автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Создание и совершенствование материалов для крупногабаритных изделий ответственного назначения

Государственный научный центр РФ Федеральное Государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей"

На правах рукописи УДК 669.017:621

ДЛЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ ОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.02.01- Материаловедение (машиностроение)

i"V iJ О С Г >л т>г

на'со искание ученой степени доктора технических наук - irl

[I (Решение от » ШМв^^Цй/

II ^илучен^стеяеньДОХЖ

fj начальник управление

я ВАК Россия

Сан кт-Петербург 2001 г.

ВВЕДЕНИЕ

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, редукторостроения, 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

човным и примесным элементам), ее структурно-фазового состояния, загрязненности :щыми элементами и неметаллическими включениями, формы включений, на всех :,яах металлургического передела с учетом механизмов основных деградационных идессов в условиях изготовления и эксплуатации изделия и возможностей предотвра-

или ослабления деградации; мулированы общие принципы выбора материалов и алгоритм действий по их совер--ютвованию; даны рекомендации по мерам обеспечения высокого качества металла в I „iyфабрикатах 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-уста-

лость);.

- 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 пластическо-

го деформирования как средства повышения несущей способности изделий, работающих в условиях фреттинг-усталосги 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 аустенизации (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 специ-

альные марки модифицированных, микролегированных и экономнолегированных 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 н 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 подстуживани-

ем 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;

■ установлена возможность увеличения глубины азотированного слоя при применении трехступенчатых режимов азотирования, либо при непрерывном регулировании температурного и газового режима в процессе азотирования;

- экспериментально показана возможность увеличения в 1,7 раза несущей способности зуб-

чатых колес по критерию изгибной прочности в результате комплексного режима упрочнения металлургическим рафинированием высокопрочной азотируемой стали термической обработкой, предварительной дробеметной обработкой перед азотированием и окончательной щадящей дробеметной обработкой по азотированному слою;

- разработана новая малоникелевая марка стали для корпусов перспективных атомных реак-

торов повышенной безопасности и ресурса, сочетающая повышенное сопротивление радиационному охрупчиванию с повышенной отпускоустойчивостью и достаточной про-каливаемостью;

- доказана возможность существенного одновременного повышения прочностных характе-

ристик, исходной вязкости в крупных сечениях и дальнейшего увеличения сопротивления радиационному охрупчиванию безникелевой радиационно-стойкой стали хромо-молибдено-ванадиевой композиции за счет осуществления прецизионной регламентации химического состава и технологических режимов изготовления;

- проведен комплекс исследований безникелевой реакторной стали композиции 3 Cr-Mo-V

применительно к условиям работы нефтехимических реакторов, позволивщий применить эту сталь для изготовления реакторов гидрокрекинга и риформинга;

- экспериментально показана принципиальная возможность и целесообразность изготовле-

ния корпусов реакторов из сталей с ускоренным спадом наведенной активности после облучения;

- предложена и опробована в промышленных условиях технология получения высококачественных реакторных поковок с толщиной стенки до 650 мм из слитков массой 360 т, а также ковки на существующих прессах кольцевых поковок особо больших диаметров (до 6400 мм) с выносом поковки в боковой пролет пресса с помощью специальной оснастки; применительно к альтернативным вариантам парогенератора для атомного реактора ВВЭР 1000: разработана технология получения повышенного предела текучести (с02 = 176 Н/мм2) в толстостенных поковках коллектора из слитка массой 30 т коррозионно-стойкой стали аустенитного класса типа Х18Н10Т вакуумно-дугового переплава; освоено производство поковок сложной формы из высокопрочной коррозионно-стойкой стали с управляемым мартенситным превращением из слитков массой более 50 т;

- разработан комплексный способ повышения удароустойчивости при низких климатических температурах н вязкости разрушения крупных полуфабрикатов для контейнеров ОЯТ из малоуглеродистой низколегированной стали типа 09Г2С;

на основе сравнительных экспериментальных исследований несущей способности при многоцикловой усталости соединений валов различного типа (фланцевые, прессовые, шпоночные и др.) разработаны и внедрены новые надежные конструкции соединений. Разработанные усовершенствованные марки конструкционных сталей, процессы ковки, новые виды кузнечного инструмента, новые конструкции соединений, установки для испытаний защищены авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

Практическая значимость и реализация результатов. В результате исследований и разработок по теме диссертации:

- решена проблема надежной работы материалов в составе судовых и корабельных вало-проводов и рулевых устройств; проведена унификация материалов, переиздан ГОСТ на поставку заготовок валов и баллеров с учетом расширенного сортамента, повышенных требований и новых технических решений;

