Nerjavno jeklo za turbinske lopatice s /3°t Cr UDK: 669.14.018.8 ASM/SLA: SS-d Bogdan Stocca Janez Mesec Ugotavljali smo vpliv vsebnosti ogljika in niklja na lastnosti jekel za izdelavo vodnih turbin. Izdelali smo preiskave mehanskih lastnosti v litem, kovanem in poboljšanem stanju. Preiskali smo varilne sposobnosti jekel ter njihove mehanske karakteristike. SPLOŠNO Jeklo s 13 % Cr že nekaj let uspešno uporabljamo za izdelavo raznih delov vodnih turbin, in to predvsem takih delov, ki so najbolj obremenjeni. Zaradi številnih prednosti je to jeklo v celoti nadomestilo druga jekla, ki so jih pred tem uporabljali v te namene. Te prednosti so naslednje: 1. visoke vrednosti trdnosti, meje plastičnosti, razmerje crv/crm, žilavosti in predvsem odlična odpornost proti utrujanju; 2. dobra korozijska obstojnost v utrujenem stanju materiala in zelo dobra odpornost proti kavitaciji; 3. velika odpornost proti abraziji in eroziji; 4. dobra varilna sposobnost. Da bi zagotovili navedene lastnosti, se je razvilo jeklo, legirano: — z nizko vsebnostjo ogljika zaradi zmanjšanja nevarnosti utrjevanja po varjenju; — z nikljem, ki nam zagotavlja popolno mar-tenzitno pretvorbo brez prisotnosti feritne faze, kar ugodno vpliva na preoblikovalnost in na korozijsko obstojnost; — z molibdenom, ki izboljšuje korozijsko obstojnost; — s 13 % Cr kot osnovnega elementa. Do sedaj so turbinske lopatice izdelovali in jih še izdelujejo v litem stanju. Vlivanje lopatic pa ima svoje slabe strani, ki se kažejo predvsem v zunanjih luknjicah in notranjih mehurjih, kar povzroča nehomogenost odlitkov in veliko nevarnost, da bi prišlo zaradi teh napak do težkih okvar med obratovanjem turbin. Vlivanje pa prinaša še drugo težko pomanjkljivost, in sicer nevarnost večjih ali manjših deformacij, ki nastanejo pri ohlajanju odlitkov. Velike so tudi nevarnosti deformacij, ki lahko nastanejo pri varjenju lopatic in pri odstranjevanju raznih napak. Bogdan Stocca, dipl. inž., višji strokovni sodelavec Železarne Jesenice Janez Mesec, dipl. inž., višji strokovni sodelavec Železarne Jesenice Zato, da bi se navedenim težavam, ki jih prinaša lito stanje, izognili in da bi izdelali strukturno ustreznejše jeklo, smo prišli do zaključka, da bi jeklo najprej izvaljali v debelo pločevino, iz debele pločevine pa bi kasneje izdelovali lopatice z vročim oblikovanjem na stiskalnicah. Ker pa nam ni bilo poznano, kako se ta jekla obnašajo pri vroči predelavi in kakšne so njihove mehanske lastnosti v predelanem in toplotno obdelanem stanju, smo izdelali tozadevne preiskave. V tem članku bomo objavili le rezultate mehanskih preiskav in rezultate, ki smo jih dosegli pri varjenju, medtem ko bomo rezultate preiskav plastičnosti pri temperaturah vročega preoblikovanja objavili v eni od naslednjih številk železarskega zbornika. IZDELAVA SARŽ Ker imata ogljik in nikelj primarni vpliv na prej navedene karakteristike, smo naše preiskave usmerili k iskanju vplivov teh dveh elementov na razne lastnosti tega jekla. Krom in molibden pa smo obdržali v konstantnih mejah. V ta namen smo izdelali šest različnih variant jekel z vsebnostjo ogljika 0,04 in 0,08 % ter niklja z 2, 4 in 6%. Sarže smo izdelali v 5 kg VF talilni peči. Odlite bloke smo prekovali v palice, kvadratnega preseka 12 mm za preiskave zarezne udarne žilavosti, v palice premera 10 mm za ostale mehanske preiskave in v ploščice debeline 10 mm za