Аннотация: Изучено влияние различных процессов термообработки на эксплуатационные характеристики материала ZG06Cr13Ni4Mo. Испытание показывает, что после термообработки при нормализации при 1010 ℃ + первичном отпуске 605 ℃ + вторичном отпуске 580 ℃ материал достигает наилучшего показателя производительности. Его структура представляет собой низкоуглеродистый мартенсит + аустенит обратного превращения, обладающий высокой прочностью, низкотемпературной вязкостью и подходящей твердостью. Он отвечает требованиям к характеристикам продукта при производстве термической обработки отливок крупных лопаток.
Ключевые слова: ЗГ06Х13НИ4Мо; мартенситная нержавеющая сталь; лезвие
Большие лопасти являются ключевыми деталями гидроэнергетических турбин. Условия эксплуатации деталей относительно суровы, они длительное время подвергаются воздействию потока воды под высоким давлением, износу и эрозии. Материал выбран из мартенситной нержавеющей стали ZG06Cr13Ni4Mo с хорошими механическими свойствами и коррозионной стойкостью. С развитием гидроэнергетики и связанного с ней литья в крупномасштабном масштабе предъявляются более высокие требования к характеристикам материалов из нержавеющей стали, таких как ZG06Cr13Ni4Mo. С этой целью, в сочетании с производственными испытаниями ZG06C r13N i4M o больших лопастей отечественного предприятия по производству гидроэнергетического оборудования, посредством внутреннего контроля химического состава материала, сравнительного теста процесса термообработки и анализа результатов испытаний, оптимизированная однократная нормализация + двойной отпуск. Процесс обработки нержавеющей стали ZG06C R13N i4M или нержавеющей стали был определен для получения отливок, отвечающих высоким требованиям к производительности.
1 Внутренний контроль химического состава
Материал ZG06C R13N i4M o представляет собой высокопрочную мартенситную нержавеющую сталь, которая должна обладать высокими механическими свойствами и хорошей ударной вязкостью при низких температурах. Чтобы улучшить характеристики материала, химический состав контролировался изнутри, требуя w (C) ≤ 0,04%, w (P) ≤ 0,025%, w (S) ≤ 0,08%, а также контролировалось содержание газа. В таблице 1 показан диапазон химического состава внутреннего контроля материала и результаты анализа химического состава образца, а в таблице 2 показаны требования внутреннего контроля содержания газа в материале и результаты анализа содержания газа в образце.
Таблица 1 Химический состав (массовая доля, %)
| элемент | C | Mn | Si | P | S | Ni | Cr | Mo | Cu | Al |
| стандартное требование | ≤0,06 | ≤1,0 | ≤0,80 | ≤0,035 | ≤0,025 | 3,5-5,0 | 11,5-13,5 | 0,4-1,0 | ≤0,5 |
|
| Внутренний контроль ингредиентов | ≤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 |
| Анализируйте результаты | 0,023 | 1.0 | 0,57 | 0,013 | 0,005 | 4,61 | 13,0 | 0,56 | 0,02 | 0,035 |
Таблица 2 Содержание газа (ppm)
| газ | H | O | N |
| Требования внутреннего контроля | ≤2,5 | ≤80 | ≤150 |
| Анализируйте результаты | 1,69 | 68,6 | 119,3 |
Материал ZG06C r13N i4M o выплавляли в электропечи емкостью 30 т, рафинировали в печи LF 25Т для легирования, корректировки состава и температуры, обезуглероживали и дегазировали в печи ВОД 25Т, получая тем самым расплавленную сталь со сверхнизким содержанием углерода, однородный состав, высокая чистота и низкое содержание вредных газов. Наконец, алюминиевую проволоку использовали для окончательного раскисления, чтобы снизить содержание кислорода в расплавленной стали и дополнительно измельчить зерна.
2 Испытание процесса термообработки
2.1 План испытаний
В качестве испытательного тела использовалась отливка, размер испытательного блока составлял 70×70×230 мм, предварительная термообработка представляла собой смягчающий отжиг. После изучения литературы были выбраны следующие параметры процесса термообработки: температура нормализации 1010 ℃, температуры первичного отпуска 590 ℃, 605 ℃, 620 ℃, температура вторичного отпуска 580 ℃, а для сравнительных испытаний использовались различные процессы отпуска. План испытаний приведен в таблице 3.
