23. Поковки дисков газовых турбин

из сталей ЭИ726, ЭИ612 и ЭИ572

Диски газовых турбин работают при высоких температурах и больших напряжениях. Сочетание трех основных параметров — температуры, рабочих напряжений и продолжительности службы— влияет не только на выбор сталей, удовлетворяющих необходимым условиям по жаропрочности при заданных параметрах машины, но и на конфигурацию дисков, которая, в свою очередь, определяет степень технологичности поковок.

Весьма распространенными конструкциями являются сварные роторы и роторы, в которых рабочее колесо расположено на кон­соли турбинного вала. На рис. 58 представлены характерные кон­струкции дисков газовых турбин мощностью 4000—5000 кет, соединяемых с валом при помощи болтового крепления.

Соотношение толщины по втулочному выступу и диаметра диска сравнительно велико и в этом причина многих технологиче­ских трудностей при выполнении кованых заготовок подобного типа. Эти трудности связаны с особенностями горячей механиче­ской проработки центральной зоны поковки, имеющей высокую втулку при относительно небольшом диаметре. Второй особен­ностью дисков является отсутствие центральных отверстий, выполнение которых конструктивно считается нерациональным, так как при этом значительно повышаются тангенциальные напря­жения в диске и конструкция становится менее надежной. Отсут­ствие отверстия, особенно при высокой ступице, резко повышает требования к металлургическим условиям производства дисковых заготовок. Это обстоятельство тем более важно, что аустенитные стали в наибольшей степени склонны к проявлению физической и химической неоднородности слитка. Производство дисков газовых турбин без центральных отверстий и с высокой ступицей пред­ставляет обычно весьма трудную задачу.

Ниже описываются технологические особенности ковки неко­торых газотурбинных дисков из аустенитных сталей ЭИ726, ЭИ612 и ЭИ572.

Поковки газотурбинных дисков, изображенные на рис. 59, спроектированы с расчетом их выполнения на прессах методом свободной ковки без каких-либо" специальных приспособлений.

Место отбора пробных колец для механических испытаний общепринятое для турбинных дисков — в районе ступицы, за исклю­чением диска (рис. 59, б), у которого пробные кольца отрезаются от обода. Такую методику отбора проб следует признать не­удачной, так как она не дает правильного представления о факти­ческих свойствах металла основного объема поковки.

Припуски на механическую обработку задаются с учетом низ­кой технологической пластичности аустенитных сталей, склонности к образованию поверхностных дефектов (трещин, надрывов, чешуи) и условий ковки без предварительной обдирки слитков и промежуточных заготовок. По боковой выпуклой поверхности наружные дефекты поковки обыч-ио не выходят за пределы сферы и поэтому минимальный припуск на диаметр полотна относительно невелик. Припуск на диаметр ступицы учитывает возможное смещение при ковке осей ступицы и полотна диска и в меньшей мере связан с дефектами боковой поверхности ступицы. Наиболее опасны дефекты торцовых поверхностей, глубина и распространенность которых зависит от комплекса факторов: поверхности слитка, чистоты плоскости руба заготовки перед осадкой, окалинообразования при нагреве и эффективности ее удаления перед ковкой. Толщина дефектного слоя металла на торцовых плоско­стях дисковых поковок во многих случаях достигает 10—12 мм и даже более. В соответствии с этим и предусмотрена величина припуска на механическую обработку по высоте ступицы и полотна.

Припуски могут быть уменьшены при условии обдирки слитка или промежуточной заготовки. В этом случае операция осадки про­текает в условиях повышенной пластичности металла с образова­нием значительно менее развитых поверхностных дефектов. Но в области торцовых поверхностей разница в толщине дефектного слоя менее ощутима и поэтому в условиях свободной ковки возмож­ность снижения припусков на механическую обработку диска в связи с предварительной об­диркой заготовки весьма огра­ничена. Во всяком случае, как показал опыт, предварительная обдирка не компенсирует услож­нения технологического цикла, дополнительного расхода ме­талла, увеличения веса слитка и повышения общей трудоемко­сти работ. Практикой уста­новлена целесообразность пред­варительной обдирки слитков или заготовок из сталей рас­сматриваемого типа только при наличии на них трещин, рва­нин, грубых плен и других пороков, вызывающих опас­ность разрушения металла при дальнейшей ковке и брака дисков из-за глубоких поверх­ностных дефектов, но не для уменьшения припусков на ме­ханическую обработку. Это по­ложение не относится к поков­кам дисков, изготовляемых в подкладных штампах.

Один из технологических вариантов ковки (на НКМЗ) газотурбинного диска из жаро­прочной аустенитной стали ЭИ726, изображенного на рис. 59, а, показан на рис. 60.

Для изготовления поковки принят слиток весом 4 т (вы­ход годного 55%). Ковка про­изводилась в интервале темпе­ратур 1150—900° С на прессе усилием 3000 Т, за исключе­нием операции разгонки по­лотна, для которой использо­ван пресс усилием 10 000 Т. На операциях вытяжки применя­лись: верхний — плоский и ниж­ний — вырезной бойки. Вели­чина обжатий за один ход пресса при осадке слитка на диаметр 750 мм задавалась в пределах до 150 мм, на дальнейших операциях осадки — не более 50 мм, а при протяжке осаженного блока — не более 80 мм с подачей не менее ³/₄ ширины бойка.

Технологией предусмотрена промежуточная осадка слитка с применением асбестовых прокладок для уменьшения отвода тепла осадочными плитами. Несмотря на отсутствие каких-либо специальных мер, повышающих запас пластичности стали, ковка дисков протекала успешно: небольшие трещины наблюдались, как правило, только в верхней подприбыльной части слитка при вы­тяжке осаженного блока и на поверхности обода после разгонки полотна. Случаи, когда бы трещины, образуемые при ковке, явились причиной брака дисков, были весьма редки.

Но одновременно испытания механических свойств после тер­мообработки дисков (аустенизация при 1130—1140° С с охлажде­нием в воде и отпуск при 740—760° С) показали, что в местах от­бора пробных колец диски, откованные по технологической схеме, показанной на рис. 60, характеризуются пониженными свойствами пластичности. При нормах технических условий δ > 27%, ψ >35% и α_Η > 6 кГ-м/см² большинство поковок имело сле­дующие значения показателей: δ = 14-τ-20%, ψ 15-^-22%, α_Η = 3,5-^5 кГ-м/см². Дополнительным анализом было уста­новлено, что микроструктура втулочной части диска состоит из крупных зерен аустенита и первичных карбидов, расположенных по границам зерец в виде прерывистой сетки. Состояние структуры и пониженная пластичность стали указали на недостаточную механическую проработку металла в области втулки.

Один из дисков (химический состав, %: 0,24 С; 1,62 Μn; 14,2 Сr; 18,2 Ni; 2,31 W; 1,45 Nb) после обдирки и термообработки подвергался разрезке и всестороннему исследованию. На рис. 61 представлены графики изменения механических свойств по тол­щине диска в трех зонах по радиусу. Испытания проводились на тангенциальных образцах.

