Файл: Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении.pdf

Одним из важных достоинств микроанализа как метода изу­ чения металла является возможность определить термическую обработку, которой подвергся металл, и качество ее выполнения.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Свойства металлов можно в широких пределах изменять терми­ ческой обработкой, которая позволяет упрочнять и разупрочнять металл, повышать или понижать его пластичность, устранять внутренние напряжения в металле, сообщать ему специальные физические свойства, например магнитные, повышать корро­ зионную стойкость. Таких разнообразных изменений свойств достигают однократными или многократными операциями нагрева, выдержки при определенных температурах и охлаждения метал­ лического изделия с разной скоростью.

Термическая обработка вызывает изменения структуры и на­ пряженного состояния металлов и сплавов. Основой для разра­ ботки ее процессов является изучение кинетики превращений, происходящих в металле при различных температурах, и факто­ ров, влияющих на эту кинетику, а также диаграмм состояния, представляющих собой наглядное изображение процессов кри­ сталлизации сплавов. По диаграммам состояния определяют фазы, существующие у сплавов данных компонентов при различ­ ных температурах, превращения, происходящие в сплавах с изме­ нением температуры и концентрации, и критические точки — тем­ пературы, при которых происходят фазовые превращения. Диа­ грамма состояния железоуглеродистых сплавов — сталей и чугунов, показанная на рис. 21, охватывает интервал концентраций от чистого железа до химического соединения его с 6,67% угле­ рода.

Теория термической обработки, анализ превращений, проис­ ходящих в металлах и сплавах, методы построения диаграмм со­ стояния и их анализа изложены в курсах металловедения и терми­ ческой обработки. В соответствующих главах данной книги осве­ щены применяемые в практике турбостроения виды и режимы тер­ мической обработки металлических заготовок; здесь дана краткая характеристика основных видов термической и химико-терми­ ческой обработки, применяемых в производстве заготовок и дета­ лей паровых турбин.

Отжиг. Этот вид термической обработки осуществляют в тех случаях, когда необходимо получить равновесную, устойчивую структуру металла, снять остаточные напряжения, улучшить обрабатываемость металла на металлорежущих станках, устра­ нить несовершенства строения и состояния, созданные предше­ ствующей обработкой металлической заготовки или изделия: искажения кристаллической решетки, неравномерное распреде­ ление упругих деформаций, неоднородность химического состава,

48

1 «■»

£

SS

«5s

о.

'S Oo

£

1 6 0 0

j 0 ßdfiujndauu9_i

наклеп, повышенную прочность и твердость при сниженной пла­

стичности и др.

Для отжига металлическое изделие нагревают до заданной температуры, выдерживают некоторое время и медленно охлаж­ дают (обычно вместе с закрытой печью). Режим отжига (скорость нагрева, температуру, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения) определяют с учетом конфигурации, раз­ меров, толщины стенок отжигаемого изделия, его предшествую­ щей обработки, микроструктуры, твердости и других свойств металла, а также тех конкретных задач, для решения которых предпринимается отжиг. Задачи эти весьма широки и разнооб­ разны, поэтому в практике применяют значительное количество видов отжига, различающихся по температуре, до которой на­ гревают металл (диффузионный, полный, неполный), условиям охлаждения (непрерывное, ступенчатое) и среде нагрева (в обыч­ ных печах, в вакууме, в защитной атмосфере).

Диффузионный отжиг или гомогенизация — это нагрев на 300—400° С выше критической точки Ас3 и длительная выдержка при этой температуре в течение 10— 15 ч.

Обычно целью диффузионного отжига является возможно более полное устранение химической неоднородности — ликва­ ции, возникающей в процессе кристаллизации металла из жидкого состояния. Ликвационные скопления образуются в самих кристал­ лах и между ними. Диффузионному отжигу подвергают, в част­ ности, крупные слитки и поковки из легированных сталей для турбинных деталей роторной группы.

По данным ряда отечественных и зарубежных исследований гомогенизация, рассасывающая ликвационные участки, благо­ творно сказывается на снижении склонности к образованию в стали опасных дефектов—флокенов. Так, П. В. Склюев, анали­ зируя многочисленные исследования и производственный опыт заводов, считает, что снижение флокеночувствительности в резуль­ тате гомогенизации крупных слитков и поковок является несом­ ненным. В ФРГ и Италии слитки роторов паровых турбин под­ вергают длительной гомогенизации, продолжающейся от несколь­ ких дней до нескольких недель. Гомогенизации подвергают также отливки цилиндров турбин из легированных сталей.

Полный отжиг или фазовая перекристаллизация —■это нагрев на 30—50° С выше критической точки Ас3, выдержка для вырав­ нивания температуры и осуществления фазовых превращений во всем объеме изделия, а затем охлаждение с печью. Таким отжи­ гом уничтожают грубую, крупнозернистую, полосчатую, строчеч­ ную структуру литых сплавов, устраняют внутренние напряжения, снижают твердость и повышают пластичность металла. Полный отжиг широко применяют в турбостроении для отливок и поко­ вок турбинных деталей, а также отдельных сварных конструкций.

