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

наклеп, повышенную прочность и твердость при сниженной пла­

стичности и др.

Для отжига металлическое изделие нагревают до заданной температуры, выдерживают некоторое время и медленно охлаж­ дают (обычно вместе с закрытой печью). Режим отжига (скорость нагрева, температуру, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения) определяют с учетом конфигурации, раз­ меров, толщины стенок отжигаемого изделия, его предшествую­ щей обработки, микроструктуры, твердости и других свойств металла, а также тех конкретных задач, для решения которых предпринимается отжиг. Задачи эти весьма широки и разнооб­ разны, поэтому в практике применяют значительное количество видов отжига, различающихся по температуре, до которой на­ гревают металл (диффузионный, полный, неполный), условиям охлаждения (непрерывное, ступенчатое) и среде нагрева (в обыч­ ных печах, в вакууме, в защитной атмосфере).

Диффузионный отжиг или гомогенизация — это нагрев на 300—400° С выше критической точки Ас3 и длительная выдержка при этой температуре в течение 10— 15 ч.

Обычно целью диффузионного отжига является возможно более полное устранение химической неоднородности — ликва­ ции, возникающей в процессе кристаллизации металла из жидкого состояния. Ликвационные скопления образуются в самих кристал­ лах и между ними. Диффузионному отжигу подвергают, в част­ ности, крупные слитки и поковки из легированных сталей для турбинных деталей роторной группы.

По данным ряда отечественных и зарубежных исследований гомогенизация, рассасывающая ликвационные участки, благо­ творно сказывается на снижении склонности к образованию в стали опасных дефектов—флокенов. Так, П. В. Склюев, анали­ зируя многочисленные исследования и производственный опыт заводов, считает, что снижение флокеночувствительности в резуль­ тате гомогенизации крупных слитков и поковок является несом­ ненным. В ФРГ и Италии слитки роторов паровых турбин под­ вергают длительной гомогенизации, продолжающейся от несколь­ ких дней до нескольких недель. Гомогенизации подвергают также отливки цилиндров турбин из легированных сталей.

Полный отжиг или фазовая перекристаллизация —■это нагрев на 30—50° С выше критической точки Ас3, выдержка для вырав­ нивания температуры и осуществления фазовых превращений во всем объеме изделия, а затем охлаждение с печью. Таким отжи­ гом уничтожают грубую, крупнозернистую, полосчатую, строчеч­ ную структуру литых сплавов, устраняют внутренние напряжения, снижают твердость и повышают пластичность металла. Полный отжиг широко применяют в турбостроении для отливок и поко­ вок турбинных деталей, а также отдельных сварных конструкций.

В структуре металла после гомогенизации часто наблюдаются крупнозернистость, грубое строение, для которого характерны

50

иглообразные выделения a -железа — феррита. Эти недостатки структуры, обусловленные высокой температурой нагрева при гомогенизации, исправляют (при необходимости) последующим полным отжигом.

Рекристаллизационный, низкотемпературный отжиг — это нагрев до температуры ниже критических точек, не сопровождаю­ щийся фазовыми превращениями. Такой отжиг способствует устранению искажений кристаллической решетки, возникших, например, при холодном деформировании металла, уменьшению остаточных напряжений и пр.

Неполный отжиг, или сфероидизация, характеризуется нагре­ вом стали до температур в интервале между критическими точ­ ками Асх и Ас,з и частичной фазовой перекристаллизацией, почти не затрагивающей цементитной составляющей (FebC). Такой отжиг применяют в случаях, когда цементит распределен в струк­ туре металла равномерно, что обеспечивает необходимые свой­ ства стали.

Охлаждение металла после отжига должно быть медленным. Среднее снижение температуры после выдержки составляет обычно не более 50— 100°С в течение часа. Для ускорения операции от­ жига проводят так называемый изотермический отжиг: после выдержки при температуре отжига изделие быстро охлаждают до температуры на 50— 100° С ниже точки А г1 и выдерживают в течение времени, необходимого для соответствующих изменений структуры. После этого дальнейшее охлаждение можно проводить быстро. Правильно выполненный изотермический отжиг сообщает металлу необходимые свойства при значительной, по сравнению с обычным отжигом с непрерывным охлаждением, экономии вре­ мени.

