Глава VII

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПЫТ ПРОИЗВОДСТВА ПОКОВОК

ИЗ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ

МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА

18. Поковки из нержавеющей стали 2x13

Валы турбомеханизмов

Типичные поковки валов с обдирочными контурами деталей показаны на рис. 28. Геометрической особенностью их являются относительно небольшие размеры поперечного сечения по сравне­нию с общей длиной. Чистовые диаметры концевых участков в области шеек составляют у некоторых валов всего 60—80 мм при длине валов более 2000 мм. Это обстоятельство осложняет производство таких поковок, так как, во-первых, требуются спе­циальные приемы ковки, гарантирующие отсутствие в валах внутренних разрывов металла и обеспечивающие минимальные напуски и припуски на шейках во избежание загрязнения их по­верхности осевыми дефектами слитка, а, во-вторых, термообработка валов должна производиться в вертикальном положении из-за склонности их к короблению. При отсутствии вертикальных печей выполнение поковок почти неизбежно сопровождается правкой после термообработки и дополнительным отпуском для снятия напряжений. Кроме того, окончательный отпуск должен сопро­вождаться медленным охлаждением поковок в печи, так как валы рассматриваемой конструкции склонны к деформации в процессе чистовой механической обработки вследствие перераспределения остаточных напряжений. Перечисленные особенности валов су­щественно сказываются на технологических приемах ковки и вы­боре рациональной схемы обработки поковок из стали 2X13.

К основным задачам, решение которых потребовалось при ос­воении производства валов, относятся следующие:

1. выбор условий деформирования, обеспечивающих отсутствие в поковках валов внутренних разрывов металла;

2. выявление рациональной исходной заготовки и формы по­ковки вала;

3) назначение оптимальной схемы механической и термической обработки поковок.

Сталь 2X13 относится к группе высоколегированных сталей, склонных к образованию при ковке валов внутренних продольных трещин — разрывов металла. Ковка производится на 3-тонном молоте с использованием комбинированных бойков — нижнего — вырезного и верхнего — плоского. В начальный период производства

большое количество поковок оказывалось пораженными внутрен­ними трещинами, расположенными главным образом в концевых участках вала. Трещины, как правило, не выходили на торцо­вую поверхность и обнаруживались при отрезке пробных брусков для механических испытаний. Впоследствии был установлен ультразвуковой контроль, которым достаточно четко определялись расположение и размеры трещин. Разрезка большого количества валов показала, что трещины имеют самую разнообразную форму, а по размерам отличаются большим диапазоном значений — от мелких, едва видимых невооруженным глазом, до крупных, зани­мающих зону внутренней половины радиуса заготовки. В продоль­ном направлении трещины залегали прерывисто, распространяясь иногда на всю длину вала.

Известно, что при ковке круглых заготовок наиболее благо­приятная схема напряженного состояния в процессе деформиро­вания достигается применением двух полукруглых вырезных бойков с радиусом фигуры меньше радиуса заготовки или двух угло­вых вырезных бойков с углом развала 90—110°. Но нередко в кон­кретных условиях цеха оказывается необходимым использовать комбинированные бойки (верхний — плоский, нижний — вы­резной), имеющие универсальное применение. Поэтому изыска­ние благоприятных технологических условий ковки проводилось применительно к таким бойкам.

Задача заключалась в том, чтобы, во-первых, подбором соответ­ствующего угла развала нижнего вырезного бойка и режима обжатий обеспечить отсутствие или, по крайней мере, мини­мальное развитие растягивающих радиальных напряжений в центральной зоне заготовки и, во-вторых, за счет температурного фактора создать в период обкатки вала условия повышенной пла­стичности металла, при которой вероятность образования внут­ренних трещин резко уменьшается.

