ЗАКЛЮЧЕНИЕ № 9211016-2015

о возможности применения кольцевых литых заготовок из углеродистых и легированных сталей, изготовляемых методом центробежного электрошлакового литья (ЦЭШЛ) по ТУ 1025501380266-002-27.52-2014 для штуцерных и аппаратных фланцев взамен поковок и сортового проката (фрагмент)


<>


3. Объект заключения

 

Экспертизе подвергнута техническая документация на кольцевые заготовки, получаемые методом центробежного электрошлакового литья (ЦЭШЛ), изготовляемые в ООО «ЗКЗ», предназначенные для изготовления штуцерных и аппаратных фланцев.

По ТУ 1025501380266-002-27.52-2014 [1] кольцевые заготовки, получаемые методом ЦЭШЛ, изготавливают из углеродистых и легированных марок стали. Протоколы химического анализа образцов, металлографических исследований, результатов механических испытаний заготовок рассмотрены на представителей – заготовки, изготовленные методом ЦЭШЛ:

  • из углеродистых марок стали – 20;
  • из низколегированных марок стали – 09Г2С;
  • из коррозионностойких марок стали – 12Х18Н10Т.

Применение стали указанных марок в виде поковок и сортового проката определено ГОСТ Р 52630-2012 [2].

 <>


5. Анализ документации


5.1. Предприятие ООО «Завод кольцевых заготовок» организовано в 2002 году.

Основные виды деятельности:

  • производство отливок методом центробежного электрошлакового литья из углеродистых, легированных и высоколегированных сталей;
  • изготовление деталей запорной, запорно-регулирующей арматуры из литых заготовок;
  • производство включает в себя полный производственный цикл от заготовки до готового изделия: получение литой заготовки, термическая обработка, механическая обработка, контроль качества на соответствие требованиям нормативно-технической документации (НТД) на всех стадиях производственного процесса.

Литейный участок ООО «Завод кольцевых заготовок» оборудован установкой электрошлакового переплава «ПЛАВКА-1М-300», укомплектованной центробежной машиной вертикального типа для получения симметричных отливок.

Принципиальна схема устройства установки, показана на рисунке 1.

Установка состоит из: колонны 1, с перемещающейся по ней кареткой 2, на которой крепится электрододержатель 3; каретка перемещается с помощью электрической, червячной, самотормозящей редукторной группы 4; рядом с колонной установлен кантователь 5, в цапфах которого крепится тигель 6; поддон тигля и электрододержатель колонны с помощью водоохлаждаемого кабеля соединены источником питания 7 – трансформатор ОЭСК-240/40; 8 – центробежная машина МПО В-300.

Принцип действия Установки заключается в том, что в футерованном тигле установленном на кантователь, при прохождении электрического тока в слое высокотемпературного химически высокоактивного шлака расплавляется стальной электрод, закреплённый в электрододержателе. Накопленный жидкий металл затем заливается вместе со шлаком во вращающуюся форму, установленную на МПО В-300 или в металлический кокиль, либо в форму, где после остывания формируется требуемая отливка.

Преимущества отливок, полученных методом ЦЭШЛ:

1) Изотропность механических свойств по сечениям отливок в сравнении с коваными заготовками. Изотропность механических свойств характерное свойство литых заготовок, получаемых всеми способами литья.

2) Устранение внутренних дефектов отливок усадочного характера (усадочных раковин, рыхлот) вследствие:

  • кристаллизации отливки в литейной форме под постоянным действием центробежных сил;
  • направленной кристаллизации отливки под действием центробежной силы от стенок литейной формы к свободной поверхности (внутреннему отверстию) отливки, покрытой слоем шлака, имеющего температуру на 200...400°С большую, чем расплав.

3) Пониженный уровень загрязненности металла неметаллическими включениями вследствие:

  • проведения электрошлаковой плавки под слоем шлака, исключающего контакт расплавленного металла с кислородом атмосферы, и рафинирования (очисткой) капель расплава при прохождении через слой шлака;
  • первоначального слива расплавленного шлака в литейную форму и дополнительным рафинированием расплава после поступления его в литейную форму и оттеснением шлака, с прохождением его через расплав, во внутреннюю полость (отверстие) отливки за счет центробежных сил.

