ZASTOSOWANIE STALI N18K12M4TS NA KORPUSY SILNIKÓW RAKIETOWYCH

Transkrypt

1 Prace IMŻ 3 (2011) 25 Marek BURDEK, Jerzy STĘPIEŃ, Mariusz ADAMCZYK Instytut Metalurgii Żelaza Andrzej PATEK, Bogumiła KOWALIK, Maciej MOSKALEWICZ, Zbigniew DRABIK ZM MESKO ZASTOSOWANIE STALI N18K12M4TS NA KORPUSY SILNIKÓW RAKIETOWYCH Publikacja obejmuje wyniki projektu badawczego rozwojowego finansowanego przez MNiSW. Celem projektu była optymalizacja technologii produkcji korpusu silnika rakietowego, polegająca na zastosowaniu nowego gatunku stali o wyższych właściwościach mechanicznych oraz na wykonaniu korpusu z odcinka pręta, a nie jak dotychczas z krążka wyciętego z taśmy stalowej. W ramach pracy odlano wlewki ze stali maraging N18K12M4Ts, przekuto je na pręty okrągłe, z których wykonano odkuwki. Następnie metodami wyciągania ścianki i zgniatania obrotowego na zimno wykonano korpusy. Na każdym etapie wytwarzania korpusów badano ich właściwości mechaniczne i strukturalne. Uzyskano wyroby o podwyższonych właściwościach mechanicznych, które spełniają wymagania odpowiednich norm. Słowa kluczowe: stal maraging, korpus silnika rakietowego APPLICATION OF N18K12M4TS STEEL FOR ROCKET ENGINE BODIES This publication presents the results of the research and development project financed by the Ministry of Science and Higher Education. The aim of the project was to optimise the technology for production of a rocket engine body, which is the application of the new grade of steel with higher mechanical properties and making the body from a bar rather from than a disk cut out of a steel strip as it has been done so far. In the project ingots were made from maraging steel N18K12M4Ts and forged into round bars, then forgings were made. The bodies were made by wall drawing and flow forming. At every stage of manufacturing the bodies, their mechanical and structural properties were tested. Products with improved mechanical properties were obtained and they meet the requirements of relevant standards. Key words: maraging steel, rocket engine body 1. WPROWADZENIE Korpus silnika rakietowego jest obecnie wytwarzany ze stali 18K9M5TPr, która zapewnia uzyskanie właściwości po zastosowaniu obróbki cieplnej na poziomie: Rm w zakresie MPa oraz A5 min. 6%. Planowane zastosowanie w silniku paliwa wyżej energetycznego niż dotychczas stosowane, wymaga podwyższenia właściwości mechanicznych, co zapewnia materiał ze stali maraging N18K12M4Ts. Celem projektu była optymalizacja technologii produkcji korpusu, polegająca na zastosowaniu nowego gatunku stali o wyższych właściwościach mechanicznych oraz wykonaniu korpusu z odcinka pręta, a nie jak dotychczas z krążka wyciętego z taśmy stalowej walcowanej na zimno w stanie zmiękczonym. Zakładanym efektem optymalizacji technologii było uzyskanie poprawy parametrów eksploatacyjnych korpusu, obniżenie kosztów wytwarzania oraz uzyskanie większej dostępności półwyrobów na rynku. 2. OPRACOWANIE TECHNOLOGII WYKONANIA WSADU Opracowanie technologii wykonania wsadu na korpus silnika rakietowego w postaci odkuwek kutych z odcinków pręta obejmowało: wykonanie wytopów ze stali N18K12M4Ts w piecu próżniowym VSG100S i odlaniu wlewków o przekroju poprzecznym kw. 160 mm zbieżnym do kw. 140 mm o masie ok. 90 kg; przekucie na gorąco wlewków na pręty okrągłe; opracowanie konstrukcji odkuwki oraz projektów i rysunków stempla i matrycy; wykonanie stempla i matrycy; opracowanie technologii nagrzewania wsadu i temperatury przeróbki plastycznej; opracowanie technologii i wykonanie na gorąco wyprasek z odcinka pręta przeznaczonych do na korpusy.

