STABILNOŚĆ STRUKTURALNA STALI P92 W KSZTAŁTOWANYCH PLASTYCZNIE ELEMENTACH RUROCIĄGÓW KOTŁÓW ENERGETYCZNYCH ANDRZEJ TOKARZ, WŁADYSŁAW ZALECKI

Transkrypt

1 PL STABILNOŚĆ STRUKTURALNA STALI P92 W KSZTAŁTOWANYCH PLASTYCZNIE ELEMENTACH RUROCIĄGÓW KOTŁÓW ENERGETYCZNYCH ANDRZEJ TOKARZ, WŁADYSŁAW ZALECKI Instytut Metalurgii Żelaza im. S. Staszica, Gliwice W badaniach dylatometrem z możliwością odkształcania, opracowano wykresy CTPc stali P92 bez odkształcenia oraz po odkształceniu 40% w temperaturach 950, 1000 i 1050 C oraz zbadano ich struktury. Stwierdzono, że odkształcenie przesuwa początek przemiany do krótszych czasów oraz poszerza jej zakres temperaturowy. Dalsze przesunięcie czasu przemiany następuje ze wzrostem temperatury odkształcenia. 1. WPROWADZENIE Wyroby hutnicze ze stali P92, głównie rury, są dostarczane w stanie ulepszonym cieplnie: hartowanie w powietrzu i odpuszczanie, zgodnie z warunkami dostawy opracowanymi na podstawie badań. Strukturę tych wyrobów stanowi martenzyt odpuszczony z różnym udziałem ferrytu oraz wydzieleniami węglików Równoważnik chromu, %Cr Równow. Cr[%]= [Cr] + [Si] + l,5{mo] + l,75[nb] + l,5jti] + 0,75[W] + 5,5[Al] Równow. Ni[%] = [Ni] - [Co] = 0,5[Mn] + 03[Cu] +25[N] + 30[C] Rys.l. Wykres Schaeffler'a z zakresami występowania fez w stalach 9-12%Cr Wiele procesów przetwarzania wyrobów hutniczych jest przeprowadzanych w podwyższonych temperaturach, np. gięcie rur na kolana lub zakuwanie końców rur. Po tych operacjach również powinna następować obróbka cieplna obejmująca hartowanie w powietrzu i odpuszczanie. Temperatura austenityzowania powinna być na tyle wysoka, aby

2 zapewnić pełne przekrystalizowanie struktury w austenit z równoczesnym rozpuszczeniem węglików, to jest w zakresie temperatur C [1,2,3,4]. Z układu równowagi fazowej opracowanego przy użyciu programu Thermocalc [3] oraz z wykresu Schaeffler'a (rys.l) wynika, ze w stanie równowagi w strukturze stali P92 może występować ferryt delta. Obecność i ilość wydzielonego ferrytu zależy również od temperatury austenityzowania i prędkości chłodzenia z tej temperatury [4]. Ferryt w strukturze stali o osnowie martenzytu obniża właściwości wytrzymałościowe, w tym wytrzymałość na pełzanie [5]. 2. CEL BADAŃ Celem badań było określenie wpływu odkształcenia plastycznego na gorąco stali P92 na kinetykę i zakres czasowo - temperaturowy wydzielania ferrytu podczas ciągłego chłodzenia z temperatury odkształcania. 3. BADANIA 3.1. Materiał do badań Próbki do badań ze stali P92, o składzie chemicznymi przedstawionym w tabeli 1, wykonano z prostych odcinków rur o średnicy 160mm i grubości ścianki 40mm pochodzących z importu oraz z kolan (łuków) po gięciu rur o średnicy 219mm i grubości 20mm. Gięcie rur wykonywano w temperaturze 850 C. Odcinki rur i kolana ze stali P92 zostały obrobione cieplnie w dwóch zabiegach przez hartowanie w powietrzu z temperatury C i odpuszczanie w temperaturze C. Tabela 1. Skład chemiczny badanej stali c 0,10 Mn 0,45 Si 0,17 P 0,01 S 0,01 Zawartość: pierwiastków, % Cr 9,26 Ni 0,25 Mo 0,47 V 0,20 W 1,95 Nb 0,059 Cu 0,08 Al 0,01 N 0,04 B 0, Metody badań Wykres CTPc stali P92 opracowano z zastosowaniem dylatometru DIL 805, który umożliwił również zbadanie wpływu odkształcenia na przemiany fazowe. Badania prowadzono na próbkach 04/2x10 mm (bez odkształcenia) oraz na próbkach o średnicy lomm i długości 5mm, (próbki odkształcane na gorąco) stosując następujące parametry: - temperatura austenityzowania: 1050 C - czas wygrzewania: 5 min - temperatura odkształcenia: 950, 1000 i 1050 C - odkształcenie (ściskanie) <p=0,51 (odkształcenie względne: 40%), - szybkość chłodzenia po odkształceniu mieściła się w zakresie od 2 C/min do 60 C/min.

