Разработка легирующих комплексов и технологических методов воздействия на кристаллизующуюся сталь для получения отливок железнодорожного транспорта с высокими механическими свойствами Солдатов Валерий Геннадьевич

Введение к работе

Актуальность работы. Основными требованиями к конструкционным сталям для корпусных отливок железнодорожного транспорта являются высокие прочностные свойства с достаточным уровнем пластичности и вязкости для избегания хрупкого разрушения изготовленных из них деталей, работающих при динамических нагрузках и в условиях низких температур. К числу таких сталей относится малоуглеродистая низколегированная сталь марки 20ГЛ, применяемая на ООО «Промышленная компания «Бежицкий сталелитейный завод» (ООО «ПК «БСЗ») для изготовления литых деталей подвижного состава железных дорог. Химический состав и уровень механических свойств данной стали регламентированы ГОСТ 22703-91, который предусматривает IV категории свойств для отливок автосцепного устройства подвижного состава железных дорог «Корпус автосцепки», «Тяговый хомут». Первой категории соответствуют минимально допустимые свойства: а-г=400 МПа, о-_в=540 МПа, 5>15%, ф>30 %, KCU.60>0,25 МДж/м², а IV-ой - самые высокие: ov=700 МПа, ст_в=840 МПа, 8>8%, <р>25 %, KCU-6o>0,25 МДж/м². До недавнего времени эти литые детали железнодорожного транспорта изготовлялись из стали 20ГЛ по 1-ой категории свойств ГОСТ 22703-91.

Ужесточение условий эксплуатации железнодорожного транспорта требуют повышения конструкционной прочности деталей автосцепного устройства, выходящих из строя по хрупким и усталостным разрушениям, а также по износу. Это вызвало необходимость повышения требований ОАО «РЖД» к стальным литым деталям и перехода к их изготовлению по П-ой категории свойств ГОСТ 22703-91, с выходом в будущем на Европейский уровень механических свойств, соответствующий Ш-ей и IV-ой категории свойств.

Актуальными являются проблемы: 1) повышения и стабилизации механических свойств стали 20ГЛ; 2) разработки новых марок сталей со стабильно высокими механическими свойствами, соответствующими Ш-ей и IV-ой категории ГОСТ 22703-91. Это определило направление проведения исследований, ориентированных на развитие перспективы получения стабильно высоких эксплутацион-ных свойств конструкционной стали в отливках железнодорожного транспорта.

Цель работы. Разработка и оптимизация технологических методов получения стальных отливок автосцепного устройства железнодорожного транспорта из стали 20ГЛ и исследование новых сталей с механическими свойствами на уровне III-IV категории по ГОСТ 22703-91.

Задачи работы:

3. Исследование влияния режимов технологического воздействия (метод выплавки, микролегирование, раскисление, модифицирование) на структуру и свойства низколегированной малоуглеродистой стали с последующей оптимизацией режимов заводской технологии;

4. Разработка новых технологических методов, обеспечивающих повышение механических свойств низколегированной малоуглеродистой стали на основе теоретического и экспериментального анализа влияния структурообразующих факторов, неметаллических включений и оптимизации химического состава;

3. Установление причин выхода из строя литых стальных деталей автосцепного устройства железнодорожного транспорта («Тяговый хомут» и «Корпус автосцепки») на основе анализа их эксплуатации;

4. Исследование влияния структуры и конструкции отливок железнодорожного транспорта на характер их разрушения в процессе длительной эксплуатации;

5.Разработка математических моделей и на их основе графических зависимостей механических свойств низколегированной малоуглеродистой стали 20ГЛ от её химического состава на основе математико-статистических методов;

6. Определение на основе математических моделей оптимального химического состава стали 20ГЛ обеспечивающего получение стабильно высоких механических свойств стальных отливок железнодорожного транспорта не ниже уровня И-ой категории по ГОСТ 22703-91;

7. Установление возможностей использования легирующих элементов и экспериментальное изучение их совместного влияния на свойства низколегированной малоуглеродистой стали после различных режимов термической обработки с применением математических методов планирования эксперимента для разработки новых низколегированных марок сталей с механическими свойствами на уровне Ш-ей и IV-ой категории по ГОСТ 22703-91;

8.Разработка и компьютерная реализация модели кристаллизации и охлаждения стальных отливок сложной конфигурации для железнодорожного транспорта с целью выявления в них объемных структурных несовершенств и разработки технологических методов их устранения;

9. Исследование морфологии и химического состава неметаллических вклю
чений в литой и термически обработанной конструкционной стали и их влияния
на ее механические свойства;

10. Разработка технологических способов воздействия на жидкую сталь с
помощью модифицирования и микролегирования с целью повышения её механи
ческих свойств, снижения усадочных дефектов в отливках, улучшения формы и
характера распределения неметаллических включений и уменьшения их количе
ства в микроструктуре стали.

