Mehanske lastnosti in korozijska odpornost super zlitine Ravnic2
Mechanical Properties and Corrosion Resistance of Superalloy Ravnic2
B. Drofenik, D. Oblak, Železarna Ravne
V naslednjem prispevku so podani rezultati preiskave zlitine Ravnic2. Določili smo optimalno temperaturo toplotne obdelave, mikrostrukturo, mehanske lastnosti ter oksidacijsko in korozijsko odpornost. Dobljene rezultate smo nato primerjali z rezultati ostalih proizvajalcev.
Ključne besede: zlitina Ravnic2, kemijska sestava in mikrostruktura, toplotna obdelava, mehanske lastnosti, trajna mirujoča trdnost, oksidacijska in korozijska odpornost
In the given paper the results of investigation of alloy Ravnlc2 are presented. Optimal temperature of heat treatment, microstructure, mechanical properties and oxidation and corrosion resistance vvere investigated. Our results vvere compared vvith the results of other producers.
Key vvords: alloy Ravnic2, chemical composition and microstructure, heat treatment, mechanical properties, creep resistance, oxidation and corrosion resistance.
Uvod
Ravnic2 je Ni-Cr-Co zlitina, ki se precipitacijsko utrjuje. Ima visoko trdnost in dobro odpornost proti lezenju do temperature 920"C, odporna je proti visokotemperaturni koroziji in oksi-daciji. Zaradi teh lastnosti se uporablja za delo v toplem, za plinske turbine, vzmeti in v letalski industriji"'.
V Železarni Ravne je bila v specialni jekiarni v vakuumski indukcijski peči izdelana poskusna šarža zlitine. Odliti sta bili dve elektrodi, ki smo jih pretalili po EPŽ postopku. Ingote smo nadalje predelali s kovanjem do dimenzije (!> 90 mm.
Raziskali smo lastnosti superzlitine Ravnic 2: mehanske lastnosti pri sobni in pri povišani temperaturi, trajne statične lastnosti pri povišani temperaturi ter oksidacijsko in korozijsko odpornost.
1. Kemijska sestava in mikrostruktura
Kemijska sestava zlitine Ravnic2: 19% Cr. 19% Co. 2.5% Ti. 1.5% Al. maks. 1.5% Fe. ostalo Ni. Zlitina je sestavljena iz austenitne nikljeve osnove, ki je precipitacijsko utrjena. Utrjevanje povzroča faza 7'. ki se formira v matrici in delno po mejah zrn. Izloča se v obliki finih precipitatov s sferično ali kubično morfologijo. Faza 7' ima ploskovno centrirano kubično kristalno strukturo, ki je koherentna s ploskovno centrirano kubično kristalno strukturo matrice. Ti precipitati imajo majhno površinsko energijo, kar povzroča večjo stabilnost pri delu v vročem. Poleg faze 7' se po mejah zrn pojavljajo še titanovi kar-bonitridi in karbidi. Zaželjeno je. da ima zlitina optimalno količino in porazdelitev karbidov po mejah zrn in sicer v obliki glob-ularnih mejnih karbidov1 L2'.
Na slikah la in lb je prikazana mikrostruktura vzorcev v surovem stanju. Zrna so enakomerne poligonalne oblike, po mejah vidimo precejšnjo količino izločenih karbidov. Faze 7' z optičnim mikroskopom ne vidimo. Da dobimo po toplotni obdelavi
ustrezno velikost zrn in s tem zadovoljive mehanske lastnosti, je pomembna velikost zrn v surovem stanju. Ta ne sme biti večja od 4 po ASTM E112. V našem primeru je velikost zrn 6-8. kar ustreza tej zahtevi.
Na slikah 2a in 21) je prikazana mikrostruktura vzorcev, ki so bili raztopno žarjeni 8 ur pri 1080°C. Po žarjenju dobimo ponovno austenitno mikrostrukturo. V primerjavi z vzorci v surovem stanju so zrna v toplotno obdelanih vzorcih večja (2-4 ASTM E112), količina karbidov je manjša, izločeni so tako po mejah kakor tudi po zrnih.
Slika la. Surovo stanje (10()x) Figure la. Initial state (I00x)
2. Določitev optimalne toplotne obdelave
Iz gredice $ 90 mm smo izrezali vzorce za toplotne, meta-lografske in žilavostne preiskave ter jih raztopno žarili pri temperaturah 1050 in 108()"C ter časih 4, 8 in 10 ur v komorni in
3. Mehanske lastnosti pri sobni temperaturi
Različno toplotno obdelane vzorce smo preizkusili na univerzalnem servohidravličnem stroju AMSLER, instrumenti-ranem Charpy kladivu PW300/150 ter izmerili trdoto po Brinelu. Rezultati vzorcev, ki so bili raztopno žarjeni pri 10X0 C S ur. so podani v tabeli I. V tabeli 1 imamo za primerjavo podatke po ISO D1S 9723 11 ter The Nimonic alloys . Rezultati zlitine Ravnic2 v Železarni Ravne se zadovoljivo skladajo z rezultati drugih proizvajalcev.
eksperiment, podatki ŽR / lit. podatki ISO D1S 9723 * - The Nimonic AUovs				
	TOPLOTNO OBDELAN VZ.			SUROV
	ga§en	raztopJSar.	raztopiar. + izloč.utr.	
