книги из ГПНТБ / Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении

твердость включений графита в чугуне несколько выше, чем в сво­ бодном состоянии, но она существенно меньше твердости метал­ лических фаз — феррита, цементита, перлита. Прочность и пла­ стичность графита весьма низки. Графит легко высыпается или выкрашивается из полостей, в которых он расположен. При рас­ смотрении структуры чугуна под микроскопом мы поэтому часто видим не графит, а полости, в которых он располагался, выкро­ шившись впоследствии при изготовлении шлифа. В зависимости от количества связанного углерода структура металлической основы чугунов может быть перлитной, перлито-ферритной, ферритной и перлито-цементитной.

Так как структура чугуна состоит из металлической основы и графита, свойства различных видов чугуна зависят от характе­ ристик металлической основы, количества, формы, размеров и расположения графитных включений. Физические и механиче­ ские свойства структурных составляющих чугуна приведены

втабл. 52. Как видим, плотность графита значительно ниже, чем металлической массы чугуна. Поэтому, например, при содержании

вчугуне 2,5—3% (по массе) графита он занимает по объему 8,5—■ 10% и существенно влияет на механические свойства чугуна. Чем крупнее включения графита, чем больше они разобщают металли­ ческую основу и тем значительнее снижают механические свойства чугуна.

52. Физические и механические свойства структурных составляющих чугуна

Графитные включения пластинчатой формы представляют собой как бы надрезы или трещины внутри металлической структуры. При растягивающих нагрузках по концам таких включений могут образоваться очаги разрушения, поэтому чугун характеризуется весьма низким сопротивлением разрыву. Прочность чугуна в ус-

212

ловиях сжатия, а также твердость как характеристики, завися­ щие главным образом от строения и свойств его металлической

тивление чугуна не только разрыву, но и изгибу и кручению. Если свободный графит имеет округлые формы, не способствующие рез­ кой концентрации напряжений вокруг его включений, то отрица­ тельное влияние графита на прочность чугуна уменьшается. Поэтому чугун с шаровидным графитом характеризуется значи­ тельно более высокой прочностью при растяжении, изгибе и кру­ чении, чем чугун с пластинчатым графитом.

Графит, однако, нельзя считать структурной составляющей, во всех отношениях более или менее отрицательно сказывающейся на свойствах чугуна. Благодаря присущим графиту смазывающим качествам чугун обладает высокими антифрикционными свой­ ствами. Чугун почти нечувствителен к поверхностным дефектам, надрезам и другим концентраторам напряжений, так как коли­ чество графитных включений, нарушающих сплошность и часто играющих роль концентраторов напряжений, в чугуне настолько велико, что дополнительные дефекты на поверхности изделия играют, как правило, очень незначительную роль. В то же время аналогичные поверхностные дефекты, как было сказано ранее, резко снижают эксплуатационную надежность изделий из высоко­ прочной, свободной от неметаллических включений стали.

Важным достоинством чугуна являются его высокие демпфи­ рующие свойства, так как наличие в структуре многочисленных выделений графита решающим образом способствует быстрому гашению вибраций и резонансных колебаний различного вида и частоты. Наличие графита значительно улучшает обрабатывае­ мость чугуна на металлорежущих станках — стружка ломается, когда лезвие резца или другого режущего инструмента доходит до более или менее крупного включения графита, обладающего низ­ кой твердостью, прочностью и пластичностью.

Чугун подвергают термической обработке для устранения воз­ никающих при отливке внутренних напряжений, снижения твер­ дости, изменения механических свойств отливок повышением дис­ персности структурных составляющих металлической основы. Для снятия внутренних напряжений отливки подвергают отжигу (отпуску) при 450—600° С в зависимости от конструктивных форм, напряженности отливок, состава чугуна и пр. Нагревать чугун до температуры отжига следует медленно; для отливок сложной конфигурации скорость нагрева не должна превышать 75— 100° С/ч. Выдержку назначают с учетом толщины стенок, размеров и кон­ фигурации отливки и пр.; на каждые 25 мм толщины стенки обычно дают 2 ч выдержки. Отливки после отпуска охлаждают с печью со скоростью 30—50° С/ч до 150—200° С, а дальнейшее охлажде­ ние проводят на воздухе.

