Литые заготовки из углеродистых и низколегированных сталей

Из углеродистых и низколегированных сталей изготовляют заготовки наиболее массивных и сложных по форме деталей. Так, масса окончательно обработанного корпуса рабочего колеса поворотно-лопастной гидротурбины диаметром 9,5 м — 90 т, масса отливки — 140 т, а расход жидкого металла — 180 т при наибольшем диаметре 4250 мм и высоте 3300 мм.

К изготовлению заготовок цельнолитых рабочих колес радиально-осевого типа, лопаток направляющих аппаратов, колонн статора предъявляют высокие требования к точности формы и шероховатости необрабатываемых поверхностей, образующих проточный тракт турбин. Учитывая различную толщину и размеры деталей следует применять стали с хорошими литейными качествами. Кроме определенных механических свойств к сталям этой группы предъявляются требования хорошей свариваемости. Это вытекает из необходимости исправления литейных дефектов, условий изготовления сварных конструкций на заводе, сварочных работ при монтаже и восстановительного ремонта при эксплуатации машин.

Малоуглеродистые стали (содержание углерода до 0,3%) являются хорошо свариваемыми. Вместе с тем такие стали обладают невысокими прочностными свойствами. В связи с этим в гидротурбостроении широко применяют низколегированные кремне-марганцовистые хорошо свариваемые стали [16] марок 20ГСЛ и 20ГСФЛ, имеющие более высокие механические характеристики. Для небольших отливок применяется также сталь марки 35Л, несмотря на то, что при сварке ее требуется подогрев. В связи со значительными размерами и массой и особыми требованиями к форме и качеству заготовок их изготовление производится по специальным техническим условиям, основные положения которых приводятся Ниже. Химический состав сталей приведен в табл. 3.3.

Таблица 3.3 Химический состав, %, металла отливок из углеродистых и низколегированных сталей

Марка стали	Углерод	Марганец	Кремний	Ванадий	Хром	Никель	Медь	Сера	Фосфор
					Не более
25Л 35Л 20ГСЛ 25ГСЛ 20ГСФЛ	0,22—0,30 0,32—0,40 0,16—0,22 0,22—0,28 0,18—0,22	0,35—0,75 0,40—0,90 1,00—1,30 1,00—1,30 1,10—1,40	0,20—0,42 0,20—0,42 0,60—0,80 0,60—0,80 0,60—0,85	— — — — 0,10—0,20	0,30 0,30 0,30 0,30 0,30	0,30 0,30 0,30 0,30 0,30	0,30 0,30 0,30 0,30 0,30	0,045 0,045 0,030 0,030 0,025	0,040 0,040 0,030 0,030 0,030

По условиям свариваемости без подогрева превышение содержания углерода, ванадия, серы и фосфора в сталях не допускается. Отклонения содержания марганца и кремния в сталях 20ГСЛ, 20ГСФЛ и 25ГСЛ допускаются в пределах ±0,15% каждого при условии обеспечения требуемых механических свойств. Указанные нормы относятся к плавочному составу. В связи с массивностью, размерами и сложной формой деталей практически имеет место несколько больший разброс химического состава по сечению отливок.

Механические свойства сталей приведены в табл. 3.4. Сдаточными характеристиками являются условный предел текучести, относительное сужение и ударная вязкость. В отдельных случаях для весьма массивных отливок с толщиной стенок более 250 мм применяют стали марки 25ГСЛ. Несмотря на повышение содержания углерода на 0,05%, уровень требуемых прочностных характеристик ее принимают равным характеристикам стали марки 20ГСЛ, применяемой для менее массивных деталей.

Таблица 3.4. Механические свойства (не менее) металла отливок из углеродистых и низколегированных сталей

Марка стали	Предел текучести (условный) σ0,2, кгс/мм2	Временное сопротивление σв, кгс/мм2	Относительное удлинение σ5, %	Относительное сужение Ψ, %	Ударная вязкость αн, кгс·м/см2
25Л 35Л 20ГСЛ 25ГСЛ 20ГСФЛ	24 28 28 28 35	45 50 50 50 50	19 15 16 16 14	30 25 30 30 50	4,0 3,5 4,0 4,0 5,0

Термическая обработка отливок проводится по режимам заводов-изготовителей заготовок и состоит из отжига, нормализации и отпуска от температуры 600—650° С для снижения уровня остаточных термических напряжений. Наиболее массивные заготовки подвергают отпуску после предварительной грубой механической обработки. Такой процесс позволяет устранить практически все существенные литейные дефекты до заключительной операции термической обработки и свести к минимуму возможные деформации деталей после окончательной механической обработки.

По объему и методам испытания свойств, в зависимости от ответственности и условий работы деталей все отливки разделяют на три группы (ГОСТ 977—65). Практически все литые детали гидротурбин относятся ко второй и третьей группам отливок, т. е. подвергаются обязательному контролю механических свойств.