3 Badania struktury stali P92 przeprowadzono na próbkach dylatometrycznych nie odkształconych, odkształconych na gorąco i chłodzonych z różnymi szybkościami oraz na próbkach wyciętych z łuków (kolan) po gięciu rur. 33. Wyniki badań 33.1.Wykresy przemian austenitu przy chłodzeniu ciągłym Wykresy przemian austenitu przy ciągłym chłodzeniu badanej stali P92 przedstawiono na rys.2 obejmującym zakresy temperaturowo-czasowe przemian z wykresu CTPc po odkształceniu w temperaturze 950 C po odkształceniu w temperaturze 1000 C. Anizotermiczny wykres CTP stali P bez odkształcenia A odkształcenie w 1000 C odkształcenie w 950 C Cos,* Rys.2. Zakresy przemian stali P92 po odkształceniu plastycznym 40% w temperaturach 950 i 1000 C Odkształcenie stali P92 powoduje przesunięcie zakresu przemiany austenitu w ferryt do krótszych czasów. Podobny wpływ wywiera wzrost temperatury odkształcania (od 950 do 1000 C). Przykładowo, początek przemiany austenitu w próbkach odkształconych w 1000 C następuje po czasie około 200 s, w próbkach odkształconych w 950 C - po czasie około 800s a w próbkach bez odkształcenia - po około 8000 s. Przemiana w stali P92 po odkształceniu przebiega w szerszym zakresie temperatur: około C w stosunku do zakresu temperaturowego przemiany w stali P92 bez odkształcenia: około C.

4 Twardość stali P92 chłodzonej z różnymi szybkościami z temperatury austenityzacji Wyniki pomiarów twardości próbek stali P92 chłodzonych z temperatury 1050 C bez odkształcenia oraz odkształconych gniotem 40% w temperaturach 1050, 1000 i 950 C przedstawiono na rys.3, w formie zależności twardości od szybkości chłodzenia. Twardości próbek odkształcanych są wyższe od twardości próbek chłodzonych bez odkształcenia w zakresie szybkości chłodzenia 60-5 C/min < -A,_- \ - B ^-' r ' -A "D. -- * j f 0 / ^ bez odkształć. O- -odkształć, w A- odkształć, w odkształć w I 1 \ I 10 SzybkoM chtodnnte, 'On* Rys.3. Zależność twardości stali P92 od szybkości chłodzenia do temperatury otoczenia po odkształceniu w podanych temperaturach Struktura Przykładowe obrazy struktury stali P92 w stanie wyjściowym przed badaniami przedstawiono na rys.4, natomiast na rys. 5 pokazano przykładowe obrazy struktur stali P92 obserwowane na próbkach chłodzonych z szybkością 5 C/min z temperatury 1050 C bez odkształcenia i z odkształceniem w 1050,1000 i 950 C. Stal P92 w stanie wyjściowym charakteryzowała się znacznie zdegenerowanymi listwami martenzytu i wydzieleniami ferrytu delta oraz węglików W próbce stali P92 bez odkształcenia utworzyła się struktura o osnowie martenzytu z nieregularnymi ziarnami ferrytu ułożonymi w skupiska, podobna do struktury w stanie wyjściowym (rys.5a). W próbkach odkształconych w temperaturze 950 C utworzyła się struktura martenzytu z drobnymi wydzieleniami ferrytu (rys.5b). Obszary z wydzieleniami dużych ziarn ferrytu w osnowie martenzytu listwowego obserwowano w próbkach odkształconych w temperaturze 1000 C (rys.5c).

