Streszczenie: Badano wpływ różnych procesów obróbki cieplnej na właściwości użytkowe materiału ZG06Cr13Ni4Mo. Test pokazuje, że po obróbce cieplnej w temperaturze normalizującej 1 010℃ + odpuszczaniu pierwotnym 605℃ + odpuszczaniu wtórnym 580℃ materiał osiąga najlepszy wskaźnik wydajności. Jego struktura to martenzyt niskowęglowy + austenit z odwrotną przemianą, o wysokiej wytrzymałości, odporności na niskie temperatury i odpowiedniej twardości. Spełnia wymagania dotyczące wydajności produktu przy zastosowaniu obróbki cieplnej odlewów dużych ostrzy.
Słowa kluczowe: ZG06Cr13NI4Mo; martenzytyczna stal nierdzewna; ostrze
Duże łopaty są kluczowymi częściami turbin wodnych. Warunki pracy części są stosunkowo trudne i przez długi czas są one poddawane działaniu przepływu wody pod wysokim ciśnieniem, zużyciu i erozji. Materiał jest wybrany spośród martenzytycznej stali nierdzewnej ZG06Cr13Ni4Mo o dobrych, kompleksowych właściwościach mechanicznych i odporności na korozję. Wraz z rozwojem energetyki wodnej i związanych z nią odlewów na dużą skalę, stawiane są wyższe wymagania w zakresie wydajności materiałów ze stali nierdzewnej, takich jak ZG06Cr13Ni4Mo. W tym celu, w połączeniu z próbą produkcyjną ZG06C r13N i4M o dużych łopatek krajowego przedsiębiorstwa produkującego sprzęt do hydroelektrowni, poprzez wewnętrzną kontrolę składu chemicznego materiału, test porównawczy procesu obróbki cieplnej i analizę wyników testu, zoptymalizowane pojedyncze ciepło normalizujące + podwójne odpuszczanie Proces obróbki materiału ze stali nierdzewnej ZG06C r13N i4M o został zaprojektowany w celu uzyskania odlewów spełniających wysokie wymagania użytkowe.
1 Wewnętrzna kontrola składu chemicznego
Materiał ZG06C r13N i4M o to martenzytyczna stal nierdzewna o wysokiej wytrzymałości, od której wymagane są wysokie właściwości mechaniczne i dobra udarność w niskich temperaturach. Aby poprawić właściwości materiału, skład chemiczny był kontrolowany wewnętrznie, wymagając w (C) ≤ 0,04%, w (P) ≤ 0,025%, w (S) ≤ 0,08%, a także kontrolowano zawartość gazu. Tabela 1 przedstawia zakres składu chemicznego kontroli wewnętrznej materiału oraz wyniki analizy składu chemicznego próbki, a Tabela 2 przedstawia wymagania kontroli wewnętrznej zawartości gazu w materiale oraz wyniki analizy zawartości gazu w próbce.
Tabela 1 Skład chemiczny (ułamek masowy, %)
| element | C | Mn | Si | P | S | Ni | Cr | Mo | Cu | Al |
| standardowe wymaganie | ≤0,06 | ≤1,0 | ≤0,80 | ≤0,035 | ≤0,025 | 3,5-5,0 | 11,5-13,5 | 0,4-1,0 | ≤0,5 |
|
| Składniki Kontrola wewnętrzna | ≤0,04 | 0,6-0,9 | 1,4-0,7 | ≤0,025 | ≤0,008 | 4,0-5,0 | 12,0-13,0 | 0,5-0,7 | ≤0,5 | ≤0,040 |
| Przeanalizuj wyniki | 0,023 | 1,0 | 0,57 | 0,013 | 0,005 | 4,61 | 13,0 | 0,56 | 0,02 | 0,035 |
Tabela 2 Zawartość gazu (ppm)
| gaz | H | O | N |
| Wymagania kontroli wewnętrznej | ≤2,5 | ≤80 | ≤150 |
| Przeanalizuj wyniki | 1,69 | 68,6 | 119,3 |
Materiał ZG06C r13N i4M o został wytopiony w piecu elektrycznym o masie 30 t, rafinowany w piecu 25T LF w celu dodania stopu, dostosowania składu i temperatury oraz odwęglony i odgazowany w piecu 25T VOD, uzyskując w ten sposób roztopioną stal o ultraniskiej zawartości węgla, jednolity skład, wysoka czystość i niska zawartość szkodliwych gazów. Na koniec do końcowego odtleniania zastosowano drut aluminiowy, aby zmniejszyć zawartość tlenu w roztopionej stali i dodatkowo rozdrobnić ziarna.