Определение механических свойств металла проводится на образцах, вырезанных из отдельно отлитых или (для особо ответственных деталей) из прилитых к отливке пробных планок. Количество, размеры и место расположения прилитых пробных планок указываются в чертеже детали. Результаты испытаний механических свойств, полученные на образцах, особенно в части пластических характеристик, как правило, несколько выше свойств основного металла отливок. Различие связано со сложностью формы и значительной массивностью детали по сравнению с пробными планками. Это создает худшие условия для кристаллизации металла при отливке и высокотемпературной термической обработке детали. Прилитые пробные планки, составляющие с отливкой одно целое, имеют свойства, более близкие к свойствам основного металла детали. Размещение пробных планок вблизи наиболее нагруженных участков детали позволяет получить более точную характеристику свойств металла отливок. Вместе с тем, по условиям формовки и заливки расположение прилитых пробных планок может оказаться неприемлемым, в связи с чем такое требование должно быть согласовано с заводом-изготовителем заготовки.

Определение механических свойств ответственных деталей проводится на одном образце при испытании на растяжение и на двух — при испытании на удар. Для особо ответственных деталей качество испытаний на заводе-изготовителе заготовки удваивается. Испытание на растяжение проводится на пятикратных цилиндрических образцах диаметром 10 мм (по ГОСТ 1497—61), а испытание на ударную вязкость — на образцах типа 1 (по ГОСТ 9454—60). Отдельно отлитые или прилитые пробные планки обязательно должны проходить термическую обработку совместно с отливкой. Для обеспечения требуемых механических свойств допускается проводить повторную и третью термическую обработку заготовок. Полученные после этого механические свойства считаются окончательными. Количество дополнительных отпусков после окончательной термической обработки не ограничивается.

Однако, при этом надо учитывать, что каждый дополнительный отпуск несколько снижает прочностные характеристики металла.

Исправление литейных дефектов регламентировано в зависимости от их характера, размеров и мест расположения. Наиболее характерными из них являются: трещины, усадочные рыхлости, газовые раковины, неметаллические включения, пористость, ужи-мины, спаи, пригары, местные отклонения формы (выступы и впадины). Нормы допустимых дефектов устанавливаются техническими условиями на поставку заготовок.

Глубина дефектов определяется пологой вырубкой до здорового металла. Все дефекты, превышающие допустимые, расположенные на поверхностях проточной части, а также типа трещин и усадочных раковин подлежат обязательному исправлению по следующей технологии: 1) удаление дефекта до здорового металла; 2) контроль полноты удаления дефектов (типа трещин — травлением, остальных видов — визуально); 3) заварка выборок электродом УОНИ 13/45 по ГОСТ 9467—60 (табл. 3.5); подогрев и последующая термическая обработка при этом для сталей 25Л, 20ГСЛ и 20ГСФЛ применяются в случае существенных объемов заварок. Для стали 35Л следует применять сопутствующий подогрев — 150° С; 4) контроль качества исправления — внешний осмотр.

Таблица 3.5. Механические свойства (не менее) наплавленного металла электродов, применяемых при изготовлении сварных конструкций

Электроды		Техни- ческое состояние	Временное сопро- тивление σв, кгс/мм2	Предел текучести σт, кгс/мм2	Относи- тельное удлинение σ5, %	Относи- тельное сужение Ψ, %	Ударная вязкость αн, кгс·м/см2
Марка	Тип
УОНИ 13/45 УОНИ 13/55 Проволока ЭА395/9 ЦЛ-9 ЦЛ-11 ЦЛ-33 ЦЛ-41 ЦЛ-51 ЛМЗ-5	Э-42А Э-50А Св-08Г2С ЭА-ЗМ6 ЭА-2В ЭА-1Б — — ЭАФ-1 ЭФ-Х1	Исходное после сварки Отпуск Отжиг, отпуск Отпуск	42 50 42 60 60 58 60 65 70 60	30 35 — — 32 30 35 50 60 50	22 20 — 30 24 22 20 14 16 16	50 50 — — — 40 40 60 — 50	14 13 12 10 7 6 7 5 8 5

Допускаемые отклонения размеров литых деталей, а также величины припусков на механическую обработку устанавливаются по III классу точности (ГОСТ 2009—55). В связи со сложностью формы, большими размерами и единичностью производства деталей гидротурбин уложиться в эти нормы не удается. При согласовании чертежей допускаемые отклонения большей частью приходится увеличивать на 25—50%, а припуски — в 1,5—2 раза. В тех случаях, когда это неприемлемо (профиль пера лопаток направляющего аппарата), устанавливается опытная партия отливок, в процессе изготовления которой проводится корректировка модельного комплекта.