Нормализация. Эта термическая обработка осуществляется ана­ логично полному отжигу, с нагревом металла на 30—50° С выше точки Ас:і. После выдержки при этой температуре металл охлаж­ дают, в отличие от отжига, не с печью, а на воздухе. Нормализа­ ция позволяет решать те же задачи, что и отжиг.

Отжиг и нормализация низкоуглеродистых нелегированных сталей дают практически одинаковые результаты. Нормализация, однако, предпочтительнее как более экономичная операция. Тех­ ническое железо, содержащее 0,04% С, имеет одинаковую твер­ дость после отжига и нормализации.

Углеродистые конструкционные стали после нормализации приобретают обычно более высокую твердость, чем после отжига. В легированных сталях механические свойства выше после воз­ душного охлаждения, чем после охлаждения с печью. Тот или иной вид термической обработки выбирают с учетом условий эксплуатации металла, в особенности температурных, так как различные скорости охлаждения обусловливают для сталей и сплавов разные формы и размеры структурных составляющих. Последнее может существенно сказываться на прочности и пла­

стичности металла в условиях длительной эксплуатации при высоких температурах.

Нормализации, широко используемой в практике турбинного производства, подвергают кованые валы и роторы, литые ци­ линдры, обоймы, паровые и сопловые коробки и др.

Закалка. Термическую операцию, состоящую из нагрева изде­ лия или заготовки на 30—50° С выше критической точки Лс3, выдержки при этой температуре и последующего быстрого охлаж­ дения, называют закалкой. Высокие скорости охлаждения, до­ ходящие до 1000° С и более в секунду, позволяют зафиксировать в стали или сплаве структурное состояние, необычное для них при нормальной температуре и являющееся переохлажденным состоянием, соответствующим высоким температурам. Закалка дает возможность получить высокую прочность, твердость и дру­ гие качества стали или сплава, которые не могут быть достигнуты при других видах термической обработки.

Необходимых для осуществления закалки скоростей охлажде­ ния достигают погружением изделия или заготовки (после вы­ держки при температуре закалки) в различные среды — воду, минеральные или растительные масла, водные растворы различ­ ных солей и щелочей, расплавленные металлы и соли и др. Охлаж­ дение может быть непрерывным или прерывистым. Оно может осуществляться последовательно в различных средах (например, сначала в воде, затем в масле). Изделие может быть закалено по всему сечению или только на некоторую глубину.

Закалка является весьма эффективной и богатой по своим возможностям термической операцией, при помощи которой можно получить широкую гамму разнообразных механических и физи­ ческих свойств обрабатываемого металла или сплава.

Однако закаленное состояние является недостаточно устой­ чивым. Ему присущи значительные внутренние напряжения. При низких температурах, в том числе и при 20° С, самопроиз­ вольного перехода закаленного сплава в другое, более устойчивое, равновесное состояние не происходит. Для такого перехода необ­ ходима определенная степень подвижности атомов, достигаемая при повышенных температурах.

Закалке подвергают многие металлы, применяемые в турбо­ строении. Закаливают стали для лопаток; поковки высоконагруженных турбинных дисков, валов и цельнокованых роторов; пружины и многие другие заготовки и детали. Закалку значи­ тельной части деталей выполняют в масле, реже в воде или после воды в масле.

Отпуск. Термическую операцию, которая переводит неравно­ весные структуры из закаленного состояния в более равновес­ ное и менее напряженное состояние, называют отпуском. Он представляет собой нагрев ниже критической точки Act и (после соответствующей выдержки) медленное охлаждение с печью, если сталь не склонна к отпускной хрупкости — переходу в опре­

52

деленных условиях при отпуске в хрупкое состояние, и быстрое охлаждение на воздухе, если можно ожидать развития такой хрупкости. В зависимости от температуры нагрева различают несколько видов отпуска.

Высокий отпуск выполняют с нагревом для конструкционных сталей до 450—670° С. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением.

Средний отпуск с нагревом до температур, обычно не превы­ шающих 350—480° С, осуществляют в тех случаях, когда необ­ ходимо сохранить упругие свойства в сочетании с достаточной вязкостью. Такому отпуску подвергают, например, некоторые виды пружин.

