Глава VIII
ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПЫТ ПРОИЗВОДСТВА ПОКОВОК
ИЗ СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНОГО КЛАССА
22. Поковки из сталей х18н9, х18н9т, 0х18н10,
Х18Н10Т и 0Х18Н10Т
Поковки, показанные на рис. 57, в известной мере являются типичными с точки зрения особенностей ковки и поведения металла при деформировании. Некоторые из них изготовляются из слитков с применением лишь одних операций вытяжки (рис. 57, а), другие — в комбинации с вытяжкой требуют относительно небольших степеней осадки (рис. 57, б), а третьи выполняются по более сложной технологической схеме — с предварительной осадкой слитка и раскаткой заготовки (рис. 57, в) или с большими степенями осадки при окончательном формировании поковки (рис. 57, г и д).
Несмотря на общую основу и близкий химический состав (табл. 42), поковки из перечисленных сталей в зависимости от содержания углерода, титана и соотношения хрома и никеля ведут себя при ковке по-разному. Относительно высокую технологическую пластичность проявляет сталь Х18Н9, ковка которой даже в условиях неблагоприятных схем напряженного состояния
в большинстве случаев не вызывает больших затруднений. Наличие в стали титана ухудшает ее деформируемость, в связи с чем изготовление крупных поковок из стали Х18Н9Т нередко сопровождается разрывами металла (рванинами и трещинами). Наименее технологичными являются стали с пониженным содержанием углерода, например сталь 0Х18Н10Т.
Причина такого поведения однотипных хромоникелевых аусте- нитных сталей заключается в их различном фазовом составе при
высоких температурах. Чем меньше в стали углерода и больше отношение хрома к никелю, тем больше при прочих одинаковых условиях содержится в стали α-фазы, вызывающей пониженную пластичность металла при деформировании. Заметное влияние на количество α-фазы оказывает и содержание в стали титана, который, так же как и хром, относится к ферритообразующим элементам.
В отношении количества ферритной составляющей наименее благоприятной является сталь 0Х18Н9Т, в которой относительно высокая степень двухфазности заложена стандартным химическим составом. Но и в пределах одной и той же марки стали количество ферритной фазы может значительно колебаться в зависимости от фактического сочетания элементов С, Сг и Ti, что иногда резко сказывается на деформируемости конкретной плавки. С этой точки зрения весьма желательным является ограничение предельного содержания элементов, влияющих на образование α-фазы, например содержание в стали 0Х18Н10Т хрома 17—18 вместо 17— 19%, предусмотренных ГОСТом 5632—61, а никеля 10—11 вместо 9—11%. Такое сужение пределов содержания элементов в плавке, естественно, вызывает известные трудности при выплавке стали и поэтому не всегда рационально для массового производства, но вполне оправдано при использовании стали для поковок, выполняемых в условиях неблагоприятных схем напряженного состояния. В этих случаях усложнение процесса выплавки компенсируется значительным улучшением деформируемости стали и практической возможностью изготовления поковки заданной формы без недопустимых нарушений сплошности металла.
Влияние химического состава плавки (в пределах марочного состава) на деформируемость стали при ковочных температурах в связи с различным содержанием ферритной составляющей в исходном слитке подтверждается опытом НЗЛ и многих других машиностроительных заводов.
Характерной является также и практика прокатки листов и труб из хромоникелевых аустенитных сталей, массовое производство которых на металлургических заводах позволило выявить взаимосвязь химического состава плавок с деформируемостью металла методом статистического анализа. Установлено [59], что поведение металла при прошивке труб из стали Χ18Н9Т характеризуется следующим выходом годных заготовок в зависимости от соотношения хрома и никеля в плавке: при отношении Сr : Ni не более 1,60 выход годных заготовок составил 92,7% , при отношениях от 1,61 до 1,65 — 86,8%, при более высоком отношении — 74,2%, т. е. наблюдается прямая взаимосвязь отношения Сr : Ni (а следовательно, и содержания в плавке α-фазы) с результатами прошивки трубных заготовок. Аналогичная картина получена и при анализе результатов прокатки слябов из стали Х18Н9Т: количество плавок, показавших неудовлетворительную технологическую пластичность, закономерно повышалось с 14,1% при отношении Сr : Ni < 1,60 до 100% при отношении Сr : Ni == = 2,03÷2,08. Эти данные (дополнительно к практическим результатам производства крупных поковок) иллюстрируют влияние химического состава стали на ее деформируемость и определяют необходимость специального подбора плавки при выполнении поковок сложной и нетехнологичной конфигурации.
