TECHNOLOGICZNE PROBLEMY WYTWARZANIA MASYWNYCH ODLEWÓW ZE STALIWA DUPLEX W ASPEKCIE OPTYMALIZACJI PROCESU PRODUKCYJNEGO

Transkrypt

1 35/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN TECHNOLOGICZNE PROBLEMY WYTWARZANIA MASYWNYCH ODLEWÓW ZE STALIWA DUPLEX W ASPEKCIE OPTYMALIZACJI PROCESU PRODUKCYJNEGO Z. STRADOMSKI 1, S. STACHURA 2, D. DYJA 3, A. ZYSKA 4 1,2,3 Instytut Inżynierii Materiałowej, 4 Katedra Odlewnictwa, Częstochowa, Al. Armii Krajowej 19 STRESZCZENIE W pracy przedstawiono problemy wykonywania masywnych, 2-3 tonowych, odlewów ze staliwa typu duplex. Badaniom poddano odlewy w stanie surowym, o zmiennej zawartości węgla. Wykazano, że nawet niewielkie różnice w jego zawartości, znacząco wpływają na tworzenie się obszarów segregacyjnych związanych z występowaniem cieczy resztkowej w czasie krzepnięcia. Obszary te charakteryzują się znaczną koncentracją węglików oraz fazy sigma i są miejscem uprzywilejowanego tworzenia się pęknięć dyskwalifikujących odlewy. Keywords : duplex cast steel, solidification, sigma phase, segregation 1. WPROWADZENIE Stale i staliwa typu duplex stanowią grupę materiałów coraz częściej stosowanych w przemyśle chemicznym, petrochemicznym, wydobywczym i energetycznym na różnego typu części urządzeń odwadniających, w tym wirniki pomp, łopatki turbin czy elementy rurociągów [1]. Pierwsze krajowe doświadczenia w zakresie produkcji masywnych odlewów ze staliwa duplex wykazały konieczność utrzymania dużej dyscypliny technologicznej, ścisłej kontroli procesu metalurgicznego, technologii odlewania, kontroli zasilania odlewów, temperatury zalewania jak i sterowania procesem stygnięcia. Kłopotliwe jest 1 dr hab. inż. prof. P.Cz., zbigniew@mim.pcz.czest.pl 2 prof. dr hab. inż. 3 mgr inż., dyjad@mim.pcz.czest.pl 4 dr inż., zyska@mim.pcz.czest.pl 287

2 również zagospodarowanie złomu obiegowego, często z dużą zawartością miedzi, dodawanej w celu poprawy własności użytkowych odlewów z tego tworzywa. Bardzo istotnym, ze względów ekonomicznych problemem jest zagwarantowanie odpowiedniej jakości wsadu gwarantującego uzyskanie zalecanej przez polską normę PN-EN zawartości węgla poniżej 0,03%. Czynniki te powodują, że najwięksi krajowi producenci odlewów nie są w chwili obecnej zainteresowani tak trudną i wymagającą produkcją. Powoduje to konieczność zaopatrywania się coraz szerszej grupy użytkowników masywnych odlewów ze staliwa duplex za granicą i ponoszenie znacznych wydatków. Przykładowy koszt wirnika pompy pracującej w jednej z polskich elektrowni wynosi około euro, a w systemie odsalania wody pracuje 8 takich wirników. Mimo przedstawionych trudności o charakterze technologiczno-organizacyjnym jedna z największych w Polsce odlewni staliwa podjęła współpracę z autorami niniejszego opracowania w zakresie opanowania produkcji odlewów z tego tworzywa. 2. ANALIZA WYNIKÓW Dotychczasowe doświadczenia autorów wskazują na istnienie czterech głównych problemów warunkujących uzyskanie odlewów spełniających wymogi użytkowników, do których zaliczyć należy: - zagwarantowanie jak najniższej zawartości węgla, - ścisłe przestrzeganie temperatury zalewania oraz stosowanie odpowiednich modyfikatorów, - zagwarantowanie szybkiego studzenia po procesie krzepnięcia, - konieczność wolnego nagrzewania odlewów przed przesycaniem. W wyprodukowanych dotychczas masywnych, kilkutonowych, odlewach ze staliwa duplex największym problemem okazało się ograniczenie zawartości węgla. Przedstawione w tab. 1 składy chemiczne trzech odlewów wskazują, że dotrzymanie na podobnym i porównywalnym poziomie zawartości pierwiastków stopowych (Cr, Ni, Cu, Mo) jest możliwe, natomiast uzyskanie odpowiednio niskiej zawartości węgla jest bardzo trudne. Jak widać z zamieszczonych składów żaden z odlewów nie posiadał prawidłowej, zgodnej z normą [2] zawartości tego pierwiastka, a w jednym przypadku jego zawartość przekroczyła 0,10%. Problem ten jest niezwykle istotny, ponieważ jak wykazały nasze badania, zawartość węgla determinuje sposób krzepnięcia odlewów z tego tworzywa. Tabela 1. Skład chemiczny badanego staliwa [%] Table 1. The chemical composition of steel examined [%] C Cr Ni Cu S Si Mn P Mo 0,05 24,70 6,91 3,00 0,018 0,73 0,14 0,019 2,90 0,06 24,20 7,50 2,60 0,015 0,90 0,13 0,017 2,41 0,11 24,03 7,60 2,60 0,008 0,94 0,25 0,016 2,35 288