2 26 Praca zbiorowa Prace IMŻ 3 (2011) 2.1. PRZYGOTOWANIE WSADU NA ODKUWKI Odlewanie wlewków Wytopiono i odlano w piecu próżniowym VSG100S 5 wlewków ze stali N18K12M4Ts. Na rys. 1 przedstawiono przykładowe zdjęcia S146, a w tablicy 1 zamieszczono wymiary wszystkich wlewków. Uzysk z poszczególnych wlewków jest różny i dość znacznie się różni między poszczególnymi wytopami. W tablicy 2 zamieszczono wymagany skład chemiczny stali N18K12M4Ts. Tablica 1. Wymiary wlewków odlanych ze stali N18K12M5Ts Table 1. Dimensions of ingots made from N18K12M5Ts steel Lp. Nr wytopu głowy Szerokość stopy Długość mm mm mm 1. S S S S S W wytopach S154 S156 nieznacznie przekroczono zawartość glinu, a w wytopach S149 i S155 zawartość kobaltu. Stwierdzono, że wytopy spełniają wymagania w zakresie składu chemicznego w odniesieniu do większości pierwiastków. Stwierdzone niewielkie odchyłki od zadanego składu chemicznego nie wpływają istotnie na właściwości stali, w związku z czym wszystkie wlewki zakwalifikowano do dalszego przerobu. Badanie makrostruktury wlewków po odlaniu Badania jakości wlewków pochodzących z wytopów S146, S149, S154, S155 i S156 przeprowadzono na tarczach poprzecznych pobranych z obszaru stopy oraz głowy wlewków, w miejscu poza zasięgiem nieciągłości osiowej od strony nadlewu. Na rys. 2 przedstawiono przykładowo makrostrukturę S146 ujawnioną z zastosowaniem wody królewskiej. We wszystkich ch stwierdzono występowanie pęcherzy podskórnych, które widoczne są w warstwie do około 0,4 mm od powierzchni. Wady te znajdują się zarówno w głowie, jak i w stopie wlewków. Analiza próbek nie wykazała obecności makropęknięć w materiale. Obszar głowy wlewków na przekroju poprzecznym charakteryzuje się typową strukturą strefową, złożoną w centralnej części z równoosiowych ziarn byłego austenitu oraz ze strefy ziarn kolumnowych, których a) b) Rys. 1. Wlewek z wytopu S146: a) po odlaniu, b) po odcięciu głowy i stopy Fig. 1. Ingot from melt No. S146: a) as cast, b) after cutting off its top and bottom Tablica 2. Wymagany skład chemiczny stali N18K12M4Ts, zawartość pierwiastków w % masowych Table 2. Chemical composition of N18K12M4Ts steel, content of elements in mass percent C Mn Si P S Cr Ni Co Mo Ti Cu Al całk. Al metal. N całk. O całk. Skład wymagany 0,017 0,08 0,08 0,01 0,01 0,20 17,50 18,50 11,8 12,5 3,60 4,40 1,40 1,80 0,20 0,08 0,11 0,003 0,002

3 Prace IMŻ 3 (2011) Zastosowanie stali N18K12M4Ts na korpusy silników rakietowych 27 a) b) Rys. 2. Makrostruktura na przekroju poprzecznym S146: a) od strony głowy, b) od strony stopy; trawiono w wodzie królewskiej Fig. 2. Macrostructure at cross-section of S146 ingot body, a) from the side of its top, b) from the side of its bottom zasięg (w zależności od nr wytopu) waha się od około 4 do 7 cm od powierzchni wlewków. Struktura stali w obszarze stopy wlewków nr S146, S154 i S155 wskazuje na dużą nierównomierność odprowadzania ciepła w trakcie procesu krzepnięcia. Dalsze badania strukturalne, w tym analizę mikrowtrąceń niemetalicznych przeprowadzono na ch po operacji wyżarzania ujednorodniającego. Wyżarzanie wlewków W celu ujednorodnienia materiału pod względem jego składu chemicznego przeprowadzono homogenizację wlewków, wygrzewanie w atmosferze argonu i studzenie w spokojnym powietrzu. Badania skuteczności przeprowadzonej operacji ujednorodniania wykonano na próbkach świadkach tzn. na