Znanje - Sanxin

Uzimajući martenzitni nehrđajući čelik 2Cr13 kao objekt istraživanja, proučavani su utjecaji različitih sadržaja nikla na mikrostrukturu i sveobuhvatna svojstva martenzitnog nehrđajućeg čelika 2Cr13 pomoću metalografske mikroskopije, ispitivanja tvrdoće i ispitivanja zatezanja na sobnoj temperaturi. Rezultati istraživanja pokazuju da martenzitni nehrđajući čelik 2Cr13 može dobiti potpuno martenzitnu strukturu nakon toplog valjanja u jednofaznoj austenitnoj zoni i hlađenja na zraku. Kada je w[Ni] 0.1%, letvice martenzita su relativno grube. Kako se w[Ni] povećava na 0.3%, tvrdoća nakon termičke obrade povećava se za 10HRC, a granica tečenja, zatezna čvrstoća i izduženje nakon loma povećavaju se sa 614 MPa, 748 MPa i 30% na 670 MPa, 797 MPa i 33%, respektivno. Mehanička svojstva martenzitnog nehrđajućeg čelika 2Cr13 mogu se podesiti povećanjem temperature otpuštanja i vremena zadržavanja kako bi se zadovoljili različiti zahtjevi narudžbe.

 

1 Predgovor

Martenzitni nehrđajući čelik 2Cr13 ima dobru prokaljivost. Tehnologijom termičke obrade kaljenjem i otpuštanjem može postići ravnotežu čvrstoće, žilavosti i otpornosti na koroziju, te se stoga široko koristi u proizvodnji dijelova koji rade pod korozivnim i udarnim opterećenjima, kao što su lopatice brodskih motora, naftovodi i cjevovodi za prijenos prirodnog plina. S brzim napretkom energetske industrije, posebno u razvoju dubokih i ultradubokih bušotina na naftnim poljima u korozivnim okruženjima, zahtjevi za cijevi od nehrđajućeg čelika postali su stroži. Mehanička svojstva i otpornost metalnih cijevi na koroziju uglavnom su određeni hemijskim sastavom i mikrostrukturom samog materijala. Stoga se reguliranjem hemijskog sastava i procesa termičke obrade materijala može značajno poboljšati vijek trajanja čelika.

 

Nikl je glavni element za stabilizaciju austenita, koji može donekle spriječiti taloženje δ ferita tokom deformacije na visokim temperaturama i povećati Ms tačku, indirektno proširujući raspon formiranja austenitne faze i značajno poboljšavajući prokaljivost materijala. Pored toga, ključan je i odabir parametara procesa termičke obrade. Optimizacija sistema termičke obrade može pružiti tehničke reference za poboljšanje mehaničkih svojstava martenzitnog nehrđajućeg čelika 2Cr13. Yang Shunzhen i saradnici analizirali su utjecaj sistema za otpuštanje na mikrostrukturu i sveobuhvatne performanse martenzitnog čelika 1Cr13 i otkrili da se zatezna čvrstoća i tvrdoća smanjuju s porastom temperature otpuštanja. Chakraborty i saradnici proučavali su mehanizam formiranja karbida u martenzitnom nehrđajućem čeliku AISI410 tokom otpuštanja na srednjim i visokim temperaturama. Rezultati su pokazali da je taloženje M23C6 bilo osjetljivije na visokim temperaturama, a krhkost je bila najizraženija pri otpuštanju na 550°C. Zhang Xiaoke, Wei Zhengyan i saradnici Sistematski je razvijen optimalni prozor procesa termičke obrade za martenzitni nehrđajući čelik koji sadrži nikl. Rezultati ispitivanja pokazali su da procesi kaljenja i otpuštanja na visokim temperaturama mogu značajno pročistiti zrna i poboljšati sveobuhvatna mehanička svojstva materijala, te spriječiti krhkost uslijed otpuštanja. Posljednjih godina, istraživači su proveli opsežne studije o mikrostrukturi i tehnologiji kontrole performansi martenzitnog nehrđajućeg čelika, uglavnom koristeći mikrolegiranje za podešavanje ujednačenosti mikrostrukture i mehaničkih svojstava materijala. Stoga je istraživanje utjecaja vrsta i količina legirajućih elemenata u materijalu na mikrostrukturu i performanse nakon termičke obrade postalo posebno važno. Mikrostruktura i performanse dvije serije cijevi od martenzitnog nehrđajućeg čelika 2Cr13 s w[Ni] od 0.1% i 0.3% respektivno bit će analizirane nakon kaljenja i otpuštanja kako bi se utvrdio utjecaj sadržaja legirajućih elemenata i parametara procesa termičke obrade na mikrostrukturu i mehanička svojstva, pružajući osnovne podatke i smjernice za teorijsku analizu za proizvodnju na prvoj liniji.

