14. Окончательная термообработка

Поковки из жаропрочных сталей перлитного класса

По сравнению с обычными конструкционными легированными сталями, работающими при нормальных температурах, выбор ре­жимов термической обработки жаропрочных перлитных сталей осложняется) дополнительным требованием — получением опти­мальных показателей жаропрочности металла для заданных ра­бочих условий. В первом случае наиболее благоприятное сочета­ние механических свойств достигается закалкой с отпуском. Во втором случае улучшение не всегда дает комплекс оптимальных показателей и часто требуется изыскание других, более эффектив­ных режимов термообработки.

Исследованиями, проведенными за последние годы [47, 48], установлено, что наибольшей жаропрочностью обладают стали имеющие структуру бейнита, в связи с чем для весьма распростра­ненных хромомолибденованадиевых сталей перлитного класса нормализация с высоким отпуском считается более благоприятным видом термообработки, чем улучшение. Применительно к крупным поковкам положительной особенностью нормализации по сравнению с закалкой является и менее высокий уровень термических и струк­турных напряжений, возникающих при выполнении этой опера­ции, что способствует меньшему развитию дефектов металлурги­ческого характера.

Для получения требуемого уровня механических свойств круп­ных поковок, в частности ударной вязкости, эффект нормализа­ции иногда повышается специальным ускоренным воздушным ох­лаждением металла. Такой прием используется, например, при термообработке поковок роторов из стали Р2, нормализация кото­рых проводится в особых камерах с принудительной циркуляцией воздуха. Иногда применяется и более сложный цикл обработки— двойная нормализация с отпуском, которая в сравнении с одинарной нормализацией обеспечивает большую пластичность и однород­ность металла крупных поковок и меньшую чувствительность к надрезу при испытаниях на длительную прочность [47].

Учитывая дополнительные преимущества нормализации с от­пуском (упрощение процесса термообработки, возможность более универсального использования термических печей, улучшение ус­ловий труда в цехах), применение данного метода целесообразно во всех случаях, когда это позволяют технические требова­ния к конкретным поковкам. Из отмеченных в гл. I марок жаропрочных сталей перлитного класса хромомолибденованадиевые стали типа 15Х1М1Ф и Р2 в большинстве случаев подверга­ются одинарной или двойной нормализации. Способ улучшения используется только при повышенных требованиях к поковкам по механическим свойствам, например при термообработке дисков из стали Р2 на σ_0,2 75 кГ/мм² или при обработке крупных дета­лей из стали 15Х1М1Ф. Поковки из стали ЭИ415, как правило, подвергаются улучшению. Совершенно неприемлема окончатель­ная термообработка в виде одной лишь нормализации (без последую­щего отпуска), даже при отсутствии опасений возникновения больших внутренних напряжений, так как в этом случае резко снижается жаропрочность стали.

Температура нагрева под нормализацию или закалку перечи­сленных выше марок жаропрочных перлитных сталей устанавли­вается на 100—120° С выше точки Ас₃. Нагрев до температуры, значительно превышающей верхнюю критическую точку, обуслов­лен наличием в составе этих сталей ванадия (а в стали ЭИ415 и вольфрама), образующего карбиды с высокой температурой диссо­циации, и необходимостью из соображений жаропрочности ме­талла максимально возможного растворения этих элементов в аустените с увеличением размера зерна стали. Исследования ЦНИИТмаша показали, например, неприемлемость нормали­зации стали 15Х1М1Ф при температуре 930—960°С (как это проводилось на заводах ранее) из-за низкого уровня жаропроч­ных свойств, несмотря на очень высокие пластические свойства стали [49]. Повышение температуры нормализации до 1030— 1050°С несколько снижает пластичность металла, но значительно повышает жаропрочность.

Положительное влияние нормализации с более высоких тем­ператур отмечено и при исследовании опытных поковок из стали Р2 [48]. Первоначально установленная температура нормализа­ции 920°С была повышена до 980°С, что обусловило более вы­сокий уровень жаропрочных свойств металла.

