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

пружины. Такой метод изготовления является нежелательным, так как волокна металла перерезаются и расположение их в пру­ жине оказывается неблагоприятным. Однако для пружин некото­ рых конструкций с большим сечением витка и небольшим наруж­ ным диаметром навивка оказывается неприменимой. Точеные пру­ жины испытывают так же, как и витые.

Рекомендуется проверка готовых пружин магнито-керосиновым или другими методами дефектоскопии. Пружины, на которых обнаруживаются поверхностные дефекты, подлежат забрако­ ванию.

Особое место занимают плоские пружины уплотнений, прямо­ линейные и изогнутые по радиусу, которые применяются в лаби­ ринтовых уплотнениях. В работе лабиринтовые уплотнения дол­ жны быть достаточно эластичными. Уплотнительные кольца ста­ тора выполняют разрезными; они состоят из нескольких (чаще всего шести) плотно пригнанных один к другому сегментов, кото­ рые прижимаются в направлении к центру плоскими пластинча­ тыми пружинами. Эластичность уплотнения в значительной мере зависит от того, как работают эти пружины. Фиксируя положение сегментов уплотнительных колец в специальных выточках, пру­ жины в то же время обеспечивают гибкость соединения в случае задевания вала.

К пружинам уплотнений предъявляют серьезные требования: их жесткость должна быть ограничена так, чтобы был возможен прогиб сегмента рукой; пружины не должны быть излишне гиб­ кими, так как при этом не будет обеспечена правильная установка уплотнительных колец, зазоры будут нарушаться, пропуск пара через уплотнения возрастет и т. д.

М. М. Ковалевский отмечает, что плоские пружины не должны иметь слишком крутую характеристику; сила прижатия сегмента пружиной должна быть при сборке в 6—8 раз, а к концу службы в 2—3 раза больше веса прижимаемого сегмента.

Условия работы плоских пружин в тех уплотнениях, где при

повышенной твердости пружины ломаются.

. Для изготовления плоских пружин применяются в зависимости от условий их службы различные марки стали: высокохромистые нержавеющие стали 3X13 и 4X13; быстрорежущая сталь типа РФ1; хромомолибденованадиевая сталь 25Х2МФ1; сталь 60X16М2А

Вопросами выбора металлов для плоских пружин уплотнений, технологии их термической обработки и методики испытаний за­ нимались В. И. Смирнов, Т. В. Сергиевская, Т. И. Волкова и др. Для стали 3X13, хорошо зарекомендовавшей себя в качестве ме­ талла пружин уплотнений, была рекомендована термическая

262

обработка, состоящая из закалки с 1020—1050° С, выдержки при этой температуре в течение 5— 15 мин и охлаждения в масле, а затем отпуска при 540—560° С с выдержкой 20—40 мин. Твер­ дость, пружин после такой обработки равна HRC 39—46.

Пружины из стали 60Х16М2А закаливают с 1050— 1060° С в масле и отпускают при 650° С с выдержкой при этой температуре

испытания их на прогиб под действием усилия, соответствующего рабочей нагрузке или несколько превышающего последнюю. Пру­ жину укладывают на две опоры и при помощи изгибающего пуан­ сона прилагают к ее середине соответствующее усилие. Деформа­ цию пружины под действием этого усилия измеряют прогибомером или индикатором. После снятия нагрузки пружину проверяют на отсутствие остаточной деформации.

Выполнено много работ по совершенствованию методики испы­ таний и исследований плоских пружин, сконструирована необхо­ димая для этих целей аппаратура. Как известно, пружины уплот­ нений работают в условиях релаксации напряжений. Т. И. Вол­ кова на основании проведенных сравнительных исследований по­ казала, что характеристики релаксационной стойкости стали, полученные на кольцевых образцах, не могут быть, как правило, отнесены к условиям развития релаксации в плоских пружинах из той же стали. При испытании плоских пластин релаксационная стойкость на первом этапе оказывается более высокой, чем при испытаниях колец. На втором этапе развития процесса релакса­ ции картина меняется и релаксационная стойкость при испытании плоских образцов оказывается ниже, чем кольцевых.

