Thermal micro- and macrostresses in the surface layer of cast steel accessories for carburizing furnaces

• Autorzy: Bajwoluk A. , Gutowski P.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2018.5.3

Warianty tytułu

PL

Mikro- i makronaprężenia cieplne w warstwie przypowierzchniowej odlewów staliwnych osprzętu pieców do nawęglania

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

High heat resistance and creep resistance make the austenitic Fe–Ni–Cr alloys widely used as a material for accessories of the furnaces for heat treatment and thermochemical treatment. Due to the specific character of furnace operation, its tooling is exposed to the effect of numerous highly unfavourable factors, including high temperature and its rapid changes, strongly carburizing atmosphere as well as mechanical and thermal loads originating from the processed batch of items. As a result of the impact of the above-mentioned factors, in castings made from the Fe–Ni–Cr alloys, cracks and deformations occur, eliminating these castings from further use. The damages are mainly caused by stresses arising in the cast structure during subsequent work cycles. It is generally believed that stresses in furnace accessories are due to the temperature gradient generated during heating or cooling of components and differences in the thermal expansion of the structural constituents of cast steel from which these accessories are made. This article focuses on the results of numerical analysis of the stress distribution in the surface layer of a carburized austenitic alloy undergoing the cooling process. Cases are discussed when the examined sources of stress act as separate and independent factors and also when they operate simultaneously. This provides information about the stress formation and development of stress-initiated cracks on the surface of real castings.

PL

Dobra żaroodporność oraz żarowytrzymałość sprawiają, iż austenityczne stopy Fe–Ni–Cr są powszechnie stosowane jako materiał, z którego wykonywane są elementy osprzętu pieców do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej. Specyfika pracy oprzyrządowania pieców powoduje, że jest ono poddawane cyklicznemu działaniu wielu niekorzystnych czynników, w tym: wysokiej temperatury oraz jej gwałtownym zmianom, silnie nawęglającej atmosfery oraz obciążeniom mechanicznym i cieplnym pochodzącym od obrabianego wsadu, przyspieszającym procesy zmęczenia cieplnego. Pomimo dość dobrych właściwości wytrzymałościowych, którymi charakteryzują się austenityczne stopy niklowo-chromowe w podwyższonej temperaturze, w elementach z nich wykonanych dochodzi w wyniku wzajemnego oddziaływania wymienionych czynników do odkształceń oraz pęknięć eliminujących je z dalszego użytkowania. Za główne źródła naprężeń powodujących niszczenie odlewów (rys. 1, 2) użytkowanych w piecach uważa się różną rozszerzalność cieplną składników strukturalnych występujących w staliwie, z którego są one wykonane oraz gradient temperatury tworzący się na przekroju podczas chłodzenia lub nagrzewania. Celem pracy było przeprowadzenie analiz numerycznych rozkładów naprężeń powstających w warstwie wierzchniej gwałtownie chłodzonego, nawęglonego elementu wykonanego ze stopu Fe–Ni–Cr z uwzględnieniem równoczesnego występowania obydwóch tych źródeł.

Słowa kluczowe

EN

austenitic alloy; thermal stresses; structural stresses; carburized layer

PL

stop austenityczny; naprężenia cieplne; naprężenia strukturalne; warstwa nawęglona

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 39, nr 5
• Strony: 178--183
• Opis fizyczny: BIbliogr. 21 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Bajwoluk A.

• Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

autor

Gutowski P.

• Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

Bibliografia

• [1] Lai G. Y.: High-temperature corrosion and materials applications. ASM International (2007).
• [2] Davis J. R. (Ed.): Industrial applications of heat resistant materials. ASM International, In Heat Resistant Materials (1997) 67÷85.
• [3] Dossett J. L., Boyer H. E.: Practical heat treating. ASM International, 2nd ed (2006).
• [4] Lo K. H., Shek C. H., Lai J. K. L: Recent developments in stainless steels. Materials Science and Engineering R 65 (2009) 39÷104.
• [5] Piekarski B.: Creep-resistant castings used in heat treatment furnaces. West Pomeranian University of Technology Publishing House, Szczecin (2012).
• [6] Piekarski B.: The thermal fatigue behavior of creep-resistant Ni–Cr cast steel. Archives of Foundry Engineering 7 (4) (2007) 155÷158.
• [7] Holdsworth S.: Creep-fatigue failure diagnosis. Materials 8 (2015) 7757÷7769.
• [8] Bajwoluk A., Gutowski P.: Stress and crack propagation in the surface layer of carburized stable austenitic alloys during cooling. Materials at High Temperatures (2018) DOI: 10.1080/09603409.2018.1448528.
• [9] Gutowski P.: Analysis of cracking causes in grates used in carburising furnaces. Diss., Politechnika Szczecińska, Szczecin (1989) (in Polish).
• [10] Bajwoluk A., Gutowski P.: Analysis of thermal stresses in components of pallets operating in furnaces for the carburising treatment. Archives of Foundry Engineering 14 (2014) 175÷180.
• [11] Bajwoluk A., Gutowski P.: Thermal stresses in the wall connections of cast grate structures. Archives of Foundry Engineering 16 (4) (2016) 11÷16.
• [12] Standard EN 10295:2002. Heat resistant steel castings.
• [13] Church B. C., Sanders T. H., Speyer R. F., Cochran J. K.: Thermal expansion matching and oxidation resistance of Fe–Ni–Cr interconnect alloys. Materials Science and Engineering A 452–453 (2007) 334÷340.
• [14] Schutze M.: Protective oxide scales and their breakdown. Ed. by D. R. Holmes, Institute of Corrosion, John Wiley & Sons (1997).
• [15] Huntz A. M.: Stresses in NiO, Cr2O3 and Al2O3 oxide scales. Materials Science and Engineering A 201 (1995) 211÷228.
• [16] Richard C. S., Lu J., Béranger G., Decomps F.: Study of Cr203 coatings Part I: Microstructures and modulus. Journal of Thermal Spray Technology 4 (4) (1995) 342÷346.
• [17] Xiaolu P., Kewei G., Volinsky A. A.: Microstructure and mechanical properties of chromium oxide coatings. J. Mater. Res. 22 (12) (2007) 3531÷3537.
• [18] Ji A. L., Wang W., Song G. H., Wang Q. M., Sun C., Wen L.S.: Microstructures and mechanical properties of chromium oxide films by arc ion plating. Materials Letters 58 (2004) 1993÷1998.
• [19] Barshilia H. C., Rajam K. S: Growth and characterization of chromium oxide coatings prepared by pulsed-direct current reactive unbalanced magnetron sputtering. Applied Surface Science 255 (2008) 2925÷2931.
• [20] Gaillac R., Pullumbi P., Coudert F.: ELATE: an open-source online application for analysis and visualization of elastic tensors. Journal of Physics: Condensed Matter 28 (27) (2016) 275201.
• [21] Basu S. N., Yurek G. J.: Effect of alloy grain size and silicon content on the oxidation of austenitic Fe–Cr–Ni–Mn–Si alloys in pure O2. Oxidation of Metals 36 (3) (1991) 281÷315.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).