Viden

Med 2Cr13 martensitisk rustfrit stål som forskningsobjekt blev virkningerne af forskellige nikkelindhold på mikrostrukturen og de omfattende egenskaber af 2Cr13 martensitisk rustfrit stål undersøgt ved hjælp af metallografisk mikroskopi, hårdhedsprøvning og trækprøvning ved stuetemperatur. Forskningsresultaterne viser, at 2Cr13 martensitisk rustfrit stål kan opnå en fuldt martensitisk struktur efter varmvalsning i enfaset austenitzone og luftkøling. Når w[Ni] er 0.1%, er martensitpladerne relativt grove. Når w[Ni] stiger til 0.3%, øges hårdheden efter varmebehandling med 10HRC, og flydespændingen, trækstyrken og brudforlængelsen stiger fra henholdsvis 614 MPa, 748 MPa og 30% til 670 MPa, 797 MPa og 33%. De mekaniske egenskaber af 2Cr13 martensitisk rustfrit stål kan justeres ved at øge anløbningstemperaturen og holdetiden for at imødekomme forskellige ordrekrav.

 

1 Forord

2Cr13 martensitisk rustfrit stål har god hærdbarhed. Gennem afkøling og anløbning af varmebehandlingsteknologi kan det opnå en balance mellem styrke, sejhed og korrosionsbestandighed og anvendes derfor i vid udstrækning i fremstillingen af ​​dele, der arbejder under korrosive og stødpåvirkede belastningsforhold, såsom skibsmotorblade, olierørledninger og naturgastransmissionsrørledninger. Med den hurtige udvikling inden for energiindustrien, især inden for udviklingen af ​​dybe og ultradybe brønde i oliefelter i korrosive miljøer, er kravene til rustfri stålrør blevet strengere. De mekaniske egenskaber og korrosionsbestandigheden af ​​metalrør bestemmes hovedsageligt af selve materialets kemiske sammensætning og mikrostruktur. Derfor kan stålets levetid forbedres betydeligt ved at regulere materialets kemiske sammensætning og varmebehandlingsproces.

 

Nikkel er et vigtigt austenitstabiliserende element, som i et vist omfang kan forhindre udfældning af δ-ferrit under højtemperaturdeformation og øge Ms-punktet, hvilket indirekte udvider dannelsesområdet for austenitfasen og forbedrer materialets hærdbarhed betydeligt. Derudover er valget af varmebehandlingsprocesparametre også afgørende. Optimering af varmebehandlingssystemet kan give tekniske referencer til forbedring af de mekaniske egenskaber af 2Cr13 martensitisk rustfrit stål. Yang Shunzhen et al. analyserede indflydelsen af ​​​​hærdningssystemer på mikrostrukturen og den omfattende ydeevne af 1Cr13 martensitisk stål og fandt, at trækstyrken og hårdheden faldt med stigende anløbningstemperatur. Chakraborty et al. undersøgte dannelsesmekanismen for karbider i AISI410 martensitisk rustfrit stål under anløbning ved mellem- og høj temperatur. Resultaterne viste, at udfældningen af ​​​​M23C6 var mere følsom ved høje temperaturer, og at sprødheden var den mest alvorlige ved 550 °C anløbning. Zhang Xiaoke, Wei Zhengyan et al. har systematisk udviklet det optimale varmebehandlingsprocesvindue for nikkelholdigt martensitisk rustfrit stål. Testresultaterne viste, at bratkøling og højtemperaturhærdning kunne forfine kornene betydeligt og forbedre materialets omfattende mekaniske egenskaber samt hæmme anløbningsskørhed. I de senere år har forskere udført omfattende undersøgelser af mikrostrukturen og ydeevnekontrolteknologien for martensitisk rustfrit stål, primært ved hjælp af mikrolegeringer til at justere materialets mikrostrukturensartethed og mekaniske egenskaber. Derfor er forskningen i indflydelsen af ​​typer og mængder af legeringselementer i materialet på mikrostrukturen og ydeevnen efter varmebehandling blevet særlig vigtig. Mikrostrukturen og ydeevnen af ​​to partier af 2Cr13 martensitiske rustfri stålrør med w[Ni] på henholdsvis 0.1% og 0.3% vil blive analyseret efter bratkøling og anløbning for at bestemme indflydelsen af ​​legeringselementindhold og varmebehandlingsprocesparametre på mikrostruktur og mekaniske egenskaber, hvilket giver grundlæggende data og teoretisk analysevejledning til frontlinjeproduktion.

