Литые жаропрочные стали и их свойства
Жаропрочные материалы используются в основном в турбостроении, авиационной и нефтяной индустрии, а также в некоторых вторых отраслях машиностроения. Эти материалы должны владеть стабильностью свойств и структуры в ходе долгой эксплуатации, окалиностойкостью и стойкостью в отношении межкристаллитной коррозии.
На данный момент в энергомашиностроении для работы при температурах до 450° используется литая углеродистая сталь марки 25Л. При более больших температурах (450—530°) достаточно надежна низколегированная перлитная сталь марки 20ХМЛ.
Для энергетических установок, действующий при температуре 530—570°, в Советском Альянсе в последние 2—3 года используют сталь перлитного класса марки 15Х1М1Ф-Л. Для работы при температурах более чем 600° на данный момент используются литые стали аустенитного и аустенитно-ферритного класса, и сплавы на никелевой базе.
В табл. 1 и 2 приведены механические свойства и химический состав стали жаропрочных и жаростойких марок, обширно используемых в разных отраслях отечественного машиностроения. За истекшее десятилетие произведено большое количество самые ответственных и сложных крупногабаритных отливок паровых и газовых турбин.
Так, к примеру, для ЛМЗ (Ленинградский железный завод) поставлено пара наборов литых подробностей паровых турбин мощностью по 150 000 кет (СВК-150), и литые подробности для нескольких газовых турбин мощностью 12 000 кет (ГТ-12-3).
Обширно используемая для указанных выше отливок жаропрочная сталь ЛА1 относится к классу аустенитных сталей. В ее состав, в отличие от всех других литых аустенитных сталей, используемых в Советском Альянсе, входит 3% кобальта для увеличения пластичности стали в условиях долгого разрыва. При температуре 580—650° предел текучести данной стали образовывает около 50% от предела текучести при 20°.
Сталь ЛА1 стабильна при температуре 600—700°, но при 700° имеет заметное понижение ударной вязкости. Так, к примеру, в следствии старения при температуре 700° в час 100 и 1000 течение. механические особенности при растяжении фактически не изменяются.
Сталь ЛА4 предназначена для литых подробностей паровых и газовых турбин, действующий при температуре пара 650°. При температуре 650° сталь ЛА4 владеет удовлетворительными механическими особенностями, стабильностью структуры, жаропрочными особенностями, коррозионной стойкостью и есть в отличие от стали ЛА1 стойкой против межкристаллитной коррозии в электролите.
По предварительной оценке, сталь ЛА4 есть перспективной для литых подробностей, трудящихся в газовых средах при температуре 700°. При удовлетворительном сопротивлении ползучести (1 % за 100 000 час.), равном 4,5 кг/мм2 при 700°, металл двух умелых отливок продемонстрировал предел долгой прочности (за 100 000 час.) 6,5 и 6 кг/мм2.
Свариваемость стали JTA4 такая же, как и стали ЛА1, исходя из этого сваривают ее кроме этого электродами ЦТ-13-56, владеющими пара более низкой стойкостью против межкристаллитной коррозии в электролите, чем сталь JIA4.
В среде перегретого пара при 650° сталь ЛA4 владеет стойкостью против окалинообразования.
Выбор той либо другой марки стали определяется требованиями к отливкам по межкристаллитной коррозии. Подробности паровой арматуры, действующий при температуре 580° в течение долгого времени, изготовляют из стали марки ЛАЗ, созданной ЦКТИ. Как и сталь ЛА1, она есть сложнолегированной, чисто аустенит-ной и предназначена для долгой работы в среде пара при температуре 600°.
Сваривают сталь ЛАЗ электродами марки КТИ-5. В ходе заварки и сварки литейных пороков эта сталь владеет повышенной склонностью к образованию межкристаллитных надрывов и трещин, исходя из этого по технологическим особенностям она пара уступает стали марок ЛА1 и ЛА4.
Сталь 1Х18Н9Т-Л уже долгое время активно используется в индустрии. Из нее отливают подробности арматуры для паровых турбин, и подробности газовых турбин и других энергетических установок. Механические особенности данной стали в литом состоянии близки к особенностям кованого металла из той же марки стали.