Trdota(HB)	219	176/269	247/322*	330
Žil(J)			146	
Rp (N/mm)			67V69S	
Rm (N/mm)			1108/1080	
A(%)			35/25	
Z(%)			41	
Velik zrn ASTM E112		3-4(2)	2-3(5-6)	6-8
Tabela 1. Mehanske lastnosti pri sobni temperaturi
4. Mehanske lastnosti pri povišani temperaturi
Vzorce, ki so bili obdelani po poprej določeni toplotni obdelavi. smo preizkusili na servohidravličnem stroju tipa AMSLER. Dobljeni rezultati so podani v tabeli 2 in sliki 3. I/ diagrama vidimo, da so mehanske lastnosti R p, in Rm. kakor tudi raztezek in kontrakcija obstojne do približno 700"C. nato s temperaturo postopno padajo.
Temp.	Rp0.2	Rm	A	Z		K lil. -	
(oC)	(N/mm2)	(N/mm2	(%)		(A'/mmZ) (K/mm2) ;\<V/vrni		
21)	675	1108	35	41	810	514	1109
500	574	905	38	49	750	46 S	948
fiOO	601	915	30	41	720	462	907
700	542	776	15	15	660	457	s:i7
785	453	642	15	18			
800					451	m	578
900					190	/57	323
1000					30	23	113
** - Boehler * - The NimtHiu Aliova
Tabela 2. Mehanske lastnosti pri povišani temperaturi
vakumski peči. Po žarjenju smo vzorce šc izločevalno utrdili pri 7()0"C 16 ur. Ko smo primerjali med seboj mehanske lastnosti ter mikrostrukturo različno žarjenih vzorcev, nismo opazili bistvenih razlik. Tudi žarjenje v vakuumu ni vplivalo na lastnosti zli-line. Pri naših raziskavah bi bilo zadostno že štiriurno žarjenje, vendar sklepamo, da je to posledica majhnih premerov vzorcev (0 10 mm). Na podlagi tega smo se odločili za naslednjo toplotno obdelavo: raztopno žarjenje pri I080"C 8 ur, ohlajanje na zraku in izločevalno utrjevanje pri 7()0"C 16 ur. ohlajanje na zraku.
Slika II). Surovo stanje (500x) Figure II). Initial stale (50()x)
Slika 2a. 1()80°C. Sli. kom. (10()x) Figure 2a. I080T. Nh. kom. (l()()x)
Slika 21). 1(M)"C. Nh. kom. (500x) Figure 2a. 1()80"C, Sli. kom. (50()x)
0...........-o
0 100 200 300 400 500 600 700 S00 Temperatura (oC)
-aRp0.2 --» Rm + A * Z
Slika 3. Mehanske lastnosti pri povišani temperaturi Figure .V Mechanical properties at elevated temperatures
5. Preizkušanje trajne statične trdnosti pri povišani temperaturi
Preizkus lezenja smo izvedli na agregatu DSTM 702-AM-SLER. Cilj preizkušanja s trajnimi obremenitvami pri povišani temperaturi je. dobiti informacijo o obnašanju materiala pri danih pogojih.
V praksi se pogosto uporablja takoimenovana DVM meja lezenja: to je napetost, ki pri določeni temperaturi v časovnem intervalu med 25 in 35 uro preizkušanja izzove hitrost lezenja 10x10 4<7r/h pod pogojem, da trajna deformacija po 45 uri od začetka preizkušanja ne bo večja od 0,2%'5'.
DVM mejo smo določili pri temperaturi 870"C in začetni napetosti 140 N/mnr. Rezultati preizkusov so podani v tabeli 3 in sliki 4. Na sliki vidimo, da obremenitev 140 N/mm2 izzove med 25 in 35 uro lezenja hitrost 15xl04%/h, medtem ko 0.2% trajnega raztezka po 45 urah ne dosežemo. Vendar predstavlja DVM mejo lezenja manjša vrednost teh dveh napetosti. Iz krivulje odčitamo DVM mejo pri temperaturi 870"C 134 N/mnr. Ko smo dobili DVM mejo, smo raziskali še vpliv temperature na lezenje. Vzorce smo obremenili s silo 135 N/mnr pri temperaturah 500 do 1000"C. Rezultati so podani v tabeli 4. Iz podatkov lahko razberemo, daje hitrost lezenja pri temperaturah 500, 600, 700 in 800"C zanemarljivo majhna. Pri 900"C se hitrost lezenja skokovito poveča, saj znaša 107xl04%,/h. Trajni raztezek po razbremenitvi je 2.2c'r. Pri 1000"C pa hitrosti lezenja nismo mogli določiti, ker so se vzorci takoj po obremenitvi porušili.
