Введение к работе
Актуальность работы. Машиностроение является основным потребителем продукции металлургических предприятий, и ключевое место в этом занимает сталь, используемая для изготовления деталей различного функционального назначения. И в ближайшем будущем сталь останется основным конструкционным материалом в промышленности, а повышение ее потребительских свойств является нестареющей и актуальной задачей. В процессе технологического передела при изготовлении большинства металлоизделий используются стадии пластической деформации, термической, механической и упрочняющей обработки. Свойства таких изделий формируются на всем пути преобразования металла в деталь. Многие металлургические особенности строения и свойств стали очень устойчивы, передаются от этапа к этапу при технологическом металлопеределе, наследуются готовыми изделиями и, зачастую, снижают физико-механические и технологические свойства сплава. Вступление страны в ВТО требует изготовления конкурентоспособной продукции, отвечающей требованиям европейским и мировым стандартам в части надежности, долговечности, экологичности, удельной грузоподъемности и т.д. Полное использование ресурса свойств стали – задача актуальная и сложная на пути создания надежных машин и механизмов. Для достижения этой цели особая роль отводится технологическому переделу сплава в машиностроении, а именно технологиям, направленным на ликвидацию или нейтрализацию макро- и микростроения, негативно влияющего на потребительские свойства металлоизделий.
Несмотря на многосторонние исследования сталей, в том числе и сталей с машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), вопросам устойчивости металлургического строения и свойств на этапах технологического передела уделено недостаточное внимание. По этой причине целесообразно проведение дополнительных исследований, ориентированных на изучение химико-структурной неоднородности, микростроения, чистоты сплава и его зернистого строения. Важное практическое значение имеют данные по влиянию различных технологических параметров на структурообразование и свойства конструкционных сталей в тяжелонагруженных деталях автомобиля.
В этой связи актуальной задачей является создание технических и технологических решений по ликвидации или нейтрализации на этапах технологического металлопередела нежелательных структурно-фазовых и других образований в стали, передаваемых от металлургического производства.
Исследования по диссертационной работе выполнены в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 – 2013 годы».
Цель работы: повышение технологических и механических свойств стальных изделий нейтрализацией структурной наследственности в результате тепловых и деформационных воздействий при технологическом металлопеределе в машиностроительном производстве.
Задачи исследования:
- выявить наследственность макро- и микростроения в конструкционных сталях и исследовать влияние тепловых и деформационных воздействий на этапах технологического передела металла на изменение металлургической химико-структурной неоднородности в сплаве;
- разработать и обосновать параметры термической обработки штампованных полуфабрикатов, способствующих ликвидации негативных металлургических особенностей и обеспечивающих повышение технологических свойств за счет формирования однородной и заданной структуры;
- разработать метод прогнозирования макростроения стали с месторасположением ликвационного квадрата в детали и предложить технологические решения по нейтрализации нежелательного ликвата в деформированных изделиях;
- исследовать склонность к росту зерна и сопротивляемость хрупкому разрушению стали традиционного способа производства и с машин непрерывного литья заготовок и предложить решения по повышению надежности деталей при работе в условиях циклических нагрузок;
- установить связь между долговечностью деталей и степенью проявления металлургических дефектов (ликвационные полоски, обезуглероживание поверхности) и разработать технические и технологические решения по повышению потребительских свойств деталей машин.
Объектом исследования являлись технологические процессы металлопередела в машиностроительном производстве при изготовлении деталей автомобиля.
Предметом исследования являлись изменения макро- и микростроения и свойств стальных полуфабрикатов и готовых деталей машин.
Методы исследований. В работе использованы металлографические качественные и количественные методы исследования структуры с применением оптических анализаторов и электронномикроскопических приборов, химико-спектральные методы контроля состава сплава, дилатометрические, рентгеноструктурные и фрактографические методы, стандартные методы испытания на механические свойства и контроля прокаливаемости, макроструктурного анализа и зеренного строения широкоприменяемых в машиностроении конструкционных сталей, а также натурные испытания деталей и узлов автомобиля на специальных стендах и устройствах.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- установлена температурная зависимость ударной вязкости стали с машин непрерывного литья заготовок, свидетельствующая, что сопротивляемость хрупкому разрушению достигает высоких значений, характерных для стали традиционного способа производства «слиток – блюм - сортовой прокат», при степени её деформации 97% и выше;
- установлено, что наибольший эффект по устранению нежелательной островной и строчечной структурной металлургической неоднородности в стали достигается при совместной реализации высокотемпературной аустенитизации полуфабрикатов, ускоренного охлаждения до температуры Ас1-(20-40)С и последующего диффузионного – превращения при ступенчатом понижении температуры с изотермическими выдержками при 680, 660, 640 и 600С;
- разработан метод контроля качества стальных изделий и тест-образец для его осуществления, позволяющий прогнозировать в деформируемых изделиях месторасположение наследуемых металлургических особенностей макро- и микростроения сплава;
- разработаны и аналитически обоснованы решения по нейтрализации негативного влияния обезуглероженного слоя на деталях и ликвационных полосок в конструкционных сталях путем создания сжимающих напряжений на уровне 300 – 500 МПа в изделиях сложной геометрической формы в результате дробеобработки и ускоренного охлаждения с температур высокого отпуска соответственно.