213

Хотя обработка при температурах до 550° С не снимает вну­ тренние напряжения полностью, для нелегированных чугунов более высокие температуры отжига признают нежелательными, так как они могут вызвать неблагоприятные изменения микро­ структуры. Для снижения твердости отливок и улучшения их обрабатываемости, особенно в случаях когда в тонких сечениях или на поверхности отливки образуется твердая и хрупкая струк­ тура, свойственная белому чугуну, используют отжиг при более высоких температурах — например при 800—850° С в течение 2—3 ч. Для массивных отливок со значительным отбеленным слоем температуру смягчающего отжига повышают до 850—950° С. Выбирая режим смягчающего отжига, необходимо учитывать, что он может способствовать развитию графитизации и связанному с ней некоторому повышению механических свойств отливки.

Применяют двойную термическую обработку — закалку и отпуск серого чугуна для повышения его механических свойств, но такая обработка далеко не всегда эффективна. Если включения графита крупные и грубые и общее его содержание в отливке велико, то повышение механических свойств металлической основы не дает заметного улучшения показателей металла отливки. При небольшом содержании графита и незначительных размерах его выделений механические характеристики чугуна при двойной термической обработке могут заметно улучшиться.

Повышение прочностных свойств чугуна достигается легирова­ нием или модифицированием его. Чугун легируют небольшими количествами никеля, хрома, молибдена, в отдельных случаях ти­ тана или меди. Легирование позволяет получать мелкое строение основной металлической массы и более благоприятные размеры и распределение включений графита. Модифицированием, которое осуществляют добавкой в жидкий чугун ферросилиция, силикоалюминия, силикокальция и пр., достигается однородное строение по сечению отливки и измельчение включений графита.

Большой интерес представляет модифицирование серого чу­ гуна магнием, церием, их сплавами, солями и пр. для получения графита шаровидной формы. Такие чугуны обладают повышенной

По некоторым характеристикам высокопрочный чугун с шаро­ видным графитом не уступает углеродистым сталям. Например,

высокие механические свойства чугуна с шаровидным гра­ фитом.

Высокопрочный чугун часто применяют вместо стального литья и поковок для деталей, работающих при нормальных и по­ вышенных температурах, в условиях частых изменений темпера-

214

тур, при знакопеременных нагрузках. Технология производства высокопрочного чугуна значительно сложнее, но зато применение его вместо обычного серого позволяет уменьшить толщину стенок деталей и повысить надежность и - долговечность их службы. И. В. Кудрявцев исследовал возможность упрочнения деталей из чугуна с шаровидным графитом и показал, что обкатка роликами, дробеструйный наклеп и другие методы поверхностного упрочне­ ния повышают усталостную прочность и долговечность и снижают чувствительность к надрезу высокопрочного чугуна.

В практике турбостроения находят применение серые и моди­ фицированные чугуны, расширяется использованиё высокопроч­ ных чугунов. Кроме цилиндров низкого давления, выхлопных патрубков турбин малой и средней мощности из чугуна изго­ товляют диафрагмы низкого давления, стойки и вкладыши под­ шипников, неподвижные разъемные части регулирующих диа­ фрагм, корпуса клапанов низкого давления, серводвигателей ит. д. Механические свойства серого чугуна с пластинчатым графитом

П р и м е ч а н и е . В обозначении марки чугуна первая цифра — предел прочности при растяжении, вторая цифра — то же при изгибе; буквенные индексы СЧ означают серый чугун.

Чугун марок СЧ 28-48, СЧ 32-52, СЧ 35-56 и СЧ 38-60 полу­ чают методом модифицирования графитизирующими присадками. Механические свойства отливок массой до 10 т из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом приведены в табл. 54.