Вырезные бойки используются с углом развала 100°. Техноло­гической схемой предусматривается следующая последователь­ность ковочных операций: протяжка слитка (или заготовки) в квадратном сечении на плоских бойках до размера, соответству­ющего диаметру бочки, сбивка углов, обкатка бочки и соседних участков на заданный размер, формирование тонких концевых уча­стков вала в специальных круглых обжимках. Таким образом, объем деформации при обкатке в комбинированных бойках, способной вызвать образование внутренних разрывов металла, относительно невелик. Ковка производится в интервале температур 1190—900° С с большими единичными обжатиями, что также способствует уменьшению внутренних растягивающих напряжений. Повышение запаса пластичности металла при обкатке достигается промежу­точным подогревом заготовки до 1150—1160° С. Температура конца ковки не допускается ниже 900° С, в случае необходимости дается дополнительный подогрев. Если часть нагреваемой заго­товки в дальнейшем не подвергается какой-либо объемной деформа­ции, то температура подогрева, как правило, не превышает 1050 1070° С.

Промежуточный высокий подогрев заготовки перед обкат кой влечет за собой повышенную температуру конца ковки вала, особенно в области бочки. Разрезкой и механическими испыта­ниями опытных валов, откованных в обычных производственных условиях, а также специально проведенными экспериментальными работами, выявлено, что окончание деформации при температуре до 1070° С не вызывает какого-либо снижения механических свойств. В табл. 16 приведены механические свойства партии опыт­ных валов из стали одной плавки (химический состав, %: 0,19 С; 0,21 Si; 0,40 Μη; 13,1 Cr; 0,021 S; 0,014 Ρ), откованных из заго­товки квадратного сечения (200x200 мм) при разных температу­рах.

Не отмечено также снижения механических свойств валов после двухчасовой выдержки в нагревательной печи при 1050—1070° С окончательно откованных поковок или часовой выдержки при ковочной температуре 1160° С. В табл. 17 даны механические свойства валов, выдержанных после ковки в течение 1 ч при тем­пературе 1160° С (без последующей деформации).

Результаты исследований подтвердили возможность преиму­щественного использования при изготовлении валов верхней зоны температурного интервала ковки без каких-либо опасений в отно­шении качества металла поковок.

Длительным опытом установлено, что ковка валов по приве­денной выше схеме обеспечивает отсутствие в поковках внутрен­них разрывов — трещин. Последние обнаруживались только в тех случаях, когда операция обкатки производилась при пониженной температуре (менее 900° С) или при проведении этой операции в очень разработанном нижнем вырезном бойке, когда в резуль­тате увеличения профиля выреза значительно уменьшалась длина контакта между бойком и заготовкой и по существу условия деформирования приближались к деформированию под плоскими бойками.

Высокие требования к качеству поверхности шеек валов, на которой не допускаются золосовины, неметаллические включения и другие дефекты металлургического происхождения, вызвали в на­чальной стадии освоения высокий процент брака поковок. При макроконтроле травленых поверхностей шеек на многих из них обнаруживались мелкие и тонкие, подобно штрихам, участки по­вышенной травимости, в которых залегали цепочки высокодисперс­ной неметаллической фазы. В отдельных местах имелись наруше­ния сплошности металла. Изучение природы дефектов и анали ι элементов технологического процесса привели к заключению, что дефекты являются ликвационными выделениями и наличие их на поверхности шеек связано с двумя факторами: большими напу­сками и припусками на механическую обработку в зоне шеек и по­вышенным весом исходного слитка, в котором имеют заметное раз­витие ликвационные явления.

Относительный съем металла в виде стружки в первом варианте поковок, обозначенный на рис. 28, а и б штриховыми линиями, достигал в местах расположения шеек от 75 (рис. 28, а) до 86% (рис. 28, б). Снимаемый металл соответствовал наружному слою слитка, и являлся наиболее чистым. Металл поверхности шеек от­носился к глубинной зоне слитка, загрязненной ликватами и дру­гими металлургическими дефектами. Следовательно, появление дефектов на поверхности шеек может быть уменьшено путем со­кращения напусков и припусков, что и выполнено на измененных вариантах поковок, показанных на рис. 28, а и б сплошными ли­ниями. При этом съем металла на концевых участках уменьшился по сравнению с первоначальными вариантами в 1,5—2 раза, что обеспечило выполнение поверхности шеек из более качествен­ной зоны слитка.