 

2. Eksperimentalni materijali i metode

Eksperimentalni materijali bili su gredice poprečnog presjeka 310 mm × 310 mm. Gredice su livene u električnoj peći kapaciteta 90 tona, a težina dobijenih livenih gredica bila je 1.16 tona. Zagrijane su na 1240°C u prstenastoj peći, zatim probušene, kontinuirano valjane (konačna temperatura valjanja bila je 850°C), dimenzionirane, prorezane i ispravljene. Konačni proizvodi bile su martenzitne čelične cijevi vanjskog promjera 244.48 mm i debljine stijenke 11.99 mm.

 

Za gore navedene toplo valjane čelične cijevi, prvo se provodi kaljenje na 1200℃, a zatim se nakon vađenja iz peći hladi zrakom kako bi se dobila martenzitna struktura. Nakon toga, provodi se istraživanje temperature otpuštanja. Proces otpuštanja koristi peć za stepenasto zagrijavanje, koja je podijeljena u tri dijela: dio za predgrijavanje, dio za zagrijavanje i dio za zadržavanje. Kaljene čelične cijevi podvrgavaju se otpuštanju na visokim temperaturama na 785~800℃, s vremenom zadržavanja od 75 minuta za svaki proces otpuštanja. Nakon otpuštanja na visokim temperaturama, čelične cijevi se podvrgavaju vrućem ravnanju, kontroli geometrijskih dimenzija i ultrazvučnoj detekciji grešaka kako bi se ispunili potrebni standardi proizvoda. Zahtjevi za mehanička svojstva čeličnih cijevi su: granica tečenja 557~650 MPa, zatezna čvrstoća ≥ 655 MPa, izduženje ≥ 23% i tvrdoća po Rockwellu 14~23HRC.

 

 

Zbog značajnih fluktuacija mehaničkih svojstava šipke nakon termičke obrade uzrokovanih varijacijama u sadržaju nikla, što nije ispunjavalo zahtjeve narudžbe, proveden je niz studija o utjecaju promjena sadržaja nikla na mikrostrukturu i mehanička svojstva martenzitnog nehrđajućeg čelika 2Cr13. Prvo je izračunat ravnotežni fazni dijagram martenzitnog nehrđajućeg čelika 2Cr13 korištenjem JMatPro softvera za termodinamičku analizu. Zatim je provedena termička obrada valjanih bešavnih čeličnih cijevi, nakon čega je uslijedilo promatranje mikrostrukture, ispitivanje tvrdoće i ispitivanje jednoosne zatezne čvrstoće. Ispitivanja performansi provedena su na tri uzorka, a uzeta je prosječna vrijednost. Metalografska priprema je brušena i polirana, a zatim korodirana Krollovim reagensom 40 sekundi. Promatranje i fotografiranje metalografske strukture završeni su na Zeiss optičkom mikroskopu. Istovremeno, proučavan je proces popuštanja dvije vrste čeličnih cijevi s različitim sadržajem nikla. U Shemi 1, bešavna čelična cijev je popuštena na 785°C tokom 70 minuta, a zatim hlađena na zraku. U Shemi 2, temperatura otpuštanja bešavne čelične cijevi povećana je na 800°C, a vrijeme zadržavanja ostalo je na 70 minuta. Konačno, uzorci podvrgnuti različitim procesima termičke obrade uzorkovani su radi posmatranja, ispitivanja tvrdoće i ispitivanja zateznih svojstava. Mehanička svojstva ispitana su na tri uzorka i uzeta je prosječna vrijednost. Mjerenje tvrdoće provedeno je pomoću Rockwellovog uređaja za ispitivanje tvrdoće, a na svakom uzorku izmjerena su tri različita područja tvrdoće. Ispitivanje zatezanja na sobnoj temperaturi provedeno je na univerzalnoj elektronskoj ispitnoj mašini pri brzini zatezanja od 3 mm/min.

 

3. Eksperimentalni rezultati i analiza

3.1 Utjecaj sadržaja nikla na mikrostrukturu i svojstva nakon kaljenja

Slika 1 prikazuje dijagram ravnotežne faze martenzitnog nehrđajućeg čelika 2Cr13 izračunat pomoću JMatPro softvera. Može se vidjeti da je temperaturni raspon jednofazne austenitne faze 955~1212℃. Iznad ovog temperaturnog raspona formirat će se ferit, dok će se ispod ovog temperaturnog raspona proizvoditi M23C6.

