Znanje - Sanxin

I. Gruba i nehomogena zrna u velikim otkivcima

Valjani proizvodi i mali otkivci obrađeni pod pritiskom skloni su dobijanju finih i ujednačenih zrna austenita. Dijelovi izrađeni od takvih gredica i podvrgnuti tretmanu kaljenja i otpuštanja (pod uslovom da su sirovine i procesi termičke obrade normalni) obično postižu fina zrna stepena 8 ili više, koja su relativno ujednačena. Međutim, veliki otkivci su drugačiji. G. Bendel i saradnici24 uzeli su radijalne i aksijalne uzorke sa vratila generatora kaljenih u ulju i otpuštenih (28NiCrMo74), rotora turbina (21CrMoV51) i drugih velikih otkivaka od različitih čelika. Proučavali su metalografske strukture skoro 200 uzoraka od 100 otkivaka (sa prečnikom u rasponu od 400 do 1400 mm, kovanih od čeličnih ingota od 100 do 150 tona) koristeći pikrinsku kiselinu i aditive kako bi otkrili zrna austenita. Rezultati su pokazali da su zrna austenita svih 200 uzoraka bila u rasponu od 0 do 7 stepena, pri čemu 3 do 4 stepena (isključujući one manje od 3 stepena) čine 50%. Slične situacije smo sreli i u proizvodnji velikih otkivaka.

 

Zašto su zrna austenita u velikim otkivcima uvijek relativno gruba i neravnomjerna?

 

Prvo, ingoti koji se koriste za kovanje velikih otkivaka su veliki, a proces hlađenja tokom kristalizacije je spor, što rezultira grubim strukturama livenog materijala i relativno jakom segregacijom. Austenit u zonama segregacije koje sadrže ugljik i legure je posebno stabilan (posebno kod visokolegiranih čelika). Ako se ne preduzme poseban tretman, grubi austenit u ovom području možda se neće u potpunosti transformirati čak ni tokom završne obrade. Karakteristike transformacije uzrokovane segregacijom bit će detaljnije razmotrene u nastavku.

 

Drugo, u poređenju sa valjanim materijalima i malim otkivcima, veliki otkivci imaju manju i neravnomjerno raspoređenu deformaciju kovanja. Stoga su rekristalizirana zrna također relativno gruba i neravnomjerno raspoređena. Ova tačka je razmatrana u prvom poglavlju i ovdje se neće ponavljati.

 

Veliki otkovci se uglavnom ne mogu kovati odjednom. U završnom procesu kovanja, zbog velike temperaturne razlike između poprečnih presjeka otkovka i sporog djelovanja hidraulične prese, konačna temperatura kovanja dijelova kovanih ranije i onih kovanih kasnije uveliko varira. Središnji dio otkovka i dijelovi kovani ranije ostaju na visokim temperaturama (često iznad 1000℃) tokom dugog vremena, što dovodi do grubih i neravnomjernih zrna austenita. ​​​​​​​

Treće, grubost i nehomogenost austenitnih zrna unutar velikih otkivaka također su povezane s karakteristikama njihovih procesa austenitizacije, zagrijavanja i hlađenja.

Uzimajući u obzir segregaciju ugljika i legirajućih elemenata, temperatura austenitizacije za velike otkivke je viša nego za male komade iste klase čelika, jer je gornja granica Ac u otkivku viša od ove temperature prosječnog sastava. Osim toga, veliki otkivci zahtijevaju duže vrijeme namakanja za ravnomjerno zagrijavanje, što uzrokuje da površinski sloj ostane na visokim temperaturama predugo.

 

Čak i ako su temperatura zagrijavanja i vrijeme zadržavanja isti, zrna austenita u velikim otkivcima su grublja od onih u dobro obrađenim valjanim materijalima i malim otkivcima. Najvažniji razlog za to je brzina zagrijavanja u α→γ zona transformacije. Što je sporija brzina zagrijavanja, to su zrna austenita grublja. Zbog apsorpcije topline transformacije tokom α→γ transformacija u velikim otkivcima (što nema značajan utjecaj na male dijelove u usporedbi s kapacitetom dovoda topline peći za zagrijavanje), brzina zagrijavanja tijekom cijelog procesa transformacije smanjuje se na vrlo nisku vrijednost, što rezultira grubljim zrnima. Dodavanje male količine jakih karbidnih ili nitridotvornih elemenata za pročišćavanje zrna austenita vrlo je učinkovito za male dijelove, ali u praksi je ova metoda rijetko učinkovita za velike otkivke.

 

Veličina originalnih austenitnih zrna utiče na veličinu zrna nakon reaustenitizacije. Što su originalna austenitna zrna grublja, to su zrna grublja nakon reaustenitizacije. Kod čelika sa visokom permeabilnošću, kao što su oni koji sadrže vanadijum i titanijum, kada je produkt hlađenja bainit ili martenzit, tragovi originalne pregrijane strukture ne mogu se eliminisati tokom završne obrade i vraćaju se u gruba austenitna zrna.