Таблица 3. План испытаний на термообработку
| Пробный план | Процесс испытания термообработки | Пилотные проекты |
| A1 | 1 010℃Нормализация+620℃Закалка | Свойства на растяжение Ударная вязкость Твердость HB Свойства на изгиб Микроструктура |
| A2 | 1 010℃Нормализация+620℃Закалка+580℃Закалка | |
| B1 | 1 010℃Нормализация+620℃Закалка | |
| B2 | 1 010℃Нормализация+620℃Закалка+580℃Закалка | |
| C1 | 1 010℃Нормализация+620℃Закалка | |
| C2 | 1 010℃Нормализация+620℃Закалка+580℃Закалка |
2.2 Анализ результатов испытаний
2.2.1 Анализ химического состава
По результатам анализа химического состава и газосодержания в Таблице 1 и Таблице 2 основные элементы и газосодержание соответствуют оптимизированному диапазону регулирования состава.
2.2.2 Анализ результатов испытаний производительности
После термообработки по различным схемам испытаний были проведены сравнительные испытания механических свойств в соответствии со стандартами GB/T228.1-2010, GB/T229-2007 и GB/T231.1-2009. Результаты эксперимента показаны в Таблице 4 и Таблице 5.
Таблица 4. Анализ механических свойств различных технологических схем термообработки
| Пробный план | Rp0,2/ МПа | Рм/МПа | А/％ | З/％ | AKV/Дж(0℃） | Значение твердости HBW |
| стандартный | ≥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 |
Таблица 5 Испытание на изгиб
| Пробный план | Испытание на изгиб (d=25, a=90°) | оценка |
| B1 | Трещина5,2×1,2 мм | Отказ |
| B2 | Без трещин | квалифицированный |
По результатам сравнения и анализа механических свойств: (1) термообработка нормализация + отпуск позволяет материалу получить лучшие механические свойства, что указывает на хорошую прокаливаемость материала. (2) После нормализации термообработки предел текучести и пластичность (удлинение) двойного отпуска улучшаются по сравнению с однократным отпуском. (3) По результатам проверки и анализа характеристик изгиба, характеристики изгиба процесса нормализации + однократного отпуска B1 являются неквалифицированными, а характеристики испытания на изгиб процесса испытаний B2 после двойного отпуска являются квалифицированными. (4) По сравнению с результатами испытаний при 6 различных температурах отпуска, схема процесса B2: нормализация при 1 010 ℃ + однократный отпуск 605 ℃ + вторичный отпуск 580 ℃ имеет лучшие механические свойства с пределом текучести 687 МПа и удлинением. 23%, ударная вязкость более 160 Дж при 0 ℃, умеренная твердость 268HB и квалифицированные характеристики изгиба - все это соответствует требованиям к характеристикам материала.
2.2.3 Анализ металлографической структуры
Металлографическую структуру материалов B1 и B2 в ходе испытаний анализировали в соответствии со стандартом GB/T13298-1991. На рисунке 1 показана металлографическая структура нормализации + первый отпуск 605 ℃, а на рисунке 2 показана металлографическая структура нормализация + первый отпуск + второй отпуск. По результатам металлографического контроля и анализа основная структура ZG06C r13N i4M o после термообработки представляет собой низкоуглеродистый реечный мартенсит + обращенный аустенит. Анализ металлографической структуры показал, что реечные мартенситные пучки материала после первого отпуска толще и длиннее. После второго отпуска структура матрицы меняется незначительно, структура мартенсита также несколько измельчается, структура становится более однородной; с точки зрения производительности, предел текучести и пластичность в определенной степени улучшаются.
Рисунок 1. ZG06Cr13Ni4Mo нормализация + одна отпускная микроструктура
Рис. 2. Металлографическая структура ZG06Cr13Ni4Mo нормализация + двукратный отпуск
2.2.4 Анализ результатов испытаний
1) Испытание подтвердило, что материал ZG06C r13N i4M o обладает хорошей прокаливаемостью. Благодаря термообработке нормализация + отпуск материал может получить хорошие механические свойства; Предел текучести и пластические свойства (удлинение) двух отпусков после нормализующей термообработки значительно выше, чем у одного отпуска.
