Zusammenfassung: Der Einfluss verschiedener Wärmebehandlungsprozesse auf die Leistung des ZG06Cr13Ni4Mo-Materials wurde untersucht. Der Test zeigt, dass das Material nach einer Wärmebehandlung bei 1.010 °C Normalisierung + 605 °C primärem Anlassen + 580 °C sekundärem Anlassen den besten Leistungsindex erreicht. Seine Struktur ist kohlenstoffarmer Martensit + Austenit mit umgekehrter Umwandlung, mit hoher Festigkeit, Tieftemperaturzähigkeit und geeigneter Härte. Es erfüllt die Produktleistungsanforderungen bei der Anwendung der Wärmebehandlung beim Guss mit großen Schaufeln.
Schlüsselwörter: ZG06Cr13NI4Mo; martensitischer Edelstahl; Klinge
Große Rotorblätter sind Schlüsselkomponenten in Wasserkraftturbinen. Die Betriebsbedingungen der Teile sind relativ hart und sie sind über einen langen Zeitraum Stößen durch Hochdruckwasserströme, Verschleiß und Erosion ausgesetzt. Das Material wird aus martensitischem Edelstahl ZG06Cr13Ni4Mo mit guten umfassenden mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit ausgewählt. Mit der Entwicklung der Wasserkraft und damit verbundener Gussteile hin zu Großserien werden höhere Anforderungen an die Leistung von Edelstahlmaterialien wie ZG06Cr13Ni4Mo gestellt. Zu diesem Zweck wurde in Kombination mit dem Produktionsversuch von ZG06C r13N i4M o großen Rotorblättern eines inländischen Wasserkraftausrüstungsunternehmens durch interne Kontrolle der chemischen Zusammensetzung des Materials, Vergleichstests des Wärmebehandlungsprozesses und Analyse der Testergebnisse die optimierte Einzelnormalisierungs- und Doppelanlasswärme erzielt Der Behandlungsprozess des Edelstahlmaterials ZG06C r13N i4M o wurde entwickelt, um Gussteile herzustellen, die hohe Leistungsanforderungen erfüllen.
1 Interne Kontrolle der chemischen Zusammensetzung
Das Material ZG06C r13N i4M o ist hochfester martensitischer Edelstahl, der hohe mechanische Eigenschaften und eine gute Schlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen aufweisen muss. Um die Leistung des Materials zu verbessern, wurde die chemische Zusammensetzung intern kontrolliert, wobei w (C) ≤ 0,04 %, w (P) ≤ 0,025 %, w (S) ≤ 0,08 % erforderlich waren, und der Gasgehalt wurde kontrolliert. Tabelle 1 zeigt den Bereich der chemischen Zusammensetzung der internen Materialkontrolle und die Analyseergebnisse der chemischen Zusammensetzung der Probe, und Tabelle 2 zeigt die internen Kontrollanforderungen des Materialgasgehalts und die Analyseergebnisse des Probengasgehalts.
Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung (Massenanteil, %)
| Element | C | Mn | Si | P | S | Ni | Cr | Mo | Cu | Al |
| Standardanforderung | ≤0,06 | ≤1,0 | ≤0,80 | ≤0,035 | ≤0,025 | 3,5-5,0 | 11,5-13,5 | 0,4-1,0 | ≤0,5 |
|
| Interne Kontrolle der Inhaltsstoffe | ≤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 |
| Analysieren Sie die Ergebnisse | 0,023 | 1,0 | 0,57 | 0,013 | 0,005 | 4.61 | 13.0 | 0,56 | 0,02 | 0,035 |
Tabelle 2 Gasgehalt (ppm)
| Gas | H | O | N |
| Interne Kontrollanforderungen | ≤2,5 | ≤80 | ≤150 |
| Analysieren Sie die Ergebnisse | 1,69 | 68,6 | 119.3 |
Das Material ZG06C r13N i4M o wurde in einem 30-Tonnen-Elektroofen geschmolzen, in einem 25-Tonnen-LF-Ofen zum Legieren, Anpassen der Zusammensetzung und Temperatur verfeinert und in einem 25-Tonnen-VOD-Ofen entkohlt und entgast, wodurch geschmolzener Stahl mit extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt erhalten wurde. einheitliche Zusammensetzung, hohe Reinheit und geringer schädlicher Gasgehalt. Schließlich wurde Aluminiumdraht zur abschließenden Desoxidation verwendet, um den Sauerstoffgehalt in der Stahlschmelze zu reduzieren und die Körner weiter zu verfeinern.