 

Kao što je ranije spomenuto, zbog razvoja segregacije u velikim čeličnim ingotima, stabilnost austenita je visoka i tačka martenzita opada u područjima sa visokom segregacijom ugljika i legirajućih elemenata. Čak i Mf tačka može pasti ispod sobne temperature. Ako se za ovo područje ne preduzme poseban tretman, grubi austenit u ovoj regiji možda neće biti u potpunosti transformisan čak ni nakon završnog tretmana i može ostati.

 

Za kaljenje velikih otkovaka koji zahtijevaju martenzitne i niže bainitne strukture, kako bi se spriječile pukotine od kaljenja, površina se često hladi na 250-300°C ili 150-200°C, a zatim se stavlja u peć na 200-300°C (blizu Mf tačke). Ovo uzrokuje stabilizaciju austenita (u zoni transformacije martenzita ili zoni transformacije donjeg bainita). U kombinaciji sa segregacijom, originalni grubi austenit se zadržava, što rezultira neravnomjernim i grubim zrnima. Na prvoj temperaturi pothlađenja tokom termičke obrade, transformacija austenita je nepotpuna (posebno u zonama segregacije nekih velikih otkovaka od čelika Ni-Cr-Mo-V). Tokom naknadnog izotermnog procesa nešto ispod A1, ovaj dio austenita se ne raspada, što također uzrokuje lokalne grube strukture.

 

II. Utjecaj grubih i nehomogenih zrna na svojstva otkivaka i ultrazvuka testiranje

 

Postoje brojne studije o utjecaju veličine zrna na mehanička svojstva. Granica tečenja, plastičnost i žilavost grubozrnog čelika se smanjuju, a posebno se značajno povećava temperatura krhkog prijelaza.

 

 

Zrna koja su gotovo ujednačena imaju visoku udarnu žilavost i vijek trajanja do zamora, dok su gore navedena svojstva najniža kada je površina grubih zrna blizu 50%. Budući da gruba i nejednaka zrna štete performansama, a originalna veličina zrna, kao što je ranije spomenuto, utječe na konačnu veličinu zrna nakon obrade, vrlo je potrebno prilagoditi i pročistiti zrna u prvoj toplinskoj obradi kako bi se poboljšale performanse kovanog dijela nakon završne toplinske obrade.

 

Kako bi se što ranije otkrili nekvalitetni proizvodi, smanjili troškovi i minimiziralo rasipanje radnog vremena, "rana dijagnoza" je od velikog značaja. (U posljednje vrijeme se čak provodi i detekcija nedostataka prije preciznog kovanja kako bi se povećala iskorištenost čeličnih ingota i utvrdilo treba li ih ponovno kovati.) Kvalitet površine otkovaka i prodornost ultrazvučnih valova često su loši. U ovoj situaciji, prvo, energija ultrazvučnih valova koji padaju na otkovke treba biti što veća, a drugo, treba poboljšati prodornost ultrazvučnih valova i eliminaciju interferirajućih odjeka. Prvo se može postići poboljšanjem sredstva za spajanje, dok drugo zahtijeva napore unutrašnje strukture otkovaka.

 

Postoje organizacijski faktori u čeliku koji ometaju ultrazvučno otkrivanje defekata. Zbog njihovog postojanja dolazi do šumovite buke ili ultrazvučnog slabljenja. Tokom posljednjeg procesa kovanja otkovka, ako predugo ostane na visokoj temperaturi, lako se formiraju gruba zrna i usmjerene igličaste feritne grupe, koje djeluju kao reflektori ultrazvučnih talasa i generiraju šumovitu buku. Taloženje grubih karbida na granicama zrna i ravnima cijepanja (na primjer, karbidi tipa M6C i M12C6 u Cr-Mo-V čeliku) također uzrokuje šumovitu buku. Ovaj interferirajući odjek otežava hvatanje odjeka defekata.

 

Gruba i nejednaka zrna uzrokuju ozbiljno slabljenje ultrazvučnih valova. Općenito govoreći, grubi produkt visokotemperaturne transformacije austenita povećat će slabljenje ultrazvučnih valova. Kod velikih otkivaka, pri odabiru vrsta čelika, treba uzeti u obzir dobijanje mikrostrukture u jezgru koja je povoljna za otkrivanje nedostataka.

 

 

Budući da gruba i neravna zrna, posebno formiranje acikularnih feritnih klastera i velikih karbida na granicama zrna, mogu uzrokovati interferencijske odjeke i povećati slabljenje, potrebno je prilagoditi i pročistiti mikrostrukturu kroz prvu termičku obradu kako bi se poboljšala ultrazvučna penetracija.