Высокохромистые нержавеющие

Стали перлитного класса

Достоинствами перлитных жаропрочных сталей являются: малое содержание легирующих элементов, хорошая теплопро­водность, низкий коэффициент линейного расширения, техноло­гичность и относительно невысокая стоимость поковок.

Общим признаком легирования этой группы сталей является наличие в них 1-3% хрома, 0,5-1,0% молибдена (в качестве главного упрочняющего элемента твердого раствора) и ванадия (в качестве карбидообразователя). В отдельные марки стали вве­дены дополнительные компоненты (например, вольфрам), благо­приятно влияющие на механическую прочность металла при повы­шенных температурах.

Из сталей перлитного класса наиболее жаропрочной является сталь ЭИ415, широко используемая в турбостроении для про­изводства дисков, роторов и других деталей. По показателям жаропрочности эта сталь предназначена для работы при темпе­ратуре до 550 в течение длительного срока (100 000 ч) и при температуре от 550 до 580°С в течение ограниченного времени. Сталь ЭИ415 обладает большой способностью к термическому улучшению и хорошей прокаливаемостью.

Применительно к поковкам дисков с высотой ступицы 300 мм без центрального отверстия механические свойства стали ЭИ415 характеризуются следующими значениями (на тангенциальных образцах): предел текучести = 70 78 кГмм², предел проч­ности _в = 80 86 кПмм², относительное удлинение = 16 18%, относительное сужение поперечного сечения =50 60%, ударная вязкость а_н = 8 10 кГм/см². Проведенными работами выявлена возможность обработки дисков и на более высокие свой­ства прочности при вполне приемлемых показателях пластич­ности.

Большой опыт производства поковок дисков и других деталей разнообразных форм и размеров из стали ЭИ415 на Невском ма­шиностроительном заводе им. В. И. Ленина (НЗЛ) неизменно под­тверждает ее технологичность при горячей обработке и надежный уровень механических свойств.

Высокие механические свойства и большая их однородность по сечению поковки отмечены также и в крупном роторе с диаметром бочки около 900 мм [1 ]. При = 60 65 кГ/мм² и _в =70 78 кГ1мм² показатели пластичности = 16 17%, = 50 60%, а_н = 10 12 кГм/см². Разница в пределах текуче­сти на периферии бочки и в зоне, близкой к центральному отвер­стию диаметром 100-120 мм, составляет около 5%.

В условиях длительного разрыва сталь ЭИ415, обработанная на 65 кГ/мм², обладает высокой пластичностью. Деформа­ция стали для деталей, рассчитанных на 100 000 ч службы, допу­скается в пределах 1%. Допустимая деформация в состоянии об­работки на 75 кПмм² в связи с более низкой пластич­ностью ограничивается величиной 0,5%.

Роторная сталь Р2, разработанная лабораторией Ленинградского металлического завода (ЛМЗ), по совокупности характеристик жаропрочности и стабильности свойств может быть использована для турбинных деталей с рабочими температурами до 535° С. Большими преимуществами этой стали являются от­сутствие склонности к тепловой хрупкости и удовлетворитель­ная пластичность в условиях повышенных температур.

При 20°С сталь Р2 в улучшенном состоянии характеризуется высоким уровнем механических свойств. Серия дисков в количе­стве 6 шт. с высотой ступицы 100 мм показала следующие зна­чения механических свойств: = 80,3 88,0 кГ/мм², = 89,8 97,0 кГ/ мм², = 15,2 17,6%; = 46,7 70,0%; а_н = 6,0 13,7 кГ м/см².

Крупные поковки роторов из стали Р2 по рекомендации ла­боратории ЛМЗ подвергаются не улучшению, а одинарной или двойной нормализации с последующим высоким отпуском. В таком состоянии поковки роторов имеют следующие показатели меха­нических свойств: = 50 55 кГ/мм ², _в = 70 75 кГ/мм², = 15 18%, = 40 60%, а_н = 4 10 кГм/см^г. При разрезке ротора диаметром более 800 мм установлена высокая однородность свойств в объеме поковки. В интервале температур 450-550° С предел текучести а_{0 2} имеет устойчивые значения на уровне 41-45 кГ/мм².

Удовлетворительная пластичность стали Р2 при испытании на длительный разрыв при температуре 500-550°С допускает деформацию в пределах 1%.

Более высокой жаропрочностью обладает роторная сталь Р2М с повышенным содержанием молибдена (до 0,8 - 1,0%). По данным ЛМЗ, повышение содержания молибдена благо­приятно сказывается на уровне механических свойств при ком­натной температуре и обеспечивает удовлетворительную дефор­мационную способность в условиях длительного разрыва. Сталь Р2М используется для крупных роторов с параметрами пара до 580° С и 240 ата.

Сталь 15Х1М1Ф применяется для поковок фланцев, па­трубков, тройников и других деталей корпусов паровых турбин, работающих при температуре до 565° С. В состоянии после норма­лизации с высоким отпуском поковки фланцев типа дисков высо­той 170 мм имеют (на тангенциальных образцах) следующие зна­чения механических свойств: = 33-36 кГ/мм², = 52 56 кГ/мм², = 26 31 %, =75 78%, а_н = 18 29 кГм/см². Увеличение высоты поковки до 340 мм приводит к снижению пре­дела текучести до 30-34 кПмм².

Всесторонние исследования опытных поковок из стали 15Х1М1Ф с механическими испытаниями различных зон, прове­денные лабораторией ЛМЗ, показали достаточную однородность их свойств по сечению.