preiskave varjenja. Kovali smo v temperaturnem območju 1100—900° C. Po končanem kovanju smo palice in ploščice ohlajevali na zraku do sobne temperature. Sarže so imele naslednjo vsebnost elementov: Tabela I.: Kemična analiza v % a u a > C Si Mn P S Cr Ni Mo 1 0,04 0,26 0,55 0,015 0,014 12,95 2,11 0,48 2 0,04 0,25 0,59 0,015 0,013 12,65 4,08 0,50 3 0,03 0,27 0,62 0,016 0,012 12,75 6,00 0,50 4 0,08 0,25 0,53 0,017 0,008 13,00 2,23 0,45 5 0,07 0,25 0,60 0,017 0,013 12,70 4,15 0,47 6 0,08 0,25 0,61 0.017 0,015 12,70 6,06 0,45 2EZB 11 (1977) štev. 3 Nerjavno jeklo za turbinske lopatice s 13 % Cr DILATOMETRSKA ANALIZA Preden smo pristopili k preiskavam mehanskih lastnosti in varjenja, smo želeli ugotoviti za posamezne variante temperature premenskih točk. Premenske točke smo določevali na Leitzovem di-latometru pri hitrosti ogrevanja 3—4° C/minuto in z naknadnim nekontroliranim ter sorazmerno hitrim ohlajanjem v pečici dilatometra. Atmosfera je bila sestavljena iz argona in vodika. Kakor je iz diagrama na sliki 1 razvidno, smo ugotovili naslednje: — pri enaki vsebnosti ogljika točke Aq in Ac3 padajo z naraščajočo vsebnostjo niklja, — pri enakih vsebnostih niklja točke Acj in Ac3 naraščajo z naraščajočo vsebnostjo ogljika. Slika 2 pa nam prikazuje dilatometrsko krivuljo ogrevanja in ohlajevanja jekla variante 4, v kateri je razvidna pretvorba v martenzitno strukturo. Dejanske temperature nastanka premene Ms v odvisnosti od vsebnosti niklja pri 0,05 % C nam prikazuje slika 3. Ms mc g- 300 0 12 3 4 '/. Ni Slika 3 Spremembe točke M« v odvisnosti od vsebnosti Ni Fig. 3 Shifting of M, point depending on the nickel content TRDOTA IN ŽILAVOST LITE STRUKTURE Slika 1 Gibanje premenskih točk Aci in Ac3 v odvisnosti od ogljika in niklja Fig. 1 Shifting of Ac, and Ac, transformations points depending on carbon and nickel content Ni I •/.) Potek dilatometrske krivulje jekla variante 4 Fig. 2 Dilatometric curves for steel No. 4 Za preiskavo trdote lite strukture smo od vsake variante oddvojili po en blok. Te bloke smo prerezali na polovici višine prečno na glavno os bloka. Na brušenih presekih smo nato merili trdoto rob--sredina-rob in ugotovili naslednje vrednosti: tabela II. Vrednosti trdote so precej nihale, vendar ni bilo opaziti, da bi bila trdota na robu višja od trdote v sredini bloka. Variante z višjo vsebnostjo ogljika so imele višjo trdoto. Vrednosti trdote so sorazmerno visoke. Poleg preiskav trdot smo na litih blokih izdelali še preiskave udarne zarezne žilavosti. Preizkušance smo izrezali iz sredine blokov, in sicer tako, da je presek ob zarezi preizku-šanca ležal vzporedno z glavno osjo bloka. Preizkušance smo izdelali z DVM zarezo. Rezultati, ki smo jih ugotovili na normalnih preizkušancih, so bili naslednji: tabela III. Tabela II.: Varianta 1 2 3 4 5 6 HB 350—380 280—340 270—322 360—380 340—362 313—342 ŽEZB 11 (1977) štrv. 3 Tabela III.: Varianta 1 2 3 4 5 6 p DVM kpm/cm2 4—4,5 4—5 4,0 4—5 4,5 ŽILAVOST KOVANEGA STANJA Preizkušance za preiskave udarne zarezne žila-vosti smo izdelali iz enega dela palic, ki smo jih po kovanju ohlajevali prosto na zraku. Preizkušance smo porušili na Charpyjevem kladivu. Kakor je iz naslednje tabele razvidno, smo dosegli precej visoke vrednosti. Nekoliko nižje so le vrednosti variant z nižjo vsebnostjo niklja. Tabela IV. Tabela IV.: Varianta PDVM , 6,3—6,8 7,8—8,0 8,6—9,0 6,8—7,3 8,9—9,4 8,0—8,6 