METAL 2005
24.-26.2005 Hradec nad Moravicí
VLIV MNOŽSTVÍ SLÉVÁRENSKÉHO VRATU VE VSÁZCE
MATEŘSKÉ TAVBY NA CREEPOVÉ CHOVÁNÍ IN 738 LC
THE EFFECT OF FOUNDRY REVERT QUANTITY IN PARENT
BATCH ON ALLOY IN 738 LC CREEP PROPERTIES
Jan Hakl
Tomáš Vlasák
SVÚM a.s., Areál VÚ Běchovice, 190 11 Praha 9, ČR, <[email protected]>
Abstrakt
Byly zkoumány tři provozní mateřské tavby žárupevné Ni slitiny IN 738 LC, lišící se
kvalitou surovin ve vsázce. První tavba byla zhotovena pouze z čistých vysoce kvalitních
komponent. Druhá obsahovala kromě čistých komponent 50% a třetí 70% vratu. Kvalita
materiálu byla hodnocena dlouhodobými creepovými zkouškami, z nichž byly vyhodnoceny
pevnosti při tečení, meze tečení a rychlosti stacionárního creepu. Výsledkem
experimentálního studia bylo zjištění, že i při zpracování 70% vratu lze dosahovat uspokojivé
creepové vlastnosti slitiny IN 738 LC.
Abstract
Three plant parent heats of high temperature Ni base superalloy IN 738 LC differing in
quality of components in batch were investigated. The first heat was produced only from high
quality pure alloying elements whilst the second and the third ones contained 50% and/or
70% of foundry scrap, respectively. Quality of alloys were evaluated by long-term creep tests
from which were determined the main characteristic – creep strength, creep stress for 1%
strain and minimum creep rate. Experimental procedures resulted in finding that even during
processing of 70% scrap in batch it is possible to fully achieve satisfied needs on creep
properties.
1.
ÚVOD
Požadavky na užitné vlastnosti žárových částí z Ni slitin jsou mimořádně vysoké, a proto
jsou při jejich výrobě používány příslušné moderní metalurgické a technologické postupy. I
když je možné využívat různé výrobní možnosti [1], nejběžnějším metalurgickým procesem
je stále indukční vakuové tavení. Dnes je již samozřejmostí, že slitiny se zhotovují ve
velkokapacitních pecích ve specializovaných hutích, kde jsou aplikovány odpovídající
postupy rafinace taveniny [2]. Finálním produktem huti jsou ingoty se zaručeným chemickým
složením. Nejenom, že obsahy jednotlivých legůr musí být v předepsaných mezích. V
atestech jsou kvantitativně uváděna i množství nežádoucích doprovodných nízkotavných
prvků (Pb, Bi, Te, Cd aj.) a plynů (zejména N, O), která musí být pod přípustnými limity [3,
4, 5]. Ingoty jsou pak vstupním polotovarem pro následné technologické procesy.
Nejmasověji se žárové části vyrábí přesným litím metodou vytavitelného modelu, kde ingoty
slouží jako vsázka do vakuových pecí pro sériovou slévárenskou produkci.
Využití kovu při přesném lití je obvykle okolo 30%. To znamená, že při výrobě odlitků
vzniká asi 70% slévárenského vratu. Jeho recyklace a úplné využití pro výrobu nových
odlitků je problém technický i ekonomický. Z hlediska technického je často předmětem
diskuse, jaké množství vratu lze recyklovat, má-li být zaručena kvalita odlitků. Z pohledu
ekonomického by tento podíl měl být co nejvyšší. Pokud se vrat vhodně recykluje, má
METAL 2005
24.-26.2005 Hradec nad Moravicí
hodnotu řádu vyšších set Kč za kilogram materiálu. Jinak je jeho cena však sporná, neboť je
prakticky nepoužitelný.
Předkládaná analýza je příspěvkem k této problematice. Budou posouzeny tři hutní tavby
slitiny IN 738 LC, lišící se podílem vratného materiálu ve vsázce. Jejich kvalita je hodnocena
na základě výsledků rozsáhlejších creepových zkoušek, kterými byly jednotlivé tavby
testovány.
30
210
120
Ø60
EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL
K experimentům
byly Tab. I Chemické složení IN 738 LC (% hm)
k dispozici tři varianty slitiny IN Tab. I Chemical composition of IN 738 LC (% wt.)