Весьма существенную роль в формировании жаропрочных свой­ств и структурной стабильности стали играет температура отпуска, которая должна обеспечить полный распад неравновесных структур и снятие внутренних напряжений. Принципиально важно уста­новить такую температуру отпуска, которая была бы возможно выше рабочей температуры данной поковки. В этом случае струк­турные изменения в металле под воздействием эксплуатационных условий будут наименьшими. Но верхний предел температуры от­пуска ограничивается двумя факторами: положением точки Ac₁ и требованиями по характеристикам прочности металла. Поэтому стремление к максимально возможной температуре отпуска не­избежно связано с обработкой детали на минимально допустимую прочность, а следовательно, и с большей точностью проведения операции.

При выборе оптимальной температуры отпуска надлежит учи­тывать и особенности конкретной детали. Например, при наличии в конструкции детали резких переходов назначение высокой тем­пературы отпуска желательно и для уменьшения чувствительности стали к надрезам за счетмаксимального повышения ее пластичности.

Влияние длительности отпуска на прочность стали при нормаль­ных и повышенных температурах и ее жаропрочные свойства ана­логично влиянию температуры отпуска. Поэтому оба элемента ре­жима отпуска устанавливаются экспериментально в строгом со­четании друг с другом.

ЦНИИТмашем исследовалось влияние температуры отпуска в пределах 700—760°С с выдержкой от 2 до 12 ч на жаропроч­ность трубной заготовки из стали 15Х1М1Ф [49]. Оптимальное сочетание жаропрочных и пластических свойств получено после нормализации с 1030—1050° С и отпуска при 700—720° С дли­тельностью 5 ч. Однако такой режим рекомендован только для стали 15Х1М1Ф, содержащей не более 0,13% углерода. При со­держании в плавке углерода более 0,13% температура отпуска должна быть повышена до 740—760° С.

По данным JIM3, оптимальным режимом термообработки круп­ных кованых фланцев из стали 15Х1М1Ф является нормализация » с 1000° С и отпуск при 720° С продолжительностью 8—10 ч или закалка с 1000° С в масле и отпуск при 740—750° С с выдержкой 10 ч. Оба режима дают удовлетворительные результаты по меха­ническим свойствам при нормальных температурах и характерис­тикам жаропрочности: Для крупных поковок в состоянии норма­лизации и отпуска при σ_0,2 = 30 32 кГ/мм² ориентировочный предел ползучести при 565° С составляет 6 кГ/мм², предел дли­тельной прочности — 7—8 кГ/мм²; пластичность при длительном разрыве весьма высокая. Закалка с отпуском приводит к повыше­нию σ_0,2 до 37—50 кГ/мм² и к более высокой длительной прочности. Улучшение применяется обычно для крупных поковок фланцев, тройников, патрубков и других деталей с большими размерами поперечного сечения.

Сталь Р2 используется преимущественно для крупных поко­вок роторов паровых турбин. Термическая обработка поковок состоит из двойной нормализации с температур 970—990°С и 935—945° С и отпуска при 680—710° С продолжительностью 20— 30 ч (после прогрева) с последующим медленным охлаждением в печи. Роль первой нормализации сводится к более полному рас­творению карбидов и гомогенизации структуры. Вторая нормали­зация способствует уменьшению размера зерна и снижению чув­ствительности стали к надрезу. Двойная нормализация, как уже было сказано, повышает свойства пластичности металла и их одно­родность по сечению поковок.

Применительно к крупным поковкам большое влияние на ко­нечные результаты термообработки стали Р2 оказывает скорость

охлаждения при второй нормализации. Первоначальный опыт ох­лаждения поковок роторов на спокойном воздухе показал непри­емлемость такого режима в связи с пониженной ударной вязкостью металла: около 80% роторов имели значения ударной вязкости ниже нормы технических условий ( 4,5 кГ-м/см²). Внедрение на Уралмашзаводе принудительного охлаждения поковок путем обдува их воздухом от специальной вентиляционной установки обеспечило требуемый уровень ударной вязкости и повысило од­нородность механических свойств металла в'объеме всей поковки. Значения показателей прочности и пластичности роторов коле­бались при этом, как правило, в следующих пределах: σ₀, = 50 -н -4-65 кГ/мм², δ = 17 21%, ψ = 55 65% [50]. Термическая обработка стали Р2 на предел текучести более 75 кГ/мм² (напри­мер, для дисков некоторых типов центробежных компрессорных машин) состоит из закалки с 940—960° С в масле и отпуска при 650—670° С.

