UDARNOŚĆ STALIWA L15G W TEMPERATURZE -40°C
RONATOSKI Jacek, ABB Zamech Elbląg, GŁOWNIA Jan, AGH Kraków
STRESZCZENIE
Zbadano wpływ odtleniania i obróbki cieplnej staliwa L15G na jego udarność w temperaturze -40 i -60°C. Wykazano, że wymagane wartości udarności 40 J/cm2 można uzyskać tak po normalizowaniu jak i ulepszaniu cieplnym tego staliwa.
1. ZAKRES ZASTOSOWANIA
Przy znacznej regresji w ilości produkowanych odlewów, istnieją obszary ich zastosowania, w których obserwuje się coraz większe zapotrzebowanie i znaczenie odlewów w wąskich dziedzinach przemysłu. Przykładem są tutaj urządzenia i elementy tych maszyn, pracujące w temperaturze poniżej 30°C.
Przemysł chemiczny i petrochemiczny wymagają materiałów, które w temperaturach od -40°C do -160°C, zapewniają bezpieczną pracę i frakcjonowanie produktów przerobu ropy naftowej. Dotyczy to także elementów transportujących ciekłe gazy (samochody, wagony kolejowe i statki morskie) oraz rurociągów transkontynentalnych. We wszystkich tych warunkach stosuje się odlewy na zawory, korpusy, zasuwy oraz na elementy platform wiertniczych.
Kryteria doboru materiału do pracy w tych warunkach wymagają znajomości zmian własności tych stopów ze zmniejszeniem temperatury. Należy pamiętać że, Rm, Re i HB rosną ze zmniejszeniem temperatury, a A5, Z i K wyraźnie maleją. Nie bez znaczenia są tutaj własności fizyczne stopu: przewodność cieplna i współczynnik rozszerzalności. Jest to szczególnie ważne w odlewach pracujących jako elementy aparatury chemicznej.
Podstawowe znaczenie w charakterystyce materiałowej ma zmiana udarności podczas zmian temperatur pracy danego elementu (rys. 1). Ta zależność występuje szczególnie wyraźnie dla stali (staliwa) ferrytycznego. Jednak staliwa te wykazują tak silny próg kruchości nie tylko wraz ze zmianą temperatury, lecz także w zależności od rodzaju obciążenia, wieloosiowego stanu naprężeń stopu, szybkości przyłożonego obciążenia i mikrostruktury osnowy stopu.
-200 -100 0 100 temperatura, °C
K A5
Rm
Rys. 1. Schemat zmian Rm, A5 i K wraz ze zmianą temperatury Fig. 1. Changing of Rm, A5 and K with temperature
Określenie temperatury progu kruchości, charakteryzowanej wartością energii łamania 27 J lub temperaturą otrzymania 50% przełomu kruchego, określa zachowanie odlewów ze stali w zmiennych warunkach pracy. Szczególnie ważnym jest stwierdzenie jaka jest najniższa temperatura, w której odlewy te mogą pracować.
Dla producenta odlewów dla jakiej technologii wytapiania i obróbki cieplnej, otrzymuje się dobrą jakość i najniższe koszty.
2. BADANIE UDARNOŚCI
Podstawę do badań stanowi staliwo L15G, wytapiane w piecu indukcyjnym o pojemności 50 kg. Próbki wycinano z wlewków (50 kg), odlewanych jako próba schodowa ze ściankami o grubości 45, 75 i 120 mm. Stal odtleniano przed spustem z pieca dodatkami glinu (0,9 kg/t), Fe–CaSi (3 kg/t) i stopem Al–Ti (0,7 kg/t) do form z mas na szkle wodnym, pokrywanych pokryciem cyrkonowym.
Z każdej grubości ścianki wycięto próby ∅15× 15× 200 mm i poddano je obróbce cieplnej w warunkach laboratoryjnych polegających na normalizowaniu (900° C/pow) oraz ulepszaniu cieplnemu (H 900° C/w + odpuszczanie 450 ÷ 600° C).