Stoga, kada se materijal valja na 1200℃, nalazi se u jednofaznom austenitnom području i ima dobru sposobnost plastične deformacije. Nakon deformacije, kaljenjem se može dobiti martenzitna struktura, osiguravajući mehanička svojstva čelične cijevi. Stoga je temperatura kaljenja odabrana u ovom radu 1200℃. Slika 2 prikazuje mikrostrukturu dvaju udjela nikla u martenzitnom nehrđajućem čeliku 2Cr13 nakon valjanja na 1200℃ i hlađenja na zraku. Iz slike se može vidjeti da materijal može dobiti potpuno martenzitnu strukturu nakon hlađenja na zraku iz jednofaznog austenitnog područja, ali i dalje postoji veliki broj linija toka kotrljanja u strukturi. Razlika u sadržaju nikla ne može se vidjeti iz mikrostrukture prikazane pri malom uvećanju na slici 2(a) i 2(b). Međutim, morfologija letvičastog martenzita može se vidjeti iz mikrostrukture prikazane pri velikom uvećanju na slici 2(c) i 2(d). Letvičasti martenzit u martenzitnom nehrđajućem čeliku 2Cr13 sa sadržajem nikla od 0.1% je grub, a veličina zrna u martenzitnom nehrđajućem čeliku 2Cr13 sa sadržajem nikla od 0.3% je manja. Kada se sadržaj nikla poveća sa 0.1% na 0.3%, veličina zrna nakon otpuštanja se smanjuje sa 17.3 μm na 9.8 μm. To je vjerovatno zbog profinjenosti zrna uzrokovane dodatkom nikla. Prosječna vrijednost tvrdoće 2Cr13 sa sadržajem nikla od 0.1% iznosi 47HRC, dok je prosječna vrijednost tvrdoće 2Cr13 sa sadržajem nikla od 0.3% 50HRC. Blagi porast vrijednosti tvrdoće posljedica je profinjenosti zrna i poboljšane prokaljivosti uzrokovane niklom.

 

Slika 3 prikazuje mikrostrukturu martenzitnog nehrđajućeg čelika 2Cr13 s dva udjela nikla nakon otpuštanja. Slike 3(a) i 3(b) prikazuju mikrostrukturu nakon istog procesa otpuštanja (785℃, 70 min, hlađenje na zraku). Obje slike zadržavaju morfologiju dijela letvičastog martenzita i talože određenu količinu karbida, što je bliže strukturi otpuštenog troostita. Prema prethodnom dijagramu ravnotežne faze, također se može potvrditi da će se karbidi tipa M23C6 proizvoditi tokom otpuštanja u ovom temperaturnom rasponu. Većina zrna i dalje zadržava orijentacijske karakteristike snopova letvičastog martenzita, a zrna na slici 3(b) su znatno finija, oko 10.4 μm, što je u skladu s veličinom zrna dva materijala nakon kaljenja u prethodnom tekstu. Rezultati tvrdoće po Rockwellu pokazuju da je vrijednost tvrdoće martenzitnog nehrđajućeg čelika 2Cr13 sa sadržajem 0.3% nikla veća, na 31HRC, dok je vrijednost tvrdoće martenzitnog nehrđajućeg čelika 2Cr13 sa sadržajem 0.1% nikla samo 21HRC. Dakle, može se vidjeti da je učinak ojačavanja tragovima Ni očigledniji nakon otpuštanja. Da bi se ispunili zahtjevi narudžbe, proces otpuštanja 2Cr13 sa sadržajem 0.3% nikla podešen je na 800℃, 70 minuta, hlađenje na zraku. Dobijena mikrostruktura pokazuje da morfologija martenzita u osnovi nestaje, a granularni karbidi se povećavaju, predstavljajući izrazitu strukturu sorbita otpuštenog na visokim temperaturama, kao što je prikazano na slici 3(c). Istovremeno, nakon ovog procesa otpuštanja, vrijednost tvrdoće se smanjuje na 23HRC. To je zato što tokom prilagođenog procesa otpuštanja, viša temperatura otpuštanja pogoduje difuziji legure, što dodatno smanjuje stepen prezasićenosti martenzita, a legura postoji u obliku karbida, što smanjuje tvrdoću materijala.