2) Анализ испытаний доказывает, что структура ZG06C r13N i4M o после нормализации является мартенситной, а структура после отпуска - низкоуглеродистым реечным отпущенным мартенситом + обращенным аустенитом. Обратный аустенит в закаленной структуре обладает высокой термической стабильностью и оказывает существенное влияние на механические свойства, ударные свойства и технологические свойства материала при литье и сварке. Таким образом, материал обладает высокой прочностью, высокой пластической вязкостью, соответствующей твердостью, хорошей трещиностойкостью и хорошими литейными и сварочными свойствами после термообработки.
3) Проанализировать причины улучшения характеристик вторичного отпуска ZG06C r13N i4M o. После нормализации, нагрева и сохранения тепла ZG06C r13N i4M o после аустенитизации образует мелкозернистый аустенит, а затем после быстрого охлаждения превращается в низкоуглеродистый мартенсит. При первом отпуске пересыщенный углерод в мартенсите выделяется в виде карбидов, тем самым снижая прочность материала и улучшая пластичность и ударную вязкость материала. Из-за высокой температуры первого отпуска в дополнение к отпущенному мартенситу при первом отпуске образуется чрезвычайно мелкий обратный аустенит. Эти обратные аустениты частично превращаются в мартенсит во время отпуска, охлаждения, обеспечивая условия для зарождения и роста стабильного обратного аустенита, вновь образующегося в процессе вторичного отпуска. Целью вторичного отпуска является получение достаточно стабильного обратного аустенита. Эти обратные аустениты могут претерпевать фазовые превращения при пластической деформации, тем самым повышая прочность и пластичность материала. Из-за ограниченности условий невозможно наблюдать и анализировать обратный аустенит, поэтому в данном эксперименте в качестве основных объектов исследования для сравнительного анализа следует принять механические свойства и микроструктуру.
3 Производственное применение
ZG06C r13N i4M o — это высокопрочный литой материал из нержавеющей стали с отличными характеристиками. При фактическом изготовлении лопаток для производства используются химический состав и требования внутреннего контроля, определенные экспериментальным путем, а также процесс термообработки вторичной нормализации + отпуска. Процесс термообработки показан на рисунке 3. В настоящее время завершено производство 10 больших гидроэнергетических лопастей, все характеристики которых соответствуют требованиям пользователя. Они прошли повторную пользовательскую проверку и получили хорошую оценку.
Из-за характеристик сложных изогнутых лопаток, больших размеров контура, толстых головок валов, легкой деформации и растрескивания в процессе термообработки необходимо принять некоторые технологические меры:
1) Головка вала направлена вниз, а лезвие вверх. Схема загрузки печи принята так, чтобы обеспечить минимальную деформацию, как показано на рисунке 4;
2) Убедитесь, что существует достаточно большой зазор между отливками, а также между отливками и нижней пластиной чугунной пластины для обеспечения охлаждения, а также убедитесь, что толстая головка вала соответствует требованиям ультразвукового обнаружения;
3) Стадия нагрева заготовки сегментируется несколько раз, чтобы минимизировать организационные напряжения отливки во время процесса нагрева и предотвратить растрескивание.
Выполнение вышеуказанных мероприятий по термообработке обеспечивает качество термообработки лопатки.
Рисунок 3. Процесс термообработки лезвия ZG06Cr13Ni4Mo.
Рисунок 4. Схема загрузки технологической печи для термической обработки лезвий.
4 вывода
1) На основании внутреннего контроля химического состава материала путем испытания процесса термообработки установлено, что процесс термообработки материала ZG06C r13N i4M o из высокопрочной нержавеющей стали представляет собой процесс термообработки 1 Нормализация 010 ℃ + первичный отпуск 605 ℃ + вторичный отпуск 580 ℃, что может гарантировать, что механические свойства, ударные свойства при низких температурах и свойства холодного изгиба литейного материала соответствуют стандартным требованиям.
2) Материал ЗГ06С Р13Н и4М o обладает хорошей прокаливаемостью. Структура после термообработки нормализация + двойной отпуск представляет собой низкоуглеродистый реечный мартенсит + обратный аустенит с хорошими характеристиками, который имеет высокую прочность, высокую пластическую вязкость, соответствующую твердость, хорошую трещиностойкость и хорошие характеристики литья и сварки.
3) Схема термообработки: нормализация + двойной отпуск, определенная экспериментом, применяется при производстве процесса термообработки больших лезвий, и все свойства материала соответствуют стандартным требованиям пользователя.
Время публикации: 28 июня 2024 г.