Сталь марки 1X20H12T-Л, созданная ЦНИИТМАШем, предназначена для литых подробностей паровой арматуры вместо стали ЛАЗ.
Сталь 1Х20Н12Т-Л относится к группе жаростойких материалов, не склонных к межкристаллитной коррозии в среде электролита, и используется для изготовления литых частей арматуры паровых турбин, действующий при температуре 600°. Сталь находится в стадии промышленного освоения.
Прочностные особенности данной стали при 20° отвечают требованиям технических условий. ударная вязкость и Пластические свойства существенно превышают требования ТУ. При повышенной температуре от 20 до 500° С условный предел текучести стали понижается практически в два раза, нов промежутке температур 500—700° остается на уровне 10—13 кг 1мм2.
При отсутствии в стали 1Х20Н12Т-Л включений сигма-фазы, ударная вязкость ее как при комнатной, так и при повышенных температурах фактически не изменяется и находится на уровне-20 кгм!см2. Процесс старения при температуре 600—750° длительностью 3000 час. на структуру стали и механические свойства 1X20H12T-JI заметного влияния не оказывает.
Сталь 1Х20Н12Т-Л при наличии в ее структуре не меньше 1—2% ферритной фазы владеет хорошей свариваемостью, характеризуемой отсутствием тёплых трещин в наплавленном металле и в околошовных территориях и не имеет межкристаллитных надрывов.
Отношение содержания Cr/Ni должно быть не ниже 1,6—1,65 при среднем уровне содержания остальных элементов. Эти стали сваривают электродами ЦТ-15. Механические и жаропрочные особенности металла швов, выполненных этими электродами, превышают свойства главного металла.
Сталь марки Х25Н13Т-Л, созданная НЗ им. Ленина, активно используется для отливок газовых турбин типа ГТ-600-1,5 и ГТ-700-4 и имеет двухфазное строение —жёсткие растворы феррита и аустенита.
Аустенитно-ферритная сталь Х25Н13Т-Л используется с малыми добавками азота и без него. При большом содержании в стали азота (0,24%) феррит залегает маленькими участками по границам зерен аустенита. Сталь владеет хорошими технологическими особенностями, а также прекрасно сваривается. При больших температурах (до 700°) жаростойкая сталь марки 26-20 владеет удовлетворительными механическими особенностями.
По окончании старения при температуре 650—850° сталь 26-20 упрочняется незначительно, но быстро снижаются пластические особенности и особенно ударная вязкость. При долгом разрыве пластичность стали в основном менее 1%. Сталь 26-20 используется для литых подробностей с низкими рабочими напряжениями.
Аустенитная сталь ЭИ402 в индустрии еще мало используется, поскольку находится в стадии производственной проверки.
Сталь ЛА6, созданная ЦКТИ им. Ползунова и НЗ им. Ленина, есть аустенитной жаропрочной сталью. В отличие от стали ЛАЗ, она характеризуется отсутствием титана и ванадия, меньшим
держанием вольфрама и углерода и повышенным содержанием С
солидуса стали и Температуры ликвидуса ЛА1 определялись на двух плавках следующего состава в %:0,14С О 84 Si; 0,60 Мп;15,56 Сг 15,55 Ni; 2,0 Mo; 1,1 W 0,18 Ti; 2,80 Co; 0,015 P 0,031 S и 0,20 С; 0,92 Si 0,67 Mn; 16,83 Cr; 15,75 Ni 2,09 Mo; 1,20 W; 0,28 Ti 13 Co; 0,009 P; 0,013 S, и были равными для первой плавки 1413 и 1400° и для второй 1400 и 1388°.
Сопоставление жидкотекучести стали аустенитного класса типа ЛА1 и перлитной стали ЗОЛ (рис. 1) при разных температурах металла при заливке от 1400 до 1600° говорит о том, что при одной и той же температуре жидкотекучесть стали ЛА1 выше, чем углеродистой стали ЗОЛ, ввиду различия в температуре начала затвердевания, которая у стали ЗОЛ примерно на 100° выше по сравнению со сталью ЛА1.
