Teadmised

Kokkuvõte: Vastuseks probleemile, mis puudutab 30CrNiMo valuterasest osade karastamis- ja noolutamisjärgset ebapiisavat löögienergia neeldumist, analüüsiti ebapiisava löögienergia neeldumise põhjuseid selliste meetodite abil nagu murdumisanalüüs, metallograafiline uuring, kõvaduse testimine ja keemilise koostise analüüs. Tulemused näitasid, et 30CrNiMo valuterasest osade murdumispind oli teradevaheline. Metallograafiline uuring näitas, et karastatud olekus olid terad ebaühtlased ja esinesid segatud terad. Nb kogunes austeniidi algsetele terapiiridele, moodustades NbC, mis mitte ainult ei vähendanud terapiiride aktiivsust ja takistanud terapiiride migratsiooni, vaid moodustas ka arvukalt teise faasi osakesi, mis kinnitasid terapiirid ja kindlustasid terapiiride pärandi. Lõppkokkuvõttes viis see austeniidi terade jämenemiseni, terase plastilise-hapra üleminekutemperatuuri tõusuni ning hapra transgranulaarsete murdude tekkeni ja madala löögikindluseni, kui terast löögistati toatemperatuuril.

Märksõnad: 30CrNiMo teras; löögienergia neeldumine; teradevaheline murd; NbC; terade piiride segregatsioon 30CrNiMo terast kasutatakse laialdaselt kaevandusmasinates tänu oma kõrgele karastatavusele, suurepärastele terviklikele mehaanilistele omadustele ning headele külm- ja kuumtöötlemisomadustele. 30CrNiMo valuterasest osade tootmisprotsess hõlmab valamist, normaliseerimist (890 ℃ × 1 h, õhkjahutus), karastamist ja noolutamist (880 ℃ 1 h, veekarastus, 600 ℃ noolutamine 2 h). Jõudluskatsete ajal oli löögienergia neeldumine ebapiisav (kõik katseväärtused olid alla 10 J, mis on tunduvalt alla nõutava väärtuse 34 J alumise piiri). Löögiproovid võeti üksikvalatud katseplokkidest ja proovivõtukohad on näidatud joonisel 1. See artikkel määras kindlaks valuterasest osade ebapiisava löögienergia neeldumise põhjused laboratoorsete katsete ja analüüsi abil, kasutades skaneerivat elektronmikroskoopiat ja optilist mikroskoopiat.

 

Joonis 1 Löögiproovide proovivõtukoht

 

 

1 Füüsikaline ja keemiline kontroll

1.1 Murdepinna mikroskoopiline morfoloogia

Löögiproovide murdumispinda vaadeldi ZEISS EVO15 skaneeriva elektronmikroskoobi abil. Murdumispinna morfoloogia on näidatud joonisel 2. Nagu jooniselt 2 näha, oli makroskoopiline murdumispinna morfoloogia ebanormaalne, murdumispinnal oli palju väikeseid tasapindu, mis oli selge teradevaheline murd. Skanneeriva elektronmikroskoobi all oli murdumispinna väikestel tasapindadel jaotunud palju triipe. Edasi suurendades näitasid triibud lõhenemise ja kvaasilõhestumise tunnuseid; mõlema külje servad olid lohukujulised.

Joonis 2. Normaliseeritud testitud terase SEM-murru morfoloogia (a) makroskoopiline; (b) teradevaheline murd; (c) valatud kristalliline mikrostruktuur; (d) lohumorfoloogia (d) lohumorfoloogia

 

1.2 Energiaspektri pinna skaneerimine ja koostise analüüs

Murdepinna väikese tasapinna triibualal viidi läbi mikroala koostise analüüs energiaspektri analüsaatoriga X-Max50. Tulemused on näidatud joonisel 3. Nagu jooniselt 3 näha, näitavad murdepinna skaneerimise tulemused, et Nb jaotumine on ebaühtlane ja esineb segregatsiooninähtus. Kvantitatiivse analüüsi tulemused näitavad, et Nb sisaldus triibualal on 1.74% ja triipude vaheline Nb sisaldus on tuvastamiseks liiga madal. Nb sisaldus triibualal on kõrgem kui seda ümbritseval mittetriibulisel alal.

Joonis 3. EDS-analüüs karastatud ja noolutatud testitud terase väikese tasapinnalise murru korral. (a) pinna skaneerimise tulemused ääristatud serval; (b) kvantitatiivse analüüsi tulemused ääristatud serval ja ääristatud servade vahel. (b) kvantitatiivse analüüsi tulemused ääristatud serval ja ribade vahel.

 

1.3 Mikrostruktuur

Proovid võeti samast partiist nii valatud, normaliseeritud, karastatud kui ka karastatud proovidest samast kohast. Neid söövitati 4% lämmastikhappe alkoholilahusega ja seejärel uuriti ZEISS Imager.M2m optilise mikroskoobi all. Tulemused on näidatud joonisel 4. Valatud mikrostruktuur koosneb ferriidi teradevahelistest ribadest ja plokkidest, mille terade sees on nõeljas ferriit ja perliit. Normaliseeritud mikrostruktuur on ferriit + perliit + granuleeritud beiniit. Karastatud mikrostruktuur on martensiit + granuleeritud beiniit. Karastatud mikrostruktuur on karastatud sorbiit.