Основной вид термической обработки крупных поковок из стали ЭИ415 — закалка с 1000—1030° С в масле с последующим отпус­ком при 660—700° С. Более узкие температурные пределы отпуска и его длительность определяются в зависимости от требований технических условий по показателям прочности. В частности, турбинные диски с высотой ступицы 300 мм, обрабатываемые на σ₀₂ > 62 кГ/мм², подвергаются отпуску при 680—700° С. При этом фактические значения предела текучести достигают средних значений (65—70 кГ/мм²), а показатели δ, ψ и а_н соответственно равны 15—18%, 50—60% и 6—10 кГм/см².

Для более полного растворения карбидов ванадия цикл термо­обработки рекомендуется дополнять предварительной нормали­зацией с 1050—1100° С, что способствует повышению пластичности и ударной вязкости стали. Такой обработке подвергаются, напри­мер, цельнокованые роторы крупных размеров. Поковки относи­тельно небольших сечений могут обрабатываться также путем-нор­мализации с отпуском, так как сталь обладает хорошей прокаливаемостью.

Режим охлаждения поковок из жаропрочных перлитных сталей после отпуска зависит от размеров детали, ее конфигурации и на­значения. Поковки небольших сечений охлаждаются на воздухе. Крупные поковки, особенно сложной формы, охлаждаются мед­ленно в печи до 200—300° С во избежание внутренних напряжений, возникающих в таких поковках при ускоренном охлаждении на воздухе от температуры отпуска.

Иногда цикл окончательной термообработки дополняется от­пуском для снятия напряжений при температуре на 30—50° С ниже температуры отпуска, проведенного после закалки. Такая операция вводится для массивных поковок в тех относительно ред­ких случаях, когда термообработка их проводится в черном виде (без предварительной механической обработки) или при наличии в конструкции детали элементов с очень тонкими сечениями и слож­ными переходами. В этих случаях даже относительно невысокие остаточные напряжения в поковке вследствие большого (и осо­бенно неравномерного) съема металла при механической обработке, могут привести к неблагоприятному перераспределению напря­жений и вызвать недопустимую деформацию детали. В случае необходимости отпуск для снятия напряжений устанавливается технологическим процессом на промежуточном этапе механичес­кой обработки (с оставлением минимального припуска, необходи­мого для доведения детали до окончательных размеров).

Поковки из хромистых нержавеющих

и жаропрочных сталей мартенситного класса

Термическая обработка поковок из хромистых мартенситных сталей состоит, как правило, из закалки с отпуском. Закалка мел­ких поковок производится на воздухе, крупные поковки для бо­лее полного мартенситного превращения закаляются обычно в масле. Иногда для повышения ударной вязкости стали приме­няется двойная закалка с последующим отпуском. Для более эффек­тивной проработки металла поковки перед окончательной термо­обработкой обычно подвергаются обдирке с оставлением только минимально необходимых припусков, компенсирующих возмож­ную деформацию деталей. Термообработка черных поковок нередко вызывает образование трещин в местах концентрации поверхностных дефектов, особенно при закалке в масле.