Испытания на релаксацию колец и пластин, по данным Т. И. Волковой^ не только не равноценны, но не могут даже обе­ спечить получение одинакового качественного ряда при сравне­ нии металлов по их релаксационной стойкости. Поэтому было создано оборудование, позволяющее исследовать течение релакса­ ции при различных напряжениях и температурах одновременно на нескольких плоских образцах, с достаточно точным для практи­ ческих целей измерением деформации пружин в процессе длитель­ ных испытаний. Для этих испытаний была рекомендована следую­ щая методика: в пружинах создавали заданное начальное напря­

жение

_____ 6Eh f

°о — /2(! _ [і 2)Zo­

rne /о — начальный упругий прогиб пружины в мм; h — толщина пружины в мм; I — рабочая длина пружины в мм; р — число

Пуассона; р = 0,3.

Приспособление с нагруженными пружинами помещают в печь, нагретую до заданной температуры, выдерживают в течение неко-

263

торого времени, затем извлекают из печи, охлаждают и измеряют величину остаточного прогиба /ост, которая позволяет определить остаточное напряжение ot в момент окончания выдержки в тече­ ние времени t:

После измерения остаточного прогиба пружине вновь сооб­ щают прогиб, строго равный по величине первоначальному / 0, но представляющий собой сумму упругого и остаточного, пласти­ ческого прогиба, и вновь помещают в печь при той же температуре, что и в период времени і. На основании результатов многократ­ ного повторения описанной операции строят кривую релаксации в координатах напряжение—время.

М Е Т А Л Л Ы А ЗО ТИ РУ ЕМ Ы Х ДЕ Т А Л ЕЙ

Азотирование является одним из видов химико-термической обработки. От термической обработки химико-термическая обра­ ботка отличается тем, что после ее осуществления изменяется не только структура металла, но и химический состав его поверх­ ностных слоев в результате введения различных химических эле­ ментов. Такая обработка позволяет получить металлические изде­ лия с существенно отличающимися свойствами основной части сечения и поверхностного слоя: например, сердцевину с умерен­ ной прочностью и высокой пластичностью и поверхностный слой с очень высокой твердостью и износостойкостью. Разработаны и используются в машиностроении различные виды химико-тер­ мической обработки: цементация, при которой поверхностные слои металла обогащаются углеродом; азотирование с насыщением металла азотом; цианирование, характеризующееся обогащением металла одновременно азотом и углеродом, и др.

Для химико-термической обработки металлическое изделие помещают в среду, богатую элементом, которым должны быть насы­ щены поверхностные слои. Широко распространена химико-тер­ мическая обработка в газовых средах, состоящих из различных соединений насыщающего элемента. Такая обработка состоит из трех процессов -— диссоциации, абсорбции и диффузии. Диссо­ циация происходит в газовой среде и представляет собой распад молекул тех или иных соединений с выделением активных атомов насыщающего элемента. Абсорбция — поглощение этих активных атомов в момент их выделения — происходит в местах соприкос­ новения металлической поверхности.с газовой средой. Диффузия представляет собой процесс проникновения насыщающего эле­ мента от поверхности в глубину металла.

Глубина обогащенного диффундирующим элементом поверх­ ностного слоя металла и концентрация этого элемента зависят от интенсивности указанных трех процессов. Степень диссоциации

264

в газовой фазе определяет количество насыщающего элемента, которое может быть поглощено металлом. Если интенсивность процесса диссоциации низка, то этого количества будет недоста­ точно'для придания поверхности металла требуемых свойств. При недостаточно активной абсорбции поверхность металла будет поглощать малое число атомов и концентрация o ö o fa in e H H o ro слоя будет низка. Если мала скорость диффузии, то может обра­ зоваться обогащенный слой чрезмерно высокой концентрации, но малой глубины. Наиболее высокая эффективность химико-терми­ ческой обработки обеспечивается при оптимальной интенсивности всех трех указанных процессов в их взаимосвязи.