wygrzewanych wraz z mi poprzecznych tarczach, pobranych uprzednio z wlewków i wykorzystanych w badaniach metalograficznych charakteryzujących stan materiału po odlaniu. Badanie makrostruktury i twardości wlewków po wyżarzaniu Makrostrukturę na przekroju poprzecznym w obszarze głowy i/lub stopy wlewków po ujednorodnianiu przedstawiono na rys. 3. Na podstawie przeprowadzonych badań strukturalnych stwierdzono zmianę morfologii ziarn austenitu w obrobionych cieplnie ch, prowadzącą do zaniku charakterystycznej po odlaniu struktury strefowej. W efekcie przemiany fazowej zachodzącej w stali podczas cyklu nagrzewania oraz chłodzenia uzyskano na przekroju wlewków strukturę jednorodną pod względem wielkości ziarna. a) b) Rys. 3. Makrostruktura na przekroju poprzecznym S146 od strony głowy i stopy po wyżarzaniu ujednorodniającym Fig. 3. Macrostructure at cross-section of S146 ingot, from the side of its top and bottom, after homogenising

4 28 Praca zbiorowa Prace IMŻ 3 (2011) Badania rozkładu twardości na przekroju poprzecznym wlewków po obróbce cieplnej przeprowadzono metodą HRC zgodnie ze schematem na rys.4. Pomiary twardości, których wyniki zestawiono w tablicy 3, wykonano w trzech obszarach: (1) w strefie przy powierzchni, (2) w ¼ grubości oraz (3) w centralnej jego części. Z przeprowadzonych pomiarów wynika, że twardość wlewków na przekroju jest jednorodna, mieści się w zakresie HRC i jest typowa dla gatunku stali maraging N18K12M4Ts (MS350) w stanie po przesycaniu. mając na uwadze specyfikę procesu kucia na gorąco i reakcję odkształcanego materiału. Uwzględniając powyższe założenie, opracowano kształt odkuwki i wykonano odpowiednie oprzyrządowanie do kucia na gorąco odkuwek. Na podstawie wyników wcześniejszych prac [1, 2] wyznaczono temperaturę nagrzewania. Podobnie jak w pracach [1, 2], zaproponowano indukcyjny sposób nagrzewania wsadu. Temperatura przeróbki plastycznej powinna zawierać się w zakresie C. Kucie zrealizowano w zakładzie dysponującym odpowiednim wyposażeniem technicznym. Wykonano odkuwki w założonych tolerancjach wykonania (rys. 5). Część z nich miała wady zewnętrzne, spowodowane prawdopodobnie niejednorodnością materiału wsadowego. Rys. 4. Schemat przeprowadzenia pomiarów twardości na przekroju poprzecznym wlewków Fig. 4. Diagram of hardness measurements on the crosssection of ingots Tablica 3. Rozkład twardości na przekroju poprzecznym wlewków po ujednorodnianiu Table 3. Distribution of hardness on the cross-section of ingots after homogenising Nr Obszar pobrania tarczy z Średnia twardości HRC na przekroju poprzecznym w wytypowanych do badań obszarach S146 głowa S149 głowa S154 głowa S155 stopa S156 głowa Rys. 5. Odkuwki ze stali maraging, wytop S156 Fig. 5. Forgings from maraging steel, melt S156 Obróbka mechaniczna odkuwek na półfabrykaty Odkuwki po prasowaniu na gorąco zostały poddane obróbce mechanicznej. Półfabrykaty po obróbce mechanicznej sprawdzono ze względu na: zgodność wymiarów, wygląd zewnętrzny, wady wewnętrzne (metoda defektoskopowa). Po wykonaniu powyższych badań stwierdzono, że wady na powierzchni zewnętrznej nie powinny mieć wpływu na wykonanie dalszej przeróbki plastycznej oraz nie będą miały wpływu na wykonanie gotowego wyrobu. Ostatecznie do dalszych prób zakwalifikowano 50 półfabrykatów (rys. 6). Kucie wlewków na pręty okrągłe Po wyżarzaniu ujednorodniającym przekuto wlewki na pręty