книги / Экспертиза качества и разрушений

Окончание табл. 5 . 3

5.2.3. Контроль химического состава

Контроль химического состава проводится в ЦЗЛ на специально отобранных пробах от каждой партии металла с оформлением заключения по установленной форме.

Данный вид контроля проводится с целью установления соответствия качественного и количественного химического состава металлопродукции нормам, заявленным в сертификате.

271

Химический состав готового проката может отличаться от состава, определенного по ковшовой пробе. Для углеродистых сталей в готовом прокате при соблюдении норм механических свойств и других требований ГОСТ 1050–88 допускаются следующие отклонения от норм по химическому составу: по углероду – ±0,01 %, по кремнию – ±0,02 %, по марганцу – ±0,03 %, по фосфору – не более 0,005 % и т.д. Допустимые отклонения легирующих элементов составляют, как правило, ±0,02–0,05 %.

5.3.Основные группы сталей, используемых

впроизводстве металлопродукции

Применяемые виды контроля определяются видом материала и характером изготовляемой из него продукции. Практически все стали, применяемые в промышленности, разбиты на определенные группы – как правило, по назначению. Это строительные и судостроительные стали, инструментальные стали, конструкционные стали для холодной высадки и выдавливания, стали для пружин и рессор, автоматные стали, коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные стали и др.

Многие стали применяются как в состоянии, приобретаемом еще в металлургическом цикле, так и после термического упрочнения. Основными видами термической обработки являются: объемная закалка и отпуск, химико-термическая обработка, термическая обработка методом индукционного нагрева, термическое воздействие при сварке.

Строительные и судостроительные стали. Основная масса стали используется как строительная. За год производится 1 км3 бетона совместно 65 млн т стальной арматуры. Категории прочности этих сталей – от 440 до 1375 МПа. Основная масса арматуры производится из стали Ст.5сп.

Для толстолистового проката строительной стали устанавливают 9 классов прочности с пределом текучести от 265 до 440 МПа и 29 марок легированной стали: 17ГС, 09Г2Д, 15ХСНДА и др. Изготовляют кузовы самосвалов, рамы вагонов и их обшивку. Сталь для строительства мостов регламентируется ГОСТ 6713–91, используется сталь толщиной 10–32 мм. Для повышения коррозионной стойкости сталей производят легирование медью. Типичной является сталь 15ХНСД. Нормиру-

ется ударная вязкость (KСU–20, KСU–70).

Наибольшие требования предъявляются к судостроительной стали толщиной 4–60 мм. Кроме гарантий прочности задается KСU–40 и 50–65 % волокна в изломе. Для судостроительной стали требуется

272

100%-ный ультразвуковой контроль. Высокопрочные свариваемые морские стали АВ Российского Регистра при толщине до 100 мм имеют значения σ = 390…785 МПа, удлинение в третьем направлении не менее 14–21 %, KСU–40 ≥ 0,78 МДж/м2, критические температуры хрупкости – от –80 до –140 °С.

Морские платформы устанавливаются на колоннах высотой несколько сот метров при собственном весе 40–50 тыс. т. Для платформ требуется лист толщиной 50–100 мм. Содержание серы не должно превышать 0,001 %, необходима стойкость против коррозии в морской воде, хорошая свариваемость. Одна из распространенных сталей для изготовления морских платформ – 14ХГН2МДАФБ.

Испытания судостроительных материалов проводят с разрушением образцов – механические, химический анализ и пр. – и без разрушения образцов – радиационные, акустические, электромагнитные, магнитные. Испытания осуществляют с целью выявления показателей таких свойств материала, как сплошность, наличие и характер внутренних дефектов, структурные изменения, магнитные свойства и др.

Трубные стали используются для изготовления труб для газопроводов и энергетики. Трубы применяются диаметром до 1420 мм и работают при давлении до 75 атм. На тысячу километров газопровода требуется 1 млн т таких труб. Трубы сворачивают из толстого листа. При малейшей течи трещина бежит со скоростью 500 м/с на расстоянии несколько км.

Для этих сталей устанавливается высокий уровень ударной вязкости KCV ≥ 0,80 МДж/м2 при температуре эксплуатации, а также DWTT (испытания стали падающим грузом) – 20–80 %. У поставщика каждая труба испытывается гидравлическим давлением и ультразвуковым контролем. Для изготовления труб используются те же стали, что и в судостроении.