По данным ЛМЗ, механические свойства поковок в закаленноотпущенном состоянии характеризуются следующим уровнем: = 40 50 кГ/мм², = 57 65 кГ/мм², δ = 20 23%, ψ=65 70%, а_н = 7 15 кГм/см².

Рассмотренная группа перлитных жаропрочных сталей имеет весьма благоприятный комплекс технологических свойств, поз­воляющий изготовлять высокоответственные поковки без суще­ственных металлургических затруднений.

и жаропрочные стали мартенситного класса

Хромистые мартенситные стали обладают высокой коррозион­ной стойкостью и жаропрочностью в сочетании с повышенными механическими свойствами, чем и объясняется их широкое при­менение в промышленности. В виде крупных поковок эти стали используются, в частности, в химическом машиностроении и дру­гих отраслях производства, связанных с действием на металл кор­розионных сред. В турбостроении нержавеющие хромистые стали применяются главным образом для лопаток, работающих при тем­пературе до 450—500° С, и втулок уплотнения. Дополнительное легирование мартенситных хромистых сталей создает предпосылки для использования их в качестве жаропрочных материалов, за­меняющих стали аустенитного класса.

Хромистая сталь 2X13 обладает относительно вы­сокими прочностными свойствами при хорошей пластичности. Поковки валов диаметром 150 мм после нормализации с отпуском характеризуются следующими механическими свойствами: = 50 55 кГ/мм², _в = 68 70 кГ/мм², = 21 25%, 𝜓 = 60 65 %, а_н = 84 12 кГм/см². Поковки дисков при испытании их в закаленно-отпущенном состоянии имеют более высокие по­казатели прочности: = 60 65 кГ/мм² и 𝜎_в = 80 85 кГ/мм² при δ = 14 18%, ψ =57 65% и а_н = 5 7 кГм/см². В круп­ной поковке ротора с диаметром бочки 720 мм в таком же состоя­нии термообработки показатели и _в снижаются соответственно до 42-45 и 61- 63 кГ/мм² при δ = 22 28%, ψ = 45 55% и а_н = 6 10 кГм/см ², сохраняя при этом весьма ровные значения механических свойств по сечению поковки.

Из группы мартенситных сталей технологически наиболее сложной является сталь 1Х17Н2 (ЭИ268). Ее преимущество по сравнению с другими нержавеющими сталями заключается в сочетании высокого уровня механических свойств (предел текучести до 60-75 кГ/мм²) с наибольшей сопротивляемостью коррозии в агрессивных средах. По комплексу химических и ме­ханических свойств эта сталь считается наиболее приемлемой для валов и дисков компрессоров нитрозного газа и некоторых дру­гих машин.

За последние годы большое распространение в промышленно­сти, особенно в энергомашиностроении, получили жаропрочные стали на базе 11 —14% хрома с дополнительным легированием вольфрамом, молибденом, ванадием и некоторыми другими упрочняющими элементами. Эффективность такого легирования

заключается в упрочнении и повышении жаропрочности хроми­стых нержавеющих сталей с доведением температурной границы их эксплуатации до 580—600° С.

Обладая высокими механическими свойствами при нормальных температурах и занимая по жаропрочности промежуточное место между перлитными и аустенитными сталями, упрочненные высоко­хромистые стали отличаются и рядом других особенностей (окалиностойкость на уровне аустенитных сталей, повышенная тепло­проводность и низкий коэффициент линейного расширения), практическое использование которых в энергомашиностроении весьма существенно. Они способствуют меньшему развитию тер­мических напряжений и позволяют использовать в конструкциях машин сопряженные детали из высокохромистых мартенситных и перлитных сталей.

Хромистые стали выгодно отличаются от аустенитных более высокой технологичностью и относительной дешевизной. Поэтому в современном энергомашиностроении они получают все большее распространение при изготовлении роторов, дисков и других де­талей, работающих при температуре до 580-600° С. Крупные турбинные поковки из нержавеющих сталей изготовляют заводы «Бохумер Ферайн» (ФРГ) и другие зарубежные фирмы [2]. В Со­ветском Союзе ряд жаропрочных высокохромистых сталей раз­работан Центральным котлотурбинным институтом, ЦНИИТмашем, Ленинградским металлическим заводом и другими органи­зациями. В частности, разработаны, исследованы на крупных поковках и используются в промышленности для изготовления деталей паровых и газовых турбин стали 1Х12ВНМФ (ЭИ802), 1Х12В2МФ (ЭИ756) и 15X11МФБ.

Уровень механических свойств крупных поковок дисков и роторов из стали 1Х12ВНМФ характеризуется следующими данными: = 60 70 кГ/мм², 𝜎_в = 80 87 кГ/мм², δ = 14 17%, ψ =30 40%, а_н = 5 7 кГм/см².

Сталь 15X11МФБ, разработанная лабораторией ЛМЗ, предназначена главным образом для изготовления литых заго­товок, но используется также и для изготовления некоторых кор­пусных деталей паровых турбин (тройников, патрубков и др.), работающих при температуре до 580° С. Поковки таких деталей изготовляются весом до 3-5 т. При испытании поковок попереч­ным сечением до 300—350 мм в состоянии после нормализации с отпуском их механические свойства (на тангенциальных образ­цах) оказались следующими: = 55 65 кГ1мм², = 75 80 кГ/мм², = 18 25%, ψ=50 60%, а_н = 6 8 кГм/см².

Общей особенностью высокохромистых жаропрочных сталей является их повышенная чувствительность к различным техно­логическим отклонениям в металлургическом цикле производства.

Дата добавления: 2014-01-07