В турбостроении используют различные виды химико-терми­ ческой обработки. Широкое применение находит азотирование, основоположником которого является известный русский ученый Н. И. Чижевский. Дальнейшее развитие его работы получили в многолетних капитальных исследованиях процессов азотирова­ ния, выполненных большой группой советских ученых: Н. А. Минкевичем, Ю._ М. Лахтиным, И. Е. Конторовичем, С. Ф. Юрьевым, А. Н. Минкевичем и др.

и пр. Азотируют детали лопаточного аппарата (в гл. Ill был опи­ сан опыт азотирования сегментов сопел). На турбинных заводах азотируют резьбу крепежных деталей, работающих при высоких температурах, для предотвращения заедания в резьбовых соедине­ ниях.

* ~ Широкому распространению азотирования в машиностроении, и, в частности, в турбостроении, способствует то обстоятельство, что металлические детали, подвергнутые азотированию, приобре­ тают новые, в основном весьма благоприятные свойства, повышаю­ щие надежность работы этих деталей. Азотирование позволяет получить высокую твердость (до НѴ 1200 и более) повёрхности деталей или отдельных ее участков; эта твердость остается доста­ точно высокой при длительном воздействии температур до 500— 600° С. Азотированные поверхности обладают значительной изно­ состойкостью и низкой склонностью к задирам при комнатных и повышенных температурах. Азотирование увеличивает сопротив­ ляемость металла воздействию переменных напряжений и снижает чувствительность к концентраторам напряжений; коррозионная стойкость многих металлов в результате азотирования повышается.

Азотирование металлов осуществляют атомарным азотом, полу­ ченным в момент разложения (диссоциации) газообразных азо­ тосодержащих соединений. В практике турбостроения и других отраслей машиностроения в качестве газовой среды используют амушак NH3.

Выполняют азотирование обычно при температурах 500—600° С в специально для этого назначения изготовляемых печах. В слу­ чае отсутствия специальной печи азотирование можно осуще­

265

ствлять также и в обычных камерных электрических печах: детали загружают в герметически закрывающиеся ящики и поме­ щают в печь, аммиак подают в ящик и отводят из него через трубки. Конструкция ящика должна обеспечить равномерное рас­ пределение аммиака и надлежащее размещение деталей. Подле­ жащие азотированию поверхности деталей должны свободно омываться аммиаком.

Штоки, валики, оси и подобные им детали, имеющие более или менее значительную длину при относительно небольшом диа­ метре, следует, во избежание коробления, подвешивать в верти­ кальном положении или укладывать горизонтально на несколь­ ких опорах. Проволока для подвески должна быть тонкой, а опор­ ные колодки иметь острую грань, чтобы поверхность контакта между азотируемой деталью и подвеской, или опорой, была ми­ нимальной.

Поступающий в печь для азотирования (или в ящики, где

и т. д. Если диссоциация аммиака протекает с недостаточной ин­ тенсивностью, то в металл попадает недостаточное количество азота вследствие того, что при этом мало количество атомарного азота, контактирующего с азотируемой поверхностью. В то же время степень диссоциации не должна быть чрезмерно высокой.

Исследования и практический опыт показывают, что если степень диссоциации аммиака превышает известный предел (раз­ личный для разных условий осуществления азотирования и зави­ сящий от перечисленных выше факторов, влияющих на степень диссоциации аммиака, а также от состава и свойств азотируемого металла), то процесс абсорбции замедляется и количество погло­ щаемого металлом азота за единицу времени уменьшается. По­ этому для конкретных условий азотирования определяют опти­ мальную степень диссоциации аммиака, которую обеспечивают, регулируя количество подаваемого в печь аммиака. Абсорбция и диффузия азота протекают по-разному в различных металлах.

