Глава V термическая обработка поковок

13. Особенности охлаждения

И режимы первичной термообработки

Стали, не имеющие фазовых превращений, в частности стали аустенитного класса, охлаждаются после ковки на воздухе и, как правило, не подвергаются каким-либо видам предварительной термической обработки. Поковки (особенно крупных сечений) из специальных сталей перлитного класса и высокохромистых мартенситных сталей в большинстве случаев охлаждаются в печи по режимам, совмещенным с одной из операций первичной термооб­работки — низким отжигом или отжигом с фазовой перекристалли­зацией. Поковки небольших размеров, ускоренное охлаждение ко­торых не вызывает опасений в отношении образования флокенов и термических трещин, охлаждаются на воздухе, а в дальнейшем в зависимости от твердости поковки, ее назначения и характера последующей обработки подвергаются смягчающему или пере­кристаллизационному отжигу, либо направляются на механичес­кую или окончательную термическую обработку без проведения каких-либо предварительных термических операций.

Главная задача первичной тепловой обработки поковок из жаропрочных сталей перлитного класса типа ЭИ415, 15X1Μ1Φ и Р2 состоит в предохранении поковок от образования в них фло­кенов. Длительной практикой производства и многочисленными исследованиями установлено, что основной причиной возникнове­ния флокенов в стали является водород, роль которого заключается в образовании больших давлений в охлаждаемой стали и в сниже­нии ее пластических свойств в результате водородного охрупчивания. Именно в связи с этим меньшей флокеночувствительностью обладают поковки, полученные из кислой мартеновской стали, содержание водорода в которой в среднем в 1,5 раза ниже, чем в стали, выплавленной в основных мартеновских и электриче­ских печах. Дополнительным фактором, усиливающим процесс образования флокенов, являются внутренние напряжения в стали, создаваемые, в частности, при фазовых превращениях.

Исходя из этого, главная роль тепловой обработки поковок, предупреждающей образование флокенов, заключается в обеспе­чении максимальной скорости диффузии водорода со снижением среднего его содержания в стали и более равномерным распреде­лением по сечению поковки за счет диффузии из обогащенных уча­стков в участки с пониженной концентрацией. Последнее обстоя­тельство особенно важно, так как при этом резко снижается содержание водорода в наиболее хрупких ликвационных зонах поковки. Одновременно режим первичной термообработки преду­сматривает сведение к минимуму остаточных напряжений — струк­турных, термических и ковочных.

Наиболее высокой флокеночувствительностью обладают ле­гированные стали, имеющие в своем составе никель, особенно при содержании его более 2% (34ΧΗ3Μ, 18Х2Н4ВА и др.). Такие стали отличаются высокой устойчивостью аустенита в перлитной области и поэтому изготовленные из них крупные поковки требуют весьма длительных режимов тепловой обработки и охлаждения. Основой режима является продолжительная изотермическая вы­держка при 600—650°С после глубокого переохлаждения при 220—300° С. Для крупных поковок из хромоникельмолибденовых сталей изотермическая выдержка устанавливается из расчета 10—15 ч, а для поковок типа турбинных роторов — 20—30 ч на 100 мм сечения [5]. С температур изотермической выдержки крупные поковки охлаждаются в печи до 100—300° С. В большин­стве случаев для поковок, подвергаемых в дальнейшем улучшению, перекристаллизационная обработка режимом не предусматри­вается.

Жаропрочные перлитные стали 15Х1М1Ф, ЭИ415 и Р2, не содержащие в своем составе никель, значительно менее флокеночувствительны, чем хромоникельмолибденовые. Аустенит этих сталей обладает относительно небольшой устойчивостью и превра­щается в перлит, т. е. в структуру, при которой диффузия водо­рода в стали происходит с наибольшей скоростью в процессе от­носительно небольшой выдержки при температурах перлитной области [45]. Поэтому для данных марок стали не тре­буется специального глубокого переохлаждения, как, напри­мер, для сталей хромоникельмолибденовых, а изотермическая выдержка может быть ограничена относительно небольшой дли­тельностью.

Переохлаждение до изотермической выдержки задается только с целью ускоренного и более полного охлаждения централь­ных зон поковок до температур наибольшей скорости превраще­ния аустенита. Наиболее важным элементом режима, определя­ющим его эффективность, является изотермическая выдержка. При назначении выдержки поковок надлежит исходить из пропор­циональности длительности выдержки сечению поковки, за исклю­чением особо крупных и высокоответственных поковок (например, поковок ротора из стали Р2), для которых относительная про­должительность выдержки несколько увеличена. Поковки срав­нительно небольшого сечения с температуры изотермической выдержки могут охлаждаться на воздухе. Следует, однако, отметить, что режимы первичной антифлокенной обработки не являются универсальными для всех заводов. Как справедливо отмечает П. В. Склюев [46], общим может быть только метод разработки рациональных режимов, в остальном же они могут значительно отличаться в зависимости от способов выплавки стали и других металлургических особенностей производства. Поэтому заимствование опыта должно быть критическим с обяза­тельной экспериментальной проверкой намеченного режима в кон­кретных условиях данного завода.

