Анотація: Досліджено вплив різних процесів термічної обробки на характеристики матеріалу ZG06Cr13Ni4Mo. Тест показує, що після термообробки при 1010 ℃ нормалізації + 605 ℃ первинного відпустки + 580 ℃ вторинного відпуску матеріал досягає найкращого показника ефективності. Його структура являє собою низьковуглецевий мартенсит + аустеніт зворотного перетворення з високою міцністю, низькотемпературною в'язкістю та відповідною твердістю. Він відповідає вимогам до продуктивності продукту при застосуванні виробництва термічної обробки лиття великих лез.
Ключові слова: ZG06Cr13NI4Mo; мартенситна нержавіюча сталь; лезо
Великі лопаті є ключовими частинами гідроенергетичних турбін. Умови експлуатації деталей відносно важкі, вони тривалий час піддаються впливу потоку води під високим тиском, зносу та ерозії. Матеріал вибрано з мартенситної нержавіючої сталі ZG06Cr13Ni4Mo з хорошими комплексними механічними властивостями та стійкістю до корозії. З розвитком гідроенергетики та пов’язаних з нею відливок у напрямку великих масштабів висуваються більш високі вимоги до характеристик матеріалів з нержавіючої сталі, таких як ZG06Cr13Ni4Mo. З цією метою, у поєднанні з виробничим випробуванням ZG06C r13N i4M o великих лопатей вітчизняного підприємства гідроенергетичного обладнання, шляхом внутрішнього контролю хімічного складу матеріалу, порівняльного випробування процесу термічної обробки та аналізу результатів випробувань, оптимізована одинарна нормалізація + подвійне тепло відпуску Процес обробки матеріалу з нержавіючої сталі ZG06C r13N i4M o було визначено для отримання виливків, які відповідають високим вимогам до продуктивності.
1 Внутрішній контроль хімічного складу
Матеріал ZG06C r13N i4M o - це високоміцна мартенситна нержавіюча сталь, яка повинна мати високі механічні властивості та хорошу ударну в'язкість при низьких температурах. Щоб покращити характеристики матеріалу, хімічний склад контролювався внутрішньо, вимагаючи w (C) ≤ 0,04%, w (P) ≤ 0,025%, w (S) ≤ 0,08%, а також контролювався вміст газу. Таблиця 1 показує діапазон хімічного складу внутрішнього контролю матеріалу та результати аналізу хімічного складу зразка, а таблиця 2 показує вимоги внутрішнього контролю вмісту газу в матеріалі та результати аналізу вмісту газу зразка.
Таблиця 1 Хімічний склад (масова частка, %)
| елемент | C | Mn | Si | P | S | Ni | Cr | Mo | Cu | Al |
| стандартна вимога | ≤0,06 | ≤1,0 | ≤0,80 | ≤0,035 | ≤0,025 | 3,5-5,0 | 11,5-13,5 | 0,4-1,0 | ≤0,5 |
|
| Інгредієнти Внутрішній контроль | ≤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 |
| Проаналізуйте результати | 0,023 | 1.0 | 0,57 | 0,013 | 0,005 | 4.61 | 13.0 | 0,56 | 0,02 | 0,035 |
Таблиця 2 Вміст газу (ppm)
| газ | H | O | N |
| Вимоги внутрішнього контролю | ≤2,5 | ≤80 | ≤150 |
| Проаналізуйте результати | 1.69 | 68.6 | 119.3 |
Матеріал ZG06C r13N i4M o було виплавлено в 30-тонній електричній печі, очищено в печі 25T LF для легування, регулювання складу та температури, а також знеуглерожено та дегазовано в печі 25T VOD, отримуючи таким чином розплавлену сталь з наднизьким вмістом вуглецю, однорідний склад, висока чистота і низький вміст шкідливих газів. Нарешті, алюмінієвий дріт використовувався для остаточного розкислення, щоб зменшити вміст кисню в розплавленій сталі та додатково подрібнити зерна.
2 Випробування процесу термічної обробки
2.1 План тестування
В якості випробувального тіла використовувався литий корпус, розмір випробувального блоку становив 70 мм × 70 мм × 230 мм, а попередня термічна обробка була пом’якшувальним відпалом. Після звернення до літератури було обрано такі параметри процесу термічної обробки: температура нормалізації 1010 ℃, температури первинного відпуску 590 ℃, 605 ℃, 620 ℃, температура вторинного відпуску 580 ℃, а для порівняльних випробувань використовували різні процеси відпуску. План тестування наведено в таблиці 3.
