CS275787B6 - Martensitic rustless steel for castings - Google Patents

Description

4 /- CS 275787 3 6

Vynález se týká martenzitické nerezavějící oceli, na odlitky, vhodné pro výrobu sou-částí vodních turbin pro vodní elektrárny, například pro výrobu oběžných kol, rozváděčíchlopatek a výztužných lopatek, u kterých se vyžaduje, aby měly velkou odolnost proti kavi-tační korozi. V tepelných a atomových elektrárnách má jednotkový výkon generátoru stále vzrůstajícítrend, avšak je velmi obtížné překonávat špičkové zatížení. 3ako jeden prostředek k překo-návání špičkového zatížení se osvědčily vodní elektrárny schopné nastavovat výstupní vý-kon v poměrně krátkém časovém intervalu, zejména konstrukce přečerpávacích elektráren,které mohou účinně využívat přebytečného výkonu v noci.

Vodní turbína v těchto přečerpávacích elektrárnách je tzv. čerpadlová reverzní tur-bina, která pohání generátor ve dne a přečerpává vodu v noci. Tyto elektrárny mívají vy-soký spád a vysoký výkon, aby se účinně využilo stavebního místa a snížily se stavebnínáklady na jednotku výkonu.

Ocel na odlitky, která obsahuje především chrom v množství asi 13 % hmot. se běžněužívá jako materiál pro součásti vodních turbin jako jsou oběžné kolo, rozváděči lopatkya výztužné lopatky; popřípadě ještě tato ocel obsahuje nikl. Podmínky, za kterých pracujívodní turbiny s vysokým spádem a velkým výkonem, jsou však neustále těžší. Na povrchu lo-patek oběžného kola se v důsledku vysoké rychlosti proudění vody vytvářejí oblasti podtla-ku, a povrch lopatek se poškozuje pulsním zatížením, vznikajícím tehdy, když dutinky vznik-lé podtlakem na jejich povrchu se zhroutí. Tím vzniká tzv. kavitační koroze. Běžné mate-riály nejsou schopné odolávat této kavitační korozi. Ve snaze o vysoký spád ve vodníelektrárně a o vysoký výkon je tedy žádoucí vyvinout materiál se zvýšenou mechanickoupevností a houževnatostí a zejména s velkou odolností proti kavitační korozi. Předmětem vynálezu je martenzitická nerezavějící ocel na odlity,až 8,0 % hmot. niklu a 11,0 až 14,0 % hmot. chrómu. Podstata vynálezuocel'obsahuje 0,05 až 0,1 % hmot. uhlíku, 0,3 až 1,0 % hmot. křemíku,manganu, zbytek železo. která obsahuje 0,5spočívá v tom, že2,0 až 9,0 % hmot.

Martenzitická nerezavějící ocel na odlitky podle vynálezu má nejen vynikající odol-nost proti, kavitační korozi, vysokou mechanickou pevnost a houževnatost, ale dá se snadnovyrobit v průmyslovém měřítku bez jakýchkoliv speciálních opatřeni při odlévání.

Množství základních 5. legovacích prvků lze odůvodnit jejich působením na vlastnostioceli.

Uhlík obsažený v martenzitické nerezavějící oceli podle vynálezu slouží k vytvořenístabilní martenzitické fáze tepelným zpracováním a tedy ke zvýšení pevnosti oceli na od-litky. Nadměrné množství uhlíku však snižuje houževnatost, takže ocel má obsahovat 0,05až 0,1 ?s hmot. uhlíku. Křemík se přidává jako dezoxi.dační činidlo společně s manganem při tavení ocelia slouží ke zvýšení slévatelnostl oceli na odlitky. Příliš velké množství křemíku všaksnižuje stejně jako uhlík houževnatost nerezavějící oceli, takže množství křemíku má býtv rozmezí 0,3 až 1,0 % hmot.

