Résumé : L'influence de différents procédés de traitement thermique sur les performances du matériau ZG06Cr13Ni4Mo a été étudiée. Le test montre qu'après un traitement thermique à 1 010 ℃ normalisant + 605 ℃ de trempe primaire + 580 ℃ de trempe secondaire, le matériau atteint le meilleur indice de performance. Sa structure est une martensite à faible teneur en carbone + austénite à transformation inverse, avec une résistance élevée, une ténacité à basse température et une dureté appropriée. Il répond aux exigences de performance du produit dans l’application de la production de traitement thermique de moulage de grandes pales.
Mots clés : ZG06Cr13NI4Mo ; acier inoxydable martensitique ; lame
Les grandes pales sont des éléments clés des turbines hydroélectriques. Les conditions de service des pièces sont relativement difficiles et elles sont soumises pendant une longue période à l'impact, à l'usure et à l'érosion du débit d'eau à haute pression. Le matériau est sélectionné parmi l'acier inoxydable martensitique ZG06Cr13Ni4Mo avec de bonnes propriétés mécaniques complètes et une bonne résistance à la corrosion. Avec le développement de l'hydroélectricité et des pièces moulées associées vers une production à grande échelle, des exigences plus élevées sont mises en avant pour les performances des matériaux en acier inoxydable tels que le ZG06Cr13Ni4Mo. À cette fin, combiné à l'essai de production du ZG06C r13N i4M ou des grandes pales d'une entreprise nationale d'équipement hydroélectrique, grâce au contrôle interne de la composition chimique du matériau, au test de comparaison du processus de traitement thermique et à l'analyse des résultats des tests, la chaleur de normalisation simple + double de trempe optimisée Le processus de traitement du matériau en acier inoxydable ZG06C r13N i4M o a été déterminé pour produire des pièces moulées répondant à des exigences de haute performance.
1 Contrôle interne de la composition chimique
Le matériau ZG06C r13N i4M o est un acier inoxydable martensitique à haute résistance, qui doit avoir des propriétés mécaniques élevées et une bonne résistance aux chocs à basse température. Afin d'améliorer les performances du matériau, la composition chimique a été contrôlée en interne, exigeant w (C) ≤ 0,04 %, w (P) ≤ 0,025 %, w (S) ≤ 0,08 %, et la teneur en gaz a été contrôlée. Le tableau 1 montre la plage de composition chimique du contrôle interne du matériau et les résultats d'analyse de la composition chimique de l'échantillon, et le tableau 2 montre les exigences de contrôle interne de la teneur en gaz du matériau et les résultats d'analyse de la teneur en gaz de l'échantillon.
Tableau 1 Composition chimique (fraction massique, %)
| élément | C | Mn | Si | P | S | Ni | Cr | Mo | Cu | Al |
| exigence standard | ≤0,06 | ≤1,0 | ≤0,80 | ≤0,035 | ≤0,025 | 3,5-5,0 | 11,5-13,5 | 0,4-1,0 | ≤0,5 |
|
| Contrôle interne des ingrédients | ≤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 |
| Analyser les résultats | 0,023 | 1.0 | 0,57 | 0,013 | 0,005 | 4.61 | 13,0 | 0,56 | 0,02 | 0,035 |
Tableau 2 Teneur en gaz (ppm)
| gaz | H | O | N |
| Exigences de contrôle interne | ≤2,5 | ≤80 | ≤150 |
| Analyser les résultats | 1,69 | 68,6 | 119.3 |
Le matériau ZG06C r13N i4M o a été fondu dans un four électrique de 30 t, raffiné dans un four LF de 25 T pour l'alliage, l'ajustement de la composition et de la température, et décarburé et dégazé dans un four VOD de 25 T, obtenant ainsi de l'acier fondu à très faible teneur en carbone, composition uniforme, haute pureté et faible teneur en gaz nocifs. Enfin, du fil d'aluminium a été utilisé pour la désoxydation finale afin de réduire la teneur en oxygène de l'acier en fusion et d'affiner davantage les grains.
2 Test du processus de traitement thermique
2.1 Plan d'essais
Le corps de coulée a été utilisé comme corps d'essai, la taille du bloc d'essai était de 70 mm × 70 mm × 230 mm et le traitement thermique préliminaire consistait en un recuit d'adoucissement. Après avoir consulté la littérature, les paramètres du processus de traitement thermique sélectionnés étaient : température de normalisation 1 010℃, températures de trempe primaire 590℃, 605℃, 620℃, température de trempe secondaire 580℃, et différents processus de trempe ont été utilisés pour des tests comparatifs. Le plan de test est présenté dans le tableau 3.