Показатели прочности при разрыве, сжатии и изгибе серых чугунов с пластинчатым графитом мало изменяются до темпера­ туры 400° С. При более высоких температурах прочность серых чугунов заметно снижается. Модифицирование, а также дополни­ тельное легирование серых чугунов хромом, молибденом и неко­ торыми другими элементами позволяют несколько увеличить их прочность при высоких температурах. Способность серых чугунов

215

54. Механические свойства высокопрочного чугуна

П р и м е ч а н и е . В обозначении марки чугуна первая цифра — предел прочности при растяжении, вторая — относительное удлинение; буквенные индексы ВЧ означают высокопрочный чугун.

к пластическому течению и пластическому разрушению при высоних температурах значительно выше, чем при 20° С.

Существенным недостатком серых чугунов является так назы­ ваемый рост, наблюдаемый при длительном или повторном воз­ действии температур, превышающих 400° С, и особенно при по­ вторных частых нагревах и охлаждениях. Рост чугуна представ­ ляет собой медленное и необратимое увеличение объема отливки, в некоторых случаях очень значительное; иногда наблюдается рост чугуна на 30—40%. Это увеличение объема вызывает коробле­ ние изделий, образование трещин и т. д. Чугун в результате роста становится хрупким и ломким, прочность его резко снижается. Интенсивность роста чугуна с повышением температуры, числа циклических изменений температуры и длительности эксплуата­ ции возрастает. Часто рост наблюдается и при температурах зна­ чительно ниже 400° С при длительных выдержках, многократных повторениях нагрева в присутствии коррозирующих агентов и пр.

Причины роста чугуна заключаются в распаде цементита Fe3C с выделением свободного углерода в форме графита, сопрово­ ждающемся значительным увеличением объема, а также в окисли­ тельных процессах, происходящих в чугуне во время нагрева и выдержки при высоких температурах. Наблюдается рост на диа­ фрагмах, цилиндрах и других отлитых из чугуна деталях турбин. Устойчивость чугуна против роста повышают различными мето­ дами, в основу которых положено уменьшение графитообразования и окисления при высоких температурах, измельчение графита и придание ему благоприятной формы. В частности, легирование чугуна молибденом и хромом, уменьшение содержания кремния, модифицирование эффективно способствуют снижению склон­ ности чугуна к росту. Пониженной чувствительностью к росту характеризуются высокопрочные чугуны с шаровидным графитом.

Цилиндры низкого давления и выхлопные патрубки отливают из серого чугуна, механические свойства которого соответствуют указанным для марок СЧ 15-32, СЧ 18-36 и СЧ 21-40. Химический состав чугуна выбирает завод-поставщик, причем допускается при-

216

менение малолегированных чугунов. Для снятия остаточных на­ пряжений отливки подвергают отпуску при 450—550° С. Металл отливок в изломе должен быть однородным, серого цвета, мелко­ зернистым и свободным от трещин, раковин и пр. Внутренние поверхности отливок (паровые, масляные полости и каналы) должны быть очищены от литейной корки, окалины и пр. Отливки,

всоответствии с указаниями на чертежах, подвергают гидравли­ ческим испытаниям; допускается обстукивание отливки медным молотком и выдерживание отливок под давлением до 30 мин.

Для диафрагм с заливаемыми в них лопатками из нержавею­ щей стали, применяемых в паровых турбинах в части низкого давления, технические условия различных заводов предусматри­ вают применение чугуна СЧ 18-36, СЧ 21-40, СЧ 28-48 и СЧ 24-44. Особое внимание следует уделять подготовке к заливке лопаток

вдиафрагмы. Участки лопаток, которые заливают в тело диа­ фрагмы, обрабатывают так, чтобы было обеспечено плотное со­ единение их с металлом диафрагмы. Концы лопаток тщательно очищают от окалины, грязи, жира и покрывают тонким слоем олова. После заливки на лопатках не должно быть обгоревших

кромок, значительного окисления и пр. Лопатки должны быть залиты в диафрагму плотно и при легких ударах не вибрировать.