Показатели прочности заметно не отличаются по толщине диска. Что касается свойств пластичности, то высокими абсолют­ными значениями и однородностью показателей характеризуется только зона обода. В осевой зоне наблюдается резкое снижение пластичности в нижней части диска на расстоянии до 70 мм от торца. Здесь уровень δ и ψ составляет около 70—80%, а а_н — всего лишь 45—50 % от норм, предусмотренных техническими условиями. Остальная часть диска в этой области имеет вполне удовлетвори­тельные механические свойства. В зоне кольцевого выступа зако­номерность изменения показателей δ, ψ и α_Η по толщине диска сохраняется примерно такой же, как и в осевой зоне, с той лишь разницей, что резким снижением свойств отличается также и верх­няя кольцевая часть диска на расстоянии 50—70 мм от торца.

Микроструктурный анализ в местах отбора проб показал, что образцы с пониженными свойствами пластичности отличаются более грубой структурой и явно выраженной карбидной сеткой. Участки металла с пониженными механическими свойствами совпа­дают с приконтактными зонами торможения и связаны с недоста­точной деформацией этих зон. Глубина зоны торможения с каждого торца по отношению к обдирочному контуру диска составляет

50—60 мм. В поковке глубина этих зон возрастает на величину ковочного припуска по торцу.

Таким образом, при ковке диска по технологической схеме, показанной на рис. 60, в поковке остаются объемы металла с не­допустимо низкими показателями пластичности. При механической обработке детали эти объемы в какой-то мере удаляются, но все же некоторые конструктивные узлы диска, например верхний кольце­вой выступ, остаются в зоне пониженных механических свойств и поэтому такая технология ковки для газотурбинного диска из аустенитной стали неприемлема.

На этом же заводе был опробован другой вариант выполнения поковки — с применением конусов при осадке (рис. 62). После­довательность операций ковки с конусами была такой: правка торцов заготовки, наметка одного из центров заготовки малым конусом, вдавливание большого конуса на глубину 150—170 мм, кантовка блока и установка его на большой конус, последователь­ное вдавливание конусов во второй торец заготовки, обкатка по диаметру, удаление конусов из заготовки, осадка заготовки плитой по h — 420 мм с обжатием не более 50 мм за один ход пресса, разгонка полотна в кольцах.

В гл. IV дана оценка роли конусов как фактора активной меха­нической проработки центральных зон поковки. Действительно, микроанализ и результаты испытаний дисков, откованных по новой технологии, подтвердили значительное уменьшение зоны торможе­ния с более активным разрушением сетки первичных карбидов и повышение свойств пластичности в приторцовых участках диска.

Технология ковки с использованием конусов при осадке имеет, однако, существенные недостатки: резко усложняется процесс ковки и главное увеличивается брак дисков по дефектам поверх­ности, так как неглубокие трещины, образуемые на торцовых по­верхностях при осадке, получают под действием конусов дальней­шее развитие и часто приводят к неисправимому браку поковок. Кроме того, на последних операциях осадки не всегда удается вывести углубления на торцах от вдавливаемых конусов и они остаются в окончательно откованной поковке. Это вызывает необходимость повышения припусков по высоте поковки на 30—40 мм на каждом торце. В диске, схема ковки которого пока­зана на рис. 62, увеличения припуска на торце, имеющем кольце­вой выступ, не потребовалось, так как при обдирке центральная часть поковки растачивается на глубину более 100 мм, на проти­воположном торце припуск увеличен на 30 мм за счет специально запроектированного выступа.

На рис. 63 представлена технологическая схема ковки такого же диска на Уралмашзаводе. Пробные кольца расположены за преде­лами кольцевого выступа, что позволило уменьшить толщину поковки до 320 мм. Формирование полотна производится в под­кладном кольце. Особенности такой технологии состоят в исполь­зовании специального слитка с переменной конусностью, в приме­нении наружного кольца (ограничителя по диаметру заготовки в местах наибольших растягивающих напряжений при осадке) и активной смазки в виде стеклянной ваты или молотого стекла. Вес слитка равнялся 5 т, вес поковки — 2 т, вес годного остатка— 950 кг.

Откованные диски имели вполне удовлетворительные механи­ческие свойства. Следовательно, в данном случае требуемое ка­чество поковок достигнуто и без использования сложных приемов деформации — вдавливания конусов. Лучшие результаты такой схемы (рис. 63) ковки по сравнению со схемой, показанной на рис. 60, объясняются более высокой степенью укова при вытяжке и осадке и применением эффективной смазки, так как два этих фактора способствуют уменьшению глубины приконтактных зон торможения.

На Уралмашзаводе освоена ковка аналогичных дисков из стали ЭИ612 (рис. 64), которая относится к числу наиболее сложных и

нетехнологических аустенитных сталей. Несмотря на увеличение веса поковки (3330 кг), ее форма выбрана наиболее простой — гладкий диск. Решающее значение при ковке таких дисков имеет правильный выбор термомеханических режимов деформации (условий нагрева слитков, температуры ковки, степени деформа­ции, формы бойков и др.).

Слитки с переменной конусностью весом 6210 кг передаются в прессовый цех в горячем состоянии с температурой на поверх­ности не ниже 750" С. Консервация слитков в печи-копильнике, в случае, если она необходима по производственным условиям, производится при 750—800° С. Режим нагрева под первый вынос следующий: посадка в нагревательную печь при 750—800° С, выдержка при этой температуре 2,5—3 ч, нагрев до ковочной тем­пературы (1180° С) со скоростью не более 80 град/ч, выдержка при этой температуре не менее 4 ч (и не более 10 ч). Режим подогрева заготовок такой: посадка в печь, нагретую до ковочной темпера­туры, минимальная выдержка при этой температуре (после пол­ного прогрева) от 3 до 5 ч в зависимости от размера се­чения (500—900 мм). Тре­щины, возникающие в про­цессе ковки, опасные для по­следующей деформации, уда­ляются либо в горячем, либо

в холодном состоянии. Охлаждение заготовок для удаления де­фектов производится на воздухе. Режим последующего нагрева заготовок следующий: температура печи при посадке 600° С, вы­держка при этой температуре 6—8 ч\ нагрев до 850° С со скоростью не более 50 град/ч и до ковочной температуры — не более 100 град/ч, минимальная выдержка при ковочной температуре 2—4 ч.

Рис. 64. Технологическая схема ковки диска из стали ЭИ612:

1— X — последовательность ковки

На операциях вытяжки степень деформации за один проход не превышает 5%. При этом подача производится на полную ширину или в крайнем случае не менее чем на 0,5 ширины бойка. На операциях осадки максимальная степень деформации за ход пресса ограничивается 8%, за операцию — 30—40%. При торцо­вой осадке необходимо стремиться к тому, чтобы вся поверхность металла полностью перекрывалась давящим инструментом, для чего должны быть подобраны прессы соответствующих усилий. В данном процессе две последние операции осадки выполняются на прессе усилием 10 ООО Т, все предыдущие — на прессе усилием 3000 Т. Температурный интервал ковки равнялся 1180—900° С.

При осадке заготовок без цапфы стеклянная смазка наносится на нижнюю осадочную плиту и на верхний торец заготовки. Диаметр слоя смазки должен быть немного больше заготовки в конце осадки. На боковой сферической поверхности дисковых поковок из стали ЭИ612, как правило, наблюдаются неглубокие продольные и поперечные трещины и дефекты типа чешуи. Трещины глубиной до 10—15 мм нередко наблюдаются и на торцовых по­верхностях, в связи с чем повышенные припуски при ковке дисков из этой стали совершенно обязательны.