Пример входного контроля труб для газопроводов

При входном контроле труб и соединительных деталей следует предусматривать проверку:

–размеров труб;

–номера и даы технических условий;

–марки стали;

–номера партии;

–результатов механических испытаний с указанием, к каким номерам плавок относятся данные испытания;

273

–результатов гидравлических испытаний;

–результатов рентгеновского исследования (по необходимости). На внутренней поверхности каждой трубы на расстоянии 500 мм от

одного из концов несмываемой краской должна быть нанесена маркировка, содержащая следующие данные:

–завод-изготовитель;

–номер плавки;

–номинальные размеры;

–номер трубы;

–месяц и год изготовления трубы;

–эквивалент углерода.

На наружной поверхности труб, на расстоянии 100 мм от конца трубы, клеймами должны быть выбиты следующие данные:

–номер трубы;

–фирменный знак завода.

На поверхности труб не допускаются:

–трещины, рванины, закаты любых размеров;

–царапины, риски и задиры глубиной более 0,4 мм;

–местные перегибы, гофры и вмятины;

–расслоение на концах труб.

Если обнаружены расслоения, то по результатам дополнительного ультразвукового контроля концы труб с расслоением подлежат вырезке.

В местах, пораженных коррозией, толщина стенки труб или деталей не должна выходить за пределы минусовых допусков, установленных техническими условиями на поставку. Замер толщины стенки на этом участке необходимо выполнить с помощью ультразвукового толщиномера с точностью не менее 0,1 мм.

Трубы считаются пригодными при следующих условиях:

– менее 200 мм от торца не превышают для труб диаметром (ГОСТ

10705–80, 20295–80, 3262–75 и др.);

– отклонения толщины стенки по торцам не превышают предельных значений, регламентируемых соответствующими ГОСТ 10705–80,

20295–80, 3262–75 и др.;

–овальность бесшовных труб не выводит их наружный диаметр за предельные отклонения (ГОСТ 10705–80, 20295–80, 3262–75 и др.);

–кривизна труб не превышает 1,5 мм на 1 м длины, а общая кривизна – не более 0,2 % длины трубы, косина реза торцов труб не превышает 2,0 мм.

274

Конструкционные и инструментальные стали для машинострое-

ния. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества регламентируются межгосударственным стандартом 380-94, а качественные – ГОСТ 4543–71.

Эти стали недорогие и имеют удовлетворительные механические свойства в сочетании с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением, подвергаются термической и химико-термической обработке. Повышение углерода увеличивает прочность, но снижает вязкость. Углеродистые стали с содержанием углерода до 0,3 % имеют высокую вязкость (K1с = 100…120 МПа/м1/2) при σ0,2 = 500 МПа. У стали 45 максимальная трещиностойкость после отпуска при 450 °С.

Некоторые пределы по дефектам макроструктуры конструкционных легированных сталей приведены в табл. 5.4.

Таблица 5 . 4 Балл дефектов макроструктуры конструкционных легированных сталей

Примечание. * Оценка балльности дефектов макроструктуры производится по методике ГОСТ 10243–75.

Инструментальные стали должны быть тверже обрабатываемого металла, но не слишком хрупкими. Содержание в них углерода в основном составляет 0,7–1,4 %. Углеродистые стали пригодны для изготовления тонкого инструмента с твердостью 62–65 НRC. Легирование обеспечивает ту же твердость, но большую толщину и возможность более медленного охлаждения. Для инструмента большего сечения применяют быстрорежущую сталь.

275

К примеру, на поверхности легированных инструментальных сталей не должно быть трещин, закатов, плен, раскатанных или раскованных пузырей и загрязнений. На поверхности металлопродукции допускаются мелкие царапины, отпечатки, рябизна. Макроструктура на протравленных темплетах не должна иметь подусадочной рыхлости, пузырей, расслоений, трещин, включений, раковин и флокенов. Контролируется обезуглероженный слой, размер бывшего аустенитного зерна. Особое значение придают оценке карбидной неоднородности. В табл. 5.5 приведена предельно допустимая норма карбидной неоднородности в легированных инструментальных сталях в соответствии с ГОСТ 5950–00.

