Sažetak: Istraživan je utjecaj različitih postupaka toplinske obrade na svojstva ZG06Cr13Ni4Mo materijala. Test pokazuje da nakon toplinske obrade na 1 010 ℃ normalizacije + 605 ℃ primarnog kaljenja + 580 ℃ sekundarnog kaljenja, materijal postiže najbolji indeks učinkovitosti. Njegova struktura je martenzit s niskim udjelom ugljika + austenit reverzne transformacije, visoke čvrstoće, žilavosti na niskim temperaturama i odgovarajuće tvrdoće. Ispunjava zahtjeve performansi proizvoda u primjeni proizvodnje toplinske obrade odljevaka velikih oštrica.
Ključne riječi: ZG06Cr13NI4Mo; martenzitni nehrđajući čelik; sječivo
Velike lopatice ključni su dijelovi hidroelektrana. Uvjeti rada dijelova su relativno teški i dugo su izloženi udaru vode pod visokim pritiskom, trošenju i eroziji. Materijal je odabran od martenzitnog nehrđajućeg čelika ZG06Cr13Ni4Mo s dobrim sveobuhvatnim mehaničkim svojstvima i otpornošću na koroziju. S razvojem hidroenergije i srodnih odljevaka prema velikim razmjerima, postavljaju se veći zahtjevi za performanse materijala od nehrđajućeg čelika kao što je ZG06Cr13Ni4Mo. U tu svrhu, u kombinaciji s proizvodnim ispitivanjem ZG06C r13N i4M o velikih lopatica domaćeg poduzeća za hidroenergetske uređaje, putem interne kontrole kemijskog sastava materijala, usporednog testa procesa toplinske obrade i analize rezultata ispitivanja, optimizirano jednostruko normaliziranje + dvostruko toplinsko kaljenje proces obrade materijala od nehrđajućeg čelika ZG06C r13N i4M o određen je za proizvodnju odljevaka koji zadovoljavaju zahtjeve visokih performansi.
1 Interna kontrola kemijskog sastava
Materijal ZG06C r13N i4M o je martenzitni nehrđajući čelik visoke čvrstoće koji mora imati visoka mehanička svojstva i dobru udarnu žilavost na niskim temperaturama. Kako bi se poboljšala izvedba materijala, kemijski sastav bio je interno kontroliran, zahtijevajući w (C) ≤ 0,04%, w (P) ≤ 0,025%, w (S) ≤ 0,08%, te je kontroliran sadržaj plina. Tablica 1 prikazuje raspon kemijskog sastava unutarnje kontrole materijala i rezultate analize kemijskog sastava uzorka, a tablica 2 prikazuje zahtjeve interne kontrole sadržaja plina u materijalu i rezultate analize sadržaja plina uzorka.
Tablica 1. Kemijski sastav (maseni udio, %)
| element | C | Mn | Si | P | S | Ni | Cr | Mo | Cu | Al |
| standardni zahtjev | ≤0,06 | ≤1,0 | ≤0,80 | ≤0,035 | ≤0,025 | 3,5-5,0 | 11.5-13.5 | 0,4-1,0 | ≤0,5 |
|
| Sastojci Interna 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 |
| Analizirajte rezultate | 0,023 | 1.0 | 0,57 | 0,013 | 0,005 | 4.61 | 13.0 | 0,56 | 0,02 | 0,035 |
Tablica 2 Sadržaj plina (ppm)
| plin | H | O | N |
| Zahtjevi unutarnje kontrole | ≤2,5 | ≤80 | ≤150 |
| Analizirajte rezultate | 1.69 | 68.6 | 119.3 |
Materijal ZG06C r13N i4M o taljen je u električnoj peći od 30 t, rafiniran u peći od 25T LF za legiranje, podešavanje sastava i temperature, te dekarburiziran i otplinjen u peći od 25T VOD, čime je dobiven rastaljeni čelik s ultraniskim ugljikom, jednoličan sastav, visoka čistoća i nizak sadržaj štetnih plinova. Konačno, aluminijska žica korištena je za konačnu deoksidaciju kako bi se smanjio sadržaj kisika u rastaljenom čeliku i dodatno pročistila zrna.
2 Ispitivanje procesa toplinske obrade
2.1 Plan ispitivanja
Tijelo odljevka korišteno je kao ispitno tijelo, veličina ispitnog bloka bila je 70 mm × 70 mm × 230 mm, a preliminarna toplinska obrada bila je omekšavanje žarenja. Nakon konzultacije s literaturom, odabrani parametri procesa toplinske obrade bili su: temperatura normalizacije 1 010 ℃, temperature primarnog kaljenja 590 ℃, 605 ℃, 620 ℃, temperatura sekundarnog kaljenja 580 ℃, a različiti postupci kaljenja korišteni su za usporedna ispitivanja. Plan ispitivanja prikazan je u tablici 3.