kpm/cm2 MEHANSKE LASTNOSTI V ŽARJENEM STANJU Na vseh šestih variantah smo izdelali preiskave mehanskih lastnosti v žarjenem stanju. Kovane palice smo žarili pri temperaturi, ki smo jo zasledili v literaturi in v nekaterih tehničnih navodilih, to Tabela V.: je pri 800° C. Palice smo držali 2 uri na temperaturi in nato ohlajevali počasi v peči do sobne temperature. Rezultati, ki smo jih dosegli, so navedeni v tabeli V. Razviden je precejšen raztros vrednosti žilavosti. Varianta 1 2 3 4 5 6 0-v kp/mm2 81,0 82,5 85,0 87,0 87,5 88,0 tTm kp/mm2 89,9 92,4 93,9 97,0 97,0 98,0 85 % 16 15 14 14 15 15 64,1 63,7 62,3 62,0 63,6 61,0 HB kp/mm2 265 270 260 280 285 285 Pdvm pri 20 "C kpm/cm2 7,0—7,5 8.0—9,0 7.5—8,3 7.1—7,4 9,0—9,4 7.6—8,3 POBOLJŠANJE Izdelali smo še preiskave mehanskih lastnosti v poboljšanem stanju. Na predhodno žarjenih preiz-kušancih smo izvedli najprej kaljenje s temperature 1000 do 1050° C. Po 15 minutnem zadrževanju na temperaturi kaljenja smo vzorce ohladili na zraku do sobne temperature. Kaljenje in kasnejše popuščanje smo izvedli na preizkušancih debeline 10 mm. Ugotovili smo naslednje vrednosti trdote: Tabela VI.: HRc Varianta - 1000 °C 1050 °C 1 38—41 38—42 2 40—41 39—41 3 39—42 39—42 4 41—43 43—44 5 42—43 42—43 6 42—43 41—42 Iz navedenih tabelaričnih podatkov je razvidno naslednje: — ni bistvene razlike v trdoti med preizku-šanci, ki so bili kaljeni s temperature 1000° C ali 1050° C; — vsebnost niklja (od 2—6 %) nima skoraj nobenega vpliva na trdoto jekla; — variante z višjo vsebnostjo ogljika H imajo le nekoliko višje trdote. Poleg preiskav trdote smo na kaljenih preizkušancih izdelali še metalografske analize. Glede na temperaturo kaljenja in varianto nismo ugotovili bistvenih razlik v strukturah. Slika 4 nam prikazuje kaljeno strukturo variante 2 in slika 5 variante 5. Glede na prej navedene ugotovitve o vplivu temperature na trdoto materiala in glede na dosežene strukture smo si za nadaljnje preiskave izbrali temperaturo kaljenja 1050° C, ki jo tudi priporoča literatura. 2EZB 11 (1977) štev. 3 Nerjavno jeklo za turbinske lopatice s 13 96 Cr Slika 5 Martenzit + bainit. Kaljeno s 1050 °C — 100 X Fig. 5 Martensite and bainite. Quenched from 1050 °C 100 x 0.04 % C Temperatura popuščanja CC} Slika 7 Mehanske lastnosti v poboljšanem stanju Fig. 7 Mechanical properties in tempered state Da bi ugotovili potek mehanskih lastnosti v poboljšanem stanju, smo kaljene preizkušance popuščali v temperaturnem območju 500—750° C s 60-minutnim zadrževanjem na temperaturi in s počasnim ohlajevanjem v peči. Rezultati, ki smo jih dosegli, nam prikazujeta sliki 6 in 7. Iz navedenih diagramov je razviden ugoden potek mehanskih lastnosti v temperaturnem območju med 600—650° C. VARJENJE Ena od glavnih karakteristik martenzitnega nerjavnega jekla s 13 % Cr naj bi bila njegova dobra varilna sposobnost. Z varjenjem naj bi se na turbinah odpravile razne napake, ki nastanejo zaradi erozije, abrazije, kavitacije ter druge napake, med katerimi moramo omeniti razpoke zaradi utrujanja itd. Še bolj pomembno pa je varjenje posameznih delov turbin v celoto. Nič manj pomembne niso mehanske lastnosti varov. Vari naj bi imeli naslednje karakteristike: a) trdota naj ne bi bila v nobenem delu vara višja od 400 HB, b) vrednosti žilavosti vara ne bi smele biti nižje od 6 kpm/cm2. Varjenje smo preiskovali na vzorcih vseh šestih variant. Kot dodajni