Стальные поковки

В настоящее время стальные поковки не превышают 13% массы гидротурбин. В основном это крупные детали: валы, рычаги и цапфы лопастей рабочих колес поворотно-лопастного типа, крупный крепеж (до M180 при массе до 250 кг) фланцевых соединений ротора гидроагрегата. В номенклатуру сталей, применяемых для поковок, входят: углеродистые марок 25, 35, 40 и 45; низколегированные — 20ГС и 25ГС; легированные — 12X13, 20X13, 40Х, 40ХНА, 40ХФА, 35ХМ, 34ХН1М и 38XH3MA.

Химический состав сталей регламентируется действующими стандартами и техническими условиями (ГОСТ 1050—74, ГОСТ 4543—71 и др.). Механические свойства устанавливают по ГОСТ 8479—70 или СТП (стандарт предприятия) в соответствии с принятой маркой стали и размером сечения поковки в наиболее массивной части.

Изготовление поковок собственного производства осуществляют по действующим на заводе СТП, поковок внешней поставки — по ГОСТ 8479—70. Поковки валов гидротурбин поставляют по специальным техническим условиям. Контроль качества поковок, изготовляемых по СТП и ГОСТ 8479—70, состоит из проверки химического состава и механических свойств в соответствии с указанной в чертеже группой испытаний; размеров и состояния поверхностей, отсутствия флокенов (для поковок из легированных сталей). Заданный уровень свойств соответствует испытаниям на продольных пятикратных образцах. Допускается проводить испытания на тангенциальных и радиальных образцах (с уменьшением контрольных значений).

Кованые заготовки валов или их частей при сварном исполнении являются ответственными и в то же время наиболее массивными поковками. Масса их в черном виде достигает 90 т при длине 5500—7000 и толщине стенки трубчатой части до 350 мм. Для изготовления валов применяют стали марок 40 и 20ГС. При толщине стенки вала более 200 мм для обеспечения заданного уровня механических свойств иногда применяют сталь марки 25ГС. Химический состав сталей приведен в табл. 3.8.

Таблица 3.8. Химический состав, %, металла кованых заготовок валов
Марка стали Углерод Марганец Кремний Хром Никель Медь Сера Фосфор
Не более
40
20ГС 25ГС
0,37—0,45
0,16—0,22
0,22—0,28
0,5—0,8
1,0—1,3
1,0—1,3
0,17—0,37
0,6—0,8
0,6—0,8
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,045
0,03
0,03
0,04
0,03
0,03
                       

При условии обеспечения механических свойств допускаются отклонения от норм химического состава, %: по углероду — 0,01; по марганцу и кремнию — ±0,05. Нормы механических свойств сталей, применяемых для изготовления заготовок цельнокованых и сварных валов, приведены в табл. 3.9.

Марка сталиТаблица 3.9. Механические свойства (не менее) металла кованых заготовок валов
Марка стали Предел текучести (условный) σ0,2,кгс/мм2 Временное сопротивление разрыва σв, кгс/мм2 Относительное удлинение δ5, % Относительное сужение Ψ, % Ударная вязкость αн, кгс · м/см2
40
20ГС 25ГС
26
26
28
48
50
50
16
14
14
30
30
30
4
4
4
Примечание. Сдаточными характеристиками являются σ0,2, Ψ и αн; величины σв и δ5 — факультативны.

Термическую обработку заготовок проводят в два этапа. Она состоит из отжига после ковки и нормализации и высокого отпуска после грубой механической обработки наружных поверхностей с припусками под чистовую обработку (10—20 мм) и окончательной обработки центрального отверстия.

Оценку качества материала заготовок валов проводят по результатам следующих видов контроля: 1) определению химического состава (проба отбирается от плавки в середине процесса отливки слитков); 2) анализу макроструктуры травлением для проверки отсутствия в заготовках трещин и флокенов (при обнаружении флокенов поковки бракуют); 3) проверке степени загрязненности металла соединениями серы и фосфора (по Бауману); уровень загрязненности не должен быть хуже третьего балла четырехбалльной шкалы Новокраматорского машиностроительного завода); 4) испытанию механических свойств (на продольных разрывных пятикратных образцах по ГОСТ 1497—61 и на ударных образцах типа 1 по ГОСТ 9454—60, вырезаемых из кольцевых припусков поковок; 5) визуальному осмотру поверхности внутреннего отверстия для выявления дефектов типа трещин, раковин, остатков осевой рыхлости и отдельных крупных скоплений мелких неметаллических включений (если центральное отверстие имеет диаметр менее 500 мм, то осмотр осуществляется с помощью перископического устройства); 6) определению уровня остаточных тангенциальных напряжений в теле вала (по средним деформациям колец сечением 40 X 40 мм, отделяемых от припусков для проб на обоих торцах поковки).

Все виды проверки, кроме п. 1, должны осуществляться на заготовках, прошедших полный цикл термической обработки, грубую механическую обработку по наружному контуру и окончательную обработку внутреннего отверстия с шероховатостью Rz 20. Для цельнокованых валов и для поковок трубчатых частей валов испытания по пп. 2, 3 и 4 проводят от двух концов заготовок; для поковок фланцев валов — от одного конца заготовки, со стороны прибыльной части слитка. Контроль макроструктуры и снятие серных отпечатков выполняют на торцах темплетов, обращенных к поковкам. В случае получения неудовлетворительных результатов испытаний механических свойств проводится повторное испытание, на удвоенном количестве образцов того вида, на котором получен отрицательный результат. При повторных неудовлетворительных результатах для улучшения механических свойств материала можно провести повторную термическую обработку заготовки, после чего заново испытать материал в полном объеме. Повторных термических обработок допускается проводить не более трех.

Для испытаний по п.6 выполняют расчеты по формуле
(3.1)
где σt — остаточные напряжения, кгс/мм2; Е — модуль упругости при растяжении, кгс/мм2; Δср — среднее изменение диаметра кольца, мм; Dcp — среднее значение диаметра кольца до его отрезки, мм.

Средние значения D и А определяют по результатам трех измерений диаметральных размеров, расположенных симметрично по окружности. Таким образом,
Измерения до отрезки кольца D и после его отрезки D' должны выполняться в одних и тех же точках. Точность измерений — 0,01 мм, при этом следует исключить возможность температурной погрешности. Остаточные напряжения не должны превышать 4 кгс/мм2.

В связи с особой ответственностью деталей на заводе-заказчике проводятся контрольные испытания механических свойств основного металла и сварных соединений заготовки, остаточных напряжений и сплошности сварных швов.