автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Структура и свойства разработанной комплексно легированной стали для сварных рабочих колес центробежных компрессорных машин

Введение.

Гл.1. Состояние вопроса по материалам, применяемым в турбокомпрессоростроении и о направлениях повышения их свойств.

Гл.2. Материалы и методы исследования.

2.1. Материалы.

2.2. Методы исследования. 30 2.2.1. Испытания механических свойств. 2.2.2. Структурный и фазовый анализ.

Гл.З. Влияние микролегирования на фазовый состав, структуру и свойства опытных плавок стали 14Х2ГМР.

3.1. Выбор легирующего комплекса и составы опытных плавок.

3.2. Влияние микролегирования.

3.3. Исследование распределения микролегирующих элементов в структуру стали. 47 Гл.4. Кинетика распада аустенита и влияние режимов термической обработки на механические свойства, фазовый состав и структуру стали 12Х2ГМФБРЧА.

4.1. Построение термикинетической диаграммы распада аустенита.

4.2. Оценка температурного состояния заготовок дисков при закалке.

4.3. Структура и механические свойства стали

12Х2ГМФБРЧА по сечению диска.

4.4. Выбор технологических параметров закалки и отпуска.

4.5. Механические свойства стали после различных режимов термообработки.

4.6. Влияние режимов термообработки на фазовый состав и структуру.

4.6.1. Фазовый состав.

4.6.2. Макроструктурный анализ и фрактография.

4.6.3. Микроструктурный анализ.

4.7. Взаимосвязь структурных характеристик стали с ее механическими свойствами . 90 Гл.5. Оценка работоспособности сварных соединений из стали

12Х2ГМФБРЧА.

5.1. Материалы исследования.

5.2. Исследование отпускоустойчивости основного металла.

5.3. Оценка трещиностойкости стыковых швов.

5.4. Оценка склонности к слоистому растрескиванию. 105 Выводы. 108 Заключение. ПО Литература.

Производственное объединение "Невский завод" (ныне АООТ "Невский завод") является одним из ведущих предприятий страны по производству высокопроизводительных компрессорных машин, предназначенных для обеспечения технологических процессов в черной и цветной металлургии, газовой, нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и химической промышленности. Развитие этих отраслей ставит перед энергомашиностроителями задачу создания высокоэкономичных и надежных конструкций компрессоров.

Важную роль в решении стоящих задач играют исследования в области создания новых конструкционных материалов. Традиционно на "Невском заводе" для производства рабочих колес компрессорных машин применялся клепаный вариант с использованием сталей 34X1НМА и Э4ХНЗМА, содержащих дефицитный никель. Производственный процесс отличался высокой трудоемкостью и значительными материальными затратами. В целях сокращения затрат на "Невском заводе" было освоено производство поковок из свариваемой низколегированной стали 14Х2ГМР, что позволило внедрить в серийное производство сварную конструкцию рабочих колес центробежных компрессорных машин (ЦКМ) взамен клепаных. При этом отпадает необходимость фрезерования лопаток из тела диска, вследствие чего масса заготовки снижается в 2-2,5 раза, а трудоемкость изготовления - на 15%. Однако сталь 14Х2ГМР имеет предел текучести 60 кгс/мм , соответствующий уровню прочности КП-60, что не позволило распространить прогрессивную технологию на производство высокооборотных ЦКМ. Решение этой задачи потребовало разработки новой свариваемой высокопрочной стали с уровнем прочности КП-80. На основании анализа литературных данных было выбрано направление разработки высокопрочного сплава, связанного с микролегированием ванадием, ниобием, алюминием и титаном с последующей обработкой жидкого металла комплексным раскислителем ФСЗОРЗМ20, содержащим редкоземельные элементы. На первом этапе плавились лабораторные плавки и проводились исследования микроструктуры с целью идентификации карбидных и нитридных фаз, изучение тонкой структуры и механических свойств стали опытных плавок. На втором этапе уже на промышленных плавках опытной стали изучалось ее поведение в условиях металлургического производства АООТ "Невский завод" и отрабатывалась технология термической обработки и некоторые вопросы , связанные с технологией сварки.