Некоторые диски были откованы после промежуточной обдирки сбиллетированного слитка. Такие поковки почти не имели по­верхностных дефектов и в этом отношении выгодно отличались от дисков, откованных по обычной технологии. Но дополнитель­ная обдирка при одновременном повышении трудоемкости работ и удлинении технологического цикла ковки вызвала увеличение веса исходного слитка более чем на 15%. Так как ковка дисков из стали ЭИ612 технологически осуществима и без промежуточной обдирки слитка при относительно неплохом состоянии поверх­ности поковки, такой вариант технологии экономически более рационален. Удовлетворительные механические свойства после термической обработки и отсутствие каких-либо дефектов металла при контроле макроструктуры и ультразвуковой дефектоскопии дисков позволяют дать положительную оценку технологической схеме ковки дисков из стали ЭИ612, показанной на рис. 64. Даль­нейшее усовершенствование процесса ковки должно быть направ­лено главным образом по линии увеличения коэффициента полез­ного использования металла за счет общего повышения пластич­ности стали при деформировании.

Поковка диска из стали ЭИ572 (см. рис. 59, б) диаметром 1000 мм и весом около 2,5 m для сварного ротора отличается малым отно­шением ~ (около 2,5) и отсутствием осевого отверстия, а поэтому требует эффективных приемов проработки центральной зоны. В технологической схеме ковки, приведенной на рис. 65, эта задача решается двойной промежуточной осадкой. В процессе осадки используется ограничитель по диаметру заготовки, что повышает технологическую пластичность стали. При вытяжке этому способствует и оптимальная форма рабочих поверхностей бойков. Степень деформации за ход пресса на последних операциях осадки регламентирована пределом 40—60 мм. На этих операциях применяется теплоизоляция в виде асбестовых прокладок и стеклянной смазки, которые уменьшают -неравномерность де­формации при осадке. Для операции вытяжки используется пресс усилием 3000 Т, для операции осадки — пресс уси­лием 10 000 Т. Температурный интервал ковки установлен в пре­делах 1180—900° С.

Несмотря на ряд специальных технологических мер при ковке дисков по схеме, показанной на рис. 65, исследованием одной из поковок установлено, что в центральной области при- контактных зон свойства пластичности заметно ниже, чем в глу­бинных зонах поковки (например, значение относительного су­жения изменяется по высоте поковки от 30—35% в осевой гори­зонтальной плоскости до 15—18% в месте контакта). Для данного диска это обстоятельство смягчается наличием в чистовой детали центральных выемок диаметром 430 мм и глубиной 64 мм со сто­роны каждого торца, но сам факт значительной неоднородности механических свойств металла в объеме поковки свидетельствует о сложности эффективной механической проработки диска подоб­ной конфигурации. Ультразвуковой дефектоскопией внутренних несплошностей металла в диске не обнаружено.

Особенностью стали ЭИ572 является значительная гетероген­ность фазового состава. Кроме карбидов в металле поковок имеются обычно включения феррита, распад которого приводит к охрупчиванию стали вследствие образования σ-фазы. Выделение σ-фазы происходит в температурном интервале 930—550° С. Поэтому для достижения оптимальных механических свойств ме­талла температуру конца ковки не следует допускать ниже 900— 930° С, а откованные диски в интервале 930—550° С желательно охлаждать с повышенными скоростями. Технологическим процес­сом установлено охлаждение горячих поковок (до 500—550° С) в воде. По этим же соображениям не рекомендуется консервация горячих слитков: слитки, поступившие в кузнечно-прессовый цех, должны быть нагреты под ковку без промежуточной выдержки в пе- чи-копильнике.

На рис. 66 представлена технологическая схема изготовления поковки газотурбинного диска из стали ЭИ572 (см. рис. 59, в).

Поковка имеет высокую втулку, причем отношение еще

меньше, чем в предыдущем диске (около 2).

Несмотря на металлургическую сложность и нетехнологич­ность формы, механические свойства выполненных поковок удовлетворяли требованиям технических условий (при 20° С): σ₀,₂> 35 кГ/мм², σ_в > 60 кГ/мм², δ > 20%, ψ > 20%, а_н > > 4 кГм/см². При 600° С σ_0,2 > 25 кГ/мм². При ультразвуковом контроле с обеих торцовых поверхностей дефекты, которые оценивалисьбы как несплошности металла (при условии точного выполнения уста­новленного технологического процесса), не обнаруживались, что является приз­наком хорошей проработки осевой зоны слитка.

Для ковки дисков использовались слитки с переменной конусностью ве­сом 2,1 т. При весе поковки 1,1 т выход годного составлял около 50%. Качественной проработке центральной зоны диска способствовали следующие мероприятия: применение смазки в виде жидкого стекла на всех операциях осад­ки, вытяжка осаженного блока боль­шими подачами бойка (l/h = 0,6÷0,8),

высокий подогрев заготовки перед вы­тяжкой. Последнее обстоятельство, как показал опыт, имеет очень серьезное значение. В поковках дисков, откован­ных при пониженных температурах осаженных блоков, обнаруживались дефекты — несплошности металла, обра­зование которых связано с недоста­точно эффективной заваркой осевых дефектов слитка. По-видимому, темпе­ратурный фактор в сочетании с опти­мальными режимами деформации при вытяжке в данном случае играет решаю­щую роль.

Механические испытания различ­ных зон двух дисков после их термо­обработки и разрезки показали, что пониженные характеристики пластич­ности, связанные с зонами торможе­ния, локализованы в сравнительно небольших приконтактных объемах металла (рис. 67). В целом механичес­кие свойства дисков как по уровню показателей, так и по степени одно­родности свойств следует признать вполне удовлетворительными, особен­но, если учесть металлургическую сложность поковок.

Удовлетворительными оказались и результаты травления торцовых

поверхностей и ультразвуковой дефектоскопии. Только в редких случаях на поверхности дисков обнаруживались макродефекты в виде точечных включений неметаллической фазы и внутренние дефекты металла, эквивалентные контрольным отверстиям диамет­ром более 2—3 мм.

Схема ковки аналогичного диска, но с более высокой ступицей (см. рис. 59, г) из слитка весом 2 т показана на рис. 68. Диск предназначен для ротора сварной конструкции, в связи с чем

и предусмотрена ступица удлиненной формы. Требования к диску по макроструктуре, чистоте и плотности металла, по механическим свойствам в тангенциальном направлении и другим признакам качества заготовки такие же, как и к диску, изображенному на рис. 59, в. Разница заключается лишь в методике отбора проб и в дополнительных испытаниях ступицы на продольных образцах.

Сопоставление схем вырезки образцов от обоих дисков (рис. 69) приводит к заключению, что, несмотря на большую вы­соту ступицы, технологичность диска сварной конструкции ро­тора в связи с условиями контроля может быть оценена как более положительная. В поковке этого диска ступица не контролируется на тангенциальных образцах, что позволяет применить простую и удоб­ную схему ее формирования (без дополнительной осадки заготовки в области ступицы). Такая схема ковки приводит к продольному расположению волокон в ступице и, следовательно, к весьма благо­приятным условиям механических испытаний этой части поковки на про­дольных образцах. Что касается ме­ханических испытаний поковки на тангенциальных образцах, то они производятся от участка, эффективно проработанного при осадке, т. е. в условиях, благоприятствующих принятой методике отбора проб.