Tablica 3 Plan ispitivanja toplinske obrade
| Probni plan | Proces ispitivanja toplinske obrade | Pilot projekti |
| A1 | 1 010 ℃ Normalizacija + 620 ℃ Kaljenje | Vlačna svojstva Udarna žilavost Tvrdoća HB Svojstva savijanja Mikrostruktura |
| A2 | 1 010 ℃ Normalizacija + 620 ℃ Kaljenje + 580 ℃ Kaljenje | |
| B1 | 1 010 ℃ Normalizacija + 620 ℃ Kaljenje | |
| B2 | 1 010 ℃ Normalizacija + 620 ℃ Kaljenje + 580 ℃ Kaljenje | |
| C1 | 1 010 ℃ Normalizacija + 620 ℃ Kaljenje | |
| C2 | 1 010 ℃ Normalizacija + 620 ℃ Kaljenje + 580 ℃ Kaljenje |
2.2 Analiza rezultata ispitivanja
2.2.1 Analiza kemijskog sastava
Iz rezultata analize kemijskog sastava i sadržaja plina u tablici 1 i tablici 2, glavni elementi i sadržaj plina u skladu su s optimiziranim rasponom kontrole sastava.
2.2.2 Analiza rezultata ispitivanja performansi
Nakon toplinske obrade prema različitim ispitnim shemama, izvršena su usporedna ispitivanja mehaničkih svojstava u skladu sa standardima GB/T228.1-2010, GB/T229-2007 i GB/T231.1-2009. Eksperimentalni rezultati prikazani su u tablici 4 i tablici 5.
Tablica 4. Analiza mehaničkih svojstava različitih shema procesa toplinske obrade
| Probni plan | Rp0,2/Mpa | Rm/Mpa | A/% | Z/％ | AKV/J(0℃) | Vrijednost tvrdoće 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 |
Tablica 5 Ispitivanje savijanjem
| Probni plan | Ispitivanje savijanjem（d=25，a=90°） | procjena |
| B1 | Pukotina 5,2×1,2 mm | Neuspjeh |
| B2 | Nema pukotina | kvalificirani |
Iz usporedbe i analize mehaničkih svojstava: (1) Toplinska obrada normalizacijom + kaljenjem, materijal može dobiti bolja mehanička svojstva, što ukazuje da materijal ima dobru očvrsljivost. (2) Nakon normalizacije toplinske obrade, granica razvlačenja i plastičnost (istezanje) kod dvostrukog kaljenja su poboljšani u usporedbi s jednostrukim kaljenjem. (3) Iz inspekcije i analize izvedbe savijanja, izvedba savijanja B1 procesa ispitivanja normalizacije + jednostrukog kaljenja je nekvalificirana, a izvedba ispitivanja savijanja postupka ispitivanja B2 nakon dvostrukog kaljenja je kvalificirana. (4) Iz usporedbe rezultata ispitivanja 6 različitih temperatura kaljenja, shema procesa B2 od 1 010 ℃ normaliziranje + 605 ℃ jednostruko kaljenje + 580 ℃ sekundarno kaljenje ima najbolja mehanička svojstva, s granicom tečenja od 687 MPa, istezanjem od 23%, udarnu žilavost veću od 160J na 0 ℃, umjerenu tvrdoću od 268HB i kvalificiranu izvedbu savijanja, a sve u skladu sa zahtjevima za izvedbu materijala.
2.2.3 Analiza metalografske strukture
Metalografska struktura procesa ispitivanja materijala B1 i B2 analizirana je prema standardu GB/T13298-1991. Slika 1 prikazuje metalografsku strukturu normalizacije + 605 ℃ prvog kaljenja, a Slika 2 prikazuje metalografsku strukturu normalizacije + prvog kaljenja + drugog kaljenja. Iz metalografske inspekcije i analize, glavna struktura ZG06C r13N i4M o nakon toplinske obrade je letvasti martenzit s niskim udjelom ugljika + reverzni austenit. Iz analize metalografske strukture, letvičasti martenzitni snopovi materijala nakon prvog kaljenja su deblji i dulji. Nakon drugog kaljenja, struktura matrice se malo mijenja, struktura martenzita je također malo pročišćena, a struktura je ujednačenija; u smislu performansi, granica tečenja i plastičnost su poboljšani do određene mjere.
Slika 1 ZG06Cr13Ni4Mo normalizacija + jedna mikrostruktura kaljenja
Slika 2 ZG06Cr13Ni4Mo metalografska struktura normaliziranja + dvostruko kaljenje
2.2.4 Analiza rezultata ispitivanja
1) Test je potvrdio da ZG06C r13N i4M o materijal ima dobru očvrsljivost. Toplinskom obradom normalizacije + temperiranja, materijal može dobiti dobra mehanička svojstva; granica razvlačenja i plastična svojstva (istezanje) dvaju kaljenja nakon normalizirajuće toplinske obrade mnogo su veća od onih kod jednog kaljenja.