Практическая ценность диссертации заключается в следующем:
-
Предложена технология термической обработки стальных полуфабрикатов, обеспечивающая устранение нежелательных ликвационных проявлений в виде островной и полосчатой структуры при сохранении мелкозернистого строения в сплаве.
-
Предложена технология термического упрочнения из улучшаемых сталей, которая позволяет повысить надежность и долговечность изделий из стали с МНЛЗ в условиях знакопеременных нагрузок.
-
Для прогнозирования качества поверхностного слоя на наличие дефектов металлургического характера и их месторасположение в наиболее нагруженных сечениях детали рекомендован метод и тест-образец для исследования течения металла при формообразовании штампуемых деталей (заявка на изобретение №2012113089 от 11.04.2012г.).
-
Усовершенствована методика определения глубины обезуглероженного слоя, позволяющая оценить степень и глубину обезуглероживания на деталях сложной конфигурации, базируясь на количественном металлографическом анализе структурных составляющих и неметаллических включений в отожженной стали. Для ликвидации негативного действия обезуглероженного слоя на долговечность деталей предложена технология дробеструйной обработки.
-
Для исключения негативного влияния ликвационных полосок на показатели физико-механических свойств стали рекомендована горячая пластическая деформация сплава со степенью более 97%.
Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе подтверждается использованием лицензированного, современного и поверенного лабораторно-исследовательского оборудования, взаимодополняющих стандартных и общепризнанных методов контроля структуры и свойств сплавов, многочисленными экспериментальными данными и повторяемостью результатов при разносторонних исследованиях, согласованностью и подтверждением теоретических и экспериментальных данных, реализацией полученных результатов исследования в технологических процессах металлопередела при изготовлении изделий машиностроения.
Личный вклад автора состоит в формулировании задач, организации и проведении экспериментальных и теоретических исследований, участии в опытно-промышленном апробировании технологий, анализе и обобщении полученных результатов, сопоставлении полученных результатов с литературными данными, формулировании выводов, подготовке к публикации научных статей и заявок на изобретения.
Реализация результатов работы. Технологии термической и упрочняющей обработки используются в производстве ОАО «КАМАЗ» при изготовлении ответственных деталей автомобиля. Методики определения обезуглероженного слоя на поверхности деталей сложной формы и оценки степени загрязненности неметаллическими включениями реализованы в лабораториях ОАО «КАМАЗ» и используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономическая академия» при изучении дисциплин «Материаловедение», «Технологические процессы в машиностроении» и «Управление качеством».
Апробация работы. Основные материалы по теме диссертации отражены в работах, опубликованных в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах, монографии, сборниках, заявках на изобретения и обсуждались на Международных научно-технических конференциях «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, Украина, 2008-2012гг.), ХХ Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», посвященной 100-летию со дня рождения Н.Н. Липчина. (г. Пермь, 2010г.), Международной научно-технической конференции «Технологический поверхностный слой» (г. Варшава, Польша, 2011г.), Международных конгрессах термистов и металловедов «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов». (г. Харьков, Украина, 2007-2008гг.), Международной научно-технической и образовательной конференции «Образование и наука - производству» (г. Набережные Челны, 2010г.), Научно-практических конференциях «ИНФО» (г. Сочи, 2009-2011), ХХVII Российской школе, посвященной 150-летию К.Э.Циолковского, 100-летию С.П.Королева и 60-летию Государственного ракетного центра «КБ им. ак. В.П.Макеева» (г. Миасс, 2007г.), Межрегиональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «III Камские чтения» (г. Набережные Челны, 2011г.), Международной научно-технической конференции «Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности» (г. Могилев, Белоруссия, 2009г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатных научных работ, из них 6 статей в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 1 монография, 1 статья в международном журнале и 9 статей в международных сборниках научно-технических конференций. По результатам работы подано 2 заявки на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложения. Содержание работы изложено на 132 страницах основного машинописного текста, включая 49 рисунков, 26 таблиц и библиографический список из 114 наименований.