Действительно, испытания кон­трольных проб подтвердили нес­колько более высокий уровень меха­нических свойств в тангенциальном направлении дисков ротора сварной конструкции по сравнению с дис­ками обычной конструкции. Что ка­сается продольных образцов, отоб­ранных от ступицы, то результаты их испытания во всех случаях значи­тельно превышали требования техни­ческих условий: при σ_0,2 = 38÷42 кГ/мм² и σ_в == 70 ÷77 кГ/мм² показатели пластичности колебались в следующих пределах: δ = 30 ÷47 %; ψ = 30÷48%; а_н = 7÷9 кГм/см².

Один из дисков сварной конст­рукции подвергался разрезке и все­сторонним механическим испыта­ниям. Закономерность изменения механических свойств в объеме диска, исключая ступицу, примерно соот­ветствует графику, показанному на рис. 67. Ступица же при испытании тангенциальных образцов отличается более высокими значениями механических свойств в наружной зоне и более низкими — в центральной зоне. При испытании продольных образцов ступица резко выделяется по­вышенными показателями δ, ψ и а_н, значения которых достигают соответственно 45—48, 43—51% и 9—10 кГм/см².

24. Поковки дисков высокого давления

газовой турбины ГТ 700-5

Из рассмотренных выше дисков наибольшее использование в крупносерийном производстве газовых турбин получил диск из стали ЭИ572 (см. рис. 59, в). Ковка этих дисков непрерывно совершенствовалась, исследовались и осваивались новые техноло­гические процессы, изучались дефекты металла и пути их устра­нения, обобщались результаты производства поковок. Ниже приводятся данные по некоторым из этих работ.

Уточнение химического состава стали

Диски, откованные из первых опытных плавок, отличались низким пределом прочности при 20° С: фактические значения σ_β находились на уровне 57—61 кГ/мм² при норме σ_в > 60 кГ/мм². Одновременно не достигали заданного уровня и значения предела текучести при 600° С (основная расчетная характеристика металла дисков). При норме σ_0,2 > 25 кГ/мм² этот показатель коле­бался в пределах 18—23 кГ/мм².

Исследованием микроструктуры было выявлено наличие в ме­талле относительно большого количества ферритной фазы (до 15—18%), распределенной в зоне обода равномерно, а в центре ступицы преимущественно в виде скоплений по границам зерен (рис. 70). Именно большое количество второй фазы определило пониженный уровень показателей прочности металла, что было подтверждено анализом нескольких плавок, имеющих однофаз­ную аустенитную структуру металла. Диски этих плавок отлича­лись более ровными и более высокими значениями характеристик прочности: при 20° С σ­_т< 70÷75 кГ/мм², при 600° С σ_{0, 2} = 25÷28 кГ/мм².

Одновременно эти диски отличались и более высокими зна­чениями длительной прочности при 600° С, что объясняется по­ниженной жаропрочностью ферритной фазы в сравнении с аустенитной. Соответствующими испытаниями дисков, не содержащих в металле ферритной фазы, установлено, что значение предела длительной прочности за 100 ООО ч составляет 22 кГ/мм², для дисков с содержанием ферритной фазы около 15—17 % — 18 кГ/мм². Из этих данных следует, что наличие в структуре аустенитной стали ЭИ572 феррита в количестве 15—17% заметно снижает ее длительную прочность.

Задача, следовательно, состоит в том, чтобы в производствен­ных плавках стали ЭИ572, предназначаемых для ковки дисков, содержание ферритной фазы довести до минимума. Одним из главных факторов, определяющих количество ферритной фазы в структуре этой стали является соотношение в химическом составе плавки двух групп элементов: 1) хрома, ниобия и титана, подав­ляющих превращение α → γ и 2) углерода и никеля, подавляющих превращение γ → α. Пределы содержания элементов в первона­чально заданном химическом составе создавали большие трудности в получении стабильных результатов по минимальному содержа­нию ферритной фазы (по крайней мере, не более 3—5%). По­этому в заводской технологической инструкции по выплавке стали ЭИ572 регламентированы более узкие пределы содержания углерода (0,30—0,35%), ниобия и титана (0,2—0,35%); содержа­ние никеля увеличено до 9—11%.

Выплавка стали ЭИ572 по измененному химическому составу обеспечила вполне приемлемую микроструктуру металла в пода­вляющем количестве плавок. Лишь в отдельных случаях содержа­ние ферритной фазы в металле достигало 5—8%, в остальных плав­ках оно не превышало 3—4%. Получению стабильных производ­ственных результатов по содержанию ферритной фазы в плавках способствовал твердо установленный на заводе и выполняемый без каких-либо отклонений технологический процесс выплавки стали.

Сужение предельных значений отдельных элементов, в част­ности углерода, потребовало повышенного внимания к техноло­гии выплавки стали. В первый период освоения производства пла­вок стремление к выполнению плавки с содержанием углерода, близким к верхнему пределу заданного химического состава, иногда приводило к наличию его в плавке до 0,36%. В этих случаях в микроструктуре дисков наблюдалось повышенное количество карбидов, что также вызывало неудовлетворительные показатели механических свойств, но уже не по нормам прочности, а по нор­мам пластичности. Такое явление иногда имело место и при со­держании углерода в плавке 0,35%. Практикой установлено, что оптимальное содержание углерода в стали ЭИ572, предназначенной для дисков, находится в пределах 0,30—0,34%, к чему и следует стремиться плавильщикам, хотя формально это ограничение (до 0,34%) и не установлено.

Снижение верхнего предела содержания титана и ниобия спо­собствовало уменьшению в стали пленок из сложных окислов этих элементов.

Ковка дисков из слитков удлиненной формы и исследование завариваемости осевых дефектов слитка

Технология ковки дисков из трехконусных слитков весом 2,1 т (см. рис. 66) имеет существенный недостаток — низкий выход годного, не превышающий 50%. На H3JI большое коли­чество поковок ответственного назначения из высоколегированных сталей успешно изготовляется из слитков удлиненной формы, эко­номичность которых сочетается с высоким качеством получаемых деталей. Применительно к рассматриваемому диску (см. рис. 58, б) переход на слитки удлиненной формы вызывал известные опасе­ния в связи с отсутствием в нем центрального отверстия и нали­чием высокой ступицы, не допускающей больших степеней осадки при выполнении поковки. Предполагалось, что осевые усадочные пороки удлиненного слитка в условиях недостаточно эффективной проработки центральных зон не будут надежно заварены и вызовут дефекты металла в готовом диске. Однако опытная партия дисков в количестве шести штук, откованная из трех плавок, не подтвер­дила этих опасений: поковки оказались годными по всем призна­кам качества металла, в том числе и по результатам ультразвуковой дефектоскопии.

