Глава VIII

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПЫТ ПРОИЗВОДСТВА ПОКОВОК

ИЗ СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНОГО КЛАССА

22. Поковки из сталей х18н9, х18н9т, 0х18н10,

Х18Н10Т и 0Х18Н10Т

Поковки, показанные на рис. 57, в известной мере являются типичными с точки зрения особенностей ковки и поведения металла при деформировании. Некоторые из них изготовляются из слитков с применением лишь одних операций вытяжки (рис. 57, а), другие — в комбинации с вытяжкой требуют относительно небольших сте­пеней осадки (рис. 57, б), а третьи выполняются по более сложной технологической схеме — с предварительной осадкой слитка и раскаткой заготовки (рис. 57, в) или с большими степенями осадки при окончательном формировании поковки (рис. 57, г и д).

Несмотря на общую основу и близкий химический состав (табл. 42), поковки из перечисленных сталей в зависимости от содержания углерода, титана и соотношения хрома и никеля ведут себя при ковке по-разному. Относительно высокую техноло­гическую пластичность проявляет сталь Х18Н9, ковка которой даже в условиях неблагоприятных схем напряженного состояния

в большинстве случаев не вызывает больших затруднений. Нали­чие в стали титана ухудшает ее деформируемость, в связи с чем изготовление крупных поковок из стали Х18Н9Т нередко сопро­вождается разрывами металла (рванинами и трещинами). Наименее технологичными являются стали с пониженным содержанием угле­рода, например сталь 0Х18Н10Т.

Причина такого поведения однотипных хромоникелевых аусте- нитных сталей заключается в их различном фазовом составе при

высоких температурах. Чем меньше в стали углерода и больше отношение хрома к никелю, тем больше при прочих одинаковых условиях содержится в стали α-фазы, вызывающей пониженную пластичность металла при деформировании. Заметное влияние на количество α-фазы оказывает и содержание в стали титана, кото­рый, так же как и хром, относится к ферритообразующим эле­ментам.

В отношении количества ферритной составляющей наименее благоприятной является сталь 0Х18Н9Т, в которой относительно высокая степень двухфазности заложена стандартным химическим составом. Но и в пределах одной и той же марки стали количество ферритной фазы может значительно колебаться в зависимости от фактического сочетания элементов С, Сг и Ti, что иногда резко ска­зывается на деформируемости конкретной плавки. С этой точки зрения весьма желательным является ограничение предельного содержания элементов, влияющих на образование α-фазы, напри­мер содержание в стали 0Х18Н10Т хрома 17—18 вместо 17— 19%, предусмотренных ГОСТом 5632—61, а никеля 10—11 вместо 9—11%. Такое сужение пределов содержания элементов в плавке, естественно, вызывает известные трудности при выплавке стали и поэтому не всегда рационально для массового производ­ства, но вполне оправдано при использовании стали для поковок, выполняемых в условиях неблагоприятных схем напряженного состояния. В этих случаях усложнение процесса выплавки ком­пенсируется значительным улучшением деформируемости стали и практической возможностью изготовления поковки заданной формы без недопустимых нарушений сплошности металла.

Влияние химического состава плавки (в пределах марочного состава) на деформируемость стали при ковочных температурах в связи с различным содержанием ферритной составляющей в ис­ходном слитке подтверждается опытом НЗЛ и многих других ма­шиностроительных заводов.

Характерной является также и практика прокатки листов и труб из хромоникелевых аустенитных сталей, массовое производ­ство которых на металлургических заводах позволило выявить взаимосвязь химического состава плавок с деформируемостью металла методом статистического анализа. Установлено [59], что поведение металла при прошивке труб из стали Χ18Н9Т характери­зуется следующим выходом годных заготовок в зависимости от соотношения хрома и никеля в плавке: при отношении Сr : Ni не более 1,60 выход годных заготовок составил 92,7% , при отноше­ниях от 1,61 до 1,65 — 86,8%, при более высоком отношении — 74,2%, т. е. наблюдается прямая взаимосвязь отношения Сr : Ni (а следовательно, и содержания в плавке α-фазы) с результатами прошивки трубных заготовок. Аналогичная картина получена и при анализе результатов прокатки слябов из стали Х18Н9Т: количество плавок, показавших неудовлетворительную техно­логическую пластичность, закономерно повышалось с 14,1% при отношении Сr : Ni < 1,60 до 100% при отношении Сr : Ni == = 2,03÷2,08. Эти данные (дополнительно к практическим резуль­татам производства крупных поковок) иллюстрируют влияние химического состава стали на ее деформируемость и определяют не­обходимость специального подбора плавки при выполнении поко­вок сложной и нетехнологичной конфигурации.

