Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 10
1.1 Требования и условия эксплуатации литых стальных деталей для железнодорожного транспорта 10
1.1.1. Анализ разрушений боковой рамы и шкворневой балки в эксплуатации 11
1.2. Связь ударной вязкости стали со структурой НМВ и микродефектами литья 14
1.3. Влияние структурообразующих факторов на ударную вязкость стали при+20и-60С 28
1.3.1. Влияние химического состава 28
1.3.2. Влияние газов 39
1.3.3. Влияние модифицирования 44
1.3.4. Влияние технологических факторов (плавки, отливки, ТО) 50
2. Методика исследования 55
2.1. Методика проведения экспериментальных плавок и термической обработки стали 20ГЛ 55
2.2. Методика проведения испытаний механических свойств экспериментальных плавок стали 20ГЛ 57
2.3. Методика определения химического состава экспериментальных плавок стали 20ГЛ 58
2.4. Методика проведения металлографического анализа экспериментальных плавок стали 20ГЛ 58
2.5. Разработка методики исследования влияния химического состава и модифицирования на ударную вязкость стали 20 ГЛ при проведении экспериментальных исследований 59
3. Экспериментальные исследования влияния технологических факторов на ударную вязкость стали 20 Г Л для отливок железнодорожного транспорта 62
Исследование влияния химических элементов на ударную вязкость стали 20 ГЛ для отливок железнодорожного транспорта на основе корреляционно-регрессионного анализа фактических данных 63
Исследование влияния химического состава и технологических факторов на ударную вязкость стали 20ГЛ с применением метода математического планирования эксперимента 68
Обработка результатов эксперимента и построениематематических и графических зависимостей 69
Исследование микроструктуры опытных плавок 85
Исследование балла зерна металлической матрицы 85
Исследование неметаллических включений стали 20ГЛ 91
Выбор оптимального химического состава и модификаторов, обеспечивающих, заданную ударную вязкость стали для отливок железнодорожного транспорта 100
Опытно-промышленные исследования по влиянию химического состава и модифицирования на ударную вязкость стали 20ГЛ для отливок железнодорожного транспорта, изготавливаемых наОООПК"БСЗ 105
Анализ заводских данных испытаний стали 20ГЛ, выплавленной в мартеновских печах для отливок железнодорожного транспорта, на ударную вязкость KCV 6o 105
Опытно-промышленные исследования по выплавке в производственных электродуговых печах ДСП-6 и мартеновских печах МРЦ ООО 1ЧЖ"БСЗ"стали 20 ГЛ оптимального
химического состава, обеспечивающего ударную вязкость KCV.60>17 Дж/см2 107
Опытно-промышленные исследования по влиянию модифицирования на ударную вязкость стали 20ГЛ, выплавляемой в электродуговых и мартеновских печах 000 ПК "'БСЗ1'
4.4. Исследование микроструктуры отливок, прошедших нормализацию из стали 20ГЛ, выплавленной в мартеновской печи с применением модифицирования 115
4.5, Опытно - промышленные исследования влияния термической обработки и балла зерна на ударную вязкость и механические свойства стали 20ГЛ для отливок железнодорожного транспорта, изготавливаемых на 000 "ПК"БСЗ" 118
4.5.1. Исследование влияния балла зерна в отливках из стали 20ГЛ после нормализации на её ударную вязкость 118
4.5.2. Исследование влияния термической обработки на ударную вязкость стали 20ГЛ для отливок железнодорожного транспорта, изготавливаемых на 000 "ПК"БСЗ" 122
4.5.3. Исследование влияния различных видов термообработки на механические свойства стали 20ГЛ, выплавляемых в мартеновских печах 000 "ПК"БСЗ" 125
5. Расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения научно-исследовательской работы 132
Общие выводы 134
Список использованной литературы 137
Приложение 1 142
- Анализ разрушений боковой рамы и шкворневой балки в эксплуатации
- Обработка результатов эксперимента и построениематематических и графических зависимостей