o przekroju poprzecznym okrągłym o średnicy z98 mm. Pręty te następnie zostały oskórowane na średnicę z88 mm i pocięte na wymagane długości, stanowiące wsad do prasowania na gorąco OPRACOWANIE TECHNOLOGII I WYKONANIE ODKUWEK NA KORPUSY SILNIKÓW RAKIETOWYCH Założono, że odkuwka powinna być najbardziej zbliżona wymiarami do półfabrykatu przeznaczonego do dalszej przeróbki na korpusy silników rakietowych, Rys. 6. Przykładowe półfabrykaty na korpusy silników rakietowych Fig. 6. Examples of semi-finished products for rocket engines

5 Prace IMŻ 3 (2011) Zastosowanie stali N18K12M4Ts na korpusy silników rakietowych 29 Badania właściwości mechanicznych odkuwek Badania właściwości mechanicznych odkuwek pochodzących z poszczególnych wytopów wykonano w stanie po kuciu na gorąco oraz po obróbce cieplnej polegającej na dwukrotnym przesycaniu i starzeniu. W tablicy 4 przedstawiono wyniki właściwości mechanicznych odkuwek w stanie po kuciu na gorąco, a w tablicy 5 po obróbce cieplnej. Są to wartości średnie z 4 pomiarów. W tablicy 5 podano również wyniki pomiaru wydłużenia całkowitego przy maksymalnej sile rozciągającej A gt. Tablica 4. Wyniki próby rozciągania próbek z odkuwek w stanie po kuciu na gorąco Table 4. Results of tensile test of forging samples after hot forging Wytop R m R 0,2 A 5 Z nr MPa MPa % % S ,2 61 S ,5 60 S ,7 61 S ,3 64 S ,8 67 Tablica 5. Wyniki próby rozciągania próbek z odkuwek w stanie po obróbce cieplnej Table 5. Results of tensile test of forging samples after heat treatment Wytop R m R 0,2 A 5 A gt Z nr MPa MPa % % % S ,8 2,2 50 S ,3 2,1 41 S ,9 2,1 46 S ,6 2,1 51 S ,5 2,1 46 Właściwości mechaniczne poszczególnych odkuwek w stanie po kuciu na gorąco były zbliżone, podobnie jak po obróbce cieplnej, co pozwoliło na uznanie serii wytopów próżniowych za jedną partię materiału na korpusy silników rakietowych. Pojedyncze odkuwki w stanie po kuciu na gorąco posiadały wytrzymałość zawierającą się pomiędzy 1100 a 1138 MPa, granicę plastyczności pomiędzy 800 a 880 MPa i wydłużenie procentowe pomiędzy 13,0 a 15,0%. Natomiast w stanie po obróbce cieplnej wykazywały wytrzymałość pomiędzy 2246 a 2418 MPa, granicę plastyczności pomiędzy 2123 a 2345 MPa i wydłużenie względne pomiędzy 7,5 a 9,0%. Tablica 6. Wyniki pomiarów wytrzymałości i wydłużenia na próbkach ze stali N18K12M4Ts przed i po obróbce cieplnej Table 6. Results of strength and elongation measurements on N18K12M4Ts steel samples before and after heat treatment Stan korpusu Po zgniataniu obrotowym korpusu (bez obróbki cieplnej) Po zgniataniu obrotowym korpusu i obróbce cieplnej R m R 0,2 A 5 MPa MPa % , , ,2 Korpusy przed próbą ciśnieniową były poddane obróbce cieplnej i uzyskały właściwości zamieszczone w tablicy 7. Tablica 7. Właściwości korpusów poddanych niszczącej próbie ciśnieniowej Table 7. Properties of bodies put to destructive pressure test Właściwości mechaniczne Oznaczenie korpusu R m A 5 Twardość MPa % HRC A ,3 56 A , BADANIA KORPUSÓW ZE STALI N18K12M4TS METODĄ HYDRAULICZNĄ Badania wytrzymałościowe metodą hydrauliczną wykonywano sukcesywnie na mniejszych partiach korpusów, zależnie od zastosowanej obróbki cieplnej. W pierwszym etapie 9 sztuk korpusów poddano badaniu nieniszczącemu z wynikiem pozytywnym, a dodatkowo 3 sztuki spośród nich próbie niszczącej. Jeden korpus poddawano badaniu do całkowitego rozerwania (rys. 7). W drugim etapie badaniom hydraulicznym poddano 17 sztuk korpusów. Również ta próba ciśnieniowa dała wynik pozytywny żaden ze sprawdzanych detali nie uległ pęknięciu. Następnie ww. korpusy sprawdzono defektoskopem, nie stwierdzając wad. Wyniki badań hydraulicznych potwierdziły, że zastosowany materiał, zaprojektowane oprzyrządowanie oraz proces technologiczny zapewniają wykonanie komory silnika rakietowego zgodnie z wymaganiami rysunku konstrukcyjnego. 