Создание и совершенствование материалов для крупногабаритных изделий ответственного назначения

• Автор: Филимонов, Герман Николаевич
• Шифр специальности: 05.02.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 68 с. : ил.; 20х15 см

Актуальность работы.

В развитии современной техники продолжают превалировать тенденции повышения ресурса и увеличения единичной мощности силовых установок и, соответственно, передаточных механизмов с одновременным увеличением размеров составляющих элементов оборудования и сооружений.
Для изготовления деталей проектируемых транспортных средств, машин, энергоустановок, стационарных сооружений зачастую требуются полуфабрикаты (поковки, прокат) уникальных размеров из сталей повышенной прочности с требованиями по качеству, обеспечивающими повышение надежности и долговечности изделий,
Настоящая работа посвящена обобщению опыта создания более совершенных конструкционных материалов для особо крупных и тяжелонагруженных деталей в изделиях судового машиностроения, редукторостроення, атомной техники, нефтеперерабатывающего комплекса. Все разработки проводились во исполнение и развитие Постановлений и заданий по повышению ресурса действующего оборудования и Целевых программ создания техники новых поколений.
Цели и задачи. Работа выполнена с целью анализа современных возможностей совершенствования крупногабаритных кованых и катаных полуфабрикатов для изделий ответственного назначения и разработки системного подхода к решению частных задач по совершенствованию материалов методами "прецизионного материаловедения", т.е. путем оптимизации факторов регулирования качества конечного продукта на всех этапах его создания: от выбора легирующей композиции до формирующей свойства термической обработки и упрочняющих и защитных технологий.
Фундаментом для построения общей методологии совершенствования материалов послужили частные конкретные задачи:
- изыскание материалов, обеспечивающих решение проблемы повышения надежности судовых валопроводов, освоение промышленного производства кованых полуфабрикатов уникального сортамента для обеспечения изготовления движительно-рулевых комплексов перспективных судов и кораблей всех классов и назначений;
- совершенствование материалов и способов повышения несущей способности зубчатых передач судовых силовых энергоустановок большой мощности;
- совершенствование конструкционных материалов и технологических процессов их производства для крупногабаритного оборудования атомной энергетики (корпуса реакторов, парогенераторы, контейнеры для отработанного ядерного топлива, страховочные корпуса и стальные защитные оболочки);
- конверсия теплостойких реакторных сталей для применения в нефтехимической промышленности, обоснование надежной работы сталей при длительном воздействии высоких температур и водорода высоких параметров.

Научная новизна. В работе получены следующие основные научные результаты:

- сформирован новый системный материаловедческий подход к совершенствованию конструкционных материалов, основанный на прецизионном регулировании состава стали (по с човным и примесным элементам), ее структурно-фазового состояния, загрязненности
(НЫМИ элементами и неметаллическими включениями, формы включений, на всех зяах металлургического передела с учетом механизмов основных деградационных пдессов в условиях изготовления и эксплуатации изделия и возможностей предотвратив или ослабления деградации;
-. .мулированы общие принципы выбора материалов и алгоритм действий по их совер--кл-вованию; даны рекомендации по мерам обеспечения высокого качества металла в , .д/фабрикатах больших сечений с учетом особенностей их производства; основе изучения и обобщения опыта повреждений судовых валов в эксплуатации установлены характерные зоны наиболее частой повреждаемости и основные механизмы деградации (усталость в местах концентраторов, коррозионная усталость, фреттинг-усталость);.
- экспериментально установлены закономерности деградационных процессов в углеродистых и легированных сталях в результате циклического нагружения при действии различных факторов, понижающих сопротивление усталости (геометрические концентраторы, контакт с сопряженной деталью, коррозионная среда, масштабный эффект, частота и длительность нагружения);
- продемонстрировано отсутствие каких-либо преимуществ от применения легированной (особенно высокопрочной) стали вместо качественной углеродистой для изготовления крупных деталей, подвергающихся циклическому нагружению, при наличии эффективных концентраторов, контакта с морской водой, насаженных жестких втулок;
- системными испытаниями показана высокая эффективность поверхностного пластического деформирования как средства повышения несущей способности изделий, работающих в условиях фреттинг-усталости и коррозионной усталости;
- обоснована возможность полной реализации потенциальных прочностных преимуществ
легированных сталей для деталей, подвергающихся высоким циклическим нагрузкам, при надежной гидроизоляции и оптимальных режимах ППД;
- исследованы особенности деградации материалов при совместном действии циклического
изгиба и кручения, установлена высокая эффективность ППД в отношении упрочнения при циклическом кручении (и изгибе с кручением) валов с насаженными деталями;
- на основе исследований масштабного и частотного эффекта при коррозионной усталости предложена методика прогнозирования срока службы детали в случае контакта с морской водой;
- разработана концепция повышения пластичности и вязкости крупных поковок из углеродистой стали, предусматривающая ограничение содержания углерода, повышение чистоты по вредным примесям, дегазирование, специальный режим термической обработки с глубоким охлаждением в воде с температуры аустенпзации (даже для сталей, относимых к "незакаливающимся");
- разработаны и освоены новые технологические процессы ковки (осадка "вогнутой бочки", прожим подстуженной заготовки узкими бойками по четырем граням), обеспечивающие более глубокую термопластическую проработку металла;
- с целью повышения прочностных характеристик и измельчения зерна разработаны специальные марки модифицированных, микролегированных и экоиомнолегированных сталей взамен легированных, при этом показана возможность использовать для микролегирования эффект промывочных плавок;
- установлена целесообразность дифференциации химического состава плавок при последовательной заливке изложницы из нескольких ковшей с целью уменьшения ликвацион-ной неоднородности крупного слитка для длинномерных поковок;
- предложены и освоены специальные температуросберегающие приемы ковки крупных слитков, обеспечивающие ковку валов длиной более 25 м с коэффициентом вытяжки 2,8 - 3 на последнем выносе из нагревательной печи;
- для интенсификации процессов вытяжки разработаны новые виды кузнечных вырезных бойков;
- для увеличения скоростей охлаждения металла в заданном температурном интервале фазовых превращений применены режимы охлаждения поковок из высокопрочных сталей глубокой прокаливаемости "через воду в масло" с длительным подстуживанием в воде: показана возможность использования при погружении в воду медленных скоростей для выравнивания свойств по концам длинномерной поковки;
- создан новый класс высокопрочной безалюминиевой азотируемой стали для азотируемых
зубчатых колес;
- разработан режим термической обработки высокопрочной стали, сочетающий предварительную высокотемпературную нормализацию с последующей закалкой и высоким отпуском, обеспечивающий высокие прочностные свойства при удовлетворительной вязкости;

