要約: ZG06Cr13Ni4Mo 材料の性能に対するさまざまな熱処理プロセスの影響が研究されました。テストでは、1010℃の焼きならし+605℃の一次焼き戻し+580℃の二次焼き戻しで熱処理した後、材料が最高の性能指数に達することがわかりました。組織は低炭素マルテンサイト＋逆変態オーステナイトで、高強度、低温靱性、適度な硬さを備えています。大型ブレード鋳造熱処理生産用途における製品性能要件を満たします。
キーワード: ZG06Cr13NI4Mo;マルテンサイト系ステンレス鋼。ブレード
大型ブレードは水力発電タービンの重要な部品です。部品の使用条件は比較的厳しく、高圧水流の衝撃、摩耗、浸食に長期間さらされます。材料は、優れた総合的な機械的特性と耐食性を備えた ZG06Cr13Ni4Mo マルテンサイト系ステンレス鋼から選択されます。水力発電および関連鋳造品の大規模化に伴い、ZG06Cr13Ni4Mo などのステンレス鋼材料の性能に対する要求が高まっています。この目的を達成するために、国内水力発電設備企業のZG06C r13N i4M o大型ブレードの生産試験と組み合わせて、材料の化学組成の内部管理、熱処理プロセスの比較テストとテスト結果の分析を通じて、最適化された単一焼ならし+二重焼戻し熱ZG06C r13N i4M o ステンレス鋼材料の処理プロセスは、高性能要件を満たす鋳物を製造するために決定されました。
1 化学成分の内部管理
ZG06C r13N i4M o の材質は高強度マルテンサイト系ステンレス鋼で、高い機械的特性と良好な低温衝撃靱性が求められます。材料の性能を向上させるために、w (C) ≤ 0.04%、w (P) ≤ 0.025%、w (S) ≤ 0.08% を要求する化学組成を内部で制御し、ガス含有量を制御しました。材料内部統制の化学組成範囲と試料の化学組成の分析結果を表1に、材料ガス含有量の内部管理要件と試料ガス含有量の分析結果を表2に示します。
表１ 化学組成（質量分率、％）
| 要素 | C | Mn | Si | P | S | Ni | Cr | Mo | Cu | Al |
| 標準要件 | ≤0.06 | ≤1.0 | ≤0.80 | ≤0.035 | ≤0.025 | 3.5-5.0 | 11.5-13.5 | 0.4～1.0 | ≤0.5 |
|
| 成分内部統制 | ≤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 |
| 結果を分析する | 0.023 | 1.0 | 0.57 | 0.013 | 0.005 | 4.61 | 13.0 | 0.56 | 0.02 | 0.035 |
表2 ガス含有量(ppm)
| ガス | H | O | N |
| 内部統制の要件 | ≤2.5 | ≤80 | ≤150 |
| 結果を分析する | 1.69 | 68.6 | 119.3 |
ZG06C r13N i4M o材を30t電気炉で精錬し、25T LF炉で精錬し、合金化、組成と温度を調整し、25T VOD炉で脱炭、脱ガスを行い、超低炭素の溶鋼を得ました。均一な組成、高純度、低有害ガス含有量。最後に、溶鋼中の酸素含有量を減らし、結晶粒をさらに微細化するために、最終的な脱酸にアルミニウム ワイヤが使用されました。
2 熱処理工程試験
2.1 テスト計画
試験体としては鋳造体を用い、試験ブロックサイズは７０ｍｍ×７０ｍｍ×２３０ｍｍ、予備熱処理は軟化焼鈍とした。文献を参照した後、選択した熱処理プロセスパラメータは、焼きならし温度1010℃、一次焼戻し温度590℃、605℃、620℃、二次焼戻し温度580℃であり、比較試験には異なる焼戻しプロセスが使用されました。テスト計画を表 3 に示します。
表3 熱処理試験計画
| お試しプラン | 熱処理試験工程 | パイロットプロジェクト |
| A1 | 1 010℃焼ならし+620℃焼戻し | 引張特性 衝撃靱性 硬さ HB 曲げ特性 微細構造 |
