Хромистые стали для литых деталей

О применении литых 12%-ных хромистых легированных сталей в паро- и газотурбостроении для ответственных деталей турбин п котлов до недавнего времени было мало известно. В отечественной практике в последнее время сделаны попытки использовать стали этого класса (XI1Л и Х11ЛБ) для изготовления паровых турбин (внутренние цилиндры и сопловые коробки). Трубопроводы, выполненные из 12%-ных хромистых сталей, выгоднее всего соединять с арматурой из аналогичной стали. При этом будет наиболее удачно решен вопрос однородности сварных соединений, их работоспособности и надежности при рабочих температурах.

Отсутствие опыта применения литой арматуры из высокохромистых сталей объясняется прежде всего тем, что конструкторы предпочитают иметь весьма дорогие цельно- и сварно-кованые конструкции вместо дешевых и конструктивно значительно более удачно выполненных литых. Фасонное литье позволяет иметь не только более совершенные по форме конструкции, но и в несколько раз более дешевые, чем любая цельнокованая или свар- нокованная конструкция.

За последние годы техника производства фасонного литья значительно улучшилась в результате применения более совершенной металлургической технологии, контроля качества фасонных отливок с помощью гамма- и рентгенодефектоскопии, цветной дефектоскопии и других методов, обеспечивающих вполне надежный контроль качества литья. Например, удалось применить, несмотря на большие трудности, гораздо менее технологичное по сравнению с хромистыми сталями литье из аустенитных сталей ЛА-1 и ЛА-3 для самых ответственных деталей паровых турбин СВК-150 , арматуры и других деталей блоков сверхвысоких параметров.

ЦНИИТМАШем совместно с Венюковским арматурным за-водом после проведения ряда работ на базе 12%-ной хромистой, легированной молибденом, вольфрамом и ванадием стали была создана новая марка литой хромистой стали ЦЖ-5 (12X11В2НМФЛ) для арматуры паропроводов, рекомендованпая для рабочих температур до 610 °С. Применение аустенитных сталей при этой температуре экономически не оправдывается, а известные перлитные стали не обладают достаточной жаропрочностью и коррозионной устойчивостью. Для турбинного литья предложены стали Х11ЛБ и ХИЛА. Химический состав литых сталей.

изучение микроструктуры

металл, обработанный алюмобариевокальциевой лигатурой

Сталь ЦЖ-5 имеет основу стали ЭИ756, но в ней повышено содержание никеля (в среднем до 1%) с целью не-сколько сузить область 6(a)- феррита и уменьшить количество свободного феррита. Сталь Х11ЛБ имеет основу стали ЭИ802, а сталь ХИЛА — основу стали 15X11МФ.

К недостаткам стали 12X11В2НМФЛ, как и всех сталей с большим количеством хрома (^— 12%), следует отнести значительную склонность к зональной и дендрит-ной ликвации, что приводит к структурной неоднородности, не всегда устранимой термической обработкой. Введение в эти стали малых добазок редкоземельных элементов позволило существенно повысить структурную однородность крупных отливок. Опыты проводили на промышленных плавках стали ЦЖ-5, выплавляемой в 4-г дуговой электропечи с основной футеровкой. Из стали изготавливали отливки — корпуса вен-тиля — весом 1,3 т.

Во всех случаях плавку вели с длительным и интенсивным кипом под белым шлаком. В процессе плавки периодически контролировали химический состав металла и шлака, отбирали технологические пробы. Малые добавки вводили в ковш при температуре металла 1600—1620 °С (по термопаре погружения).

Наиболее интересным является влияние малых добавок на макроструктуру отливок. Макроструктура термически обработанного корпуса из плавки с присадкой алюмобариевокальциевой лигатуры характеризуется отсутствием резко выраженной зоны направленной кристаллизации, обычно свойственной нержавеющим сталям, и мелким зерном. Контрольный корпус, отлитый без присадок, и корпус из металла с добавкой металлического кальция имеют сильно развитую зону направленной кристаллизации и крупное зерно. Это указывает на избирательность воздействия поверхностно активных элементов, видимо, зависящую от химического соста-ва стали.

При изучении микроструктуры обнаружено, что металл, обработанный алюмобариевокальциевой лигатурой, имеет мелко-зернистое строение, структурно более однороден, свободный феррит в нем расположен значительно равномернее и имеет меньшую величину зерен. Границы зерен метала всех трех плавок имеют одинаковый вид. Наибольшее влияние такого изменения структуры сказалось на ударной вязкости, общий уровень которой несколько повысился, а критическая температура хрупкости сместилась в сторону отрицательных температур. Механические свойства при 20 °С в различных зонах отливки, из которой видно, что при технологически правильной обработке промышленной плавки стали ЦЖ-5 алюмобарневокальцневой лигатурой можно значительно уменьшить влияние масштабного фактора.

