Предупреждение возникновения горячих трещин изменением структуры поверхностной зоны в стальных отливках железнодорожного транспорта Кузовов Сергей Сергеевич

Введение к работе

Актуальность работы

На сегодняшний день литейное производство остается основной заготовительной базой в машиностроении. На долю железнодорожного транспорта приходится более 56% литых изделий. Железнодорожный (ЖД) транспорт, являясь одним из важнейших видов транспорта для Российской Федерации, играет значимую роль в развитии отечественной экономики. В машинах и механизмах железнодорожного транспорта литые детали определяют их эксплуатационную надежность и долговечность. Учитывая рост количества аварий за последние годы, необходимо отметить, что повышение безопасности перевозок является главной задачей отрасли. В связи с этим, обеспечение ЖД отрасли качественными литыми изделиями является актуальным направлением научных исследований. Согласно статистическим данным, приведенным в работах Ю.Ф. Воронина, А.В. Монастырского, О.М. Огородниковой, Е.А. Чернышева, Д.В. Шиханова, стальные отливки с литейными дефектами, в особенности с горячими трещинами (ГТ), приводят к большому числу аварий на железной дороге.

ГТ в стальных отливках сложной конфигурации, к которым, в частности, относятся литые изделия для железнодорожного транспорта, были и остаются существенной проблемой в литейном производстве, о чем свидетельствуют работы упомянутых авторов, а также работы Г.Ф. Баландина, К.Н. Вдовина, В.М. Грузмана, Б.Б. Гуляева, В.Б. Деева, М.Ю. Ершова, М.А. Иванова, Л.С. Константинова, A.M. Королькова, А.Ю. Коротченко, СВ. Мартыненко, Ю.А. Нехендзи, А.А. Рыжикова, А.С. Савинова, И.Ф. Селянина, Ю.А. Степанова, Н.А. Трубицына, А.П. Трухова, А.Я. Шатова, С. Beckermann, С. Monroe, В. Santillana, B.G. Thomas.

Данный вид дефекта зарождается и растет в поверхностной зоне отливки на этапе затвердевания и является одним из наиболее сложных литейных дефектов, которые могут образовываться в отливках. Несмотря на многочисленные исследования в области разработки способов, направленных на сокращение брака в стальных отливках из-за образования ГТ, до сих пор отсутствуют методы, гарантирующие полную ликвидацию данного дефекта в литых изделиях.

Технологический процесс изготовления отливок обусловлен рядом сложных взаимосвязанных физико-химических процессов. ГТ образуются под влиянием большого числа факторов при высоких температурах. Для разработки технологических мероприятий, связанных с предупреждением образования ГТ, необходимо учесть большинство этих факторов, изучить процесс их взаимосвязи и оценить степень влияния в зависимости от конкретных условий производства. Технологам-литейщикам в условиях реального производства приходится решать задачу сокращения уровня брака из-за ГТ, используя индивидуальные подходы для каждой отдельной отливки. Сложность решения данной научно-технической задачи отчасти объясняется большим числом факторов, которые оказывают прямое или опосредованное воздействие на процесс образования ГТ в отливках.

Целью работы является исследование дефекта ГТ и разработка технологических мероприятий, основанных на управлении процессами структурообразования в поверхностной зоне стальных отливок железнодорожного транспорта для повышения трещиноустойчивости в интервале температур образования ГТ.

Для достижения поставленной цели в работе были сформированы следующие основные задачи:

1. Проанализировать современное состояние вопросов, связанных с механизмами образования ГТ, факторами, оказывающими влияние на их возникновение, и способами борьбы с данным дефектом в стальных отливках.

2. Провести структурные исследования дефектной и околодефектной области отливок в зоне образования ГТ для выявления основных факторов, оказывающих влияние на образование дефекта.

3. Разработать методику прогнозирования потенциальных мест образования ГТ в отливке, основанную на анализе литейных процессов, протекающих в отливке в момент образования дефекта.

4. На основании результатов исследования разработать способ изменения структуры в поверхностной зоне отливки, повышающий трещиноустойчивость в температурном интервале образования ГТ.

5. Внедрить разработанный способ в производственный процесс получения стальных отливок железнодорожного транспорта.

Объект исследования - отливки из низко- и среднеуглеродистых легированных и нелегированных сталей для железнодорожного транспорта, склонные к образованию ГТ.

Предмет исследования — механизм образования ГТ в стальных отливках, формирование структуры и свойств сплава в поверхностной зоне отливок при температурах образования ГТ и технологические способы повышения трещиноустойчивости стальных отливок, основанные на управлении процессами структурообразования в поверхностной зоне отливок изменением микрорельефа поверхности рабочей полости литейной формы.

Научная новизна работы:

1. На основании анализа морфологических особенностей разработана классификация дефектов типа ГТ, выявленных в стальных отливках железнодорожного транспорта. Доказано существование «скрытых», «залеченных» ГТ и трещин смешанной газо-усадочной природы.

2. Разработан механизм образования ГТ с учетом формирования структурных зон отливки в процессе ее затвердевания.

3. Разработаны методика прогнозирования потенциальных зон образования дефекта ГТ в стальных отливках и алгоритм их исследования.

4. Экспериментально доказано и теоретически обосновано влияние микрорельефа поверхности рабочей полости литейной песчано-глинистой формы на формирование структуры в поверхностной зоне отливки.

Практическая значимость:

5. Разработана комплексная методика исследования дефектной и околодефектной зоны, позволяющая прогнозировать места образования трещин, выявлять их природу и классифицировать трещины в отливках.

6. Разработаны технологические рекомендации, основанные на идентификации механизма образования дефекта и направленные на снижение брака отливок по дефектам типа ГТ.