| A2 | 1 010℃焼ならし+620℃焼戻し+580℃焼戻し | |
| B1 | 1 010℃焼ならし+620℃焼戻し | |
| B2 | 1 010℃焼ならし+620℃焼戻し+580℃焼戻し | |
| C1 | 1 010℃焼ならし+620℃焼戻し | |
| C2 | 1 010℃焼ならし+620℃焼戻し+580℃焼戻し |
2.2 テスト結果の分析
2.2.1 化学組成分析
表 1 および表 2 の化学組成とガス含有量の分析結果から、主要な元素とガス含有量は最適化された組成管理範囲に一致しています。
2.2.2 性能試験結果の分析
さまざまな試験スキームに従って熱処理した後、GB/T228.1-2010、GB/T229-2007、および GB/T231.1-2009 規格に従って機械的特性の比較試験を実行しました。実験結果を表 4 および表 5 に示します。
表 4 さまざまな熱処理プロセススキームの機械的特性分析
| お試しプラン | Rp0.2/Mpa | Rm/MPa | A/％ | Z/％ | AKV/J(0℃） | 硬度値 HBW |
| 標準 | ≥550 | ≥750 | ≥15 | ≥35 | 50以上 | 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 |
表5 曲げ試験
| お試しプラン | 曲げ試験（d=25、a=90°） | 評価 |
| B1 | クラック5.2×1.2mm | 失敗 |
| B2 | 亀裂なし | 資格のある |
機械的特性の比較と分析から: (1) 焼きならし + 焼き戻し熱処理により、材料はより優れた機械的特性が得られ、材料が良好な焼入性を持っていることがわかります。 (2) 焼きならし熱処理後、1 回焼戻しに比べて 2 回焼戻しの方が耐力と塑性（伸び）が向上します。 (3) 曲げ性能検査及び解析の結果、B1 焼きならし+1 回焼戻し試験工程の曲げ試験性能は不合格、2 回焼戻し後の B2 試験工程の曲げ試験性能は合格となります。 (4) 6 つの異なる焼戻し温度の試験結果の比較から、1 010℃ 焼ならし + 605℃ 一次焼戻し + 580℃ 二次焼戻しの B2 プロセス スキームが最も優れた機械的特性を持ち、降伏強度 687MPa、伸びが得られます。 23％の衝撃靱性、0℃で160J以上の衝撃靱性、268HBの適度な硬度、および適切な曲げ性能を備えており、すべて材料の性能要件を満たしています。
2.2.3 金属組織解析
材料 B1 および B2 テストプロセスの金属組織は、GB/T13298-1991 規格に従って分析されました。図1に焼きならし＋605℃1次焼戻しの金属組織を、図2に焼きならし＋1次焼戻し＋2次焼戻しの金属組織を示します。金属組織検査と分析から、熱処理後の ZG06C r13N i4M o の主組織は低炭素ラスマルテンサイト + 逆オーステナイトです。金属組織解析によると、最初の焼き戻し後の材料のラスマルテンサイト束はより厚く、より長くなります。 2 回目の焼き戻し後、マトリックス構造はわずかに変化し、マルテンサイト構造もわずかに微細化され、構造はより均一になります。性能面では、降伏強度と塑性がある程度向上します。
図 1 ZG06Cr13Ni4Mo 焼きならし + 1 回の焼き戻しの微細構造
図 2 ZG06Cr13Ni4Mo 焼ならし + 2 回焼戻しの金属組織組織
2.2.4 テスト結果の分析
1) 試験により、ZG06C r13N i4M o 材料は良好な焼入性を持っていることが確認されました。焼きならし+焼き戻し熱処理により、材料は良好な機械的特性を得ることができます。焼きならし熱処理後の 2 回の焼き戻しの降伏強度と塑性特性 (伸び) は、1 回の焼き戻しよりもはるかに高くなります。