738 LC od rozdílných výrobců
Tavba
mateřských taveb, lišících se
RC 443/18 Q 197/15
C 3873
Předpis
kvalitou vsázkových surovin a Prvek
C
0,09-0,13
0,093
0,10
0,10
následně i výrobcem litých
Cr
15,7-16,3
15,83
15,74
16,09
polotovarů
pro
zhotovení
Co
8,0-9,0
8,32
8,42
8,36
zkušebních
tyčí.
Ve
všech
W
2,4-2,8
2,60
2,54
2,63
případech byly mateřské tavby
Mo
1,5-2,0
1,66
1,74
1,75
zhotoveny indukčním tavením ve
vakuu ve specializovaných hutních
Al
3,2-3,7
3,55
3,45
3,39
procesech. Chemické složení taveb
Ti
3,2-3,7
3,25
3,29
3,26
Nb
0,6-1,1
0,76
0,82
0,83
Ta
1,5-2,0
1,74
1,75
1,61
Zr
0,03-0,08
0,023
0,04
0,041
B
0,007-,012
0,009
0,008
0,008
Si
max
0,30
<0,05
0,04
0,04
Místa pro odběr
polotovarů pro výrobu
Mn
max 0,20
<0,05
0,01
<0,02
zkušebních vzorků
Fe
max 0,35
0,07
0,31
0,30
Cu
max 0,10
<0,02
<0,01
<0,02
P
max 0,010
<0,003
0,003
<0,005
S
max 0,015
<0,003
0,002
0,005
N
max 50 ppm
14 ppm
18 ppm
O
max 20 ppm
11 ppm
5 ppm
2,30
2,29
2,30
µNV
NVkrit
2,39
2,38
2,37
40
2.
uvádí tab.I.
Slitina IN 738 LC je při nevhodné kombinaci
obsahů legujících prvků náchylná k sigmatizaci. Pro
zabránění této strukturní reakce bylo složení slitin
optimalizováno pomocí postupu PHACOMP [6].
Obr. 1 – Odlitek pro výrobu
Vypočtené střední koncentrace elektronových vakancí
zkušebních těles
µNV pro jednotlivé tavby a odpovídající kritické hodnoty
Fig. 1 – Casting for preparation
NVkrit* jsou uvedeny v tab I. Ve všech případech bylo µNV <
of testing body
NVkrit což znamená, že testované varianty slitin nejsou
náchylné k precipitaci fáze σ během provozní expozice.
*
Pozn.: Pro IN 738 se běžně uvádí hodnoty NVkrit=2,36 [6,7]. Podle zpřesněného postupu [8] se pro IN 738 LC
NVkrit určuje pomocí vztahů NVkrit=2,36-0,1(Ti-Al) pokud (Nb+Ta)≤2,7 nebo NVkrit=2,30-0,1(Ti-Al) pokud
(Nb+Ta)> 2,7. Znaky Ti, Al, Nb a Ta jsou míněny hm% uvedených prvků ve slitině.
METAL 2005
24.-26.2005 Hradec nad Moravicí
90
První mateřská tavba o hmotnosti 1t byla zhotovena pouze z čistých komponent
(tzv.kvalita „virgin“) u fy ROSS and CATHERALL pod tavbovým označením RC 443/18.
K výrobě zkušebních tyčí byly ve slévárně přesného lití Walter Deritend a.s. (nyní Prague
Casting Services a.s.) používány odlitky tzv.“čtyřlístků“ (viz Obr.1). Tato tavba by měla
představovat nejvyšší kvalitu a bude sloužit jako referenční
Ø18
materiál pro následující dvě varianty.
Druhá mateřská tavba měla též hmotnost 1t, byla
zhotovena z 50% slévárenského vratu a 50% čistých
komponent (tzv. kvalita „master“) a dodána hutí WILLAN
METALS pod označením Q 197/15. I z této tavby byly ve
slévárně Walter Deritend a.s. odlity „čtyřlístky“ stejně jako
u předchozí tavby.
Dodavatelem třetí mateřské tavby byla firma FIRTH
RIXON SUPERALLOYS. Byla dodána v hmotnosti 2t a
zhotovena pod označením C 3873 z 70% slévárenského
vratu a 30% čistých prvků (opět kvalita „master“). Tento
materiál byl použit k odlití konických polotovarů podle
Ø12
obr.2 v PBS Velká Bíteš a.s..