Во второй главе работы описываются применяемые материалы при выплавке стали и рассматривается широкий спектр методов исследования.

Далее в работе на опытных плавках исследуется влияние микролегирования на фазовый состав, структуру и свойства базовой стали 14Х2ГМР. Определяется распределение легирующих элементов в структуре.

Четвертая глава посвящена изучению кинетики распада аустенита новой разработанной стали марки 12Х2ГМФБРЧА, исследуется влияние технологических параметров термической обработки на фазовый состав, макро- , микро-, субструктуру и свойства. Показывается возможность расчета предела текучести по параметрам тонкой структуры.

Далее проводится оценка склонности сварных соединений исследуемой стали к трещинообразованию и слоистому растрескиванию.

Комплексное исследование опытной стали с использованием оптической и электронной металлографии, рентгеновских, дилатометрических, микрорентгеноспектральных и др. методов анализа позволило рекомендовать для серийного производства сварных колес высокооборотных ЦКМ новую свариваемую высокопрочную сталь 12Х2ГМФБРЧА и в конечном счете успешно решить задачу снижения металлоемкости, трудоемкости, а также повышения качества изготовления, прочностных, экономических характеристик агрегатов и износостойкости колес ЦКМ.

ВЫВОДЫ

1. На основе анализа конструкционных материалов, применяемых в турбокомпрессоростроении, и способов их упрочнения выбраны базовая сталь марки 14Х2ГМР и направления дальнейшего повышения ее механических, технологических и эксплуатационных характеристик путем микролегирования ванадием, ниобием, титаном и модифицирования редкоземельными элементами в виде лигатуры ФС30РЭМ20 в количестве 0,3%.

2. Проведены исследования на опытных плавках по влиянию комплексного микролегирования на структуру, фазовый состав и механические свойства базовой стали 14Х2ГМР, что привело к созданию новой высокопрочной экономнолегированной стали с пониженным содержанием углерода марки 12Х2ГМФБРЧА для высокооборотных рабочих колес ЦКМ.

3. Построена термокинетическая диаграмма распада переохлажденного аустенита новой стали 12Х2ГМФБРЧА, проведен расчет температурных полей охлаждения диска, позволяющие прогнозировать структуру и свойства материала на натурных изделиях и корректировать режим термической обработки.

4. Определен с помощью метода активного планирования эксперимента и рекомендован рациональный режим термической обработки: I - закалка 950±10°С, выдержка 3 ч, охлаждение в воде, II - закалка 910±10°С, 3 ч; вода, отпуск 620+10°С, выдержка 6 ч; охлаждение со скоростью 50°С/ч до 400°С и далее на воздухе. Применение режима гарантирует получение прочности КП-80 при 5 > 13%, \|/ > 40%, КСИ > 0,5 МДж/м2 и волокнистости В > 50%.

5. Микролегирование РЗМ в количестве 0,3% лигатуры ФС30РЗМ20 оказывает раскисляющее и рафинирующее воздействие на металл, способствует получению мелкозернистой структуры, приводит к образованию неметаллических включений округлой формы, переводя оксиды, сульфиды, нитриды в комплексы типа оксисульфидов и оксисульфонитридов, что приводит к повышению комплекса свойств.

6. Изучен состав, морфология и распределение избыточных фаз. Карбидообразующие элементы ванадий, ниобий, титан образуют дисперсную смесь карбидных и карбонитридных фаз типа М3С, М7С3, М2зС6, М(СДчГ). Установлено их равномерное распределение между границей и телом зерна в результате микролегирования.

7. Определены количественные характеристики тонкой структуры и установлена зависимость упрочнения от параметров тонкой структуры и игольчатой составляющей. Оптимальная структура соответствует нижеприводимым характеристикам: расстояние между карбидами (или карбонитридами) X = 230 нм, ширина бейнитной рейки со = 1,22 мкм; удельная поверхностная плотность карбидов п5 = 3,2 шт./мкм; количество игольчатой составляющей не более 40%.

9 8-102

8. Получена эмпирическая зависимость сг02 = 480 + —-1п2л + 0,148 -со~] л для оценки предела текучести, исходя из количественных параметров тонкой структуры. Показана удовлетворительная сходимость (в пределах 10%) расчетных и экспериментальных данных.