Низкий отпуск с нагревом до 250° С используют в тех слу­ чаях, когда необходимо сохранить высокую твердость.

Отпуску подвергают не только закаленные, но и нормализо­ ванные металлы и сплавы. Для легированных жаропрочных ста­ лей обычно применяют высокий отпуск с нагревом до 600—700° С. Выбор температуры при отпуске имеет большое практическое значение для сталей, работающих при высоких температурах, так как структура стали будет в процессе эксплуатации тем ста­ бильнее, чем значительнее температура отпуска превышает ра­ бочую температуру. В практике турбостроения отпуску подвер­ гают практически все закаливаемые и большую часть нормали­ зуемых заготовок и деталей.

Из операций химико-термической обработки в турбостроении находит применение азотирование (нитрирование) — насыще­ ние поверхностного слоя изделий азотом, выделяющимся в про­ цессе диссоциации аммиака при нагреве до 500—600° С. В струк­ туре азотируемой стали образуются соединения металла с азо­ том — нитриды, обладающие высокой твердостью и теплостой­ костью. Для азотируемых деталей применяют стали, содержа­ щие легирующие элементы, способные образовывать с азотом проч­ ные нитриды. Поверхностная твердость изделия после азотиро­ вания достигает 1300ЯІ7 и почти равна твердости алмаза.

Азотирование увеличивает предел выносливости стали, ее коррозионную стойкость в паровой, масляной и воздушной сре­ дах и износостойкость. Применение азотирования в турбострое­ нии все более расширяется, так как оно повышает надежность деталей регулирования и парораспределения, сегментов сопел, болтов и шпилек разъемов цилиндров и др.

Диффузионное насыщение. Поверхностные слои металла часто насыщают хромом, алюминием, что значительно повышает стой­ кость к газовой коррозии. Такую химико-термическую обработку применяют, например, для плоских пружин лабиринтных уплотнений.

В последние годы предложены новые способы повышения проч­ ности металлов: механико-термическая обработка (МТО), термо­ механическая обработка (ТМО), термо-механико-магнитная,

53

термо-магнитная и другие виды упрочняющих обработок. Все они представляют собой сочетание различных видов воздействия на металл: деформирование с последующим или одновременным нагревом и длительной выдержкой при сравнительно невысоких температурах; наложение электромагнитного поля на термически обрабатываемое изделие и др.

Такие способы комбинированной обработки, базирующиеся на создании в металле, в соответствии с основными положениями дислокационной теории, структур, обеспечивающих наибольшую сопротивляемость деформированию и разрушению, уже раз­ рабатываются применительно к металлам, используемым в котло- и турбостроении. Например, были изучены возможности приме­ нения, после обычной нормализации и отпуска труб пароперегре­ вателей из стали 12Х1МФ, упрочняющей механико-термической обработки в целях повышения долговечности труб.

Наибольший эффект упрочнения был достигнут в результате применения двухили трехкратной механико-термической обра­ ботки с начальной деформацией 1,5— 10% и промежуточным ста­ рением труб в разгруженном состоянии при 150° С в течение 6 ч. Срок службы стали, определенный методом экстраполяции ре­ зультатов испытаний на длительную прочность, после дополни­ тельной упрочняющей обработки во много раз превышает срок службы стали после обычной термообработки — нормализации

иотпуска.

И.А. Одинг, 3. Г. Фридман и П. В. Зубарев исследовали влия­ ние механико-термической обработки на жаропрочность стали 1Х18Н9 (деформирование на 10% при 600° С и отжиг при этой

температуре в течение 100 ч), сплава ЭИ437 (деформирование на 0,3% при 600° С и отжиг при этой температуре в течение 100 ч) и сплава ЭИ617 (деформирование на 1% при 6009 С и отжиг при этой температуре в течение 100 ч). Было установлено, что в ука­ занных металлах и сплавах в результате механико-термической обработки значительно возрастают предел длительной прочности, срок службы и релаксационная стойкость, а скорость ползучести снижается.

Восстановительная термообработка. Особое место занимают некоторые виды термообработки, имеющие целью обеспечить на­ дежную службу металла, в котором в процессе эксплуатации при высоких температурах (в условиях воздействия постоянных или переменных напряжений) возникли повреждения и уже достигли известной степени развития.