 

2. Eksperimentelle materialer og metoder

De eksperimentelle materialer var emner med et tværsnit på 310 mm × 310 mm. Emnerne blev støbt i en elektrisk ovn med en kapacitet på 90 tons, og vægten af ​​de opnåede støbte emner var 1.16 tons. De blev opvarmet til 1240 °C i en ringovn, derefter gennemboret, kontinuerligt valset (slutvalsetemperatur var 850 °C), dimensioneret, opskåret og rettet ud. Slutprodukterne var martensitiske stålrør med en ydre diameter på 244.48 mm og en vægtykkelse på 11.99 mm.

 

For de ovennævnte varmvalsede stålrør udføres der først bratkøling ved 1200 ℃, og derefter anvendes luftkøling efter fjernelse fra ovnen for at opnå en martensitisk struktur. Derefter udføres undersøgelse af anløbningstemperaturen. Anløbningsprocessen anvender en trinvis opvarmningsovn, som er opdelt i tre sektioner: forvarmningssektion, opvarmningssektion og holdesektion. De bratkølede stålrør underkastes højtemperaturanløbning ved 785~800 ℃ med en holdetid på 75 minutter for hver anløbningsproces. Efter højtemperaturanløbning gennemgår stålrørene varmretning, geometrisk dimensionsinspektion og ultralydsfejldetektion for at opfylde de krævede produktstandarder. De mekaniske egenskabskrav til stålrørene er: flydespænding 557~650 MPa, trækstyrke ≥ 655 MPa, forlængelse ≥ 23% og Rockwell-hårdhed 14~23HRC.

 

 

På grund af de betydelige udsving i stangens mekaniske egenskaber efter varmebehandling forårsaget af variationen i nikkelindhold, som ikke opfyldte ordrekravene, blev der udført en række undersøgelser af indflydelsen af ​​ændringer i nikkelindhold på mikrostrukturen og de mekaniske egenskaber af 2Cr13 martensitisk rustfrit stål. Først blev ligevægtsfasediagrammet for 2Cr13 martensitisk rustfrit stål beregnet ved hjælp af JMatPro termodynamisk analysesoftware. Derefter blev varmebehandlingen af ​​de valsede sømløse stålrør udført, efterfulgt af mikrostrukturobservation, hårdhedsprøvning og enakset trækstyrketest. Ydelsestestene blev udført på tre prøver, og gennemsnitsværdien blev taget. Den metallografiske præparation blev slebet og poleret og derefter korroderet med Krolls reagens i 40 sekunder. Den metallografiske strukturobservation og fotografering blev udført på et Zeiss optisk mikroskop. Samtidig blev hærdningsprocessen for de to typer stålrør med forskelligt nikkelindhold undersøgt. I skema 1 blev det sømløse stålrør hærdet ved 785 °C i 70 minutter og derefter luftkølet. I skema 2 blev anløbningstemperaturen for det sømløse stålrør øget til 800 °C, og holdetiden forblev på 70 minutter. Endelig blev prøver under forskellige varmebehandlingsprocesser udtaget til observation, hårdhedsprøvning og trækstyrketestning. De mekaniske egenskaber blev testet på tre prøver, og gennemsnitsværdien blev taget. Hårdhedsmålingen blev udført ved hjælp af en Rockwell-hårdhedsmåler, og tre forskellige områder på hver prøve blev målt for hårdhed. Trækstyrkeprøvningen ved stuetemperatur blev udført på en elektronisk universaltestmaskine med en trækhastighed på 3 mm/min.

 

3. Eksperimentelle resultater og analyse

3.1 Nikkelindholds virkninger på mikrostruktur og egenskaber efter bratkøling

Figur 1 viser ligevægtsfasediagrammet for 2Cr13 martensitisk rustfrit stål beregnet med JMatPro-software. Det kan ses, at temperaturområdet for den enfasede austenitfase er 955~1212℃. Over dette temperaturområde vil der dannes ferrit, mens der under dette temperaturområde vil blive produceret M23C6.