2 Test procesu obróbki cieplnej
2.1 Plan testów
Jako korpus testowy zastosowano korpus odlewniczy, wielkość bloku testowego wynosiła 70 mm x 70 mm x 230 mm, a wstępną obróbką cieplną było wyżarzanie zmiękczające. Po zapoznaniu się z literaturą wybrano parametry procesu obróbki cieplnej: temperatura normalizowania 1 010℃, temperatury odpuszczania pierwotnego 590℃, 605℃, 620℃, temperatura odpuszczania wtórnego 580℃, a do badań porównawczych wykorzystano różne procesy odpuszczania. Plan testów przedstawiono w tabeli 3.
Tabela 3 Plan badań obróbki cieplnej
| Plan próbny | Proces testowy obróbki cieplnej | Projekty pilotażowe |
| A1 | 1 010 ℃Normalizacja + 620 ℃Odpuszczanie | Właściwości rozciągające Udarność Twardość HB Właściwości zginania Mikrostruktura |
| A2 | 1 010 ℃Normalizacja+620℃Odpuszczanie+580℃Odpuszczanie | |
| B1 | 1 010 ℃Normalizacja + 620 ℃Odpuszczanie | |
| B2 | 1 010 ℃Normalizacja+620℃Odpuszczanie+580℃Odpuszczanie | |
| C1 | 1 010 ℃Normalizacja + 620 ℃Odpuszczanie | |
| C2 | 1 010 ℃Normalizacja+620℃Odpuszczanie+580℃Odpuszczanie |
2.2 Analiza wyników badań
2.2.1 Analiza składu chemicznego
Z wyników analizy składu chemicznego i zawartości gazu w Tabeli 1 i Tabeli 2 wynika, że główne pierwiastki i zawartość gazu odpowiadają zoptymalizowanemu zakresowi kontroli składu.
2.2.2 Analiza wyników testów wydajności
Po obróbce cieplnej według różnych schematów badań przeprowadzono badania porównawcze właściwości mechanicznych zgodnie z normami GB/T228.1-2010, GB/T229-2007 i GB/T231.1-2009. Wyniki eksperymentów przedstawiono w tabeli 4 i tabeli 5.
Tabela 4 Analiza właściwości mechanicznych różnych schematów procesów obróbki cieplnej
| Plan próbny | Rp0,2/Mpa | Rm/Mpa | A/% | Z/％ | AKV/J(0℃) | Wartość twardości HBW |
| standard | ≥550 | ≥750 | ≥15 | ≥35 | ≥50 | 210 ~ 290 |
| A1 | 526 | 786 | 21,5 | 71 | 168, 160, 168 | 247 |
| A2 | 572 | 809 | 26 | 71 | 142, 143, 139 | 247 |
| B1 | 588 | 811 | 21,5 | 71 | 153, 144, 156 | 250 |
| B2 | 687 | 851 | 23 | 71 | 172, 165, 176 | 268 |
| C1 | 650 | 806 | 23 | 71 | 147, 152, 156 | 247 |
| C2 | 664 | 842 | 23,5 | 70 | 147, 141, 139 | 263 |
Tabela 5 Próba zginania
| Plan próbny | Próba zginania (d=25,a=90°) | ocena |
| B1 | Pęknięcie 5,2 × 1,2 mm | Awaria |
| B2 | Żadnych pęknięć | wykwalifikowany |
Z porównania i analizy właściwości mechanicznych: (1) Normalizująca + odpuszczająca obróbka cieplna wynika, że materiał może uzyskać lepsze właściwości mechaniczne, co wskazuje, że materiał ma dobrą hartowność. (2) Po normalizacyjnej obróbce cieplnej granica plastyczności i plastyczność (wydłużenie) podwójnego odpuszczania poprawiają się w porównaniu z pojedynczym odpuszczaniem. (3) Z kontroli i analizy wytrzymałości na zginanie wynika, że wydajność zginania w procesie testu normalizowania B1 + pojedynczego odpuszczania jest bez zastrzeżeń, a wydajność testu zginania w procesie testu B2 po podwójnym odpuszczaniu jest kwalifikowana. (4) Z porównania wyników badań 6 różnych temperatur odpuszczania wynika, że schemat procesu B2 obejmujący 1 010 ℃ normalizowanie + 605 ℃ pojedyncze odpuszczanie + 580 ℃ wtórne odpuszczanie ma najlepsze właściwości mechaniczne, z granicą plastyczności 687 MPa i wydłużeniem 23%, udarność ponad 160J przy 0℃, umiarkowana twardość 268HB i kwalifikowana wydajność zginania, wszystkie spełniające wymagania eksploatacyjne materiału.
