Повышение эксплуатационных свойств литой перлитной стали методами экономного легирования и модифицирования Кошель, Александр Юрьевич

Введение к работе

Актуальность работы. В настоящее время в связи с ужесточением условий эксплуатации, вызванных увеличением скорости передвижения и грузоподъемности грузовых вагонов, увеличилось количество бракуемых при плановых ремонтах литых деталей и их аварийных отказов, особенно при отрицательных температурах. Наиболее остро стоит проблема повышения надежности и долговечности корпуса автосцепного устройства. По данным НИИ железнодорожного транспорта долговечность корпуса автосцепного устройства определяется пределом текучести стали. Предусмотренные ГОСТом 22703-73 марки сталей обеспечивают предел текучести от 390 до 490 МПа, а рабочие напряжения, например, в месте перехода от головной части к хвостовику - достигают 825 МПа. С целью значительного повышения надежности и долговечности ответственных литых деталей грузовых вагонов НИИЖТ были разработаны требования к физико-механическим свойствам перспективной марки стали с пределом текучести на уровне 600-700МШ.

Особенность решения задачи разработки перспективной марки стали состоит в том, что массовый характер производства исключает возможность применения легированных никелем и молибденом известных высокопрочных марок сталей. При этом технологические процессы производства деталей из новой стали должны реализовываться на имеющемся оборудовании.

Цель работу - разработать перспективную марку стали для литых деталей автосцегшого устройства грузовых вагонов с пределом текучести не менее 600 МПа, <г„>740 МПа, 8>t2%, у>30%, KCU«> не менее 0,25 МДж/м2, Кіс при -60С не менее 100 МПа-м¹/2, прокаливае-мостью на твердость 30HRC₃ не менее 11 мм, применение которой не приведет к заметному удорожанию деталей и изменению существующих технологических процессов производства. Для решения поставленной задачи обосновали актуальность низкого легирования марганцем, кремнием, хромом, ванадием и модифицирования азотом и проведения исследований в следующих направлениях:

1. оптимизация конечного раскисления стали алюминием;

2. изучение межфазного распределение азота и ванадия при аус-теинтизацни в зависимости от температура и химического состава стали;

3. изучение размера зерна аустеннта в зависимости от конечного раскисления стали алюминием, межфазного распределения азота и ванадия и температуры аустенитизацни;

4. изучение термокинетических параметров фазовых превращений и характеристик структуры отливок в зависимости от химического состава стали и межфазного распределения азота и ванадия в аустените;

5. изучение физико-механических свойств сталей в зависимости от их химического состава и характеристик структуры;

6. изучение литейных свойств и свариваемости сталей.

Научная новизна. Обоснованы добавки азота и ванадия, при которых стали типа 20ХГСАФЛ, 40ХГСАФЛ, 20ХЗГСАФЛ, 20ХГЗСАФЛ и 20ХГСЗАФЛ близки или превосходят сталь 20ГЛ по характеристикам жидкотекучести, плотности и трещиноустойчивости.

Показано, что для реализации эффективного дисперсионного нит-
ридванадиевого упрочнения стали остаточное содержание алюминия
не должно превышать 0,03%. При этом стабилизация зерна аустенита
исследуемых сталей при температуре 900-950С на уровне 9-11 бал
лов достигается при наличии 0,03 - 0,04% нерастворившейся нитрид-
ванадиевой фазы. " .

Установлено, что содержание азота в аустените и нерастворившаяся нитридванадиевая фаза оказывают противоположное влияние на критические точки феррито-перлитного, троостосорбитного и бейнитного превращений. В зависимости от влияния легирующих элементов на растворимость нитридов ванадия обоснованы оптимальные содержания и межфазное распределение азота, ванадия и алюминия при аустенити-зации, которые комплексно обеспечивают стабилизацию зерна аустенита, повышение его устойчивости к переохлаждению и 2-4-х кратное измельчение элементов феррито-перлитной и трростосорбитной структуры.

Установлены закономерности изменения прочностных и пластичес
ких свойств низколегированных марганцем, кремнием и хромом литых
конструкционных сталей с оптимизированным нитридванадиевым упроч
нением. .-''..- і'''."-';'. ' ' '" ' ./ .

Практическая ценность. Полученные в диссертационной работе ре
зультаты исследований по оптимизации химического состава, конеч
ного раскисления и режимов термической обработки стали с нитрид-
ванадиевым упрочнением позволили наиболее экономично повысить
предел текучести литой конструкционной стали до 600-700 МПа и Кіс
при минус 60С до более 100 МПа-мі/2. Разработанная перспективная
марка стали 20ХГСАФЛ включена в ГОСТ 22703-9J "Детали литые авто
сцепного устройства подвижного состава железных дорог". Ожидаемый
экономический эффект в ценах 1988г. составит 677 тыс. руб. в год,
:''.,'" ,'^:' 2 ' ~^:

На зашиту выносятся;

-результаты исследования закономерностей влияния химического состава в пределах 0,2-0,4% углерода, 1-3% марганца, кремния, хрома, 0,005-0,03% азота и до 0,3% ванадия на жидкотекучесть, плотность, литейную усадку и горячую трещиноустойчивость конструкционной стали;

-результаты исследования влияния межфазного распределения азота и ванадия на торможение роста зерна аустенита при оптимальном для нитридванадиевого упрочнения остаточном содержании алюминия в пределах 0,02-0,03%;

-результаты исследования влияния содержания азота в аустените и нерастворившейся нитридванадиевой фазы на изменение термокинетических параметров формирования структуры;

-результаты исследования влияния химического состава и структурного состояния на физико-механические свойства стали.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Зональная научно-техническая конференция "Прогрессивные технологии производства литых заготовок" (г.Челябинск, 1988); 5-й Республиканской научно-технической конференции "Неметаллические включения и газы в литейных сталях (г.Запорожье, 1988); Республиканский научно-технический семинар "Повышение свойств конструкционных сталей легированием и термообработкой"(г.Киев,1989); Республиканский научно-технический семинар "Прогрессивные способы плавки литейных спла-вой"(г.Киев,1989); 8-я Республиканская научно-техническая конференция молодых ученых (г.Тбилиси, 1989); Республиканская научно-техническая конференция "Повышение качества отливок за счет современных методов выплавки, легирования и термической обработки металла" (Брянск, 1990); 6-й Всесоюзной научно-технической конференции "Новые конструкционные стали и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий" (г.Запорожье, 1989); Всесоюзной научно-технической , конференции молодых ученых и специалистов "Интенсификация металлургических процессов и повышения качества металлов и сплавов" (г.Тула, 1990); Зональный научно-технический семинар "Проблемы жидкого состояния и кристаллизация расплавов" (г.Киев, 1990).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, получено А авторских свидетельства.

Г-14'Мк

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников из 110 наименований, приложений и содержит 53 страницы машинописного текста, 62 рисунка и 29 таблиц.