Zastosowanie stali N18K12M4Ts na korpusy silników rakietowych

Prace IMŻ 3 (2011)
25
Marek BURDEK, Jerzy STĘPIEŃ, Mariusz ADAMCZYK
Instytut Metalurgii Żelaza
Andrzej PATEK, Bogumiła KOWALIK, Maciej MOSKALEWICZ, Zbigniew DRABIK
ZM „MESKO”
ZASTOSOWANIE STALI N18K12M4TS NA KORPUSY
SILNIKÓW RAKIETOWYCH
Publikacja obejmuje wyniki projektu badawczego rozwojowego finansowanego przez MNiSW. Celem projektu była
optymalizacja technologii produkcji korpusu silnika rakietowego, polegająca na zastosowaniu nowego gatunku stali
o wyższych właściwościach mechanicznych oraz na wykonaniu korpusu z odcinka pręta, a nie jak dotychczas z krążka
wyciętego z taśmy stalowej. W ramach pracy odlano wlewki ze stali maraging N18K12M4Ts, przekuto je na pręty
okrągłe, z których wykonano odkuwki. Następnie metodami wyciągania ścianki i zgniatania obrotowego na zimno
wykonano korpusy. Na każdym etapie wytwarzania korpusów badano ich właściwości mechaniczne i strukturalne.
Uzyskano wyroby o podwyższonych właściwościach mechanicznych, które spełniają wymagania odpowiednich norm.
Słowa kluczowe: stal maraging, korpus silnika rakietowego
APPLICATION OF N18K12M4TS STEEL
FOR ROCKET ENGINE BODIES
This publication presents the results of the research and development project financed by the Ministry of Science and
Higher Education. The aim of the project was to optimise the technology for production of a rocket engine body, which
is the application of the new grade of steel with higher mechanical properties and making the body from a bar rather
from than a disk cut out of a steel strip as it has been done so far. In the project ingots were made from maraging steel
N18K12M4Ts and forged into round bars, then forgings were made. The bodies were made by wall drawing and flow
forming. At every stage of manufacturing the bodies, their mechanical and structural properties were tested. Products
with improved mechanical properties were obtained and they meet the requirements of relevant standards.
Key words: maraging steel, rocket engine body
1. WPROWADZENIE
Korpus silnika rakietowego jest obecnie wytwarzany
ze stali 18K9M5TPr, która zapewnia uzyskanie właściwości po zastosowaniu obróbki cieplnej na poziomie:
Rm w zakresie 1950÷2150 MPa oraz A5 min. 6%. Planowane zastosowanie w silniku paliwa wyżej energetycznego niż dotychczas stosowane, wymaga podwyższenia właściwości mechanicznych, co zapewnia materiał ze stali maraging N18K12M4Ts.
Celem projektu była optymalizacja technologii produkcji korpusu, polegająca na zastosowaniu nowego
gatunku stali o wyższych właściwościach mechanicznych oraz wykonaniu korpusu z odcinka pręta, a nie
jak dotychczas z krążka wyciętego z taśmy stalowej
walcowanej na zimno w stanie zmiękczonym.
Zakładanym efektem optymalizacji technologii było
uzyskanie poprawy parametrów eksploatacyjnych korpusu, obniżenie kosztów wytwarzania oraz uzyskanie
większej dostępności półwyrobów na rynku.
2. OPRACOWANIE TECHNOLOGII
WYKONANIA WSADU
Opracowanie technologii wykonania wsadu na korpus silnika rakietowego w postaci odkuwek kutych
z odcinków pręta obejmowało:
– wykonanie wytopów ze stali N18K12M4Ts w piecu
próżniowym VSG100S i odlaniu wlewków o przekroju poprzecznym kw. 160 mm zbieżnym do kw. 140
mm o masie ok. 90 kg;
– przekucie na gorąco wlewków na pręty okrągłe;
– opracowanie konstrukcji odkuwki oraz projektów
i rysunków stempla i matrycy;
– wykonanie stempla i matrycy;
– opracowanie technologii nagrzewania wsadu i temperatury przeróbki plastycznej;
– opracowanie technologii i wykonanie na gorąco wyprasek z odcinka pręta przeznaczonych do na korpusy.
Prace IMŻ 3 (2011)
Praca zbiorowa
26
W wytopach S154÷S156 nieznacznie przekroczono
zawartość glinu, a w wytopach S149 i S155 – zawartość
kobaltu. Stwierdzono, że wytopy spełniają wymagania
w zakresie składu chemicznego w odniesieniu do większości pierwiastków. Stwierdzone niewielkie odchyłki
od zadanego składu chemicznego nie wpływają istotnie na właściwości stali, w związku z czym wszystkie
wlewki zakwalifikowano do dalszego przerobu.