В поковке вала, изображенной на рис. 28, б, резкое уменьшение напусков в области шейки достигнуто обжимом участка металла между двумя фланцами специальной оправкой. В некоторых ва­лах уменьшение диаметра получено за счет уменьшения припусков и более точной ковки в обжимках. Одновременно уменьшен вес слитков. Вместо ранее применявшихся слитков весом до 2 т был установлен максимальный вес 1,18 т. Отмечено, что ковка валов из таких слитков дает лучшие результаты, чем из исходной заго­товки в виде проката.

Проведенные мероприятия позволили резко снизить брак поко­вок, выявляемый при макроконтроле шеек.

После изотермического отжига, совмещенного с охлаждением горячих поковок в печи, по схеме, приведенной в гл. V, п. 13, валы подвергаются термообработке, которая должна обеспечить следую­щие нормы механических свойств на продольных образцах: σ₀,₂ ≥45 кГ/мм²·, σ_в ≥ 63 кГ/мм²; δ ≥ 20%; ψ ≥ 45%; а_н ≥ 7 кГм/см². Эти нормы достигаются закалкой валов в масле или на воздухе и последующим отпуском. Из табл. 18 видно, что закалка в масле дает несколько более высокие показатели, но при σ_0,2 > 45 кГ/мм² общий комплекс механических свойств, полу­чаемых при закалке на воздухе, с достаточным запасом обеспечи­вает нормы, установленные техническими условиями.

Первоначально термообработка валов производилась в черном виде. Такой процесс, с одной стороны, был установлен для упро­щения технологической схемы обработки и, с другой — для умень­шения коробления поковок при нагреве в горизонтальных печах: после обдирки склонность валов к короблению вследствие уменьшения их поперечных размеров резко повышается. Опыт про­изводства показал, однако, что закалка валов в черном виде (даже на воздухе) приводит к развитию мелких поверхностных трещин, плен и других пороков металла, имеющихся на черной поверхности поковки, и к повышенному браку по наружным дефектам, выяв­ляемым при обдирке и чистовой механической обработке. Подобное явление, разумеется, не характеризует все поковки, откованные из стали любых плавок; во многих случаях при использовании слитков повышенного качества результаты термообработки в чер­ном виде получаются вполне удовлетворительными. Но в условиях крупносерийного производства этот процесс не является надеж­ным, так как качество слитков из стали 2X13, заливаемых сверху, нестабильно, а ковка валов, как правило, производится с горя­чего посада и, следовательно, без предварительного адъюстажа слитков. Статистическим анализом установлено, например, что из 255 валов, откованных из стали 12 плавок, по дефектам поверхности после термообработки было забраковано 48 валов, т. е. около 19%. При этом поковки, откованные из сталей двух плавок, оказались полностью годными, а брак валов, откованных из сталей остальных плавок, распределялся по отдельным плавкам в довольно широком диапазоне (от 8 до 60%).

С переходом на термообработку поковок в ободранном состоя­нии брак валов по дефектам поверхности практически был ликви­дирован. Редкие случаи брака связаны с наличием на поверхности откованных валов надрывов или глубоких плен, превосходящих величину припуска, но не с развитием этих дефектов при термо­обработке. Операция обдирки введена без дополнительного уве­личения припуска на механическую обработку. По отношению к обдирочным размерам номинально снимаемый слой металла от­носительно невелик, но с учетом имеющихся напусков и наиболее частого выполнения поковок с плюсовым допуском этот слой ме­талла, как правило, достаточен для удаления поверхностных де­фектов. При наличии отдельных пороков металла, оставшихся после обдирки, они удаляются до термообработки специальной зачисткой наждачным кругом.