Но содержание ферритной фазы при ковочных температурах за­висит не только от сочетания основных компонентов химического состава стали. Большое влияние оказывает и технологический фак­тор — температура нагрева слитков.

При нагреве стали в диапазоне температур 1000 —1200° С со­держание ферритной фазы в исходном слитке уменьшается, вклю­чения феррита дробятся и приобретают более благоприятную округлую форму. Этому же способствует и выдержка металла в зоне температур 1000—1200° С. Но картина резко меняется при нагреве стали до более высоких температур. Начиная с 1200 1250° С, количество α-фазы интенсивно увеличивается, ферритные выделения растут и изменяют форму с округлой на граненую. При этом увеличение количества α-фазы тем больше, чем выше его исходное содержание в стали. Следовательно, в отношении коли­чества ферритной составляющей в деформируемых слитках из хромоникелевых аустенитных сталей существует какая-то крити­ческая температура нагрева, определяемая, в частности, исход­ным содержанием α-фазы. Для стали с малой степенью двухфазно­сти в исходном состоянии, например для стали Х18Н9 или Х18Н10Т с благоприятным соотношением Сг : Ni, критическая температура нагрева достигает 1250° С. Для сталей с большей степенью двух­фазности, в частности для стали 0Х18Н10Т с неблагоприятным соот­ношением Сг : Ni критическая температура снижается до 1180— 1200° С. В этом случае нагрев слитков до более высокой темпера­туры вызывает интенсивное увеличение содержания ферритной фазы и резкое ухудшение деформируемости стали [22].

Низкая технологическая пластичность стали в связи с повышен­ным содержанием α-фазы обусловлена главным образом разными условиями рекристаллизации обеих составляющих (аустенита и феррита) и, следовательно, разными условиями деформирования, вызывающими разрывы металла. Исследования показывают, что эти разрывы преимущественно располагаются по включениям α-фазы. Чем меньше таких включений, т. е. чем меньше степень двухфазности структуры, тем пластичней сталь при ковочных тем­пературах и тем технологичней она при выполнении сложных операций ковки.

Из дополнительных технологических факторов, влияющих на развитие ферритной фазы в рассматриваемых сталях, отметим роль чистоты металла плавки и веса слитков. Практические на­блюдения свидетельствуют о существенной роли степени загрязнен­ности сталей Х18Н9 и Х18Н9Т в их поведении при ковке: плавки с повышенной загрязненностью металла при прочих одинаковых условиях деформируются с большим количеством рванин и тре­щин. Это связано с тем, что выделения α-фазы концентрируются преимущественно вокруг неметаллических включений и процесс перехода фазы γ в α активизируется с повышением степени загряз­ненности стали. Увеличение веса слитка является фактором, повышающим зональную неравномерность распределения феррит­ной фазы. Наибольшее количество выделений α-фазы наблюдается в центральной зоне, наименьшее — в периферийной. В слитках одной плавки, но разного веса количество α-фазы в участках максимальной концентрации, т. е. в центральной области, отно­сительно выше в крупных слитках, поэтому выполнение сложных поковок из крупных слитков представляет задачу более трудную и с точки зрения этого фактора. В связи с этим при технологиче­ской возможности следует выбирать слиток минимального веса.

Ниже дается анализ отдельных технологических этапов изго­товления поковок конкретных форм (рис. 57) из сталей Х18Н9, Х18Н9Т и др., основанный на практических результатах освоения и серийного производства этих деталей на H3JL

Выплавка стали для поковок производится в 10- или 40-тонной дуговой электропечи методом окисления или переплава с продув­кой кислородом. Металл разливается в изложницы сверху в без­окислительной атмосфере, создаваемой магниевой стружкой, что способствует получению слитков с относительно чистой поверх­ностью. Разливка без магния в большинстве случаев приводила к обильной подкорковой пористости и резкому ухудшению общего состояния поверхности. Разливка ведется быстро и горячо, что значительно уменьшает опасность образования и застревания в теле слитка окисленных корочек. Профиль и размеры изложниц соответствуют сортаменту слитков (в том числе и удлиненной формы), применяемых на H3J1 (см. табл. 2).