2) 試験分析により、ZG06C r13N i4M o の焼きならし後の組織はマルテンサイトであり、焼き戻し後の組織は低炭素ラス焼き戻しマルテンサイト + 逆オーステナイトであることが証明されています。焼き戻し組織の逆オーステナイトは高い熱安定性を持ち、材料の機械的特性、衝撃特性、鋳造および溶接プロセスの特性に大きな影響を与えます。したがって、この材料は高強度、高いプラスチック靱性、適切な硬度、良好な耐クラック性、熱処理後の良好な鋳造および溶接特性を備えています。
3) ZG06C r13N i4M o の二次焼戻し性能が向上した理由を分析します。 ZG06C r13N i4M o は、焼きならし、加熱、保存を経て、オーステナイト化後に細粒オーステナイトを形成し、急冷後に低炭素マルテンサイトに変態します。最初の焼き戻しでは、マルテンサイト内の過飽和炭素が炭化物の形で析出し、それによって材料の強度が低下し、材料の可塑性と靭性が向上します。最初の焼戻しの温度が高いため、最初の焼戻しでは、焼戻しマルテンサイトに加えて、非常に微細な逆オーステナイトが生成されます。これらの逆オーステナイトは焼き戻し冷却中に部分的にマルテンサイトに変態し、二次焼き戻しプロセス中に再び生成される安定した逆オーステナイトの核生成および成長のための条件を提供します。二次焼戻しの目的は、十分な安定した逆オーステナイトを得るために行われます。これらの逆オーステナイトは塑性変形中に相変態を起こすことができ、それによって材料の強度と可塑性が向上します。逆オーステナイトは条件が限られているため観察・分析することができないため、本実験では機械的性質と微細組織を主な研究対象として比較分析する必要があります。
3 本番アプリケーション
ZG06C r13N i4M oは、優れた性能を備えた高強度ステンレス鋳鋼材です。実際の刃物生産では、実験により求めた化学成分と内部管理条件をもとに、二次焼きならし＋焼き戻しという熱処理工程を経て生産されます。熱処理工程を図 3 に示す。現在、大型水力発電ブレード 10 枚の生産が完了しており、性能はすべてユーザーの要求を満たしている。ユーザーの再検査にも合格し、高い評価を得ております。
複雑な湾曲したブレード、大きな外形寸法、厚いシャフトヘッド、変形や亀裂の発生しやすい特性のため、熱処理プロセスでいくつかのプロセス対策を講じる必要があります。
1) 軸頭が下、刃が上になります。図 4 に示すように、変形を最小限に抑えるために炉装填方式が採用されています。
2) 冷却を確実にするために、鋳物間および鋳物とパッド鉄の底板の間に十分な大きな隙間があることを確認し、厚いシャフトヘッドが超音波検出要件を満たしていることを確認します。
3) ワークピースの加熱ステージは複数回に分割され、加熱プロセス中の鋳物の組織応力を最小限に抑え、亀裂を防ぎます。
以上の熱処理対策を実施することにより、ブレードの熱処理品質が確保されます。
図3 ZG06Cr13Ni4Moブレードの熱処理工程
図 4 ブレード熱処理プロセス炉の装填スキーム
4 結論
1) 材料の化学組成の内部管理に基づいて、熱処理プロセスのテストを通じて、ZG06C r13N i4M または高強度ステンレス鋼材料の熱処理プロセスは 1 の熱処理プロセスであると判断されます。 010℃焼ならし+605℃一次焼戻し+580℃二次焼戻しにより、鋳造材料の機械的特性、低温衝撃特性、冷間曲げ特性が標準要件を確実に満たすことができます。
2) ZG06C r13N i4M o 材料は良好な焼入性を持っています。焼きならし+2回焼き戻し熱処理後の組織は、低炭素ラスマルテンサイト+逆オーステナイトであり、高強度、高いプラスチック靭性、適切な硬度、良好な耐亀裂性、良好な鋳造および溶接性能を備えています。
3) 実験により決定された焼ならし+2回焼戻しの熱処理スキームは、大型ブレードの熱処理プロセス生産に適用され、材料特性はすべてユーザーの標準要件を満たします。
投稿日時: 2024 年 6 月 28 日
