Литые заготовки из нержавеющих сталей

К этой группе относятся заготовки лопастей рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин, литые элементы сварных рабочих колес радиально-осевых и ковшевых гидротурбин, а также цельнолитые рабочие колеса. Наиболее крупные цельнолитые из нержавеющей стали рабочие колеса радиально-осевых гидротурбин массой 38 т имеют диаметр 4500 и высоту 1985 мм. Расход жидкого металла для их отливки — 75 т. Аналогичные характеристики имеют заготовки ступиц сварных рабочих колес. Цельнолитые лопасти рабочих колес поворотно-лопастного типа имеют размеры пера в плане 3700 X 5800 мм при толщине от 30 до 350 мм. Масса таких лопастей 22, а расход жидкого металла — 40 т. В настоящее время рассматривается вопрос организации производства цельнолитых лопастей массой до 30 т.

Детали рабочих колес работают при высоких статических напряжениях, подвержены действию динамических нагрузок, кавитационной и в зависимости от количества и состава взвешенных в воде частиц абразивной эрозии. В связи с тем что интенсивность кавитационной эрозии резко увеличивается, если ей сопутствует процесс коррозии металла, применяемые стали должны быть коррозионностойкими. Этим требованиям в различной степени удовлетворяют высокохромистые нержавеющие стали с содержанием хрома более 12%.

Массивность, разница толщины деталей по длине и большая значительная разнотолщинность и протяженность деталей, необходимость «лечения» сваркой литейных дефектов, а также сварное исполнение предъявляют весьма высокие требования к технологическим качествам материала: литейным свойствам, сложности термической обработки и особенно свариваемости. Необходимость улучшения технологичности материала привела к разработке новых нержавеющих сталей, заменивших применявшуюся до 1952 г. сталь марки 25Х14НЛ [11]. Основным направлением изменения химического состава при создании новых марок нержавеющих сталей было снижение содержания углерода и хрома, а также легирование медью и никелем для получения более высоких и равномерных по сечению отливок пластических характеристик материала и улучшения его свариваемости. Исходя  из этих соображений последовательно были разработаны и освоены в производстве новые марки нержавеющей стали [16]: 20Х13НЛ, 0Х12НДЛ и 00Х12НЗДЛ. Во всех случаях с учетом возможного разброса данных анализа химического состава в отливке нижний предел содержания хрома в стали принят равным 12%. Это связано с тем, что при уменьшении содержания хрома ниже 11,5% существенно снижается коррозионная стойкость стали. Для условий повышенного абразивного воздействия применяется высокохромистая легированная марганцем нержавеющая сталь аустенитно-ферритного класса марки 10Х18НЗГЗД2Л [16]. Химический состав сталей приведен в табл. 3.6. Допускаются отклонения от заданного химического состава стали в пределах: марганец — 0,1, кремний +0,1, хром +0,15, никель + 0,1, медь +0,1%. Содержание меди в стали 0Х12НДЛ должно быть несколько ниже содержания никеля. Это необходимо для предотвращения выделения медистой фазы  по границам кристаллов, что резко снижает прочностные и пластические характеристики металла.

Таблица 3.6. Химический состав, %, металла отливок из нержавеющих сталей

Механические свойства сталей приведены в табл. 3.7, Для первых трех сталей все характеристики являются сдаточными. Допускается снижение показателя твердости до НВ 170. Сталь марки 10Х18НЗГЗД2Л принимается по относительному пределу текучести, относительному сужению и ударной вязкости. Повышенная стойкость ее против абразивного износа является результатом более высоких значений твердости материала, которые достигаются после полного цикла термической обработки. Имеющееся при этом снижение пластических характеристик стали чрезвычайно затрудняет конструкционную сварку деталей. В связи с этим отливки из стали 10Х18НЗГЗД2Л для сварных рабочих колес поставляются в нормализованном состоянии, когда материал обладает высокими пластическими свойствами. Проверка состояния материала осуществляется по твердости, которая должна находиться в пределах НВ 170—220.

Таблица 3.7. Механические свойства (не менее) металла отливок из нержавеющих сталей

Марка стали	Предел текучести (условный) σ0,2, кгс/мм2	Временное сопротивление σв, кгс/мм2	Относи- тельное удлинение Ψ, %	Относи- тельное сужение Ψ, %	Ударная вязкость αн кгс·м/см2	Твердость НВ
20Х13НЛ 0Х12НДЛ 00Х12НЗДЛ 10Х18НЗГЗД2Л	30 50 60 50	55 65 70 70	14 14 14 12	30 30 30 25	3 4 5 3	190—235 197—253 197—275 241—285

Испытание механических свойств всех нержавеющих сталей проводится на образцах, вырезанных из прилитых к деталям пробных планок. В ряде случаев фактические свойства сталей несколько отличаются от указанных в технических условиях. Прочностные характеристики стали 20X13HЛ, как правило, на 35—50% выше требуемых, а пластические, особенно в теле деталей, на 20—35% ниже. На отливках из стали 00Х12НЗДЛ имеет место существенное превышение прочностных характеристик и твердости, что сопровождается ухудшением свариваемости материала. Особенно значительное снижение пластических характеристик ударной вязкости (до 1,1—1,5 кгс·м/см²) получается при испытании металла сварных рабочих колес из стали 10Х18НЗГЗД2Л после окончательной термической обработки.

