vědomosti

S využitím martenzitické nerezové oceli 2Cr13 jako předmětu výzkumu byly studovány vlivy různých obsahů niklu na mikrostrukturu a komplexní vlastnosti této martenzitické nerezové oceli 2Cr13 pomocí metalografické mikroskopie, zkoušky tvrdosti a zkoušky tahem při pokojové teplotě. Výsledky výzkumu ukazují, že martenzitická nerezová ocel 2Cr13 může po válcování za tepla v jednofázové austenitické zóně a ochlazování na vzduchu dosáhnout plně martenzitické struktury. Při obsahu w[Ni] 0.1 % jsou martenzitické lamely relativně hrubé. Se zvýšením w[Ni] na 0.3 % se tvrdost po tepelném zpracování zvyšuje o 10 HRC a mez kluzu, pevnost v tahu a prodloužení po lomu se zvyšují z 614 MPa, 748 MPa a 30 % na 670 MPa, 797 MPa a 33 %. Mechanické vlastnosti martenzitické nerezové oceli 2Cr13 lze upravit zvýšením teploty popouštění a doby výdrže tak, aby splňovaly různé požadavky objednávky.

 

Předmluva 1

Martenzitická nerezová ocel 2Cr13 má dobrou prokalitelnost. Díky technologii tepelného zpracování kalením a popouštěním může dosáhnout rovnováhy mezi pevností, houževnatostí a odolností proti korozi, a proto se široce používá při výrobě součástí, které pracují v korozivních a rázových podmínkách, jako jsou lopatky lodních motorů, ropovody a plynovody. S rychlým pokrokem energetického průmyslu, zejména při vývoji hlubokých a ultrahlubokých vrtů v ropných polích v korozivním prostředí, se požadavky na trubky z nerezové oceli zpřísnily. Mechanické vlastnosti a odolnost kovových trubek proti korozi jsou určeny především chemickým složením a mikrostrukturou samotného materiálu. Proto lze regulací chemického složení a procesu tepelného zpracování materiálu výrazně zlepšit životnost oceli.

 

Nikl je hlavním prvkem stabilizujícím austenit, který může do určité míry zabránit precipitaci δ feritu během vysokoteplotní deformace a zvýšit bod Ms, čímž nepřímo rozšiřuje rozsah tvorby austenitické fáze a významně zlepšuje prokalitelnost materiálu. Kromě toho je zásadní také výběr parametrů procesu tepelného zpracování. Optimalizace systému tepelného zpracování může poskytnout technické reference pro zlepšení mechanických vlastností martenzitické nerezové oceli 2Cr13. Yang Shunzhen a kol. analyzovali vliv popouštěcích systémů na mikrostrukturu a celkový výkon martenzitické oceli 1Cr13 a zjistili, že pevnost v tahu a tvrdost se snižují se zvyšující se teplotou popouštění. Chakraborty a kol. studovali mechanismus tvorby karbidů v martenzitické nerezové oceli AISI410 během středně a vysokoteplotního popouštění. Výsledky ukázaly, že precipitace M23C6 byla citlivější při vysokých teplotách a křehnutí bylo nejzávažnější při popouštění 550 °C. Zhang Xiaoke, Wei Zhengyan a kol. Systematicky vyvinuli optimální okno procesu tepelného zpracování pro martenzitickou nerezovou ocel s obsahem niklu. Výsledky testů ukázaly, že procesy kalení a vysokoteplotního popouštění mohou významně zjemnit zrna a zlepšit komplexní mechanické vlastnosti materiálu a zabránit křehnutí za popouštění. V posledních letech vědci provedli rozsáhlé studie mikrostruktury a technologie řízení výkonu martenzitické nerezové oceli, zejména s využitím mikrolegování k úpravě uniformity mikrostruktury a mechanických vlastností materiálu. Proto se výzkum vlivu typů a množství legujících prvků v materiálu na mikrostrukturu a výkon po tepelném zpracování stal obzvláště důležitým. Mikrostruktura a výkon dvou šarží trubek z martenzitické nerezové oceli 2Cr13 s w[Ni] 0.1 % a 0.3 % budou analyzovány po kalení a popouštění, aby se určil vliv obsahu legujících prvků a parametrů procesu tepelného zpracování na mikrostrukturu a mechanické vlastnosti, a poskytly základní data a teoretické analytické vodítko pro výrobu na první lince.