Mangan představuje složku, která hraje obzvlášt důležitou roli při zvyšování odol-nosti nerezavějící oceli na odlitky podle vynálezu proti kavitační korozi. Důvodem k tomu,že celkové množství manganu má být omezeno na rozmezí 2,0 až 9,0 ?í hmot. je to, že účinekpřísady není znatelný, pokud je množství menší než 2,0 "s hmot. a že v oceli na odlitkyvznikají fáze epsilon a austenitická fáze, které snižují mez trvalého prodloužení, pokudmnožství manganu převýší 9,0 % hmot. Z praktických důvodů je nejvýhodnější přídavek man-ganu v rozmezí 2,5 až 6,0 % hmot.

Nikl představuje složku, která se rozpouští v pevné fázi v kovové matrici., stabili-zuje martenzitickou fázi a zvyšuje houževnatost. Celkové množství niklu je omezeno na roz- Λ CS 275737 36 2 mezí od 0,5 do 8,0 % hmot, protože při přidání menšího množství než dolní mez je účinekniklu příliš slabý, zatímco při přídavku převyšujícím horní mez se zvýšením tvrdosti zhor-šuje obrobítelnost martenzitická nerezavějící oceli na odlitky a zvýšením obsahu austenituse snižuje mez trvalého prodloužení. Oe proto žádoucí obsah niklu 1,0 % až 6,0 % hmot.a nejúčelnější 3,0 % až 4,0 % hmot.

Chrom je důležitý jako legovací složka podporující odolnost proti korozi. Množstvíchrómu pod 11 hmot. má v oceli nedostatečný účinek, zatímco při množství nad 14 %hmot. chrómu vzniká v matrici ferit delta, který snižuje odolnost proti kavitační korozi.Celkové množství chrómu leží s výhodou v rozmezí 12,0 až 13,5 % hmot.

Tavení lze provádět v indukční nebo v obloukové peci a odlévání lze provádět běžnýmzpůsobem například do pískové formy nebo do kovové formy.

Po odlití se provádí chlazení takovou rychlostí, aby nevznikaly trhlinky, přičemžchladicí rychlost závisí na tvaru a rpzměru ocelového odlitku; je žádoucí, aby temperováníprobíhalo od teploty 500 až 700 °C. Příklady:

Materiály, podle vynálezu, jejichž chemická složení je uvedeno v příkladech 1 a 2v tabulce 1, byly taveny v indukční peci a tepelně zpracovány tak, aby jejich tepelnézpracování odpovídalo chlazení velkého odlitku na vzduchu. Vzorky potom byly dále tepelnězpracovány při teplotě 1 050 °C, chlazeny rychlostí 150 °C/h a potom tepelně zpracoványa popuštěny při teplotě 650 °C.

Vyrobené vzorky byly zkoušeny pokud jde o mez pevnosti v tahu Rm, mez plastické de-formace Rp 02, kontrakci Z, tažnosti A5, vrubovou houževnatost KCV2 (Charpyho kladivo,vrub tvaru V šířky 2 mm při teplotě 20 °C) a tvrdost podle Vickerse HV.

Dosažené výsledky jsou shrnuty v tabulce 2.

Potom bylo na vzorky působeno po dobu 130 minut v čisté vodě o teplotě 25 °C elektro-strikčními vibracemi, jejichž frekvence byla 6,5 kHz a dosah 100 /um, potom se zjištovalhmotnostní úbytek, způsobený kavitační korozí; kavitační součinitel potom byl vypočtenpodle této rovnice: KS = w/(t. j5 ).10 6 kde w znamená hmotností úbytek způsobený kavitační korozí |g|, _t je doba zkoušení v minu-tách a j5 je hustota |kg.m ^|.

Kontrolní materiály s chemickým složením uvedeným v tabulce 1 pod čísly 1 až 7(kontr. vzorky), byly roztaveny, odlévány a tepelně zpracovány stejným způsobem jako ma-teriály podle vynálezu a byly z nich vyrobeny vzorky. Vlastnosti těchto vzorků potom bylyzkoušeny stejně jako vlastnosti vzorků z ocelí podle vynálezu. Dosažené výsledky jsou takéshrnuty v tabulce 2. 3 CS 275787 B 6 l· ? Ň

