Nerjavno jeklo za turbinske lopatice s 13% Cr UDK: 669.14.018.8 ASM/SLA: SS-01 Bogdan Stocca Preiskave plastičnosti jekla za turbinske lopatice s 13 % Cr. Vplivi različnih vsebnosti C in Ni na strukturo. Preiskave torzije, kovnosti in mehanskih lastnosti pri temperaturah vroče predelave. V eni od prejšnjih številk Železarskega zbornika smo objavili članek o preiskavah varjenja ter o mehanskih rezultatih, ki smo jih dosegli pri različno obdelanih variantah (različna vsebnost C in Ni) nerjavnega jekla za turbinske lopatice. Te lopatice se običajno izdelujejo v litem stanju, ki prinaša s seboj številne težave, kot so mehurčavost, krivljenje pri varjenju itd. Da bi vsaj del teh napak odpravili, smo prišli do zaključka, da bi se turbinske lopatice lahko izdelovale iz valjane pločevine. Seveda so se s tem pojavila številna vprašanja, kako izdelati in predvsem kako predelati omenjeno jeklo. Poznano je, da že majhne količine ferita lahko kvarno vplivajo na plastičnost jekla pri temperaturah vročega preoblikovanja. Zaradi navedenega smo želeli pred praktičnimi preiskavami plastičnosti ugotoviti (pri raznih variantah) strukture v temperaturnem območju plastične predelave v vročem. V ta namen smo v VF peči vlili 5 kg bloke in te prekovali v preizkušance premera 16 mm za preiskave torzije in premera 10 mm za trgalne in za metalografske preiskave. Poleg navedenega smo vlili še konusne odlitke višine 50 mm za preiskave kovne sposobnosti. Sestava elementov za posamezne variante je razvidna v navedeni tabeli I. TABELA I: Varianta Kemična analiza v Si Mn Cr Ni Mo 0,05 0,22 0,52 0,04 0,27 0,55 0,04 0,27 0,57 0,07 0,24 0,54 0,07 0,28 0,58 0,08 0,25 0,57 0,010 0,008 0,010 0,013 0,017 0,010 0,018 0,015 0,015 0,013 0,012 0,010 smo jih metalografsko analizirali, nismo mogli ugotoviti prisotnosti ferita, smo te preiskave opustili. Morebitno prisotnost ferita smo skušali dokazati s pomočjo ternernih diagramov. Iz Fe-Cr-Ni diagrama (slika 1), ki nam prikazuje razporeditev posameznih faz v temperaturnem območju maksimalne vsebnosti avstenita, je razvidno, da se točke s 13 % Cr in 2 in 4, oziroma 6 % Ni nahajajo v y strukturnem območju. Če upoštevamo še določeno vsebnost C in N v jeklu pa se vse te točke premaknejo še bolj v desno, to je globoko v avstenitno področje. Enako potrditev smo našli tudi v Fe-Cr-Ni diagramu (0,1 % C), v katerem so razvidne posamezne strukturne faze, ki so nastale po hitrem ohlajevanju iz temperatur maksimalne vsebnosti avstenita. Iz tega diagrama (slika 2) je razvidno, da se vse točke s 13 % Cr in 2-4-6 °/o Ni nahajajo v čistem martenzitnem področju. Na osnovi navedenih ugotovitev smo sklepali, da predmetna jekla v temperaturnem območju 900—1300° C ne vsebujejo ferita, temveč čisto avstenitno fazo. 13,20 1,90 0,47 13,00 4,05 0,47 12,85 6,20 0,53 12,70 1,85 0,50 13,10 4,15 0,48 13,20 5,85 0,50 Določevanje ferita Prisotnost ferita smo skušali odkriti s fiksiranjem struktur. Vzorce smo s temperatur 1000—1100 in 1200° C ohladili v vodi. Ker v strukturah, ki 10 20 30 40 50 60 TO 80 90 ut V. Ni Slika 1: Ternerni Fe-Cr-Ni diagram Razporeditev faz v območju maksimalne vsebnosti avstenita (900—1300' C) Fig. 1 Ternary Fe-Cr-Ni phase diagram Distribution of phases in the region of maximal austenite content (900 to 1300 °C) 15 1U 15 20 25 30 35 40 45 50 F+P Ut % Ni Slika 2: Ternerni Fe-Cr-Ni (0,1 %) diagram Razporeditev faz po hitrem ohlajanju iz temperatur maksimalne vsebnosti avstenita Fig. 2 Ternary Fe-Cr-Ni (0.1 °/o) phase diagram Distribution of