 

2. Experimentální materiály a metody

Experimentálním materiálem byly ingoty o průřezu 310 mm × 310 mm. Ingoty byly odlévány v elektrické peci o kapacitě 90 tun a hmotnost získaných odlitků byla 1.16 tuny. Byly zahřáté na 1240 °C v kruhové peci, poté proraženy, kontinuálně válcovány (konečná teplota válcování byla 850 °C), dimenzovány, řezány a rovnany. Konečnými produkty byly martenzitické ocelové trubky o vnějším průměru 244.48 mm a tloušťce stěny 11.99 mm.

 

U výše uvedených ocelových trubek válcovaných za tepla se nejprve provádí kalení při 1200 °C a po vyjmutí z pece se ochlazuje vzduchem, aby se dosáhlo martenzitické struktury. Následně se provádí výzkum teploty popouštění. Proces popouštění využívá stupňovitou ohřívací pec, která je rozdělena do tří sekcí: předehřívací sekce, ohřívací sekce a výdržná sekce. Kalené ocelové trubky jsou podrobeny vysokoteplotnímu popouštění při 785 až 800 °C s dobou výdrže 75 minut pro každý proces popouštění. Po vysokoteplotním popouštění se ocelové trubky podrobují rovnání za tepla, kontrole geometrických rozměrů a ultrazvukové detekci vad, aby splňovaly požadované normy výrobku. Požadavky na mechanické vlastnosti ocelových trubek jsou: mez kluzu 557 až 650 MPa, pevnost v tahu ≥ 655 MPa, prodloužení ≥ 23 % a tvrdost podle Rockwella 14 až 23 HRC.

 

 

Vzhledem k výrazným výkyvům mechanických vlastností tyče po tepelném zpracování způsobeným změnami obsahu niklu, které nesplňovaly požadavky objednávky, byla provedena série studií o vlivu změn obsahu niklu na mikrostrukturu a mechanické vlastnosti martenzitické nerezové oceli 2Cr13. Nejprve byl pomocí softwaru pro termodynamickou analýzu JMatPro vypočítán rovnovážný fázový diagram martenzitické nerezové oceli 2Cr13. Poté bylo provedeno tepelné zpracování válcovaných bezešvých ocelových trubek, následovalo pozorování mikrostruktury, zkouška tvrdosti a zkouška jednoosé pevnosti v tahu. Zkoušky výkonu byly provedeny na třech vzorcích a byla vypočtena průměrná hodnota. Metalografický preparát byl broušen a leštěn a poté korodován Krollovým činidlem po dobu 40 sekund. Pozorování a fotografování metalografické struktury bylo provedeno na optickém mikroskopu Zeiss. Současně byl studován proces popouštění dvou typů ocelových trubek s různým obsahem niklu. Ve schématu 1 byla bezešvá ocelová trubka popouštěna při 785 °C po dobu 70 minut a poté ochlazena vzduchem. Ve schématu 2 byla teplota popouštění bezešvé ocelové trubky zvýšena na 800 °C a doba výdrže zůstala 70 minut. Nakonec byly odebrány vzorky podrobené různým procesům tepelného zpracování pro pozorování, zkoušku tvrdosti a zkoušku pevnosti v tahu. Mechanické vlastnosti byly testovány na třech vzorcích a byla stanovena průměrná hodnota. Měření tvrdosti bylo provedeno pomocí Rockwellova tvrdoměru a na každém vzorku byla změřena tvrdost na třech různých plochách. Zkouška tahem při pokojové teplotě byla provedena na elektronickém univerzálním zkušebním stroji při rychlosti tahu 3 mm/min.

 

3. Experimentální výsledky a analýza

3.1 Vliv obsahu niklu na mikrostrukturu a vlastnosti po kalení

Obrázek 1 ukazuje rovnovážný fázový diagram martenzitické nerezové oceli 2Cr13 vypočítaný pomocí softwaru JMatPro. Je vidět, že teplotní rozsah jednofázové austenitické fáze je 955~1212 ℃. Nad tímto teplotním rozsahem se tvoří ferit, zatímco pod tímto teplotním rozsahem se vytváří M23C6.