Tableau 3 Plan d'essai de traitement thermique
| Plan d'essai | Processus de test de traitement thermique | Projets pilotes |
| A1 | 1 010 ℃ Normalisation + 620 ℃ Trempe | Propriétés en traction Résistance aux chocs Dureté HB Propriétés en flexion Microstructure |
| A2 | 1 010 ℃ Normalisation + 620 ℃ Trempe + 580 ℃ Trempe | |
| B1 | 1 010 ℃ Normalisation + 620 ℃ Trempe | |
| B2 | 1 010 ℃ Normalisation + 620 ℃ Trempe + 580 ℃ Trempe | |
| C1 | 1 010 ℃ Normalisation + 620 ℃ Trempe | |
| C2 | 1 010 ℃ Normalisation + 620 ℃ Trempe + 580 ℃ Trempe |
2.2 Analyse des résultats des tests
2.2.1 Analyse de la composition chimique
D'après les résultats d'analyse de la composition chimique et de la teneur en gaz dans les tableaux 1 et 2, les principaux éléments et la teneur en gaz sont conformes à la plage de contrôle de composition optimisée.
2.2.2 Analyse des résultats des tests de performance
Après traitement thermique selon différents schémas de tests, des tests de comparaison des propriétés mécaniques ont été effectués conformément aux normes GB/T228.1-2010, GB/T229-2007 et GB/T231.1-2009. Les résultats expérimentaux sont présentés dans le tableau 4 et le tableau 5.
Tableau 4 Analyse des propriétés mécaniques de différents schémas de processus de traitement thermique
| Plan d'essai | Rp0,2/MPa | RM/Mpa | UN/% | Z/％ | AKV/J(0℃） | Valeur de dureté HBW |
| standard | ≥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 |
Tableau 5 Essai de flexion
| Plan d'essai | Essai de flexion (d=25，a=90°) | évaluation |
| B1 | Fissure5,2 × 1,2 mm | Échec |
| B2 | Pas de fissures | qualifié |
À partir de la comparaison et de l'analyse des propriétés mécaniques : (1) Traitement thermique de normalisation + revenu, le matériau peut obtenir de meilleures propriétés mécaniques, indiquant que le matériau a une bonne trempabilité. (2) Après normalisation du traitement thermique, la limite d'élasticité et la plasticité (allongement) du double revenu sont améliorées par rapport au revenu simple. (3) D'après l'inspection et l'analyse des performances de flexion, les performances de flexion du processus de test de normalisation B1 + trempe unique ne sont pas qualifiées, et les performances du test de flexion du processus de test B2 après double trempe sont qualifiées. (4) D'après la comparaison des résultats des tests de 6 températures de revenu différentes, le schéma de processus B2 de 1 010 ℃ de normalisation + 605 ℃ de revenu unique + 580 ℃ de revenu secondaire présente les meilleures propriétés mécaniques, avec une limite d'élasticité de 687 MPa, un allongement de 23 %, une résistance aux chocs de plus de 160J à 0℃, une dureté modérée de 268HB et des performances de flexion qualifiées, répondant toutes aux exigences de performance du matériau.
2.2.3 Analyse de structure métallographique
La structure métallographique des processus de test des matériaux B1 et B2 a été analysée conformément à la norme GB/T13298-1991. La figure 1 montre la structure métallographique de normalisation + premier revenu à 605 ℃, et la figure 2 montre la structure métallographique de normalisation + premier revenu + deuxième revenu. D'après l'inspection et l'analyse métallographiques, la structure principale du ZG06C r13N i4M o après traitement thermique est une martensite à lattes à faible teneur en carbone + austénite inversée. D'après l'analyse de la structure métallographique, les faisceaux de martensite en lattes du matériau après la première trempe sont plus épais et plus longs. Après le deuxième revenu, la structure matricielle change légèrement, la structure martensite est également légèrement raffinée et la structure est plus uniforme ; en termes de performances, la limite d'élasticité et la plasticité sont améliorées dans une certaine mesure.
Figure 1 ZG06Cr13Ni4Mo normalisant + une microstructure de revenu
Figure 2 ZG06Cr13Ni4Mo normalisant + structure métallographique trempée deux fois
2.2.4 Analyse des résultats des tests
1) Le test a confirmé que le matériau ZG06C r13N i4M o a une bonne trempabilité. Grâce à un traitement thermique de normalisation et de revenu, le matériau peut obtenir de bonnes propriétés mécaniques ; la limite d'élasticité et les propriétés plastiques (allongement) de deux trempes après traitement thermique de normalisation sont bien supérieures à celles d'une seule trempe.