Но содержание ферритной фазы при ковочных температурах зависит не только от сочетания основных компонентов химического состава стали. Большое влияние оказывает и технологический фактор — температура нагрева слитков.
При нагреве стали в диапазоне температур 1000 —1200° С содержание ферритной фазы в исходном слитке уменьшается, включения феррита дробятся и приобретают более благоприятную округлую форму. Этому же способствует и выдержка металла в зоне температур 1000—1200° С. Но картина резко меняется при нагреве стали до более высоких температур. Начиная с 1200 1250° С, количество α-фазы интенсивно увеличивается, ферритные выделения растут и изменяют форму с округлой на граненую. При этом увеличение количества α-фазы тем больше, чем выше его исходное содержание в стали. Следовательно, в отношении количества ферритной составляющей в деформируемых слитках из хромоникелевых аустенитных сталей существует какая-то критическая температура нагрева, определяемая, в частности, исходным содержанием α-фазы. Для стали с малой степенью двухфазности в исходном состоянии, например для стали Х18Н9 или Х18Н10Т с благоприятным соотношением Сг : Ni, критическая температура нагрева достигает 1250° С. Для сталей с большей степенью двухфазности, в частности для стали 0Х18Н10Т с неблагоприятным соотношением Сг : Ni критическая температура снижается до 1180— 1200° С. В этом случае нагрев слитков до более высокой температуры вызывает интенсивное увеличение содержания ферритной фазы и резкое ухудшение деформируемости стали [22].
Низкая технологическая пластичность стали в связи с повышенным содержанием α-фазы обусловлена главным образом разными условиями рекристаллизации обеих составляющих (аустенита и феррита) и, следовательно, разными условиями деформирования, вызывающими разрывы металла. Исследования показывают, что эти разрывы преимущественно располагаются по включениям α-фазы. Чем меньше таких включений, т. е. чем меньше степень двухфазности структуры, тем пластичней сталь при ковочных температурах и тем технологичней она при выполнении сложных операций ковки.
Из дополнительных технологических факторов, влияющих на развитие ферритной фазы в рассматриваемых сталях, отметим роль чистоты металла плавки и веса слитков. Практические наблюдения свидетельствуют о существенной роли степени загрязненности сталей Х18Н9 и Х18Н9Т в их поведении при ковке: плавки с повышенной загрязненностью металла при прочих одинаковых условиях деформируются с большим количеством рванин и трещин. Это связано с тем, что выделения α-фазы концентрируются преимущественно вокруг неметаллических включений и процесс перехода фазы γ в α активизируется с повышением степени загрязненности стали. Увеличение веса слитка является фактором, повышающим зональную неравномерность распределения ферритной фазы. Наибольшее количество выделений α-фазы наблюдается в центральной зоне, наименьшее — в периферийной. В слитках одной плавки, но разного веса количество α-фазы в участках максимальной концентрации, т. е. в центральной области, относительно выше в крупных слитках, поэтому выполнение сложных поковок из крупных слитков представляет задачу более трудную и с точки зрения этого фактора. В связи с этим при технологической возможности следует выбирать слиток минимального веса.
Ниже дается анализ отдельных технологических этапов изготовления поковок конкретных форм (рис. 57) из сталей Х18Н9, Х18Н9Т и др., основанный на практических результатах освоения и серийного производства этих деталей на H3JL
Выплавка стали для поковок производится в 10- или 40-тонной дуговой электропечи методом окисления или переплава с продувкой кислородом. Металл разливается в изложницы сверху в безокислительной атмосфере, создаваемой магниевой стружкой, что способствует получению слитков с относительно чистой поверхностью. Разливка без магния в большинстве случаев приводила к обильной подкорковой пористости и резкому ухудшению общего состояния поверхности. Разливка ведется быстро и горячо, что значительно уменьшает опасность образования и застревания в теле слитка окисленных корочек. Профиль и размеры изложниц соответствуют сортаменту слитков (в том числе и удлиненной формы), применяемых на H3J1 (см. табл. 2).