Нагрев поковок под термообработку производится в горизон­тальных печах с выдвижным подом. Учитывая склонность ободран­ных валов к короблению, большое внимание должно уделяться их правильной загрузке в печь и укладке на подину. Во избежание провисания и неравномерности нагрева валы располагаются на лежках или специальных подставках с соблюдением необходимых зазоров между ними для свободной циркуляции газов. Посадка валов производится при температуре, не превышающей 400— 500° С, нагрев до 700—800° С осуществляется со скоростью не более 50—60 град/ч.

После часовой выдержки при закалочной температуре (1020— 1040° С) валы снимаются с подины и охлаждаются на спокойном воздухе. Попытка упрощения процесса термообработки путем ох­лаждения поковок на выдвинутой подине (без разгрузки) не дала положительных результатов, так как вследствие недостаточной и неравномерной скорости охлаждения ударная вязкость валов, а в отдельных случаях и свойства прочности оказывались ниже обусловленных норм.

Во избежание образования трещин разрыв во времени между закалкой и посадкой валов на отпуск не превышает 1,0—1,5 ч. Случаи появления трещин в валах при более длительном разрыве в практике наблюдались неоднократно. Температура печи при по­садке валов на отпуск находится в пределах 400—500° С, скорость нагрева до температуры отпуска (760—780° С) — 50—70 град/ч, длительность выдержки — 4 ч.

Первые партии поковок медленно охлаждались в печи с тем­пературы отпуска до 300° С с целью максимального снятия вну­тренних напряжений. Практикой установлено, что и в этом случае наиболее тонкие валы деформируются при чистовой ме­ханической обработке, поэтому в комплекс термических операций был введен дополнительный отпуск для снятия напряжений с мед­ленным охлаждением поковок в печи после отрезки пробных бру­сков и механической обработки с припуском 3—4 мм на сторону.В связи с этим медленное охлаждение валов после первого отпуска оказалось бесцельным и новым режимом термообра­ботки предусмотрено охлаждение на воздухе. Дополнительный отпуск для снятия напряжений проводится при температуре 600—650° С с выдержкой 4 ч и медленным охлаждением в печи до 300° С. Обработка по такой технологической схеме исклю­чила деформацию валов при чистовой механической обработке. Установленная последовательность термообработки и механи­ческих испытаний валов имеет, однако, существенный недостаток: конечной операцией термообработки является отпуск для снятия напряжений с медленным охлаждением поковок в печи, испытания же проводятся после закалки и отпуска с охлаждением поковок на воздухе. Поскольку температура последнего отпуска более чем на 100° С ниже температуры предыдущего отпуска, то каких-либо сомнений в отношении возможного изменения прочностных пока­зателей нет. Однако склонность стали 2X13 к отпускной хрупкости вызывает опасения в стабильности значений ударной вязкости. Действительно, контрольные испытания окончательно обрабо­танных валов показали снижение величины а_н против значений, полученных при штатных испытаниях.

Снижение ударной вязкости в зависимости от плавки колеб­лется обычно в пределах от 5 до 20%. Результаты испытаний одной из опытных партий валов после закалки и отпуска с охлажде­нием на воздухе и после дополнительного отпуска для снятия напряжений с медленным охлаждением в печи до 300° С приведены в табл. 19. Соотношения а_н, полученные при испытании валов, откованных из других плавок, аналогичны данным табл. 19. Сле­довательно, медленное охлаждение валов из стали 2X13 после от­пуска не вызывает резкого снижения ударной вязкости, но тем не менее при известных условиях оно может привести к значе­ниям а_н ниже требуемой нормы. Опыт­ными работами установлено, что такое явление нередко имеет место при термообработке валов на σ_0,2≥55—57 кГ/мм².

На рис. 29 показан график изме­нения пластических свойств валов после отпуска с медленным охлажде­нием в печи в зависимости от показа­телей прочности. Кривые построены на основании результатов испыта­ний опытных валов, откованных из одной плавки и термически обрабо­танных на разную твердость. Техни­ческими условиями не регламентиро­ван верхний предел прочности пока­зателей, поэтому при норме σ₀,₂ ≥45 кГ/мм² принципиально воз­можны случаи обработки валов и на σ₀,₂, превышающий 55—57 кГ/мм². Но технологической инструкцией это не допускается (даже при усло­вии удовлетворительных значений а_н, получаемых при механических ис­пытаниях) во избежание понижен­ной ударной вязкости валов после отпуска для снятия напряжений.