Таблиця 3 План випробування термічної обробки
| Пробний план | Тестовий процес термічної обробки | Пілотні проекти |
| A1 | 1 010 ℃ Нормалізація + 620 ℃ Відпуск | Властивості на розтяг Ударна в'язкість Твердість HB Властивості на вигин Мікроструктура |
| A2 | 1 010 ℃ Нормалізація + 620 ℃ Відпуск + 580 ℃ Відпуск | |
| B1 | 1 010 ℃ Нормалізація + 620 ℃ Відпуск | |
| B2 | 1 010 ℃ Нормалізація + 620 ℃ Відпуск + 580 ℃ Відпуск | |
| C1 | 1 010 ℃ Нормалізація + 620 ℃ Відпуск | |
| C2 | 1 010 ℃ Нормалізація + 620 ℃ Відпуск + 580 ℃ Відпуск |
2.2 Аналіз результатів випробувань
2.2.1 Аналіз хімічного складу
З результатів аналізу хімічного складу та вмісту газу в таблиці 1 і таблиці 2 основні елементи та вміст газу відповідають оптимізованому діапазону контролю складу.
2.2.2 Аналіз результатів тестування продуктивності
Після термообробки за різними схемами випробувань були проведені порівняльні випробування механічних властивостей відповідно до стандартів GB/T228.1-2010, GB/T229-2007 та GB/T231.1-2009. Експериментальні результати наведені в таблиці 4 і таблиці 5.
Таблиця 4 Аналіз механічних властивостей різних схем процесу термообробки
| Пробний план | Rp0,2/Мпа | Rm/Мпа | A/％ | Z/％ | AKV/Дж(0 ℃) | Значення твердості HBW |
| стандарт | ≥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 |
Таблиця 5 Випробування на згин
| Пробний план | Випробування на згин (d=25,a=90°) | оцінка |
| B1 | Тріщина 5,2×1,2 мм | провал |
| B2 | Без тріщин | кваліфікований |
З порівняння та аналізу механічних властивостей: (1) Термічна обробка нормалізацією + відпуском, матеріал може отримати кращі механічні властивості, що вказує на те, що матеріал має хорошу загартовуваність. (2) Після нормалізації термічної обробки межа текучості та пластичність (подовження) подвійного відпуску покращуються порівняно з одноразовим відпуском. (3) За результатами перевірки та аналізу ефективності вигину продуктивність процесу нормалізації B1 + одноразового відпуску є некваліфікованою, а продуктивність випробування на вигин процесу B2 після подвійного відпуску є кваліфікованою. (4) З порівняння результатів випробування 6 різних температур відпуску, схема процесу B2 1010 ℃ нормалізації + 605 ℃ одинарного відпуску + 580 ℃ вторинного відпуску має найкращі механічні властивості з межею текучості 687 МПа, подовженням 23%, ударна в'язкість понад 160 Дж при 0 ℃, помірна твердість 268HB і кваліфікована продуктивність при вигині, що відповідає вимогам до характеристик матеріалу.
2.2.3 Металографічний аналіз структури
Металографічну структуру випробувальних процесів матеріалів B1 і B2 аналізували відповідно до стандарту GB/T13298-1991. На малюнку 1 показано металографічну структуру нормалізації + 605 ℃ першого відпуску, а на малюнку 2 показано металографічну структуру нормалізації + першого відпуску + другого відпуску. За даними металографічної перевірки та аналізу, основною структурою ZG06C r13N i4M o після термообробки є низьковуглецевий рейковий мартенсит + зворотний аустеніт. З аналізу металографічної структури пучки рейкового мартенситу матеріалу після першого відпустки товщі та довші. Після другого відпуску структура матриці змінюється незначно, структура мартенситу також трохи уточнюється, структура стає більш однорідною; з точки зору продуктивності, межа текучості та пластичність покращуються до певної міри.
Рисунок 1 ZG06Cr13Ni4Mo нормалізована + одна мікроструктура відпуску
Рисунок 2 ZG06Cr13Ni4Mo нормалізована + подвійний відпустка металографічна структура
2.2.4 Аналіз результатів випробувань
1) Тест підтвердив, що матеріал ZG06C r13N i4M o має хорошу загартовуваність. Завдяки термообробці нормалізації + відпуску матеріал може отримати хороші механічні властивості; межа текучості і пластичні властивості (подовження) двох відпусків після нормалізуючої термічної обробки значно вищі, ніж при одному відпуску.