2 Wärmebehandlungsprozesstest
2.1 Testplan
Der Gusskörper wurde als Testkörper verwendet, die Testblockgröße betrug 70 mm × 70 mm × 230 mm und die vorläufige Wärmebehandlung war Erweichungsglühen. Nach Konsultation der Literatur wurden folgende Parameter für den Wärmebehandlungsprozess ausgewählt: Normalisierungstemperatur 1.010 °C, primäre Anlasstemperaturen 590 °C, 605 °C, 620 °C, sekundäre Anlasstemperatur 580 °C. Für Vergleichstests wurden verschiedene Temperverfahren verwendet. Der Testplan ist in Tabelle 3 dargestellt.
Tabelle 3 Testplan für die Wärmebehandlung
| Probeplan | Testverfahren für die Wärmebehandlung | Pilotprojekte |
| A1 | 1 010℃Normalisieren + 620℃Tempern | Zugeigenschaften Schlagzähigkeit Härte HB Biegeeigenschaften Mikrostruktur |
| A2 | 1 010℃Normalisieren+620℃Tempern+580℃Tempern | |
| B1 | 1 010℃Normalisieren + 620℃Tempern | |
| B2 | 1 010℃Normalisieren+620℃Tempern+580℃Tempern | |
| C1 | 1 010℃Normalisieren + 620℃Tempern | |
| C2 | 1 010℃Normalisieren+620℃Tempern+580℃Tempern |
2.2 Analyse der Testergebnisse
2.2.1 Analyse der chemischen Zusammensetzung
Aus den Analyseergebnissen der chemischen Zusammensetzung und des Gasgehalts in Tabelle 1 und Tabelle 2 geht hervor, dass die Hauptelemente und der Gasgehalt im Einklang mit dem optimierten Kontrollbereich für die Zusammensetzung stehen.
2.2.2 Analyse der Leistungstestergebnisse
Nach der Wärmebehandlung nach verschiedenen Testschemata wurden Vergleichstests der mechanischen Eigenschaften gemäß den Standards GB/T228.1-2010, GB/T229-2007 und GB/T231.1-2009 durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse sind in Tabelle 4 und Tabelle 5 dargestellt.
Tabelle 4: Analyse der mechanischen Eigenschaften verschiedener Wärmebehandlungsprozessschemata
| Probeplan | Rp0,2/Mpa | Rm/Mpa | A/% | Z/％ | AKV/J(0℃） | Härtewert 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 |
Tabelle 5 Biegetest
| Probeplan | Biegetest (d=25, a=90°) | Bewertung |
| B1 | Riss5,2×1,2mm | Versagen |
| B2 | Keine Risse | qualifiziert |
Aus dem Vergleich und der Analyse der mechanischen Eigenschaften: (1) Durch normalisierende und anlassende Wärmebehandlung kann das Material bessere mechanische Eigenschaften erhalten, was darauf hinweist, dass das Material eine gute Härtbarkeit aufweist. (2) Nach der normalisierenden Wärmebehandlung sind die Streckgrenze und Plastizität (Dehnung) des doppelten Anlassens im Vergleich zum einfachen Anlassen verbessert. (3) Aus der Biegeleistungsprüfung und -analyse geht hervor, dass die Biegeleistung des B1-Normalisierungs- und Einzelanlasstestverfahrens nicht qualifiziert ist und die Biegetestleistung des B2-Testverfahrens nach doppeltem Anlassen qualifiziert ist. (4) Aus dem Vergleich der Testergebnisse von 6 verschiedenen Anlasstemperaturen weist das B2-Prozessschema mit 1.010 °C Normalisierung + 605 °C Einzeltemperierung + 580 °C Sekundärtemperierung die besten mechanischen Eigenschaften mit einer Streckgrenze von 687 MPa und einer Dehnung auf von 23 %, eine Schlagzähigkeit von mehr als 160 J bei 0 °C, eine moderate Härte von 268 HB und eine qualifizierte Biegeleistung, die alle die Leistungsanforderungen des Materials erfüllen.
