Nghiên cứu công nghệ xử lý nhiệt lưỡi dao thép không gỉ Martensitic ZG06Cr13Ni4Mo

Tóm tắt: Đã nghiên cứu ảnh hưởng của các quá trình xử lý nhiệt khác nhau đến tính năng của vật liệu ZG06Cr13Ni4Mo. Thử nghiệm cho thấy rằng sau khi xử lý nhiệt ở mức chuẩn hóa 1 010oC + ủ sơ cấp 605oC + ủ thứ cấp 580oC, vật liệu đạt chỉ số hiệu suất tốt nhất. Cấu trúc của nó là martensite carbon thấp + austenite biến đổi ngược, có độ bền cao, độ bền nhiệt độ thấp và độ cứng phù hợp. Nó đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất của sản phẩm trong ứng dụng sản xuất xử lý nhiệt đúc lưỡi lớn.
Từ khóa: ZG06Cr13NI4Mo; thép không gỉ martensitic; lưỡi dao
Cánh quạt lớn là bộ phận quan trọng trong tuabin thủy điện. Điều kiện sử dụng của các bộ phận tương đối khắc nghiệt và chúng phải chịu tác động của dòng nước áp lực cao, hao mòn trong thời gian dài. Vật liệu được chọn từ thép không gỉ martensitic ZG06Cr13Ni4Mo có tính chất cơ học toàn diện tốt và khả năng chống ăn mòn. Với sự phát triển của thủy điện và các ngành đúc liên quan theo hướng quy mô lớn, các yêu cầu cao hơn về hiệu suất của vật liệu thép không gỉ như ZG06Cr13Ni4Mo được đặt ra. Để đạt được mục đích này, kết hợp với thử nghiệm sản xuất ZG06C r13N i4M o cánh quạt lớn của một doanh nghiệp thiết bị thủy điện trong nước, thông qua kiểm soát nội bộ thành phần hóa học của vật liệu, thử nghiệm so sánh quy trình xử lý nhiệt và phân tích kết quả thử nghiệm, quá trình chuẩn hóa đơn + ủ nhiệt kép được tối ưu hóa Quá trình xử lý vật liệu thép không gỉ ZG06C r13N i4M o được xác định để tạo ra vật đúc đáp ứng yêu cầu hiệu suất cao.

1 Kiểm soát nội bộ thành phần hóa học
Chất liệu ZG06C r13N i4M o là thép không gỉ martensitic cường độ cao, yêu cầu phải có tính chất cơ học cao và độ bền va đập tốt ở nhiệt độ thấp. Để cải thiện hiệu suất của vật liệu, thành phần hóa học được kiểm soát nội bộ, yêu cầu w (C) 0,04%, w (P) 0,025%, w (S) 0,08% và hàm lượng khí được kiểm soát. Bảng 1 thể hiện phạm vi thành phần hóa học của nội kiểm vật liệu và kết quả phân tích thành phần hóa học của mẫu, Bảng 2 thể hiện các yêu cầu kiểm soát nội bộ đối với hàm lượng khí nguyên liệu và kết quả phân tích hàm lượng khí mẫu.

Bảng 1 Thành phần hóa học (phần khối lượng, %)

yếu tố

C

Mn

Si

P

S

Ni

Cr

Mo

Cu

Al

yêu cầu tiêu chuẩn

.00,06

.1.0

.80,80

.035,035

.00,025

3,5-5,0

11,5-13,5

0,4-1,0

.50,5

 

Kiểm soát nội bộ

.00,04

0,6-0,9

1,4-0,7

.00,025

.000,008

4.0-5.0

12.0-13.0

0,5-0,7

.50,5

.00,040

Phân tích kết quả

0,023

1.0

0,57

0,013

0,005

4,61

13.0

0,56

0,02

0,035

 