- обеспечено изготовление по специальным техническим условиям уникальных кованых заготовок для строительства крупнейших отечественных танкеров, атомных ледоколов, лихтеровозов, многовальных боевых кораблей; даны рекомендации по применению упрочняющих обработок, методов гидрозащиты, новых видов соединений;

- изготовлены и поставлены заказчикам в полном соответствии с требованиями согласованных технических условий партии заготовок для зубчатых колес и шестерен из новой глубокоазотируемой высокопрочной стали; даны рекомендации по механической обработке, режимам азотирования, выпущены чертежи на промышленную установку дробе-метного упрочнения крупногабаритных зубчатых колес;

- изготовлена партия опытных поковок (прутки, плиты, обечайки) толщиной до 500 мм из новой особо чистой безникелевой радиационностойкой стали;

- изготовлены две опытные поковки из реакторной стали с 1 % никеля из слитков массой 360 т, качество металла подтверждает пригодность освоенного технологического процесса для производства натурных крупногабаритных изделий;

- по результатам всесторонних исследований опытно-промышленных поковок из новой стали типа 15Х2НМФА с 0,75 % никеля, изготовленных на Ижорском заводе из слитка массой 135 т, принято решение об аттестации этой стали применительно к условиям изготовления и эксплуатации перспективных атомных реакторов большой мощности и повышенного ресурса;

- на заводе "Энергомашспецсталь" (г. Краматорск) успешно опробован процесс ковки кольцевой обечайки диаметром 6200 мм;

- выпущены технические условия на поставку поковок для нефтехимического оборудования из реакторной стали композиции ЗСг-Mo-V, в соответствии с требованиями ТУ изготовлено 8 крупногабаритных сосудов давления для установки глубокой переработки нефти на заводе "Лрославнефтеоргсинтез";

- совместно со специалистами ОАО "Ижорские заводы" успешно освоено производство по-

ковок из стали 2,25Сг-1Мо для нефтехимического реактора по заказу объединения "Пермнефтеоргси нтез";

- освоена в промышленных условиях технология производства кованых заготовок альтернативных вариантов коллекторов для парогенератора ЕГВ 1000 из усовершенствованных коррозионностойких сталей аусгенитного и мартенситно-аустенитного классов;

- выпущены технические условия на усовершенствованную сталь типа I0XH1M, по которым производится изготовление листового проката для строительства стальных защитных оболочек для атомных реакторов;

- освоено производство катаных и кованых полуфабрикатов из стали типа 09Г2С с повышенными требованиями по хладостойкости для металлобетонных контейнеров хранения и перевозки отработанного ядерного топлива.

Достоверность полученных результатов подтверждена применением современных методов исследований качества материалов, проверкой предлагаемых технических решений лабораторными и промышленными экспериментами, применением статистической обработки накопленных результатов промышленного опыта производства и эксплуатации, постановкой экспериментальных исследований процессов деградации материалов в условиях, имитирующих производственные и эксплуатационные, масштабным моделированием влияния размеров, использованием образцов-свидетелей, непосредственным исследованием состояния материалов в изделиях после длительных сроков эксплуатации. На защиту выносятся:

- концепция целенаправленного совершенствования материалов для крупных изделий путем прецизионного регулирования химического состава и значимых параметров технологических процессов на всех стадиях изготовления полуфабриката и превращения его в изделие с учетом основных механизмов деградации, возможных при эксплуатации и уже в ходе изготовления, и возможностей предотвращения или ослабления деградационных процессов;

- совокупность выполненных разработок по совершенствованию конструкционных материалов для объектов техники, отличающихся по конструктивным особенностям, условиям работы и определяющим механизмам деградации;

- совокупность технических и технологических решений, обеспечивающих получение ма-

териалов необходимого качества;

результаты исследований деградационных процессов и разработки средств ослабления

или предотвращения деградационных процессов; - результаты исследований качества усовершенствованных материалов.

Апробация работы. По материалам диссертации сделано более 60 докладов в том числе на шести международных конференциях по проблемам материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС, С.-Петербург, 1991-2000; сессиях постоянно действующего межгосударственного семинара по радиационной повреждаемости и работоспособности конструкционных материалов. Петрозаводск, Псков, Белгород, С.Петербург, 1990-2000; двух российских межотраслевых конференциях по реакторному материаловедению, Дмитров град, 1 998, 2000; XXIV отраслевом семинаре по новым инженерным и экономическим аспектам ядерной энергетики, �