Z odlitých polotovarů, charakterizující jednotlivé tavby,
byly po tepelném zpracování 1120 ± 10°C /2h/ Ar + 845
± 5°C /24h/ Ar obrobeny zkušební tyče s měrným Obr. 2 – Odlitek pro výrobu
průměrem a délkou ∅5x50 mm.
zkušebních těles
Fig. 2 – Casting for
2.1 Creepové experimenty a jejich výsledky
preparation of testing
specimens
Creepové testy byly provedeny při stálém zatížení na
vzduchu. Kromě obvyklých výsledků zkoušek, tj. dob do
lomu, kontrakce a tažnosti při lomu, byly sledovány u většiny testů i creepové deformační
charakteristiky.
V případě taveb RC 443/18 a Q 197/15 byl rozsah experimentů stejný. Zkoušky byly
uskutečněny v rozsahu teplot 800–950°C a napětí 100–320 MPa.. Celkový počet zkušebních
hodin v případě první tavby byl 15 317 h a u druhé pak 17 274 h. Testy materiálu třetí tavby
byly rozsáhlejší – probíhaly v rozmezí teplot 750–1 000°C a napětí 65–530 MPa a celkový
rozsah experimentů byl 43 722 h.
Ze získaných experimentálních dat byly matematickými postupy, uvedenými v [9],
vyhodnoceny
následující
materiálové
charakteristiky – pevnost při tečení, mez
tečení 1% a rychlost tečení. Veškerá data ze
všech tří taveb byla vyhodnocena jako jeden
soubor a stanovena regresní závislost
hodnocené vlastnosti na teplotě a době do
lomu. Pro pevnost při tečení je tato závislost
patrná na obr.3, kde pro zobrazení je použit
Larsen-Millerův parametr (LMP). Okolo
průběhu střední hodnoty (plná linie) jsou na
diskutovaném
obrázku
vyneseny Obr.3 Vyhodnocení pevnosti při tečení
experimentální výsledky z jednotlivých
slitiny IN 738 LC
taveb (viz znaky a popis v legendě). Je Fig.3 Evaluation of creep strength of
zřejmé, že experimentální data jsou zcela
IN738 LC alloy
rovnoměrně
a
s malým
rozptylem
distribuována podél průběhu regresní
1000
všechny tavby
0% vratu
50% vratu
Napětí [MPa]
70% vratu
100
LMP = 23532
tr = 1000h
T = 750 °C
LMP = 25756
tr = 10000h
T = 800°C
LMP = 24682
tr = 1000h
T = 800°C
10
22000
23000
24000
25000
LMP = 28156
tr = 10000h
T = 900°C
LMP = 26956
tr = 10000h
T = 850°C
26000
27000
LMP=T.(log(tr)+20), [K, h]
LMP = 29356
tr = 10000h
T = 950°C
28000
29000
30000
METAL 2005
24.-26.2005 Hradec nad Moravicí
závislosti. Z toho lze vyvozovat, že z hlediska pevnosti při tečení nejsou systematické rozdíly
mezi tavbou čistě z komponent a tavbami s rozdílným podílem slévárenského vratu.
Obdobně byla vyhodnocena data charakterizující mez tečení 1% a rychlosti tečení, jak je
patrné z následujících obr.4 a obr.5. I zde je názorně patrné, že experimentální výsledky mezí
tečení (obr.4) a rychlostí tečení (obr.5) pro jednotlivé tavby jsou rovnoměrně rozprostřeny
podél průběhů středních hodnot.
0,1
1000
Všechny tavby
0% vratu
50% vratu
Rychlost tečení [%/h]
Napětí [MPa]
70% vratu
100
LMP = 23532
tr = 1000
T = 750
LMP = 25756
tr = 10000
T = 800
LMP = 24682
tr = 1000
T = 800
10
22000
LMP = 28156
tr = 10000
T = 900
LMP = 26956
tr = 10000
T = 850
0,01
Teplota 800°C
Teplota 850°C
Teplota 856,5°C
Teplota 900°C
Teplota 950°C
Teplota 1000°C
Teplota 750°C
50%
0%
70%
0,001
LMP = 29356
tr = 10000
T = 950
0,0001
23000
24000
25000
26000
27000
P=T.(log(tr)+20), [K, h]
28000
29000
30000
0
100
200
300
400
500
600
Napětí [MPa]
Obr. 4 Vyhodnocení meze tečení 1% slitiny Obr. 5 Vyhodnocení rychlosti tečení slitiny
IN 738 LC
IN 738 LC
3.
