개요: ZG06Cr13Ni4Mo 재료의 성능에 대한 다양한 열처리 공정의 영향을 연구했습니다. 테스트에 따르면 1010℃ 노멀라이징 + 605℃ 1차 템퍼링 + 580℃ 2차 템퍼링에서 열처리 후 재료가 최고의 성능 지수에 도달하는 것으로 나타났습니다. 그 구조는 저탄소 마르텐사이트 + 역변태 오스테나이트이며 고강도, 저온 인성 및 적절한 경도를 갖습니다. 이는 대형 블레이드 주조 열처리 생산에 적용되는 제품 성능 요구 사항을 충족합니다.
키워드: ZG06Cr13NI4Mo; 마르텐사이트계 스테인리스강; 잎
대형 블레이드는 수력 발전 터빈의 핵심 부품입니다. 부품의 서비스 조건은 상대적으로 가혹하며 오랜 시간 동안 고압 수류 충격, 마모 및 침식을 겪습니다. 이 재료는 포괄적인 기계적 특성과 내식성이 우수한 ZG06Cr13Ni4Mo 마르텐사이트 스테인리스강에서 선택됩니다. 수력 발전 및 관련 주조의 대규모 개발로 인해 ZG06Cr13Ni4Mo와 같은 스테인레스강 소재의 성능에 대한 요구 사항이 더욱 높아졌습니다. 이를 위해 국내 수력 발전 장비 기업의 ZG06C r13N i4M o 대형 블레이드 생산 시험과 결합하여 재료 화학 성분의 내부 제어, 열처리 공정 비교 테스트 및 테스트 결과 분석을 통해 최적화된 단일 노멀라이징 + 이중 템퍼링 열 ZG06C r13N i4M o 스테인레스 스틸 소재의 처리 공정은 고성능 요구 사항을 충족하는 주물을 생산하기로 결정되었습니다.
1 화학성분의 내부관리
ZG06C r13N i4M o 소재는 고강도 마르텐사이트계 스테인리스강으로, 높은 기계적 특성과 우수한 저온 충격 인성이 요구됩니다. 소재의 성능을 향상시키기 위해 내부적으로 화학적 조성을 제어하여 w(C) ≤ 0.04%, w(P) ≤ 0.025%, w(S) ≤ 0.08%를 요구하고, 가스 함량을 제어하였다. Table 1은 물질 내부 대조물질의 화학적 조성 범위와 시료의 화학적 조성에 대한 분석 결과를 나타내고, Table 2는 물질 내부 대조 물질의 함량에 대한 내부 조절 요건과 시료 가스 함량의 분석 결과를 나타낸다.
표 1 화학 조성(질량 분율, %)
| 요소 | C | Mn | Si | P | S | Ni | Cr | Mo | Cu | Al |
| 표준 요구 사항 | ≤0.06 | ≤1.0 | ≤0.80 | ≤0.035 | ≤0.025 | 3.5-5.0 | 11.5-13.5 | 0.4-1.0 | ≤0.5 |
|
| 성분 내부 통제 | ≤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 |
| 결과 분석 | 0.023 | 1.0 | 0.57 | 0.013 | 0.005 | 4.61 | 13.0 | 0.56 | 0.02 | 0.035 |
표 2 가스 함량(ppm)
| 가스 | H | O | N |
| 내부통제 요구사항 | ≤2.5 | ≤80 | ≤150 |
| 결과 분석 | 1.69 | 68.6 | 119.3 |
ZG06C r13N i4Mo 소재를 30t 전기로에서 제련하고, 25T LF로에서 정련하여 합금화, 조성 및 온도 조절을 한 후, 25T VOD로에서 탈탄, 탈가스하여 초저탄소 용강을 얻고, 조성이 균일하고 순도가 높으며 유해가스 함량이 낮습니다. 마지막으로 용강의 산소 함량을 줄이고 결정립을 더욱 미세화하기 위해 최종 탈산에 알루미늄 와이어를 사용했습니다.
2 열처리 공정 시험
2.1 테스트 계획
시험체는 주조체를 사용하였으며, 시험 블록 크기는 70mm×70mm×230mm이고, 예비열처리는 연화소둔이었다. 문헌을 참조한 후 선택된 열처리 공정 매개변수는 노멀라이징 온도 1 010℃, 1차 템퍼링 온도 590℃, 605℃, 620℃, 2차 템퍼링 온도 580℃였으며, 서로 다른 템퍼링 공정을 비교 테스트에 사용했습니다. 테스트 계획은 표 3에 나와 있습니다.