9. Предложена зависимость механических свойств от температуры отпуска после сварки в виде параметрических кривых Холомона, позволяющая определить оптимальный режим теплового нагрева основного металла после сварки без ухудшения комплекса его механических свойств.

10. Показана высокая стойкость к трещинообразованию и слоистому растрескиванию при сварке новой стали с уровнем прочности КП-80 на дисках сварных рабочих колес, что позволяет ее рекомендовать для высоконагруженных сварных конструкций.

Заключение.

На основании проведенного исследования разработана новая марка высокопрочной свариваемой стали 12Х2ГМФБРЧА, новизна которой подтверждена авторским свидетельством №1359330. Химический состав стали (масс.%) следующий: 0,11.0,15%С; 0,17.1,37% Бц 0,9.1,2 Мп; 1,3.1,7% Сг; 0,4.0,5%Мо; 0,07.0,11% V; 0,01.0,04% Мэ; 0,03.0,08%А1; № < 0,3%; Си < 0,3%; Б < 0,02%; Р < 0,025%; по расчету 0,04% Тц 0,003 %В; 0,03% РЗМ.

Гарантированные механические свойства: а0,2=785-832 МПа, ств>853 МПа, 5>13%, \|/>40%>, КСи > 0,5 МДж/м2.

Выплавка, легирование, раскисление, микролегирование стали ванадием, ниобием, титаном и модифицирование лигатурой РЗМ типа ФС30РЗМ20 производится в соответствии с технологической инструкцией ПО «Невский завод» № 25210.00183 ОГМет. Сталь 12Х2ГМФБРЧА производят по ТУ НЗЛ 365-86 в электродуговых печах ДСП-12Н и ДСВ-40.

Начиная с 1988 года по настоящее время проведены 184 плавки в печи ДСП-12Н емкостью 15 т и в печи ДСВ-40 емкостью 40 т общим весом 1980 т. Плавки разлиты в кузнечные слитки массой 4,6; 5,7; 7,5 и 11 т. Из слитков откованы заготовки рабочих колес компрессорных машин (диски и покрывающие диски). После прохождения технологического цикла обработки и контроля качества рабочие колеса были установлены на компрессора К1500, К500, К345, К390, К890, К905 и К1700 на категории прочности КП-70, КП-75, КП-80.

С момента внедрения сталь подтвердила свои высокие эксплуатационные характеристики и в настоящее время является основным конструкционным материалом для ЦКМ, поставляемых в

1. Генерсон И.Г. Производство поковок турбинных и компрессорных дисков. - M.-JL: Машгиз, 1962, 280 с.

2. Саранцев К.Б., Кондратов В.Н., Иванов Н.М. Исследование ПО "Невский завод" в области турбокомпрессоростроения. // Энергомашиностроение, 1986, №1, с.42-44.

3. Генерсон И.Г., Либман П.М., Идрисов А.Х. Исследование и освоение производства заготовок рабочего колеса дымососа Д-27000 из высокопрочной свариваемой стали 14Х2ГМР. // Энергомашиностроение, 1978, №8, с.23-24.

4. Великанов Г.Ф., Раер Г.А., Саранцев К.Б., Сафонов A.A. Внедрение сварных колес для ЦКМ. // Энергомашиностроение, 1981, №6, с.24-28.

5. Ковалев А.Г., Веселова Н.М., Самойленко В.П. Исследование свойств материала для рабочего колеса дымососа производительностью 27000ом /ч. // Энергомашиностроение, 1981, №9, с.30-31.

6. Гольдштейн М.И., Грачев C.B., Векслер Ю.Г. Специальные стали. М.: Металлургия, 1985, 408 с.

7. Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. М.: Металлургия, 1982, 184 с.

8. Садовский В.Д. Структурная наследственность в стали. М.: Металлургия, 1973, 208 с.

9. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. М.: Наука, 1977, 238 с.lO.Schkleton D., Kelly P. Physical Properties martensite and bainite. Spec. Report, 92, Iron and Steell Inst. London, 1964, p. 126.

10. Гладштейн Л.И., Литвиненко Д.А. Высокопрочная строительная сталь. -M.: Металлургия, 1972, 239 с.