Таблица 5 . 5

Допустимый балл карбидной неоднородности в легированных инструментальных сталях

Состав конструкционных сталей для холодной высадки и выдавли-

вания регламентируется ГОСТ 1050–88 и 4543–71. Химический состав для перлитных сталей влияет на деформационное упрочнение. Наиболее сильно влияет углерод. Устанавливаются нормы механических свойств, определяемые на термообработанных образцах. Проводятся технологические испытания на прокаливаемость. При испытаниях на осадку не должно быть трещин и надрывов. Твердость перед пластической деформацией должна находиться в пределах 120–210 НВ.

Микролегированная сталь со структурой феррит–бейнит 13Г2БФ, низкоуглеродистые ферритомартенситные стали типа 06ХГР подвергают закалке из двухфазной области для получения оптимального исходного состояния. Наиболее желаемая структура перед деформацией − зернистый перлит, в связи с чем проводят сфероидизирующий отжиг. Положительно влияет деформация в ходе распада аустенита.

276

К примеру, к поверхностным дефектам горячекатаного и калиброванного проката относятся раскатные газовые пузыри, волосовые трещины, рванины и закаты. Основными причинами их возникновения являются дефекты металлургического производства. Неизменным дефектом поверхности металлопроката является образование обезуглероженного слоя вследствие выгорания части углерода при нагреве металла как на стадии прокатки, так и при термической обработке перед калибровкой. Обезуглероживание и окалинообразование существенно снижают механические свойства в поверхностных слоях металлопроката. Поверхность становится восприимчивой к образованию рисок, задиров, царапин при прокатке, калибровке и холодной высадке. Все эти показатели необходимо контролировать при оценке сталей для холодной высадки и выдавливания.

Автоматные стали – стали повышенной обрабатываемости резанием.

Содержание серы, фосфора, свинца и селена в этих материалах увеличивается, поэтому важно учитывать размер и распределение включений. Содержание серы достигает 0,2 %, фосфора – 0,04 %, свинца – 0,2 % (ГОСТ 1414–75). Обязательным является контроль временного сопротивления разрыву и относительного удлинения.

Среди макродефектов наибольшее внимание уделяют центральной пористости, точечной неоднородности, характеру ликвационного квадрата и наличию подусадочной ликвации (табл. 5.6)

Таблица 5 . 6

Допустимые баллы макродефектов в свинцовосодержащих автоматных сталях (ГОСТ 1414–75)

Листовые конструкционные стали для холодной штамповки. До-

полнительная термическая обработка для низкоуглеродистых листовых сталей (ГОСТ 5520–79, ГОСТ 9045–93) не проводится. Важны показа-

277

тели механических и технологических свойств. Необходимо учитывать возможные отклонения в химическом составе среднеуглеродистых и легированных сталей. Влияние состава на конструкционную прочность усиливается при использовании сварки. Испытания на выдавливание проводят по методу Эриксена (ГОСТ 10510–80).

Для автомобильного листа наилучшей структурой является ферритная (содержание углерода 0,003–0,005 %). Важно контролировать отсутствие зернограничной сетки карбидов, иначе будет низкая вязкость.

Размеры листа и допуски на размеры регламентируются по ГОСТу. В листе и на его поверхности не должно быть расслоений, вкатанной окалины, трещин, закатов, пузырей, неметаллических включений, скоплений волосовин. Допускаются отдельные волосовины до 15 мм. Вмятины или риски не должны превышать по глубине половины допуска на толщину листа и выводить толщину за пределы минимального допускаемого размера.

Допускаемая высота прогиба или волнистости листов не должна превышать 10 мм/м.

Серповидность кромок не должна превышать 15 мм. Отклонения толщины листа от номинальной замеряют на расстоянии 40 мм от кромок листа и 100 мм от углов. Отклонения не должны превышать 2 мм.

Котельный лист, отправляемый с завода-поставщика, должен иметь сертификат, в котором указываются:

–наименование завода-поставщика;

–марка стали;

–номер плавки;

–номер листа;

–штамп ОТК;

–результаты механических испытаний;

–результаты металлографических исследований;

–химический состав.

На самом листе вне зоны последующей обработки, поперек прокатки должны быть выбиты клейма с указанием первых пяти пунктов сертификата.

Без сертификата и клейм котельные листы не допускаются в производство.

Сталь для изготовления рессор и пружин выбирают по свойствам.