Температура закалки выбирается исходя из условия наиболее полного растворения карбидов, поэтому она значительно превы­шает точку Ас₃ и для большинства высокохромистых сталей ко­леблется в пределах 1000—1100° С. Нижний предел температур относится к сталям 1X13—3X13, верхний — к сталям, дополни­тельно легированным сильными карбидообразующими элемен­тами, например ванадием и ниобием. Закалка с более низких тем­ператур снижает эффективность термообработки, особенно приме­нительно к сложнолегированным сталям. ЦНИИТмашем отмечено, например, что повышение температуры закалки дисков из стали Х12В2МФ (ЭИ756) с 1040 до 1060—1070°С повышает общий ком­плекс механических свойств, в том числе показатели прочности. Положительное влияние высокотемпературной закалки на меха­нические свойства модифицированных высокохромистых сталей (не только кратковременные, но и длительные) подтверждается и другими экспериментальными данными [47]. Однако чрезмерно высокие температуры закалки не рекомендуются, так как при этом имеется опасность интенсивного роста зерен и увеличения коли­чества структурно свободного феррита, снижающих пластичность и особенно ударную вязкость стали. Назначение оптимальной тем­пературы закалки поковок из стали конкретной марки требует тщательного анализа положения области δ-феррита на диаграмме состояний (с учетом возможных отклонений элементов в пределах марочного химического состава) и экспериментального определе­ния критической температуры начала быстрого роста зерен.

Лабораторными опытами установлено, что фазовые превраще­ния при нагреве под закалку в сталях рассматриваемого типа заканчиваются в течение первого часа выдержки [51], поэтому большой продолжительности нагрева поковок не требуется. Од­нако с учетом возможных производственных отклонений от точно заданного температурного режима длительность выдержки круп­ных поковок при температуре закалки составляет 2—3 ч, а поко­вок сечением 800—1000 мм — 6 ч после полного прогрева.

При отпуске стали происходит распад мартенсита с образова­нием промежуточных структур и одновременно протекает про­цесс выделения карбидов из твердого раствора. Совместное дей­ствие обоих факторов оказывает влияние на механические свой­ства стали при нормальных температурах и на ее жаропрочность.

Первым критерием при назначении режима отпуска является требуемое сочетание прочностных и пластических свойств стали. Это сочетание достигается соответствующим подбором темпера­туры и продолжительности отпуска. На рис. 13 показано изме­нение механических свойств некоторых марок высокохромистых сталей в зависимости от температуры отпуска. При освоении про­изводства поковок ответственного назначения намечаемую опти­мальную температуру отпуска надлежит экспериментально про­верить на натурных деталях в сочетании с определенной длитель­ностью выдержки.

Время выдержки при отпуске поковок средних размеров (се­чением до 300—400 мм) колеблется обычно в пределах от 2 до 6—8 ч и так же, как и температура отпуска, оказывает непосред­ственное влияние на механические свойства детали. Например, применительно к стали 18Х11МФБ увеличение длительности вы­держки при отпуске (при 725° С) с 2 до 10 ч приводит к снижению предела текучести с 68—78 до 60—67 кГ/мм² и повышению относи­тельного удлинения с 12—17 до 16—21%, а ударной вязкости с 10—13 до 13—15 кГм/см² [47 ]. Поэтому при назначении и практи­ческом выполнении режима термообработки очень важно правильно определить момент выравнивания температуры отпуска по всему сечению поковки, при котором фактическая длительность вы­держки соответствовала бы времени, предусмотренному установ­ленным режимом.

Общая закономерность изменения механических свойств высоко­хромистых мартенситных сталей при повышенных температурах (до 500—600° С) в зависимости от режима отпуска остается такой же, как и при нормальных. Взаимосвязь температуры отпуска с длительной прочностью в основном аналогична ее взаимосвязи с показателями прочности при кратковременных испытаниях [47].Но одновременно исследованиями установлено [52], что опти­мальное сочетание жаропрочных свойств высокохромистые стали получают после закалки (лучше всего двойной) и высокого отпуска, обеспечивающего средней уровень прочностных свойств. С точки зрения деформационной способности стали при повышенных тем­пературах отпуск ее на очень высокие значения прочности недопустим. В частности, для стали 15X11МФБ, используемой JIM3 для корпусных деталей паровых турбин, техническими условиями предусмотрено ограничение предела текучести максимальным значением (68 кГ/мм²).