Необходимо отметить опасность науглероживания лопаток при заливке в чугун. Следствием науглероживания является хрупкость и выкрашивание кромок лопаток (особенно выходных) вблизи места заливки. Наблюдались случаи, когда вследствие науглероживания кромка залитой лопатки ломалась от легкого удара молотком. Во избежание повышенного содержания угле­ рода в заливаемых участках направляющих лопаток последние изготовляют из стали, содержащей не более 0,12% С. При таком ограничении содержания углерода, тщательной подготовке концов лопаток и надлежащем выполнении заливки удается избежать опасной степени науглероживания. Отливки диафрагм подвер­ гают отпуску для снятия напряжений при 550—600° С. Нагревают отливки со скоростью 80— 100° С/ч, выдерживают при темпера­ туре отпуска 5— 6 ч, а затем охлаждают вместе с печью. По опыту некоторых заводов напряжения в чугунных диафрагмах снимают дважды — непосредственно после отливки и после грубой меха­ нической обработки.

Технологический процесс производства чугунных диафрагм

сзалитыми направляющими лопатками является весьма сложным

итребует тщательного выполнения. Для обеспечения высокого качества этих диафрагм, дальнейшего повышения надежности службы и экономичности производства предусмотрена концен­ трация их изготовления на одном заводе для всех турбостроитель­ ных предприятий, применяющих в производимых или паровых турбинах чугунные диафрагмы. Отметим, что в некоторых кон­ струкциях турбин, где ранее использовали чугунные диафрагмы, теперь успешно применяют сварные диафрагмы.

217

Для работы под нагрузкой при температурах до 600° С реко­ мендуются высоколегированные жаропрочные чугуны марок ЧН19ХЗШ и ЧН11Г7Х2Ш. Химический состав (в %) этих чугунов (ГОСТ 11849—66) следующий:

Предел прочности чугуна обеих марок после нормализации при 1030— 1050° С и отпуска при 550—620° С должен быть не ниже 40 кгс/мм2, твердость НВ 120—255, относительное удлинение чугуна ЧН19ХЗШ — не менее 5% , а ЧН 11Г7Х2Ш— не менее 4%. Структура указанных жаропрочных чугунов — аустенит, кар­ биды (не более 40% металлической основы) и включения графита только шаровидной формы. Следует отметить, что высоколегиро­ ванные чугуны аустенитного класса обладают наибольшей по сравнению с другими чугунами устойчивостью против роста.

В процессе производства стального и чугунного литья деталей турбин приходится сталкиваться с различными дефектами в от­ ливках, которые можно отнести к четырем основным группам:

I.Раковины, рыхлость и пористость. II. Трещины.

III. Пороки поверхности.

IV. Несоответствие формы и размеров отливок чертежам. Характеристики перечисленных видов брака применительно

к стальному, чугунному и цветному литью следующие:

218

219

Многие дефекты стальных отливок в практике турбостроения исправляют сваркой. Этот способ исправления при технологически правильном его выполнении позволяет успешно использовать в эксплуатации отливки со значительными литейными пороками. Опыт показывает, что отливки с хорошо заваренными даже круп­ ными литейными пороками в процессе длительной эксплуатации ведут себя вполне удовлетворительно. Дефектный металл на участке, подлежащем исправлению сваркой, должен быть пол­ ностью удален. Способы его удаления выбирают в зависимости от характера, величины и расположения дефекта. Это может быть вырубка пневматическими или ручными зубилами, фрезеровка, сверление на радиально-сверлильном станке, зачистка наждач­ ными кругами и пр.

Форма вырубки должна обеспечивать удобный доступ сварщику к завариваемому месту и возможность качественного выполнения сварки. Все острые углы в разделке следует устранять, придавая ей, по возможности, чашеобразную форму. Глубина разделки участка отливки, где обнаружена трещина, должна быть на 3—5 мм больше, чем глубина самой трещины. Металл отливки должен быть удален на расстоянии 10— 15 мм от видимых краев трещины. После удаления дефектного металла, тщательной очистки и обезжири­ вания рекомендуется протравить поверхность, подлежащую за­ варке, 1 0 %-ным раствором азотной кислоты, а затем осмотреть поверхность при помощи лупы, чтобы убедиться, что следов дефекта не осталось.