Технологическим процессом нагрев слитков установлен с го­рячего посада, т. е. осуществляется принцип непрерывности горя­чего цикла обработки. Отсутствие промежуточного охлаждения слитков, естественно, предопределяет и запуск их в ковку без предварительной обдирки. Такой процесс принят из тех соображе­ний, что, во-первых, некоторые марки сталей рассматриваемого типа, например сталь Х18Н9, вполне допускают выполнение поковок до конечных размеров без механического удаления по­верхностных дефектов слитка; во-вторых, при необходимости производится обдирка не слитка, а промежуточной заготовки после биллетирования или других начальных ковочных опера­ций, проводимых в относительно благоприятных деформационно- напряженных условиях. Подобная технологическая схема упро­щает процесс обдирки и одновременно является более маневренной в производственном отношении. Далее будут отмечены конкретные случаи, когда обдирка заготовок практически является обяза­тельным условием выхода годной детали.

В табл. 43 приведены технологические схемы изготовления некоторых поковок из рассматриваемых сталей. Длительная практика выполнения поковок по таким схемам подтвердила вполне надежные результаты в отношении качества получаемых деталей при условии относительно небольшого содержания в плавке ферритной фазы. В частности, не наблюдались случаи образования грубых рванин и трещин в заготовках из стали Х18Н9, выполняемой с контролируемым содержанием α-фазы в пределах до 4%. Установленные припуски на механическую обработку

(рис. 57) оказались вполне достаточными для удаления поверх­ностных дефектов и гарантировали выход чистовых деталей, несмотря на отсутствие операции обдирки слитков или промежу­точных заготовок. Между тем некоторые из поковок выпол­няются в условиях весьма сложной схемы напряженного состоя­ния, например патрубок (рис. 57, б), вытяжка которого на оправке вызывает появление растягивающих напряжений на торцовых поверхностях, или трубная решетка и диск (рис. 57, г и д), вы­полняемые с высокой степенью осадки и также связанные с боль­шими растягивающими напряжениями в периферийной области заготовок. Аналогичная картина наблюдается и при ковке колец, раскатке которых предшествует осадка заготовок с большой степенью деформации.

При условии выплавки и разливки в соответствии с установлен­ными технологическими нормами сталь Х18Н9 не проявляет при ковке заметной чувствительности к небольшим отклонениям от принятого диапазона температур и допускает при осадке относи­тельно большие степени обжатий за один ход пресса или удар молота (до 10—15%).

Предварительная обдирка слитков или промежуточных загото­вок из стали Х18Н9 признана нецелесообразной, так как эффект от ее применения (в связи с некоторым повышением чистоты по­верхности) не компенсирует потерь металла при обдирке и услож­нения технологического процесса. Что касается подобных поковок из сталей 0Х18Н10Т или Х18Н9Т с низким содержанием углерода и содержанием титана на верхнем пределе марочного состава, то их выполнение без глубоких разрывов металла представляет зна­чительные трудности. Не всегда действенными оказываются меро­приятия по ковке слитков в более узком интервале температур и с относительно небольшими обжатиями. И в этих случаях на сво­бодных поверхностях торцов (при вытяжке на оправке) или обода (при осадке), как правило, образуются рванины, глубина которых непрерывно увеличивается по мере продолжения ковочного про­цесса. Поэтому следует всемерно стремиться к созданию более «мягкой» технологической схемы ковки, которая, например, при изготовлении поковки трубной решетки (рис. 57, г) может выра­зиться в замене слитка весом 2,5 т на вес 4,68 т (из сортамента H3J1) с выходом двух поковок. Такая замена приводит к уменьше­нию длины исходной заготовки перед осадкой с 1070 до 650 мм (за счет увеличения ее диаметра до 600 мм) и к уменьшению об­щей степени осадки с 10,7 до 6,5, что существенно снижает опас­ность разрывов металла и в то же время не оказывает заметного влияния на ухудшение качества поковки в металлургическом от­ношении. В данном случае отрицательные моменты использования более крупного слитка играют менее существенную роль, чем по­вышение пластических возможностей стали в связи с резким уменьшением степени осадки при формировании поковок. Аналогично уменьшается степень осадки и при выполнении поковок диска (рис. 57, д) из слитка обычной формы вместо удли­ненной.