Азотирование представляет собой весьма сложный процесс, дающий неравноценные результаты для различных металлов, в частности для сталей разного химического состава. Наиболее эффективным является азотирование сталей, состав которых выбран с учетом процессов, происходящих при азотировании. Такие стали называют нитралоями. В турбостроении, как и в дру­ гих отраслях машиностроения, преимущественное применение для азотируемых деталей имеет нитралой — хромомолибдено­ алюминиевая сталь 38ХМЮА следующего химического состава (в %):

266

коэффициент линейного расширения а- 10е в интервале темпера­ тур 20—600° С равен 13,81 см/(см-°С), теплопроводность при 500

и600° С соответственно 0,092 и 0,091 кал/(см-с-°С).

Всостоянии поставки сталь 38ХМЮА обычно имеет твердость НВ 160—220 и структуру, состоящую из феррита и сорбитообраз­ ного перлита. До азотирования сталь подвергают закалке в масле или в теплой воде с 900—950° С и отпуску при 600—650° С. Твер­ дость стали после закалки равна НВ 420—480, структура — мелко­ игольчатый мартенсит. После отпуска твердость снижается до НВ 270—320. Механические свойства сортовой стали 38ХМЮА после закалки и отпуска должны иметь следующие минимальные

ванием обезуглероженный слой удаляют механической обработкой. Как показывает опыт, глубина обезуглероженного слоя может достигать 1— 1,5 мм. Поэтому термической обработке подвергают детали с припусками, достаточными для того, чтобы при механи­ ческой обработке можно было, не нарушая окончательных разме­ ров деталей, полностью удалить весь обезуглероженный слой.

Большое влияние на результаты азотирования оказывает состояние поверхности деталей. После снятия обезуглероженного слоя поверхности деталей, подлежащие азотированию, шлифуют, тщательно очищают, обезжиривают и только после этого подвер­ гают азотированию.

Если азотированию подлежит не вся поверхность детали, то защиту участков, не подлежащих азотированию, можно проводить различными методами, из которых хорошо зарекомендовало себя гальваническое лужение слоем олова толщиной 0,008— 0,012 мм. Разработаны и другие методы защиты с применением менее дефицитных металлов — гальваническое цинкование, би­ металлические покрытия. В мелкосерийном производстве приме­ няют пасты, замазки и другие неметаллические покрытия, содер­ жащие жидкое стекло с различными наполнителями. В каждом конкретном случае защитные покрытия выбирают с учетом назна­ чения и условий службы азотируемых деталей, а также стоимости покрытий.

Кривые, характеризующие глубину и твердость азотирован­ ного слоя в зависимости от температуры и продолжительности

500° С в течение 48 ч дает глубину в 2 раза меньшую, чем азотиро­ вание в течение 24 ч при 500° С и 24 ч при 600° С.

267

Весьма эффективными оказались комбинированные режимы. Для стали 38ХМЮА применяют следующий комбинированный ре­ жим азотирования: нагрев до 500° С, выдержка 12 ч при степени диссоциации аммиака 15—20%, нагрев до 550° С, выдержка 8 ч при степени диссоциации аммиака 45—50%. Глубина азотирован­ ного слоя после такой обработки равна 0,35—0,50 мм, твердость — не менее НѴ 900.

Твердость азотированного слоя можно определять непосред­ ственно на изделиях вдавливанием алмазной пирамиды. Глубину

Рис. 60. Влияние температуры (в °С) и длительности і (в ч) про­

цесса на результаты азотирования стали 38ХМЮА (по данным исследований Ю. М. Лахтина):

а и б — соответственно на глубину (h в мм) и твердость азотиро­ ванного слоя (в Н Ѵ )

слоя исследуют обычно на «свидетелях» — контрольных образцах небольшой длины и сечения, изготовляемых из той же заготовки, что и азотируемые детали, и подвергаемых термической обработке и азотированию вместе с последними. Хрупкость слоя обычно опре­ деляют по виду отпечатка вдавливаемой алмазной пирамиды, ко­ торый при отсутствии хрупкого разрушения имеет, при рассмот­ рении под микроскопом, правильную форму квадрата с диагона­ лями. В случае хрупкого разрушения азотированного слоя, обна­ руживаемого при вдавливании алмазной пирамиды, для снижения хрупкости рекомендуется нагрев азотированных деталей в тече­ ние 3—4 ч при 500—625° С в атмосфере диссоциированного ам­ миака или на воздухе.

