книги из ГПНТБ / Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении

сталь 25Х2МФА, и обладающая более высокими характеристиками жаропрочности и релаксационной стойкости. Химический состав (в %) стали 25Х2М1Ф (ГОСТ 10500—63) следующий:

*=* 700° С; Аг3 «=< 790° С. Рекомендуемая техническими условиями термическая обработка стали 25Х2М1Ф состоит из двойной норма­ лизации (последовательно с 1030— 1050 и 950—970° С) и отпуска при 680—720° С с охлаждением на воздухе. Как показали иссле­ дования Т. И. Волковой, 3. Н. Петропавловской п В. 3. Цейтлина, выполненные на материале полупромышленной и промышленной плавок сталей 25Х2М1Ф, выплавленных в основных электродуговых печах, двойная нормализация и отпуск обеспечивают более благоприятные характеристики, чем однократная нормализация

соднократным же или двойным отпуском.

Втабл. 63 приведены, для сравнения, результаты испытаний при 525° С релаксационной стойкости стали 25Х2М1Ф после различных режимов термообработки. Испытания проведены по методу, предложенному И. А. Одингом, на кольцевых образцах при трех значениях начальных напряжений. Испытания про­ должались в течение 3000—4000 ч; результаты были экстраполи­

рованы до 10 000 ч.

63. Результаты испытаний релаксационной стойкости стали 25Х2М1Ф

Рассматривая данные табл. 63, видим, что релаксационная стойкость при нормализации с двойным отпуском выше, чем при двукратной нормализации с одинарным отпуском. Однако пла­

242

стичность при длительном разрыве оказывается наиболее высокой при последнем варианте термообработки, который обычно и реко­ мендуют. Технические условия предусматривают для стали 25Х2М1Ф после двойной нормализации и отпуска следующие

дующие: предел ползучести (деформация 1%) равен 7 кгс/мм2; предел длительной прочности примерно равен 14 кгс/мм2.

Были предприняты попытки применения крепежных деталей из стали 25Х2М1Ф для работы при температурах выше 535—540° С. Эксплуатация показала, однако, что релаксационная стойкость стали оказалась при этом недостаточной: наблюдалось охрупчи­ вание стали, вынужденное частое подтягивание шпилек и болтов приводило к их повреждениям, развивавшимся, как правило, вблизи первого витка резьбы. Такое поведение стали при темпе­ ратурах выше 540° С объясняется главным образом существенными различиями характеристик (табл. 64) ее кратковременной проч­ ности, длительной прочности и пластичности, релаксационной стойкости и коэффициента К чувствительности к надрезу при

Сталь 25Х2М1Ф чувствительна к отклонениям от установлен­ ного технологического процесса выплавки, термической обработки и пр. По данным П. А. Антикайна, отдельные плавки дают зна­ чительный разброс характеристик длительной прочности даже в тех случаях, когда образцы взяты из одного прутка и близки по твердости.

Сталь 20Х1М1Ф1ТР (ЭП182). Для крепежных деталей, пред­ назначаемых к эксплуатации при температурах до 560—580° С, разработана сталь 20Х1М1Ф1ТР, содержащая кроме хрома, молибдена и ванадия (как описанные выше стали 25Х1МФ и 25Х2М1Ф) еще титан и бор. Цель дополнительного легирования

/

этими элементами заключалась главным образом в измельчении зерна и упрочнении границ зерен стали. Химический состав (в %) стали 20Х1М1Ф1ТР следующий:

была выбрана сталь 20Х1М1Ф1 (ЭИ909), которая при многих достоинствах чувствительна к надрезам и при наличии их склонна к преждевременному разрушению. Введение бора и титана спо­ собствовало устранению этих недостатков.

Критические точки стали 20Х1М1Ф1ТР: Асг ^ 800 4-830° С, Ас3 с« 890 -г-9300 С. Л. Я- Либерман и М. Н. Соколова исследовали влияние температуры закалки в интервале 980—1050° С и отпуска при 600—740° С на механические свойства стали 20Х1М1Ф1ТР и пришли к выводу, что наилучшее сочетание ее свойств дости­ гается при закалке с 980— 1000° С в масле и отпуске при 680— 720° С с выдержкой при этой температуре, обеспечивающей полу­ чение предела текучести 70—80 кгс/мм2, и охлаждением на воз­ духе. С некоторым уточнением температуры закалки (970—990° С) такой режим термообработки рекомендован для этой стали тех­ ническими условиями на сталь для крепежных деталей энерго­ установок.'

Сталь обладает хорошей прокаливаемостью в сечениях, обычно используемых при изготовлении крепежных деталей. При терми­ ческой обработке стали 20Х1М1Ф1ТР, предназначаемой для изго­ товления гаек, температуру отпуска повышают по сравнению с указанной для болтов и шпилек на 15—30° С. Гайки к шпилькам и болтам из стали 20Х1М1Ф1ТР можно изготовлять из стали 25Х2М1Ф.