Proto se materiál při válcování při 1200 °C nachází v oblasti jednofázového austenitu a má dobrou schopnost plastické deformace. Po deformaci může kalení dosáhnout martenzitické struktury, která zajišťuje mechanické vlastnosti ocelové trubky. Teplota kalení zvolená v tomto článku je tedy 1200 °C. Obrázek 2 ukazuje mikrostrukturu martenzitické nerezové oceli 2Cr13 se dvěma obsahy niklu po válcování při 1200 °C a ochlazení na vzduchu. Z obrázku je patrné, že materiál může po ochlazení na vzduchu získat plně martenzitickou strukturu z oblasti jednofázového austenitu, ale ve struktuře je stále velký počet linií toku válcování. Rozdíl v obsahu niklu není patrný z mikrostruktury zobrazené při malém zvětšení na obrázku 2(a) a 2(b). Morfologii lamelového martenzitu je však patrná z mikrostruktury zobrazené při velkém zvětšení na obrázku 2(c) a 2(d). Latkový martenzit v martenzitické nerezové oceli 2Cr13 s obsahem 0.1 % niklu je hrubý a velikost zrna v martenzitické nerezové oceli 2Cr13 s obsahem 0.3 % niklu je menší. Když se obsah niklu zvýší z 0.1 % na 0.3 %, velikost zrna po popouštění se sníží ze 17.3 μm na 9.8 μm. To je pravděpodobně způsobeno zjemněním zrna způsobeným přidáním niklu. Průměrná hodnota tvrdosti oceli 2Cr13 s obsahem 0.1 % niklu je 47 HRC, zatímco průměrná hodnota tvrdosti oceli 2Cr13 s obsahem 0.3 % niklu je 50 HRC. Mírné zvýšení hodnoty tvrdosti je způsobeno zjemněním zrna a zlepšenou prokalitelností způsobenou niklem.

 

Obrázek 3 ukazuje mikrostrukturu martenzitické nerezové oceli 2Cr13 se dvěma obsahy niklu po popouštění. Obrázky 3(a) a 3(b) ukazují mikrostrukturu po stejném procesu popouštění (785 °C, 70 min, chlazení na vzduchu). Oba obrázky si zachovávají morfologii určitého množství laťkového martenzitu a vysrážejí určité množství karbidů, což se blíží struktuře popouštěného troostitu. Podle předchozího rovnovážného fázového diagramu lze také ověřit, že během popouštění v tomto teplotním rozsahu budou vznikat karbidy typu M23C6. Většina zrn si stále zachovává orientační charakteristiky laťkových svazků martenzitu a zrna na obrázku 3(b) jsou výrazně jemnější, asi 10.4 μm, což je v souladu s velikostí zrn obou materiálů po kalení v předchozím textu. Výsledky měření tvrdosti podle Rockwella ukazují, že hodnota tvrdosti martenzitické nerezové oceli 2Cr13 s obsahem 0.3 % niklu je vyšší a dosahuje 31 HRC, zatímco hodnota tvrdosti martenzitické nerezové oceli 2Cr13 s obsahem 0.1 % niklu je pouze 21 HRC. Je tedy vidět, že zpevňující účinek stopového niklu je po popouštění zřetelnější. Pro splnění požadavků objednávky byl proces popouštění oceli 2Cr13 s obsahem 0.3 % niklu nastaven na 800 °C, 70 minut, chlazení na vzduchu. Získaná mikrostruktura ukazuje, že morfologie martenzitu v podstatě mizí a zrnité karbidy se zvětšují, což představuje zřetelnou strukturu sorbitu popouštěného za vysokých teplot, jak je znázorněno na obrázku 3(c). Zároveň po tomto procesu popouštění hodnota tvrdosti klesá na 23 HRC. Je to proto, že během upraveného procesu popouštění vyšší teplota popouštění vede k difúzi slitiny, což dále snižuje stupeň přesycení martenzitem a slitina existuje ve formě karbidu, čímž se snižuje tvrdost materiálu.