Термическая обработка отливок из стали марки 20X13HЛ состоит из следующих операций: 1) отжиг от 900° С; 2) двойная нормализация от 1050—1100° С; при охлаждении отливок лопастей рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин для равномерности процесса применяется душирование; 3) высокий отпуск от 750° С; для получения требуемых механических свойств приходится производить повторные операции отпуска, а иногда и нормализации с последующим отпуском.

Термическая обработка отливок из стали марки 0Х12НДЛ состоит из следующих операций: 1) отпуск от 670° С; 2) нормализация от 1050° С на спокойном воздухе; 3) двойной отпуск от 650—670° С; для отливок из стали марки 00Х12НЗДЛ: 1) отжиг от 1050° С; 2) двойная нормализация от 800° С; 3) отпуск от 650° С; после сварки — нормализация от 800° С и отпуск от 600° С. Для предохранения от существенного окалинообразования, сокращения цикла термообработки и более полного снятия сварочных напряжений допускается ограничиться только отпуском от 650° С.

В этом случае уровень прочностных характеристик сварного соединения будет на 15—20% ниже.

Следует иметь в виду, что проведение дополнительных операций отпуска (после сварки или лечения выявленных дефектов) связано со снижением прочностных характеристик материала.

Термическая обработка отливок из стали марки 10Х18НЗГЗД2Л состоит из следующих операций: 1) отжиг от 1050° С; 2) нормализация от 1050° С; 3) тройной отпуск — первый от 800, а второй и третий от 600° С. Последний отпуск служит для снижения твердости до значений, приемлемых при механической обработке детали.

Практические режимы термических обработок могут несколько отличаться от приведенных в зависимости от химического состава отливок, их массивности и размеров.

Основные технологические свойства нержавеющих сталей, влияющие на условия производства и эксплуатации гидротурбин, являются критерием их применяемости.

Свариваемость сталей — главный критерий их технологичности. Сталь 20X13HЛ практически неприемлема для изготовления сварных конструкций, так как требует предварительного и сопутствующего подогрева до температуры не ниже 350° С и немедленной последующей термической обработки (отпуска для снятия напряжений). Такая технология может осуществляться только в случае исправления сваркой литейных дефектов, осуществляемой электродами типа ЭФ-Х13.

Сварка рабочих колес из стали марки 0Х12НД осуществляется электродами марки ЦЛ-41 с подогревом при 200—220° С. При посадке детали в печь на отпуск допускается охлаждение ее до 150° С. Заварка мелких, поверхностных дефектов может производиться аустенитными электродами марки ЭА 395/9 без подогрева и последующей термообработки.

Сварка деталей из стали марки 00X12НЗД выполняется электродами марки ЦЛ-51 с подогревом при 120—150° С и последующей термической обработкой. Заварка небольших по объему дефектов может производиться теми же электродами без подогрева, но с последующим отпуском, который должен быть проведен не позднее чем через 24 ч.

Сталь марки 10Х18НЗГЗД2Л относится к числу хорошо сваривающихся, особенно в нормализованном состоянии (до отпуска). Сварка относительно небольших по размерам рабочих колес выполняется без подогрева электродами марки ЦЛ-33.

Данные механических свойств наплавленного металла при сварке указанными электродами приведены в табл. 3.5.

Режим термической обработки определяет технические параметры и загрузку оборудования и цикл производства деталей. В этом отношении наиболее технологичной является сталь 0Х12НДЛ, требующая только одну высокотемпературную обработку. Наиболее плохие показатели у стали марки 20X1 ЗИЛ.

Кроме того, в отливках из той стали, как правило, имеет место существенное снижение пластических свойств, особенно в массивных сечениях. Последний недостаток имеет место и в отливках из стали марки 10Х18НЗГЗД2Л.

Стойкость против кавитационного износа и коррозии стали 00Х12НЗД (по данным лабораторных исследований ЦНИИТмаша) несколько выше, чем у остальных марок сталей, которые практически равноценны в этом отношении. Наиболее высокая (на 30— 40%) стойкость против абразивного износа у стали марки 10Х18НЗГЗД2Л [13].

Учитывая ответственность элементов рабочих колес, изготавливаемых из нержавеющих сталей, наиболее нагруженные участки их, а также места, подготовленные под сварку, подвергаются специальным видам контроля — травлению, МПД или УЗД. Методика исправления дефектов включает дополнительные операции, связанные с особенностями нержавеющих сталей. К их числу относятся: 1) контроль полноты удаления любых дефектов травлением или МПД с предварительной подготовкой поверхности до чистоты не ниже 2,5 мкм; 2) выбор марки электродов, подогрева и режима последующей термической обработки в соответствии с маркой нержавеющей стали и объемом заварки; 3) контроль качества заварки травлением или МПД.