Ударная вязкость

сохраняет высокие значения после старения

Проба взята в районе питателей.

Ударная вязкость сохраняет высокие значения после старения при 600 °С в течение 5000 час.; при этом предел текучести снижается незначительно, в среднем с 57 до 52 кГ/мм2, что связано с процессами разупрочнения и коагуляции. Химический анализ электролитических осадков показывает, что содержание хрома и ванадия в а-фазе и в карбидах изменяется мало, а содержание молибдена и вольфрама возрастает в карбиде и уменьшается в сх-фазе с увеличением температуры старения и времени выдержки. Рентгеноструктурным анализом осадков удалось установить, что наряду со сложным карбидом Ме2зСб образуется интерметаллическая фаза Лавеса МА(МВ)2, содержащая железо, хром, молибден и вольфрам.

Оптимальным режимом термической обработки стали ЦЖ-5 является: а) гомогенизация при 1090 ± 10 °С, 3 часа, охлаждение на воздухе; б) нормализация при 1050 ± 10 °С, 3 часа, охлаждение на воздухе; в) отпуск 700—730 °С, 5 час. (или 680 °С — 10 часов), охлаждение с печью. Применение более высоких температур гомогенизации приводит не к выравниванию структуры, а к росту зерна, в первую очередь феррита.

Исследование кинетики распада аустенита при непрерывном охлаждении показало, что сталь ЦЖ-5 не чувствительна к скорости охлаждения, если она превышает 250 °С/час. Полный распад аустенита в перлитной области наблюдается только при скорости менее 250 °С/час, при большей скорости он протекает в промежуточной и перлитной областях.

Как видно, жаропрочные свойства сталей ЦЖ-5 и Х11ЛБ близки, что и следует из их химических составов, отличающихся только но содержанию вольфрама и углерода. Однако повышенное содержание вольфрама, как было показано ранее, сказывается главным образом при температурах выше 600 °С; в данном случае это можно установить, правда, весьма приближенно, при сравнительной оценке длительной прочности с помощью параметрического метода, являющегося более структурно-чувствительным, чем обычный метод оценки в двойных логарифмических координатах lga — IgT.

Критические точки стали

различной выдержки меняются незначительно

Обе марки стали приблизительно равноценны в интервале температур 565—600 °С. При температуре выше 600 °С преимущества по жаропрочности имеет сталь ЦЖ-5, более легированная основным упрочняющим элементом — вольфрамом. Окис- ляемость обеих марок стали в интервале 580—610 °С в среде пара и увлажненного (15% Н20) воздуха приблизительно одинакова и не превышает 0,10—0,15 мм/год.

Сварка стали Х11ЛБ производится электродами КТИ-10 на базе проволок ЭИ796, ЭИ798, ЭИ797, Х11МФН и 1X11 ВМФ при конечном составе металла шва, весьма близком к основному металлу. Подогрев перед сваркой до 300—350 °С, последующий отпуск сварного соединения при 700°С 5 час. или при 680 °С в течение 10 час.

Сталь ЦЖ-5 сваривается электродом ЦЛ-32 на базе проволоки 08X11ВФ, состав металла шва отличается от основного металла по содержанию молибдена (1,13%) и вольфрама (1,0%). Подогрев перед сваркой не ниже 350°С с последующим отпуском при 730° С в течение 7 час.

Для отливок из 12%-ных хромистых сталей наиболее целесообразно применять крепежные материалы с одинаковым коэффициентом линейного расширения, т. е. стали того же класса.

Крепежные стали на базе 12%-ных хромистых сталей еще не получили достаточного применения, но в настоящее время проводятся большие работы по их изысканию и промышленному освоению 132

В результате работы ЦНИИТМАШа и ЦНИИЧЕРМЕТа была предложена релаксационностойкая сталь марки ЭИ993. Крепежные стали, имеющие обычно повышенное содержание углерода, трудно свариваются, что ограничивает их применение для других целей.

Критические точки стали: Ас = 900 °С; Асз = 950 °С. Механические свойства при 20 °С после старения при 600 °С и различной выдержки меняются незначительно.

Коэффициент линейного расширения и теплопроводность у стали ЭИ993 приблизительно такие же, как у всех сталей на базе 12% Сг.