006, Teper M. praca magisterska, Częstochowa,

8 SUMMARY INFLUENCE OF THE COOLING RATE ON STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF L21HMF CAST STEEL AFTER REGENERATIVE HEAT TREAMENT The paper presents results of the research concerning the influence of the cooling rate on the structure and mechanical properties of long term serviced L21HMF cast steel after regenerative heat treatment. Optimum cooling rate in order to obtain bainitic structure is determined on the basis of the CCT diagram. It has been proved that the structure of tempered bainite ensures obtaining of high impact energy and mechanical properties in the investigated cast steel. Recenzował: prof. Zbigniew Konopka. 150