Температура отпуска, естественно, должна быть выше рабочей температуры данной детали во избежание разупрочнения ме­талла. Поэтому для высокохромистых жаропрочных сталей прак­тический интерес представляет температурный интервал от­пуска в пределах около 600—750° С. При этой температуре по­мимо формирования определенного уровня механических свойств происхолит эффективное снятие внутренних напряжений, что для крупных поковок имеет немаловажное значение. Что касается сталей, используемых главным образом к качестве коррозионно- стойких материалов, то в данном случае обычно наблюдается тен­денция к выбору возможно более низкой температуры отпуска, так как этим достигается максимальная коррозионная стойкость [4]. Иногда низкая температура отпуска выбирается и из сообра­жений высокой прочности стали даже при условии пониженной пластичности и ударной вязкости. При этом не всегда учитывается фактор больших внутренних напряжений, возникающих в крупных поковках при закалке и требующих для своего снятия относительно высоких температур отпуска. В связи с этим в крупных поковках сложной формы под воздействием внутренних напряжений могут возникнуть трещины и местные разрывы. Один из таких случаев имел место при отпуске поковки типа диска высотой около 500 мм из стали 2X13 на твердость ΗВ 280 (температура отпуска 530° С). В результате значительных внутренних напряжений и их перераспределения при чистовой механической обработке в по­ковке появились глубокие разрывы металла.

Охлаждение хромистых мартенситных сталей после отпуска устанавливается с учетом особенностей поковки: формы, разме­ров, назначения и специфики конкретной марки стали. Стали 1X13, 2X13 и 3X13 подвержены отпускной хрупкости. Значитель­ное падение ударной вязкости наблюдается при температурах отпуска около 500—550° С. При отпуске с более высоких темпе­ратур желательно ускоренное охлаждение поковок (по крайней мере на воздухе.) В зависимости от индивидуальных особенностей плавки медленное охлаждение поковок в печи вызывает снижение ударной вязкости на 5—20% против норм, получаемых при уско­ренном охлаждении.

Однако в большинстве случаев абсолютные значения а_н ока­зываются достаточно высокими даже при медленном охлаждении в печи, в связи с чем крупные поковки сложной формы над­лежит охлаждать медленно во избежание повышенных остаточных напряжений и возможной в связи с этим деформации деталей при чистовой механической обработке. В качестве примера можно привести поковки валов диаметром 80—150 мм, длиной около 2 м из стали 2X13, обрабатываемых на σ_0,2 > 45 кГ/мм². Охлажден­ные после отпуска на воздухе валы во многих случаях обнаружи­вают недопустимую деформацию после окончательной механичес­кой обработки. Медленное охлаждение в печи снижает ударную вязкость с 8—12 до 7—10 кГ∙м/см², но исключает поводку валов. Аналогичную картину показывают и компрессорные диски из стали 2X13. Наличие тонкого полотна, склонного к короблению при механической обработке в результате перераспределения остаточных напряжений, предопределяет необходимость медлен­ного охлаждения поковки в печи, несмотря на некоторое снижение ударной вязкости. Мелкие поковки или поковки более массив­ные, но жесткой конструкции охлаждаются после отпуска на воздухе.

Сложнолегированные стали на базе 11—14% хрома, а также сталь 1Х17Н2 заметной склонности к отпускной хрупкости не обнаруживают. Поэтому они охлаждаются после отпуска на воз­духе или медленно в печи в зависимости от размеров детали.

В табл. 7 приведены типичные режимы термообработки некото­рых крупных поковок из высокохромистых сталей мартенситного класса, используемых в энергомашиностроении.

Технология нагрева крупных поковок под закалку предусмат­ривает их посадку в печь при температуре, не превышающей 300—400°С, и медленный постепенный ее подъем до 700—800° С в связи с низкой теплопроводностью сталей. Ускоренный нагрев вследствие возникающих при этом больших термических напряже­ний может вызвать образование трещин в центральной зоне по­ковки. При 700—800°С для выравнивания температуры по се­чению желательна выдержка. Нагрев температуры от 700—800°С до закалочной температуры производится ускоренно, так как тепло­проводность сталей заметно повышается и влияние этого фактора уже отпадает. В области высоких температур во избежание чрез­мерного роста зерен нагрев желательно проводить при минималь­ной продолжительности операции.