2.2.3 Analiza struktury metalograficznej
Strukturę metalograficzną materiałów B1 i B2 analizowano w procesach badawczych zgodnie z normą GB/T13298-1991. Rysunek 1 pokazuje strukturę metalograficzną normalizowania + 605 ℃ pierwszego odpuszczania, a rysunek 2 pokazuje strukturę metalograficzną normalizowania + pierwszego odpuszczania + drugiego odpuszczania. Z kontroli i analizy metalograficznej wynika, że główną strukturą ZG06C r13N i4M o po obróbce cieplnej jest niskowęglowy martenzyt listwowy + austenit odwrócony. Z analizy struktury metalograficznej wynika, że wiązki martenzytu listwowego materiału po pierwszym odpuszczaniu są grubsze i dłuższe. Po drugim odpuszczaniu struktura osnowy nieznacznie się zmienia, struktura martenzytu jest również nieco rozdrobniona, a struktura jest bardziej jednolita; pod względem wydajności granica plastyczności i plastyczność są w pewnym stopniu poprawione.
Rysunek 1 Normalizacja ZG06Cr13Ni4Mo + jedna mikrostruktura odpuszczająca
Rysunek 2 Struktura metalograficzna normalizująca ZG06Cr13Ni4Mo + dwukrotne odpuszczanie
2.2.4 Analiza wyników badań
1) Badanie potwierdziło, że materiał ZG06C r13N i4M o charakteryzuje się dobrą hartownością. Poprzez obróbkę cieplną normalizującą i odpuszczającą materiał może uzyskać dobre właściwości mechaniczne; granica plastyczności i właściwości plastyczne (wydłużenie) dwóch odpuszczań po normalizującej obróbce cieplnej są znacznie wyższe niż jednego odpuszczania.
2) Z analizy badań wynika, że struktura ZG06C r13N i4M o po normalizacji to martenzyt, a po odpuszczeniu struktura to niskowęglowy martenzyt listwowy odpuszczany + austenit odwrócony. Austenit odwrócony w strukturze odpuszczonej charakteryzuje się dużą stabilnością termiczną i ma istotny wpływ na właściwości mechaniczne, udarowe oraz właściwości procesu odlewania i spawania materiału. Dzięki temu materiał charakteryzuje się dużą wytrzymałością, dużą ciągliwością plastyczną, odpowiednią twardością, dobrą odpornością na pękanie oraz dobrymi właściwościami odlewniczymi i spawalniczymi po obróbce cieplnej.
3) Przeanalizuj przyczyny poprawy wydajności odpuszczania wtórnego ZG06C r13N i4M o. Po normalizacji, nagrzaniu i utrwaleniu cieplnym ZG06C r13N i4M o tworzy po austenityzacji drobnoziarnisty austenit, który następnie po szybkim schłodzeniu przekształca się w martenzyt niskowęglowy. Podczas pierwszego odpuszczania przesycony węgiel w martenzycie wytrąca się w postaci węglików, zmniejszając w ten sposób wytrzymałość materiału i poprawiając plastyczność i wytrzymałość materiału. Ze względu na wysoką temperaturę pierwszego odpuszczania, podczas pierwszego odpuszczania oprócz odpuszczonego martenzytu powstaje bardzo drobny austenit odwrócony. Te austenity odwrotne ulegają częściowej przemianie w martenzyt podczas chłodzenia odpuszczającego, zapewniając warunki do zarodkowania i wzrostu stabilnego austenitu odwrotnego powstałego ponownie podczas procesu odpuszczania wtórnego. Celem wtórnego odpuszczania jest uzyskanie wystarczająco stabilnego austenitu odwrotnego. Te austenity odwrotne mogą ulegać przemianie fazowej podczas odkształcenia plastycznego, poprawiając w ten sposób wytrzymałość i plastyczność materiału. Ze względu na ograniczone warunki nie ma możliwości obserwacji i analizy austenitu odwrotnego, dlatego w tym doświadczeniu głównym przedmiotem badań porównawczych powinny być właściwości mechaniczne i mikrostruktura.