phases after fast cooling from the tempe-ratures of the maximal austenite content Torzija in momenti Preiskave torzije in momentov v vročem smo določevali na kovanih in naknadno mehansko obdelanih preizkušancih z delovnim premerom 9,5 mm in merilne dolžine 30 mm. Preiskave smo izvedli v temperaturnem območju 1300—900° C z 10 min. zadrževanju na predpisani temperaturi. Preizkus torzije smo izvedli pri 85 ob Anin. Iz rezultatov, ki so podani na slikah 3, 4 in 5, je razvidno: — da pri varianti z nizko vsebnostjo niklja ni bistvene razlike v vrednostih števila torzij in momentov glede na vsebnost ogljika in temperature 900 XXX) 1100 Temperatura (°C ) Slika 3: Torzij ski preizkus Varianti 1 in 4 Fig. 3 Torsion test Variants 1 and 4 1200 1300 Ž 1 i '/. Ni iif O.Oi V. C os C / n ____t / i / n Mmax s\ / N. / M/ w 800 900 ?S E O S 1200 1300 Temperatura (°C) Slika 4: Torzij ski preizkus Varianti 2 in 5 Fig. 4 Torsion test Variants 2 and 5 O. . "8 i i 6% Ni 101 °/o C .n ____ /' Mmax \ aoe%c / K n Mmax L\ / / / \ / v N '^-"Ss 1 'I Temperatura (°C ) Slika 5: Torzijski preizkus Varianti 3 in 6 Fig. 6 Torsion test Variants 3 and 6 — da je opazen vpliv ogljika na število obratov do porušitve pri saržah z višjo vsebnostjo niklja Mehanske lastnosti Preiskave mehanskih lastnosti smo izdelali v temperaturnem intervalu od 800—1100° C, in to na saržah z nizko vsebnostjo ogljika in skrajnima vrednostma niklja (varianta 1 in 3) ter na saržah z višjo vsebnostjo ogljika in s skrajnima vsebno-stima niklja (varianta 4 in 6). Iz kovanih palic, ki smo jih morali odžariti zaradi mehanske obdelave, smo izdelali mikrotrgalne preizkušance z navoji merne dolžine 1 = 30 mm in premera 4 mm. Trganje smo opravljali v uporovno segreti pečici, in sicer tako, da smo preizkušance držali 10 minut na temperaturi. Porušitve smo izvedli s hitrostjo 4,25 mm/'min. Trgalrie preizkuse smo izdelali v 3 paralelkah. 20 12 ll O \ Varianta - n / / k>x 6 ......... X \ N \ sX\ aw 850 SCO 1000 (°C) 1050 1100 950 Temperatura Slika 6: Vrednosti trdnosti v temperaturnem intervalu 800—1100° C Fig. 6 Strengths in the 800 to 1100 "C interval 100 60 40 20 0 V s. ------- Varianta 1 - 6 —........ 800 850 900 950 1000 1050 1100 Temperatura (°C) Slika 7: Vrednosti raztezkov v temperaturnem intervalu 800—1100° C Fig. 7 Elongations in the 800 to 1100 °C interval 100 80 60 40 20 0 \ \ N Varianta i « 5 .......... 800 850 900 950 1000 1050 1100 Temperatura (°C ) Slika 8: Vrednosti kontrakcije v temperaturnem intervalu 800—1100° C Fig. 8 Contractions in the 800 to 1100 »C interval Slike 6, 7 in 8 nam prikazujejo vrednosti za trdnost, raztezek in kontrakcijo v odvisnosti od temperature. Iz poteka krivulj bi lahko sklepali naslednje: — pri nizkih temperaturah ima varianta 6 višjo trdnost, pri temperaturi nad 950° C pa razlike med posameznimi variantami izginejo; — varianti z višjo vsebnostjo ogljika imata ne glede na vsebnost niklja višje vrednosti raztezka in kontrakcije od variant z nižjo vsebnostjo ogljika; — pri saržah z enako vsebnostjo ogljika ni opazen vpliv niklja na mehanske lastnosti; — najnižjo vrednost raztezkov in kontrakcije pri temperaturi nad 900° C ima varianta z nizko vsebnostjo ogljika (cca 0,04 %) in najnižjo vsebnostjo niklja (cca 2 %); — vrednosti raztezkov in kontrakcije padajo do 900—950° C, nakar začenjajo ponovno naraščati. Preiskave kovnosti Poleg preiskav torzije in preiskav mehanskih lastnosti smo izdelali na vseh variantah še preiskave kovne sposobnosti, in to na odlitkih konus-ne