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys. 1. Wyznaczony układ równowagi Fe-Cr-Ni o zmiennej zawartości: a) C i 24%Cr; 7,6%Ni; b) Cr i 0,1%C; 7,6%Ni Fig. 1. Computed Fe-Cr-Ni system at various: a) C content and 24%Cr; 7,6%Ni, b) Cr content and 0,1%C; 7,6%Ni Analiza procesu krzepnięcia oraz chłodzenia po krzepnięciu przeprowadzona z wykorzystaniem programu Thermo-Calc wykazała, że wzrostowi zawartości węgla towarzyszy zmiana mechanizmu krzepnięcia. Przy zawartości C > 0,10 % pojawia się przemiana perytektyczna (rys. 1). Struktura staliwa w stanie lanym wskazuje, że długi czas krzepnięcia masywnego odlewu powoduje powstanie dużych ziaren krzepnięcia otoczonych siatką znacznie intensywniej trawiącej się struktury (rys. 2). Struktura ta, powstająca w obszarach przygranicznych pierwotnych ziaren ferrytu, wzbogacona jest w silnie segregujące domieszki oraz pierwiastki stopowe. Wykorzystując materiał o różnej zawartości węgla wykazano, że nawet niewielkie różnice w jego zawartości, znacząco wpływają na tworzenie się obszarów segregacyjnych związanych z występowaniem cieczy resztkowej w czasie krzepnięcia. Obszary te charakteryzują się znaczną koncentracją węglików oraz fazy sigma. Rys. 2. Struktura krzepnięcia staliwa o zmiennej zawartości węgla: a) 0,05%, b) 0,06%, c) 0,11% Fig. 2. The solidification structure of investigated cast steel: a) 0,05% C, b) 0,06% C, c) 0,11% C 289

4 Rys. 3. Przełom staliwa duplex w stanie surowym Fig. 3. The fracture of as-cast duplex cast steel Wyniki badań wskazują, że właśnie w tych obszarach struktury następuje inicjacja i propagacja pęknięć. Pęknięcia mają charakter międzykrystaliczny, a wielkość ścianek na przełomie koreluje z wielkością ziaren powstałych w czasie krzepnięcia. Charakterystyczna siatka wydzieleń występuje w surowej strukturze wszystkich badanych odlewów, a ilość jej jest tym większa, im wyższa jest zawartość węgla. Dla uzyskania optymalnej struktury niezwykle istotne jest, poza zapewnieniem jak najniższej zawartości węgla, przestrzeganie możliwie niskiej temperatury zalewania. Staliwa ferrytyczno-austenityczne typu duplex krzepną w zakresie temperatur C, masywne odlewy nie powinny więc być zalewane z temperatury wyższej niż 30 0 C powyżej temperatury likwidus. Zbyt wysoka temperatura zalewania powoduje powstanie małej ilości zarodków krzepnięcia, w efekcie kierunkowe krzepnięcie i duże ziarno, bardzo niekorzystne zarówno dla własności technologicznych jak i mechanicznych odlewu. Szkodliwość takiej struktury jest tym większa, im większe są ziarna krzepnięcia. Przykładem jest przełom wirnika pompy, zalewanego ze zbyt wysokiej temperatury przedstawiony na rys. 3, który popękał pomimo niskiej zawartości węgla (C ~0,05%). Rys. 5. Wpływ: a) grubości ścianki b) kompleksowego odtleniania Al+FeTi70+Mg na mikrostrukturę staliw typu duplex [3]. Fig. 5. Influence of the: a) wall thickness, b) deoxidation by Al+FeTi70+Mg on the microstructure of the duplex casting alloy [3]. 290