Коэффициент линейного расширения стали 20Х1М1Ф1ТР (в ин­

скими условиями требования к механическим свойствам стали 20Х1М1Ф1ТР при 20° С предъявляются для различных условий

4-7 кгс-м/см2. Применение этой стали с ат />80 кгс/мм2 не реко­ мендуется.

Было исследовано влияние длительного воздействия высоких температур на механические свойства стали 20Х1М1Ф1ТР. После выдержки в течение 10 000 ч при 450—500° С механические свой­ ства стали, определенные при комнатной температуре, не претер­ певают заметных изменений, и есть основания ожидать стабиль-

244

65. Механические свойства стали 20Х1М1Ф1ТР

ности их и при более продолжительных нагревах. После выдержки при 565° С наблюдается некоторое разупрочнение, которое ста­ новится более ощутимым после воздействия температуры 600° С. Механические свойства этой стали в условиях кратковременных испытаний при температурах 20, 450, 500, 565 и 580° С приве­ дены в табл. 65, а свойства, характеризующие ее жаропрочность, — в табл. 66.

При начальном напряжении 30 кгс/мм2 и температуре 565° С остаточное напряжение в стали 20Х1М1Ф1ТР через 10 000 ч составляет -—14,5 кгс/мм2. Более высокая твердость стали спо­ собствует повышению релаксационной стойкости. Повторное на­ гружение (подтягивание) способствует заметному повышению величины остаточных напряжений (до 20—25%). После закалки при температуре 980° С и последующего отпуска сталь не прояв­ ляет чувствительности к надрезу. Однако при повышении темпе­ ратуры закалки до 1050° С чувствительность к надрезу становится отчетливо выраженной, и образцы с надрезом при испытаниях на

245

длительную прочность разрушаются значительно скорее, чем гладкие. С учетом этого обстоятельства оптимальной температурой закалки следует считать ~980° С. Пластичность этой стали при длительности испытаний до 10 000 ч при температурах 565 и 580° С составляет не менее 5— 10%.

Сталь 20ХМФБР (ЭП44). Для высокотемпературных крепеж­ ных деталей паротурбинных установок сверхкритического давле­ ния применяют сталь 20ХМФБР на основе хрома, молибдена и ванадия с дополнительным легированием ниобием, церием и бором.

Оптимальное соотношение содержания V : С г» 4, которое пре­ дусмотрено в стали 20ХМФБР, как и в стали 20Х1М1Ф1ТР, создает условия для образования термически устойчивых карбидов ѴС. В сочетании с дополнительным легированием ниобием, бором и церием это обеспечивает высокую жаропрочность и релаксацион­ ную стойкость стали. Критические точки стали 20ХМФБР: Асх — = 810° С; Ас3 = 950° С; А гх - 690° С; Аг3 = 800° С.

Рекомендуемый режим термической обработки этой стали — нормализация с 1030— 1050° С и последующий ступенчатый отпуск при 600° С в течение 3 ч и при 700—720° С в продолжение 6 ч. Межведомственными нормалями и техническими условиями пре­ дусмотрено обеспечение при такой обработке следующих значе­ ний механических свойств, определяемых при кратковременных

>6 кгс-м/см2; НВ 255—286.

Винтервале температур 20—600° С коэффициент линейного расширения а-10е стали 20ХМФБР составляет 14,5 см/см-°С.

ции с 1040° С и ступенчатого отпуска при 600° С в течение 3 ч и при 725° С в продолжение 6 ч сталь 20ХМФБР характеризуется показателями кратковременной прочности, длительной прочности и пластичности, релаксационной стойкости и чувствительности к надрезу, приведенными в табл. 67.

Термическую обработку, состоящую из нормализации и сту­ пенчатого отпуска, по данным проведенных исследований можно рассматривать как наиболее эффективную для снижения чув­ ствительности стали 20ХМФБР к надрезу. Укрупнение аустенит-

246

67. Механические свойства стали 20ХМФБР

ного зерна снижает длительную пластичность хромомолибдено­ ванадиевых перлитных сталей при температурах около 550° С. Это следует учитывать при установлении режимов термической обработки каждой конкретной плавки и выбирать температуру нормализации с таким расчетом, чтобы она не приводила к замет­ ному росту аустенитного зерна. При этом, однако, необходимо добиваться оптимального сочетания свойств релаксационной

плуатируемых при высоких температурах, разработана сталь на основе 12% Сг, дополнительно легированная молибденом, воль­ фрамом, ванадием, ниобием и бором. Химический состав (в %) по ГОСТ 5632—61 модифицированной нержавеющей высокохроми­ стой стали 2Х12ВМБФР следующий:

подвергают термической обработке, состоящей обычно из закалки с 1030—1150° С в масле и отпуска при 650—720° С с охлаждением на воздухе. Межведомственными техническими условиями реко­ мендован следующий режим термообработки стали: закалка с 1030—1050° С в масле и последующий отпуск при 680—720° С с охлаждением на воздухе. Механические свойства этой стали, полученные на продольных образцах из прутков диаметром 90— 100 мм после закалки с 1050° С и отпуска при различных темпе­ ратурах, приведены в табл. 68.