- Исследование микроструктуры отливок, прошедших нормализацию из стали 20ГЛ, выплавленной в мартеновской печи с применением модифицирования
- Исследование влияния термической обработки на ударную вязкость стали 20ГЛ для отливок железнодорожного транспорта, изготавливаемых на 000 "ПК"БСЗ"
Введение к работе
Актуальность проблемы. Подвижной состав железнодорожного транспорта имеет тенденцию к увеличению скоростей и общей нагрузки. Поэтому стальные литые детали подвижного состава железнодорожного транспорта подвергаются большим динамическим и ударным нагрузкам и при этом работают в тяжелых условиях при неблагоприятном температурном режиме, в том числе при отрицательных температурах, Актуальной задачей является повышение эксплуатационной стойкости таких деталей путем обеспечения более высоких свойств стали и особенно её ударной вязкости. В настоящее время для их изготовления применяется сталь 20ГЛ с химическим составом и механическими свойствами по ГОСТ 22703-91, по которому она должна удовлетворять требованиям по ударной вязкости с U-образным надрезом при -бО^'С KCU„co > 0,25 МДж/м2. Учитывая современные условия эксплуатации железнодорожного транспорта, ОАО РЖД (Российские железные дороги) вводит новые требования по обеспечению ударной вязкости стали 20ГЛ кроме K.CLL&o также ударной вязкости с V-образным надрезом по ГОСТ 9454 - 78 K.CV_6(! >0,17 МДж/м2, что не обеспечивается действующей технологией изготовления литых стальных деталей для железнодорожного транспорта. Поэтому является актуальным проведение работ по оптимизации химического состава, термообработки, структуры и технологии выплавки, модифицирования и микролегирования стали 20ГЛ, обеспечивающих выдвинутые РЖД новые требования по ударной вязкости KCV.60.
Цель работы. Целью работы является разработка технологических методов изготовления стальных отливок для железнодорожного транспорта из стали 20ГЛ, обеспечивающих получение её ударной вязкости KCU-gq > 0,25 МДж/м2 и KCV_6Q> 0,17 МДж/м2.
Задачи исследования.
Задачами исследования являются: разработка на основе анализа эксплуатационной стойкости ответственных стальных отливок для железнодорожного транспорта и экспериментально-промышленных данных математических и графических зависимостей, позволяющих прогнозировать комплекс показателей механических свойств и микроструктуры стали 20 ГЛ, в том числе её ударную вязкость KCU и KCV при +20С и -60С; экспериментальные исследования влияния модифицирования и микролегирования стали 20ГЛ на её механические свойства и микроструктуру с применением математических методов планирования экспериментов; исследование влияния химического состава стали 20 ГЛ на ударную вязкость с применением математико-статистичсских методов; анализ факторов, влияющих на формирование микроструктуры и механических свойств малоуглеродистой низколегированной стали типа 20ГЛ с целью определения путей повышения её механических свойств; - исследование влияния технологических способов воздействия на жидкую сталь с помощью модифицирования и микролегирования с целью улучшения формы и характера распределения неметаллических включений и уменьшения их количества в твердом металле, как одного из факторов, влияющего на ударную вязкость; исследование влияния различных видов термообработки отливок из стали 20ГЛ на её механические свойства и микроструктуру с целью увеличения ударной вязкости; разработка на основе экспериментальных и опытно-промышленных исследований оптимальных химического состава, модифицирования, микролегирования и термической обработки стали 20ГЛ для отливок железнодорожного транспорта, обеспечивающих требуемые ГОСТ и ТУ значения механических свойств, в том числе ударной вязкости КСУ.вд, и их внедрение в серийное производство отливок железнодорожного транспорта на ООО "ПК (Промышленная Компания) "БСЗ" (Бежицкий Сталелитейный
Завод г.Брянск).