Заваривать дефекты можно различными способами. Широко используют для исправления дефектов стальных отливок электро­ дуговую наплавку высококачественными электродами с толстой обмазкой, обеспечивающими достаточную прочность и пластич­ ность наплавленного металла. Необходимо, чтобы прочность на­ плавленного металла была не ниже 90—95% прочности основного металла. Качество электродов должно быть проверено наплавкой и испытанием образцов на разрыв и ударную вязкость. Эффективно применяют полуавтоматическую сварку плавящимся электродом в атмосфере углекислого газа.

Применимы и другие прогрессивные методы сварки. В каждом конкретном случае технология заваривания дефектов, выбор электродов или присадочной проволоки, последовательность за­ полнения металлом определяют с учетом химического состава стали, из которой изготовлена отливка, ее конфигурации, разме­ ров, расположения дефектного участка и т. д.

Следует иметь в виду, что завариваемые в целях исправления участки отливки находятся обычно в жестких и неподвижных или малоподвижных контурах. Этим затрудняется свободное дви­ жение наплавляемого металла, создаются условия для образования трещин как в наплавляемом, так и в основном металлах отливки. Поэтому часто при исправлении дефектов электросваркой проводят сопутствующий подогрев. Отливки из сталей 25Л подогревают до

220

150—220° С, из сталей 20ХМФЛ и 15Х1М1ФЛ — до 300—400° С. Сопутствующий подогрев может быть местным или общим; ско­ рость подогрева отливок из легированных сталей составляет обычно 40—50° С/ч.

Для заваривания дефектов отливок из углеродистых сталей 15Л, 20Л, 25Л обычно применяют качественные электроды с фто­ ристо-кальциевым покрытием УОНИ 13/45, для хромомолибдено­ ванадиевых отливок 20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ — электроды ЭХМФ, ЭХМФБ и др. (подробнее об электродах см. в разделе, посвященном сварно-литым и сварно-листовым цилиндрам турбин). При выборе сварочных материалов для исправления дефектов отдают предпочтениетем из них, которые, при прочих необходимых условиях, мо­ гут обеспечить более высокий уровень пластических свойств на­ плавленного металла, особенно когда речь идет о крупных дефектах.

При более или менее значительном объеме наплавки заварен­ ную отливку необходимо термически обработать для обеспечения структурной однородности и снятия остаточных напряжений, со­ здавшихся в процессе сварки. Режим термической обработки (от­ пуск или отжиг) назначают в зависимости от конкретных условий, определяемых конфигурацией и размерами отливки, местоположе­ нием, формой и объемом наплавки. По принятой на одном из тур­ бостроительных заводов технологии отливки из углеродистых ста­ лей (20Л, 25Л) после исправления дефектов нагревают со ско­ ростью 60—70° С/ч до 600—650° С, выдерживают при этой тем­ пературе в течение времени, определяемого из расчета 1— 2 мин на 1 мм толщины (по максимальному сечению отливки), и охла­ ждают со скоростью 40—50° С/ч. Отливки из сталей 20ХМФЛ и 15Х1М1ФЛ нагревают со скоростью 50—60° С/ч соответственно до 710—740 и 720—750° С. ‘Длительность выдержки при этой температуре определяют из расчета 2 —3 мин на 1 мм максималь­ ной толщины стенки, но не менее 5 ч. После выдержки отливки охлаждают со скоростью 30—40° С/ч.

Отметим, что исправление дефектов осуществляется с меньшими техническими трудностями и материальными затратами и дает больший эффект в тех случаях, когда дефекты обнаружены на начальных стадиях обработки отливок — при обрубке, очистке, грубой обдирке, т. е. когда при заваривании дефектов и последую­ щей термической обработке еще не возникает трудностей, связан­ ных с ограниченностью или отсутствием припусков к окончатель­ ным размерам детали. Поэтому рекомендуется, начиная с первого осмотра поступившей отливки, уделять серьезное внимание кон­ тролю ее размеров и состояния поверхности, осмотру перед каж­ дой технологической операцией поверхностей, обрабатываемых на станках, очистке и обследованию камер и полостей, которые имеются в отливке, а также переходов и сопряжений, где особенно велика вероятность образования дефектов.

Пороки чугунных отливок заваривать значительно сложнее, чем стальных. Эти трудности обусловлены следующими особен-

221