Изменение схемы испытаний с проведением их после дополни­тельного отпуска нецелесообразно, так как при этом на валах неизбежно остаются большие напуски, удаление которых после отпуска иногда приводит к деформации.

При нагреве под закалку и отпуск в горизонтальных термичес­ких печах наблюдается деформация валов, нередко превышающая припуски на механическую обработку. В этих случаях валы под­вергаются правке в полугорячем состоянии (при 600—650° С) на молоте или прессе. Обязательной операцией после правки является отпуск при температуре, которая на 50—70° С ниже температуры предыдущего отпуска.

Диски и покрышки компрессорных машин диаметром 1000 мм

Особенностью этих деталей (рис. 30) является относительно небольшая толщина полотна и обода по сравнению с высотой сту­пицы. Соотношение размеров в поковке диска неблагоприятно для эффективного деформирования центральной части диска, вы­сота которой достигает 355 мм. Покрышка в этом смысле более технологична: меньшая высота ступицы и больший диаметр отверстия способствуют лучшей проработке металла и удалению дефектной зоны слитка.

В отношении контроля качества металла к данным поковкам предъявляются такие же требования, как и к поковкам турбинных дисков: детали подвергаются индивидуальным испытаниям ме­ханических свойств, макроконтролю и ультразвуковой дефекто­скопии. Минимальные нормы механических свойств, установлен­ные техническими условиями (на тангенциальных образцах), еле- дующие: σ_0,2 = 60 кГ/мм², σ_в = 80 кГ/мм², δ = 14%; ψ = 45%, а_н = 5 кГм/см². Применительно к стали 2X13 приведенные нормы следует оценить как весьма высокие, особенно имея в виду сочетание показателей σ₀₎₂ и а_н.

Поковки дисков выполняются из слитков весом 2,5 т, поковки покрышек — из слитков удлиненной формы весом 3,53 т (на 2 шт.). Доставка и нагрев слитков производятся по режимам горячего посада.

Технологическая последовательность операций ковки диска такова: подготовка цапфы под патрон, биллетироваиие, рубка под­дона, осадка слитка до h — 500 мм, протяжка блока на диаметр 480 мм, рубка заготовки длиной 1050 мм, осадка на плите до h = 375 мм, разгонка полотна с обоих торцов раздвижными бой­ками с использованием подкладного кольца, прошивка отвер­стия диаметром 150 мм, отделка поковки. Все операции выпол­няются за четыре выноса в интервале температур 1200—880° С. При этом общая степень укова при вытяжке составляет около 2,0, при осадке заготовок (без учета предварительной осадки слитка) — 3,0.

Технология ковки покрышек, выполняемая за три выноса, со­стоит из операций биллетирования слитка на диаметр 480 мм, рубки двух заготовок длиной 950 мм, осадки до высоты ступицы, разгонки полотна и прошивки отверстия диаметром 400 мм. Таким образом, в противоположность диску покрышка выпол­няется без промежуточной осадки слитка с общей степенью укова (по ступице) около 3,5, практически получаемой только осадкой.

Поковки дисков и покрышек охлаждаются в печи с изотерми­ческой выдержкой при 730—760° С по режиму, установленному для ответственных поковок из стали 2X13 (см. гл. V).

Термическая обработка поковок, проводимая после обдирки, состоит из закалки в масле от температуры 1000—1020° С и после­дующего отпуска при 600—610° С длительностью 6 ч. Охлаждение после отпуска на воздухе. Первоначальный режим охлаждения заготовок в печи вызвал уменьшение ударной вязкости до значе­ний ниже 5 кГ-м1см². В данном случае, так же как и при термо­обработке валов на высокую прочность, заметно сказывается влия­ние отпускной хрупкости стали.

