Povzetek: Proučevali smo vpliv različnih postopkov toplotne obdelave na zmogljivost materiala ZG06Cr13Ni4Mo. Test je pokazal, da po toplotni obdelavi pri 1 010 ℃ normalizaciji + 605 ℃ primarnem popuščanju + 580 ℃ sekundarnem popuščanju material doseže najboljši indeks učinkovitosti. Njegova struktura je nizkoogljični martenzit + reverzni transformacijski avstenit z visoko trdnostjo, nizkotemperaturno žilavostjo in primerno trdoto. Izpolnjuje zahteve glede zmogljivosti izdelka pri uporabi proizvodnje toplotne obdelave za litje velikih rezil.
Ključne besede: ZG06Cr13NI4Mo; martenzitno nerjavno jeklo; rezilo
Velike lopatice so ključni deli turbin za hidroelektrarne. Pogoji delovanja delov so razmeroma težki in so dolgo časa izpostavljeni udarcem vodnega toka pod visokim pritiskom, obrabi in eroziji. Material je izbran iz martenzitnega nerjavečega jekla ZG06Cr13Ni4Mo z dobrimi celovitimi mehanskimi lastnostmi in odpornostjo proti koroziji. Z razvojem hidroenergije in sorodnih ulitkov v smeri velikega obsega so postavljene višje zahteve za zmogljivost materialov iz nerjavnega jekla, kot je ZG06Cr13Ni4Mo. V ta namen, v kombinaciji s proizvodnim poskusom ZG06C r13N i4M o velikih rezil domačega podjetja za hidroelektrarne, prek notranjega nadzora kemične sestave materiala, primerjalnega preskusa postopka toplotne obdelave in analize rezultatov preskusa, optimizirana enojna normalizacija + dvojna toplota za kaljenje Postopek obdelave materiala iz nerjavečega jekla ZG06C r13N i4M o je bil odločen za izdelavo ulitkov, ki izpolnjujejo visoke zahteve glede zmogljivosti.
1 Notranja kontrola kemične sestave
Material ZG06C r13N i4M o je martenzitno nerjavno jeklo visoke trdnosti, ki mora imeti visoke mehanske lastnosti in dobro udarno žilavost pri nizkih temperaturah. Da bi izboljšali učinkovitost materiala, je bila interno nadzorovana kemična sestava, ki je zahtevala w (C) ≤ 0,04 %, w (P) ≤ 0,025 %, w (S) ≤ 0,08 %, vsebnost plina pa je bila nadzorovana. Tabela 1 prikazuje razpon kemijske sestave notranjega nadzora materiala in rezultate analize kemične sestave vzorca, tabela 2 pa prikazuje zahteve notranje kontrole vsebnosti plina v materialu in rezultate analize vsebnosti plina v vzorcu.
Tabela 1 Kemična sestava (masni delež, %)
| element | C | Mn | Si | P | S | Ni | Cr | Mo | Cu | Al |
| standardna zahteva | ≤0,06 | ≤1,0 | ≤0,80 | ≤0,035 | ≤0,025 | 3,5-5,0 | 11,5-13,5 | 0,4-1,0 | ≤0,5 |
|
| Sestavine Notranji nadzor | ≤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 |
| Analizirajte rezultate | 0,023 | 1.0 | 0,57 | 0,013 | 0,005 | 4.61 | 13.0 | 0,56 | 0,02 | 0,035 |
Tabela 2 Vsebnost plina (ppm)
| plin | H | O | N |
| Zahteve notranje kontrole | ≤2,5 | ≤80 | ≤150 |
| Analizirajte rezultate | 1,69 | 68.6 | 119.3 |
Material ZG06C r13N i4M o je bil taljen v 30 t električni peči, rafiniran v 25T LF peči za legiranje, prilagajanje sestave in temperature ter razogljičen in razplinjen v 25T VOD peči, s čimer je pridobljeno staljeno jeklo z ultra nizko vsebnostjo ogljika, enotna sestava, visoka čistost in nizka vsebnost škodljivih plinov. Končno je bila aluminijasta žica uporabljena za končno deoksidacijo, da se zmanjša vsebnost kisika v staljenem jeklu in dodatno prečistijo zrna.
2 Preskus postopka toplotne obdelave
2.1 Načrt testiranja
Kot preskusno telo je bilo uporabljeno ulito telo, velikost testnega bloka je bila 70 mm × 70 mm × 230 mm, predhodna toplotna obdelava pa je bila mehčalno žarjenje. Po posvetovanju z literaturo so bili izbrani parametri procesa toplotne obdelave: normalizacijska temperatura 1 010 ℃, temperature primarnega popuščanja 590 ℃, 605 ℃, 620 ℃, sekundarna temperatura popuščanja 580 ℃, za primerjalne teste pa so bili uporabljeni različni postopki popuščanja. Testni načrt je prikazan v tabeli 3.