11. Большаков В.И. и др. Термическая обработка строительной стали повышенной прочности. М.: Металлургия, 1977, 200 с.

12. Блантер М.Е. Фазовые превращения при термической обработке стали. М.: Металлургиздат, 1962, 270 с.

13. Винокур Б.Б. Карбидные превращения в конструкционных сталях. // МиТОМ, 1985, №8, с.35-39.

14. Шнейдерман А.Ш. Об отпуске бейнитной структуры. // МиТОМ, 1978, №12, с.2-5.

15. Гольдштейн М.И., Литвинов B.C., Бронфин Б.М. Металлофизика высокопрочных сплавов. М.: Металлургия, 1986, 312 с.

16. Сверхмелкое зерно в металлах: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1973, 384с.

17. Бернштейн M.J1. Прочность стали. М.: Металлургия, 1974, 200 с.

18. Проблемы разработки конструкционных сплавов. / Сб. научных тр. Под ред. Джаффи Р.И., Вилкокса Б.А. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1980, 336 с.

19. Тылкин М.А., Большаков В.И., Одесский П.Д. Структура и свойства строительной стали. М.: Металлургия, 1983, 287 с.

20. Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперсионное упрочнение стали. М. : Металлургия, 1979, 208 с.

21. Матросов Ю.И. Комплексное микролегирование малоперлитных сталей, подвергаемых контролируемой прокатке. // МиТОМ, 1986, № 3, с.10-12.

22. Скок Ю.Я., Таранов Е.Д., Сафонов В.И, Гобеджишвили А.Е. и др. Повышение свойств высокопрочной стали комплексным микролегированием. //Бюллетень НТИ, 4M, 1988, № 14(1066), с.53-55.

23. Скок ЮЛ., Таранов Е.Д., Сафонов В.И и др. // Проблемы стального слитка. Сб. научных трудов. / АН УССР Ин-т проблем литья. Киев.: 1988, с.117.

24. Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. М.: Металлургия, 1982, 184 с.

25. J 26.Браун Н.П. / Малоуглеродистые комплекснолегированные стали./ Материалы научно-техн. симпозиума. Запорожье, 1987, с.63.

26. Gleiter Н., Sc. Met., 1977, VII, № 4, р.305.

27. Архаров В.И., Мархасин Е.С., Бродецкий И.Л. и др. Доклады АН СССР, серия «А», 1975, 9, с.842.

28. Винокур Б.Б. Фазовый состав и свойства конструкционных сталей при комплексном легировании. Автореферат докторской диссертации. Донецк, 1976.

29. Скок Ю.Н. Влияние редкоземельных металлов на структуру и механические свойства конструкционной стали. Автореферат кандидатской диссертации. Киев, 1968.

30. Винокур Б.Б., Браун М.П., Пимошенко Б.Л. // сб. Металлофизика, вып.59, Киев.: Наукова думка, 1975, с.48.

31. Gölich Н.-К., Sten G. // Arch. Eisenhüttenw., 1959, 12, s.737.

32. Гаев И.С. Металлографический атлас. М.: Металлургия, 1941, 268 с.

33. Голиков И.Н., Гольдштейн И.И., Мурзин И.И. Ванадий в стали. М.: Металлургия, 1968, 291 с.35.1rvin K.J. // J. Iron and Steel Inst., 1962, v.200, № 10, p.820.36.1rvin K.J., Pickering F.B. // J. Iron and Steel Inst., 1963, v.200, № 7, p.570.

34. Erasmus L.A. // J. Iron and Steel Inst., 1964, v.202, № 2, p. 128.

35. Komctok Дж. Ф. Титан в чугуне и стали. М.: Металлургиздат, 1956, 355с.

36. Гольдштейн Я.Е. Микролегирование стали и чугуна. М.: Машгиз, 1959, 199 с.

37. Пятакова JI.JL, Можаров И.В., Сироткина М.А., Дюжева Т.А. // МиТОМ, 1971, №2, с.62.

38. Меськин B.C. Основы легирования стали. М.: Металлургиздат, 1964, 684 с.