Bảng 2 Hàm lượng khí (ppm)

khí đốt

H

O

N

Yêu cầu kiểm soát nội bộ

2,5

80

150

Phân tích kết quả

1,69

68,6

119,3

Vật liệu ZG06C r13N i4M o được nung chảy trong lò điện 30 tấn, tinh luyện trong lò LF 25T để tạo hợp kim, điều chỉnh thành phần và nhiệt độ, đồng thời được khử cacbon và khử khí trong lò VOD 25T, từ đó thu được thép nóng chảy có hàm lượng cacbon cực thấp, thành phần đồng đều, độ tinh khiết cao và hàm lượng khí độc hại thấp. Cuối cùng, dây nhôm được sử dụng để khử oxy lần cuối nhằm giảm hàm lượng oxy trong thép nóng chảy và tinh chế thêm các loại ngũ cốc.
2 Thử nghiệm quá trình xử lý nhiệt
2.1 Kế hoạch kiểm tra
Thân đúc được sử dụng làm thân thử nghiệm, kích thước khối thử nghiệm là 70mm × 70mm × 230mm và xử lý nhiệt sơ bộ là ủ mềm. Sau khi tham khảo tài liệu, các thông số quy trình xử lý nhiệt được chọn là: nhiệt độ chuẩn hóa 1 010oC, nhiệt độ ủ sơ cấp 590oC, 605oC, 620oC, nhiệt độ ủ thứ cấp 580oC và các quy trình ủ khác nhau được sử dụng cho các thử nghiệm so sánh. Kế hoạch thử nghiệm được thể hiện trong Bảng 3.

Bảng 3 Kế hoạch thử nghiệm xử lý nhiệt

kế hoạch dùng thử

Quy trình thử nghiệm xử lý nhiệt

Dự án thí điểm

A1

1 010oC Bình thường hóa + Ủ 620oC

Đặc tính kéo Độ bền va đập Độ cứng HB Đặc tính uốn Cấu trúc vi mô

A2

1 010oC Chuẩn hóa + Nhiệt độ 620oC + Nhiệt độ 580oC

B1

1 010oC Bình thường hóa + Ủ 620oC

B2

1 010oC Chuẩn hóa + Nhiệt độ 620oC + Nhiệt độ 580oC

C1

1 010oC Bình thường hóa + Ủ 620oC

C2

1 010oC Chuẩn hóa + Nhiệt độ 620oC + Nhiệt độ 580oC

 

2.2 Phân tích kết quả thử nghiệm
2.2.1 Phân tích thành phần hóa học
Từ kết quả phân tích thành phần hóa học và hàm lượng khí ở Bảng 1 và Bảng 2, các nguyên tố chính và hàm lượng khí đều phù hợp với phạm vi kiểm soát thành phần tối ưu.
2.2.2 Phân tích kết quả kiểm tra hiệu năng
Sau khi xử lý nhiệt theo các phương án thử nghiệm khác nhau, các thử nghiệm so sánh tính chất cơ học được thực hiện theo các tiêu chuẩn GB/T228.1-2010, GB/T229-2007 và GB/T231.1-2009. Kết quả thực nghiệm được thể hiện ở Bảng 4 và Bảng 5.

Bảng 4 Phân tích tính chất cơ học của các sơ đồ quy trình xử lý nhiệt khác nhau

kế hoạch dùng thử

Rp0,2/mpa

Rm/Mpa

MỘT/%

Z/%

AKV/J(0oC)

Giá trị độ cứng

HBW

tiêu chuẩn

≥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

 

Bảng 5 Thử uốn

kế hoạch dùng thử

Thử uốn (d=25,a=90°)

đánh giá

B1

Vết nứt5.2×1.2mm

Sự thất bại

B2

Không có vết nứt

đạt tiêu chuẩn

 