Tabela 3 Načrt preskusa toplotne obdelave
| Poskusni načrt | Testni postopek toplotne obdelave | Pilotni projekti |
| A1 | 1 010 ℃ Normalizacija + 620 ℃ Kaljenje | Natezne lastnosti Udarna žilavost Trdota HB Upogibne lastnosti Mikrostruktura |
| A2 | 1 010 ℃ Normaliziranje + 620 ℃ Kaljenje + 580 ℃ Kaljenje | |
| B1 | 1 010 ℃ Normalizacija + 620 ℃ Kaljenje | |
| B2 | 1 010 ℃ Normaliziranje + 620 ℃ Kaljenje + 580 ℃ Kaljenje | |
| C1 | 1 010 ℃ Normalizacija + 620 ℃ Kaljenje | |
| C2 | 1 010 ℃ Normaliziranje + 620 ℃ Kaljenje + 580 ℃ Kaljenje |
2.2 Analiza rezultatov testiranja
2.2.1 Analiza kemične sestave
Iz rezultatov analize kemične sestave in vsebnosti plina v tabeli 1 in tabeli 2 so glavni elementi in vsebnost plina v skladu z optimiziranim območjem nadzora sestave.
2.2.2 Analiza rezultatov testa delovanja
Po toplotni obdelavi po različnih preskusnih shemah so bili izvedeni primerjalni testi mehanskih lastnosti v skladu s standardi GB/T228.1-2010, GB/T229-2007 in GB/T231.1-2009. Eksperimentalni rezultati so prikazani v tabeli 4 in tabeli 5.
Tabela 4 Analiza mehanskih lastnosti različnih procesnih shem toplotne obdelave
| Poskusni načrt | Rp0,2/Mpa | Rm/Mpa | A/％ | Z/％ | AKV/J(0℃) | Vrednost trdote 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 Upogibni preskus
| Poskusni načrt | Upogibni preskus（d=25，a=90°） | ocenjevanje |
| B1 | Razpoka 5,2×1,2 mm | Neuspeh |
| B2 | Brez razpok | kvalificiran |
Iz primerjave in analize mehanskih lastnosti: (1) Toplotna obdelava z normalizacijo + popuščanjem lahko material pridobi boljše mehanske lastnosti, kar kaže, da ima material dobro kaljivost. (2) Po normalizirani toplotni obdelavi se meja tečenja in plastičnost (raztezek) dvojnega popuščanja izboljšata v primerjavi z enojnim popuščanjem. (3) Na podlagi pregleda in analize upogibne zmogljivosti je upogibna zmogljivost preskusnega postopka normalizacije B1 + enojnega popuščanja nekvalificirana, uspešnost upogibnega preskusa preskusnega postopka B2 po dvojnem popuščanju pa je kvalificirana. (4) Iz primerjave rezultatov preskusa 6 različnih temperatur popuščanja ima procesna shema B2 1010 ℃ normaliziranje + 605 ℃ enojno popuščanje + 580 ℃ sekundarno popuščanje najboljše mehanske lastnosti z mejo tečenja 687 MPa, raztezkom 23 %, udarna žilavost več kot 160 J pri 0 ℃, zmerna trdota 268HB in kvalificirana upogibna zmogljivost, vse izpolnjuje zahteve glede zmogljivosti materiala.
2.2.3 Analiza metalografske strukture
Metalografska struktura testnih procesov materiala B1 in B2 je bila analizirana v skladu s standardom GB/T13298-1991. Slika 1 prikazuje metalografsko strukturo normalizacije + 605 ℃ prvega popuščanja, slika 2 pa prikazuje metalografsko strukturo normalizacije + prvega popuščanja + drugega popuščanja. Iz metalografskega pregleda in analize je glavna struktura ZG06C r13N i4M o po toplotni obdelavi nizkoogljični letev martenzit + reverzni avstenit. Iz analize metalografske strukture so letvičasti martenzitni snopi materiala po prvem popuščanju debelejši in daljši. Po drugem popuščanju se struktura matrice nekoliko spremeni, struktura martenzita je prav tako nekoliko prečiščena in struktura je bolj enakomerna; kar zadeva zmogljivost, se meja tečenja in plastičnost do določene mere izboljšata.
Slika 1 ZG06Cr13Ni4Mo normalizacija + ena kaljena mikrostruktura
Slika 2 ZG06Cr13Ni4Mo metalografska struktura za normalizacijo + dvakratno popuščanje
2.2.4 Analiza rezultatov testiranja
1) Test je potrdil, da ima material ZG06C r13N i4M o dobro kaljivost. Z normalizacijo + popuščanjem toplotne obdelave lahko material pridobi dobre mehanske lastnosti; meja tečenja in plastične lastnosti (raztezek) dveh popuščanj po normalizirajoči toplotni obdelavi so veliko višje kot pri enem popuščanju.