2.1. Wpływ obróbki cieplnej na udarność
Podwójne normalizowanie prób laboratoryjnych pozwala na uzyskanie wymaganej udarności (> 40 J/cm2) w temperaturze niższej niż minus 40° C (rys. 2a). Co prawda w temperaturze minus 60° C udarność jest niższa niż w minus 40° C (88 – 115 J/cm2), ale są to wartości przewyższające stawiane wymagania.
zakresie od -40° do -60° C. Z przeprowadzonych badań wynika, że ze wzrostem temperatur odpuszczania rośnie udarność. W temperaturach odpuszczania 550 i 600° C, udarność przewyższa wartość 100 J/cm2 (rys. 2a i 2b). Oznacza to, że dla staliwa L15G istnieje pewien zapas własności użytkowych, które można wykorzystać przy bardziej wymagających warunkach pracy odlewów z tego tworzywa.
a)
KCU J/cm2
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Norm H 900+odp.w 450 H 900+odp.w 500 H 900+odp.w 600 115
68,1
90
155
100
67,5
123,8
105 88,8
77,5
125
135,6 poziom 2
poziom 1 poziom 1
b)
KCU J/cm2
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Norm H 900+odp.w 450 H 900+odp.w 500 H 900+odp.w 600 71,9
85
77,5
109,4
86,3
61,3
125 124,4
52,5
68,8
91,9
100 poziom 2
poziom 1 poziom 1
Rys. 2. Zmiany udarności w temperaturze -40° C (a) i -60° C (b). Staliwa L15G o składzie chemicznym: 0,17% C; 1,19% Mn; 0,65% Si; 0,013% P; 0,017% S; 0,16% Cr i 0,043% Al.
Fig. 2. Impact toughness of L15G cast steel in -400C (a) and -600C (b). Chemical composition: 0,17%C; 1,19%Mn; 0,65%Si; 0,013%P.; 0,017%S; 0,16%Cr and 0,043%Al
Na podstawie przeprowadzonych badań udarności staliwa L15G po różnych zabiegach obróbki cieplnej, można stwierdzić, że:
— w temperaturach -40 i -60° C można uzyskać udarność powyżej 40 J/cm2,
— poprawny zabieg normalizowania (całkowita eliminacja struktury Widmannstaedtena) zapewnia powyższy poziom udarności,
— ulepszanie cieplne prowadzi do znacznej poprawy udarności w temperaturach -40 i - 60° C,
— dobrą udarność uzyskano przy podwyższonej zawartości chromu (0,16%).
LITERATURA
[1] Baerlecken E.: Stahl Merkblatt 470. Duesseldorf, 1977
[2] Keller A., Stanffer W.A.: Schwizer Arch. Maerz 1960, s. 89–99 [3] Maciejny A.: Kruchość stali. Wyd. Śląsk, Katowice 1977
[4] Głownia J., Młynarczyk L., i in.: Przegląd Odlewnictwa, 1995, nr 1, s. 2–9 [5] Wachelko T., i in.: 51 MKO Lizbona, ref. 18, s. 1–9
[6] Stoloff N.S.: Fracture of Metals, vol. 6, 1969, Academic Press, London [7] Levicek i in.: 53rd World Foundry Congress, 1986, ref. nr 4
[8] Rinebolt J.A., Harris W.J.: Effect of Alloying Elements on Notch Toughness of Perlitic Steels. Trans. ASM, vol. 43, 1951, p. 1157–1214
[9] Armstrong J.H., Brien R.E.: Properties affecting unsuitability of 9% Nickel Steel for low temperature Service. Weld. J. 38 1959, nr 2, p. 87–68
IMPACT TOUGHNESS OF CAST STEEL L15G IN TEMPERATURE -400C
ABSTRACT
This study demonstrates that deoxidation and heat treatment of cast steel L15G have effect on its impact toughness in -40 and -600C. Is was found that value of 40 J/cm2 can obtain after normalization or after quenching and tempering.
