Электрошлаковая выплавка (ЭШВ) фасонных заготовок в настоящее время применяется в различных отраслях машиностроения. Она представляет собой электрошлаковый переплав расходуемого электрода в кристаллизатор, приближающийся по форме к конечной детали. В энергетическом машиностроении ЭШВ применяется уже несколько лет. Однако работа велась в направлении внедрения заготовок ЭШВ арматуры из стали 08Х18Н10Т и стали 20 взамен кованых и литых заготовок, применявшихся ранее [2]. В настоящее время внедряются в производство заготовки ЭШВ корпусных деталей паровых турбин из стали 15Х1М1ФШ вместо кованых и литых заготовок.
Ряд корпусных деталей паровых турбин изготовляется из поковок, так как качество литья не удовлетворяет возросшим требованиям к материалу деталей паровых турбин.
При изготовлении из поковок корпусных деталей сложной конфигурации теряется в стружку большое количество металла. Применение ЭШВ существенно сокращает эти потери. Например, для изготовления коробки стопорного клапана массой 3 т для турбины К-800 и К-1200 используется поковка массой 13,5 т, масса же заготовки ЭШВ для этой детали 5 т.
Однако в литературе имеется мало сведений о влиянии ЭШВ на свойства жаропрочной стали перлитного класса. В настоящее время проводится комплексное исследование влияния ЭШВ на химический состав, структуру, кратковременные и длительные свойства, а также ползучесть стали 15Х1М1Ф, которая уже более двадцати лет применяется в энергомашиностроении, достаточно хорошо изучена и в литом, и в деформированном состояниях.
В статье приводятся результаты исследования металла пяти ^промышленных заготовок ЭШВ (рис. 1).
Масса и химический состав металла исследованных заготовок представлены в табл. 1.
Металл заготовок а, б, в имеет пониженное содержание углерода, что связано с низким его содержанием в расходуемом электроде (прокате). Низкое содержание кремния в заготовках а, в объясняется окислением кремния в процессе плавки в связи с недостаточным раскислением. Содержание остальных элементов находится в пределах технических условий и достаточно равномерно по высоте заготовок.
Серные отпечатки по Бауману с вертикальных темплетов заготовок показывают равномерное распределение серы по всему объему заготовок. Макроструктура заготовок в исходном состоянии весьма плотная, без нарушений сплошности металла.
Механические свойства металла заготовок были исследованы после термообработки, состоящей из гомогенизации при 1293... 1323К, нормализации при 1273... 1303К и отпуска при 993... 1023К.
Металл крышки испытывался при 293К а металл фланца крышки (см. рис. 1, в) при 293, 813, 838, 903 К. Результаты испытаний приведены в табл. 2 и на рис. 2.
Ударная вязкость КСV металла заготовок ЭШВ при 293 К для крышки составляет 1362... 1822 кДж/ма, для фланца крышки — 1685...2136 кДж/м2, что значительно превышает требования ТУ. Несмотря на пониженное содержание углерода в металле исследованных заготовок ЭШВ, его кратковременные прочностные свойства превышают средний уровень технических требований к материалу турбинных и арматурных корпусных отливок тепловык электростанций [3]. При температурах 813, 838 и 903 К предел текучести металла фланца остается на уровне технических требований, предъявляемых к металлу заготовок ЭШВ при комнатной температуре. Пластичность металла при этом находится на высоком уровне.
Необходимо отметить достаточную равномерность кратковременных механических свойств по объему исследованных заготовок. Поскольку направление вырезки образцов было произвольным, можно утверждать, что свойства металла заготовок обладают высокой изотропностью.
Испытанию на длительную прочность подвергался металл задвижки и крышки (см. рис. 1, а) при температуре 838 К. На рис. 3 в системе координат 1§а—1б0к результаты испытания металла задвижки и крышки из стали 15Х1М1ФШ при температуре 838 К сопоставлены с длительной прочностью металла промышленных отливок из стали 15Х1М1ФЛ при той же температуре. На рисунке нанесены генеральная средняя линия 1 и линия 95 %-ноЙ вероятности неразрушения 2, рассчитанные для стали 15Х1М1ФЛ иа базе большого числа испытаний металла отливок различных плавок. Как видно из рисунка, точки , соответствующие времени до разрушения образцов из стали 15Х1М1ФШ, находятся несколько выше (при больших напряжениях) или соответствуют генеральной средней линии стали 15Х1М1-ФЛ.
' Длительная пластичность металла задвижки и крышки из стали 15Х1М1ФШ имеет высокие значения. Например, для образца из металла задвижки, разрушившегося при температуре 838 К и напряжении 140 МПа через 6696 ч, вк= 14 %, г|)к=38,5 %. Пластичность образца металла крышки, разрушившегося при температуре 813 К и напряжении 140 МПа через 7423 ч составила к=10 %, 1|)к=21,5 %.
Исследование микроструктуры металла образцов до и после испытания на длительную прочность показало, что в процессе длительной выдержки при 813 и 838 К под напряжением имеется незначительное выделение мелкодисперсных карбидов по границам и в теле зерна.
В настоящее время продолжается комплексное исследование влияния ЭШВ на свойства стали 15Х1М1Ф. Исследования проводятся на металле штатных турбинных заготовок ЭШВ марочного химического состава после заводской термообработки, с оценкой однородности структуры и свойств по сечению заготовок.
1. Метод ЭШВ позволяет получить качественные заготовки деталей паровых турбин из стали 15Х1М1ФШ, по конфигурации и массе подобные исследованным заготовкам. Заготовки имеют однородный химический состав, плотную бездефектную макроструктуру.
2. Исследование микроструктуры и кратковременных свойств металла заготовок ЭШВ из стали 15Х1М1ФШ показало, что термическая обработка по режиму, рекомендованному для отливок, обеспечила достаточную однородность структуры и высокий уровень свойств металла. Уровень ударной вязкости металла существенно выше требований технических условий.
3. Уровень длительной прочности металла исследованных заготовок ЭШВ соответствует среднему уровню длительной прочности, определенному для литой стали 15Х1М1ФЛ при температуре 838 К, т. е. около 100 МПа за 10*4.
