vědomosti

Abstrakt: V reakci na problém nedostatečné absorpce rázové energie u litých ocelových dílů 30CrNiMo po kalení a popouštění byly analyzovány příčiny nedostatečné absorpce rázové energie pomocí metod, jako je analýza lomu, metalografické zkoumání, zkouška tvrdosti a analýza chemického složení. Výsledky ukázaly, že lomová plocha litých ocelových dílů 30CrNiMo byla mezikrystalová. Metalografické zkoumání odhalilo, že zrna v kaleném stavu byla nerovná s přítomností smíšených zrn. Nb se hromadil na původních hranicích zrn austenitu za vzniku NbC, což nejen snižovalo aktivitu hranic zrn a bránilo jejich migraci, ale také tvořilo četné částice druhé fáze, které ucpávaly hranice zrn a upevňovaly jejich dědičnost. To nakonec vedlo k zhrubnutí austenitových zrn, zvýšení teploty přechodu z tvárné do křehké oceli a vzniku křehkých transkrystalových lomů a nízké rázové vlastnosti při rázovém rázu na ocel při pokojové teplotě.

Klíčová slova: ocel 30CrNiMo; absorpce rázové energie; mezikrystalový lom; NbC; segregace na hranicích zrn Ocel 30CrNiMo se široce používá v důlních strojích díky své vysoké prokalitelnosti, vynikajícím komplexním mechanickým vlastnostem a dobrým vlastnostem pro tváření za studena i za tepla. Výrobní proces litých ocelových dílů 30CrNiMo zahrnuje odlévání, normalizaci (890 °C × 1 h, chlazení vzduchem), kalení a popouštění (880 °C po dobu 1 h, kalení ve vodě, popouštění při 600 °C po dobu 2 h). Během výkonnostních zkoušek byla absorpce rázové energie podprůměrná (všechny zkušební hodnoty byly menší než 10 J, což je hluboko pod spodní hranicí požadované hodnoty 34 J). Vzorky pro rázovou energii byly odebrány z jednotlivých odlitků zkušebních bloků a místa odběru vzorků jsou znázorněna na obrázku 1. Tato práce určila důvody podprůměrné absorpce rázové energie litými ocelovými díly pomocí laboratorních zkoušek a analýz s využitím rastrovací elektronové mikroskopie a optické mikroskopie.

 

Obr. 1 Místo odběru vzorků pro nárazové zkoušky

 

 

1 Fyzikální a chemická kontrola

1.1 Mikroskopická morfologie lomové plochy

Lomová plocha vzorků nárazem byla sledována pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu ZEISS EVO15. Morfologie lomové plochy je znázorněna na obrázku 2. Jak je z obrázku 2 patrné, makroskopická morfologie lomové plochy byla abnormální s mnoha malými rovinami na lomové ploše, což se rovnalo zřetelnému mezikrystalovému lomu. Pod rastrovacím elektronovým mikroskopem bylo na malých rovinách lomové plochy rozloženo mnoho pruhů. Při dalším zvětšení pruhy vykazovaly štěpné a kvazištěpné znaky; okraje na obou stranách měly důlkovou morfologii.

Obr. 2 Morfologie lomu normalizované testované oceli získané pomocí SEM (a) makroskopická; (b) mezikrystalový lom; (c) krystalická mikrostruktura po odlití; (d) morfologie důlků (d) morfologie důlků

 

1.2 Skenování povrchu energetickým spektrem a analýza složení

K provedení analýzy složení mikrooblasti v oblasti pruhů malé roviny lomového povrchu byl použit analyzátor energetického spektra X-Max50. Výsledky jsou znázorněny na obrázku 3. Jak je z obrázku 3 patrné, výsledky skenování povrchu lomového povrchu ukazují, že rozložení niobu je nerovnoměrné a dochází k segregaci. Výsledky kvantitativní analýzy ukazují, že obsah niobu v oblasti pruhů je 1.74 % a obsah niobu mezi pruhy je příliš nízký na to, aby byl detekovatelný. Obsah niobu v oblasti pruhů je vyšší než v oblasti bez pruhů kolem ní.

Obr. 3 EDS analýza při malém rovinném lomu kalené a popouštěné oceli testované po zkoušce (a) výsledky skenování povrchu na okraji; (b) výsledky kvantitativní analýzy na okraji a mezi pruhy. (b) Výsledky kvantitativní analýzy na okraji a mezi pruhy

 

1.3 Mikrostruktura

Vzorky byly odebrány ze stejné šarže litých, normalizačních, kalených a popouštěných vzorků na stejném místě. Byly leptány 4% roztokem kyseliny dusičné v alkoholu a poté zkoumány pod optickým mikroskopem ZEISS Imager.M2m. Výsledky jsou znázorněny na obrázku 4. Mikrostruktura litého vzorku se skládá z mezikrystalových proužků a bloků feritu s jehličkovým feritem a perlitem uvnitř zrn. Normalizovaná mikrostruktura je ferit + perlit + zrnitý bainit. Kalená mikrostruktura je martenzit + zrnitý bainit. Popouštěná mikrostruktura je popouštěný sorbit.