4) Вследствие активной десульфурации расплава при электрошлаковой плавке содержание серы в металле исчисляется тысячными долями процента (менее 0,01%).

5) Механические свойства отливок ЦЭШЛ не уступают кованым заготовкам, а по отдельным показателям и превышают, вследствие применения:

  • центробежного литья, механические свойства которого превосходят механические свойства традиционных способов литья и близки к механическим свойствам кованых заготовок из-за устранения внутренних дефектов усадочного характера;
  • электрошлаковой плавки, обеспечивающей низкий уровень включений по границам зерен и повышающей уровень механических свойств.

Специалисты ОАО «НИИхиммаш» ранее проводили работы по исследованию отливок из коррозионностойких сталей, полученных методом ЦЭШЛ, которые были изготовлены на оборудовании ИЭС им. Патона.

Проведенные исследования структуры и свойств металла указанных опытных отливок ЦЭШЛ показали положительные результаты. В отличие от поковок литые заготовки, полученные методом ЦЭШЛ, практически имеют одинаковые свойства при испытании образцов, вырезанных в различных направлениях и сечениях заготовки. Литые заготовки, полученные ЦЭШЛ, значительно превосходили по качеству отливки из металла открытой выплавки. Литой металл, полученный ЦЭШЛ, отличается от металла, полученного открытой выплавкой, мелкозернистой структурой, большей химической однородностью, отсутствием инородных включений, воздушных пузырей, пор, раковин, трещин, низким содержанием примесей серы и фосфора, равномерной плотностью металла по всему объему, изотропностью физико-механических свойств. Высокая чистота и плотная структура металла ЦЭШЛ обуславливает его высокую пластичность. Механические свойства металла опытных заготовок, полученных методом ЦЭШЛ, соответствовали механическим свойствам листового проката и поковок и находились на уровне, превосходящем значение механических свойств отливок открытой выплавки.

Получение литых заготовок способом ЦЭШЛ существенно снижает металлоемкость изделия, коэффициент использования металла при этом составляет 0,7-0,8. Припуск под механическую обработку по наружной поверхности составляет 2-3 мм, по высоте до 3 мм, по внутреннему диаметру 6-12 мм, так как в результате воздействия центробежных сил, наружная поверхность отливки принимает форму, близкую к геометрии готового изделия.


5.2. Согласно рассматриваемым ТУ 1025501380266-002-27.52-2014 [1] кольцевые заготовки, получаемые методом ЦЭШЛ, изготавливают из стали марок: 20, 20КА, 20ЮЧ, 09Г2С, 16ГС, 20К, 12ХМ, 10Г2, 15ХМ, 12Х1МФ, 15Х5М, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т.

Анализ рассмотренных протоколов испытаний на представителей ряда марок стали:

  • углеродистых марок стали – 20;
  • низколегированных марок стали – 09Г2С;
  • коррозионностойких марок стали – 12Х18Н10Т,

показал, что:

  • химический состав (таблица 1) металла отливок ЦЭШЛ соответствует: стали марки 20 – ГОСТ 1050 [3]; 09Г2С – ГОСТ 19281 [4]; 12Х18Н10Т – ГОСТ 5632 [5], что отвечает требованиям ТУ 1025501380266-002-27.52-2014 [1] на отливки и ГОСТ Р 52630-2012 [2];
  • механические свойства (таблица 2) отливок ЦЭШЛ в термообработанном состоянии из стали марок 20, 09Г2С, 12Х18Н10Т соответствуют требованиям ТУ 1025501380266-002-27.52-2014 [1] и механическим свойствам сортового проката (ГОСТ 1050 [3], ГОСТ 5949 [6], ГОСТ 19281 [4]) и поковок (ГОСТ 8479 [7], ГОСТ 25054 [8]), что отвечает требованиям ГОСТ Р 52630-2012 [2];
  • ударная вязкость KCU (таблица 3) заготовок из стали марок 20 и 09Г2С соответствует ТУ 1025501380266-002-27.52-2014 [1] и её значения находятся на достаточно высоком уровне, что отвечает требованиям таблицы 14 ГОСТ Р 52630-2012 [2] и таблицы 16 ПБ 03-584-03 [9] (KCU ≥ 5,0 кгс·м/см2 при температуре плюс 20°С); 
  • в макроструктуре (таблица 4) металла заготовок из стали марок 20, 09Г2С, 12Х18Н10Т центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат, общая пятнистая ликвация, краевая пятнистая ликвация, подусадочная ликвация не превышает 1 балла по ГОСТ 10243 [10], недопустимых дефектов в макроструктуре не обнаружено;
  • микроструктура (таблица 4) металла заготовок: феррито-перлитная, величина зерна по ГОСТ 5639 [11] в образцах из стали марки 20 – 6-7 баллов, а из стали марки 09Г2С – 7-8 баллов. Загрязненность неметаллическими включениями не превышает 2 баллов по ГОСТ 1778 [12];