Từ việc so sánh và phân tích các tính chất cơ học: (1) Bình thường hóa + xử lý nhiệt ủ, vật liệu có thể thu được các tính chất cơ học tốt hơn, cho thấy vật liệu có độ cứng tốt. (2) Sau khi xử lý nhiệt bình thường, cường độ năng suất và độ dẻo (độ giãn dài) của quá trình ủ kép được cải thiện so với quá trình ủ đơn. (3) Từ kiểm tra và phân tích hiệu suất uốn, hiệu suất uốn của quy trình thử nghiệm chuẩn hóa + ủ đơn B1 là không đủ tiêu chuẩn và hiệu suất thử nghiệm uốn của quy trình thử nghiệm B2 sau khi tôi luyện kép là đủ tiêu chuẩn. (4) Từ việc so sánh kết quả thử nghiệm của 6 nhiệt độ ủ khác nhau, sơ đồ quy trình B2 gồm 1 010oC chuẩn hóa + ủ đơn 605oC + ủ thứ cấp 580oC có các tính chất cơ học tốt nhất, với cường độ năng suất 687MPa, độ giãn dài là 23%, độ bền va đập hơn 160J ở 0oC, độ cứng vừa phải 268HB và hiệu suất uốn đủ tiêu chuẩn, tất cả đều đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất của vật liệu.
2.2.3 Phân tích cấu trúc kim loại
Cấu trúc kim loại của quá trình thử nghiệm vật liệu B1 và ​​B2 được phân tích theo tiêu chuẩn GB/T13298-1991. Hình 1 cho thấy cấu trúc kim loại của quá trình chuẩn hóa + ủ lần đầu 605oC và Hình 2 cho thấy cấu trúc kim loại của quá trình chuẩn hóa + ủ lần thứ nhất + ủ lần thứ hai. Từ việc kiểm tra và phân tích kim loại, cấu trúc chính của ZG06C r13N i4M o sau khi xử lý nhiệt là martensite cacbon thấp + austenite đảo ngược. Từ phân tích cấu trúc kim loại, các bó martensite của vật liệu sau lần ủ đầu tiên dày hơn và dài hơn. Sau lần ủ thứ hai, cấu trúc ma trận thay đổi một chút, cấu trúc martensite cũng được tinh chế một chút và cấu trúc đồng đều hơn; về mặt hiệu suất, cường độ năng suất và độ dẻo được cải thiện ở một mức độ nhất định.