Технологическим процессом нагрев слитков установлен с горячего посада, т. е. осуществляется принцип непрерывности горячего цикла обработки. Отсутствие промежуточного охлаждения слитков, естественно, предопределяет и запуск их в ковку без предварительной обдирки. Такой процесс принят из тех соображений, что, во-первых, некоторые марки сталей рассматриваемого типа, например сталь Х18Н9, вполне допускают выполнение поковок до конечных размеров без механического удаления поверхностных дефектов слитка; во-вторых, при необходимости производится обдирка не слитка, а промежуточной заготовки после биллетирования или других начальных ковочных операций, проводимых в относительно благоприятных деформационно- напряженных условиях. Подобная технологическая схема упрощает процесс обдирки и одновременно является более маневренной в производственном отношении. Далее будут отмечены конкретные случаи, когда обдирка заготовок практически является обязательным условием выхода годной детали.
В табл. 43 приведены технологические схемы изготовления некоторых поковок из рассматриваемых сталей. Длительная практика выполнения поковок по таким схемам подтвердила вполне надежные результаты в отношении качества получаемых деталей при условии относительно небольшого содержания в плавке ферритной фазы. В частности, не наблюдались случаи образования грубых рванин и трещин в заготовках из стали Х18Н9, выполняемой с контролируемым содержанием α-фазы в пределах до 4%. Установленные припуски на механическую обработку
(рис. 57) оказались вполне достаточными для удаления поверхностных дефектов и гарантировали выход чистовых деталей, несмотря на отсутствие операции обдирки слитков или промежуточных заготовок. Между тем некоторые из поковок выполняются в условиях весьма сложной схемы напряженного состояния, например патрубок (рис. 57, б), вытяжка которого на оправке вызывает появление растягивающих напряжений на торцовых поверхностях, или трубная решетка и диск (рис. 57, г и д), выполняемые с высокой степенью осадки и также связанные с большими растягивающими напряжениями в периферийной области заготовок. Аналогичная картина наблюдается и при ковке колец, раскатке которых предшествует осадка заготовок с большой степенью деформации.
При условии выплавки и разливки в соответствии с установленными технологическими нормами сталь Х18Н9 не проявляет при ковке заметной чувствительности к небольшим отклонениям от принятого диапазона температур и допускает при осадке относительно большие степени обжатий за один ход пресса или удар молота (до 10—15%).
Предварительная обдирка слитков или промежуточных заготовок из стали Х18Н9 признана нецелесообразной, так как эффект от ее применения (в связи с некоторым повышением чистоты поверхности) не компенсирует потерь металла при обдирке и усложнения технологического процесса. Что касается подобных поковок из сталей 0Х18Н10Т или Х18Н9Т с низким содержанием углерода и содержанием титана на верхнем пределе марочного состава, то их выполнение без глубоких разрывов металла представляет значительные трудности. Не всегда действенными оказываются мероприятия по ковке слитков в более узком интервале температур и с относительно небольшими обжатиями. И в этих случаях на свободных поверхностях торцов (при вытяжке на оправке) или обода (при осадке), как правило, образуются рванины, глубина которых непрерывно увеличивается по мере продолжения ковочного процесса. Поэтому следует всемерно стремиться к созданию более «мягкой» технологической схемы ковки, которая, например, при изготовлении поковки трубной решетки (рис. 57, г) может выразиться в замене слитка весом 2,5 т на вес 4,68 т (из сортамента H3J1) с выходом двух поковок. Такая замена приводит к уменьшению длины исходной заготовки перед осадкой с 1070 до 650 мм (за счет увеличения ее диаметра до 600 мм) и к уменьшению общей степени осадки с 10,7 до 6,5, что существенно снижает опасность разрывов металла и в то же время не оказывает заметного влияния на ухудшение качества поковки в металлургическом отношении. В данном случае отрицательные моменты использования более крупного слитка играют менее существенную роль, чем повышение пластических возможностей стали в связи с резким уменьшением степени осадки при формировании поковок. Аналогично уменьшается степень осадки и при выполнении поковок диска (рис. 57, д) из слитка обычной формы вместо удлиненной.