Анализ результатов механических испытаний производствен­ных дисков и покрышек свидетельствует о том, что термообработка по приведенному выше режиму обеспечивает вполне приемлемый уровень свойств пластичности и ударной вязкости при относительно высоких показателях прочности. При фактических значениях σ_0,2 = 65÷70 кГ/мм² и а_в = 80÷85 кГ/мм² (на тангенциальных образцах) значения δ, ψ и а_н находятся соответственно в пределах 17—20%, 55—60% и 5—7 кГм/см².

В табл. 20 приведены механические свойства четырех дисков, откованных из стали одной плавки, содержащей0,16% Си 13,3% Сr.

Повышение температуры отпуска дисков, откованных из стали этой же плавки, до 630—640° С привело к снижению предела текучести до 55—57 кГ/мм² (σ_β = 70—74 кГ/мм²) и повышению ударной вязкости до 8—10 кГм/см².

При разрезке и испытаниях различных зон одного из дисков установлена высокая степень однородности механических свойств металла по сечению: свойства прочности практически не изме­няются (σ_0,2 = 66—68 кГ/мм², σ_в = 82—85 кГ/мм²), колеба­ния в значениях относительного удлинения не выходят за пределы 16—18%, относительного сужения — 57—63% и ударной вяз­кости — 6—7 кГм/см².

По макроконтролю и ультразвуковой дефектоскопии произ­водственные поковки дисков и покрышек из стали 2X13 дают вполне надежные и стабильные результаты.

Поковки барабанов из слитков весом 19,5 т

Поковки барабанов (рис. 31) изготовлены из стали 2X13 сле­дующего химического состава, %: 0,18 С; 0,24 Si; 0,41 Μn; 12,9 Cr; 0,018 S; 0,015 Ρ, выплавленной в сорокатонной электропечи. В прес­совый цех слитки подавались в горячем состоянии с температурой на поверхности 600—670° С. После двухчасовой выдержки в на­гревательной печи при 730—750° С слитки за 8 ч были нагреты до ковочной температуры.

Поковки барабанов выполнялись за шесть выносов.

1. й вынос ■— ковка цапфы под патрон, биллетирование слитка на диаметр 1020 мм, рубка заготовки длиной 1950 мм\

2. й вынос — осадка заготовки до h = 1200 мм, двусторон­няя прошивка отверстия диаметром 500 мм\

3. й вынос — вытяжка на оправке до наружного диаметра за­готовки 1130 мм]

4. й вынос — вытяжка на оправке до диаметра 1020 мм\

5. й вынос — вытяжка на оправке до диаметра 920 мм;

6. й вынос — доводка поковки до заданных размеров.

Все ковочные операции выполнены на прессе усилием 3000 Т. Начальная температура нагрева слитков и промежуточных заго­товок равнялась 1230—1240° С, за исключением последнего вы­носа, в процессе которого проведены отделочные операции. В этом случае температура нагрева заготовки не превышала 1050—1080° С, а выдержка в печи — 1,0—1,5 ч. Температура конца ковки на ко­нечных и промежуточных операциях была в пределах 900—950° С. Ковка протекала в условиях достаточно высокой пластичности

стали. При биллетировании, осадке, прошивке и первых операциях вытяжки на оправке не отмечено каких-либо грубых дефектов в виде рванин и трещин. Поверхностные плены имели локальный харак­тер и толщина их не превышала 2—3 мм. Только после четвертого выноса на торцовых участках некоторых поковок, т. е. в зонах, наименее благоприятных в отношении схемы напряженного со­стояния и температурных условий деформирования, начинали появляться трещины, глубина которых на откованных барабанах не превышала 50—80 мм. В большинстве случаев трещины нахо­дились в пределах объема торцовой выпуклости. Общий вид по­ковки барабана показан на рис. 32.