T = 780oC	120	130	NAPETOST (N/mm2) 135	140
Trajna def. po 45h (%)	0.038	0.049	0.045	0.074
Skupna def. pri 25h (%)	0.047	0.064	0.054	0.065
Skupna def pri 35h (%)	0.051	0.072	0.065	0.081
Hitr.lezjenia (gra(.)xlO"fe/h	4.5	6	6	15
Hitr.lezenja (rac.>10'Va/li	4	8	9	16
Tabela 3. Vrednosti lezenja pri povišani temperaturi (pri konstantni temperaturi)
N /mm 2
\ r
\ -130 J 120 ■ 110 100
--1-1--1-1-1-1-—
Q2 m 5	10	15 20
Trajni raztezek po45h (7.) Hitrost	lezenja	med 25 in 35 h (x10~47„/h)
Slika 4. Določitev DVM meje lezenja Figure 4. Determination of DVM ereep limit
6. Določitev oksidacijske odpornosti
Zlitino smo raziskali pri temperaturi 700 do I000"C. En vzorec je bil surov, eden raztopno žarjen pri l()8()"C. ostali pa žarjeni pri 1080"C in izločevalno utrjeni pri 70()"C. Dva od teh smo vsakih 24 ur vzeli iz peči in ju ohladili - na zraku in v vodi. dva pa smo kontinuimo zarili 50 oziroma 100 ur.
Zlitina ima dobro oksidacijsko odpornost pri vseh raziskanih temperaturah. Izredna oksidacjska obstojnost je posledica formi-
			TEMPERATURA		
NAPETOST			(oC)		
135 N/mm2	500	600	700	800	900
Trajna def. po 45h (%)	0.021	0.008	0.006	0.026	
Skupna def. pri 25h (%)	0.3	0.017	0.034	0.056	0286
Skupna def. pri 35h (%)	0.03	0.017	0.037	0 056	2.869
Hitr.lezenja (graf.>10 %/h	0.5	0.5	2.7	1.7	107
Hitr.lezenja (rac.)xl0 %/h	03	0	2.7	0.7	13«
Tabela4. Vrednosti lezenja pri povišani temperaturi (pri konstantni napetosti)
ranja kompaktne oksidno plasti na površini, ki raste s temperaturo in časom ter upočasni hitrost oksidacije.
7. Določitev korozijske obstojnosti
Zlitino smo raziskali v 4%, 10% in koncentrirani 11 SO. H,P04 in HCI. Naredili smo še preizkus odpornosti zlitine proti interkristalni koroziji po standardu DIN 50914. Vzorci so bili raztopno žarjeni pri 1080"C in izločevalno utrjeni pri 70()"C. Rezultati so podani v tabeli 5.
sobna temp.:	povišana temp.:	cas(i
	41	0	1	96
	101	1	3	96
	konc.	1	1	96
H,P0„	41	0	0	96
	101	0	0	96
	konc.	0	3	96
HCI	41	1	2	96
	10%	1	3	96
	konc.	2	3 MSh)	96
0	-	popolnoma obstojen material
1	-	dobro obstojen material
2	-	slabo obstojen material
3	-	neuporaben material
Tabela 5. Korozijska odpornost zlitine Ravnic2
Po standardu DIN 50914 je material odporen proti interkristalni koroziji.
Zaključek
V Železarni Ravne je bila v specialni jeklarni izdelana poskusna šarža zlitine Ravnic2. Zlitino smo mehansko preizkusili, opravili metalografski pregled in raziskali oksidacijsko in korozijsko odpornost. Dobljene vrednosti smo nato primerjali z razpoložljivimi podatki drugih proizvajalcev. Ugotovili smo sledeče: Rezultati preizkušanj mehanskih lastnosti pri sobni in povišani temperaturi zlitine Ravnic2 se skladajo s podatki po standardu ISO D1S 9723, prav tako s podatki iz knjige Tlie Nimonic Alloys. Boehlerjeve vrednosti zlitine NiCr20Col8Ti, ki odgovarja zlitini Ravnic2 pa so precej višje. Oksidacijska obstojnost zlitine je zelo dobra, saj je odporna še pri 1000°C, prav tako je odporna proti interkristlni koroziji. Korozijska obstojnost zlitine v raztopinah H:S04, H,P04 in HCI je pri sobni temperaturi zelo dobra, pri povišani temperaturi pa je neodporna v 10% H2S04, koncentrirani H,P04 in v HCI.
Literatura
'. W. Betteridge, J. Heslop: The Nimonic Alloys, Edvvard
Arnold (Publishers) Limited 1974 2. H. Kaker: Mikrostrukturna svojstva niklovih superslitina.
Zbornik predavanja u Željezari Ravne, Ravne 1998 '. ISO DIS 9723, Nickel and nickel alloy bars. International
Organization for Standardization 4. Boehler: Edelstahl - Handbuch
\ D. Dobi: Preizkušanje trajne statične trdnosti pri povišanih temperaturah, Informativni fužinar. 1991, 9.