Технологическая схема ковки диска из слитка удлиненной формы весом 2,17 т отличается от ранее рассмотренного процесса тем, что перед осадкой сбиллетированиого слитка от нижней части его отрубается годный остаток длиной 400 мм, который исполь­зуется для мелких деталей. При диаметре биллета 430—470 мм и длине 1100 мм его осадка не вызывает каких-либо затруднений. С учетом годного остатка полезный выход металла из слитка со­ставляет около 68 %.

Эффективность заварки осевых дефектов слитка удлиненной формы на разных стадиях ковки дисков была выявлена в резуль­тате экспериментального исследования, проведенного в производ­ственных условиях. Все промежуточные заготовки на основных технологических этапах и готовые поковки дисков разрезались на элементы, позволяющие установить наличие в металле неза- варившихся дефектов слитка.

Предварительно из слитка весом 2,17 т вырезался продольный темплет для выявления исходного состояния осевой зоны.

Опыты проводились на натурных заготовках, полученных в обычных цеховых условиях по принятому на заводе технологи­ческому процессу. Поэтому результаты исследования с наиболь­шим приближением отражают действительное состояние промежу­точных заготовок при ковке производственных дисков. Заготовки исследовались на следующих технологических этапах: 1) после биллетирования слитка; 2) после промежуточной осадки сбиллети­рованиого слитка; 3) после протяжки осаженного блока; 4) го­товая поковка диска.

Слитки для опытных заготовок были отлиты из стали, выплав­ленной в 10-тонной электропечи с основным подом. В соответ­ствии с принятой на заводе технологией производства дисков из стали ЭИ572 все слитки поступали в прессовый цех в горячем со­стоянии с температурой на поверхности 600—700° С. Один сли­ток, предназначенный для последующей разрезки, был охлажден в печи до 400° С после 5-часовой выдержки при 750—800° С. Остальные слитки подвергались нагреву и ковке по установлен­ному технологическому процессу.

Откованные заготовки охлаждались на воздухе и в дальнейшем исследовались по следующей схеме: сбиллетированные заготовки диаметром 390 мм, полученные из двух слитков, разрубались на отдельные части, торцы которых механически обрабатывались и шлифовались под травление. С каждого торца предварительно снимался слой металла толщиной не менее 60 мм с целью исключить влияние деформированной топором зоны руба на мак- роструктурное строение торцовой поверхности заготовки. На травленой поверхности торцов изучалось наличие металлурги­ческих пороков стали, особенно дефектов, связанных с осевой зоной слитка. Схема макроструктурного контроля поперечных сечений сбиллетированных слитков, полученных в результате их разрубки и соответствующей подготовки торцов, показаны на рис. 71, а. Травление и тщательный осмотр торцовых поверхно­стей заготовок позволяют достаточно полно исследовать макроструктурное состояние всего объема слитка после его биллетирования.

Из заготовки, полученной после биллетирования и осадки слитка, вырезался продольный осевой темплет, который методом глубокого травления шлифованных плоскостей контролировался на наличие металлургических дефектов. Далее из разных зон темплета приготовлялись радиальные и осевые образцы для механи­ческих испытаний. После протяжки осаженного слитка выреза­лись поперечные темплеты —III (рис. 71, б) для выявления металлургических пороков стали. Металл темплетов подвергался механическим испытаниям на тангенциальных и радиальных образцах.

Окончательно сформированные опытные поковки диска про­ходили все стадии обработки и контроля аналогично производ­ственным дискам из стали ЭИ572 (обдирку, термическую обра­ботку, испытания механических свойств, макроисследование и ультразвуковой контроль!). Из диска вырезался осевой темплет для более глубокого изучения макроструктуры и механических свойств различных зон поковки.

В результате исследования в центральной части плоскости 2 (рис. 71, а) обнаружены крупные и мелкие поры, сосредоточенные в зоне размером около 70 X 80 мм. В плоскости 3 такая зона пор была уже значительно меньшей. В плоскостях 4, 5 η 6 имелись лишь отдельные рассредоточенные мелкие поры, в плоскостях 7, 8 и 9 дефектов металла не замечено. Это означает, что внутренние пороки слитка из аустенитной стали ЭИ572 (поры, рыхлости и даже осевые межкристаллитные трещины большой протяженности) завариваются под воздействием ковки с относительно малыми коэффициентами укова. Практически уже при коэффициенте укова около 1,3—1,4 верхняя половина сбиллетировапного слитка ока­залась свободной от каких-либо дефектов, связанных с осевыми пороками слитка.

Дальнейшая деформация слитка — промежуточная осадка — повышает (или, по крайней мере, не снижает) степень плотности металла: в плоскости продольного темплета осаженного блока на­блюдаются лишь единичные мелкие поры, заметных приз­наков несплошности металла, как следствия незаварившихся дефектов слитка, нет. Глубоким травлением выяв­лена макроструктура темплета, на которой отчетливо видны характер и располо­жение волокон. В осаженном блоке осевая зона диаметром около 100—150 мм состоит из слабоориентированных в радиальном направлении зерен, в остальном объеме блока зерна имеют в основном четко вы­раженную радиальную направленность волокон как результат осадки участков слитка с развитой столбчатой кристаллизацией (рис. 72).

Заготовка, полученная после вытяжки осаженного блока на диаметр 400 мм, исследовалась на поперечных темплетах, вырезан­ных из заготовки по схеме, показанной на рис. 71, б, и ультра­звуковой дефектоскопией. При тщательном осмотре шлифованных поверхностей темплетов после травления не обнаружено каких- либо пороков металла. Отсутствие внутренних металлургических дефектов в объемах заготовки I—III установлено также и при уль­тразвуковом контроле с торцовых и цилиндрических поверхностей. Следовательно, комплекс предшествующих технологических опе­раций — биллетирование слитка, промежуточная осадка и вы­тяжка осаженного блока — обеспечил полную заварку осевых

дефектов слитка в заготовке, подготовленной для конечных опе­раций формообразования поковки.

Контроль качества металла окончательно сформированного диска методом травления и ультразвуковой дефектоскопии показал отсутствие в поковке каких-либо внутренних пороков металлурги­ческого характера. Для бо­лее глубокого контроля из диска вырезали продоль­ный осевой темплет, иссле­дование которого подтвер­дило физическую плот­ность металла, отсутствие несплошностей, пор и дру­гих признаков недостаточ­но полной заварки дефек­тов слитка. Такой резуль­тат вполне закономерен, так как еще до окончатель­ной осадки и разгонки полотна промежуточная заготовка уже не имела подобных дефектов.

Проведенное исследо­вание подтвердило надеж­ность использования слит­ков удлиненной формы для ковки дисков газовой тур­бины ГТ 700-5 в отноше­нии главного фактора ка­чества диска — отсутствия внутренних пороков ме­талла. Одновременно уста­новлен высокий эффект заварки усадочных поро­ков слитка из стали ЭИ572 при относительно неболь­ших степенях укова.

Представляет интерес и анализ механических свойств заготовок после осадки сбиллетированного слитка и протяжки блока. Продольный осевой темплет, вырезанный из осаженного блока, после исследования макроструктуры разрезался на заготовки для разрывных и ударных образцов в радиальном и осевом направлениях.

На рис. 73 приведены кривые изменения механических свойств металла в разных сечениях блока. Обращают на себя внимание следующие особенности.