표 3 열처리 시험 계획
| 시험 계획 | 열처리 시험과정 | 파일럿 프로젝트 |
| A1 | 1 010℃노멀라이징+620℃템퍼링 | 인장 특성 충격 인성 경도 HB 굽힘 특성 미세 조직 |
| A2 | 1 010℃노멀라이징+620℃템퍼링+580℃템퍼링 | |
| B1 | 1 010℃노멀라이징+620℃템퍼링 | |
| B2 | 1 010℃노멀라이징+620℃템퍼링+580℃템퍼링 | |
| C1 | 1 010℃노멀라이징+620℃템퍼링 | |
| C2 | 1 010℃노멀라이징+620℃템퍼링+580℃템퍼링 |
2.2 테스트 결과 분석
2.2.1 화학성분 분석
Table 1과 Table 2의 화학조성과 가스함량 분석결과, 주요원소와 가스함량은 최적조성제어범위와 일치함을 알 수 있다.
2.2.2 성능 테스트 결과 분석
다양한 테스트 계획에 따라 열처리한 후 GB/T228.1-2010, GB/T229-2007 및 GB/T231.1-2009 표준에 따라 기계적 특성 비교 테스트를 수행했습니다. 실험 결과를 표 4 및 표 5에 나타내었다.
표 4 다양한 열처리 공정 계획의 기계적 특성 분석
| 시험 계획 | Rp0.2/Mpa | Rm/Mpa | 에이/% | 지/% | AKV/J(0℃) | 경도 값 HBW |
| 기준 | ≥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 |
표 5 굽힘 시험
| 시험 계획 | 굽힘 시험(d=25,a=90°) | 평가 |
| B1 | 균열5.2×1.2mm | 실패 |
| B2 | 균열 없음 | 자격 있는 |
기계적 성질의 비교 및 분석에서: (1) 노멀라이징 + 템퍼링 열처리를 통해 재료는 더 나은 기계적 성질을 얻을 수 있으며 이는 재료의 경화성이 우수함을 나타냅니다. (2) 표준화 열처리 후, 더블 템퍼링의 항복강도 및 가소성(신율)이 싱글 템퍼링에 비해 향상된다. (3) 굽힘 성능 검사 및 분석에서 B1 정규화 + 단일 템퍼링 테스트 프로세스의 굽힘 성능은 자격이 없으며 이중 템퍼링 후 B2 테스트 프로세스의 굽힘 테스트 성능은 자격을 갖추고 있습니다. (4) 6가지 서로 다른 템퍼링 온도의 테스트 결과 비교에서 1,010℃ 노멀라이징 + 605℃ 단일 템퍼링 + 580℃ 2차 템퍼링의 B2 공정 방식이 항복 강도 687MPa, 연신율 687MPa로 기계적 특성이 가장 좋습니다. 23%, 0℃에서 160J 이상의 충격 인성, 268HB의 적당한 경도, 자격을 갖춘 굽힘 성능 등 모두 재료의 성능 요구 사항을 충족합니다.
2.2.3 금속 조직 분석
재료 B1 및 B2 테스트 프로세스의 금속 조직 구조는 GB/T13298-1991 표준에 따라 분석되었습니다. 그림 1은 노멀라이징 + 605℃ 1차 템퍼링의 금속 조직을 보여주고, 그림 2는 노멀라이징 + 1차 템퍼링 + 2차 템퍼링의 금속 조직을 보여줍니다. 금속 조직 검사 및 분석에 따르면 열처리 후 ZG06C r13N i4M o의 주요 구조는 저탄소 라스 마르텐사이트 + 역오스테나이트입니다. 금속 조직 분석에서 첫 번째 템퍼링 후 재료의 라스 마르텐사이트 다발은 더 두껍고 길었습니다. 두 번째 템퍼링 후 매트릭스 구조가 약간 변경되고 마르텐사이트 조직도 약간 미세화되며 구조가 더욱 균일해집니다. 성능면에서 항복강도와 가소성이 어느 정도 향상되었습니다.
그림 1 ZG06Cr13Ni4Mo 정규화 + 하나의 템퍼링 미세 구조
그림 2 ZG06Cr13Ni4Mo 정규화 + 2회 템퍼링 금속 조직 구조
2.2.4 테스트 결과 분석
1) 테스트를 통해 ZG06C r13N i4M o 소재의 경화성이 우수한 것으로 확인되었습니다. 노멀라이징 + 템퍼링 열처리를 통해 재료는 우수한 기계적 특성을 얻을 수 있습니다. 정규화 열처리 후 두 번의 템퍼링의 항복 강도 및 소성 특성(연신율)은 한 번의 템퍼링보다 훨씬 높습니다.