oblike, katerim smo z brušenjem odstranili najbolj grobe površinske napake. Te konuse smo nato po 60-minutnem zadrževanju na temperaturah 1150 in 1250° C kovali tako, da smo izvedli cca 60 % redukcijo višine. Z očno kontrolo smo ugotovili, da so imeli vzorci vseh variant lepe robove brez razpok, razen vzorcev variante 1, katerih robovi so bili rahlo razpokani. ZAKLJUČEK Iz preiskav torzij, mehanskih lastnosti, strukture in kovne sposobnosti bi lahko sklepali naslednje: 1. število obratov do porušitve konstantno narašča z naraščajočo temperaturo, vendar je to naraščanje nad 1000—1100° C mnogo bolj rapidno, kar se ujema z rezultati mehanskih lastnosti. 2. Variante z višjo vsebnostjo ogljika (cca 0,08 %) imajo višjo število obratov od variant z nižjo vsebnostjo ogljika (cca 0,04 %). To je posebno upadljivo pri variantah s 4, oziroma 6 % Ni. 3. Momenti konstantno padajo z naraščajočo temperaturo. 4. Vrednosti raztezkov in kontrakcije padajo do temperature 900—950° C, nakar začenjajo naraščati. Najnižje vrednosti sovpadajo s pričetkom močnejšega naraščanja števila obratov do porušitve. 5. Najvišje vrednosti raztezkov in kontrakcije smo opazili pri saržah z višjo vsebnostjo ogljika in najnižje pri saržah z nizko vsebnostjo ogljika in cca 2 % Ni. 6. Pri določevanju kovne sposobnosti smo ugotovili pri vzorcu s cca 2 % Ni in cca 0,04 % C rahle razpoke. 7. Kaže, da v področju vroče predelave ni feritne strukture. Literatura — Metal Handbook, 1948 Edition American societo for metals — B. Stocca, J. Mesec, Železarski zbornik 1977, 3, stran 153 ZUSAMMENFASSUNG Um die Verformungsfahigkeit des Stahles mit 13 % Cr, vvelcher fiir die Herstellung der Turbinenschaufeln ange-wendet wird festzustellen sind bei der Temperatur der plastischen Verformung entsprechende Untersuchungen durchgefiihrt worden. Erstens Untersuchungen iiber die mogliche Anwesenheit des zweiphasigen auste- nitisch-ferritischen Geliiges, die Warmtorsionsproben mit der Bestimmung der Umdrehungzahl und der Momente bis zum Bruch, und die Untersuchungen iiber die Schmiedbar-keit. Weiter sind die mechanischen Eigenschaften, die Festigkcit, die Dehnung und die Einschniiring im Tempe-raturbereich von 800—1100° C bestimmt vvorden. SUMMARY Suitable investigations in the temperature region of plastic working were made vvith 13 °/o Cr steel for turbine blades in order to determine its ability for deforming. Possible presence of two-phase austenite-ferrite structure was checked. Number of revolutions and moments needed for fracture was measured, and forgeability was determined. Strength, elongations, and contractions \vere measured in the 800 to 1100° C range. 3AKAIOTEHHE A^a Toro, hto6m onpeAeAHTb Ae4>opMHpyeMOCTb CTaAH c 13 °/o Cr, npeAH03naqeH0e aah H3rOTOBAeHHe Typ0HH SbiAH npn T-ax n,\acTHnecKoii nepepaSoTKH BbinoAHeHbi cooTBeTCTByioiixHe hccacao-BaHiis. OnpeAeAflAH B03M05KH0CTb npncyTCTBa AByxcj>a30B0H aycre-HHTHO-(J>eppHTHOH CTpyKTypbi. BbinoAHHAH HcnbiTaHH« KacaiomHflcH Ke HccAeAOBaHHH kobhocth CTaAH. OnpeAeASAH 3HaieHHe a-mj npoMHoc-rh, yAAHHeHHe h cy>KeHiie b t-hx npeAeAax MeatAY 800—1100° U. Odgovorni urednik: Jože Arh, dipl. inž. — Člani Jože Rodič, dipl. inž., Mirko Doberšek, dipl. inž., dr. Aleksander Kveder, dipl. inž., Edo Žagar, tehnični urednik Oproščeno plačila prometnega davka na podlagi mnenja Izvršnega sveta SRS — sekretariat za informacije št. 421-1/72 od 23. 1. 1974 Naslov uredništva: ZPSZ — Železarna Jesenice, 64270 Jesenice, tel. št. 81-341 int. 880 — Tisk: GP »Gorenjski tisk«, Kranj