Глава 7. Исследование качества поковок обечаек из стали SA336F11C12 и сдвига критической температуры хрупкости после теплового охрупчивания.

Компанией «Нуво Пиньоне», являющейся одной из дочерних фирм «Дженерал Электрик», для изготовления обечаек и фланцев была рекомендована низколегированная сталь SA336F11C12 (1,25%Cr – 0,5%Mo – 0,8Si), примерно соответствующая отечественной марке 15ХМС.

Марочный химический состав стали приведен в табл.11, в табл.12 - требуемые значения механических свойств.

Таблица 11

Химический состав стали SA336 F11 c12 ,%

C Si Mn Cr Mo Ni P S Al J

0,20 0,5

1,0 0,30

0,80 1,0

1,5 0,5

0,006 ?

0,006 0,015

0,035 ?

Химический анализ металла производился на образцах для испытаний механических свойств на одной пробе, отобранной на расстоянии 1/4 В (В – толщина заготовки обечайки). Коэффициент охрупчивания J=(%Si + %Mn)x(%P + %Sn)x104 ?150;

содержание вредных примесей X=(10P + 5Sb + 4Sn + As)/100?15ррm.

Сдвиг критической температуры хрупкости vTr55, оцениваемый после охрупчивающей обработки по режиму ступеньчатого охлаждения (Step coolling), не должен превышать10?С. Сдвиг критической температуры хрупкости определялся по формуле:

vTr55 + 2,5(vTr55? - vTr55)?10 ?C,

vTr55?- температура перехода по критерию 55Дж после термообработки (послесварочный отпуск);

vTr55? - температура перехода по критерию 55Дж после термообработки и Step cooling (ступенчатого охлаждения).

Таблица 12

Механические свойства стали SA 336 F11 c1 2.

При температуре 20 ?С При температуре +430 ?С При температуре

После максимальной термообработки, отпуск 32 ч После минимальной термообработки, отпуск 8 ч

?в, МПа ?0,2, МПа ?5,% ?,% ?0,2, МПа Энергия удара KV,Дж

Средняя Минимальная

485-660 276min 20min 35min

40min 120min 55min 48min

Выплавку стали и отливку слитков массой 205 и 235т проводили в основной мартеновской печи и электропечи, с последующим внепечным рафинированием и вакуумированием на УВРВ. Разливка слитков осуществлялась из 2-х ковшей УВРВ в вакуумной камере.

Химический анализ основных элементов во всех плавках соответствует требованиям спецификации. Уровень цветных и вредных примесей находится на низком уровне. Коэффициент охрупчивания J=(%Si + %Mn)*(%P + %Sn)*104 для всех слитков меньше нормированного спецификацией значения.

Анализ результатов оценки загрязненности металла поковок показывает, что неметаллические включения не превышают 2 балла и состоят в основном из сульфидов, глобулярных оксидов и алюминатов.

Основным требованием, предъявляемым к процессу ковки, является обеспечение высокой изотропности свойств материала. Ковка обечаек проводилась на прессе 12000т. Из слитков массой 205 и 235т было отковано 6 обечаек максимальным диаметром 4290мм и высотой поковок 3900мм. Процесс ковки включал в себя следующие операции: биллетировку слитка, осадку, прошивку, раскатку, протяжку, затем присадку и раскатку до поковочных размеров, при этом осуществлялся контроль температуры нагрева под ковку (Т>800?C), суммарный уков должен быть Кр>2,0.

Основная термическая обработка заготовок состояла из закалки в воду от температуры 940-960?С (допускается закалку производить при температуре 920-980?С) и отпуска при температуре 690-710?С с последующим охлаждением на воздухе. Выдержку при температуре закалки и отпуска назначали из расчета 30-60мин на каждые 25мм толщины. Толщина заготовок под термообработку составляла 180-240мм.

Отпуск проб, моделирующий технологические отпуска после сварки, проводили в малых камерных печах. Для проб задавали термообработку при температуре отпуска 660-680?С, минимальный цикл составлял 8ч, максимальный цикл – 32ч.

Отбирались пробы для испытания свойств после основной термообработки, после дополнительного отпуска с минимальным и максимальным циклом, а также пробы для испытаний на склонность к охрупчиванию методом ступенчатого охлаждения (step cooling). Испытания на удар производились на образцах с острым надрезом по Шарпи при температуре минус 18?С.

Испытания механических свойств показали, что они соответствуют требованиям технических условий. Возникли затруднения лишь с обеспечением требований по работе удара. Требование иметь работу удара не менее 55Дж при испытаниях образцов с острым надрезом типа Шарпи при температуре минус 18?С не обеспечивалось стабильно, особенно в толстостенных заготовках с толщиной стенки более 200мм.

Присутствие в структуре кроме высокоотпущенного бейнита больших количеств феррита и разнозернистость на уровне G 7-4 по шкале ASTM способствуют снижению ударной вязкости. Наиболее худшую структуру имели поковки, которые не показали необходимых значений работы удара при минус 18 ?С. Для гарантированного обеспечения низкотемпературной работы удара необходимо иметь однородную структуру бейнита с размером зерна не крупнее G 51/2 и содержанием феррита не более 15%.

Структура металла при скорости охлаждения при закалке 1,2,3, и 5 град/с представлена на рис.12. Показано, что в зависимости от скорости охлаждения она состоит либо только из бейнита при Vохл = 5?С/с, либо при более низких скоростях из бейнита и структурно-свободного феррита, содержание которого может достигать 60%. Критическая скорость охлаждения для закалки на бейнит составляет 3-4?С/с. Фактическая скорость охлаждения для закалки реальных заготовок толщиной до 200мм составляла только 0,8-1,0 ?С/с, т.е. в структуре заготовок в таких толщинах обязательно будет присутствовать некоторое количество структурно-свободного феррита, поэтому для повышения прокаливаемости заготовок в толстых сечениях необходимо применять более глубокое и быстрое охлаждение путем дополнительной (спреерной) подачи воды на обечайку с ее вращением.

Проведено исследование влияния температуры нагрева на зеренную структуру стали. Известно, что в процессе термообработки при нагреве или изотермической выдержке происходят структурные изменения, в том числе рост зерен аустенита, что оказывает влияние на механические свойства.

Рис.12.Микроструктура образцов, охлажденных при закалке с различными скоростями,

Х100 а)Vохл=5?/с; б).Vохл=3?/с;г)Vохл=2?/с; д)Vохл=1?/с