2.2.3 Metallografische Strukturanalyse
Die metallografische Struktur der Material B1- und B2-Testprozesse wurde gemäß der Norm GB/T13298-1991 analysiert. Abbildung 1 zeigt die metallografische Struktur des Normalisierens + 605℃ erstes Anlassen, und Abbildung 2 zeigt die metallografische Struktur des Normalisierens + erstes Anlassens + zweites Anlassen. Aus der metallografischen Untersuchung und Analyse geht hervor, dass die Hauptstruktur von ZG06C r13N i4M o nach der Wärmebehandlung kohlenstoffarmer Lamellenmartensit + umgekehrter Austenit ist. Aus der metallografischen Strukturanalyse geht hervor, dass die Lattenmartensitbündel des Materials nach dem ersten Anlassen dicker und länger sind. Nach dem zweiten Anlassen verändert sich die Matrixstruktur leicht, auch die Martensitstruktur wird leicht verfeinert und das Gefüge ist gleichmäßiger; In Bezug auf die Leistung werden die Streckgrenze und die Plastizität bis zu einem gewissen Grad verbessert.
Abbildung 1 ZG06Cr13Ni4Mo normalisierende + eine Anlassmikrostruktur
Abbildung 2 ZG06Cr13Ni4Mo normalisierendes + zweimal angelassenes metallografisches Gefüge
2.2.4 Analyse der Testergebnisse
1) Der Test bestätigte, dass das Material ZG06C r13N i4M o eine gute Härtbarkeit aufweist. Durch normalisierende und anlassende Wärmebehandlung kann das Material gute mechanische Eigenschaften erhalten; Die Streckgrenze und die plastischen Eigenschaften (Dehnung) von zwei Anlassungen nach normalisierender Wärmebehandlung sind viel höher als die von einer Anlassung.
2) Die Testanalyse beweist, dass die Struktur von ZG06C r13N i4M o nach dem Normalisieren Martensit ist und die Struktur nach dem Anlassen kohlenstoffarmer lattenvergüteter Martensit + umgekehrter Austenit ist. Der umgekehrte Austenit im vergüteten Gefüge weist eine hohe thermische Stabilität auf und hat einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften, Schlageigenschaften sowie Gieß- und Schweißprozesseigenschaften des Werkstoffs. Daher weist das Material eine hohe Festigkeit, eine hohe plastische Zähigkeit, eine angemessene Härte, eine gute Rissbeständigkeit und gute Gieß- und Schweißeigenschaften nach der Wärmebehandlung auf.
3) Analysieren Sie die Gründe für die Verbesserung der sekundären Temperierleistung von ZG06C r13N i4M o. Nach dem Normalisieren, Erhitzen und Wärmekonservieren bildet ZG06C r13N i4M o nach der Austenitisierung feinkörnigen Austenit und wandelt sich nach schneller Abkühlung in kohlenstoffarmen Martensit um. Beim ersten Anlassen scheidet sich der übersättigte Kohlenstoff im Martensit in Form von Karbiden aus, wodurch die Festigkeit des Werkstoffs verringert und die Plastizität und Zähigkeit des Werkstoffs verbessert werden. Aufgrund der hohen Temperatur des ersten Anlassens entsteht beim ersten Anlassen zusätzlich zum angelassenen Martensit ein äußerst feiner Umkehraustenit. Diese Umkehraustenite werden während der Anlasskühlung teilweise in Martensit umgewandelt und schaffen so Bedingungen für die Keimbildung und das Wachstum von stabilem Umkehraustenit, der während des sekundären Anlassprozesses erneut erzeugt wird. Der Zweck des sekundären Anlassens besteht darin, ausreichend stabilen Umkehraustenit zu erhalten. Diese Umkehraustenite können bei plastischer Verformung eine Phasenumwandlung durchlaufen und dadurch die Festigkeit und Plastizität des Materials verbessern. Aufgrund der begrenzten Bedingungen ist es unmöglich, den umgekehrten Austenit zu beobachten und zu analysieren. Daher sollten bei diesem Experiment die mechanischen Eigenschaften und die Mikrostruktur als Hauptforschungsobjekte für eine vergleichende Analyse herangezogen werden.