1. Комплекс механических свойств металла, в радиальном

направлении значительно выше, чем в осевом. Это относится не только к характеристикам пластичности, но и к пределу прочности, значение которого в центральной области блока на 30—40% выше. При этом значения предела текучести σ₀,2 находятся примерно на одном уровне.

2. По мере удаления от центра к периферии резко повышаются свойства пластичности δ и ψ, которые в радиальном направлении в 1,5—2 раза превышают требования технических условий. Пока­затели прочности в радиальном на­правлении изменяются незначи­тельно. Абсолютные значения свойств пластичности δ_ραδ и в централь­ной зоне блока относительно высоки (больше 20%) только в сечении, соот­ветствующем низу слитка. В верхней части слитка δ_рад и ψ_paд уменьша­ются до значений 10—12%.

3. В центральной зоне блока на­блюдается закономерное снижение механических свойств металла в ра­диальном направлении от низа к верху слитка. В осевом направлении механические свойства изменяются незначительно.

Таким образом, наиболее низкие механические свойства в радиаль­ном направлении имеет центральная зона блока в области верхней части слитка.

Главная причина этого заклю­чается в слабой эффективности меха­нической проработки подприбыльных зон слитка при его осадке в связи с влиянием цапфы.

Поперечные темплеты, получен­ные из заготовки после протяжки блока на диаметр 450 мм (рис. 71, б), разрезались на тангенциальные и радиальные образцы. Результаты испытаний центральных и периферийных участков заготовки представлены на рис. 74.

Из сопоставления двух графиков, показанных на рис. 73 и 74, следует, что протяжка блока на заготовку диаметром 450 мм несколько выравнивает свойства пластичности в радиальном на­правлении в пределах центральных участков заготовки. При этом разница в механических свойствах центральных и периферий­ных зон, в том числе показателей прочности, выявляется еще более резко, чем в осаженном блоке.

Параллельно с опытным диском, откованным по установленному технологическому процессу, из слитка весом 2,17 тэтой же плавки был откован второй диск без промежуточной осадки. Технологи­ческий процесс ковки состоял из биллетирования слитка на конус диаметром 470—390 мм, вырубки заготовки длиной 1000 мм и последующей осадки ее с формированием ступицы и разгонкой полотна. Таким образом, из нормального технологического цикла

были исключены две очень важные в отношении проработки ме­талла операции — промежуточная осадка слитка и вытяжка осаженного блока.

Этот диск, как и диск, откованный с промежуточной осадкой, после обдирки и термической обработки подвергался осмотру травленых поверхностей торцов и ультразвуковой дефектоскопии. Каких-либо внешних дефектов металла при осмотре не было обна­ружено. Что касается ультразвуковой дефектоскопии, то при прозвучивании с торцов ступицы в центральной области диска были зафиксированы импульсы, характерные для крупнозернистой структуры металла.

Из этого диска также был вырезан продольный осевой темплет для детального исследования. Глубоким травлением на поверх­ности темплета не выявлено никаких металлургических пороков, но в центральных объемах диска, примыкающих к контактным плоскостям, особенно со стороны ступицы, обнаружены участки разнозернистой структуры с преобладанием крупных зерен (рис. 75). В диске, откованном с промежуточной осадкой слитка, заметных участков крупнозернистой структуры не выявлено.

Далее оба продольных темплета подвергались всесторонним механическим испытаниям. Схема разрезки темплетов на образцы и результаты испытаний, характеризующие свойства разных объе­мов металла по высоте и радиусу дисков, показаны на рис. 76 в виде кривых изменения механических свойств металла поковок в радиальном и осевом направлениях.

Общий уровень механических свойств обоих дисков в радиаль­ном направлении может быть оценен как вполне удовлетворитель­ный. Предел текучести ни в одном из участков не снижается ниже 40 кГ/мм², показатели пластичности б и ψ даже в центральной зоне ступицы находятся на уровне около 20—25%, а ударная вяз­кость составляет более 4 кГм/см². Но при сопоставлении показа­телей механических свойств дисков, откованных по разным вариантам, отмечается следующая особенность: в центральной зоне диска (плоскость /—/), откованного без промежуточной осадки, показатели пластичности и вязкости в области осевой горизонталь­ной плоскости несколько выше, чем в диске, откованном с проме­жуточной осадкой, однако эти же характеристики (δ, ψ и а_н) имеют заметно более низкие значения в зонах, прилегающих к тор­цовым поверхностям. Учитывая при этом и соотношения показа­телей прочности, необходимо сделать вывод, что в диске, откован­ном без промежуточной осадки, механическая проработка при- контактных зон металла хуже, чем в диске, откованном с про­межуточной осадкой. По мере удаления от центральных участ­ков диска это явление теряет свой закономерный характер. Разница в уровне механичес­ких свойств приконтактных участков обоих дисков в осевом направлении еще более заметна в центральной части ступицы (рис. 76, в).

На рис. 77, а показано соот­ношение основных показателей прочности, пластичности и вяз­кости металла центральных зон дисков, откованных с промежу­точной осадкой и без нее. Пре­дел текучести во втором случае на 5—7% ниже и эта разница сохраняется почти постоянной по всей высоте дисков. Что касается характеристик пластичности и вязкости, то на ради­альных образцах значение ψ в области осевой горизонтальной плоскости на 20% выше, в приторцовых зонах — на 15—18% ниже, значение а_н — соответственно на 10% выше и на 20% ниже.

Для дисков, откованных по разным технологическим схе­мам, сохраняется общая закономерность изменения соотношения механических свойств в осевом и радиальном направлениях (рис. 77, б): почти одинаковые по высоте диска соотношения , близкие по своему значению к 100%, и резкое падение соотношений в области горизонтальной осевой плоскости диска, где они достигают 40—50% при значениях в приторцовых зонах 80—115%.

Таким образом, диск, откованный без промежуточной осадки, уступает диску, откованному с промежуточной осадкой слитка, по уровню показателей пластичности в приторцовых зонах цен­тральной части поковки, что связано с недостаточно эффективной проработкой этих зон при ковке и с наличием в них участков круп­нозернистой структуры. Это обстоятельство имеет существенное значение, так как в известной мере снижает конструкционную прочность диска. Но не менее серьезным недостатком упрощен­ного процесса ковки (без промежуточной осадки слитка) является и сложность ультразвукового контроля таких дисков из-за скоп­ления крупных зерен в зонах, подлежащих прозвучиванию, и, следовательно, ненадежность контроля дисков на наличие вну­тренних пороков металла.

Учитывая ответственность назначения и высокие требования к работоспособности диска в эксплуатационных условиях следует признать недопустимым исключение из технологического цикла ковки операции промежуточной осадки слитка.

Термическая обработка и средний уровень

механических свойств дисков

Термообработка дисков из стали ЭИ572 производится после грубой механической обработки (см. рис. 69, а) и состоит из двух основных операций: аустенизации с нагревом металла до 1150— 1170° С и отпуска (стабилизации) при 750—770° С. Технологически эти операции осуществляются по следующим режимам.

Аустенизация: посадка в печь при температуре не выше 300° С, нагрев до 1050° С со скоростью 80—100 град/ч с про­межуточной выдержкой при 650° С в течение 3 ч и при 1050° С — 2 ч дальнейший нагрев до 1150—1170° С с максимальной скростью, допускаемой печью, выдержка при 1150—1170° С в течение 2 ч, охлаждение в воде продолжительностью 20—25 мин.