Вторым мероприятием, создающим более надежные предпо­сылки для выполнения этой группы поковок без глубоких рванин и трещин, является обдирка промежуточной заготовки. При нали­чии в стали значительных количеств" ферритной фазы, обусловлен­ных неблагоприятным сочетанием элементов химического состава, операция обдирки как фактор, повышающий запас пластичности металла, способствует резкому снижению количества и глубины разрывов металла в наиболее напряженных местах поковки, особенно при осадке и вытяжке на оправке. В практике H3J1 об­дирка заготовок производится после биллетирования слитков и подготовки их под осадку. При этом толщина снимаемого слоя металла не превышает обычно 8—10 мм.

При изготовлении поковок типа патрубков, трубных решеток, дисков (рис. 57, б, г ид) из сталей 0Х18Н10Т, Х18Н9Т целесооб­разно использовать стали плавок с ограниченным содержанием элементов, вызывающих увеличение α-фазы. Выплавка стали по особым технологическим инструкциям или специальный подбор плавок по признаку оптимального сочетания главнейших ком­понентов химического состава в большинстве случаев оказывали решающее влияние на повышение запаса пластичности стали.

Выше отмечалось влияние температуры нагрева стали, содержа­щей в исходном состоянии большое количество α-фазы, на дефор­мируемость слитков. Нагрев до температуры выше 1180—1200° С во многих случаях приводил к грубым рванинам и даже к раз­рушению слитков и заготовок из стали 0Х18Н10Т и Х18Н9Т с низким содержанием углерода, главным образом на операциях осадки, прошивки и вытяжки на оправке. Допустимые степени деформации за один ход пресса или удар молота при выполнении поковок из этих сталей более низкие, чем для стали Х18Н9. Коли­чество выносов для подобных поковок примерно в 1,5 раза больше, общая чувствительность к технологическим отклонениям повышен­ная. Откованные поковки охлаждаются на воздухе.

Термическая обработка в виде закалки (аустенизации) от 1080— 1100° С с охлаждением в воде или на воздухе производится либо в черном виде (при отсутствии грубых поверхностных дефектов), либо после обдирки с припуском 5—10 мм. Некоторые поковки, например диски компрессорных машин, после закалки подвер­гаются отпуску при 800—830° С, целью которого является сведение к минимуму внутренних напряжений. Отпуск устанавливается обычно только для деталей сложной формы, имеющих переменное сечение и склонных к короблению при чистовой механической обработке.

Поковки ответственного назначения подвергаются контролю макроструктуры путем осмотра травленых поверхностей, ультра­звуковой дефектоскопии и испытаниям механических свойств. Опытом производства установлено, что макродефекты в поковках, как правило, не обнаруживаются. Весьма редкими являются и случаи грубых внутренних дефектов металла, выявляемых ультра­звуком. В большинстве случаев обнаруживаемые дефекты пред­ставляли собой единичные мелкие неметаллические включения размером (в эталонном сравнении) не более 4 мм или отдельные цепочки включений размером до 2—3 мм. При разрезке и деталь­ном исследовании типичных поковок рассматриваемых форм отме­чено плотное и однородное строение металла в разных зонах, в том числе и в центральной области. Это свидетельствует об эффектив­ной заварке усадочных пороков слитка и надежности установлен­ных параметров ковки.

Индивидуальные испытания крупных серий поковок (рис. 57) дают возможность судить об уровне их механических свойств.

В табл. 44 даны предельные значения показателей прочности и пластичности некоторых групп поковок, откованных из разных плавок стали Х18Н9. Показатели ударной вязкости в таблице не приведены, так как во всех случаях (при температурах 20, 300 и 530° С) они соответствуют значениям более 19 кГ-м/см'². Твердость колеблется в пределах Η В 143—156.

Данные, приведенные в табл. 44, относятся к состоянию поко­вок после закалки (аустенизации). Аналогичные поковки из стали Х18Н9Т после закалки и отпуска имеют несколько более высокие значения механических свойств. Для сопоставления в табл. 45 приведены результаты испытаний тангенциальных образцов от четырех дисков, откованных из стали одной плавки (химический состав, %: 0,08 С; 0,46 Si; 1,15 Μη; 17,4 Сг; 10,0 Ni; 0,60 Ti; 0,018 S; 0,021 Ρ).