«При закалке длительность пребывания заготовки в масле дол­жна обеспечить охлаждение ее центральных зон до температур, необходимых для полного распада аустенита, например для стали ЭИ802 до 150—170° С.

Нагрев крупных поковок под отпуск производится с неболь­шими скоростями, не превышающими для деталей сечением 500— 700 мм 60—70 град/ч, а для деталей сечением более 800 мм 30— 40 град/ч. Температура печи при посадке обычно не превышает 400—500° С. Такие режимы нагрева обусловлены стремлением свести к минимуму внутренние напряжения в заготовке, большая величина которых может привести к образованию трещин и короб­лению детали. С этой же целью охлаждение после отпуска в печи проводится (в зависимости от сечения заготовки) со скоростями, не превышающими 30—40 град/ч. Следует подчеркнуть выявлен­ную закономерность влияния скорости охлаждения поковок (с температуры отпуска) на величину остаточных напряжений [53], которые будут тем меньше, чем ниже скорость охлаждения при температурах упруго-пластического состояния, т. е. в области температур примерно от 750 до 400°С. Влияние же скоростей ох­лаждения при более низких температурах в большинстве случаев несущественно и не имеет серьезного практического значения. В связи с этим, как правило, нецелесообразно охлаждение поковок в печи до очень низких температур, например до 100—150°С, как это практикуется на некоторых заводах. Даже весьма крупные поковки можно охлаждать на воздухе с 250—300° С.

Поковки из сталей аустенитного класса

Технология термообработки поковок из сталей аустенитного класса, как правило, включает в себя две основные операции: аустенизацию (закалку) и стабилизирующий отпуск.

Целью первой операции является растворение в γ-твердом растворе упрочняющих фаз (карбидов, интерметаллидов и др.) и насыщение его легирующими элементами. Оптимальная темпе­ратура растворения упрочняющих фаз зависит от индивидуаль­ных особенностей сплава, но общая закономерность процесса, происходящая при нагреве аустенитной стали, состоит в том, что с повышением температуры начинается растворение субмикро­скопических частиц и коагуляция их, а растворение крупных, скоагулированных частиц происходит при очень высокой тем­пературе (1000—1200° С). Одновременно при высоком нагреве отмечается рост зерен аустенита, в связи с чем температура аустенизации подбирается такой, чтобы, с одной стороны, была обеспе­чена необходимая степень растворения упрочняющих фаз, а с дру­гой — не было чрезмерно большого роста аустенитных зерен. Эти явления протекают во времени, поэтому существенную роль играет не только температура аустенизации, но и длительность выдержки, которая при выбранной температуре должна гаранти­ровать прохождение всех реакций, связанных с растворением ле­гирующих элементов в γ-твердом растворе в условиях приемле­мого укрупнения аустенитного зерна.

После соответствующей выдержки при температуре аустени­зации поковки охлаждаются в закалочной среде со скоростями, достаточными для фиксации состояния пересыщенного твердого раствора, полученного при нагреве. Для аустенитных сталей такой закалочной средой в большинстве случаев служит вода. В аустенизированном состоянии сталь имеет несколько меньшую твер­дость, чем после горячей механической обработки.

Для многих аустенитных сталей оптимальная температура за­калки находится в пределах 1100—1200°С. Следует подчеркнуть важность эффективного нагрева потковок под закалку. Основная задача этой операции — получение однофазного высоколегирован­ного аустенита. Чем выше температура нагрева стали, тем активней процесс растворения упрочняющих фаз и тем, следовательно, пол­нее перевод их в твердый раствор. Поскольку интенсивный рост аустенитного зерна начинается только после растворения карби­дов, правильным подбором и строгим практическим выполнением температурного режима нагрева стали можно достигнуть доста­точно полного растворения фаз при умеренной величине зерна.