Режимы первичной термообработки некоторых типичных по­ковок энергомашиностроения из сталей ЭИ415, 15X1 ΜΙ Φ (ос­новная электросталь) и Р2М (кислая мартеновская сталь с разлив­кой в вакууме) приведены в гл. VI.

Поковки из хромистых сталей мартенситного класса с 12—14% хрома подвергаются обычно смягчающему отжигу, который для крупных деталей совмещается с процессом охлаждения в печи. Эти поковки не склонны к образованию флокенов. Поэтому ре­жим охлаждения не предусматривает каких-либо специальных мер, связанных с ускоренной диффузией водорода или другими элементами антифлокенной обработки. Основной задачей первич­ной термообработки простых мартенситных хромистых сталей является их смягчение с доведением твердости до норм, позволяющих производить механическую обработку, и предохранение от обра­зования трещин в поковках.

При охлаждении поковок на воздухе или при недостаточно медленном охлаждении в печи превращения идут в мартенситной области: сталь приобретает большую твердость и в результате структурных изменений находится в высоконапряженном состоя­нии. Если в этом случае поковки немедленно не будут подвер­гаться отпуску, то возможны разрывы металла.

Склонность к образованию трещин в поковках из стали 1X13— 3X13 при охлаждении их на воздухе зависит от ряда факторов: раз­меров сечения, формы поковки, температуры конца деформирова­ния металлургических особенностей плавки. Основными определяю­щими факторами следует считать размеры и конфигурацию по­ковки. Чем массивней поковка, тем больше величина возникающих в ней внутренних напряжений и тем, следовательно, опасней (с точки зрения возможного образования трещин) охлаждение такой поковки на воздухе. Что касается конфигурации детали, то она оказывает влияние на то, что разрывы всегда совпадают с направлением наименьшей пластичности металла, поэтому поковки с четко направленной анизотропией пластических свойств более склонны к разрывам металла.

В качестве примера могут служить поковки двух форм: типа вала и типа диска. Поковка типа вала, получаемая обычно одной лишь операцией вытяжки, отличается ярко выраженным продоль­ным направлением волокон и в связи с этим резко сниженными свойствами пластичности в поперечном направлении. Поковка типа диска формируется, как правило, комбинацией двух операций (вытяжки и осадки), и волокна в ней вследствие особенностей формообразования при осадке не имеют четко выраженного едино­образного направления. Поэтому при одном и том же размере сечения и аналогчиных условиях охлаждения трещины преиму­щественно должны возникать в поковках типа вала (в продоль­ном направлении), что постоянно и подтверждается заводской практикой.

Поковки сечением до 100—120 мм могут охлаждаться на спо­койном воздухе. Ускоренное охлаждение таких относительно мелких поковок, как правило, не вызывает разрывов металла. Поковки, охлажденные на воздухе, имеют высокую твердость и не подвергаются смягчающему отжигу только при условии, если окон­чательная термообработка их производится в черном виде (без предварительной обдирки). В противном случае смягчающий от­жиг обязателен.

Вопрос о приципиальном режиме отжига высокохромистых сталей с перекристаллизацией или без перекристаллизации на разных заводах решается по-разному. Применяется и тот и другой вид отжига. Исследования показывают, однако, что высокий от­жиг таких сталей нецелесообразен и даже вреден, так как в кри­тическом интервале температур на границах зерен происходит интенсивное выделение карбидов хрома, сохраняющихся в струк­туре металла при медленном охлаждении, которые при последу­ющем нагреве под закалку не переходят в твердый раствор и сни­жают ударную вязкость стали.

Наиболее рациональным является изотермический отжиг при температуре эффективного распада аустенита, которая для ста­лей 2X13 и 3X13 находится в интервале около 700—760°С. Соответствующая выдержка при этих температурах с последую­щим охлаждением на воздухе обеспечивает вполне приемлемую твердость стали и лучшую подготовку структуры.

Охлаждение крупных поковок производится по специальному режиму, совмещенному с изотермическим отжигом: горячие по­ковки накапливаются в печи при температуре 500—600°С и после переохлаждения подвергаются изотермической выдержке при 700— 760° С. Получаемая после термообработки твердость обычно не превышает НВ 220—240. Схема применяемого на заводах типич­ного режима первичной термообработки поковок сечением до 500— 600 мм из сталей 2X13 и 3X13 показана на рис. 12.