material smo uporabljali elektrodo, ki jo proizvaja železarna Jesenice pod imenom Inox 13/6 Fe, torej elektrodo, ki ima naslednjo sestavo: Slika 4 Martenzit + bainit. Kaljeno s 1050 "C — 100 X Fig. 4 Martensite and bainite. Quenched from 1050 °C 100 x Temperatura popuščanja I "C) Slika 6 Mehanske lastnosti v poboljšanem stanju Fig. 6 Mechanical properties in tempered state 0.08 % C ŽEZB 11 (1977) štrv. 3 H C Si Mn Cr Ni Mo 0,05— 0,07 % 0,06— 0,08 % 0,25— 0,35 % 0,45— 0,55 % 12,0 —13,0 % 5,0 — 5,5 % 0,45— 0,55 % To elektrodo smo namenoma izbrali zaradi ugodnega vpliva niklja na stabilizacijo avstenita. Vseh šest variant smo varili pod naslednjimi pogoji: — debelina osnovnega materiala 10 mm — oblika zvara V zvar — odprtina špranje 1 mm — dimenzija elektrod 0 3,25 mm — dimenz. elektrod za koren in 0 2,5 mm popravo korena — položaj varjenja — vrsta toka — predgrevanje — jakost in napetost varilnega toka za dimenzijo elektrode 0 3,25 mm —■ jakost in napetost varilnega toka za dimenzijo elektrode 0 2,5 mm — ohlajanje vmesnih slojev na 150° C — število varov 3 + 2 = 5 vodoravni enosmerni ( + ) 100° C 135 A/22 V 110 A/22 V Ostale podatke vara nam prikazuje slika 8. 5 Slika 8 Shema pogojev varjenja Fig. 8 Scheme of the vvelding parameters Na vseh izdelanih varih smo ugotavljali potek trdote po vsej širini vara, in to na srednjem delu, gledano po višini vara. Rezultate, ki smo jih dosegli na toplotno neobdelanih varih, nam prikazujeta sliki št. 9 in 10. Iz navedenih diagramov je razvidno naslednje: — trdote varov variant z višjo vsebnostjo ogljika (0,08 %) so višje od trdot variant z nižjo vsebnostjo ogljika (0,04 %), — z naraščajočo vsebnostjo niklja in pri enaki vsebnosti ogljika trdota vara pada, — trdota po preseku vara zelo niha. Najvišjo trdoto smo dosegli v prehodni coni, najnižjo pa v sredini vara. 200- - - ________ 14 12 10 8 6 4 2 0 2 4 6 B 10 12 K 16 Oddaljenost od sredine zvara v mm Slika 9 Potek trdot varov pri variantah 1, 2, 3 Fig. 9 Hardnesses of vvelds in variants Nos. i, 2, and 3 460 '16 14 12 10 8 6 4 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Oddaljenost od sredine zvara v mm Slika 10 Potek trdot varov pri variantah 4, 5, 6 Fig. 10 Hardnesses of welds in variants Nos. 4, 5, and 6 — pri variantah z nizko vsebnostjo niklja (2 % Ni) opazimo močan padec trdote v prehodni coni, ki se drži osnovnega materiala, verjetno zaradi prehoda ogljika iz feritne faze v avstenitno. Upoštevajoč dejstvo, da obstoji pri nizki vsebnosti niklja (2 % Ni) nevarnost nastanka feritne strukture, pri višjih vsebnostih (6 °/o Ni) pa nevarnost nastanka prevelikih količin zaostalega avstenita, kar vpliva na zmanjšanje razmerja med mejo plastičnosti in trdnostjo, in na osnovi vseh do sedaj ugotovljenih mehanskih lastnosti smo se odločili, da bomo preiskovali žilavost le na jeklu variante 5, uporabljajoč kot dodajni material elektrode Inox 13/6 Fe. Rezultati, iki smo jih dosegli na toplotno neobdelanih varih, so bili naslednji: Tabela II Pdvm kpm/cm: Osnovni material 7,8—8,4 Prehodna cona 6,0—6,5 Var 5,5—5, 5—6,0 5—6 2EZB 11 (1977) štev. 3 Nerjavno jeklo za turbinske lopatice s 13 % Cr Poleg navedenega smo izdelali še rentgenski posnetek takega vara, in kakor je iz slike 11 razvidno, so vari brez sleherne razpoke ali druge napake. Rentgenski posnetki so bili izdelani pod naslednjimi pogoji: 140 KV 4,6 mA 2 minuti 1 1 0 / A Slika 11 Rentgenski posnetek vara Fig. 11 X-ray picture of the vveld I. Točki Ac, in Ac3 padata z naraščajočo vsebnostjo niklja. 