Влияние температуры закалки резко сказывается на механиче­ских свойствах стали при нормальных и повышенных температурах, на ее жаропрочности и коррозионной стойкости. Установлено [47], что закалка от температур, обеспечивающих полное растворение карбидов и других фаз выделения, не только значительно по­вышает пластичность и ударную вязкость стали при 20 °С, но и ее прочность при повышенных температурах. Однако слиш­ком высокая температура закалки недопустима вследствие интенсивного роста зерен и склонности отдельных сталей, в ко­торых γ- и α-образующие элементы находятся на границах аустенитной области, к выделению феррита.

Длительность выдержки при оптимальной температуре, уста­новленной для конкретной марки стали, должна, с одной стороны, обеспечить полноту перевода фаз в твердый раствор и, с другой — не быть чрезмерной во избежание недопустимо сильного роста зерен. Поэтому очень важен правильный подбор режима нагрева для поковок разных форм и конфигураций, особенно крупных сечений. Режим нагрева должен быть таким, чтобы к моменту начала роста зерен температура поковки была практически оди­наковой по всему сечению, что позволяет ограничиться минимально необходимой выдержкой при высоких температурах для растворе­ния упрочняющих фаз при относительно небольшом и равномер­ном укрупнении зерен металла.

Иногда неправильное понимание характера внутренних явле­ний, протекающих в аустенитной стали при нагреве под закалку, и роли минимально допустимой температуры операции приводит к стремлению несколько снизить температуру закалки за счет увеличения длительности выдержки. Следует иметь в виду, что длительная выдержка при сравнительно невысокой температуре приводит только к растворению мелких и коагуляции крупных частиц упрочняющих фаз [54 ], но не оказывает влияния на рас­творение крупных скоагулированных частиц, поэтому снижение температуры закалки ни в коей мере не компенсируется продол­жительностью нагрева.

Охлаждение поковок после выдержки при температуре закалки должно быть ускоренным для фиксации состояния пересыщенного твердого раствора и, как правило, производится в воде, что гаран­тирует отсутствие выделения карбидов в интервале температур 900—450° С.

Основными элементами режима закалки аустенитных сталей являются температура нагрева, длительность выдержки и среда охлаждения, которые устанавливаются для каждой конкретной марки стали экспериментальным путем.

Отпуск поковок из аустенитных сталей имеет в общем цикле термической обработки различное назначение для стали, исполь­зуемой в качестве жаропрочной и коррозионностойкой. В первом случае наличие отпуска (старение) определяется главным обра­зом относительно высокими рабочими температурами и необхо­димостью обеспечения стабильной структуры и свойств металла в рабочих условиях. При нагреве и длительной эксплуатации деталей при 550—600° С и более высоких температурах леги­рованный γ-твердый раствор, полученный путем закалки, стремится к более равновесному состоянию: из твердого раствора выпадают карбиды и другие упрочняющие фазы, что иногда сопровождается разными объемными изменениями. Кроме того, в условиях экс­плуатации машины распределение напряжений и температуры по сечению детали неравномерное, поэтому структурные изменения, возникающие в детали, оказываются неодинаковыми, что снижает ее надежность вследствие значительной неоднородности свойств.

Отпуск закаленной жаропрочной стали при температуре, пре­вышающей рабочую температуру детали на 100—200°С, приводит к выделению из аустенита максимального количества мелкодисперс­ных включений упрочняющей фазы и к стабилизации размеров детали, структуры и свойств металла при более низких темпера­турах. Механические и жаропрочные свойства закаленной стали после старения повышаются. На этой особенности, в частности, основано приобретение высоких жаропрочных свойств некоторыми марками сложнолегированных дисперсионнотвердеющих сталей, например стали ЭИ612.

Основными факторами, влияющими на результаты отпуска аустенитных сталей, являются температура и продолжительность отпуска. Эти элементы режима подбираются по опытным данным таким образом, чтобы были обеспечены необходимая степень дис­персности выделений вторичных фаз и их количественный состав, непосредственно связанные с эффектом упрочнения и жаропроч­ности аустенитных сталей.