Một

Hình 1 Chuẩn hóa ZG06Cr13Ni4Mo + một vi cấu trúc ủ

b

Hình 2 ZG06Cr13Ni4Mo chuẩn hóa + cấu trúc kim loại tôi luyện hai lần

2.2.4 Phân tích kết quả thử nghiệm
1) Thử nghiệm xác nhận rằng vật liệu ZG06C r13N i4M o có độ cứng tốt. Thông qua quá trình xử lý nhiệt thường hóa + ủ, vật liệu có thể đạt được các tính chất cơ học tốt; cường độ năng suất và tính chất dẻo (độ giãn dài) của hai lần ủ sau khi xử lý nhiệt bình thường cao hơn nhiều so với một lần ủ.
2) Phân tích thử nghiệm chứng minh rằng cấu trúc của ZG06C r13N i4M o sau khi bình thường hóa là martensite, và cấu trúc sau khi ủ là martensite được tôi luyện bằng carbon thấp + austenite đảo ngược. Austenit đảo ngược trong cấu trúc tôi luyện có độ ổn định nhiệt cao và có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học, tính chất va đập và tính chất quá trình đúc và hàn của vật liệu. Vì vậy, vật liệu có độ bền cao, độ dẻo cao, độ cứng thích hợp, khả năng chống nứt tốt và có đặc tính đúc, hàn tốt sau khi xử lý nhiệt.
3) Phân tích nguyên nhân cải thiện hiệu suất ủ thứ cấp của ZG06C r13N i4M o. Sau khi bình thường hóa, gia nhiệt và bảo quản nhiệt, ZG06C r13N i4M o tạo thành austenite hạt mịn sau khi austenit hóa, sau đó chuyển thành martensite carbon thấp sau khi làm lạnh nhanh. Trong lần ủ đầu tiên, carbon siêu bão hòa trong martensite kết tủa dưới dạng cacbua, do đó làm giảm độ bền của vật liệu và cải thiện độ dẻo và độ dẻo dai của vật liệu. Do nhiệt độ cao của lần ủ đầu tiên, lần ủ đầu tiên tạo ra austenite ngược cực kỳ mịn bên cạnh martensite được tôi luyện. Các austenit ngược này được biến đổi một phần thành martensite trong quá trình làm mát ủ, tạo điều kiện cho quá trình tạo mầm và phát triển của austenit ngược ổn định được tạo ra một lần nữa trong quá trình ủ thứ cấp. Mục đích của quá trình ủ thứ cấp là thu được đủ austenit ngược ổn định. Các austenit ngược này có thể trải qua quá trình biến đổi pha trong quá trình biến dạng dẻo, từ đó cải thiện độ bền và độ dẻo của vật liệu. Do điều kiện hạn chế nên không thể quan sát và phân tích austenit ngược nên thí nghiệm này cần lấy tính chất cơ học và vi cấu trúc làm đối tượng nghiên cứu chính để phân tích so sánh.
3 Ứng dụng sản xuất
ZG06C r13N i4M o là vật liệu thép đúc thép không gỉ có độ bền cao với hiệu suất tuyệt vời. Khi quá trình sản xuất lưỡi dao thực tế được thực hiện, thành phần hóa học và các yêu cầu kiểm soát nội bộ được xác định bằng thí nghiệm và quy trình xử lý nhiệt của quá trình chuẩn hóa thứ cấp + ủ được sử dụng để sản xuất. Quy trình xử lý nhiệt được thể hiện trên Hình 3. Hiện tại, việc sản xuất 10 cánh quạt thủy điện lớn đã hoàn thành và hiệu suất đều đáp ứng yêu cầu của người sử dụng. Họ đã vượt qua cuộc kiểm tra lại của người dùng và nhận được đánh giá tốt.
Đối với đặc điểm của lưỡi cong phức tạp, kích thước đường viền lớn, đầu trục dày, dễ biến dạng và nứt, cần thực hiện một số biện pháp xử lý trong quá trình xử lý nhiệt:
1) Đầu trục hướng xuống dưới và lưỡi dao hướng lên trên. Sơ đồ tải lò được áp dụng để tạo điều kiện biến dạng tối thiểu, như trong Hình 4;
2) Đảm bảo có khoảng cách đủ lớn giữa các vật đúc và giữa vật đúc và tấm đáy bằng sắt đệm để đảm bảo làm mát, đồng thời đảm bảo rằng đầu trục dày đáp ứng các yêu cầu phát hiện siêu âm;
3) Giai đoạn gia nhiệt của phôi được phân đoạn nhiều lần để giảm thiểu ứng suất tổ chức của vật đúc trong quá trình gia nhiệt để tránh nứt.
Việc thực hiện các biện pháp xử lý nhiệt trên đảm bảo chất lượng xử lý nhiệt của lưỡi dao.

c

Hình 3 Quy trình xử lý nhiệt lưỡi dao ZG06Cr13Ni4Mo

d

Hình 4 Sơ đồ tải lò xử lý nhiệt lưỡi dao

4 Kết luận
1) Dựa trên kiểm soát nội bộ về thành phần hóa học của vật liệu, qua thử nghiệm quy trình xử lý nhiệt, xác định rằng quy trình xử lý nhiệt của ZG06C r13N i4M o vật liệu thép không gỉ cường độ cao là quy trình xử lý nhiệt 1 Chuẩn hóa 010oC + ủ sơ cấp 605oC + ủ thứ cấp 580oC, có thể đảm bảo các tính chất cơ học, đặc tính tác động ở nhiệt độ thấp và đặc tính uốn nguội của vật liệu đúc đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn.
2) Vật liệu ZG06C r13N i4M o có độ cứng tốt. Cấu trúc sau khi thường hóa + xử lý nhiệt hai lần là martensite carbon thấp + austenite ngược có hiệu suất tốt, có độ bền cao, độ dẻo cao, độ cứng thích hợp, khả năng chống nứt tốt và hiệu suất đúc và hàn tốt.
3) Sơ đồ xử lý nhiệt bình thường hóa + ủ hai lần được xác định bằng thí nghiệm được áp dụng cho quy trình xử lý nhiệt sản xuất các lưỡi dao lớn và các đặc tính vật liệu đều đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn của người dùng.


Thời gian đăng: 28/06/2024