Alternative materials for high-temperature and high-pressure valves

AB SOMAS Ventiler manufactures valves for different applications. A valve of type DN VSSL 400, PN 100, used in high-temperature and high-pressure applications was investigated in this thesis. This type of valve is coated with high cobalt alloys to achieve the tribological properties needed for this severe condition. However there is a request from AB Somas Ventiler to find another solution. This request is based on the fact that demands on higher temperatures, from customers, yields higher requirements on the material. It is also a price issue since cobalt is quite expensive. Materials investigated were high-nitrogen steel, Vanax 75, nickel-based superalloy Inconel 718 and hardened steels, EN 1.4903 and EN 1.4923 presently used as base material in the valve. Calculation of contact pressure that arises when the valve is closed was first approached by using finite element method (FEM). Several models were constructed to show the behavior of the valve during closing in terms of deformation. Hot wear tests, in which a specimen was pressed against a rotating cylinder, were performed to be able to compare the materials to the solution of today and among each other. Data extracted from the tests were compiled in the form of coefficients of friction. Profilometer examinations were used to reveal the volumes of worn and adhered material and together with scanning electron microscopy (SEM) the wear situation for each material couple could be assessed. Wear mechanisms detected in SEM were adhesive and abrasive and the results clearly showed that the steels were not a good solution because of severe adhesive wear due to the similarity of mating materials creating a more efficient bonding between the asperities. Vanax 75 showed much better performance but there was still an obvious difference between the steels and the superalloy in terms of both coefficient of friction and amount of wear. On this basis, Inconel 718 was selected as the most suitable material to replace the high cobalt alloys used in the valves today.AB Somas ventiler är ett företag som tillverkar ventiler för ett brett spann av applikationer. I det här examensarbetet har undersökningar genomförts på en ventil av modell DN VSSL 400, PN 100, som normalt används i applikationer för höga tryck och höga temperaturer. Ventilen beläggs i dagsläget med höghaltiga koboltlegeringar för att uppnå de tribologiska egenskaper som krävs i de påfrestande arbetsförhållanden som råder. AB Somas Ventiler har dock framfört en förfrågan om att hitta en alternativ lösning, en förfrågan som grundar sig i att kundernas ständiga önskemål på att ventilerna ska klara högre arbetstemperaturer också medför högre krav på ventilmaterialen. Det är även en prisfråga, då kobolt är en dyr legering att använda sig av. De material som inkluderades i undersökningen var det kvävelegerade stålet Vanax 75, nickelbaserade superlegeringen Inconel 718 samt de två stålen EN 1.4903 och EN 1.4923 i härdat tillstånd. De två sistnämnda används idag som basmaterial i ventilen. Genom att använda den finita element metoden (FEM) kunde en första beräkning göras av det kontakttryck som uppstår då ventilen stängs. Flera modeller konstruerades för att simulera ventilens deformation vid stängning. Där efter utfördes nötningstester i hög temperatur på de alternativa materialen, genom att låta en provbit pressas mot en roterande cylinder, för att sedan kunna göra en jämförelse mellan materialen och även med den nuvarande lösningen. Från nötningstesterna erhölls data som kunde användas för att ta fram friktionskoefficienter för de olika materialparen. Med hjälp av undersökningar med profilometer och svepelektronmikroskop (SEM) kunde värden på nötta och vidhäfta volymer erhållas tillsammans med information om nötningssituationer för ytorna mellan de olika materialparen. De nötningsmekanismer som påvisades med hjälp av SEM-undersökningen var adhesiv och abrasiv nötning, och resultaten visade tydligt att nötningen av stålen var omfattande, på grund av att lika material i kontakt med varandra skapar starkare band mellan ytorna, och att de därför inte var en intressant lösning. Det kvävelegerade Vanax 75 uppförde sig visserligen bättre men en tydlig skillnad mot superlegeringarna kunde dock fortfarande konstateras, sett till både friktionskoefficient och mängden slitage. Baserat på dessa resultat valdes Inconel 718 som det bäst lämpade materialet att ersätta de höghaltiga koboltlegeringarna som idag används i ventilen