литье легированной стали

Когда говорят про литье легированной стали, многие сразу думают о марках — 20ХМЛ, 35ХГСЛ, 30ХН3МФЛ. Но это лишь начало. Главное — как эта сталь поведет себя в форме, как пойдет усадка, где встанут горячие трещины. Часто заказчики требуют свойства ?как в ГОСТе?, не учитывая, что реальная отливка для, скажем, корпуса паровой турбины — это не образец для испытаний, а сложная объемная деталь с разной толщиной стенок. Вот тут и начинается настоящая работа.

От чертежа до жидкого металла: где кроются подводные камни

Возьмем, к примеру, производство компонентов для энергетики. На сайте компании ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование (https://www.chinaturbine.ru) указано, что они занимаются проектированием и производством паровых турбин. Так вот, литье для таких целей — это не просто отлить болванку. Это значит, что технолог уже на этапе проработки чертежа должен видеть литейную технологичность. Где поставить прибыль? Какой литниковой системой пользоваться? Для легированных сталей, особенно с хромом, молибденом, никелем, это критично — они склонны к образованию напряжений.

Однажды столкнулся с заказом на крышку цилиндра средней мощности. Материал — 25Л (углеродистая, но пример показательный). Конструкторы сделали красивую ребристую конструкцию для жесткости. А в литейном цехе увидели, что эти ребра создадут непрогаливаемые тепловые узлы. Пришлось договариваться, вносить изменения в модель — делать плавные переходы, добавлять технологические выступы под последующую механическую обработку. С литьем легированной стали таких нюансов еще больше, потому что сама по себе жидкотекучесть у многих легированных марок хуже, усадка может быть нелинейной.

И здесь важно сотрудничество. Когда предприятие, как ООО Сычуань Чуанли, является интегрированным и охватывает проектирование, производство и ремонт, это огромный плюс. Потому что литейщики могут получить обратную связь от ремонтников: ?вот здесь, на эксплуатации, постоянно появляются сетки трещин?. Значит, нужно менять либо конструкцию узла, либо саму технологию литья легированной стали для этой детали — возможно, менять температуру заливки или модифицировать состав для повышения ударной вязкости в конкретной зоне.

Песок, форма, стержни: основа основ

Качество поверхности отливки из легированной стали на 70% определяется качеством оснастки. Можно иметь идеальный химический состав, но если стержень из дешевой песчано-смоляной смеси даст газовую пористость или обвал, деталь пойдет в брак. Для ответственных отливок, тех же направляющих аппаратов или корпусов клапанов, мы давно перешли на холодно-твердеющие смеси (ХТС). Да, дороже. Но стабильность геометрии и чистота поверхности того стоят.

Особенно критично для деталей парового тракта, где шероховатость влияет на гидравлические потери. На том же chinaturbine.ru в сфере деятельности указан капитальный ремонт. Так вот, при ремонте часто видишь усталостные повреждения, начинающиеся с мелких литейных раковин на внутренних поверхностях. Поэтому наш внутренний стандарт — контроль не только УЗК готовой отливки, но и проверка плотности стержней перед сборкой формы. Кажется мелочью, но именно такие мелочи отличают надежную деталь от проблемной.

Еще один момент — окраска стержней и форм. Для углеродистых сталей часто обходятся без нее. Но для литья легированной стали, особенно высоколегированной с хромом, облицовочная краска — обязательна. Она не только улучшает чистоту поверхности, но и предотвращает пригар, который потом с трудом удаляется и может маскировать дефект. Пробовали экономить — получили брак по пригару на партии ответственных крышек. Переделка обошлась дороже всей экономии на краске за год.

Плавка и модифицирование: не доверяй только сертификату

Сырье — это святое. Но даже с идеальным ломом и ферросплавами результат может плавать. Потому что важна не только конечная химия, но и история плавки. Например, для стали 20ХМЛ (для деталей, работающих при температурах до 500°C) критично содержание алюминия. Его избыток ведет к образованию грубых неметаллических включений, которые становятся очагами разрушения при циклических нагрузках в турбине.