Коэффициент линейного расширения стали ос-ІО6 в интервале температур 20—600° С составляет 12,15 см/(см-°С), теплопровод­ ность при 500—600° С равна 0,0655—0,085 кал/(см-с-°С). По этим показателям сталь 2Х12ВМБФР близка к другим высоко­ хромистым нержавеющим сталям мартенситного и мартенсито­ ферритного классов. Поэтому для цилиндров из таких сталей

247

68. Механические свойства стали 2Х12ВМБФР после закалки с 1050° С в масле при различных температурах отпуска

применяют крепежные детали из стали 2Х12ВМБФР. В гл. Ill были освещены достоинства упрочненных хромистых нержавею­ щих сталей, к категории которых относится и сталь 2Х12ВМБФР.

Однако в условиях длительного воздействия высоких темпе­ ратур наблюдается некоторая нестабильность структуры данной стали, влияние этой нестабильности на надежность работы стали 2Х12ВМБФР в качестве материала для крепежа может быть оценено по данным опыта эксплуатации. Сталь 2Х12ВМБФР при­ менена для крепежных деталей разъема внутреннего цилиндра высокого давления турбины К-300-240.

Характеристики жаропрочности стали 2Х12ВМБФР для дли­ тельности службы 100 000 ч при температурах 560 и 590° С сле­ дующие:

П р и м е ч а н и е . Значения остаточных напряжений после 10 000 ч получены экстраполяцией.

248

Для изготовления гаек, работающих с болтами и шпильками из стали 2Х12ВМБФР, могут быть использованы стали 15X11МФ и 1Х12ВНМФ. Можно применить для указанного назначения и сталь 2Х12ВМБФР, термически обработав ее на меньшую (при­ мерно на НВ 30—50) твердость, чем для болтов и шпилек.

АУСТЕНИТНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ

В качестве металла для болтов и шпилек, работающих при тем­ пературах до 650° С, применяют сталь ХН35ВТ (ЭИ612). Хими­ ческий состав (в %) этой стали следующий:

После закалки с 1080—1100° С в воде и двойного старения при температурах последовательно 850—900 и 700° С эта сталь обла­ дает благоприятным сочетанием релаксационной стойкости, дли­ тельной прочности и низкой чувствительности к концентраторам напряжений. Данные, характеризующие релаксационную стой­ кость стали ХН35ВТ при различных температурах и начальных напряжениях, приведены в табл. 70. Значения пределов ползу­ чести и длительной прочности стали ХН35ВТ для 10 000 и 100 000 ч при различных температурах следующие:

Сталь ХН35ВТ обладает высокой ударной вязкостью; после длительной выдержки стали при 650—700° С ударная вязкость несколько снижается, но ее уровень продолжает оставаться до­ статочно высоким. При использовании стали ХН35ВТ в качестве металла крепежных деталей необходимо учитывать присущие ей, как и другим аустенитным сталям, повышенное значение коэффи­ циента линейного расширения и низкую теплопроводность. Для нормальной работы фланцевого соединения необходимо, чтобы металлы сопрягаемых деталей обладали такой же способностью к термическому расширению, как и металл болтов и шпилек.

Сталь ХН35ВТ применена в качестве металла крепежных дета­ лей в предвключенной паровой турбине СКР-100 с начальными параметрами пара 300 ат (абсолютное давление) и 650° С.

В качестве металла крепежных деталей применяют также сталь ХН35ВТК, отличающуюся от стали ХН35ВТ по химическому со-

249

70. Релаксационная стойкость стали ХН35ВТ

получены экстраполяцией.

ставу в основном дополнительно введенным кобальтом (3,5— 4,5%). Релаксационная стойкость этой стали при 650 и 680° С характеризуется данными исследований, приведенными в табл. 71. Сталь ЭИ612К характеризуется высоким^ жаропрочностью и за­ пасом пластичности, а также отсутствием склонности к разруше­ нию в надрезах.

2Е0

72.Релаксационная стойкость сталей ХН35ВМТ, Х15Н24В4Т

иЗХ19Н9МВБТ

ХН35ВМТ

а записаны в графу для 5000 ч. 2. Некоторые значения остаточных напряжений после ІО 000 ч получены экстраполяцией,

251