По современным теориям процесс разрушения развивается в металле постепенно. При деформации вначале образуются суб­ микроскопические повреждения, которые становятся микроско­ пическими, затем макроскопическими и приводят в результате к разрушению металла. Эффективным для повышения долговеч­ ности может явиться «залечивание» возникших в металле повреж­ дений. Проведено немало исследований возможности «залечива-

54

ния» повреждений, в частности металлов, применяемых в энерго­ машиностроении.

В. С. Иванова и Н. А. Воробьев изучали возможность устра­ нения накопленных повреждений, возникших в металле прутков 014 мм из стали IX18Н9Т и прутков 02 0 мм из никелевого сплава ЭИ437А при различных способах нагружения. Образны стали IX18Н9Т для «залечивания» отжигали при 1100° С в течение 30 мин, сплава ЭИ437А— при 1150° С в течение 1 ч. В результате были сделаны выводы, что при такой термической обработке в исследо­ ванных металлах может происходить «залечивание» субмикроско­ пических трещин и что в принципе существуют эффективные ме­ тоды повышения долговечности поврежденного металла специаль­ ной термообработкой.

П. А. Антикайн исследовал возможности устранения поврежде­ ний, накапливаемых при переменных напряжениях в металле образцов углеродистой стали 15кп. И. И. Трунин исследовал образцы сталей ЭИ257 и 1Х18Н9Т после испытаний на ползучесть и длительную прочность и пришел к заключению, что если де­ фекты в деформируемом металле не достигли некоторых крити­ ческих размеров, восстановительная термическая обработка мо­ жет существенно повысить долговечность его службы.

Режимы восстановительной термической обработки следует определить для каждого металла и сплава конкретно, на основе анализа характера накопившихся повреждений.

СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

При испытаниях и исследованиях металлов, используемых в турбостроении, приходится встречаться с описываемыми ниже структурными составляющими сталей и сплавов.

Железо — элемент, обладающий полиморфизмом. При темпе­ ратуре до 910° С железо имеет объемноцентрированную кристал­ лическую решетку Fea. Постоянная решетки — длина ребра куба а = 2,86 ІО-7 мм или 2,86 Â (атомные расстояния выра­ жаются в специальных единицах— ангстремах: 1 Â = 1 10~7 мм). При температуре металла 910° С происходит перестройка этой решетки в гранецентрированную решетку Fe?, которая при 1400° С вновь превращается в объемноцентрированную, обозначаемую Fe6. При температуре 768° С в железе, без перестройки решетки, происходит изменение магнитных свойств. Если температура выше 768° С, то железо становится нема" нитным; в этом состоянии его иногда называют ß-железом.

Феррит. Твердый раствор углерода в a -железе называют ферритом. Растворимость углерода в a -железе очень невелика: от 0,006% при комнатной температуре до 0,04% при 723° С. Твердость феррита (примерно) НВ 60—80. Феррит— вещество ферромагнитное. Ферритную составляющую можно наблюдать при изучении структуры турбинных валов из углеродистой и

55

легированной сталей, дисков, стальных отливок цилиндров. Под микроскопом феррит при обычном травлении светлый. Он наблю­ дается в виде отдельных полиэдров — зерен или в виде сетки. На рис. 22 показана структура турбинного диска из углеродистой стали при 130-кратном увеличении. Светлая тонкая сетка вокруг темных зерен — феррит. На рис. 23 изображена структура (при 250-кратном увеличении) трубы паропровода из стали, содержащей 0,5% молибдена. Светлые участки представляют собой зерна феррита.

Цементит. Химическое соединение железа с углеродом Fe3C называют цементитом. В составе цементита 93,33% железа и 6,67% углерода. В отличие от феррита цементит характеризуется хрупкостью и высокой твердостью (~ Я 5 800). Так как раствори­ мость углерода в a -железе очень мала, углерод в стали обычно входит в состав цементита или других карбидов. Цементит ферро­ магнитен до температуры 217° С. В сталях цементит наблюдается в различных формах — от пластинок до сфероидов. При длитель­ ном воздействии высоких температур происходит процесс сфероидизации цементитной составляющей, который существенно изме­ няет прочность стали.