Особо следует подчеркнуть значение фактора времени при от­пуске. Увеличение продолжительности отпуска равносильно по­вышению его температуры, т. е. оба элемента режима взаимосвя­заны, поэтому при назначении оптимальной температуры должна быть строго определена и длительность этой операции.

После отпуска поковки относительно крупных размеров ох­лаждаются в печи до 200—400°С, а затем — на воздухе. Принци­пиально замедленное охлаждение поковок в печи нежелательно, так как при этом может произойти дополнительный распад твер­дого раствора. Для некоторых поковок, например турбинных дисков, это, однако, неизбежно в связи с тем, что отпуском одно­временно доводятся до минимума внутренние напряжения в де­талях.

Крупные поковки из аустенитных сталей, для которых решаю­щей характеристикой является не жаропрочность, а коррозионная стойкость материала, также подвергаются отпуску после аусте- низации, но в данном случае эта операция имеет только одно на­значение: снятие внутренних напряжений. Температура эксплуа­тации таких деталей обычно невысока и поэтому стабилизи­рующий отпуск не требуется. Наоборот, в отношении стойкости против межкристаллитной коррозии было бы весьма жела­тельно ограничить термообработку поковок одной лишь закалкой (аустенизацией), ибо именно в этом состоянии достигается наиболь­шая химическая стойкость стали. Для крупных деталей отпуск, однако, необходим как операция, снижающая внутренние на­пряжения, величина которых после аустенизации недопустимо велика. Поковки простых форм и относительно небольших сече­ний подвергаются только закалке.

Как уже указывалось, режимы термической обработки аусте­нитных сталей, в наибольшей мере удовлетворяющие условиям работы деталей, подбираются экспериментальным путем.

В табл. 8 приведены режимы закалки и отпуска некоторых распространен­ных аустенитных сталей, используемых в качестве жаропрочного или коррозионностойкого материала для крупных поковок дисков и других деталей стационарных газовых турбин.

Длительность выдержки при температуре закалки зависит от размеров поковки и находится обычно в пределах до 2—4 ч после полного прогрева по сечению. Для мелких и средних поковок из сталей Х18Н9Т и Х18Н12М2Т отпуск необязателен, но необхо­дим для крупных поковок с целью снятия остаточных напряжений. Длительность отпуска в этих случаях конкретизируется в зави­симости от формы и размеров детали.

Температура отпуска для поковок из стали Х18Н9Т задана из условий наилучшей сопротивляемости стали межкристаллитной коррозии. Снижение температуры отпуска до 750—770°С повышает восприимчивость стали к межкристаллитной коррозии, а поэтому недопустимо.

Для жаропрочных сталей ЭИ612 и ЭИ612К установлено двой­ное старение при 850—870 и 700—720°С, которое в отношении вы­деления дисперсных частиц упрочняющих фаз является наиболее эффективным. Длительность второго старения уточняется в зависи­мости от содержания титана в данной плавке: она будет тем меньше, чем выше содержание титана [2]. Двойному отпуску подвергается обычно и сталь ЭИ395.

Скорость нагрева под аустенизацию, отпуск и режим охлажде­ния после отпуска зависят не только от конкретной марки стали, но и от индивидуальных особенностей поковки, ее размеров и кон­фигурации. Несмотря на отсутствие фазовых превращений, нагрев до 900—1000° С производится с относительно небольшими ско­ростями вследствие низкой теплопроводности аустенитных сталей и высокого температурного градиента по сечению поковки. Даль­нейший нагрев в области более высоких температур — ускорен­ный, выдержка при температуре аустенизации — минимальная. Таким нагревом металл поковки предохраняется от чрезмерно сильного роста зерен.

В качестве примеров ниже приводятся рабочие технологичес­кие режимы термообработки газотурбинных дисков с высотой ступицы около 300 мм из жаропрочной аустенитной стали ЭИ572 и ЭИ612 (термообработка проводится после обдирки).