3 Produktionsanwendung
ZG06C r13N i4M o ist ein hochfester Edelstahlgusswerkstoff mit hervorragender Leistung. Bei der eigentlichen Herstellung von Schaufeln werden die durch das Experiment ermittelte chemische Zusammensetzung und die internen Kontrollanforderungen sowie der Wärmebehandlungsprozess des sekundären Normalisierens + Anlassens für die Produktion verwendet. Der Wärmebehandlungsprozess ist in Abbildung 3 dargestellt. Derzeit ist die Produktion von 10 großen Wasserkraftblättern abgeschlossen und die Leistung entspricht vollständig den Anforderungen des Benutzers. Sie haben die erneute Überprüfung durch den Benutzer bestanden und eine gute Bewertung erhalten.
Für die Eigenschaften komplex gekrümmter Schaufeln, großer Konturabmessungen, dicker Wellenköpfe und leichter Verformung und Rissbildung müssen im Wärmebehandlungsprozess einige Prozessmaßnahmen ergriffen werden:
1) Der Schaftkopf zeigt nach unten und die Klinge nach oben. Das Ofenbeschickungsschema wurde übernommen, um eine minimale Verformung zu ermöglichen, wie in Abbildung 4 dargestellt.
2) Stellen Sie sicher, dass zwischen den Gussteilen und zwischen den Gussteilen und der Bodenplatte aus Polstereisen ein ausreichend großer Spalt vorhanden ist, um die Kühlung sicherzustellen, und stellen Sie sicher, dass der dicke Schaftkopf die Anforderungen für die Ultraschallerkennung erfüllt.
3) Die Erwärmungsphase des Werkstücks wird mehrfach segmentiert, um die organisatorische Belastung des Gussstücks während des Erwärmungsprozesses zu minimieren und Risse zu verhindern.
Durch die Durchführung der oben genannten Wärmebehandlungsmaßnahmen wird die Wärmebehandlungsqualität der Klinge sichergestellt.
Abbildung 3 Wärmebehandlungsprozess der ZG06Cr13Ni4Mo-Schaufel
Abbildung 4 Beschickungsschema des Ofens für den Blade-Wärmebehandlungsprozess
4 Schlussfolgerungen
1) Basierend auf der internen Kontrolle der chemischen Zusammensetzung des Materials durch den Test des Wärmebehandlungsprozesses wird festgestellt, dass der Wärmebehandlungsprozess von ZG06C r13N i4M o hochfestem Edelstahlmaterial ein Wärmebehandlungsprozess von 1 ist 010℃ Normalisieren + 605℃ Primäranlassen + 580℃ Sekundäranlassen, wodurch sichergestellt werden kann, dass die mechanischen Eigenschaften, Schlageigenschaften bei niedrigen Temperaturen und Kaltbiegeeigenschaften des Gussmaterials den Standardanforderungen entsprechen.
2) Das Material ZG06C r13N i4M o weist eine gute Härtbarkeit auf. Das Gefüge nach der Normalisierungs- und zweimaligen Anlasswärmebehandlung ist ein kohlenstoffarmer Lamellenmartensit + Umkehraustenit mit guter Leistung, der sich durch hohe Festigkeit, hohe plastische Zähigkeit, angemessene Härte, gute Rissbeständigkeit und gute Gieß- und Schweißleistung auszeichnet.
3) Das durch das Experiment ermittelte Wärmebehandlungsschema aus Normalisieren und zweimaligem Anlassen wird auf den Wärmebehandlungsprozess zur Herstellung großer Schaufeln angewendet, und die Materialeigenschaften entsprechen alle den Standardanforderungen des Benutzers.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 28.06.2024