В определенных условиях цементит распадается с выделением свободного углерода в виде графита. В связи с этим в сталях мо­ жет происходить процесс графитизации, последствия которой могут быть весьма опасны. Наличие в конструкционной стали структур­ носвободного цементита нежелательно. Обычно цементит при­ сутствует в стали в составе перлита.

Перлит. Механическую смесь феррита и цементита называют перлитом. В составе перлита семь частей феррита и одна часть цементита. Перлит бывает пластинчатый и зернистый. На рис. 24 при 800-кратном увеличении представлена структура пластинча­ того перлита. В зернистом или глобулярном перлите цементит в форме сфероидов равномерно распределен в ферритной массе.

Предел прочности при разрыве пластинчатого перлита дости­ гает примерно 90 кгс/мм2, относительное удлинение—-до 10%. Прочность зернистого перлита ниже, чем пластинчатого, а пла­ стичность выше.

При определенном содержании углерода, составляющем 0,8—0,9% для углеродистых сталей с различным содержанием кремния и марганца, сталщ имеет перлитную структуру. Такой состав стали называют эвтектоидным. При более низких со­ держаниях углерода сталь имеет перлитную и ферритную струк­

туру.

В зависимости от степени дисперсности пластинчатый перлит подразделяют (ГОСТ 8233—56) на 10 баллов с межпластинчатыми расстояниями (определяемыми под микроскопом при 1000-кратном увеличении): для первого балла — менее 0,20 мкм; для десятого балла — более 2 мкм. Зернистый перлит также подразделяют на 10 баллов со средним диаметром зерен цементита при указанном

56

Рис. 24. Пластинчатый перлит (Х 800)

57

увеличении для первого балла (точечного) до 0,25 мкм, для десятого балла (грубозернистого) более 3 мкм.

При содержании углерода выше эвтектоидного структура со­ стоит из перлита и свободного цементита. Структурносвободный цементит наблюдается и в сталях с малым содержанием углерода, очень далеким от состава сплава, соответствующего эвтектоидному.

В конструкционных сталях, из которых изготовляют детали паровых турбин, содержание углерода обычно не превышает 0,3—■ 0,4%. Эти стали в состоянии нормализации или отжига характе­ ризуются феррито-перлитной структурой. На рис. 25 показаны подобные структуры вала, диска и цилиндра турбины.

Сорбит. Как и перлит, сорбит представляет собой механическую смесь феррита и цементита. Однако строение сорбита значительно более тонкое. Структуру сорбита имеют турбинные лопатки из высокохромистых нержавеющих сталей, поковки турбинных дисков, валов и роторов из легированных сталей (хромомолибде­ новой, хромоникельмолибденовой и др.) после закалки и отпуска. На рис. 26 показана структура сорбита на шлифе металла турбин­ ной лопатки из стали 2X13 после закалки при температуре 1000° С в масле и последующего отпуска при 650° С с охлаждением на воздухе. Прочность и твердость сорбита выше, чем перлита.

Аустенит. Твердый раствор углерода в у-железе, которое имеет кристаллическую пространственную решетку куба с цен­ трированными гранями, называют аустенитом. Параметр решетки равен 3,65 Â. у-железо растворяет углерод в количестве до 1,7%. Атомы в нем размещены значительно плотнее, чем в а-железе. Поэтому переход а-железа в модификацию у сопровождается уменьшением объема металла. Структура аустенита показана на рис. 27. Подобную структуру имеют, например, высоколегиро­ ванные стали, применяемые для изготовления рабочих лопаток газовых турбин.

Аустенит характеризуется относительно невысокой твердостью, пониженной прочностью и высокими пластическими свойствами: относительное удлинение достигает 50%; ударная вязкость вы­ сока. Сталь со структурой аустенита имеет максимальную плот­ ность, высокое электрическое сопротивление, немагнитна и устой­ чива против коррозии в растворах кислот.

Таковы основные структурные составляющие сталей, приме­ няемых в турбостроении.

«Стальной угол» диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов показан на рис. 28. Н иже температур, лежащ их на линии АЕ, стали находятся в твердом состоянии. Неправильный четырехугольник AESG ограничивает область аусте­

в зависимости от содержания углерода начинаются при температурах, соответ­

58

59