Abstrakt: Påvirkningen af forskellige varmebehandlingsprocesser på ydeevnen af ZG06Cr13Ni4Mo-materiale blev undersøgt. Testen viser, at efter varmebehandling ved 1 010 ℃ normalisering + 605 ℃ primær anløbning + 580 ℃ sekundær anløbning, når materialet det bedste præstationsindeks. Dens struktur er lav-carbon martensit + omvendt transformation austenit, med høj styrke, lav temperatur sejhed og passende hårdhed. Det opfylder kravene til produktets ydeevne ved anvendelse af varmebehandlingsproduktion til store blade.
Nøgleord: ZG06Cr13NI4Mo; martensitisk rustfrit stål; klinge
Store vinger er nøgledele i vandkraftturbiner. Serviceforholdene for delene er relativt barske, og de er udsat for højtrykspåvirkning af vandstrøm, slid og erosion i lang tid. Materialet er valgt fra ZG06Cr13Ni4Mo martensitisk rustfrit stål med gode omfattende mekaniske egenskaber og korrosionsbestandighed. Med udviklingen af vandkraft og relaterede støbegods i retning af storskala, stilles der højere krav til ydeevnen af rustfri stålmaterialer som ZG06Cr13Ni4Mo. Til dette formål kombineret med produktionsforsøget af ZG06C r13N i4M o store vinger fra en indenlandsk vandkraftudstyrsvirksomhed, gennem intern kontrol af den kemiske materialesammensætning, sammenligning af varmebehandlingsprocesser og analyse af testresultater, den optimerede enkelt normalisering + dobbelt tempereringsvarme behandlingsprocessen for ZG06C r13N i4M o rustfrit stålmateriale blev bestemt til at producere støbegods, der opfylder høje ydeevnekrav.
1 Intern kontrol af kemisk sammensætning
ZG06C r13N i4M o-materialet er højstyrke martensitisk rustfrit stål, som skal have høje mekaniske egenskaber og god slagstyrke ved lav temperatur. For at forbedre materialets ydeevne blev den kemiske sammensætning internt kontrolleret, hvilket krævede w (C) ≤ 0,04 %, w (P) ≤ 0,025 %, w (S) ≤ 0,08 %, og gasindholdet blev kontrolleret. Tabel 1 viser det kemiske sammensætningsområde for den interne materialekontrol og analyseresultaterne af prøvens kemiske sammensætning, og tabel 2 viser de interne kontrolkrav for materialegasindholdet og analyseresultaterne af prøvegasindholdet.
Tabel 1 Kemisk sammensætning (massefraktion, %)
| element | C | Mn | Si | P | S | Ni | Cr | Mo | Cu | Al |
| standardkrav | ≤0,06 | ≤1,0 | ≤0,80 | ≤0,035 | ≤0,025 | 3,5-5,0 | 11.5-13.5 | 0,4-1,0 | ≤0,5 |
|
| Ingredienser intern kontrol | ≤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 |
| Analyser resultaterne | 0,023 | 1.0 | 0,57 | 0,013 | 0,005 | 4,61 | 13,0 | 0,56 | 0,02 | 0,035 |
Tabel 2 Gasindhold (ppm)
| gas | H | O | N |
| Krav til intern kontrol | ≤2,5 | ≤80 | ≤150 |
| Analyser resultaterne | 1,69 | 68,6 | 119,3 |
ZG06C r13N i4M o-materialet blev smeltet i en 30 t elektrisk ovn, raffineret i en 25T LF-ovn til legering, justering af sammensætning og temperatur, og afkullet og afgasset i en 25T VOD-ovn, hvorved der blev opnået smeltet stål med ultra-lavt kulstof, ensartet sammensætning, høj renhed og lavt indhold af skadelig gas. Til sidst blev der brugt aluminiumstråd til den endelige deoxidation for at reducere iltindholdet i det smeltede stål og yderligere forfine kornene.
2 Test af varmebehandlingsproces
2.1 Testplan
Støbelegemet blev brugt som testlegeme, testblokstørrelsen var 70 mm × 70 mm × 230 mm, og den indledende varmebehandling var blødgørende udglødning. Efter at have konsulteret litteraturen var de valgte varmebehandlingsprocesparametre: normaliseringstemperatur 1 010 ℃, primære tempereringstemperaturer 590 ℃, 605 ℃, 620 ℃, sekundære anløbningstemperaturer 580 ℃, og forskellige tempereringsprocesser blev brugt til sammenlignende test. Testplanen er vist i tabel 3.