Tabulka 1

Složení (% hmot.) C N Si. Cr Ni Mn Mo Nb Cu Fe Příklady 1 0,05 - 0,31 13,44 1,97 5,33 - - zbytek 2 0,06 - 0,32 12,95 3,26 5,15 - - - II Kontrol.vzorky 1 0,05 - 0,32 13,09 1,81 0,59 0,56 - - ,1 2 0,04 - 0,32 13,27 3,52 0,57 0,55 - - II 3 0,05 - 0,31 13,42 1,94 1,48 - - - ·' 4 0,06 - 0,33 13,05 1,91 3,03 3,53 - - II 5 0,05 - 0,30 13,20 3,45 1,51 - - - II 6 0,06 - 0,34 13,17 3,43 2,98 3,58 - - II 7 0,05 - 0,30 13,12 5,93 0,58 1,56 - - II

Tabulka 2

Mez pevnostiv tahu Rm (MPa) Mezplast.deformaceRpO2(MPa) Kont- rakce Z (¾) Tažnost A5 (¾) Vrubová houžev- natost KCV2 '(J.cm-Z) T vrdostpodle Vi ckerse HV K 5 Příklady 1 865 592 78,5 15,0 202 274 44,31 2 989 601 72,5 15,6 172 316 34,12 Kontrol.vzorky 1 X 756 537 69,1 16,7 228 243 64,30 2 863 546 62,5 14,0 152 270 55,16 3 705 523 77,6 17,3 305 233 63,06 4 827 509 64,7 16,9 13 268 45,28 5 782 595 79,2 15,1 301 254 58,27 6 952 553 62,5 15,0 20 302 33,85 , 7 914 503 64,0 15,8 147 304 49,20

Claims (2)

1. CS 275737 3 6 Jak je patrno z tabulky 2, mají vzorky z martenzitické nerezavějící oceli podle vyná-lezu kavitační součinitel nižší než 45 na rozdíl od kontrolních vzorků; je tedy zřejmé, ževzorky z oceli podle vynálezu mají obzvláště vynikající odolnost proti kavitační korozioproti, chromové oceli s obsahem 13 % hmot. chrómu, odpovídající kontrolním vzorkům 1 a 2,ktoré se až dosud běžně používá jako konstrukčního materiálu pro běžné součásti vodníchturbin a jejíž kavitační součinitel KS je vyšší než 55. Také je zřejmé, že pevnost a taliua houževnatost oceli podle vynálezu je stejná nebo lepší než u kontrolních vzorků z dosa-vadních ocelí. Kontrolní vzorek č. 6 má vynikající odolnost proti kavitační korozi, avšak velicenízkou vrubovou houževnatost. Není tedy vhodný jako konstrukční materiál pro součástivodních turbin jako jsou oběžná kola, rozváděči lopatky a výztužné lopatky, které musejímít vysokou houževnatost. Jak již bylo uvedeno, má martenzitická nerezavějící ocel na odlitky podle vynálezuvynikající odolnost proti kavitační korozi, vysokou pevnost a houževnatost. Přitom sedá vyrábět snadno a v průmyslovém měřítku bez jakýchkoli speciálních opatření při odlé-vání. Je tedy velice vhodná jako materiál na šrouby pro lodi a na součásti vodních turbinpro vodní elektrárny, například na oběžná kola, výztužné lopatky a rozváděči lopatky. Obr. 1 znázorňuje v axonometrickém pohledu oběžné kolo turbiny, vyrobená z martenzi-tické nerezavějící oceli podle vynálezu a použité ve vodní elektrárně. Obr.
2. 2 znázorňujeřez oběžným kolem z obr. 1, k němuž jsou přiřazeny další součásti turbiny. Na obr. 1 a 2je znázorněn vrchol 2 turbiny, lopatky bočnice 2, výztužné lopatky £ a rozváděči lo-patky 2· PATENTOVÉ Martenzitická nerezavějící ocel na odlitky,11,0 až 14,0 % hmot. chrómu, vyznačující se tím,0,3 až 1,0 % hmot. křemíku, 2,0 až 9,0 % hmot. NÁROKY obsahující 0,5 až 8,0 % hmot. niklu aže obsahuje 0,05 až 0,1 % hmot. uhlíku, manganu, zbytek železo. 1 výkres