7. Разработан способ повышения трещиноустойчивости стали, основанный на изменении структуры в поверхностной зоне отливки путем использования функционального покрытия, которое обеспечивает определенный микрорельеф поверхности рабочей полости литейной формы в потенциальных местах отливки, склонных к образованию ГТ.

8. Результаты работы опробованы и внедрены в производственный процесс по получению отливок для железнодорожного транспорта на АО «ПО «Бежицкая сталь» (г. Брянск) с общим годовым экономическом эффектом 1 млн 737 тыс. рублей.

9. Результаты работы использованы в учебном процессе ФГБОУ ВО «Брянский государственный технический университет», на кафедре «Машиностроение и материаловедение» при подготовке бакалавров по направлению 15.03.01 -Машиностроение, профиль «Машины и технология литейного производства» и профиль «Оборудование и технология сварочного производства».

Методология и методы исследования:

Работа выполнена с применением современных и верифицированных методов исследования. В частности, химический состав стали изучался при помощи оптико-эмиссионной спектрометрии. Микроструктурные исследования проводились с использованием цифровых микроскопических комплексов, различных производителей. Образцы для изучения механических свойств вырезались методом электроэрозионной обработки. Подготовка шлифов была выполнена на программируемом автоматическом шлифовально-полировальном станке. Измерения твердости проводились методами Виккерса и Роквелла, согласно общепринятым стандартам. Термический анализ в пристеночной зоне проводили посредством измерительной системы с применением компьютерной фиксации и обработки данных. Математико-статистическая обработка данных проводилась с применением стандартного

пакета анализа данных в программе MS Excel, компьютерное моделирование выполнено в системе NX компании «Siemens PLM Software» и Pr3DModel.

На защиту выносятся следующие положения:

10. Алгоритм исследования, методики прогнозирования и идентификации ГТ в отливках для железнодорожного транспорта.

11. Расширенная классификация дефектов типа ГТ, основанная на морфологических особенностях дефектной и околодефектной области отливок в зоне образования трещины.

12. Механизм образования ГТ с позиций наличия структурной зональной неоднородности по толщине стенки отливки.

13. Выявленные закономерности влияния микрорельефа поверхности рабочей полости литейной формы на структуру поверхностной зоны отливки в момент формирования ГТ.

14. Результаты экспериментальных и опытно-промышленных работ, полученные в ходе исследований технологических решений, направленных на снижение брака стальных отливок для железнодорожного транспорта из-за образования ГТ.

Степень достоверности работы

Достоверность результатов диссертационной работы обосновывается использованием современного оборудования, стандартизированных методик исследования, воспроизводимостью результатов, глубоким и всесторонним литературным анализом по исследуемой тематике, согласованностью полученных в работе результатов с современным состоянием вопроса в литейной отрасли, а также применением проверенных методов математико-статистической обработки данных. В представленных исследованиях используется статистический материал, полученный в результате изучения большого количества случаев появления ГТ на протяжении длительного периода времени в реальном производстве.

Апробация результатов работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических мероприятиях: II Международной заочной конференции «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве» (2013 г., Орск); 2-й Международной молодежной научной конференции «Поколение будущего: Взгляд молодых ученых» ( 13-15 ноября 2013 г., г. Курск); 5-й Международной научно-технической конференции «Современные инновации в науке и технике» (16-17 апреля 2015 г., г. Курск); XV Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Исследования и разработки в области машиностроения, энергетики и управления» (23-24 апреля 2015 г., г. Гомель, Республика Беларусь); 7-й Международной научно-технической конференции «Проблемы обеспечения и повышения качества и конкурентоспособности изделий машиностроения и авиадвигателестроения (ТМ-2015)» (21-23 сентября 2015 г., г. Брянск); VIII Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (16-20 ноября 2015 г., г. Москва); XI Съезде литейщиков России «Черные сплавы. Сталь» (7-11 сентября 2015 г., г. Нижний Новгород); 11-й Международной научно-практической конференции, посвященной 120-летию со дня рождения профессора Наума Григорьевича Гиршовича «Литейное производство сегодня и завтра» (15-17 июня 2016 г., Санкт-Петербург); IX Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (14-17 ноября 2017 г., г. Москва). В рамках Шестой Международной научно-практической конференции «Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке и образовании» (22-23 октября 2014 г., г. Брянск) автором получен диплом победителя программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК») за разработку «Технологии повышения трещиностойкости низкоуглеродистых легированных сталей».

Публикации

По теме диссертационной работы опубликована 21 научная работа в журналах и различных сборниках трудов российских и международных научно-технических конференций, в том числе 11 в изданиях из перечня ведущих научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ, получен 1 патент на изобретение.

Личный вклад автора состоит в теоретическом обосновании целей и задач исследования, проведении экспериментальных и опытно-промышленных работ, обработке полученных экспериментальных данных, обобщении результатов исследований, обосновании научных гипотез и их подтверждении, подготовке статей и их публикации, участии в конференциях. Промышленное внедрение результатов исследования организовано при непосредственном участии автора.

Соответствие диссертации паспорту специальности

Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует паспорту специальности 05.16.04 - Литейное производство по следующим пунктам: 1 - «Исследование физических, физико-химических, теплофизических, технологических и служебных свойств материалов, как объектов и средств реализаций литейных технологий»; 2 - «Исследование тепло- и массопереноса, гидродинамических, реологических и других процессов, происходящих в расплавах, отливках и литейных формах»; 12 - «Исследование проблем качества литья»; 14 - «Исследование процессов формирования свойств литейных сплавов и формовочных смесей».

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений, изложена на 173 страницах, содержит 62 рисунка и 12 таблиц. Список литературы включает 212 наименований.