Tabel 3 Testplan for varmebehandling
| Prøveplan | Testproces for varmebehandling | Pilotprojekter |
| A1 | 1 010 ℃ Normalisering + 620 ℃ Tempering | Trækegenskaber Slagsejhed Hårdhed HB Bøjningsegenskaber Mikrostruktur |
| A2 | 1 010 ℃ Normalisering + 620 ℃ Tempering + 580 ℃ Tempering | |
| B1 | 1 010 ℃ Normalisering + 620 ℃ Tempering | |
| B2 | 1 010 ℃ Normalisering + 620 ℃ Tempering + 580 ℃ Tempering | |
| C1 | 1 010 ℃ Normalisering + 620 ℃ Tempering | |
| C2 | 1 010 ℃ Normalisering + 620 ℃ Tempering + 580 ℃ Tempering |
2.2 Analyse af testresultater
2.2.1 Kemisk sammensætningsanalyse
Fra analyseresultaterne af kemisk sammensætning og gasindhold i tabel 1 og tabel 2 er hovedelementerne og gasindholdet i overensstemmelse med det optimerede sammensætningskontrolområde.
2.2.2 Analyse af præstationstestresultater
Efter varmebehandling i henhold til forskellige testskemaer blev mekaniske egenskabssammenligningstest udført i overensstemmelse med GB/T228.1-2010, GB/T229-2007 og GB/T231.1-2009 standarder. De eksperimentelle resultater er vist i tabel 4 og tabel 5.
Tabel 4 Mekaniske egenskabsanalyse af forskellige varmebehandlingsprocesskemaer
| Prøveplan | Rp0,2/Mpa | Rm/Mpa | EN/% | Z/％ | AKV/J(0℃） | Hårdhedsværdi 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 |
Tabel 5 Bøjningstest
| Prøveplan | Bøjningstest（d=25，a=90°） | vurdering |
| B1 | Revne 5,2×1,2 mm | Fiasko |
| B2 | Ingen revner | kvalificeret |
Fra sammenligning og analyse af mekaniske egenskaber: (1) Normalisering + temperering varmebehandling, kan materialet opnå bedre mekaniske egenskaber, hvilket indikerer, at materialet har god hærdbarhed. (2) Efter normalisering af varmebehandlingen forbedres flydestyrken og plasticiteten (forlængelsen) af den dobbelte anløbning sammenlignet med den enkelte anløbning. (3) Fra inspektionen og analysen af bøjningsydeevnen er bøjningsydeevnen for B1-normalisering + enkelt anløbningstestproces ukvalificeret, og bøjningsprøveydelsen af B2-testprocessen efter dobbelthærdning er kvalificeret. (4) Ud fra sammenligningen af testresultaterne af 6 forskellige tempereringstemperaturer har B2-processkemaet på 1 010 ℃ normalisering + 605 ℃ enkelt anløbning + 580 ℃ sekundær anløbning de bedste mekaniske egenskaber med en flydespænding på 687 MPa, en forlængelse på 23 %, en slagfasthed på mere end 160J ved 0℃, en moderat hårdhed på 268HB og en kvalificeret bøjningsydelse, der alle opfylder materialets ydeevnekrav.
2.2.3 Metallografisk strukturanalyse
Den metallografiske struktur af materiale B1 og B2 testprocesser blev analyseret i henhold til GB/T13298-1991 standard. Figur 1 viser den metallografiske struktur af normalisering + 605 ℃ første anløbning, og figur 2 viser den metallografiske struktur af normalisering + første anløbning + anden anløbning. Fra den metallografiske inspektion og analyse er hovedstrukturen af ZG06C r13N i4M o efter varmebehandling lav-carbon lath martensit + omvendt austenit. Ud fra den metallografiske strukturanalyse er materialets lægtemartensitbundter efter den første anløbning tykkere og længere. Efter den anden temperering ændres matrixstrukturen lidt, martensitstrukturen er også lidt raffineret, og strukturen er mere ensartet; med hensyn til ydeevne forbedres flydespændingen og plasticiteten til en vis grad.
Figur 1 ZG06Cr13Ni4Mo normalisering + en tempereringsmikrostruktur
Figur 2 ZG06Cr13Ni4Mo normalisering + to gange temperering metallografisk struktur
2.2.4 Analyse af testresultater
1) Testen bekræftede, at ZG06C r13N i4M o-materialet har god hærdbarhed. Gennem normalisering + temperering varmebehandling kan materialet opnå gode mekaniske egenskaber; flydespændingen og plastiske egenskaber (forlængelse) af to hærdninger efter normalisering af varmebehandling er meget højere end ved én hærdning.