Автор защищает: - результаты теоретического и экспериментального исследования влияния факторов, формирующих микроструктуру и механические свойства малоуглеродистой низколегированной стали типа 20ГЛ, позволяющих повысить комплекс механических свойств этой стали; - результаты исследования влияния химического состава стали 20 ГЛ на ударную вязкость с применением математико-статистических методов; результаты экспериментальных исследований влияния модифицирования и микролегирования стали 20ГЛ на её ударную вязкость и микроструктуру с применением математических методов планирования экспериментов; - результаты исследования влияния технологических способов воздействия на жидкую сталь с помощью модифицирования и микролегирования с целью улучшения и оптимизации микроструктуры, формы и характера распределения неметаллических включений и уменьшения их количества в твердом металле, влияющих на ударную вязкость; результаты исследования влияния различных видов термообработки отливок из стали 20ГЛ на её ударную вязкость и микроструктуру; результаты разработанных на основе экспериментальных и опытно-промышленных исследований оптимального химического состава, модифицирования, микролегирования и термической обработки стали 20ГЛ для отливок железнодорожного транспорта, обеспечивающих требуемые ГОСТ и ТУ значения механических свойств, в том числе ударной вязкости KCV.60.
Достоверность и обоснованность научных результатов работы подтверждается большим объемом экспериментальных и опытно-промышленных исследований, проведенных с применением современных методов исследований.
Научная новизна работы состоит в получении ряда новых теоретических, экспериментальных и практических результатов в области создания и использования малоуглеродистой низколегированной стали с высокой ударной вязкостью при отрицательных температурах для отливок железнодорожного транспорта, работающих в экстремальных условиях: установлено, что на ударную вязкость малоуглеродистой низколегированной стали 20ҐЛ при комнатной и отрицательной температуре наряду с химическим составом и микроструктурой основное влияние оказывают тип, размер, форма, количество и характер распределения в структуре неметаллических включений, определяемых содержанием в ней S, А1, Са, РЗМ; - выполнена разработка и компьютерная реализация математических и моделей зависимостей ударной вязкости KCV.W) и KCU.,,o количества, размеров, индекса загрязненности неметаллическими включениями и балла зерна стали 20ГЛ от её химического состава, модифицирующих добавок и раскислителеи, позволяющие прогнозировать ударную вязкость и структуру стали в отливках как на стадиях разработки технологического процесса, так и управлять ими на стадии выплавки стали; оптимизирован химический состав малоуглеродистой низколегированной стали 20ГЛ по основным элементам С=0,17-0,20% и Мп=1,20-1,50%, позволяющий достигать стабильно высоких показателей ударной вязкости при отрицательной температуре (KCV.ftn) за счет получения в её структуре оптимального соотношения фаз перлита (25%) и феррита (75%), с сохранением на требуемом уровне комплекса механических свойств (ат, ан, (р, 8, KCU); - разработаны составы и количество комплексов модификаторов и раскислителеи для стали 20ГЛ, обеспечивающих получение ударной вязкости KCV.60 в производственных условиях не ниже 0,17 МДж/м за счет измельчения зерна и улучшения морфологии, характера распределения и формы неметаллических включений; - на основе экспериментальных исследований построены номограммы и поправочные коэффициенты совместного влияния количества модифицирующих добавок и раскислителей на ударную вязкость KCV.60 и балл зерна стали 20ГЛ.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
В настоящее время около 30% изготовляемых на ОООТ1К"БСЗ" отливок из стали 20ГЛ для железнодорожного транспорта "Рама" и "Балка" не соответствуют по знамениям KCV.60 требованиям >17 Дж/см". Проведенные экспериментальные и опытно-промышленные исследования показали, что при их внедрении на производстве могут стабильно достигаться значения KCW.6q>]7 Дж/см2. Они базируются на разработанном в исследованиях оптимальном химическом составе стали 20ГЛ и технологических процессах её модифицирования, микролегирования, и термической обработки, обеспечивающих заданные значения ударной вязкости KCU и KCV и позволяющие управлять ими в процессе производства. Промышленное внедрение в производство на ООО "ПК "БСЗ" при изготовлении отливок железнодорожного транспорта даст ожидаемый экономический эффект 57 057 786 рублей в год.
Полученные в исследовании математические и графические зависимости механических свойств стали 20ГЛ после нормализации от её химического состава, модифицирования и микролегирования могут быть использованы кроме ООО 'ЧИГЪСЗ1' и на других предприятиях, изготавливающих отливки для железнодорожного транспорта, с целью прогнозирования механических свойств и получения стали с заданными их значениями. Разработаны новые режимы термической обработки стали, обеспечивающие формирование заданной структуры и комплекса механических свойств стали 20ГЛ.