2) 시험 분석에 따르면 노멀라이징 후 ZG06C r13N i4M o 조직은 마르텐사이트이고, 템퍼링 후 조직은 저탄소 라스 템퍼링 마르텐사이트 + 역오스테나이트임이 입증되었습니다. 템퍼링 조직의 역오스테나이트는 열 안정성이 높으며 재료의 기계적 특성, 충격 특성, 주조 및 용접 공정 특성에 중요한 영향을 미칩니다. 따라서 재료는 열처리 후 강도가 높고 소성 인성이 높으며 경도가 적절하고 균열 저항성이 우수하며 주조 및 용접 특성이 우수합니다.
3) ZG06C r13N i4M o의 2차 뜨임 성능이 향상되는 이유를 분석한다. 노멀라이징, 가열 및 보온 후 ZG06C r13N i4M o는 오스테나이트화 후 세립 오스테나이트를 형성하고 급속 냉각 후 저탄소 마르텐사이트로 변태합니다. 1차 템퍼링에서는 마르텐사이트 내의 과포화 탄소가 탄화물 형태로 석출되어 소재의 강도가 감소하고 소재의 가소성 및 인성이 향상됩니다. 1차 템퍼링의 온도가 높기 때문에 1차 템퍼링에서는 템퍼링된 마르텐사이트 외에 매우 미세한 역오스테나이트가 생성됩니다. 이러한 역오스테나이트는 템퍼링 냉각 중에 부분적으로 마르텐사이트로 변태되어 2차 템퍼링 공정에서 다시 생성된 안정적인 역오스테나이트의 핵생성 및 성장을 위한 조건을 제공합니다. 2차 템퍼링의 목적은 충분히 안정적인 역오스테나이트를 얻는 것입니다. 이러한 역오스테나이트는 소성 변형 중에 상 변태를 겪을 수 있어 재료의 강도와 가소성을 향상시킬 수 있습니다. 제한된 조건으로 인해 역오스테나이트를 관찰하고 분석하는 것이 불가능하므로 본 실험에서는 기계적 성질과 미세구조를 비교분석의 주요 연구대상으로 삼아야 한다.
3 생산 응용
ZG06C r13N i4M o는 우수한 성능을 갖춘 고강도 스테인레스강 주강 소재입니다. 블레이드의 실제 생산이 진행되면 실험을 통해 결정된 화학적 조성과 내부 제어 요구 사항, 2차 노멀라이징 + 템퍼링의 열처리 공정을 사용하여 생산됩니다. 열처리 공정은 그림 3에 나와 있습니다. 현재 10개의 대형 수력 블레이드 생산이 완료되었으며 성능은 모두 사용자의 요구 사항을 충족했습니다. 사용자의 재검사를 통과하여 좋은 평가를 받았습니다.
복잡한 곡선 블레이드, 큰 윤곽 치수, 두꺼운 샤프트 헤드, 쉬운 변형 및 균열의 특성을 위해 열처리 공정에서 몇 가지 공정 조치를 취해야 합니다.
1) 샤프트 헤드는 아래쪽이고 블레이드는 위쪽입니다. 그림 4와 같이 변형을 최소화하기 위해 퍼니스 로딩 방식이 채택되었습니다.
2) 냉각을 보장하기 위해 주물 사이와 주물과 패드 철 바닥판 사이에 충분한 간격이 있는지 확인하고 두꺼운 샤프트 헤드가 초음파 감지 요구 사항을 충족하는지 확인하십시오.
3) 공작물의 가열 단계를 여러 번 분할하여 가열 과정에서 주물의 조직적 응력을 최소화하여 균열을 방지합니다.
위의 열처리 조치를 구현하면 블레이드의 열처리 품질이 보장됩니다.
그림 3 ZG06Cr13Ni4Mo 블레이드 열처리 공정
그림 4 블레이드 열처리 공정로 로딩 방식
4 결론
1) 소재의 화학적 조성에 대한 내부 제어를 바탕으로 열처리 공정의 테스트를 통해 ZG06C r13N i4M o 고강도 스테인리스 소재의 열처리 공정이 1의 열처리 공정인 것으로 판단 010℃ 노멀라이징 + 605℃ 1차 템퍼링 + 580℃ 2차 템퍼링으로 주조 재료의 기계적 특성, 저온 충격 특성 및 냉간 굽힘 특성이 표준 요구 사항을 충족하는지 확인할 수 있습니다.
2) ZG06C r13N i4M o 소재는 경화성이 좋습니다. 노멀라이징 + 2회 템퍼링 열처리 후 조직은 성능이 우수한 저탄소 라스 마르텐사이트 + 역오스테나이트로 강도가 높고 소성 인성이 높으며 경도가 적절하고 내균열성이 우수하며 주조 및 용접 성능이 우수합니다.
3) 실험에 의해 결정된 노멀라이징 + 2회 템퍼링의 열처리 방식은 대형 블레이드의 열처리 공정 생산에 적용되며 재료 특성은 모두 사용자의 표준 요구 사항을 충족합니다.
게시 시간: 2024년 6월 28일
