Abstrakt: Byl studován vliv různých procesů tepelného zpracování na vlastnosti materiálu ZG06Cr13Ni4Mo. Test ukazuje, že po tepelném zpracování při normalizaci 1 010 ℃ + 605 ℃ primární popouštění + 580 ℃ sekundární popouštění, materiál dosahuje nejlepšího indexu výkonnosti. Jeho struktura je nízkouhlíkový martenzit + austenit s reverzní transformací, s vysokou pevností, nízkoteplotní houževnatostí a vhodnou tvrdostí. Splňuje požadavky na výkonnost produktu při použití výroby tepelného zpracování odlitků velkých lopatek.
Klíčová slova: ZG06Cr13NI4Mo; martenzitická nerezová ocel; čepel
Velké lopatky jsou klíčovými součástmi vodních turbín. Provozní podmínky dílů jsou poměrně drsné a jsou vystaveny po dlouhou dobu působení vysokotlakého proudění vody, opotřebení a erozi. Materiál je vybrán z martenzitické nerezové oceli ZG06Cr13Ni4Mo s dobrými komplexními mechanickými vlastnostmi a odolností proti korozi. S rozvojem vodní energie a souvisejících odlitků směrem k velkému měřítku jsou kladeny vyšší požadavky na vlastnosti materiálů z nerezové oceli, jako je ZG06Cr13Ni4Mo. Za tímto účelem, v kombinaci s výrobní zkouškou velkých lopatek ZG06C r13N i4M nebo velkých lopatek domácího podniku na výrobu vodních elektráren, prostřednictvím vnitřní kontroly chemického složení materiálu, srovnávacího testu procesu tepelného zpracování a analýzy výsledků testu, optimalizované jednoduché normalizace + dvojité temperovací teplo proces úpravy materiálu z nerezové oceli ZG06C r13N i4M nebo byl určen k výrobě odlitků, které splňují vysoké požadavky na výkon.
1 Vnitřní kontrola chemického složení
Materiál ZG06C r13N i4M o je vysokopevnostní martenzitická nerezová ocel, u které se vyžaduje vysoké mechanické vlastnosti a dobrá rázová houževnatost při nízkých teplotách. Aby se zlepšila výkonnost materiálu, bylo vnitřně kontrolováno chemické složení, které vyžadovalo w (C) < 0,04 %, w (P) < 0,025 %, w (S) < 0,08 %, a byl kontrolován obsah plynu. Tabulka 1 ukazuje rozsah chemického složení vnitřní kontroly materiálu a výsledky analýzy chemického složení vzorku a Tabulka 2 ukazuje požadavky na vnitřní kontrolu obsahu plynu v materiálu a výsledky analýzy obsahu plynu ve vzorku.
Tabulka 1 Chemické složení (hmotnostní zlomek, %)
| živel | C | Mn | Si | P | S | Ni | Cr | Mo | Cu | Al |
| standardní požadavek | ≤0,06 | ≤1,0 | ≤0,80 | ≤0,035 | ≤0,025 | 3,5-5,0 | 11,5-13,5 | 0,4-1,0 | ≤0,5 |
|
| Složení Vnitřní kontrola | ≤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 |
| Analyzujte výsledky | 0,023 | 1,0 | 0,57 | 0,013 | 0,005 | 4.61 | 13,0 | 0,56 | 0,02 | 0,035 |
Tabulka 2 Obsah plynu (ppm)
| plyn | H | O | N |
| Požadavky na vnitřní kontrolu | ≤2,5 | ≤80 | ≤150 |
| Analyzujte výsledky | 1,69 | 68,6 | 119,3 |
Materiál ZG06C r13N i4M o byl taven v 30t elektrické peci, rafinován v 25T LF peci pro legování, úpravu složení a teploty a oduhličován a odplyněn v 25T VOD peci, čímž byla získána roztavená ocel s ultra nízkým obsahem uhlíku, jednotné složení, vysoká čistota a nízký obsah škodlivých plynů. Nakonec byl pro konečnou dezoxidaci použit hliníkový drát, aby se snížil obsah kyslíku v roztavené oceli a dále se zjemnila zrna.
2 Test procesu tepelného zpracování
2.1 Plán zkoušek
Jako zkušební těleso bylo použito odlévací těleso, velikost zkušebního bloku byla 70 mm x 70 mm x 230 mm a předběžnou tepelnou úpravou bylo změkčovací žíhání. Po konzultaci s literaturou byly vybrané parametry procesu tepelného zpracování: normalizační teplota 1 010 ℃, primární temperovací teploty 590 ℃, 605 ℃, 620 ℃, sekundární temperovací teplota 580 ℃ a různé procesy temperování byly použity pro srovnávací testy. Plán testování je uveden v tabulce 3.