Вторым мероприятием, создающим более надежные предпосылки для выполнения этой группы поковок без глубоких рванин и трещин, является обдирка промежуточной заготовки. При наличии в стали значительных количеств" ферритной фазы, обусловленных неблагоприятным сочетанием элементов химического состава, операция обдирки как фактор, повышающий запас пластичности металла, способствует резкому снижению количества и глубины разрывов металла в наиболее напряженных местах поковки, особенно при осадке и вытяжке на оправке. В практике H3J1 обдирка заготовок производится после биллетирования слитков и подготовки их под осадку. При этом толщина снимаемого слоя металла не превышает обычно 8—10 мм.
При изготовлении поковок типа патрубков, трубных решеток, дисков (рис. 57, б, г ид) из сталей 0Х18Н10Т, Х18Н9Т целесообразно использовать стали плавок с ограниченным содержанием элементов, вызывающих увеличение α-фазы. Выплавка стали по особым технологическим инструкциям или специальный подбор плавок по признаку оптимального сочетания главнейших компонентов химического состава в большинстве случаев оказывали решающее влияние на повышение запаса пластичности стали.
Выше отмечалось влияние температуры нагрева стали, содержащей в исходном состоянии большое количество α-фазы, на деформируемость слитков. Нагрев до температуры выше 1180—1200° С во многих случаях приводил к грубым рванинам и даже к разрушению слитков и заготовок из стали 0Х18Н10Т и Х18Н9Т с низким содержанием углерода, главным образом на операциях осадки, прошивки и вытяжки на оправке. Допустимые степени деформации за один ход пресса или удар молота при выполнении поковок из этих сталей более низкие, чем для стали Х18Н9. Количество выносов для подобных поковок примерно в 1,5 раза больше, общая чувствительность к технологическим отклонениям повышенная. Откованные поковки охлаждаются на воздухе.
Термическая обработка в виде закалки (аустенизации) от 1080— 1100° С с охлаждением в воде или на воздухе производится либо в черном виде (при отсутствии грубых поверхностных дефектов), либо после обдирки с припуском 5—10 мм. Некоторые поковки, например диски компрессорных машин, после закалки подвергаются отпуску при 800—830° С, целью которого является сведение к минимуму внутренних напряжений. Отпуск устанавливается обычно только для деталей сложной формы, имеющих переменное сечение и склонных к короблению при чистовой механической обработке.
Поковки ответственного назначения подвергаются контролю макроструктуры путем осмотра травленых поверхностей, ультразвуковой дефектоскопии и испытаниям механических свойств. Опытом производства установлено, что макродефекты в поковках, как правило, не обнаруживаются. Весьма редкими являются и случаи грубых внутренних дефектов металла, выявляемых ультразвуком. В большинстве случаев обнаруживаемые дефекты представляли собой единичные мелкие неметаллические включения размером (в эталонном сравнении) не более 4 мм или отдельные цепочки включений размером до 2—3 мм. При разрезке и детальном исследовании типичных поковок рассматриваемых форм отмечено плотное и однородное строение металла в разных зонах, в том числе и в центральной области. Это свидетельствует об эффективной заварке усадочных пороков слитка и надежности установленных параметров ковки.
Индивидуальные испытания крупных серий поковок (рис. 57) дают возможность судить об уровне их механических свойств.
В табл. 44 даны предельные значения показателей прочности и пластичности некоторых групп поковок, откованных из разных плавок стали Х18Н9. Показатели ударной вязкости в таблице не приведены, так как во всех случаях (при температурах 20, 300 и 530° С) они соответствуют значениям более 19 кГ-м/см'2. Твердость колеблется в пределах Η В 143—156.
Данные, приведенные в табл. 44, относятся к состоянию поковок после закалки (аустенизации). Аналогичные поковки из стали Х18Н9Т после закалки и отпуска имеют несколько более высокие значения механических свойств. Для сопоставления в табл. 45 приведены результаты испытаний тангенциальных образцов от четырех дисков, откованных из стали одной плавки (химический состав, %: 0,08 С; 0,46 Si; 1,15 Μη; 17,4 Сг; 10,0 Ni; 0,60 Ti; 0,018 S; 0,021 Ρ).