2.1. PRZYGOTOWANIE WSADU NA ODKUWKI
Odlewanie wlewków
Wytopiono i odlano w piecu próżniowym VSG100S
5 wlewków ze stali N18K12M4Ts. Na rys. 1 przedstawiono przykładowe zdjęcia wlewka S146, a w tablicy 1
zamieszczono wymiary wszystkich wlewków. Uzysk
z poszczególnych wlewków jest różny i dość znacznie
się różni między poszczególnymi wytopami. W tablicy 2 zamieszczono wymagany skład chemiczny stali
N18K12M4Ts.
Badanie makrostruktury wlewków po odlaniu
Badania jakości wlewków pochodzących z wytopów
S146, S149, S154, S155 i S156 przeprowadzono na tarczach poprzecznych pobranych z obszaru stopy oraz
głowy wlewków, w miejscu poza zasięgiem nieciągłości
osiowej od strony nadlewu. Na rys. 2 przedstawiono
przykładowo makrostrukturę wlewka S146 ujawnioną z zastosowaniem wody królewskiej. We wszystkich wlewkach stwierdzono występowanie pęcherzy
podskórnych, które widoczne są w warstwie do około
0,4 mm od powierzchni. Wady te znajdują się zarówno
w głowie, jak i w stopie wlewków. Analiza próbek nie
wykazała obecności makropęknięć w materiale.
Obszar głowy wlewków na przekroju poprzecznym
charakteryzuje się typową strukturą strefową, złożoną w centralnej części z równoosiowych ziarn byłego
austenitu oraz ze strefy ziarn kolumnowych, których
Tablica 1. Wymiary wlewków odlanych ze stali
N18K12M5Ts
Table 1. Dimensions of ingots made from N18K12M5Ts
steel
Szerokość
głowy
wlewka
stopy
wlewka
Długość
wlewka
Lp.
Nr
wytopu
mm
mm
mm
1.
S146
154
141
355
2.
S149
158
141
345
3.
S154
158
141
415
4.
S155
162
143
440
5.
S156
156
142
300
a)
b)
Rys. 1. Wlewek z wytopu S146: a) po odlaniu, b) po odcięciu głowy i stopy
Fig. 1. Ingot from melt No. S146: a) as cast, b) after cutting off its top and bottom
Tablica 2. Wymagany skład chemiczny stali N18K12M4Ts, zawartość pierwiastków w % masowych
Table 2. Chemical composition of N18K12M4Ts steel, content of elements in mass percent
Skład
wymagany
C
Mn
Si
P
S
Cr
Ni
Co
Mo
Ti
Cu
Al
całk.
Al
metal.
N
całk.
O
całk.
max
0,017
max
0,08
max
0,08
max
0,01
max
0,01
max
0,20
17,50
18,50
11,8
12,5
3,60
4,40
1,40
1,80
max
0,20
–
0,08
0,11
max
0,003
max
0,002
Prace IMŻ 3 (2011)
Zastosowanie stali N18K12M4Ts na korpusy silników rakietowych
a)
27
b)
Rys. 2. Makrostruktura na przekroju poprzecznym wlewka S146: a) od strony głowy, b) od strony stopy; trawiono w wodzie
królewskiej
Fig. 2. Macrostructure at cross-section of S146 ingot body, a) from the side of its top, b) from the side of its bottom
zasięg (w zależności od nr wytopu) waha się od około 4
do 7 cm od powierzchni wlewków.
Struktura stali w obszarze stopy wlewków nr S146,
S154 i S155 wskazuje na dużą nierównomierność odprowadzania ciepła w trakcie procesu krzepnięcia.
Dalsze badania strukturalne, w tym analizę mikrowtrąceń niemetalicznych przeprowadzono na wlewkach
po operacji wyżarzania ujednorodniającego.
uprzednio z wlewków i wykorzystanych w badaniach
metalograficznych charakteryzujących stan materiału
po odlaniu.