Отпуск: посадка в печь при температуре не выше 300° С с выдержкой в печи при этой температуре в течение 2 ч, нагрев до 750—770° С со скоростью 60—80 град/ч с выдержкой при этой температуре в течение 12 ч, охлаждение с печью до 400° С со ско­ростью не более 40 град/ч.

Практически установлено, что обусловленная режимом тем­пература аустенизации дисков является одной из главных пред­посылок высокого уровня механических свойств металла. Аустени­зация с более низких температур неизбежно вызывает снижение свойств, главным образом показателей пластичности. Это обстоя­тельство особенно важно учесть в связи с тем, что предельная тем­пература нагрева в большинстве термических печей находится на уровне температур аустеннзацни и поэтому любая неравно­мерность нагрева сказывается в сторону уменьшения температуры в определенных объемах рабочего пространства печи. В условиях производственных садок при загрузке дисками всей площади пода горизонтальных термических печей степень неравномерности нагрева в отдельных зонах нередко достигает 25—30° С, что существенно снижает установленную температуру аустенизации дисков, расположенных в этих зонах. Трудности равномерного прогрева дисков усугубляются еще и отсутствием в них цен­тральных отверстий и относительно большой высотой по ступице.

В цеховых условиях наблюдались случаи недостаточно высо­кого нагрева под аустенизацию отдельных заготовок в садке, свя­занные с большим перепадом температуры в рабочем пространстве печи. Такие заготовки, как правило, имели пониженные механиче­ские свойства. Характерно, что другие диски этой же плавки, термически обработанные в той же садке, но расположенные в другой зоне печи, во многих случаях имели вполне удовлетво­рительные показатели. Повторная термическая обработка дисков, выполненная с точным соблюдением установленной температуры аустенизации, обычно приводила к резкому повышению меха­нических свойств металла. Отдельные результаты изменения механических свойств дисков после повторной аустенизации с от­пуском, взятые из заводской практики, приведены в табл. 46, где для сопоставления приведены и механические свойства других дисков этих же плавок, получивших требуемые показатели после первой термообработки.

Повторная аустенизация при условии строгого выполнения основных элементов технологического режима нагрева дисков (нагрев от 1000—1050° С с максимальной скоростью, выдержка при этой температуре не более 2 ч) не приводила к заметному росту зерен. Величина аустенитного зерна в производственных дисках колебалась в основном в пределах 4—5 баллов.

Вопрос о возможной неравномерности нагрева дисков имеет очень существенное значение и для операции отпуска. В данном случае отклонение температуры отпуска от установленного ре­жима не имело бы решающего значения при соответствующем корректировании длительности процесса, поскольку влияние двух этих факторов на результаты отпуска взаимосвязано: увеличе­ние продолжительности отпуска компенсирует некоторое снижение его температуры, и наоборот. Но в условиях одной садки при по­стоянной длительности пребывания всех заготовок в печи значи­тельная неравномерность нагрева неизбежно вызывает в дисках разную степень выделения упрочняющей карбидной фазы и, сле­довательно, разные свойства. Такое явление наблюдалось при недостаточном внимании технологов и обслуживающего персо­нала печи к проведению операции отпуска дисков из стали ЭИ572.

Оптимальные условия выполнения аустенизации и отпуска дисков могут быть достигнуты в вертикальных термических печах или в горизонтальных печах с точным регулированием температуры в разных зонах рабочего пространства. При отсутствии печей такого типа требуется ограничение величины садки с размещением дисков в зонах с относительно близкой температурой, применение

высоких подставок, а в случае необходимости и кантовка дисков во время отпуска. Такой прием используется на НЗЛ при термооб­работке массивных дисков с высокой ступицей.

На рис. 78 изображен график предельных значений механиче­ских свойств дисков, откованных из 16 рядовых плавок стали ЭИ572 (по 2—4 диска из каждой плавки). График построен по данным статистической обработки результатов производственного контроля большого количества поковок и поэтому отражает средний фактический уровень.

Предел текучести при 20 и 600° С отличается относительно ров­ными значениями и соответствует установленным нормам. При этом, однако, нижняя граница предельных значений σ_0>2 при 600° С для дисков большинства плавок находится на уровне около 25 кГ/мм²,

а верхняя граница — около 27—29 кГ/мм², т. е. поэтому показателю диски почти не имеют запаса. Предел теку­чести при 20° С характери­зуется устойчивыми мини­мальными значениями около 40 кГ/мм² при норме по тех­ническим условиям не менее 35 кГ/мм². Значения σ_β также не вызывают каких- либо опасений.

Свойства пластичности и ударной вязкости дисков от­личаются большим разбегом значений не только в преде­лах 16 плавок, но и в пре­делах каждой плавки. На­пример, диски из стали плав­ки № 1 имеют следующие предельные значения: ψ = = 24+39%, δ =27+41%, а_н = 5ч-8,4 кГ-м/см², а из стали плавки № 6 — ψ = = 27+39%, δ =20+38%, а_н = 4,2 + 8,0 кГ-м!см². Та­кой перепад значений ψ, δ и а_н характерен для боль­шинства плавок. В преде­лах же дисков, откованных из 16 плавок, соотношение максимальных и минималь­ных величин ψ, δ и а_н до­стигает значений около 2— 2,5.

Резкий перепад свойств пластичности отражает разное мик­роструктурное состояние металла дисков (особенно содержа­ние в нем ферритной фазы и карбидов), весьма чувствительное к колебаниям химических элементов в пределах марочного состава стали и к фактическим режимам аустенизации и отпуска дисков.

Чем более стабильны эти факторы, тем стабильней и значения показателей ψ, δ и а_н.

Небезынтересно и влияние профиля исходного слитка на уро­вень механических свойств дисков. Для выявления этой связи на H3JT был проделан такой опыт. Девять производственных плавок стали ЭИ572 разливались в изложницы двух типов — трехконусную (вес слитка 2,1 т) и удлиненной формы (вес слитка 2,17 т). Из каждой плавки было отлито по одному слитку, которые в даль­нейшем использовались для ковки дисков по установленному тех­нологическому процессу. Все поковки термически обрабатывались по одинаковым режимам и в одинаковых условиях. Таким обра­зом, в пределах каждой из 9 плавок имелась возможность сопо­ставления механических свойств дисков, отличающихся друг от друга только одним признаком — профилем исходного слитка.

По результатам макро- и ультразвукового контроля все диски удовлетворяли нормам технических условий. Значения механи­ческих свойств дисков показаны на графике, изображенном на рис. 79, из которого следует, что механические свойства дисков, откованных из слитков удлиненной формы, во всяком случае не уступают (а в некоторых плавках даже заметно превышают) свой­ства дисков, откованных из слитков с переменной конусностью.

Изучение дефектов, обнаруженных при макроконтроле

и ультразвуковой дефектоскопии

Техническими условиями предусматривается контроль трав­леных торцовых поверхностей диска и всех доступных для осмотра внутренних поверхностей ступицы после чистовой механической обработки. Учитывая конфигурацию диска — выход на торцовую поверхность ступицы относительно глубоких участков металла, залегающих в центральной зоне поковки (см. рис. 58, б), — такой контроль следует признать весьма эффективным.