Obr. 4 Mikrostruktura testované oceli za různých stavů tepelného zpracování (a) po odlitku; (b) normalizovaná; (c) kalená; (d) popuštěná (b) normalizovaná; (c) kalená; (d) popuštěná

Kontrola velikosti zrna byla provedena na odlitých a kalených mikrostrukturách a výsledky jsou znázorněny na obrázku 5. Velikost zrna odlité mikrostruktury je horší než třída 00 specifikovaná v normě GB/T 6394-2017 „Metoda pro stanovení průměrné velikosti zrna kovů“ a velikost zrna je relativně blízká velikosti malých rovin na lomovém povrchu. Velikost zrna kalené mikrostruktury je extrémně nerovnoměrná a vykazuje charakteristiku dvojí velikosti zrna.

 

1.4 Kontrola chemického složení

Z rázových těles byly odebrány vzorky a kontrola chemického složení byla provedena pomocí plazmového emisního spektrometru 5110VDV a infračerveného analyzátoru uhlík-sira DK 606. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 1. Z tabulky 1 je patrné, že chemické složení rázových těles splňuje požadavky na ocel ZG30CrNiMo v normě JB/T 5000.6-2007 „Všeobecné technické podmínky pro těžké stroje – Část 6: Ocelolité díly“.

 

1.5 Kontrola tvrdosti

Tvrdost v oblasti štěpné morfologie a oblasti důlkové morfologie na lomovém povrchu vzorků pro rázovou zkoušku byla testována pomocí mikrotvrdoměru FM-310. Zkušební síla byla 0.98 N a doba setrvání zkušební síly byla 10 s. V každé oblasti bylo vybráno pět zkušebních bodů. Průměrná tvrdost v oblasti štěpné morfologie byla 334 HV 0.1 a průměrná tvrdost v oblasti důlkové morfologie byla 328 HV 0.1. Mezi těmito dvěma oblastmi nebyl pozorován žádný významný rozdíl v tvrdosti.

 

2 Analýza a diskuse

Výsledky chemických prvků ukazují, že chemické složení odlitku z oceli splňuje požadavky na ocel ZG30CrNiMo v JB/T 5000.6-2007. Výsledky zkoušky tvrdosti vylučují možnost nerovnoměrné tvrdosti materiálu způsobující selhání absorpce energie nárazu. Mikroskopická morfologie lomové plochy ukazuje, že vzorek pro rázovou zkoušku má mezikrystalový lom. Velikost malých rovin na mezikrystalovém lomovém povrchu je relativně blízká původní velikosti zrn austenitu v litém stavu, což naznačuje, že během tepelného zpracování odlitku z oceli dochází k dědičnosti hranic zrn. Obecně řečeno, hnací síla pro migraci hranic zrn je nepřímo úměrná poloměru zakřivení hranice zrn. Čím větší je původní zrno, tím rovnější je hranice zrn a poloměr zakřivení je téměř nekonečný, tím menší je pravděpodobnost migrace během následného ohřevu a tím větší je pravděpodobnost, že si původní hranice zrn zachovají neporušenou. Výsledky kontroly energetického spektra ukazují, že obsah Nb v oblasti pruhů je vyšší než v okolních oblastech bez pruhů, což naznačuje, že v oceli dochází k segregaci Nb. Nb je silný karbidotvorný prvek a v oceli se vyskytuje převážně ve formě karbidů NbC. Pokud se na hranicích zrn v oceli vyskytují sraženiny, je obtížné je při běžné teplotě tepelného zpracování zcela rozpustit, a proto je nelze odstranit [1]. Výsledky metalografické kontroly ukazují, že během normalizačního zpracování se vytvořily mikrostruktury feritu + perlitu a granulárního bainitu. U oceli 30CrNiMo může podle relevantního výzkumu [2] dojít k nerovnovážné transformaci v důsledku přítomnosti vysokého obsahu Cr, Ni, Mo a dalších legujících prvků i při relativně pomalé rychlosti ochlazování. Jakmile se vytvoří bainit nebo martenzit, v souladu s jevem dědičnosti mikrostruktury oceli [3] nemusí být následná normalizace nebo kalení a popouštění schopny tuto mikrostrukturu odstranit, což má za následek smíšená zrna nebo hrubá zrna v tepelně zpracovaných vzorcích. Vzhledem k tomu, že Nb má vliv na zvýšení prokalitelnosti a inhibici tvorby perlitu, naznačuje to, že segregace prvků slitiny v oceli nebyla normalizací eliminována, a nerovná zrna v následném kaleném stavu a výskyt smíšených zrn také naznačují existenci segregace prvků slitiny. Segregace prvků slitiny na hranicích zrn může změnit migrační charakteristiky hranic zrn. Na jedné straně mohou prvky slitiny segregované na hranicích zrn snižovat aktivitu hranic zrn a bránit jejich migraci. Na druhé straně mohou tvořit více částic druhé fáze, které upevňují hranice zrn a upevňují dědičnost hranic zrn [4].

 

3 Závěry a návrhy

1) Detekcí a analýzou povrchu lomu odlitku z oceli 30CrNiMo bylo zjištěno, že přímými příčinami selhání absorpce energie nárazu vzorky je nerovnovážná transformační mikrostruktura a dědičnost hranic zrn způsobená segregací prvků slitiny. 2) V reakci na výskyt nerovnovážných transformačních struktur, jako je bainit, ve vzorcích po normalizaci byl normalizační proces upraven na izotermické žíhání, aby se zabránilo nerovnovážné transformaci, což může snížit stupeň dědičnosti hranic zrn a účinně zlepšit rázovou odolnost vzorků.