Поэтому мы давно внедрили практику предварительного рафинирования расплава в печи-ковше. Не на каждой плавке, конечно, а для самых ответственных позиций. Это удорожает процесс, но когда речь идет о поставках компонентов для мировых электростанций, как заявлено в деятельности ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование, надежность — это репутация. После рафинирования и доводки состава идет модифицирование — чаще всего силикокальцием или алюминиевыми сплавами для измельчения зерна. Здесь главное — не передозировать и точно выдержать время между модифицированием и заливкой.

Температура заливки — отдельная тема. Для толстостенных отливок ее стараются занизить, чтобы получить более мелкое зерно и меньше ликвации. Но слишком низкая температура ухудшает жидкотекучесть, металл не успевает заполнить тонкие сечения. Приходится искать баланс. Эмпирически для наших условий по 35ХГСЛ оптимальной оказалась температура на 20-30°C выше температуры ликвидуса, рассчитанной по химическому составу конкретной плавки. Но это наш опыт, на другом оборудовании цифры могут быть иными.

Термообработка: где проявляются все скрытые дефекты

Отливка отлита, остыла в форме, отгружена. Но это полуфабрикат. Его свойства раскрываются после термообработки. И вот здесь часто вылезают все огрехи предыдущих этапов. Нормализация с высоким отпуском — стандартный цикл для многих легированных конструкционных сталей. Но если в отливке есть скрытые напряжения или микропоры, при нагреве под закалку или нормализацию может пойти рост трещины.

Помню случай с крупногабаритным корпусом из стали 30ХН3МФЛ. Отливка прошла контроль, УЗК дефектов не показал. А при нагреве под нормализацию (до 850°C) раздался характерный щелчок — пошла трещина. Вскрыли — внутри, в зоне теплового узла, обнаружили рыхлоту, которая не была обнаружена прибором из-за сложной геометрии. После этого ужесточили контроль для подобных зон, внедрили выборочный рентген-контроль для первой отливки из новой оснастки.

Термообработка — это тоже поле для поиска. Иногда стандартный режим не дает нужного сочетания прочности и пластичности для конкретной конфигурации детали. Приходится экспериментировать со скоростью охлаждения при нормализации или температурой отпуска. Важно вести подробный журнал: номер плавки, параметры термообработки, результаты механических испытаний из прилагаемых образцов-свидетелей. Эта статистика потом бесценна для оптимизации.

Контроль и обратная связь: замыкание цикла

Механические испытания, УЗК, магнитопорошковый контроль — это обязательная программа. Но самый ценный контроль — это эксплуатация. Когда компания, как упомянутая ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование, занимается не только производством, но и капитальным ремонтом и обслуживанием, она получает уникальную информацию. Как ведет себя отливка через 10, 20, 30 тысяч часов работы? Где появляются усталостные трещины? Меняется ли структура металла в зоне максимальных температур?

Эта информация должна напрямую поступать в технологическую службу литейного цеха. Это позволяет корректировать и технологию литья легированной стали, и конструкцию детали. Может оказаться, что для повышения ресурса нужно не увеличивать толщину стенки (что ведет к утяжелению и риску ликвации), а изменить конфигурацию ребер или скруглений, чтобы снизить локальные напряжения. Или применить другую марку стали, более стойкую к конкретному виду разрушения.

В итоге, литье легированной стали — это не цепочка, а цикл. Начинается с технического задания и чертежа, проходит через моделирование (хотя мы чаще все еще по старинке, на опыте), изготовление оснастки, плавку, заливку, термообработку, контроль. И замыкается на эксплуатации и ремонте. Пропустишь или формализуешь любой этап — получишь проблему, которая может всплыть через годы. Поэтому в этой работе так важны детали, сомнения, постоянный анализ и недоверие к кажущейся простоте. Каждая удачная отливка — это не только правильная марка стали, но и десятки принятых и проверенных практикой решений по ходу процесса.