На травленой поверхности допускаются отдельные неметал­лические включения размером до 2 мм в количестве не более 12 шт. и размером 2—4 мм — не более 5 шт. Другие дефекты металла не допускаются.

Подавляющее число производственных дисков удовлетворяло этому требованию. Только в отдельных случаях обнаруженные макродефекты выходили за пределы установленных норм. Напри­мер, из крупной серии дисков в количестве 60 шт., откованных из 22 плавок, по результатам макротравления забракован только один диск. Большинство годных дисков имело чистую поверх­ность без каких-либо признаков пор или неметаллических вклю­чений.

В четырех дисках на травленой поверхности обнаружены очень мелкие разобщенные неметаллические включения, по коли­честву и размерам не превосходящие нормы, регламентированные техническими условиями.

В забракованном диске выявлено большое количество точечных и вытянутых с различной ориентацией неметаллических включе­ний. Некоторые из них имели протяженность до 5—10 мм и раскры­вались в виде тонких трещин. Исследованием характера включе­ний установлено, что это главным образом окисные пленки, обогащенные титаном, которые образуются в стали либо в резуль­тате повышенного содержания титана, либо в результате техно­логических отклонений при разливке стали (вследствие отсутствия или неэффективного действия аргона или магния в изложницах образовалась окислительная среда).

Контроль дисков ультразвуковой дефектоскопией проводился с торцовых поверхностей ступицы и полотна, обработанных под V7. Большинство дисков отличалось однородной мелкозернистой структурой во всем объеме заготовки, и прозвучивание их дефек­тоскопом УЗД-7Н не вызывало каких-либо затруднений. Но не­которая часть дисков имела в центральной части ступицы (как правило, в диаметре 80—100 мм) крупнозернистую неоднородную структуру, которая резко уменьшала реальную чувствительность прибора УЗД-7Н в связи с сильным рассеянием ультразвуковых волн зернами металла и затуханием ультразвука. Впоследствии прозвучивание всех дисков из стали ЭИ572 производилось более чувствительным прибором УЗДС-18, предназначенным для выяв­ления внутренних дефектов металла в заготовках, имеющих крупнозернистую структуру.

В соответствии с принятой методикой ультразвуковой дефекто­скопии дисков на торцовой поверхности ступицы каждой заготовки высверливались отверстия с плоским дном глубиной 15 мм и диа­метром 3, 4, 5 и 6 мм. Отверстия располагались в зоне по окруж­ности диаметром 120—180 мм, удаляемой при чистовой механиче­ской обработке дисков.

Перед прозвучиванием диска устанавливался наименьший диаметр отверстия, выявляемый прибором, величина которого зависела от макроструктурного состояния данной поковки. Сле­довательно, сама поковка являлась эталоном для определения минимальных дефектов, обнаруживаемых ультразвуковым де­фектоскопом.

Условные (по сопоставлению с эталонными отверстиями) раз­меры допускаемых дефектов, их количество и расположение в по­ковке должны (в соответствии с техническими условиями) нахо­диться в пределах следующих норм: при условных размерах от 3 до 6 мм — не более 8 шт. в поковке при расстоянии между двумя любыми дефектами не менее пятикратной величины среднего ариф­метического значения их условной протяженности. Возможные дефекты с условными размерами менее 3 мм не учитываются, так как они не могут быть выявлены ультразвуковым контролем

из-за помех, вызываемых структурными особенностями поковок из аустенитных сталей.

В указанные нормы укладывалось подавляющее количество контролируемых дисков. Статистическим анализом установлено, что брак поковок по результатам ультразвуковой дефектоскопии не превышал 3—4%.

Общие результаты прозвучивания крупной партии дисков (в количестве 59 шт.) характеризуются данными, приведенными в табл. 47. Дефекты располагались преимущественно в централь­ной части ступицы, в зонах, близких к горизонтальной осевой плоскости диска.

Из 59 дисков 57 удовлетворяли нормам технических условий, признаны годными и поставлены на машины. Два диска, в том числе один, имеющий дефектную зону, забракованы.

Для изучения характера дефектов, выявляемых ультразвуко­вым контролем, некоторые из бракуемых дисков, особенно при наличии дефектных зон, подвергались разрезке и детальному исследованию в центральной заводской лаборатории НЗЛ. В боль­шинстве случаев дефекты представляли собой окисные пленки, нарушающие сплошность металла.

В частности, в одном из дефектных дисков при прозвучивании на частоте 2,5 Мгц обнаружены скопления мелких наслоенных дефектов размером (в эталонном сравнении) до 4 мм. Дефектная зона площадью около 150 см² расположена в центральной части диска на глубине 125 мм от торца ступицы.

Из диска по всей высоте был вырезан центральный стержень диаметром 105 мм, в котором после дополнительного прозвучива­ния зафиксирована дефектная зона площадью около 40 см². Шлифо­ванная поверхность стержня подвергалась травлению. В части цилиндрической поверхности, соответствующей месту расположе­ния дефектной зоны, обнаружены отдельные, вытянутые вдоль оси дефекты ликвационного характера длиной 1—5 мм. Дефекты подобного типа повторялись и на поверхности стержни после его дополнительной обточки до диаметра 85 мм. На поверхности участков, в которых ультразвуковым контролем внутренние по­роки металла не выявлялись, дефекты не обнаружены.

Далее стержень разрезался на части с изготовлением нестан­дартных разрывных образцов в осевом направлении из бездефект­ной зоны и из зоны, имеющей дефекты.

В первом случае механические свойства имели следующие значения: σ_{0, 2} = 31,5 + 34,5 кГ/мм², σ_в = 41,1 +51,0 кГ/мм², δ = 5,7 + 12,1'%, ψ = 5,2 + 15,3%, во втором — σ_{0, 2} = 31,1 + 32,0 кГ/мм², σ_в = 38,8+39,4 кГ/мм², δ = 4,1 5,0%, ψ = = 2,7%. Из этих данных следует, что дефектные участки диска отличаются более низкими показателями пластичности. Излом образца, взятого из бездефектного участка, матовый, однородный, среднекристаллический; излом образца, выре­занного из дефектной зоны, матовый, среднекристаллического строения с пятнами серой окраски. Исследованием микрострук­туры в плоскостях, перпендикулярных дефектным и бездефект­ным изломам, не обнаружено какой-либо разницы в структур­ном состоянии металла — ни по величине зерна, ни по харак­теру распределения ферритной фазы. Микроанализом шлифов, приготовленных из разрывных образцов, выявлено наличие в центральных участках диска карбидной полосчатости. На шлифах наблюдались также пленки окислов.

Для исследования природы пятен в изломах образцов методом спектрального анализа определен их химический состав. Установ­лено сильное обогащение серых пятен титаном, содержание ко­торого в два раза превышает содержание его в плавочной пробе. Ликвации других элементов не отмечено. Таким образом, серые пятна являются окисными пленками, обогащенными титаном.

Нарушая сплошность металла, они снижают его механические свойства, обнаруживаются на травленых поверхностях в виде точечных или вытянутых включений и отражают ультразвуковые колебания при прозвучивании дисков.