Успешные результаты ковки (отсутствие грубой разностенности, относительно ровные торцы, минимальное развитие поверхност­ных дефектов) обусловлены строгим выполнением элементарных, но тем не менее очень важных технологических мероприятий: тепловой режим работы нагревательной печи обеспечивал равно­мерность прогрева слитка и промежуточных заготовок, осадка сбиллетированной заготовки производилась при строгом ее цен­трировании, поворот заготовки вокруг продольной оси во время вытяжки на оправке осуществлялся равномерно на один и тот же угол с примерно одинаковыми обжатиями. Схемой вытяжки пре­дусматривался первоначальный обжим концевых участков заго­товки с последующим переходом к середине, что создавало более благоприятные температурные условия деформации. Не допуска­лась вытяжка при температуре ниже 900° С.

Окончательно откованные барабаны охлаждались в печи до 200° С с предварительной изотермической выдержкой при 740— 760° С в течение 52 ч. Твердость поковок после такой обработки находилась в пределах Η В 140—160.

Обдирка барабанов подтвердила отсутствие глубоких поверх­ностных дефектов. Припуски на механическую обработку, уста­новленные по внутреннему и наружному диаметрам заготовки, оказались вполне достаточными для выхода чистовой детали. При-

пуски подлине, предусмотренные технологическим процессом глав­ным образом для компенсации возможных торцовых разрывов металла, оказались завышенными и на последующих партиях поковок уменьшены в 1,5 раза.

Поковки роторов с диаметром бочки до 750 мм из слитков весом до 5,2 т.

Поковки роторов из стали 2X13 используются, как правило, в турбомашинах, работающих в коррозионных средах, и по уровню прочности обрабатываются на σ_0ι2 = 40ч-45кПмм². К поковкам предъявляются высокие требования по однородности механических свойств и по физической однородности металла. Контроль осуще­ствляется травлением поверхностей и ультразвуковой дефектоско­пией. Технология производства поковок роторов вне зависимости от их размеров предусматривает использование для поковок слит­ков минимального веса, их горячий посад на нагрев под ковку и обязательную промежуточную осадку. Основные операции ковки (осадка и последующая вытяжка блока) проводятся в условиях интенсивных обжатий и повышенных температур металла. Перед каждой из этих операций заготовки подогреваются до предельно допустимой ковочной температуры. Вытяжка производится в ком­бинированных бойках: в верхнем — плоском, в нижнем — вырез­ном. Обжим и отделка концевых частей ротора заканчиваются при температуре не ниже 950° С во избежание появления внутрен­них разрывов металла.

Как правило, при условии выплавки и разливки стали в со­ответствии с установленными инструкциями технологическая пластичность металла оказывается достаточной для выполнения всех операций ковки без трещин и глубоких надрывов. Поковки охлаждаются с изотермической выдержкой при 730—760° С, дли­тельность которой зависит от диаметра бочки ротора (до 50— 60 ч). После обдирки поковки подвергаются термической обра­ботке: закалке с 1030—1050° С в масле или на воздухе и после­дующему отпуску при 760—780° С. Среда охлаждения при закалке (масло или воздух) устанавливается в зависимости от сечения бочки и производственных условий. Практикой установлено, что охлаждение при закалке на воздухе обеспечивает вполне прием­лемый уровень механических свойств даже при диаметре бочки до 700—750 мм, но охлаждение в масле способствует более стабиль­ным условиям закалки и, следовательно, более надежным резуль­татам термообработки.

В табл. 21 приведены механические свойства, полученные при испытании двух роторов (0,18% С, 12,3% Сr) с разными сечениями бочки после закалки в масле и на воздухе.

При макроконтроле и ультразвуковой дефектоскопии произ­водственных поковок роторов, как правило, не обнаруживались какие-либо дефекты, связанные с недостаточной плотностью и од­нородностью металла. В отдельных поковках ультразвуковым кон­тролем фиксировались импульсы, характерные для мелких неме­таллических включений. В большинстве случаев эти дефекты являлись включениями силикатного характера, расположенные в металле разрозненно в локализованных участках осевой зоны поковки. Разрезка и исследование одного из роторов, имеющих типичную картину концентрации мелких неметаллических вклю­чений, показали, что они не оказывают существенного влияния на механические свойства металла: наиболее неблагоприятная дефектная зона ротора при испытании ее на радиальных образцах не давала значений δ и ψ ниже 12,5 и 35%, что следует при­знать вполне приемлемым для надежной эксплуатации детали.