Установлены зависимости изменения балла зерна стали 20ГЛ от параметров термической обработки и модифицирования Anробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава БГТУ в 2004-2005 гг,; на 5-й международной научно-технической конференции "Новые материалы и технологии в машиностроении - 2006", Брянск, 2006; на научной конференции " Материаловедение и производство", Брянск, 2003; на научных студенческих конференциях, Брянск, 2002 - 2004 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 11 работ, 4 из которых в центральных периодических изданиях - журнале «Заготовительные производства в машиностроении» №5 С. 15-16, 2004 г.; №2, С. 16-18, 2005 г.; №4 С. 3-7, №6 С. 6-9 2006 г..
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 64 наименований; она содержит 185 страниц текста, 66 рисунков, 25 таблицы и 6 приложений.
Анализ разрушений боковой рамы и шкворневой балки в эксплуатации
Боковая рама и шкворневая балка испытывают в работе значительные статические и динамические нагрузки. Согласно нормам на заводские контрольные испытания боковая рама должна выдержать без разрушения статическую нагрузку не менее 230 т, а шкворневая балка не менее 204 т. Детали отливаются из углеродистой низколегированной стали и подвергаются нормализации. Боковая рама весит 368 кг, а шкворневая балка 442 кг, но столь большой вес не является препятствием получению хорошей структуры при термической обработке, так как стенки их топкие. Толщина стенок боковой рамы 13—18 мм, а шкворневой балки 13—23 мм. Лишь в отдельных узлах имеются более массивные участки.
Все стальные отливки не должны иметь дефектов, вредно влияющих на их прочность. Особенно это важно для деталей, испытывающих в работе многократно повторяющиеся знакопеременные нагрузки, так как места залегания дефектов могут быть причиной концентрации напряжений, приводящих к усталостным разрушениям. Однако не все дефекты служат причиной забраковывания отливок. Некоторые дефекты, не влияющие на эксплуатационные качества деталей, допускаются без исправления, другие дефекты подлежат исправлению путем вырубки и заварки. Допустимость тої-о или иного вида дефекта, его размеры и расположение, допустимость и объем исправления зависят от условий работы детали и оговариваются в технических условиях соответствующего ГОСТ [2], в специальных заводских технических условиях или в чертеже.
Прочность стальных литых боковых рам и надрессорных балок тележек ж/д вагонов в значительной мере определяет безопасность движения грузовых поездов и эксплутационные расходы железнодорожного транспорта на ремонт подвижного состава и замену преждевременно вышедших из строя деталей.
В настоящее время на заводах, производящих ответственные литые детали для железнодорожного транспорта - боковая рама и надрессорная балка применяют сталь 20ГЛ следующего химического состава и механических свойств (таб. 1,2), по ГОСТ 22703-91 [2].
В процессе эксплуатации указанные детали тележек ж/д вагонов подвержены действию циклического асимметричного иагружения, что приводит к накоплению усталостных напряжений и образованию трещин. Образование усталостных трещин является одной из основных причин преждевременного выхода из строя боковых рам и надрессорных балок. Они начинают разрушаться уже через два года эксплуатации, максимальный выход их из эксплуатации наблюдается через 8-10 лет.
При движении вагона даже по прямым участкам пути имеет место боковая качка кузова относительно надрсссорной балки тележки. Поэтому в течение около 80-90% времени хода вагона передача нагрузки на надрессорную балку происходит через край пятника, что приводит к неравномерному нагружению пятника и, следовательно, большинство балок выходит из строя по трещинам в подпятниковой зоне. В подпятнике возникают многоочаговые усталостные трещины, образующиеся в основном от литейных дефектов, которые являются фактором, способствующим разрушению надрессорных балок [1].