Når materialet derfor valses ved 1200 ℃, befinder det sig i enfaset austenitregionen og har god plastisk deformationsevne. Efter deformation kan der ved bratkøling opnås en martensitstruktur, hvilket sikrer stålrørets mekaniske egenskaber. Den valgte bratkølingstemperatur i denne artikel er således 1200 ℃. Figur 2 viser mikrostrukturen af ​​to nikkelindhold i 2Cr13 martensitisk rustfrit stål efter valsning ved 1200 ℃ og luftkøling. Det fremgår af figuren, at materialet kan opnå en fuldstændig martensitstruktur efter luftkøling fra enfaset austenitregionen, men der er stadig et stort antal valsningsstrømningslinjer i strukturen. Forskellen i nikkelindhold kan ikke ses ud fra mikrostrukturen med lav forstørrelse vist i figur 2(a) og 2(b). Imidlertid kan morfologien af ​​martensit i lægter ses ud fra mikrostrukturen med høj forstørrelse vist i figur 2(c) og 2(d). Lammartensitten i 2Cr13 martensitisk rustfrit stål med 0.1% nikkelindhold er grov, og kornstørrelsen i 2Cr13 martensitisk rustfrit stål med 0.3% nikkelindhold er mindre. Når nikkelindholdet stiger fra 0.1% til 0.3%, falder kornstørrelsen efter anløbning fra 17.3 μm til 9.8 μm. Dette skyldes sandsynligvis kornforfinelsen forårsaget af tilsætning af nikkel. Den gennemsnitlige hårdhedsværdi for 2Cr13 med 0.1% nikkelindhold er 47HRC, mens den gennemsnitlige hårdhedsværdi for 2Cr13 med 0.3% nikkelindhold er 50HRC. Den lille stigning i hårdhedsværdien skyldes kornforfinelsen og den forbedrede hærdbarhed forårsaget af nikkel.

 

Figur 3 viser mikrostrukturen af ​​2Cr13 martensitisk rustfrit stål med to nikkelindhold efter anløbning. Figur 3(a) og 3(b) viser mikrostrukturen efter den samme anløbningsproces (785℃, 70 min, luftkøling). Begge figurer bevarer morfologien af ​​noget lægtemartensit og udfælder en vis mængde karbider, hvilket er tættere på anløbningens troostitstruktur. Ifølge det foregående ligevægtsfasediagram kan det også verificeres, at der vil blive produceret karbider af typen M23C6 under anløbning ved dette temperaturområde. De fleste korn bevarer stadig orienteringsegenskaberne for martensitlægtebundter, og kornene i figur 3(b) er betydeligt finere, omkring 10.4 μm, hvilket stemmer overens med kornstørrelsen af ​​de to materialer efter bratkøling i den foregående tekst. Rockwell-hårdhedsresultaterne viser, at hårdhedsværdien for 2Cr13 martensitisk rustfrit stål med 0.3% nikkelindhold er højere ved 31HRC, mens hårdhedsværdien for 2Cr13 martensitisk rustfrit stål med 0.1% nikkelindhold kun er 21HRC. Det kan således ses, at den forstærkende effekt af spor-Ni er mere tydelig efter anløbning. For at opfylde ordrekravene blev anløbningsprocessen for 2Cr13 med 0.3% nikkelindhold justeret til 800℃, 70 min, luftkøling. Den opnåede mikrostruktur viser, at martensitmorfologien grundlæggende forsvinder, og de granulære karbider øges, hvilket præsenterer en tydelig højtemperaturanløbet sorbitstruktur, som vist i figur 3(c). Samtidig falder hårdhedsværdien til 23HRC efter denne anløbningsproces. Dette skyldes, at den højere anløbningstemperatur under den justerede anløbningsproces er befordrende for legeringens diffusion, hvilket yderligere reducerer martensits overmætningsgrad, og legeringen eksisterer i form af karbiddannelse, hvilket reducerer materialets hårdhedsværdi.