2) Testna analiza dokazuje, da je struktura ZG06C r13N i4M o po normalizaciji martenzit, struktura po popuščanju pa nizkoogljični letveni popuščeni martenzit + reverzni avstenit. Obrnjeni avstenit v kaljeni strukturi ima visoko toplotno stabilnost in ima pomemben vpliv na mehanske lastnosti, udarne lastnosti in lastnosti postopka litja in varjenja materiala. Zato ima material visoko trdnost, visoko plastično žilavost, ustrezno trdoto, dobro odpornost proti razpokam in dobre lastnosti pri litju in varjenju po toplotni obdelavi.
3) Analizirajte razloge za izboljšanje učinkovitosti sekundarnega popuščanja ZG06C r13N i4M o. Po normalizaciji, segrevanju in ohranjanju toplote ZG06C r13N i4M o po avstenitizaciji tvori drobnozrnat avstenit, ki se nato po hitrem ohlajanju spremeni v nizkoogljični martenzit. Pri prvem popuščanju se prenasičen ogljik v martenzitu izloča v obliki karbidov, s čimer se zmanjša trdnost materiala in izboljša plastičnost in žilavost materiala. Zaradi visoke temperature prvega popuščanja pri prvem popuščanju poleg popuščenega martenzita nastane izjemno fin reverzni avstenit. Ti reverzni avsteniti se delno spremenijo v martenzit med hlajenjem pri popuščanju, kar zagotavlja pogoje za nukleacijo in rast stabilnega reverznega avstenita, ki se ponovno ustvari med postopkom sekundarnega popuščanja. Namen sekundarnega popuščanja je pridobiti dovolj stabilen reverzni avstenit. Ti reverzni avsteniti so lahko med plastično deformacijo podvrženi fazni transformaciji, s čimer se izboljša trdnost in plastičnost materiala. Zaradi omejenih pogojev je nemogoče opazovati in analizirati reverzni avstenit, zato bi moral ta poskus vzeti mehanske lastnosti in mikrostrukturo kot glavne raziskovalne objekte za primerjalno analizo.
3 Proizvodna aplikacija
ZG06C r13N i4M o je lito jeklo iz nerjavečega jekla visoke trdnosti z odličnimi zmogljivostmi. Ko se izvaja dejanska proizvodnja rezil, se za proizvodnjo uporabljajo kemična sestava in zahteve notranjega nadzora, določene s poskusom, ter postopek toplotne obdelave sekundarne normalizacije + popuščanja. Postopek toplotne obdelave je prikazan na sliki 3. Trenutno je proizvodnja 10 velikih vodnih lopatic zaključena in vse zmogljivosti so izpolnile zahteve uporabnika. Prestali so ponovni uporabniški pregled in prejeli dobro oceno.
Zaradi značilnosti zapletenih ukrivljenih rezil, velikih konturnih dimenzij, debelih glav gredi ter enostavne deformacije in razpok je treba v procesu toplotne obdelave izvesti nekatere procesne ukrepe:
1) Glava gredi je obrnjena navzdol, rezilo pa navzgor. Shema obremenitve peči je sprejeta za olajšanje minimalne deformacije, kot je prikazano na sliki 4;
2) Prepričajte se, da je med odlitki in med odlitki in spodnjo ploščo iz železnega železa dovolj velik razmik, da zagotovite hlajenje, in zagotovite, da debela glava gredi izpolnjuje zahteve za ultrazvočno zaznavanje;
3) Stopnja segrevanja obdelovanca je večkrat segmentirana, da se zmanjša organizacijska obremenitev ulitka med postopkom segrevanja, da se prepreči razpokanje.
Izvedba zgornjih ukrepov toplotne obdelave zagotavlja kakovost toplotne obdelave rezila.
Slika 3 Postopek toplotne obdelave rezila ZG06Cr13Ni4Mo
Slika 4 Shema obremenitve peči za toplotno obdelavo rezila
4 Sklepi
1) Na podlagi notranjega nadzora kemične sestave materiala s preskusom postopka toplotne obdelave je ugotovljeno, da je postopek toplotne obdelave ZG06C r13N i4M o materiala iz nerjavečega jekla visoke trdnosti postopek toplotne obdelave 1 010 ℃ normaliziranje + 605 ℃ primarno popuščanje + 580 ℃ sekundarno popuščanje, ki lahko zagotovi, da mehanske lastnosti, nizkotemperaturne udarne lastnosti in lastnosti hladnega upogibanja ulitega materiala izpolnjujejo standardne zahteve.
2) ZG06C r13N i4M o material ima dobro kaljivost. Struktura po normalizaciji + dvakratnem popuščanju toplotne obdelave je nizkoogljični lamelni martenzit + reverzni avstenit z dobro zmogljivostjo, ki ima visoko trdnost, visoko plastično žilavost, ustrezno trdoto, dobro odpornost proti razpokam ter dobro zmogljivost pri litju in varjenju.
3) Shema toplotne obdelave normalizacije + dvakratnega popuščanja, določena s poskusom, se uporablja za proizvodnjo procesa toplotne obdelave velikih rezil, vse lastnosti materiala pa izpolnjujejo standardne zahteve uporabnika.
Čas objave: 28. junij 2024