Основным видом повреждений литых деталей тележки - рамы и балки -является развитие трещин усталости. Поэтому необходимо, чтобы используемый для отливок металл обладал помимо статической прочности повышенной выносливостью при знакопеременных нагрузках, которые пропорциональны характеристикам прочности ст и о ц. Проведенные до настоящего времени на заводах конструктореко-технологические мероприятия, направленные на повышение долговечности боковых рам и надрессорных балок, не дали существенного улучшения их технического состояния с точки зрения уменьшения "повреждаемости" трещинами во время эксплуатации.
Вывод. Эксплутационную стойкость отливок боковых рам и надрессорных балок можно увеличить как путем повышения механических свойств применяемой для них стали, так и усовершенствованием технологии их изготовления литьем, уменьшающей вероятность образования литейных дефектов.
Обработка результатов эксперимента и построениематематических и графических зависимостей
Эксперимент по выявлению влияния химического состава и модифицирования на ударную вязкость стали 20 ГЛ, был осуществлен согласно плану, изложенном в п.п. 2.5. (табл. 5) данной работы.
Данные исследования химического состава, механических свойств и жидкотекучести стали 20 ГЛ опытных плавок приведены в табл. 10. Помимо плавок по плану эксперимента ДФЭ 2: 2 были выполнены плавки стали 20 ГЛ с добавлением легирующих элементов Сг и Ni.
Анализ полученных данных показывает, что более 90% экспериментальных плавок выдержали испытание на KCU и охарактеризованы как удовлетворяющие требованиям ТУ по совокупности механических свойств деталей, допускаемых к эксплуатации. Причем по данному показателю прослеживается следующая закономерность: при проведении повторной термической обработки (нормализации) значение ударной вязкости образцов с U-образным надрезом возрастали более чем в 2 раза по сравнению с образцами, прошедшими термообработку однократно. Этот факт доказывает благотворное влияние этого технологического фактора на механические свойства в целом и ударную вязкость в частности. По значениям ударной вязкости образцов с V-образным надрезом испытания прошли 100%) образцов. Стабильный максимум значений KCV достигался при внесении присадок КЦеЖ па верхнем (0,25%) и CaSi на нижнем (0,02%) пределе.
Статистическая проверка полученных математических зависимостей показала их адекватность фактическим значениям. В уравнениях (10)-(13) значения KCV.6o и KCU_6o рассчитали исходя из средних (ср) и максимальных (max) их значений по табл. 10, свободный член после знака равенства показывает значение свойства при кодированном значении переменных факторов на уровне «О» (табл. 4). Коэффициенты при переменных факторах указывает на силу их влияния на свойства, и знак - на направленность их влияния. Из уравнений вытекает: 1. Углерод имеет наибольшую силу влияния на исследуемые свойства, и при его увеличении от нижнего (-1; 0,15%) до верхнего (+1; 0,25%) уровня он снижает KCU, KCV; 2. М.п при его увеличении от нижнего (-1; 0,8%) до верхнего (+1; 1,5%) уровня повышает KCU, KCV; лигатура КЦсЖ и алюминий при их увеличении от нижнего к верхнему уровню повышают свойства, a CaSi снижает при этом все свойства стали 20ГЛ.
Полученные математические зависимости (10) - (13) механических свойств стали 20 ГЛ от ее химического состава и количества модификатора КЦеЖ удобно использовать для компьютерного моделирования оптимизации свойств стали. Для технологических расчетов в условиях производства удобнее использовать графические зависимости. Для этого на основе уравнений (10)- (13) построили графики, отражающие как взаимное влияние С и КЦеЖ, так и отдельно С и КЦеж на свойства стали 20 ГЛ. Их удобно использовать на производстве, т.к. эти факторы оказывают наибольшее влияние на свойства стали 20 Г Л, и их можно регулировать при выплавке стали. На рис. 19-22 приведена зависимость исследуемых свойств стали 20ГЛ от количества модификатора КЦеЖ. Из этих рисунков видно, что модифицирование стали 20 ГЛ лигатурой КЦеЖ повышает KCV. o и его значения 17 Дж/см (требования ТУ) можно достигать при пониженном содержании С уже при введении 0,02% КЦеЖ на 1 тонну жидкой стали (рис. 19-22). Однако количество модификатора КЦеЖ следует выбирать для получения требуемых свойств в зависимости от содержания С и других элементов. Из анализа результатов экспериментальных данных видно, что С снижает KCV-бо, КСІЦо. Так, для немодифицированной стали 20 ГЛ KCV.6Q 17 Дж/см" может достигать, как это видно из рис. 25 - 26, только при содержании С 0,2%. Это подтверждается также и данными рис. 16, отражающего влияние С на KCV.6o на основе анализа производственных испытаний стали 20 ГЛ на KCV.f,o. Поэтому на рис. 27-30 приведены зависимости совместного влияния КЦеЖ, С, Mn, Al, CaSi на ударную вязкость стали 20 ГЛ. Они построены на основе уравнений (10)-(13). Так, например, на рис. 27 приведена зависимость значений KCV_60 в виде изолиний от содержания С и КЦеЖ при определенном низком значении содержания Мп (0,8%), А1 (0,035%) CaSi (0,02%).