3. WYKONANIE PARTII KORPUSÓW 3.1. BADANIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE KORPUSÓW Z partii 50 odkuwek metodami wyciągania ścianek oraz zgniatania obrotowego na zimno wykonano korpusy silników rakietowych. Nie stwierdzono żadnych pęknięć, naderwań, zawalcowań oraz wad materiałowych. W celu opracowania docelowej technologii wykonania korpusów o podwyższonej wytrzymałości wykonano próby obróbki cieplnej korpusów o zróżnicowanych parametrach (tablica 6). Rys. 7. Wygląd przykładowego korpusu silnika rakietowego po próbie prowadzonej do całkowitego zniszczenia detalu Fig. 7. Appearance of the example rocket engine body after testing carried out to complete destruction of detail

6 30 Praca zbiorowa Prace IMŻ 3 (2011) a) b) c) d) Rys. 8. Obraz mikrostruktury stali N18K12M4Ts po zgniataniu na zimno i obróbce cieplnej: a) i b) po starzeniu; c) i d) po przesycaniu i starzeniu Fig. 8. Image of N18K12M4Ts steel microstructure after flow forming and heat treatment: a) and b) after aging; c) and d) after solution and aging 3.3. BADANIA MIKROSTRUKTURY KORPUSÓW ZE STALI N18K12M4TS Na rys. 8 przedstawiono obrazy mikrostruktury występującej w korpusach ze stali N18K12M4Ts po próbie ciśnieniowej prowadzonej aż do zniszczenia (rys. 7). Jak widać na rys. 8ab, zastosowanie tylko starzenia nie eliminuje pasmowej struktury w korpusach, wytwarzanej w trakcie plastycznego kształtowania wyrobu. W celu uzyskania jednorodności struktury należy przed starzeniem zastosować jednokrotne przesycanie. Po przesycaniu i starzeniu korpusy charakteryzują się jednorodnością strukturalną (rys. 8cd). Mają strukturę zestarzonego martenzytu z wydzieleniami faz międzymetalicznych, o różnym stopniu jednorodności w odniesieniu do rozmieszczenia pasm odkształcenia. 4. WNIOSEK Z przeprowadzonych badań wynika, że zastosowana nowatorska technologia wykonania korpusów z odcinka pręta kutego na gorąco, zamiast technologii dotychczas stosowanej z blachy walcowanej na zimno, jest korzystniejsza. Zastosowanie nowej technologii wytwarzania korpusów ze stali N18K12M4Ts pozwala uzyskać wyższe właściwości wytrzymałościowe korpusów w stosunku do korpusów obecnie wytwarzanych ze stali N18K9M5T. Artykuł opracowano na podstawie wyników projektu badawczego rozwojowego finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego, nr O R LITERATURA 1. Burdek M., Stępień J., Marcisz J.: Wykonanie badań w celu określenia możliwości zastosowania stali maraging MS300 na korpusy silników rakietowych oraz możliwości ich wykonania z pręta, Sprawozdanie IMŻ nr B0 1246, Gliwice, 2009, praca niepublikowana. 2. Burdek M., Marcisz J., Stępień J., Adamczyk M.: Optymalizacja parametrów starzenia po zgniataniu obrotowym na zimno stali maraging N18K9M5Ts i N18K12M4Ts oraz zbadanie dynamicznych właściwości mechanicznych stali na korpusy wytwarzane metodą zgniatania obrotowego na zimno, Sprawozdanie IMŻ nr S0 0714, Gliwice, 2009, praca niepublikowana.