​​​​​​​

Mehanička svojstva dvaju čelika 2Cr13 s različitim sadržajem nikla nakon otpuštanja dobivena su jednoosnim zateznim ispitivanjima na sobnoj temperaturi. S povećanjem sadržaja nikla od 0.1% do 0.3%, granica tečenja, zatezna čvrstoća i izduženje nakon loma martenzitnog nehrđajućeg čelika 2Cr13 otpuštenog na 785℃ tokom 70 minuta povećali su se sa 614 MPa, 748 MPa i 30% na 670 MPa, 797 MPa i 33%, respektivno. Vrijednosti čvrstoće su značajno poboljšane. Kada je proces otpuštanja martenzitnog nehrđajućeg čelika 2Cr13 s 0.3% sadržaja nikla podešen na 800℃ tokom 70 minuta, granica tečenja, zatezna čvrstoća i izduženje iznosili su 619 MPa, 755 MPa i 31%, respektivno, što je omogućilo postizanje indeksa mehaničkih svojstava usporedivih s onima kod martenzitnog nehrđajućeg čelika 2Cr13 s 0.1% sadržaja nikla. Viša temperatura otpuštanja smanjila je čvrstoću martenzitnog nehrđajućeg čelika 2Cr13 do određene mjere.

 

Osim toga, rezultati ispitivanja zatezne čvrstoće pokazuju da se, kada se sadržaj nikla ili temperatura termičke obrade odgovarajuće promijene, izduženje uzoraka 2Cr13 ne mijenja značajno, ostajući u rasponu od 30% do 33%. To ukazuje na to da materijal nije osjetljiv na izduženje pod uslovima promjenjivog sadržaja nikla ili temperature otpuštanja, ali će se pokazatelji čvrstoće značajno promijeniti. Ukratko, sadržaj nikla ima značajan utjecaj na mikrostrukturu i mehanička svojstva martenzitnog nehrđajućeg čelika 2Cr13. Ne samo da poboljšava prokaljivost materijala i smanjuje veličinu zrna, već i mijenja njegovu čvrstoću i žilavost, čime se poboljšavaju njegove ukupne performanse [15]. Dodavanje određenih legura može povećati čvrstoću materijala, ali često na štetu njegove plastičnosti i žilavosti. Neke studije su također pokazale da dodavanje odgovarajućih količina nikla, molibdena i drugih legura može značajno poboljšati mehanička svojstva i otpornost na koroziju CO2 martenzitnog nehrđajućeg čelika 2Cr13. Kod martenzitnog nehrđajućeg čelika tipa 2Cr13, učinak jačanja i kaljenja dodavanjem nikla može se postići podešavanjem procesa termičke obrade.

 

4 Zaključci

1) Nakon valjanja na visokim temperaturama, martenzitni nehrđajući čelik 2Cr13 može dobiti potpunu martenzitnu strukturu hlađenjem na zraku. Nikl je element koji formira austenit. Povećanje njegovog sadržaja može poboljšati stabilnost austenita u martenzitnom nehrđajućem čeliku 2Cr13 na visokim temperaturama, poboljšati prokaljivost materijala i smanjiti veličinu zrna. Kada se sadržaj nikla poveća sa 0.1% na 0.3%, veličina zrna nakon kaljenja smanjuje se sa 17.3 μm na 9.8 μm.

2) Kako se sadržaj nikla povećava sa 0.1% na 0.3%, vrijednost tvrdoće martenzitnog nehrđajućeg čelika 2Cr13 nakon otpuštanja se ne mijenja značajno. Međutim, nakon otpuštanja na 785°C tokom 70 minuta, vrijednost tvrdoće se povećava sa 21HRC na 31HRC, a granica tečenja, zatezna čvrstoća i izduženje nakon loma povećavaju se sa 614 MPa, 748 MPa i 30% na 670 MPa, 797 MPa i 33%, respektivno.

3) Mehanička svojstva martenzitnog nehrđajućeg čelika 2Cr13 mogu se podesiti postupcima popuštanja. Da bi se ispunili zahtjevi narudžbe, temperatura popuštanja i vrijeme zadržavanja za martenzitni nehrđajući čelik sa sadržajem nikla od 0.3% trebaju se podesiti na 800°C, odnosno 70 minuta. Mehanička svojstva ovog čelika su usporediva sa svojstvima martenzitnog nehrđajućeg čelika 2Cr13 sa sadržajem nikla od 0.1%.

 

Ako imate bilo kakvih pitanja, zahtjeva, potrebe za razvojem novih dijelova odljevaka i kalupa od nehrđajućeg čelika ili poboljšanjem vašeg lanca opskrbe, slobodno nas kontaktirajte. info@castings-forging.com