3 Aplikacja produkcyjna
ZG06C r13N i4M o to odlew ze stali nierdzewnej o wysokiej wytrzymałości i doskonałych parametrach. Gdy prowadzona jest faktyczna produkcja ostrzy, do produkcji wykorzystuje się skład chemiczny i wymagania kontroli wewnętrznej określone eksperymentalnie oraz proces obróbki cieplnej wtórnej normalizacji + odpuszczanie. Proces obróbki cieplnej pokazano na rysunku 3. Obecnie zakończono produkcję 10 dużych łopat do elektrowni wodnych, a ich wydajność spełniła wymagania użytkownika. Przeszły ponowną kontrolę użytkownika i otrzymały dobrą ocenę.
Ze względu na charakterystykę skomplikowanych zakrzywionych ostrzy, dużych wymiarów konturu, grubych główek wałów oraz łatwego odkształcania i pękania, w procesie obróbki cieplnej należy podjąć pewne środki procesowe:
1) Głowica wału jest skierowana w dół, a ostrze w górę. Schemat ładowania pieca przyjęto w celu zapewnienia minimalnego odkształcenia, jak pokazano na rysunku 4;
2) Upewnić się, że pomiędzy odlewami oraz pomiędzy odlewami a dolną płytą nakładki żeliwnej istnieje wystarczająco duża szczelina, aby zapewnić chłodzenie i upewnić się, że gruba główka wału spełnia wymagania dotyczące wykrywania ultradźwiękowego;
3) Etap nagrzewania przedmiotu obrabianego jest wielokrotnie dzielony na segmenty, aby zminimalizować naprężenia organizacyjne odlewu podczas procesu nagrzewania i zapobiec pękaniu.
Wdrożenie powyższych środków obróbki cieplnej zapewnia jakość obróbki cieplnej ostrza.
Rysunek 3 Proces obróbki cieplnej ostrza ZG06Cr13Ni4Mo
Rysunek 4 Schemat ładowania pieca do procesu obróbki cieplnej łopatkowej
4 Wnioski
1) Na podstawie wewnętrznej kontroli składu chemicznego materiału, poprzez badanie procesu obróbki cieplnej, stwierdza się, że proces obróbki cieplnej ZG06C r13N i4M o wysokiej wytrzymałości stali nierdzewnej jest procesem obróbki cieplnej wynoszącym 1 Normalizowanie 010 ℃ + odpuszczanie pierwotne 605 ℃ + odpuszczanie wtórne 580 ℃, które może zapewnić, że właściwości mechaniczne, udarność w niskich temperaturach i właściwości zginania na zimno materiału odlewniczego spełniają standardowe wymagania.
2) ZG06C r13N i4M o materiał ma dobrą hartowność. Struktura po normalizowaniu + dwukrotnej obróbce cieplnej odpuszczającej jest niskowęglowym martenzytem listwowym + austenitem odwróconym o dobrych parametrach, który ma wysoką wytrzymałość, wysoką ciągliwość plastyczną, odpowiednią twardość, dobrą odporność na pękanie oraz dobre właściwości odlewania i spawania.
3) Schemat obróbki cieplnej polegający na normalizowaniu + dwukrotnym odpuszczaniu określony w eksperymencie jest stosowany do produkcji dużych ostrzy w procesie obróbki cieplnej, a wszystkie właściwości materiału spełniają standardowe wymagania użytkownika.
Czas publikacji: 28 czerwca 2024 r