Положительной особенностью азотирования как процесса хи­ мико-термической обработки стали является то, что при рацио­ нальной конструкции и правильной технологии, предшествующей термической и механической обработкам деталей, подлежащих азотированию, последнее не вызывает значительной их деформа­ ции, коробления и пр. С. Ф. Юрьев на основе исследований дефор­ мации при химико-термической обработке, и, в частности, в про­

268

Глава VIII

МЕТАЛЛЫ ПОДШИПНИКОВ

ИКОНДЕНСАТОРНЫХ ТРУБОК

БАББИТ ДЛЯ ПОДШИПНИКОВ

К подшипникам турбин предъявляют высокие требования. От надежной работы опорных и упорных подшипников зависит по­ ведение ротора в эксплуатации. Опорные подшипники несут зна­ чительную нагрузку, создаваемую тяжелыми быстровращающи­ мися роторами; упорные подшипники воспринимают осевое давле­ ние роторов. Сплавы для подшипников должны быть достаточно

мягкими и пластичными, обес­ печивать хорошую прирабатываемость вкладыша к вращаю­ щейся шейке вала; кроме того, эти сплавы должны быть доста­ точно прочными и твердыми, чтобы выдержать нагрузку, со­ здаваемую ротором. Темпера­ тура вкладышей в процессе ра­ боты повышается, прочность сплавов при этом должна сохраняться на необходимом уровне.

В практике современного турбостроения основным спла­ вом, применяемым для заливки вкладышей опорных подшип­ ников, гребней и колодок упор­ ных подшипников, является

высокооловянистый баббит марки Б83. Для заливки верхних по­ ловин опорных подшипников в некоторых турбинах применяют менее богатый оловом баббит Б 16.

Баббит Б83 представляет собой сплав на основе олова с до­ бавлением сурьмы и меди (рис. 61). Олово является легкоплавким металлом, обладающим высокой пластичностью и химической устойчивостью. Баббит Б16 — сплав на основе свинца. Физичес­ кие и механические свойства баббитов Б 16 и Б83 приведены в табл. 77. Химический состав (в%) баббитов Б 16 и Б83 следующий:

270

77. Физические и механические свойства баббитов Б16 и Б83

Марка баббита

Физические свойства

* Определен при испытаниях в паре с осевой сталью в условиях: со смазкой— удель­ ная нагрузка 75 кгс/см2, скорость 0,4 м/с, смазка — веретенное масло; без смазки — удельная нагрузка 12,5 кгс/см2, скорость 0,4 м/с.

Кроме высоких антифрикционных свойств подшипниковые сплавы должны обладать определенными технологическими до­ стоинствами: легкоплавкость должна позволять качественно за­ лить вкладыш непосредственно в подшипник; при заливке сплав должен легко прилипать к поверхности подшипника. Баббит Б83 удовлетворяет этим технологическим требованиям. Он характе­ ризуется высокой жидкотекучестью, что очень важно для получе­ ния хорошей, плотной заливки вкладышей.

Заливать подшипники следует с большой тщательностью, так как от качества заливки не в меньшей мере, чем от состава и струк­ туры баббита, зависит нормальная работа подшипника. Перегрев баббита перед заливкой способствует хрупкости и склонности баббита к растрескиванию. Неудовлетворительное сцепление баб­ бита с корпусом вкладыша приводит к образованию трещин в баббите в эксплуатации. Неравномерное распределение твердых структурных составляющих может привести к ускоренному из­ носу вкладыша, налипанию баббита на шейку вала и т. п. Заливка должна быть организована таким образом, чтобы соединение баб­ бита с корпусом вкладыша по всей заливаемой поверхности было плотным, а залитый баббит не имел раковин, пористости и прочих макродефектов.

271