Поковки из стали 1Х17Н2 (ЭИ268), как и из 12-процентных хромистых сталей, не подвержены образованию флокенов, но в связи с особенностями структуры требуют весьма сложных и длитель­ных тепловых режимов обработки и охлаждения для получения удовлетворительной твердости и сведения к минимуму внутренних напряжений. Эффективные результаты изотермического отжига этой стали достигаются при наличии в режиме двух переохлажде­ний: первого — при 200—250°С и второго — при 150—200° С. Отпуск продуктов распада от обоих переохлаждений необходимо производить при температуре ниже Ас₁ в интервале 650—680° С. Получаемая при этом твердость стали не превышает НВ 240—250.

Перекристаллизационному отжигу поковки из стали 1Х17Н2 не подвергаются. Охлаждение после ковки надлежит производить в печи, совмещая его с изотермическим отжигом, проводимым с учетом указанных выше структурных особенностей стали. В част­ности, тепловая обработка дисков из стали 1Х17Н2 (высота сту­пицы до 150 мм) после ковки производится по следующему режиму: выдержка до полного выравнивания температуры металла всей садки при 650—690° С, переохлаждение до 200—230° С со скоро­стью 30—40 град/ч, выдержка при 200—230° С 4 ч, нагрев до 640— 680° С и выдержка при этой температуре 15—20 ч, охлаждение до 160° С со скоростью 30—40 град!ч и выдержка при этой темпе­ратуре 5 ч, повторный нагрев до 640—680° С с выдержкой при этой температуре 15 ч, охлаждение в печи до 200° С со скоростью 30 град/ч, дальнейшее охлаждение на воздухе. Ускоренное ох­лаждение на воздухе (с ковочных температур) поковок даже относительно небольших сечений часто вызывает появление в ме­талле трещин.

Поковки из сложнолегированных высокохромистых сталей типа ЭИ802 и 15X11 МФБ в противоположность сталям типа 1X13— 3X13 обладают склонностью к водородному охрупчиванию и образованию в центральных зонах дефектов типа флокенов, что, по-видимому, связано с резко повышенной устойчивостью пере­охлажденного аустенита.

На основании изучения кинетики изотермического распада аустенита наиболее эффективным режимом первичной тепловой обработки горячих поковок из стали ЭИ802 признан следующий режим: первое переохлаждение с температуры накопления 600— 700° С до 250—400° С с последующей изотермической выдержкой при 690—710° С, второе переохлаждение„до 180—200° С с изотер­мической выдержкой, медленное охлаждение в печи до 100—200° С. Наличие двух переохлаждений с изотермической выдержкой при 690—710° С обеспечивает постепенный и наиболее полный распад аустенита с отпуском продуктов распада при относительно не очень высоких структурных напряжениях.

Отдельные элементы режима (главный из них длительность изотермической выдержки) задаются исходя из металлургической и геометрической характеристик поковок. Удовлетворительные результаты получены, например, при первичной термообработке дисков с высотой ступицы более 300 мм, откованных из основной электростали без вакуумирования при разливке по следующему режиму: первое переохлаждение с 700 до 370° С в печи и далее до 250° С на воздухе с 9-часовой выдержкой при этой температуре, нагрев до 710—730° С с изотермической выдержки (после нагрева) 20 ч, второе переохлаждение до 190—200° С с выдержкой 9 ч, по­следующая изотермическая выдержка при 710° С в течение 20 ч, медленное охлаждение в печи до 110° С.

Небезынтересно отметить, что в дисках аналогичного типа, откованных из слитков электрошлакового переплава и обрабо­танных после ковки по тепловому режиму с одним переохлажде­нием при 250—300° С и последующей 15-часовой выдержкой при 700—710° С, были обнаружены флокены. Чем благоприятней слиток по содержанию водорода и другим металлургическим при­знакам, тем, очевидно, меньше оснований ожидать появления фло­кенов в поковках и тем менее длительным может быть режим первичной тепловой обработки. В этом смысле все мероприятия, направленные на уменьшение содержания водорода в высокохро­мистых сложиолегированных сталях (применение вакуумированного феррохрома, разливка в вакууме и др.) являются, по-види­мому, весьма существенными факторами не только качества по­ковок, но и длительности процесса первичной тепловой обработки в кузнечно-прессовых цехах.

Фазовая перекристаллизация в режимах первичной термо­обработки поковок из высокохромистых сложиолегированных сталей не предусматривается. Опытом установлено, что перекри­сталлизация при 880—900° С вызывает резкое падение ударной вязкости стали. Причина этого явления (по данным ЦКТИ) за­ключается в выделении и скоплении по границам зерен коагули­рованных карбидов хрома, трудно растворимых при закалочной температуре.