Badanie makrostruktury i twardości wlewków
po wyżarzaniu
W celu ujednorodnienia materiału pod względem
jego składu chemicznego przeprowadzono homogenizację wlewków, wygrzewanie w atmosferze argonu i studzenie w spokojnym powietrzu. Badania skuteczności
przeprowadzonej operacji ujednorodniania wykonano na próbkach „świadkach” – tzn. na wygrzewanych
wraz z wlewkami poprzecznych tarczach, pobranych
Makrostrukturę na przekroju poprzecznym w obszarze głowy i/lub stopy wlewków po ujednorodnianiu
przedstawiono na rys. 3. Na podstawie przeprowadzonych badań strukturalnych stwierdzono zmianę morfologii ziarn austenitu w obrobionych cieplnie wlewkach,
prowadzącą do zaniku charakterystycznej po odlaniu
struktury strefowej. W efekcie przemiany fazowej zachodzącej w stali podczas cyklu nagrzewania oraz chłodzenia uzyskano na przekroju wlewków strukturę jednorodną pod względem wielkości ziarna.
a)
b)
Wyżarzanie wlewków
Rys. 3. Makrostruktura na przekroju poprzecznym wlewka S146 od strony głowy i stopy po wyżarzaniu ujednorodniającym
Fig. 3. Macrostructure at cross-section of S146 ingot, from the side of its top and bottom, after homogenising
Praca zbiorowa
28
Badania rozkładu twardości na przekroju poprzecznym wlewków po obróbce cieplnej przeprowadzono
metodą HRC zgodnie ze schematem na rys.4. Pomiary twardości, których wyniki zestawiono w tablicy 3,
wykonano w trzech obszarach: (1) w strefie przy powierzchni, (2) w ¼ grubości wlewka oraz (3) w centralnej jego części. Z przeprowadzonych pomiarów wynika,
że twardość wlewków na przekroju jest jednorodna,
mieści się w zakresie 30÷33 HRC i jest typowa dla gatunku stali maraging N18K12M4Ts (MS350) w stanie
po przesycaniu.
Prace IMŻ 3 (2011)
mając na uwadze specyfikę procesu kucia na gorąco
i reakcję odkształcanego materiału. Uwzględniając powyższe założenie, opracowano kształt odkuwki i wykonano odpowiednie oprzyrządowanie do kucia na gorąco
odkuwek.
Na podstawie wyników wcześniejszych prac [1, 2]
wyznaczono temperaturę nagrzewania. Podobnie jak
w pracach [1, 2], zaproponowano indukcyjny sposób nagrzewania wsadu. Temperatura przeróbki plastycznej
powinna zawierać się w zakresie 1150°÷950°C.
Kucie zrealizowano w zakładzie dysponującym odpowiednim wyposażeniem technicznym. Wykonano
odkuwki w założonych tolerancjach wykonania (rys. 5).
Część z nich miała wady zewnętrzne, spowodowane
prawdopodobnie niejednorodnością materiału wsadowego.
Rys. 5. Odkuwki ze stali maraging, wytop S156
Rys. 4. Schemat przeprowadzenia pomiarów twardości na
przekroju poprzecznym wlewków
Fig. 5. Forgings from maraging steel, melt S156
Fig. 4. Diagram of hardness measurements on the crosssection of ingots
Obróbka mechaniczna odkuwek
na półfabrykaty
Tablica 3. Rozkład twardości na przekroju poprzecznym
wlewków po ujednorodnianiu
Table 3. Distribution of hardness on the cross-section of
ingots after homogenising
Średnia twardości HRC na
przekroju poprzecznym
w wytypowanych do badań
obszarach
Nr
wlewka
Obszar
pobrania
tarczy
z wlewka
1
2
3
S146
głowa
30
31
31
S149
głowa
32
32
33
S154
głowa
31
32
32
S155
stopa
32
32
32
S156
głowa
33
33
32
Odkuwki po prasowaniu na gorąco zostały poddane
obróbce mechanicznej. Półfabrykaty po obróbce mechanicznej sprawdzono ze względu na:
– zgodność wymiarów,
– wygląd zewnętrzny,
– wady wewnętrzne (metoda defektoskopowa).
Po wykonaniu powyższych badań stwierdzono, że
wady na powierzchni zewnętrznej nie powinny mieć
wpływu na wykonanie dalszej przeróbki plastycznej
oraz nie będą miały wpływu na wykonanie gotowego
wyrobu. Ostatecznie do dalszych prób zakwalifikowano
50 półfabrykatów (rys. 6).
Kucie wlewków na pręty okrągłe
Po wyżarzaniu ujednorodniającym przekuto wlewki
na pręty o przekroju poprzecznym okrągłym o średnicy z98 mm. Pręty te następnie zostały oskórowane na
średnicę z88 mm i pocięte na wymagane długości, stanowiące wsad do prasowania na gorąco.