Исследование микроструктуры отливок, прошедших нормализацию из стали 20ГЛ, выплавленной в мартеновской печи с применением модифицирования
Исследование микроструктуры отливок из стали 20ГЛ после нормализации проводили на образцах, вырезанных из трефовидных заготовок. Трефы з&тивались мартеновской сталью из двух ковшей одной плавки. Сталь одного ковша была промодифицироваппа модификатором КЦеЖ (индекс N-1 в номере плавки), другого - сварена по заводской технологии {индекс N-2 в номере плавки).
При исследовании определяли количество перлита (П) и феррита (Ф) в металлической матрице образца, балл зерна, количество неметаллических включений (Ncp), их размер (Д IL ) и индекс загрязненности (Jcp) неметаллическими включениями. Данные исследования микроструктуры стали 20ГЛ приведены в таблице 20, а описание и фотографии микроструктуры - в приложении2.
Анализ данных этих таблиц показывает следующее: 1. металлическая матрица состоит из феррита и перлита в равновесном соотношении 55%-45% каждой фазы как в модифицированной, так и в немодифицированной стали. 2. балл зерна в модифицированных и немодифицированных плавках идентичен, т.к. отливки были подвергнуты термической обработке по одному режиму - нормализации. 3. количество, размер и индекс загрязненности неметаллическими включениями в мо/дифицированной стали (индекс N-1 в номере плавки) на 10-20% ниже, чем в немодифицированной (индекс N-2 в номере плавки). 4. основным видом неметаллических включений в исследуемых плавках являются сульфиды и оксисульфиды, при этом в модифицированной стали они присутствуют преимущественно в виде отдельных глобулярных включений, а в модифицированной стали - преимущественно в виде пленок и скоплений пленообразиых включений, составляющих цепочки. Анализ микроструктуры исследованных плавок показывает, что модифицирование жидкой мартеновской стали 20ГЛ в ковше лигатурой КЦеЖ, содержащей до 30% РЗМ, улучшает форму, размер, расположение и снижает количество неметаллических включений в стали, что повышает её механический свойства, в том числе и вязкость при отрицательных температурах KCV_№ поэтому применение такого модифицирования является полезным технологическим процессом производства ответственных стальных отливок для железнодорожного транспорта. Резз льтаты микроструктурного исследования промышленных плавок стали 20ГЛ после нормализации, выплавленной в мартеновской печи с применением модифицирования. О.о С применениеммодифицирования (М),без него (-) Химический состав плавок и количество вводимых присадок,в % по массе Исследование микроструктуры опытных образцов С Мп Si Р S Сг Ni Си AI Присадки d С! а. и 2 оЕ о о Металлическаяматрица(Ф - феррит;П - перлит) КЦеЖ CaSi А1 Ф И
Опытно - промышленные исследования влияния термической обработки и балла зерна на ударную вязкость и механические свойства стали 20ГЛ для отливок железнодорожного транспорта, изготавливаемых на ООО "ПЮ БСЗ". 4.5.1. Исследование влияния балла зерна в отливках из стали 20ГЛ после нормализации на её ударную вязкость.