Были исследованы две поковки роторов (рис. 33) с диаметром бочки 750 мм, изготовленные из стали одной плавки (химический состав, %: 0,18 С; 0,25 Si; 0,4 Μη; 12,3 Сr; 0,029 S; 0,026 Ρ) и тер­мически обработанные по разным режимам. Поковки выполнялись из предварительно осаженных слитков весом 5,2/т шесть выносов.

Величина укова при вытяжке составляла по бочке ротора 2,1. После предварительной изотермической выдержки при 740—750° С в течение 40 ч поковки охлаждались в печи до 150° С.

Для термообработки роторов использовались горизонтальные термические печи, в связи с чем при обдирке установлены несколько повышенные припуски на окончательную механическую обработку (от 10 до 15 мм на сторону). Термическая обработка состояла из закалки с охлаждением одного ротора в масле, другого на воздухе и последующего отпуска. Нагрев под закалку проводили по следующему режиму: посадка в печь при 300° С с выдержкой при этой температуре 3 ч, нагрев до 720—740° С со скоростью

60—80 град1ч, выдержка 2 ч, нагрев до 1040—1060° С за 4,5 ч, выдержка 5 ч. Ротор, закаливаемый на воздухе, снимался с по­дины и устанавливался на специальной подставке. Режим отпуска обоих роторов таков: посадка в печь при 300° С, нагрев до 740— 760° С со скоростью 50—60 град/ч, выдержка 9 ч, охлаждение в печи до 280° С со скоростью 30—40 град/ч.

Деформация заготовок роторов после термообработки, выяв­ленная разметкой, оказалась незначительной и компенсировалась припуском на механическую обработку, поэтому правка не про­изводилась. Твердость металла по окружности бочки одного ро­тора (закаленного в масле) колебалась в пределах ΗВ 187—197, перепад твердости между бочкой и концами не превышал ΗВ 15. Аналогичную твердость имел и другой ротор, охлажденный при закалке на воздухе.

Результаты штатных механических испытаний обоих роторов на тангенциальных образцах от бочки и продольных — от концов приведены в табл. 21 (диаметр бочки 720 мм). При макроконтроле шеек и торцовых поверхностей бочки после травления, а также ультразвуковой дефектоскопией никаких дефектов в заготовках не обнаружено.

Для исследований из середины бочек обоих роторов вырезали по одному диаметральному темплету шириной 120 мм, которые после шлифовки, травления и макроконтроля торцовых поверх­ностей использовали для изготовления продольных, тангенциаль­ных и радиальных образцов. Макроконтроль темплетов подтвердил отсутствие в сечении бочек каких-либо видимых пороков металла.

Образцы для механических испытаний отбирались из трех зон по радиусу: центральной в пределах диаметра 100 мм, средней трети радиуса и периферии. В табл. 22 приведены результаты ме­ханических испытаний разрывных и ударных образцов, которые дают представление о динамике изменения механических свойств металла в разных направлениях по сечению ротора.

Следует отметить удовлетворительный уровень прочностных характеристик роторов обоих вариантов при высоких значениях пластичности и ударной вязкости. В пределах каждого варианта термообработки показатели механических свойств отличаются близкими значениями в продольном, радиальном и тангенциальном направлениях. Наблюдается тенденция к снижению показателей δ и ψ в направлении от периферии к центру, но при этом коэффициент снижения относительно невелик и даже в центральной зоне абсолютные значения этих показателей находятся на вполне удовлетворительном уровне: δ > 18—20%, ψ > 40% при σ_{0 2} > > 40 ΚΓΙμμ^а.

Сопоставление вариантов термообработки роторов по резуль­татам исследования механических свойств металла свидетельствует о практической равноценности их применительно к поковкам рас­сматриваемых сечений.