2.2. OPRACOWANIE TECHNOLOGII
I WYKONANIE ODKUWEK NA KORPUSY
SILNIKÓW RAKIETOWYCH
Założono, że odkuwka powinna być najbardziej zbliżona wymiarami do półfabrykatu przeznaczonego do
dalszej przeróbki na korpusy silników rakietowych,
Rys. 6. Przykładowe półfabrykaty na korpusy silników
rakietowych
Fig. 6. Examples of semi-finished products for rocket
engines
Prace IMŻ 3 (2011)
Zastosowanie stali N18K12M4Ts na korpusy silników rakietowych
Badania właściwości mechanicznych odkuwek
Badania właściwości mechanicznych odkuwek pochodzących z poszczególnych wytopów wykonano w stanie
po kuciu na gorąco oraz po obróbce cieplnej polegającej
na dwukrotnym przesycaniu i starzeniu.
W tablicy 4 przedstawiono wyniki właściwości mechanicznych odkuwek w stanie po kuciu na gorąco,
a w tablicy 5 – po obróbce cieplnej. Są to wartości średnie z 4 pomiarów. W tablicy 5 podano również wyniki
pomiaru wydłużenia całkowitego przy maksymalnej
sile rozciągającej Agt.
Tablica 4. Wyniki próby rozciągania próbek z odkuwek
w stanie po kuciu na gorąco
Table 4. Results of tensile test of forging samples after hot
forging
Wytop
nr
Rm
R0,2
A5
Z
MPa
MPa
%
%
S146
1105
828
14,2
61
S149
1126
831
14,5
60
S154
1116
835
13,7
61
S155
1112
849
14,3
64
S156
1132
866
13,8
67
Tablica 5. Wyniki próby rozciągania próbek z odkuwek
w stanie po obróbce cieplnej
Table 5. Results of tensile test of forging samples after heat
treatment
Wytop
nr
Rm
R0,2
A5
Agt
Z
MPa
MPa
%
%
%
S146
2277
2188
8,8
2,2
50
S149
2346
2205
7,3
2,1
41
S154
2392
2311
7,9
2,1
46
S155
2259
2167
8,6
2,1
51
S156
2385
2258
8,5
2,1
46
Właściwości mechaniczne poszczególnych odkuwek
w stanie po kuciu na gorąco były zbliżone, podobnie jak
po obróbce cieplnej, co pozwoliło na uznanie serii wytopów próżniowych za jedną partię materiału na korpusy
silników rakietowych. Pojedyncze odkuwki w stanie po
kuciu na gorąco posiadały wytrzymałość zawierającą
się pomiędzy 1100 a 1138 MPa, granicę plastyczności
– pomiędzy 800 a 880 MPa i wydłużenie procentowe
pomiędzy 13,0 a 15,0%. Natomiast w stanie po obróbce cieplnej wykazywały wytrzymałość pomiędzy 2246
a 2418 MPa, granicę plastyczności – pomiędzy 2123
a 2345 MPa i wydłużenie względne – pomiędzy 7,5
a 9,0%.
29
Tablica 6. Wyniki pomiarów wytrzymałości i wydłużenia
na próbkach ze stali N18K12M4Ts przed i po obróbce cieplnej
Table 6. Results of strength and elongation measurements
on N18K12M4Ts steel samples before and after heat treatment
Stan korpusu
Po zgniataniu obrotowym
korpusu (bez obróbki cieplnej)
Po zgniataniu obrotowym
korpusu i obróbce cieplnej
Rm
R0,2
A5
MPa
MPa
%
1171
978
9,0
2341
2235
5,8
2347
2245
7,2
Korpusy przed próbą ciśnieniową były poddane obróbce cieplnej i uzyskały właściwości zamieszczone
w tablicy 7.
Tablica 7. Właściwości korpusów poddanych niszczącej
próbie ciśnieniowej
Table 7. Properties of bodies put to destructive pressure
test
Oznaczenie
korpusu
Właściwości mechaniczne
Rm
A5
Twardość
MPa
%
HRC
A11
2259
7,3
56
A5
2053
5,7
53
3.2. BADANIA KORPUSÓW ZE STALI
N18K12M4TS METODĄ HYDRAULICZNĄ
Badania wytrzymałościowe metodą hydrauliczną
wykonywano sukcesywnie na mniejszych partiach
korpusów, zależnie od zastosowanej obróbki cieplnej.