Joonis 4. Testitud terase mikrostruktuur erinevates kuumtöötlusolekutes (a) valamisvalmis; (b) normaliseeritud; (c) karastatud; (d) noolutatud (b) normaliseeritud; (c) karastatud; (d) noolutatud

Terasuuruse kontroll viidi läbi nii valatud kui ka karastatud mikrostruktuuridel ning tulemused on näidatud joonisel 5. Valatud mikrostruktuuri terasuurus on väiksem kui GB/T 00-6394 "Method for Determination of Average Grain Size of Metals" määratletud 2017 klass ning terasuurus on suhteliselt lähedane murdumispinna väikeste tasapindade suurusele. Karastatud mikrostruktuuri terasuurus on äärmiselt ebaühtlane, näidates kahekordse terasuuruse omadust.

 

1.4 Keemilise koostise kontroll

Löögikatsekehadest võeti proovid ja keemilise koostise kontroll viidi läbi 5110VDV plasmaemissioonspektromeetri ja DK 606 infrapunase süsinik-väävlianalüsaatori abil. Tulemused on esitatud tabelis 1. Tabelist 1 on näha, et löögikatsekehade keemiline koostis vastab ZG30CrNiMo terase nõuetele standardis JB/T 5000.6-2007 "Raskemasinate üldised tehnilised tingimused - osa 6: Valatud terasest osad".

 

1.5 Kõvaduse kontroll

Löögikatsekehade murdumispinna lõhenemismorfoloogiaala ja lohukese morfoloogiaala kõvaduse testimiseks kasutati mikrokõvaduse testerit FM-310. Katsejõud oli 0.98 N ja katsejõu hoidmisaeg oli 10 sekundit. Igas piirkonnas valiti viis katsepunkti. Lõhenemismorfoloogiaala keskmine kõvadus oli 334HV0.1 ja lohukese morfoloogiaala keskmine kõvadus oli 328HV0.1. Kahe piirkonna vahel ei täheldatud kõvaduses olulist erinevust.

 

2 Analüüs ja arutelu

Keemiliste elementide tulemused näitavad, et valatud terasdetaili keemiline koostis vastab ZG30CrNiMo terase nõuetele standardis JB/T 5000.6-2007. Kõvaduskatse tulemused välistavad ebaühtlase materjali kõvaduse võimaluse, mis võib põhjustada löögienergia neeldumise ebaõnnestumist. Murdepinna mikroskoopiline morfoloogia näitab, et löögikatseproovil on teradevaheline murd. Teradevahelise murdepinna väikeste tasapindade suurus on suhteliselt lähedane valatud olekus oleva austeniidi algsele terasuurusele, mis näitab, et valatud terasdetaili kuumtöötlemisel toimub terapiiri pärandumise nähtus. Üldiselt on terapiiri migratsiooni liikumapanev jõud pöördvõrdeline terapiiri kõverusraadiusega. Mida suurem on algne tera, seda sirgem on terapiir ja kõverusraadius on peaaegu lõpmatu, seda väiksem on tõenäosus, et see migreerub järgneva kuumutamise ajal ja seda tõenäolisem on algse terapiiri puutumatuna säilitamine. Energiaspektri kontrolli tulemused näitavad, et Nb sisaldus triipudel on suurem kui ümbritsevatel mittetriipudel aladel, mis näitab, et terases esineb Nb segregatsiooni. Nb on tugev karbiidimoodustav element ja esineb terases enamasti NbC-karbiidide kujul. Kui terase terade piiridel tekivad sadestised, on neid üldisel kuumtöötlustemperatuuril raske täielikult lahustada ja seetõttu ei saa neid kõrvaldada [1]. Metallograafilise kontrolli tulemused näitavad, et normaliseerimise käigus tekkisid ferriidi + perliidi ja granuleeritud bainiidi mikrostruktuurid. 30CrNiMo terase puhul võib asjakohaste uuringute [2] kohaselt kõrge Cr, Ni, Mo ja teiste legeerelementide sisalduse tõttu mittetasakaaluline muundumine toimuda isegi suhteliselt aeglase jahutuskiiruse korral. Kui bainiidi või martensiidi on moodustunud, ei pruugi järgnev normaliseerimine või karastamine ja noolutamine terase mikrostruktuuri pärilikkuse fenomeni [3] kohaselt seda mikrostruktuuri kõrvaldada, mille tulemuseks on segatud terad või jämedad terad kuumtöödeldud proovides. Kuna Nb-l on karastatavust suurendav ja perliidi teket pärssiv toime, näitab see, et sulami elementide segregatsioon terases normaliseerimisega ei kõrvaldatud ning ebaühtlane terade jaotus järgnevas karastatud olekus ja segatud terade esinemine viitavad samuti sulami elementide segregatsiooni olemasolule. Sulami elementide segregatsioon terapiiridel võib muuta terapiiride migratsiooniomadusi. Ühelt poolt võivad terapiiridel segregeerunud sulami elemendid vähendada terapiiride aktiivsust ja takistada nende migratsiooni. Teisest küljest võivad need moodustada rohkem teise faasi osakesi, et terapiire fikseerida ja terapiiride pärandumist kindlustada [4].

 

3 Järeldused ja ettepanekud

1) 30CrNiMo valuterasest detailide löögimurru pinna tuvastamise ja analüüsi abil leiti, et sulami elementide segregatsioonist tingitud mittetasakaalulise transformatsiooni mikrostruktuur ja terade piiri pärandumine on otsesed põhjused, miks proovid ei neela löögienergiat. 2) Reageerides mittetasakaaluliste transformatsioonistruktuuride, näiteks bainiidi, esinemisele proovides pärast normaliseerimist kohandati normaliseerimisprotsessi isotermiliseks lõõmutamiseks, et vältida mittetasakaalulist transformatsiooni, mis võib vähendada terade piiri pärandumise astet ja parandada tõhusalt proovide löögikindlust.