В структуре металла после гомогенизации часто наблюдаются крупнозернистость, грубое строение, для которого характерны

50

иглообразные выделения a -железа — феррита. Эти недостатки структуры, обусловленные высокой температурой нагрева при гомогенизации, исправляют (при необходимости) последующим полным отжигом.

Рекристаллизационный, низкотемпературный отжиг — это нагрев до температуры ниже критических точек, не сопровождаю­ щийся фазовыми превращениями. Такой отжиг способствует устранению искажений кристаллической решетки, возникших, например, при холодном деформировании металла, уменьшению остаточных напряжений и пр.

Неполный отжиг, или сфероидизация, характеризуется нагре­ вом стали до температур в интервале между критическими точ­ ками Асх и Ас,з и частичной фазовой перекристаллизацией, почти не затрагивающей цементитной составляющей (FebC). Такой отжиг применяют в случаях, когда цементит распределен в струк­ туре металла равномерно, что обеспечивает необходимые свой­ ства стали.

Охлаждение металла после отжига должно быть медленным. Среднее снижение температуры после выдержки составляет обычно не более 50— 100°С в течение часа. Для ускорения операции от­ жига проводят так называемый изотермический отжиг: после выдержки при температуре отжига изделие быстро охлаждают до температуры на 50— 100° С ниже точки А г1 и выдерживают в течение времени, необходимого для соответствующих изменений структуры. После этого дальнейшее охлаждение можно проводить быстро. Правильно выполненный изотермический отжиг сообщает металлу необходимые свойства при значительной, по сравнению с обычным отжигом с непрерывным охлаждением, экономии вре­ мени.

Нормализация. Эта термическая обработка осуществляется ана­ логично полному отжигу, с нагревом металла на 30—50° С выше точки Ас:і. После выдержки при этой температуре металл охлаж­ дают, в отличие от отжига, не с печью, а на воздухе. Нормализа­ ция позволяет решать те же задачи, что и отжиг.

Отжиг и нормализация низкоуглеродистых нелегированных сталей дают практически одинаковые результаты. Нормализация, однако, предпочтительнее как более экономичная операция. Тех­ ническое железо, содержащее 0,04% С, имеет одинаковую твер­ дость после отжига и нормализации.

Углеродистые конструкционные стали после нормализации приобретают обычно более высокую твердость, чем после отжига. В легированных сталях механические свойства выше после воз­ душного охлаждения, чем после охлаждения с печью. Тот или иной вид термической обработки выбирают с учетом условий эксплуатации металла, в особенности температурных, так как различные скорости охлаждения обусловливают для сталей и сплавов разные формы и размеры структурных составляющих. Последнее может существенно сказываться на прочности и пла­

стичности металла в условиях длительной эксплуатации при высоких температурах.

Нормализации, широко используемой в практике турбинного производства, подвергают кованые валы и роторы, литые ци­ линдры, обоймы, паровые и сопловые коробки и др.

Закалка. Термическую операцию, состоящую из нагрева изде­ лия или заготовки на 30—50° С выше критической точки Лс3, выдержки при этой температуре и последующего быстрого охлаж­ дения, называют закалкой. Высокие скорости охлаждения, до­ ходящие до 1000° С и более в секунду, позволяют зафиксировать в стали или сплаве структурное состояние, необычное для них при нормальной температуре и являющееся переохлажденным состоянием, соответствующим высоким температурам. Закалка дает возможность получить высокую прочность, твердость и дру­ гие качества стали или сплава, которые не могут быть достигнуты при других видах термической обработки.

Необходимых для осуществления закалки скоростей охлажде­ ния достигают погружением изделия или заготовки (после вы­ держки при температуре закалки) в различные среды — воду, минеральные или растительные масла, водные растворы различ­ ных солей и щелочей, расплавленные металлы и соли и др. Охлаж­ дение может быть непрерывным или прерывистым. Оно может осуществляться последовательно в различных средах (например, сначала в воде, затем в масле). Изделие может быть закалено по всему сечению или только на некоторую глубину.

Закалка является весьма эффективной и богатой по своим возможностям термической операцией, при помощи которой можно получить широкую гамму разнообразных механических и физи­ ческих свойств обрабатываемого металла или сплава.

Однако закаленное состояние является недостаточно устой­ чивым. Ему присущи значительные внутренние напряжения. При низких температурах, в том числе и при 20° С, самопроиз­ вольного перехода закаленного сплава в другое, более устойчивое, равновесное состояние не происходит. Для такого перехода необ­ ходима определенная степень подвижности атомов, достигаемая при повышенных температурах.

Закалке подвергают многие металлы, применяемые в турбо­ строении. Закаливают стали для лопаток; поковки высоконагруженных турбинных дисков, валов и цельнокованых роторов; пружины и многие другие заготовки и детали. Закалку значи­ тельной части деталей выполняют в масле, реже в воде или после воды в масле.

Отпуск. Термическую операцию, которая переводит неравно­ весные структуры из закаленного состояния в более равновес­ ное и менее напряженное состояние, называют отпуском. Он представляет собой нагрев ниже критической точки Act и (после соответствующей выдержки) медленное охлаждение с печью, если сталь не склонна к отпускной хрупкости — переходу в опре­

52