С увеличением температуры металла в промежутке от 1400 до 1450° жидкотекучесть стали ЛА1 возрастает незначительно и очень заметно возрастает лишь с 1450°. Спирали, отлитые при разных температурах металла (рис. 2), подтверждают тот факт, что с увеличением температуры металла при заливке жидкотекучесть стали ЛА1 заметно увеличивается.
Из этого направляться, что отливку подробностей из стали ЛА1 и ей аналогичных направляться создавать металлом, нагретым не меньше, чем на 100° выше солидуса.
Мельчайшее количество неметаллических включений в разных плавках стали ЛА1 (табл. 3) появилось в плавке № 1, при которой заливки и температура выпуска самая высокая и образовывает соответственно 1762 и 1500°.
Установлено, что образцы из стали ЛА1, разлитой при пониженной температуре, равной 1430°, при опробовании на долгую прочность разрушались уже по окончании 9 час. опробования, а образцы из той же стали, но разлитой при еще более низкой температуре, равной 1420°, ломались в ходе изготовления в местах залегания окисных плен. Исходя из этого при производстве литья из стали аустенитных марок нужно выполнять оптимальную температуру разливки.
Рис. 1. Жидкотекучесть стали марок JIA1 (1) и ЗОЛ (2) в зависимости от температуры металла при заливке.
Рис. 2. Спирали, характеризующие жидкотекучесть стали ЛА1 в зависимости от температуры металла при заливке.
Неспециализированная величина линейной усадки углеродистой стали ЗОЛ (рис. 3), намерено определявшаяся для сопоставления с усадкой аустенит-ной стали, образовывает 1,9% и складывается из доперлитной усадки—1,25%, расширения — 0,08%, соответствующего перлитным превращениям, и послеперлитной усадки — 0,73%.
Рис. 3. Линейная усадка (2) стали ЗОЛ в зависимости от температуры металла при заливке.
Неспециализированная величина линейной усадки стали ЛA1 (рис. 4) в зависимости от температуры разливки образовывает 2,43—2,64 % и возрастает с понижением температуры металла при заливке.
В ходе кристаллизации металла при переходе из жидкого состояния в жёсткое, как известно, происходят объемные трансформации, сопровождающиеся образованием усадочных раковин.
Рис. 4. Линейная усадка (2) стали ЛА1 в зависимости от температуры металла при заливке (1).
Изучения в данной области говорят о том, что сталь аустенитного класса больше склонна к образованию усадочных раковин, чем сталь перлитного класса. На рис. 5 представлены кривые усадки стали марок ЗОЛ и ЛА1 и две Т-образные пробы. Первая проба отлита из стали ЗОЛ, вторая — из стали ЛА1.
Температура металла при заливке и в том и другом случае равна 1560° С. При сопоставлении темпле-тов этих проб и разрезав их по основной оси, видно, что сталь ЛА1 намного больше склонна к образованию усадочных раковин. Бессчётные лабораторные испытания и практически десятилетняя практика производства промышленного литья для турбин из аустенитной стали разных марок подтверждают повышенную склонность аустенитной стали к образованию усадочных раковин. Исходя из этого для получения плотных отливок используют прибыли, размер которых превышает прибыли на отливках из перлитной стали не меньше чем на 50%.
Рис. 5. склонность и Линейная усадка к образованию усадочных раковин в зависимости от температуры разливки стали марок ЛА1 и ЗОЛ: 1 — усадка стали ЛА1; 2 — усадка стали ЗОЛ; 3 — температура стали ЗОЛ; 4 — температура стали ЛА1.
С увеличением температуры металла при заливке отмечается повышение количества усадочных раковин, но это не дает основания снижать температуру металла, поскольку содействует появлению в отливках окисных плен, заворотов, других литейных и рыхлости пороков, приводящих отливку в брак согласно данным видам пороков. С понижением температуры металла при заливке аустенитных сталей быстро снижается его эффективность и жидкотекучесть действия доходов.