Провели исследование влияния балла зерна на ударную вязкость стали 20ГЛ на основе лабораторных плавок, проведенных в индукционной электропечи в ЦЗЛ 000 "ПК"БСЗ". Из выплавленной стали этим способом отливали трефы, из которых вырезали образцы и подвергали термообработке - нормализации в производственной термической печи цеха №1 000 "ПК"БСЗ" по заводскому режиму совместно с отливками "Рама" и "Балка". Полученные образцы подвергали испытаниям на ударную вязкость и исследовали их микроструктуру. Данные этих исследований приведены в таблице 21.
На основе данных таблицы 21 построены графики рис.63-65. Анализ полученных данных показывает следующее. 1. При одинаковом виде термической обработки - нормализации по одному и тому же режиму наиболее низкий балл зерна обнаруживается в стали с пониженным содержанием А1 и Ті, а наиболее высокий - с повышенным содержанием Сг и NL 2. Применение модифицирования стали 20ГЛ, выплавленной в индукционной электропечи модификатором КЦеЖ с РЗМ, не оказывает существенного влияния на балл зерна. 3. Не обнаруживается строгой корреляционной зависимости между баллом зерна сійни 20ГЛ после нормализации и величиной её ударной вязкостью, что отмечается и в литературе.
Исследование влияния термической обработки на ударную вязкость стали 20ГЛ для отливок железнодорожного транспорта, изготавливаемых на 000 "ПК"БСЗ"
Для выявления влияния термообработки нормализации и отпуска после нее на свойства стали 20ГЛ, выплавленной в мартеновской печи 000 "ПК"БСЗ", были проведены 2 серии опытов. В первой серии опытов провели исследования 3 плавок в ЦЗЛ завода термически обработанных по двум режимам, данные по которым приведены в таблице 24. Режим термообработки был приняі следующий: 1. Нормализация: температура нагрева 930-950С, выдержка 45 мин. 2. Нагрев до температурві 930-950(1С, выдержка 45 мин, охлаждение на воздухе до 500ПС, отпуск при температуре 540-560С в течение 45 мин и охлаждение на воздухе. Образцы, термообработанные по данному режиму, имеют индекс «О». Химический состав и механические свойства образцов, прошедших вышеуказанную термообработку, приведен в таблице 24. Из полученных данных видно, что существенной разницы в механических свойствах образцов одной плавки стали 20ГЛ, но термообработанных по разным режимам не наблюдается. Было проведено также исследование микроструктуры испытанных образцов. Микроструктура всех образцов мелкозернистая ферито-перлитная. Балл зерна в образцах плавок 228-1. 228-1-«О», 246-2, 246-2-«0» № 8-9; в образцах плавок 244-2, 244-2-«0» - № 8. Разницы по микроструктуре в образцах одной плавки, но термообработанных по 1 и 2 режимам, нет, что говорит о экономической нецелесообразности проводить исследованный режим термообработки в производственных условиях 000 "ПК ЪСЗ". Сталь 20ГЛ, выплавляемая в мартеновских печах 000 "ПК"БСЗ", поступает из одной плавки на одновременную заливку отливок, подвергающихся термообработке нормализация ("Балка", "Рама" и др.), и закалке с отпуском ("Корпус автосцепки", "Тяговый хомут" и др.). Поэтому ее химический состав должен быть таким, чтобы полученные после термообработки механические свойства удовлетворяли требованиям ГОСТ 22703-91 как для тех, так и для других деталей. Так, для деталей, подвергающихся закалке с отпуском, требуется значение ar 450 МПа, a подвергающихся нормализации требуется a.j 290-370 МПа, в гоже время при проведении нормализации требуется обеспечивать KCV_6o 17Дж/см .
Вторая серия опытов была проведена в для определения степени эффективности проведения повторной термообработки стальных отливок с целью повышения значений ударной вязкости KCV_ -1(). Для чего в ЛЦ-1 ООО «ПК «БСЗ» была проведена двойная нормализация пробных брусков. Один пробный брусок подвергли отпуску в условиях ЛЦ-1 по действующему режиму, а оставшиеся переданы в лабораторию для отработки режима отпуска.