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Wyższa temperatura zalewania powoduje dodatkowo powstanie większych naprężeń cieplnych i mniejszą szybkość chłodzenia odlewu po krzepnięciu. Wynika z tego, że wytworzenie odlewów ze staliwa duplex wymaga ścisłego przestrzegania temperatury zalewania oraz stosowania odpowiednich modyfikatorów. Dla uzyskania drobnego ziarna zaleca się kompleksowe odtlenianie staliwa, przy czym optymalne wyniki uzyskuje się przy odtlenianiu Al + Ti (rys. 5) [3]. Tytan dodany w optymalnej ilości przyczynia się do wydzielania w ciekłej stali azotków tytanu, które są zarodkami krystalizacji dla ferrytu delta. Duża efektywność azotków tytanu jako zarodków krystalizacji wynika z dobrej koherencji struktury krystalicznej azotków z ferrytem delta. Należy podkreślić konieczność odtlenienia stali aluminium przed modyfikacją tytanem. Tytan wykazuje silne powinowactwo do tlenu i w przypadku dodawania go do nie odtlenionej stali będzie łączył się z tlenem i nie będzie działał jako modyfikator [3]. Zgodnie z danymi literaturowymi [4] wprowadzenie dodatkowo boru powoduje zdecydowane zmniejszenie ziarna ferrytu. Dodatek boru sprzyja jednak występowaniu drobnych wydzieleń węglikowych na granicach ferryt/austenit, które mogą być miejscem przyszłego zarodkowania innych faz międzymetalicznych, stąd sporadyczne doniesienia na temat stosowania boru jako modyfikatora. W czasie chłodzenia odlewu po krzepnięciu zachodzi przemiana ferryt-austenit, oraz niekorzystne procesy wydzieleniowe. W temperaturze poniżej C, pojawiają się węgliki, a w zakresie temperatur między C a C wydziela się międzymetaliczna faza sigma (rys. 6). Faza ta zarodkuje na granicy ferryt/austenit i rozrasta się w głąb ziaren ferrytu, czemu sprzyja większa szybkość dyfuzji jak i wyższa zawartość chromu w porównaniu z austenitem. Może ona wydzielać się również bezpośrednio w ferrycie, gdzie uprzywilejowanymi miejscami jej zarodkowania są inne wydzielenia, zwłaszcza węgliki. Obecność fazy sigma wydzielającej się w wyniku reakcji eutektoidalnej + przedstawiono na rysunku 6. Faza sigma drastycznie zwiększa skłonność do pęknięć odlewów w czasie studzenia po krzepnięciu. Związane jest to z powstawaniem bardzo dużych naprężeń wewnętrznych towarzyszących jej tworzeniu (~2 GPa) [3]. Rys. 6. Analiza chemiczna wydzieleń fazy sigma w staliwie duplex Fig. 6. The chemical composition of sigma phases occurred in duplex cast steel 291

6 Wydzielenia twardej i kruchej fazy są źródłem dużej koncentracji naprężeń rozciągających, które łącznie z naprężeniami cieplnymi w stygnącym odlewie przyczyniają się do ich pękania. Przytoczone czynniki sprzyjające powstawaniu pęknięć w staliwie typu duplex pokazują, że w materiale tym, odmiennie aniżeli w konwencjonalnym staliwie węglowym czy niskostopowym większa szybkość chłodzenia po procesie krzepnięcia odlewu zmniejsza skłonność do pęknięć. Dlatego dla zwiększenia szybkości chłodzenia odlewy z tego tworzywa powinny być wyjmowane z formy bezpośrednio po ich zakrzepnięciu. Z dużą ilością fazy sigma w stanie surowym wiąże się ponadto konieczność bardzo wolnego nagrzewania odlewów przed przesycaniem. Nawet niewielkie ilości fazy sigma w staliwie w stanie lanym są przyczyną bardzo dużej kruchości staliwa, udarność staliwa nie przekracza 7-8 J. Staliwo to charakteryzuje się większą rozszerzalnością cieplną (w zakresie temperatur C współczynnik rozszerzalności = [K -1 ] w porównaniu ze staliwem niskostopowym G17CrMoV9-10 =12, [K -1 ] i bardzo niską przewodnością cieplną (w temperaturze C =18W/mK, staliwo G17CrMoV9-10 =44,8W/mK). Naprężenia cieplne powstające przy zbyt dużej szybkości nagrzewania przy takich własnościach cieplnych staliwa i dużej jego kruchości mogą być przyczyną powstawania pęknięć odlewu jeszcze przed jego przesycaniem. LITERATURA [1] Charles J., Composition and properties of duplex stainless steels, Welding in the World/Le Soudage dans le Mond, Vol. 36, p , 1995 [2] PN-EN 10283, Odlewy ze staliwa odpornego na korozję [3] Hofmann E., Santos R., Steureng der Erstarrungsmorphologie austenitischferritischer Superduplex-Stahle, Giesserei, Vol. 1, p , 2004 [4] Pirowski Z., Ocena struktury i zmian fazowych w staliwie Cr26Ni5Mo3, Biuletyn Instytutu Odlewnictwa, Vol. 1, p. 3-14, 2001 TECHNOLOGICAL PROBLEMS IN ELABORATION OF MASSIVE CASTING FROM DUPLEX CAST STEEL IN ASPECT OF PRODUCTIVE PROCESS SUMMARY Problems related with production of massive, 2-3 tone-castings of duplex cast steel have been presented in this work. Castings in the as -cast conditions, with the variable carbon content from 0,05% to 0,11% have been investigated. Using the material with the various carbon contents, the authors proved, that even small differences in their contents have significant role in segregation area, connected with occurrence of the residual liquid during solidification. These areas have the large carbides and sigma phase concentrations, they are also the privileged places for origination of the cracks, what disqualify the cast. Recenzował: prof. dr hab. inż. Jan Głownia 292