​​​​​​​

Mechanické vlastnosti dvou ocelí 2Cr13 s různým obsahem niklu po popouštění byly získány pomocí jednoosých tahových zkoušek při pokojové teplotě. Se zvýšením obsahu niklu z 0.1 % na 0.3 % se mez kluzu, pevnost v tahu a prodloužení po lomu martenzitické nerezové oceli 2Cr13 popouštěné při 785 °C po dobu 70 minut zvýšily z 614 MPa, 748 MPa a 30 % na 670 MPa, 797 MPa a 33 %. Hodnoty pevnosti se výrazně zlepšily. Když byl proces popouštění martenzitické nerezové oceli 2Cr13 s obsahem niklu 0.3 % upraven na 800 °C po dobu 70 minut, mez kluzu, pevnost v tahu a prodloužení dosáhly 619 MPa, 755 MPa a 31 %, což umožnilo dosáhnout indexů mechanických vlastností srovnatelných s indexy martenzitické nerezové oceli 2Cr13 s obsahem niklu 0.1 %. Vyšší teplota popouštění do určité míry snížila pevnost martenzitické nerezové oceli 2Cr13.

 

Výsledky zkoušek tahem navíc ukazují, že při odpovídající změně obsahu niklu nebo teploty tepelného zpracování se prodloužení vzorků 2Cr13 významně nemění a zůstává v rozmezí 30 % až 33 %. To naznačuje, že materiál není citlivý na prodloužení za podmínek měnícího se obsahu niklu nebo teploty popouštění, ale ukazatele pevnosti se výrazně změní. Stručně řečeno, obsah niklu má významný vliv na mikrostrukturu a mechanické vlastnosti martenzitické nerezové oceli 2Cr13. Nejenže zvyšuje prokalitelnost materiálu a snižuje velikost zrna, ale také mění jeho pevnost a houževnatost, čímž zlepšuje jeho celkové vlastnosti [15]. Přidání určitých slitin může zvýšit pevnost materiálu, ale často na úkor jeho plasticity a houževnatosti. Některé studie také ukázaly, že přidání vhodného množství niklu, molybdenu a dalších slitin může významně zlepšit mechanické vlastnosti a odolnost martenzitické nerezové oceli 2Cr2 proti korozi CO13. U martenzitické nerezové oceli typu 2Cr13 lze zpevňujícího a houževnatého účinku přidáním niklu dosáhnout úpravou procesu tepelného zpracování.

 

Závěry 4

1) Po válcování za vysokých teplot může martenzitická nerezová ocel 2Cr13 získat plně martenzitickou strukturu ochlazováním na vzduchu. Nikl je prvek tvořící austenit. Zvýšení jeho obsahu může zvýšit stabilitu austenitu v martenzitické nerezové oceli 2Cr13 za vysokých teplot, zlepšit prokalitelnost materiálu a zmenšit velikost zrna. Když se obsah niklu zvýší z 0.1 % na 0.3 %, velikost zrna po kalení se zmenší ze 17.3 μm na 9.8 μm.

2) S rostoucím obsahem niklu z 0.1 % na 0.3 % se hodnota tvrdosti martenzitické nerezové oceli 2Cr13 po popouštění významně nemění. Po popouštění při 785 °C po dobu 70 minut se však hodnota tvrdosti zvyšuje z 21 HRC na 31 HRC a mez kluzu, pevnost v tahu a prodloužení po lomu se zvyšují z 614 MPa, 748 MPa a 30 % na 670 MPa, 797 MPa a 33 %.

3) Mechanické vlastnosti martenzitické nerezové oceli 2Cr13 lze upravit popouštěním. Pro splnění požadavků objednávky by měla být teplota popouštění a doba výdrže pro martenzitickou nerezovou ocel s obsahem niklu 0.3 % upravena na 800 °C, respektive 70 minut. Mechanické vlastnosti této oceli jsou srovnatelné s vlastnostmi martenzitické nerezové oceli 2Cr13 s obsahem niklu 0.1 %.

 

Pokud máte jakékoli dotazy, poptávky, potřebujete vyvinout nové díly z nerezových odlitků a zápustkových forem nebo vylepšit svůj dodavatelský řetězec, neváhejte nás kontaktovat. info@castings-forging.com