DISKUSE
Pro zpracování vratu niklových superslitin platí běžné technické zásady. Vzhledem k tomu,
že metalurgické zpracování probíhá v indukční peci ve vakuu (kde nelze pro rafinaci taveniny
aplikovat strusku), nelze vsazovat do pece materiál se zbytky keramiky ze skořepin, se
zalitými keramickými filtry či jádry nebo jinak hrubě znečištěný vrat. Povrchové vrstvy
odlitků bývají kontaminovány oxidy a nitridy, vznikajícími při dochlazování odlitků na
vzduchu po vyjmutí z vakuové pece, a proto musí být vrat velmi pečlivě otryskán.
Vliv metalurgických či technologických faktorů na žárupevnost se v provozních
podmínkách obvykle hodnotí pomocí krátkodobých atestačních zkoušek, charakterizujících
doby do lomu při vybraných úrovních teploty a napětí. Tento postup je snadný a rychlý, ale
nemusí být dostatečně objektivní. Námi získaný soubor výsledků podává mnohem
podrobnější informaci o chování hodnocené slitiny – kromě dlouhodobějších informací o
pevnosti při tečení jsou uvedeny i deformační creepové vlastnosti, a to na různých hladinách
teplot a napětí.
Z matematického vyhodnocení experimentů vyplývá, že při výrobě mateřských taveb lze
do vsázky přidávat až 70% slévárenského vratu, aniž by to negativně ovlivnilo creepové
vlastnosti slitiny. Jako doplněk naší práce by bylo vhodné ještě provést rozbor vlivu množství
recyklovatelného vratu ve vsázce na zmetkovitost, kupř. z titulu nemetalických inkluzí. Tato
činnost je však mimo naše možnosti a mohla by být provedena pouze odborníky z výrobních
či kontrolních útvarů sléváren.
4.
ZÁVĚR
Experimentálnímu studiu byl podroben materiál tří hutním způsobem vyrobených
mateřských taveb slitiny IN 738 LC, k jejichž zhotovení bylo použito odstupňovaného
množství slévárenského vratu. Kromě slitiny, vyrobené pouze z čistých komponent, byly
připraveny tavby obsahující 50 a 70% vratu. Kvalita těchto materiálů byla posuzována na
základě dlouhodobých creepových zkoušek, provedených v rozmezí teplot 750-1000°C a
napětí 65-530 MPa, z kterých byla vyhodnocena pevnost při tečení, mez tečení 1% a
minimální rychlost tečení. Z provedených prací vyplynulo, že množství recyklovaného vratu
až do podílu 70% v mateřské tavbě nemělo negativní vliv na creepové chování slitiny.
METAL 2005
24.-26.2005 Hradec nad Moravicí
LITERATURA
[1] SHAMBLEN,C.E.-CHANG,D.R.-CORRADO,J.A.: Superalloy Melting and Cleanliness
Evaluation. Proc. 5th Int. Symposium SUPERALLOYS 1984, Seven Springs Mountain
Resort, pp.511 –524. Ed. M.Gell et al, The Metalurgical Society of AIME.
[2] WAUDBY,P.E.: Application of the „SUPERVAC“ Process for the Recycling of Ni based
Alloys. Proc. 8th Int. Symposium PRECAST 95, pp.142-149. Ed.J.Hakl, SPL Brno May
1995.
[3] HOLT,R.T-WALLACE,W.: Impurities and Trace Elements in Ni-base Superalloys.
International Metals Reviews, 21 (1976), pp.1-24.
[4] McLEAN,M-STRANG,A.: Effect of Trace Elements on Mechanical Properties of
Superalloys. Metals Technology, 11 (1984), pp.454-464.
[5] GIBBONS,T.B.: Some effect of Trace Elements in Reducing Creep Performance of Highstrength Superalloys. Material Science and Technology, 1 (1985), pp.1033-1039.
[6] SIMS,CH.T.-HAGEL,W.C.: The Superalloys. J.Wiley and sons. New York, 1972.
[7] Alloy IN 738. Nickel-Base, Vacuum Cast, High Temperature Alloy, Technical Data,
International Nickel, Sept.1968.
[8] DUSTAN,A.: Osobní sdělení. Ross and Catherall, Sheffield, leden 1991.
[9] HAKL,J.-VLASÁK,T.: Žárupevné vlastnosti vybraných superslitin na bázi Ni.
Tento sborník
Poděkování
Práce vznikla za finanční podpory MPO a MŠMT v rámci projektů FD-K2/72 a
VZ 257970001.
Download

vliv množství slévárenského vratu ve vsázce mateřské tavby na