2. Trdota lite strukture je pri variantah z nižjo vsebnostjo ogljika in enaki vsebnosti niklja, nižja. 3. Ni bistvenih razlik v vrednosti udarne zarez-ne žilavosti med posameznimi variantami lite strukture. Vrednosti žilavosti so nizke. 4. Ugodne so vrednosti udarne zarezne žilavosti vseh variant v kovanem stanju. Nekoliko nižja je le žila vos t variante 1 in 4. 5. Ugodne so vse mehanske lastnosti v žarje-nem stanju. 6. Variante z višjo vsebnostjo ogljika imajo nekoliko višjo trdoto v kaljenem stanju. 7. Najugodnejše rezultate pri popuščanju smo dosegli v temperaturnem območju med 600—650° C. 8. Trdota v prehodni coni vara močno narašča. 9. Trdota varov ni nikjer višja od 440 HV (415 HB), vendar zelo niha. 10. Vari, izdelani iz elektrode Inox 13/6 Fe, so brez napak. II. Žilavost varov zelo niha. Literatura M. M. GLLEGNAUD — Note an sujet des eciers a 13 % de chrome. Revue de metallurgie — November 1966 Georg Fischer (Schweis), Hochfester: Stahlguss auf der Basis von 13 % Chrom mit gutes Schvveisslarkeit Information Zeitschrift fiir Schweisstechnik 1968, Volumen 12, stran 369—391 ZAKLJUČEK 1 Pri preiskavah vpliva ogljika in niklja na fizi- 2-kalne in mehanske lastnosti nerjavega jekla s 13 % Cr v različno obdelanem stanju smo ugotovili 3 naslednje: ZUSAMMENFASSUNUG Nichtrostender Stahl mit 13 °/o Cr wird fiir die Her-stellung der Wasserturbinenschaufeln angevvendet. Die Schaufeln werden im Giessverfahren hergestellt. Um die Nachteile des Gusszustandes zu entfernon und die Stahl-eigenschaften zu verbessern, sind Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften und des Schweissens am verformten Stahl durchgefiihrt worden. Es sind sechs verschiedene Varianten der Stahlzusammensetzung mit einem verschiedenen Kohlenstoff und Nickelgehalt hergestellt und deren Einfluss auf die Stahleigenschaften bestimmt worden. Gute Eigenschaften sind im geschmie-deten und vergiiteten Zustand festgestellt worden. Die Anlasstemperatur betrug von 500—750 °C. Geschweisst wurde mit einer umhtillten Schweisselektrode INOX 13/6 Fe, die Harte und die Zahigkeit haben ausreichende Werte erreicht. SUMMARY Stainless steel with 13 % Cr is used for turbine blades. They are čast. In order to eliminate deficiency of the čast state and to improve the steel properties, the mechanical properties and weldability of worked steel were investiga-ted. Six steel with various carbon and nickel contents were manufactured to determine the influence of the con- tents of both alloying elements. Good properties were found in forged and tempered state. The samples were tempered in the 500 to 750 °C interval. INOX 13/6 Fe electrode was applied for welding and satisfactory hard-nesses and toughnesses were achieved. 3AKAKWEHHE HepacaBeiomaa cTaAb c 13 % Cr ynoTpe6AaeTca ms H3r0T0BAeHiia aonatok niapabaimecknx typ6hh. AonaTKH H3roTOBAaiOTca b ahtom COCTOaHHH. C IJCAf.lO, HToGbl yCTpaHHTL HeAOCTaTKH AHTOTO COCTOSHHa H *!To6bI VAV-IinilTh CBOiiCTBa CTaAH BbinOAHeHH HCnLITaHHH MexaHH-qecKHX cbohctb H onbmiaa CBapKa nepepaSoTaHOH CTaAH. H3totob-AeHO nieCTL pa3HbIX BHAOH3MeHeHHH 3TOTO COpTa CTaAH C paa VHHlEbIM coAepacamieM yrAepoAa h hiikas h onpeAeAeHO BAHaHHe 3thx 3Ae-MeHTOB na MexaHHHiecKjie eBOHeTBa CTaAH. BAaronpnaTHiiie CBOiiCTBa OTMe»teHbI B kobkom H yAy