2) Тестовий аналіз доводить, що структура ZG06C r13N i4M o після нормалізації є мартенситом, а структура після відпустки є низьковуглецевим рейковим відпущеним мартенситом + зворотним аустенітом. Зворотний аустеніт у загартованій структурі має високу термічну стабільність і суттєво впливає на механічні властивості, ударні властивості та властивості процесу лиття та зварювання матеріалу. Таким чином, матеріал має високу міцність, високу пластичну в'язкість, відповідну твердість, гарну тріщиностійкість і хороші ливарні та зварювальні властивості після термічної обробки.
3) Проаналізуйте причини покращення показників вторинного відпуску ZG06C r13N i4M o. Після нормалізації, нагрівання та збереження тепла ZG06C r13N i4M o утворює дрібнозернистий аустеніт після аустенітізації, а потім перетворюється на низьковуглецевий мартенсит після швидкого охолодження. Під час першого відпуску перенасичений вуглець у мартенситі виділяється у вигляді карбідів, тим самим знижуючи міцність матеріалу та покращуючи пластичність і в’язкість матеріалу. Завдяки високій температурі першого відпуску, перший відпуск дає надзвичайно дрібний зворотний аустеніт на додаток до відпущеного мартенситу. Ці зворотні аустеніти частково перетворюються на мартенсит під час охолодження відпуску, створюючи умови для зародження і зростання стабільного зворотного аустеніту, який знову утворюється під час процесу вторинного відпуску. Метою вторинного відпустки є отримання достатньо стабільного зворотного аустеніту. Ці зворотні аустеніти можуть піддаватися фазовому перетворенню під час пластичної деформації, тим самим покращуючи міцність і пластичність матеріалу. Через обмежені умови неможливо спостерігати та аналізувати зворотний аустеніт, тому цей експеримент має взяти механічні властивості та мікроструктуру як основні об’єкти дослідження для порівняльного аналізу.
3 Виробнича заявка
ZG06C r13N i4M o - це високоміцний нержавіючий сталевий матеріал із чудовими характеристиками. При фактичному виробництві лопатей для виробництва використовуються хімічний склад і вимоги внутрішнього контролю, визначені експериментом, а також процес термічної обробки вторинної нормалізації + відпустка. Процес термічної обробки показаний на малюнку 3. На даний момент завершено виробництво 10 великих гідроелектростанцій, і всі характеристики відповідають вимогам користувача. Вони пройшли повторну перевірку користувача та отримали хорошу оцінку.
Для характеристик складних вигнутих лез, великих розмірів контуру, товстих головок валу, легкої деформації та розтріскування, у процесі термічної обробки необхідно вжити деяких технологічних заходів:
1) Головка валу спрямована вниз, а лезо вгору. Схема завантаження печі прийнята для полегшення мінімальної деформації, як показано на малюнку 4;
2) Переконайтеся, що існує достатньо великий проміжок між виливками та між виливками та нижньою пластиною прокладки для забезпечення охолодження, а також переконайтеся, що товста головка валу відповідає вимогам ультразвукового виявлення;
3) Етап нагрівання заготовки сегментований кілька разів, щоб мінімізувати організаційний стрес відливки під час процесу нагрівання, щоб запобігти розтріскування.
Виконання вищевказаних заходів термообробки забезпечує якість термообробки леза.
Рисунок 3 Процес термічної обробки леза ZG06Cr13Ni4Mo
Рисунок 4. Схема завантаження печі процесу лопатевої термообробки
4 Висновки
1) На основі внутрішнього контролю хімічного складу матеріалу за допомогою випробування процесу термічної обробки було визначено, що процес термічної обробки матеріалу ZG06C r13N i4M o з високоміцної нержавіючої сталі є процесом термічної обробки 1 010 ℃ нормалізація + 605 ℃ первинний відпуск + 580 ℃ вторинний відпуск, який може гарантувати, що механічні властивості, низькотемпературні ударні властивості та властивості холодного вигину ливарного матеріалу відповідають стандартним вимогам.
2) ZG06C r13N i4M o матеріал має хорошу загартовуваність. Структура після нормалізації + термічної обробки подвійного відпуску являє собою низьковуглецевий рейковий мартенсит + зворотний аустеніт з хорошими характеристиками, який має високу міцність, високу пластичну в'язкість, відповідну твердість, гарну стійкість до розтріскування та хороші характеристики лиття та зварювання.
3) Схема термічної обробки нормалізації + подвійного відпустки, визначена експериментом, застосовується до процесу термообробки виробництва великих лез, і всі властивості матеріалу відповідають стандартним вимогам користувача.
Час публікації: 28 червня 2024 р