​​​​​​​

De mekaniske egenskaber af to 2Cr13-ståltyper med forskelligt nikkelindhold efter anløbning blev bestemt gennem enaksede trækprøvninger ved stuetemperatur. Med stigningen i nikkelindholdet fra 0.1% til 0.3% steg flydespændingen, trækstyrken og forlængelsen efter brud for 2Cr13 martensitisk rustfrit stål anløbet ved 785℃ i 70 minutter fra henholdsvis 614 MPa, 748 MPa og 30% til 670 MPa, 797 MPa og 33%. Styrkeværdierne blev betydeligt forbedret. Da anløbningsprocessen for 2Cr13 martensitisk rustfrit stål med 0.3% nikkelindhold blev justeret til 800℃ i 70 minutter, var flydespændingen, trækstyrken og forlængelsen henholdsvis 619 MPa, 755 MPa og 31%, hvilket kunne opnå mekaniske egenskabsindekser, der er sammenlignelige med dem for 2Cr13 martensitisk rustfrit stål med 0.1% nikkelindhold. Den højere anløbningstemperatur reducerede styrken af ​​2Cr13 martensitisk rustfrit stål til en vis grad.

 

Derudover viser resultaterne af trækprøvningen, at når nikkelindholdet eller varmebehandlingstemperaturen ændres passende, ændres forlængelsen af ​​2Cr13-prøverne ikke signifikant og forbliver inden for området 30% til 33%. Dette indikerer, at materialet ikke er følsomt over for forlængelse under forhold med varierende nikkelindhold eller anløbningstemperatur, men styrkeindikatorerne vil ændres betydeligt. Kort sagt har nikkelindholdet en betydelig indflydelse på mikrostrukturen og de mekaniske egenskaber af 2Cr13 martensitisk rustfrit stål. Det forbedrer ikke kun materialets hærdbarhed og reducerer kornstørrelsen, men ændrer også dets styrke og sejhed og forbedrer dermed dets samlede ydeevne [15]. Tilsætning af visse legeringer kan øge materialets styrke, men ofte på bekostning af dets plasticitet og sejhed. Nogle undersøgelser har også vist, at tilsætning af passende mængder nikkel, molybdæn og andre legeringer kan forbedre de mekaniske egenskaber og CO2-korrosionsbestandigheden af ​​2Cr13 martensitisk rustfrit stål betydeligt. For martensitisk rustfrit stål af typen 2Cr13 kan den forstærkende og hærdningsmæssige effekt af nikkeltilsætning opnås gennem justeringer i varmebehandlingsprocessen.

 

4 Konklusioner

1) Efter højtemperaturvalsning kan 2Cr13 martensitisk rustfrit stål opnå en fuldt martensitisk struktur ved luftkøling. Nikkel er et austenitdannende element. En forøgelse af dets indhold kan forbedre austenittens stabilitet i 2Cr13 martensitisk rustfrit stål ved høje temperaturer, forbedre materialets hærdbarhed og reducere kornstørrelsen. Når nikkelindholdet stiger fra 0.1% til 0.3%, falder kornstørrelsen efter bratkøling fra 17.3 μm til 9.8 μm.

2) Når nikkelindholdet stiger fra 0.1% til 0.3%, ændres hårdhedsværdien af ​​2Cr13 martensitisk rustfrit stål ikke væsentligt efter anløbning. Efter anløbning ved 785°C i 70 minutter stiger hårdhedsværdien dog fra 21HRC til 31HRC, og flydespændingen, trækstyrken og brudforlængelsen stiger fra henholdsvis 614 MPa, 748 MPa og 30% til 670 MPa, 797 MPa og 33%.

3) De mekaniske egenskaber ved 2Cr13 martensitisk rustfrit stål kan justeres gennem anløbningsprocesser. For at opfylde ordrekravene bør anløbningstemperaturen og holdetiden for martensitisk rustfrit stål med 0.3% nikkelindhold justeres til henholdsvis 800°C og 70 minutter. De mekaniske egenskaber ved dette stål er sammenlignelige med dem for 2Cr13 martensitisk rustfrit stål med 0.1% nikkelindhold.

 

Hvis du har spørgsmål, ønsker, behov for udvikling af nye dele til støbegods og sprøjtestøbninger i rustfrit stål, eller ønsker at forbedre din forsyningskæde, er du velkommen til at kontakte os. info@castings-forging.com