2) L'analyse des tests prouve que la structure du ZG06C r13N i4M o après normalisation est de la martensite et que la structure après revenu est de la martensite trempée à lattes à faible teneur en carbone + austénite inversée. L'austénite inversée dans la structure trempée présente une stabilité thermique élevée et a un effet significatif sur les propriétés mécaniques, les propriétés d'impact et les propriétés du processus de coulée et de soudage du matériau. Par conséquent, le matériau présente une résistance élevée, une ténacité plastique élevée, une dureté appropriée, une bonne résistance aux fissures et de bonnes propriétés de moulage et de soudage après traitement thermique.
3) Analyser les raisons de l'amélioration des performances de trempe secondaire du ZG06C r13N i4M o. Après normalisation, chauffage et conservation de la chaleur, ZG06C r13N i4M o forme de l'austénite à grains fins après austénitisation, puis se transforme en martensite à faible teneur en carbone après refroidissement rapide. Lors de la première trempe, le carbone sursaturé de la martensite précipite sous forme de carbures, réduisant ainsi la résistance du matériau et améliorant la plasticité et la ténacité du matériau. En raison de la température élevée de la première trempe, la première trempe produit, en plus de la martensite revenue, une austénite inverse extrêmement fine. Ces austénites inverses sont partiellement transformées en martensite lors du refroidissement par revenu, fournissant ainsi les conditions nécessaires à la nucléation et à la croissance de l'austénite inverse stable générée à nouveau lors du processus de revenu secondaire. Le but du revenu secondaire est d’obtenir une austénite inverse suffisamment stable. Ces austénites inverses peuvent subir une transformation de phase lors de la déformation plastique, améliorant ainsi la résistance et la plasticité du matériau. En raison de conditions limitées, il est impossible d'observer et d'analyser l'austénite inverse, cette expérience devrait donc prendre les propriétés mécaniques et la microstructure comme principaux objets de recherche pour une analyse comparative.
3Application de production
ZG06C r13N i4M o est un matériau en acier moulé en acier inoxydable à haute résistance avec d'excellentes performances. Lorsque la production réelle de pales est réalisée, la composition chimique et les exigences de contrôle interne déterminées par l'expérience, ainsi que le processus de traitement thermique de normalisation secondaire + trempe sont utilisés pour la production. Le processus de traitement thermique est illustré à la figure 3. À l'heure actuelle, la production de 10 grandes pales hydroélectriques est terminée et les performances répondent toutes aux exigences de l'utilisateur. Ils ont passé avec succès la réinspection de l'utilisateur et ont reçu une bonne évaluation.
Pour les caractéristiques des pales incurvées complexes, des grandes dimensions de contour, des têtes d'arbre épaisses et une déformation et une fissuration faciles, certaines mesures de processus doivent être prises dans le processus de traitement thermique :
1) La tête de l’arbre est vers le bas et la lame est vers le haut. Le schéma de chargement du four est adopté pour faciliter une déformation minimale, comme le montre la figure 4 ;
2) Assurez-vous qu'il y a un espace suffisamment grand entre les pièces moulées et entre les pièces moulées et la plaque inférieure en fonte pour assurer le refroidissement, et assurez-vous que la tête d'arbre épaisse répond aux exigences de détection par ultrasons ;
3) L'étape de chauffage de la pièce est segmentée plusieurs fois pour minimiser le stress organisationnel de la pièce moulée pendant le processus de chauffage afin d'éviter les fissures.
La mise en œuvre des mesures de traitement thermique ci-dessus garantit la qualité du traitement thermique de la pale.
Figure 3 Processus de traitement thermique des pales ZG06Cr13Ni4Mo
Figure 4 Schéma de chargement du four du processus de traitement thermique des pales
4Conclusions
1) Sur la base du contrôle interne de la composition chimique du matériau, grâce au test du processus de traitement thermique, il est déterminé que le processus de traitement thermique du ZG06C r13N i4M ou du matériau en acier inoxydable à haute résistance est un processus de traitement thermique de 1 010 ℃ normalisant + 605 ℃ trempe primaire + 580 ℃ trempe secondaire, ce qui peut garantir que les propriétés mécaniques, les propriétés d'impact à basse température et les propriétés de pliage à froid du matériau de coulée répondent aux exigences standard.
2) Le matériau ZG06C r13N i4M o a une bonne trempabilité. La structure après normalisation + traitement thermique de trempe deux fois est une martensite à lattes à faible teneur en carbone + austénite inversée avec de bonnes performances, qui présente une résistance élevée, une ténacité plastique élevée, une dureté appropriée, une bonne résistance aux fissures et de bonnes performances de moulage et de soudage.
3) Le schéma de traitement thermique de normalisation + double trempe déterminé par l'expérience est appliqué au processus de traitement thermique de production de grandes lames, et les propriétés du matériau répondent toutes aux exigences standard de l'utilisateur.
Heure de publication : 28 juin 2024