Tabulka 3 Plán zkoušek tepelného zpracování
| Zkušební plán | Zkušební proces tepelného zpracování | Pilotní projekty |
| A1 | 1 010 ℃ Normalizace + 620 ℃ Temperování | Tahové vlastnosti Rázová houževnatost Tvrdost HB Vlastnosti v ohybu Mikrostruktura |
| A2 | 1 010℃Normalizace+620℃Popouštění+580℃Popouštění | |
| B1 | 1 010 ℃ Normalizace + 620 ℃ Temperování | |
| B2 | 1 010℃Normalizace+620℃Popouštění+580℃Popouštění | |
| C1 | 1 010 ℃ Normalizace + 620 ℃ Temperování | |
| C2 | 1 010℃Normalizace+620℃Popouštění+580℃Popouštění |
2.2 Analýza výsledků zkoušek
2.2.1 Analýza chemického složení
Z výsledků analýzy chemického složení a obsahu plynu v tabulce 1 a tabulce 2 jsou hlavní prvky a obsah plynu v souladu s optimalizovaným rozsahem kontroly složení.
2.2.2 Analýza výsledků výkonnostních zkoušek
Po tepelném zpracování podle různých zkušebních schémat byly provedeny srovnávací testy mechanických vlastností v souladu s normami GB/T228.1-2010, GB/T229-2007 a GB/T231.1-2009. Experimentální výsledky jsou uvedeny v tabulce 4 a tabulce 5.
Tabulka 4 Analýza mechanických vlastností různých schémat procesu tepelného zpracování
| Zkušební plán | Rp0,2/Mpa | Rm/Mpa | A/% | Z/％ | AKV/J(0℃） | Hodnota tvrdosti HBW |
| norma | ≥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 |
Tabulka 5 Zkouška ohybem
| Zkušební plán | Zkouška ohybem (d=25,a=90°) | posouzení |
| B1 | Prasklina 5,2 × 1,2 mm | Selhání |
| B2 | Žádné praskliny | kvalifikovaný |
Z porovnání a analýzy mechanických vlastností: (1) Normalizace + tepelné zpracování popouštěním, materiál může získat lepší mechanické vlastnosti, což naznačuje, že materiál má dobrou prokalitelnost. (2) Po normalizačním tepelném zpracování se mez kluzu a plasticita (prodloužení) dvojitého popouštění zlepší ve srovnání s jednoduchým popouštěním. (3) Z kontroly a analýzy ohybového výkonu je ohybový výkon procesu normalizace B1 + jednoduchého temperování nekvalifikovaný a výkon testu ohybu testu B2 po dvojitém temperování je kvalifikovaný. (4) Z porovnání výsledků zkoušek 6 různých teplot popouštění, procesní schéma B2 1 010 °C normalizace + 605 °C jednoduché popouštění + 580 °C sekundární popouštění má nejlepší mechanické vlastnosti, s mezí kluzu 687 MPa, prodloužením. 23 %, rázová houževnatost více než 160 J při 0 °C, střední tvrdost 268 HB a kvalifikovaný ohybový výkon, to vše splňující výkonnostní požadavky materiálu.
2.2.3 Analýza metalografické struktury
Metalografická struktura testovacích procesů materiálu B1 a B2 byla analyzována podle normy GB/T13298-1991. Obrázek 1 ukazuje metalografickou strukturu normalizace + 605 °C prvního popouštění a obrázek 2 ukazuje metalografickou strukturu normalizace + první popouštění + druhé popouštění. Z metalografické kontroly a analýzy je hlavní strukturou ZG06C r13N i4M o po tepelném zpracování nízkouhlíkový lištový martenzit + reverzní austenit. Z analýzy metalografické struktury vyplývá, že svazky lištového martenzitu materiálu po prvním popouštění jsou tlustší a delší. Po druhém temperování se struktura matrice mírně změní, struktura martenzitu je také mírně zjemněna a struktura je jednotnější; z hlediska výkonu se do určité míry zlepší mez kluzu a plasticita.
Obrázek 1 ZG06Cr13Ni4Mo normalizační + jedna temperovací mikrostruktura
Obrázek 2 ZG06Cr13Ni4Mo normalizační + dvakrát temperovaná metalografická struktura
2.2.4 Analýza výsledků zkoušek
1) Test potvrdil, že materiál ZG06C r13N i4M o má dobrou prokalitelnost. Prostřednictvím normalizačního + temperovacího tepelného zpracování může materiál získat dobré mechanické vlastnosti; mez kluzu a plastické vlastnosti (tažnost) dvou popouštění po normalizačním tepelném zpracování jsou mnohem vyšší než u jednoho popouštění.