39. Коган Л.И., Энтин Р.И. // Проблемы металловедения и физики металлов. Сб. трудов, М.: Металлургиздат, 1955, № 4, с.251.

40. Гутерман С.Г., Гольдштейн М.И. // ФММ, 1964, т. 17, вып.2, с.306.

41. Коган Л.И., Энтин Р.И. // ДАН СССР, 1954, т.6, № 4, с.693.

42. Гудремон Э. Специальные стали. М.: Металлургия, 1966, т.2, с.833.

43. Браун М.П. Микролегирование стали. Киев.: Наукова думка, 1982, 302с.49.3икеев Б.Н. Современные конструкционные стали для машиностроения.1. МиТОМ, 1972, №4, с.5.

44. Афтандилянц Е.Г. Влияние азота и ванадия на свойства теплоустойчивой стали типа 30ХЛ. // МиТОМ, 1985, № 11, с.44.

45. Сойси Ц. И др. Влияние микролегирования на качество и характеристики хромо-молибденовой стали. Тэцуто хаганэ, 1982, т.68, № 5, с.462.

46. Блюм Э.Э. и др. // Проблемы ванадия в черной металлургии. Труды института УралНИИ 4M. М.: Металлургия, 1966, 205 с.

47. Блюм Э.Э. и др. // ФММ, 1966, т.21, вып.З, с.474.

48. Щиголев В.В., Ершов Т.С., Сотник A.A., Акулов В.В. Влияние комплексного микролегирования титаном и бором на структуру и свойства стали 14Г2. //МиТОМ, 1988, №9, с.23-26.

49. Гольдштейн М.И. Карбонитридное упрочнение низколегированных сталей. // МиТОМ, 1979, № 7, с.2-5.

50. Robert R., Irving K.J. // Iron Age, 1983, v.226, № 5, p.44.

51. Лобода A.C., Дуб B.C., Якубов Ш.А., Лопатин П.Н. // Лит. Производство, 1985, №2, с. 10-12.

52. Дуб B.C., Лобода A.C. и др. // Энергомашиностроение, 1986, №3, с.25-27.

53. Утевский Л.М., Гликван Е.Э., Карк Г.С. Обратимая отпускная хрупкость сталей и сплавов железа. М.: Металлургия, 1987, 222 с.

54. Аксельрод А.Е., Житова Л.П., Князева В.Р., Сарак В.И. Влияние неметаллических включений на характер разрушения стали 20ГФЛ. // МиТОМ, 1985, №9, с.27-30.

55. Приданцев М.В., Эстулин Г.В. // МиТОМ, 1959, с.68 (приложение к журналу «Сталь»).

56. Белкин М.Я., Шашко А.Я., Белкин В.М. Влияние микродобавок азота и бора га структуру и свойства валковой стали 9Х. // МиТОМ, 1983, №9, с.32-34.

57. Фетисова М.М., Падерна В.Н., Кузин O.A., Смирнов В.П. Влияние микродобавок на перераспределение легирующих элементов в конструкционной стали при развитии обратимой отпускной хрупкости. // МиТОМ, 1983, №3, с.23-25.

58. Приданцев М.В. Влияние примесей и редкоземельных элементов на свойства сплавов. М.: Металлургиздат, 1962, 208 с.

59. Post С.В., Schoffstall D.G., Beaver И.О. J.Metals, 1951, v.3, №11, p.973.

60. Аксельрод А.Е., Житова Л.П., Попов В.В. и др. Влияние модифицирование на неметаллические включения и свойства сталей 20ГФЛ и 08ГФЛ. // Лит. Производство, 1983, №3, с. 10-11.

61. Аксельрод А.Е., Попов В.В. Влияние обработки редко- и щелочноземельными металлами на неметаллические включения, дендритную структуру и характер разрушения литых низкоуглеродистых сталей. // Изв. ВУЗов, 4M, 1986, №12, с.59-64.

62. Аксельрод А.Е., Попов В.В., Филиппенков А.Ф. Влияние добавок щелочноземельных и редкоземельных металлов на состав сульфидных включений и свойства литейной стали. // МиТОМ, 1988, №12, с.47-49.