Таблица 1 – Химический состав металла отливок, полученных ЦЭШЛ, по протоколам химического анализа и стандартам.

 

Марка стали

Название документа

Массовая доля химических элементов, %

C

Mn

Si

Cr

Ni

Cu

P

S

Ti

20

протокол №АСА-03.15.7

0,23±0,024

0,63±0,04

0,40±0,03

0,14±0,016

0,18±0,016

0,19±0,02

0,012±0,003

0,006±0,002

-

ГОСТ 1050

0,17-0,24

0,35-0,65

0,17-0,37

≤ 0,25

≤ 0,30

≤ 0,30

≤ 0,035

≤ 0,040

-

09Г2С

протокол №АСА-02.15.7

0,13±0,016

1,62±0,08

0,82±0,06

0,088±0,08

0,089±0,012

0,18±0,02

0,032±0,006

0,012±0,003

-

ГОСТ 19281

≤ 0,12

1,30-1,70

0,50-0,80

≤ 0,30

≤ 0,30

≤ 0,30

≤ 0,035

≤ 0,040

≤ 0,03

12Х18Н10Т

протокол №АСА-04.15.7

0,088±0,012

1,57±0,08

0,75±0,06

18,3±0,4

10,0±0,16

0,25±0,03

0,031±0,006

0,0039±0,002

0,65

ГОСТ 5632

≤ 0,12

≤ 2,0

≤ 0,80

17,0-19,0

9,0-11,0

≤ 0,30

≤ 0,035

≤ 0,020

5·С-0,8

 

Таблица 2 – Механические свойства отливок, полученных ЦЭШЛ, по протоколам испытаний и поковок и сортового проката по стандартам.

 

Марка стали

Стандарт, вид поставки

Протокол

Механические свойства

Временное сопротивление разрыву, Rm, кгс/мм2

Предел текучести,

Rp0,2, кгс/мм2

Относительное удлинение, δ5, %

Относительное сужение, ψ, %

20

-

№ П-2-15

51,0

38,3

35,3

50,3

ГОСТ 8479 (поковки, КП 215)

-

не менее 44,0

не менее 22,0

не менее 24,0

не менее 53,0

ГОСТ 1050 (сортовая сталь)

-

не менее 42,0

не менее 25,0

не менее 25,0

не менее 55,0

09Г2С

-

№ П-1-15

54,0

40,5

33,2

66,2

ГОСТ 8479 (поковки, КП 245)

-

не менее 48,0

не менее 25,0

не менее 22,0

не менее 48,0

ГОСТ 19281 (сортовая сталь)

-

не менее 44,0

не менее 27,0

не менее 21,0

-

12Х18Н10Т

-

№ П-3-15

54,1

40,6

50,0

56,5

ГОСТ 25054 (поковки)

-

не менее 52,0

не менее 20,0

не менее 38,0

не менее 52,0

ГОСТ 5949 (сортовая сталь)

-

не менее 52,0

не менее 20,0

не менее 40,0

не менее 55,0

 

Таблица 3 – Ударная вязкость отливок, полученных ЦЭШЛ, по протоколам испытаний и поковок и сортового проката по стандартам.