5 W stosunku do struktur próbek odkształconych w temperaturach 950 C i 1000 C, struktury próbek odkształconych w temperaturze 1050 C charakteryzują się większymi obszarami ferrytu z wyraźnie zarysowanymi granicami ziam (rys.5d). Wydzielenia ferrytu w skupiskach lub pasmach obserwowano również w strukturze wyrobów ze stali P92, których przykłady przedstawiono na rysunku 6. Rys. 4. Obraz struktury stali P92 w stanie wyjściowym do badań Rys.5. Obrazy mikrostruktury stali P92 chłodzonej z szybkością 5 C/min z temperatury 1050 C a) bez odkształcenia, b) z odkształceniem w 950 C, c) z odkształceniem w 1000 C, d) z odkształceniem w 1050 C

6 Rys. 6. Obrazy SEM struktury łuków giętych na gorąco ze stali P92 4. PODSUMOWANIE Odkształcenie plastyczne stali P92 w zakresie temperatur C przyspiesza przemianę austenitu w ferryt (z wydzieleniem węglików) w stosunku do zakresu przemiany w stali nie odkształconej: około 10 krotnie po odkształceniu w 950 C i około 30-krotnie po odkształceniu w 1000 C. Może to być jedną z przyczyn tworzenia wydzieleń ferrytu w strukturze wyrobów ze stali P92 kształtowanych przez obróbkę plastyczna na gorąco. Odkształcenie plastyczne stali P92 na gorąco powoduje również zwiększenie jej twardości po ochłodzeniu do temperatury otoczenia, z szybkościami większymi od 2 C/s, w porównaniu do twardości stali nie odkształconej i chłodzonej z takimi samymi szybkościami. Zwiększenie twardości, a więc i właściwości wytrzymałościowych, stali odkształconej plastycznie w wysokich temperaturach jest spowodowane rozdrobnieniem struktury i zmniejszeniem wydzieleń ferrytu. Przy opracowaniu technologii przetwarzania wyrobów ze stali P92, jak np. wykonywanie kolan z prostych odcinków rur, należy uwzględniać parametry chłodzenia wyrobu z zakresu plastycznego kształtowania na gorąco tak, aby struktura wyrobu była drobnoziarnista i bez dużych wydzieleń ferrytu. Otrzymanie takiej struktury zapewnia wysokie własności wytrzymałościowe wyrobu oraz obniża skłonność do powstawania i rozprzestrzeniania się pęknięć wewnętrznych na granicach międzyfazowych. Literatura: 1. Foldyna V. i inni - Steel Research 1.61,1996, nr 9, s Kozłowski R. H., Rutkowska A. - Inżynieria Materiałowa T.19, 1998, nr 3, Materiały Konferencji "Advanced Materials and Technologies" 3. Hałd J., Kubon Z. - Thennodynamic Prediction of Microstructure w zbiorze: Microstructural Development and Stability in High Chromium Ferritic Power Plant Steels. The Institute of Materials, Cambridge, 1997, s Saroja S. i inni - Mater. Sc. and Technology 1.13, 1997, s Nippon Steel Technical Report nr 50, July, 1991