W pierwszym etapie 9 sztuk korpusów poddano badaniu nieniszczącemu z wynikiem pozytywnym, a dodatkowo 3 sztuki spośród nich próbie niszczącej. Jeden
korpus poddawano badaniu do całkowitego rozerwania
(rys. 7).
W drugim etapie badaniom hydraulicznym poddano
17 sztuk korpusów. Również ta próba ciśnieniowa dała
wynik pozytywny – żaden ze sprawdzanych detali nie
uległ pęknięciu. Następnie ww. korpusy sprawdzono
defektoskopem, nie stwierdzając wad.
Wyniki badań hydraulicznych potwierdziły, że zastosowany materiał, zaprojektowane oprzyrządowanie
oraz proces technologiczny zapewniają wykonanie komory silnika rakietowego zgodnie z wymaganiami rysunku konstrukcyjnego.
3. WYKONANIE PARTII KORPUSÓW
3.1. BADANIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE
KORPUSÓW
Z partii 50 odkuwek metodami wyciągania ścianek
oraz zgniatania obrotowego na zimno wykonano korpusy silników rakietowych. Nie stwierdzono żadnych pęknięć, naderwań, zawalcowań oraz wad materiałowych.
W celu opracowania docelowej technologii wykonania
korpusów o podwyższonej wytrzymałości wykonano
próby obróbki cieplnej korpusów o zróżnicowanych parametrach (tablica 6).
Rys. 7. Wygląd przykładowego korpusu silnika rakietowego
po próbie prowadzonej do całkowitego zniszczenia detalu
Fig. 7. Appearance of the example rocket engine body after
testing carried out to complete destruction of detail
30
Prace IMŻ 3 (2011)
Praca zbiorowa
a)
b)
c)
d)
Rys. 8. Obraz mikrostruktury stali N18K12M4Ts po zgniataniu na zimno i obróbce cieplnej: a) i b) po starzeniu; c) i d) po
przesycaniu i starzeniu
Fig. 8. Image of N18K12M4Ts steel microstructure after flow forming and heat treatment: a) and b) after aging; c) and d) after
solution and aging
4. WNIOSEK
3.3. BADANIA MIKROSTRUKTURY KORPUSÓW
ZE STALI N18K12M4TS
Na rys. 8 przedstawiono obrazy mikrostruktury występującej w korpusach ze stali N18K12M4Ts po próbie
ciśnieniowej prowadzonej aż do zniszczenia (rys. 7). Jak
widać na rys. 8ab, zastosowanie tylko starzenia nie eliminuje pasmowej struktury w korpusach, wytwarzanej
w trakcie plastycznego kształtowania wyrobu.
W celu uzyskania jednorodności struktury należy
przed starzeniem zastosować jednokrotne przesycanie.
Po przesycaniu i starzeniu korpusy charakteryzują się
jednorodnością strukturalną (rys. 8cd). Mają strukturę
zestarzonego martenzytu z wydzieleniami faz międzymetalicznych, o różnym stopniu jednorodności w odniesieniu do rozmieszczenia pasm odkształcenia.
Z przeprowadzonych badań wynika, że zastosowana
nowatorska technologia wykonania korpusów z odcinka pręta kutego na gorąco, zamiast technologii dotychczas stosowanej z blachy walcowanej na zimno,
jest korzystniejsza. Zastosowanie nowej technologii
wytwarzania korpusów ze stali N18K12M4Ts pozwala
uzyskać wyższe właściwości wytrzymałościowe korpusów w stosunku do korpusów obecnie wytwarzanych ze
stali N18K9M5T.
Artykuł opracowano na podstawie wyników
projektu badawczego rozwojowego finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego, nr O R00 0011 08.
LITERATURA
1. Burdek M., Stępień J., Marcisz J.: Wykonanie badań w celu
określenia możliwości zastosowania stali „maraging” MS300 na
korpusy silników rakietowych oraz możliwości ich wykonania
z pręta, Sprawozdanie IMŻ nr B0 1246, Gliwice, 2009, praca
niepublikowana.
2. Burdek M., Marcisz J., Stępień J., Adamczyk M.: Optymalizacja
parametrów starzenia po zgniataniu obrotowym na zimno stali
maraging N18K9M5Ts i N18K12M4Ts oraz zbadanie dynamicznych właściwości mechanicznych stali na korpusy wytwarzane metodą zgniatania obrotowego na zimno, Sprawozdanie
IMŻ nr S0 0714, Gliwice, 2009, praca niepublikowana.