2) Zkušební analýza prokazuje, že struktura ZG06C r13N i4M o po normalizaci je martenzit a struktura po temperování je nízkouhlíkový lištově temperovaný martenzit + reverzní austenit. Reverzní austenit v temperované struktuře má vysokou tepelnou stabilitu a má významný vliv na mechanické vlastnosti, rázové vlastnosti a vlastnosti procesu odlévání a svařování materiálu. Proto má materiál vysokou pevnost, vysokou plastickou houževnatost, odpovídající tvrdost, dobrou odolnost proti praskání a dobré slévací a svařovací vlastnosti po tepelném zpracování.
3) Analyzujte důvody pro zlepšení výkonu sekundárního temperování ZG06C r13N i4M o. Po normalizaci, zahřátí a tepelné konzervaci vytváří ZG06C r13N i4M o po austenitizaci jemnozrnný austenit, který se po rychlém ochlazení přemění na nízkouhlíkový martenzit. Při prvním temperování se přesycený uhlík v martenzitu vysráží ve formě karbidů, čímž se sníží pevnost materiálu a zlepší se plasticita a houževnatost materiálu. Díky vysoké teplotě prvního popouštění vzniká při prvním popouštění kromě popouštěného martenzitu extrémně jemný reverzní austenit. Tyto reverzní austenity se během temperačního ochlazování částečně přeměňují na martenzit, čímž se vytvářejí podmínky pro nukleaci a růst stabilního reverzního austenitu generovaného opět během procesu sekundárního temperování. Účelem sekundárního temperování je získat dostatek stabilního reverzního austenitu. Tyto reverzní austenity mohou během plastické deformace projít fázovou transformací, čímž se zlepší pevnost a plasticita materiálu. Vzhledem k omezeným podmínkám není možné pozorovat a analyzovat reverzní austenit, takže tento experiment by měl brát mechanické vlastnosti a mikrostrukturu jako hlavní výzkumné objekty pro srovnávací analýzu.
3 Výrobní aplikace
ZG06C r13N i4M o je vysoce pevný nerezový ocelolitinový materiál s vynikajícím výkonem. Při vlastní výrobě lopatek se pro výrobu používá chemické složení a požadavky na vnitřní kontrolu stanovené experimentem a proces tepelného zpracování sekundární normalizace + temperování. Proces tepelného zpracování je znázorněn na obrázku 3. V současné době byla dokončena výroba 10 velkých vodních lopatek a výkon splnil všechny požadavky uživatele. Prošly opětovnou kontrolou uživatele a získaly dobré hodnocení.
Pro vlastnosti složitých zakřivených čepelí, velkých obrysových rozměrů, silných hlav hřídelů a snadné deformace a praskání je třeba v procesu tepelného zpracování přijmout některá procesní opatření:
1) Hlava hřídele je směrem dolů a čepel je nahoře. Schéma plnění pece je přijato pro usnadnění minimální deformace, jak je znázorněno na obrázku 4;
2) Zajistěte, aby mezi odlitky a mezi odlitky a spodní deskou podložky byla dostatečně velká mezera, aby bylo zajištěno chlazení, a ujistěte se, že tlustá hlava hřídele splňuje požadavky na ultrazvukovou detekci;
3) Fáze ohřevu obrobku je vícenásobně segmentována, aby se minimalizovalo organizační namáhání odlitku během procesu ohřevu, aby se zabránilo praskání.
Provedením výše uvedených opatření tepelného zpracování je zajištěna kvalita tepelného zpracování čepele.
Obrázek 3 Proces tepelného zpracování čepele ZG06Cr13Ni4Mo
Obrázek 4 Schéma nakládání lopatkové pece pro proces tepelného zpracování
4 Závěry
1) Na základě vnitřní kontroly chemického složení materiálu je prostřednictvím testu procesu tepelného zpracování stanoveno, že proces tepelného zpracování materiálu ZG06C r13N i4M o vysokopevnostní nerezové oceli je proces tepelného zpracování 1 010 ℃ normalizace + 605 ℃ primární temperování + 580 ℃ sekundární temperování, které může zajistit, že mechanické vlastnosti, rázové vlastnosti při nízké teplotě a vlastnosti ohybu za studena odlévaného materiálu splňují standardní požadavky.
2) Materiál ZG06C r13N i4M o má dobrou prokalitelnost. Struktura po normalizačním + dvojnásobném tepelném zpracování popouštěním je nízkouhlíkový lištový martenzit + reverzní austenit s dobrým výkonem, který má vysokou pevnost, vysokou plastickou houževnatost, odpovídající tvrdost, dobrou odolnost proti praskání a dobrý výkon při odlévání a svařování.
3) Experimentem stanovené schéma tepelného zpracování normalizace + dvojnásobné temperování je aplikováno na proces tepelného zpracování výroby velkých lopatek a všechny vlastnosti materiálu splňují standardní požadavky uživatele.
Čas odeslání: 28. června 2024