Высокое сопротивление малым пластическим деформациям должно сочетаться с достаточной вязкостью и пластичностью, повышенным сопро-

278

тивлением усталости и релаксационной стойкостью. Ограничения по сере и фосфору регламентируются ГОСТ 2283–79. Временное сопротивление разрыву, технологическое испытание (гиб с перегибом) и скручивание проводят в соответствии с ГОСТ 9389–75 и ГОСТ 14963–78.

Иногда вместо сложного и длительного металлографического анализа можно рекомендовать метод определения рассеяния энергии при динамических испытаниях простых образцов на изгиб или кручение.

Основные требования к подшипниковым сталям – низкое содержание серы (0,02 %) и фосфора (0,027 %), требования по твердости и контактной выносливости, по неметаллическим включениям, карбидной неоднородности, структуре мартенсита.

Требования, предъявляемые к состоянию поверхности прутков, труб, проволоки подшипниковой стали, предусматривают отсутствие грубых дефектов типа нарушения сплошности или ограничивающие допустимость менее опасных дефектов незначительной глубины. На поверхности прутков не допускаются раскованные и раскатанные загрязнения, пузыри, трещины, корочки, закаты, плены и другие дефекты, возникающие при переделе слитка или промежуточной заготовке. Несмотря на тщательный контроль на металлургических предприятиях, брак по этим дефектам составляет наибольший процент от общего количества стали, рекламируемой подшипниковыми заводами. Особенно велик этот процент для калиброванной стали.

Не обнаруженные при контроле в прутках и трубах поверхностные дефекты раскрываются в процессе дальнейшей механической обработки, пластической деформации, термической обработки или в процессе эксплуатации подшипников.

К допустимым дефектам на поверхности прутков и труб относятся мелкие отпечатки, рябизна, царапины. Глубина залегания таких дефектов в стандартах дифференцируется в зависимости от диаметра прутков и от состояния поставки.

Высоколегированные коррозионно-стойкие и жаропрочные стали

регламентируются ГОСТ 5632–72. Настоящий стандарт распространяется на деформируемые стали и сплавы на железоникелевой и никелевых основах, предназначенных для работы в коррозионно-активных средах и при высоких температурах. К высоколегированным сталям условно отнесены сплавы, массовая доля железа в которых более 45 %, а суммарная массовая доля легирующих элементов не менее 10 % – по верхнему пределу, при массовой доле одного из элементов не менее 8 % – по нижнему пределу.

279

Ксплавам на железоникелевой основе отнесены сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в железоникелевой основе (сумма никеля и железа более 65 % при приблизительном отношении никеля к железу 1:1,5).

Ксплавам на никелевой основе отнесены сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в никелевой основе (содержание никеля не менее 50 %). К этим материалам предъявляются высокие требования по химическому составу. Для коррозионно-стойких сталей и сплавов, помимо требований по временному сопротивлению и удлинению, необходима высокая коррозионная стойкость, предотвращение склонности

кмежкристаллитной коррозии, коррозионному растрескиванию и др. Стали подвергают закалке для достижения максимальной коррозионной стойкости. Стабилизирующий отжиг проводят для предотвращения склонности к межкристаллитной коррозии, а также для снятия остаточных напряжений.

Обоснованное назначение режимов термической обработки невозможно без учета структуры стали в состоянии поставки. Входной полистный контроль микроструктуры осуществляется вместе с контролем межкристаллитной коррозии. Проводится проверка стали на загрязненность неметаллическими включениями. Для сталей мартенситного и ау- стенитно-мартенситного класса требуется входной контроль на камневидный и нафталинистый излом.

Сдаточный контроль для коррозионно-стойких сталей и сплавов предполагает:

– контроль на отсутствие обезуглероженного слоя;

– контроль на отсутствие феррита в аустенитных сталях или соотношения α- и γ-фаз в двухфазных сталях;

– контроль на σ-фазу в сложнолегированных сталях;

– контроль на отсутствие камневидного излома.

В случае перегрева наблюдается δ-феррит. Производится контроль на размер аустенитного зерна или размер игл мартенсита с помощью химического или электролитического травления (10%-ным раствором H2SO4). Определение размера зерна может быть осуществлено с помощью ультразвука. Качество поверхности устанавливается в соответствии с ГОСТ 1051–73.

280