варьировался в пределах от 235 до 300 Н/мм2 (при корме 196).
В то же время, при испытаниях металла вакуумно-дугового переплава предел текучести при 350°С на образцах как продольной, так и тангенциальной ориентации составлял, в основном. 167... 172 1-Мим2 для пробы из центральной части по длине поковки, а на образцах радиальной ориентации - даже 152 Н4ш2. Наблюдались отдельные выпады и на тангенциальных образцах, изготовленных из проб от прибыльного и донного концов (значения 172 ВАш2 ). Предел текучести при комнатной температуре был достаточно высоким (226...289 Шчм2).
В связи с этим была проверена возможность использования еще одного механизма повышения предела текучести - упрочнения частицами другой фазы. В аустенитизированной стали дисперсионное твердение может происходить за счет выделения в виде карбидов тех карбидообразуюших элементов, которые перешли в твердый раствор при аустенитизации. Во избежание сенсибилизации старение целесообразно проводить при температурах либо ниже (400°С), либо выше (80О°С) температурной области чувствительности к межкристал-литной коррозии.
После старения при 400°С и при 800°С образцы из металла УВРВ получили дополнительное увеличение предела текучести, причем более заметное для проб центральной и донной части поковки, где был ниже его исходный уровень. Для металла ВДП приращения от старения оказалось недостаточно, чтобы полностью исключить выпады по пределу текучести при температуре испытаний 350°С. Очевидно, в процессе аустенитизации при 950°С не происходит растворения карбидов в количестве, необходимом для эффективного упрочнения матрицы частицами новой фазы при последующем старении.
Как и предполагалось, повторная аустенитизация при температуре 1040°С и старение при 800°С в течение 15 часов (стабилизация) привели к наиболее хорошему результату: на металле ВДП выпадов по пределу текучести не наблюдалось, а ка металле открытой выплавки, прошедшем рафинирование в ковше УВРВ, предел текучести при 350°С составил 191...225 Шим2. В то же время, повторная аустенитизация при 1040°С с охлаждением на воздухе без последующего старения привела вследствие укрупнения зерна к снижению предела текучести металла ВДП до уровня 152 Жим2.
Для подтверждения пригодности металла с повышенным пределом текучести к эксплуатации в составе коллектора ПГВ-1000У были выполнены коррозионно-механические испытания тангенциальных и продольных образцов из наружного и центрального слоя поковок, полученных по 4 вариантам технологии: два способа выплавки и каждый в двух состояниях термической обработки [100]. Металл всех вариантов не проявил склонности к МКК после сенсибилизационнмх нагревов в интервале температур от 400° до 800°С продолжительностью до 200 часов, а также склонности к растрескиванию в 30% растворе N3014 при температуре 95°С и постоянной нагрузке с уровнем напряжений до 1,2 Лро.г- При автоклавных испытаниях на коррозионное растрескивание в дистиллате применительно к штатным условиям эксплуатации коллектора ПГВ-ЮООУ (температуры испытаний 280 и 320°С, содержание хлоридов 500 мкокг, рН= 8,0. ..9,2) растрескивание происходило только при уровне напряжений в образцах, превышавшем предел текучести. В случае испытаний по методу заданной постоянной нагрузки трещины обнаруживались после 500...2000 часов испытания на образцах всех технологических вариантов, хотя отмечалась тенденция более высокой стойкости стали ВДП после стабилизирующей термообработки.
Ускоренные испытания в кипящем хлористом магнии не выявили разницы между технологическими вариантами.
Высокопрочная коррозионностойкая сталь мартенситного класса с регулируемым фазовым превращением (Патент РФ 2122600)
Сбалансированный химический состав стали марки 07X16Н4Б [101] обеспечивает самое высокое (=600°С) положение ее критической точки АС| по сравнению с другими сталями