63. Евсеев П.П., Жиркин Ю.Н. Влияние модифицирование РЗМ на свойства стали 18ХН2МФЛ для шарошек буровых долот. // МиТОМ, 1985, №9, с.30-32.

64. Кишкин С.Т., Бокштейн С.З. // МиТОМ, 1986, № 3, с. 10.

65. Гудцов Н.Т., Трубецкая Р.И., Бернштейн M.JI. Микролегирование стали и чугуна. М.: Машгиз, 1959, 199 с.

66. Приданцев М.В. и др. Конструкционные стали: справочник. М.: Металлургия, 1980, 288 с.

67. Выплавка стали в электродуговых печах. Технологическая инструкция ОГМет 25210.00183 ПО "Невский завод". Л.: 1983, 174 с.

68. Уманский Я.С. и др. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. М.: Металлургия, 1982, 632 с.

69. Эндрюс К., Дайсон Д., Киоун С. Электронограммы и их интерпретация. М.: Мир, 1971,256 с.

70. Вайнштейн Б.К. Структурная электронография. М.: изд. АН, 1956, 314с.

71. Завьялов A.C., Сандомирский М.М. Машиностроительные стали с редкоземельными присадками. Л.: Машиностроение, 1969, 128 с.

72. Гуляев Б.Б. Синтез сплавов. М.: Металлургия, 1984, 160 с.

73. Великанов Г.Ф., Гобеджишвили А.Е. и др., а.с. на сталь № 1359330, Б.И., 1987, №46, с.107.

74. Скок Ю.Я., Таранов Е.Д., Гобеджишвили А.Е и др. а.с. на сталь № 1456482 , Б.И., 1989, №5, с.90.

75. Скок Ю.Я., Таранов Е.Д., Козлова З.Л., Сафонов В.Н., Гобеджишвили А.Е. Микролегирование высокопрочной свариваемой стали. // Материалы X НТК по проблемам стального слитка, Жданов, 1987 , с.37-38.

76. Франтов И.И., Столяров В.И., Астафьев A.C., Никитин В.Н., Ратгон М.Г. Свариваемость и технологические особенности низколегированной стали с пределом прочности 80 кгс/мм2. // Сварочное производство, 1975, № 6, с.25-27.

77. Лошкарев В.Е., Немзер Г.Г. Исследование интенсивных режимов закалки изделий сложной формы. // Промышленная техника, 1982, т.4, № 5, с.73-80.

78. Лошкарев В.Е., Немзер Г.Г. и др. Интенсификация охлаждения крупных турбинных дисков при закалке. // Энергомашиностроение, 1983, № 11, с. 19-20.

79. Немчинский А.Л. Тепловые расчеты термической обработки. Л.: Судпрогиз, 1953, 104 с.

80. Thelning К.-Е. ССТ diagrams with natural cooling. Scandinavian Journal of Metallurgy, 1978, v.7, № 6, p.252.

81. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования эксперимента. М.: Машиностроение. София: Техника, 1980, 304 с.

82. Кассандрова О.Н., Лебедев A.B., Обработка результатов наблюдений. М.: Наука, 1970, 104 с.

83. Ростокер В., Дворак Б. Микроскопический метод в металлургии. М.: Металлургия, 1967, 226 с.

84. Sims С.Е., Brigg C.W. // J.Metals, 1959, v.l 1, No. 12, p.815.

85. Скок Ю.Я., Таранов Е.Д., Козлова 3.JL, Гобеджишвили А.Е., Ковалев А.Г. Влияние комплексного микролегирования на структуру и свойства литой высокопрочной стали. // МиТОМ, 1989, №2, с.23-25.

86. Скок Ю.Д., Гобеджишвили А.Е., Таранов Е.Д., Ковалев А.Г., Козлова 3.J1. Повышение свойств и качества стали методом микролегирования./ Сб. научных трудов АН УССР. Ин-т проблем литья. Киев, 1990, с.92-102.

87. Мельникова И.С., Манилова Е.П., Гобеджишвили А.Е., Бречко A.A. Исследование тонкой структуры модернизированной стали 14Х2ГМР. // Материалы семинара по оптимизации структуры и свойств сталей и сплавов. Ленинград, 1987, с. 19-21.