2) Analiza ispitivanja dokazuje da je struktura ZG06C r13N i4M o nakon normalizacije martenzit, a struktura nakon kaljenja niskougljični letvasti kaljeni martenzit + reverzni austenit. Obrnuti austenit u kaljenoj strukturi ima visoku toplinsku stabilnost i ima značajan učinak na mehanička svojstva, svojstva na udar i svojstva materijala u postupku lijevanja i zavarivanja. Zbog toga materijal ima visoku čvrstoću, visoku plastičnu žilavost, odgovarajuću tvrdoću, dobru otpornost na pukotine i dobra svojstva lijevanja i zavarivanja nakon toplinske obrade.
3) Analizirati razloge za poboljšanje učinka sekundarnog kaljenja ZG06C r13N i4M o. Nakon normalizacije, zagrijavanja i očuvanja topline, ZG06C r13N i4M o formira fino zrnati austenit nakon austenitizacije, a zatim se transformira u martenzit s niskim udjelom ugljika nakon brzog hlađenja. U prvom kaljenju, prezasićeni ugljik u martenzitu se taloži u obliku karbida, čime se smanjuje čvrstoća materijala i poboljšava plastičnost i žilavost materijala. Zbog visoke temperature prvog kaljenja, prvo kaljenje proizvodi izuzetno fini reverzni austenit uz kaljeni martenzit. Ovi reverzni austeniti se djelomično transformiraju u martenzit tijekom hlađenja kaljenja, osiguravajući uvjete za nukleaciju i rast stabilnog reverznog austenita koji se ponovno stvara tijekom procesa sekundarnog kaljenja. Svrha sekundarnog kaljenja je dobivanje dovoljno stabilnog reverznog austenita. Ovi reverzni austeniti mogu doživjeti faznu transformaciju tijekom plastične deformacije, čime se poboljšava čvrstoća i plastičnost materijala. Zbog ograničenih uvjeta nemoguće je promatrati i analizirati reverzni austenit, pa bi ovaj eksperiment trebao uzeti mehanička svojstva i mikrostrukturu kao glavne istraživačke objekte za usporednu analizu.
3 Primjena za proizvodnju
ZG06C r13N i4M o je čelični lijevani materijal od nehrđajućeg čelika visoke čvrstoće s izvrsnim performansama. Kada se provodi stvarna proizvodnja lopatica, za proizvodnju se koriste kemijski sastav i zahtjevi unutarnje kontrole utvrđeni eksperimentom, te proces toplinske obrade sekundarne normalizacije + kaljenja. Proces toplinske obrade prikazan je na slici 3. Trenutačno je dovršena proizvodnja 10 velikih hidroenergetskih lopatica, a performanse su zadovoljile zahtjeve korisnika. Prošli su korisničku ponovnu provjeru i dobili su dobru ocjenu.
Za karakteristike složenih zakrivljenih oštrica, velike konturne dimenzije, debele glave osovine i laku deformaciju i pucanje, potrebno je poduzeti neke procesne mjere u procesu toplinske obrade:
1) Glava osovine je okrenuta prema dolje, a oštrica je okrenuta prema gore. Shema punjenja peći usvojena je kako bi se omogućila minimalna deformacija, kao što je prikazano na slici 4;
2) Osigurajte da postoji dovoljno velik razmak između odljevaka i između odljevaka i donje ploče od jastučića kako bi se osiguralo hlađenje i osigurajte da debela glava osovine zadovoljava zahtjeve ultrazvučne detekcije;
3) Faza zagrijavanja izratka segmentirana je više puta kako bi se minimalizirao organizacijski stres odljevka tijekom procesa zagrijavanja kako bi se spriječilo pucanje.
Provedba gore navedenih mjera toplinske obrade osigurava kvalitetu toplinske obrade oštrice.
Slika 3. Proces toplinske obrade oštrice ZG06Cr13Ni4Mo
Slika 4 Shema punjenja peći procesa toplinske obrade lopatica
4 Zaključci
1) Na temelju interne kontrole kemijskog sastava materijala, kroz ispitivanje procesa toplinske obrade, utvrđeno je da je postupak toplinske obrade ZG06C r13N i4M o materijala od nehrđajućeg čelika visoke čvrstoće postupak toplinske obrade od 1 010 ℃ normalizacija + 605 ℃ primarno kaljenje + 580 ℃ sekundarno kaljenje, što može osigurati da mehanička svojstva, svojstva udarca pri niskim temperaturama i svojstva hladnog savijanja materijala za lijevanje ispunjavaju standardne zahtjeve.
2) ZG06C r13N i4M o materijal ima dobru očvrsljivost. Struktura nakon normalizacije + toplinske obrade dvostrukog kaljenja je niskougljični letvičasti martenzit + reverzni austenit s dobrim performansama, koji ima visoku čvrstoću, visoku plastičnu žilavost, odgovarajuću tvrdoću, dobru otpornost na pukotine i dobre performanse lijevanja i zavarivanja.
3) Shema toplinske obrade normalizacije + dvaput kaljenja utvrđena pokusom primjenjuje se na proces toplinske obrade za proizvodnju velikih oštrica, a sva svojstva materijala zadovoljavaju standardne zahtjeve korisnika.
Vrijeme objave: 28. lipnja 2024