Отпуск опытных образцов проводился при различных температурах: 650 С, 580С, 500(1С и выдержке 1,5 часа, с последующим охлаждением на воздухе. Прошедшие опытную термическую обработку образцы подвергались механическим испытаниям, анализу химического состава и исследованию микроструктуры, данные по которым приведены в таблице 25 и приложении 5 и 6.
Анализ полученных данных позволил сделать следующее заключение: при двойной нормализации и дополнительном отпуске наблюдаются более высокие значения ударной вязкости KCV_«) по сравнению с одной нормализацией, так при 2-х нормализациях и отпуске в цеху на 9,45%; при 2-х нормализациях и отпуске в лабораторных условиях при температуре 650 С на 17,9%; при 2-х нормализациях и отпуске в лабораторных условиях при температуре 580С на 23,88% и при 2-х нормализациях и отпуске в лабораторных условиях при температуре 500С на 35,32%.
В результате проведенных опытов, термическая обработка по режиму -двойная нормализация при температуре нагрева 930-950С и выдержке 45 минут, с последующим отпуском при температуре 500"С и выдержке 90 минут, была рекомендована для промышленного использования при термической обработке отливок из стали 20ГЛ, как экономически целесообразная, ввиду 100 % - го достижения заданных параметров механических свойств.
В микроструктуре образцов, прошедших двойную нормализацию, наблюдается более мелкое зерно, чем при одной нормализации (см. прил. 6). Температура отпуска не повлияла на величину зерна.
Наибольшее среднее значение ударной вязкости (KCV.f,o 2,72 Дж/см") было получено на образцах, прошедших двойную нормализацию и отпуск в лаборатории при 500 С (расчет производился по минимальным значениям). Следует обратить внимание на то, что в рассмотренных плавках химический состав {С, Mn, Si) находится на верхнем пределе. Для повышения значения а, требуется одновременное более высокое содержание С и Мп в стали 20ГЛ, а для повышения KCV.U() требуется содержание С 0,20% при повышенном содержании Мп. Такие требования часто не соблюдаются в производственных условиях с ссылкой на то, что они несовместимы. Провели исследования влияния содержания С 0,20% и Мп 1,1% на механические свойства 75 плавок стали 20ГЛ, выплавленной в мартеновской печи ООО "ПК"БСЗ \ из которой одновременно заливались отливки, прошедшие нормализацию и закалку с отпуском. Данные этик исследований приведены в приложении 4. Анализ показывает, что при содержании в мартеновской стали 20ГЛ С 0,20% и Мп 1,2% можно стабильно достигать требуемых ГОСТ 22703-91 механических свойств как для отливок, прошедших нормализацию, так и прошедших закалку с отпуском. Выводы: 1. Анализ данных заводских испытаний свойств стали 20ГЛ на 127 ударную вязкость KCV_6{) за 2003-2006 гг. показывает, что хотя за последнее время количество плавок со значениями KCV„(,(j 17 Дж/см2 и повысилось, однако около 25% плавок за 2005 г. и около 28% плавок за 2006 г. имели свойства KCW(,Q \1 Дж/см", что является неудовлетворительным. 2. Проведенные опытные исследования при выплавке стали 20ГЛ в производственных мартеновских и электродуговых печах с содержанием С 20% и Мп 1,10% показали, что при этом ударная вязкость KCV-бо достигала значений 17 Дж/см", что соответствует требованиям ТУ. Наиболее высокие значения KCV-бо в пределах 20-30 Дж/см" достигались в плавках с содержанием С 0,19% и Мп 1,20-1,37% и с повышенным содержанием Сг и Ni. 3. Проведенные опытные исследования по модифицированию стали 20ГЛ в ковше лигатурой КЦеЖ, содержащей 30% РЗМ, 20% А1, 3% С а показали следующее: а) значения KCV.60 опытных плавок, проведенных с применением модифицирования модификатором КЦеЖ в количестве 1-2 кг. на 1 т. жидкой стали, при выплавке стали в электродуговых печах составляли после нормализации от 17,5 Дж/см" до 31 Дж/см", при этом 50%) плавок имели значения 20 Дж/см", что соответствует требованиям ТУ;