 

Марка стали

Стандарт, вид поставки

Протокол

Ударная вязкость KCU при температуре плюс 20°С, кгс·м/см2

20

-

№ П-2-15

16,5

 

ГОСТ 8479 (поковки, КП 215)

-

не менее 5,5

 

ГОСТ 1050 (сортовая сталь)

-

-

 

09Г2С

-

№ П-1-15

21,7

 

ГОСТ 8479 (поковки, КП 245)

-

не менее 5,0

 

ГОСТ 19281 (сортовая сталь)

-

не менее 3,0

 

12Х18Н10Т

-

№ П-3-15

14,2

 

ГОСТ 25054 (поковки)

-

-

 

ГОСТ 5949 (сортовая сталь)

-

-

 

  

Таблица 4 – Результаты металлографических исследований отливок, полученных ЦЭШЛ, по протоколам испытаний

 

Номер протокола

Марка

Микроструктура

Макроструктура

Неметаллические включения по ГОСТ 1778,

в баллах

Балл зерна по ГОСТ 5639

Центральная пористость

Точечная неоднородность

Ликвационный квадрат

Общая пятнистая ликвация

Краевая пятнистая ликвация

Подусадочная ликвация

в баллах по ГОСТ 10243

№ М-02.15.7

20

2

6-7

1

1

1

1

1

1

№ М-01.15.7

09Г2С

2

7-8

1

1

1

1

1

1

№ М-03.15.7

12Х18Н10Т

2

9-10

1

1

1

1

1

1

 

  • аустенитная, величина зерна по ГОСТ 5639 [11] в образце из стали марки 12Х18Н10Т – 9-10 баллов. Загрязненность неметаллическими включениями не превышает 2 баллов по ГОСТ 1778 [12].
  • испытания на стойкость к межкристаллитной коррозии (МКК) образцов из кольцевой заготовки из стали марки 12Х18Н10Т проводились по методу АМУ ГОСТ 6032 [13], по окончанию испытаний для обнаружения МКК образцы изгибали на угол 90°±5°, радиус оправки – две толщины образца = 12 мм (ГОСТ 14019 [14]). Образцы после испытания на изгиб просматривали при увеличении 8×, трещины на изогнутых образцах отсутствовали, что свидетельствует о стойкости стали к МКК, что отвечает требованиям ГОСТ Р 52630-2012 [2];
  • кольцевые заготовки из стали марок 20, 09Г2С, 12Х18Н10Т, полученные методом ЦЭШЛ, подвергались контролю на сплошность металла методом ультразвуковой дефектоскопии, дефектов не обнаружено.

Таким образом кольцевые заготовки по ТУ 1025501380266-002-27.52-2014 [1] полученные методом центробежного электрошлакового литья (ЦЭШЛ) из углеродистых (типа 20), низколегированных (типа 09Г2С) и коррозионностойких (типа 12Х18Н10Т) марок стали по химическому составу, механическим свойствам, стойкости к МКК, по макро- и микроструктуре удовлетворяют требованиям, предъявляемым к конструкционным материалам по ГОСТ Р 52630-2012 [2], и могут быть применены взамен поковок и сортового проката из стали марок, указанных в п. 5.2 данного заключения, для изготовления штуцерных и аппаратных фланцев на те же параметры, регламентированные ГОСТ Р 52630-2012 [2] для поковок и сортового проката.

 

6. Выводы

На основании вышеизложенного, считаем возможным применение кольцевых заготовок, изготовленных ООО «Завод кольцевых заготовок» (ООО «ЗКЗ», г. Омск), из стали марок 20, 20КА, 20ЮЧ, 09Г2С, 16ГС, 20К, 12ХМ, 10Г2, 15ХМ, 12Х1МФ, 15Х5М, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т, полученных методом центробежного электрошлакового литья (ЦЭШЛ) по ТУ 1025501380266-002-27.52-2014 [1] взамен поковок и сортового проката из вышеуказанных марок стали, для изготовления штуцерных и аппаратных фланцев на параметры указанные в Приложениях Г и Д ГОСТ Р 52630-2012 [2] для поковок и сортового проката.

 

<>