2) Testanalysen beviser, at strukturen af ZG06C r13N i4M o efter normalisering er martensit, og strukturen efter anløbning er lav-carbon lægtehærdet martensit + omvendt austenit. Den omvendte austenit i den hærdede struktur har høj termisk stabilitet og har en væsentlig effekt på materialets mekaniske egenskaber, slagegenskaber og støbe- og svejseprocesegenskaber. Derfor har materialet høj styrke, høj plastisk sejhed, passende hårdhed, god revnemodstand og gode støbe- og svejseegenskaber efter varmebehandling.
3) Analyser årsagerne til forbedringen af den sekundære tempereringsydelse af ZG06C r13N i4M o. Efter normalisering, opvarmning og varmekonservering danner ZG06C r13N i4M o finkornet austenit efter austenitisering og omdannes derefter til martensit med lavt kulstofindhold efter hurtig afkøling. Ved den første anløbning udfældes det overmættede kulstof i martensitten i form af karbider, hvorved materialets styrke reduceres og materialets plasticitet og sejhed forbedres. På grund af den høje temperatur ved den første anløbning giver den første anløbning ekstremt fin omvendt austenit ud over den hærdede martensit. Disse omvendte austenitter omdannes delvist til martensit under tempereringsafkøling, hvilket giver betingelser for nukleering og vækst af stabil omvendt austenit genereret igen under den sekundære tempereringsproces. Formålet med sekundær temperering er at opnå tilstrækkelig stabil omvendt austenit. Disse omvendte austenitter kan undergå fasetransformation under plastisk deformation og derved forbedre materialets styrke og plasticitet. På grund af begrænsede forhold er det umuligt at observere og analysere den omvendte austenit, så dette eksperiment bør tage de mekaniske egenskaber og mikrostruktur som de vigtigste forskningsobjekter for komparativ analyse.
3 Produktionsapplikation
ZG06C r13N i4M o er et højstyrke rustfrit stål støbt stål materiale med fremragende ydeevne. Når selve produktionen af vinger udføres, anvendes den kemiske sammensætning og interne kontrolkrav bestemt af eksperimentet samt varmebehandlingsprocessen med sekundær normalisering + anløbning til produktion. Varmebehandlingsprocessen er vist i figur 3. På nuværende tidspunkt er produktionen af 10 store vandkraftvinger afsluttet, og ydelsen har alle opfyldt brugerens krav. De har bestået brugerens eftersyn og har fået en god bedømmelse.
For egenskaberne ved komplekse buede blade, store konturdimensioner, tykke akselhoveder og let deformation og revnedannelse skal der tages nogle procesforanstaltninger i varmebehandlingsprocessen:
1) Skafthovedet er nedad, og klingen er opad. Ovnbelastningsskemaet er vedtaget for at lette minimal deformation, som vist i figur 4;
2) Sørg for, at der er et stort nok mellemrum mellem støbegods og mellem støbegods og pudejerns bundplade for at sikre afkøling, og sørg for, at det tykke skafthoved opfylder kravene til ultralydsdetektion;
3) Opvarmningsstadiet af emnet er segmenteret flere gange for at minimere den organisatoriske belastning af støbningen under opvarmningsprocessen for at forhindre revner.
Implementeringen af ovenstående varmebehandlingsforanstaltninger sikrer bladets varmebehandlingskvalitet.
Figur 3 ZG06Cr13Ni4Mo klinge varmebehandlingsproces
Figur 4 Blade varmebehandlingsproces ovnbelastningsskema
4 Konklusioner
1) Baseret på den interne kontrol af den kemiske sammensætning af materialet, gennem testen af varmebehandlingsprocessen, bestemmes det, at varmebehandlingsprocessen for ZG06C r13N i4M o højstyrke rustfrit stålmateriale er en varmebehandlingsproces på 1 010 ℃ normalisering + 605 ℃ primær anløbning + 580 ℃ sekundær anløbning, som kan sikre, at støbematerialets mekaniske egenskaber, lavtemperatur slagegenskaber og koldbøjningsegenskaber opfylder standardkravene.
2) ZG06C r13N i4M o materiale har god hærdeevne. Strukturen efter normalisering + to gange temperering varmebehandling er en lav-carbon lægte martensit + omvendt austenit med god ydeevne, som har høj styrke, høj plastisk sejhed, passende hårdhed, god revnemodstand og god støbe- og svejseydelse.
3) Varmebehandlingsskemaet med normalisering + to gange temperering bestemt af eksperimentet anvendes til varmebehandlingsprocessens produktion af store vinger, og materialeegenskaberne opfylder alle brugerens standardkrav.
Indlægstid: 28-jun-2024