Автор защищает:

1. Оптимизированный и внедренный химический состав стали 20ГЛ, выбранный на основе полученных математических моделей и графических зависимостей, позволивший в производственных условиях повысить и стабилизировать комплекс механических свойств стали в отливках железнодорожного транспорта не ниже уровня II категории по ГОСТ 22703-91;

2. Компьютерную модель процесса кристаллизации и охлаждения стальной отливки сложной конфигурации, позволившую определить зоны возникновения объемных структурных несовершенств в теле отливки;

3. Составы новых низколегированных малоуглеродистых сталей обеспечивающих достижение III и IV категории механических свойств в отливках железнодорожного транспорта по ГОСТ 22703-91, разработанные с помощью методов математического планирования эксперимента и методов определения характера ликвационного распределения в них легирующих элементов с применением рентгеноспектрального микроанализа (РСМА);

4. Экспериментальные исследования, направленные на выбор модификаторов и легирующих элементов для жидкой стали 20ГЛ и определение их влияния на свойства отливок после термической обработки;

5. Результаты экспериментального исследования влияния оптимизированного химического состава стали 20ГЛ на ее жидкотекучесть и выявления ее влияния на качество отливок железнодорожного транспорта;

6. Технологические методы воздействия при выплавке стали 20ГЛ оптимизированного химического состава в электродуговых и мартеновских печах в части применения новых типов модификаторов, оптимизации количества, состава рас-кислителей и модификаторов и последовательности их ввода в расплав стали;

7. Номограммы и зависимости совместного влияния химических элементов стали 20ГЛ (С, Mn, Si, Р, S, Cr, Ni, Си, Ті, А1) на её механические свойства после термической обработки, используемые для оптимизации её химического состава с целью получения отливок железнодорожного транспорта с высокими механическими свойствами;

8. Достигнутый технико-экономический эффект от внедрения научных раз
работок на производстве.

Общая методология исследований. Основные результаты получены на основе проведения большого объёма экспериментальных и опытно-промышленных исследований с применением современных компьютерных методов статистической обработки, оптимизации и моделирования, математических методов планирования экспериментов, рентгеноспектрального микроанализа.

Достоверность выводов и практических рекомендаций подтверждается использованием современных методов структурного анализа, компьютерной обработки результатов и моделирования, соответствием расчетных данных фактическим и использованием рекомендаций в реальных промышленных условиях.

Научная новизна работы состоит в получении данных, позволяющих повысить уровень механических и экспдутационных свойств корпусных отливок железнодорожного транспорта из низколегированных конструкционных сталей:

построены математические модели, номограммы и графические зависимости совместного влияния химических элементов малоуглеродистой низколегированной стали 20ГЛ на ее механические свойства а_в, от» 5, <р и KCU^o после термической обработки, которые в литературе отсутствуют;

на основе полученных математических моделей и графических зависимостей найден оптимальный химический состав малоуглеродистой низколегированной стали 20ГЛ, позволяющий получать стабильно высокие механические свойства отливок для железнодорожного транспорта по П-ой категории ГОСТ 22703-91 из этой стали после термической обработки, а также установлен верхний уровень её механических свойств;

исследован ряд низколегированных малоуглеродистых сталей, найдены математические модели и графические зависимости их механических свойств от совместного влияния химических элементов и выбраны новые химические составы сталей для отливок железнодорожного транспорта с высокими механическими свойствами на уровне ПІ-IV категории по ГОСТ 22703-91;

на основе исследования физических свойств малоуглеродистой низколегированной стали типа 20ГЛ и материала литейной формы с помощью компьютер-

ного моделирования процессов, происходящих при заполнении жидким металлом формы, кристаллизации и дальнейшем охлаждении стальной отливки типа «Хомут тяговый» с применением CAD системы Solid Works и САЕ системы Solid Cast разработаны методы установления мест возможной дислокации в теле сложных стальных отливок усадочных дефектов, что позволяет на стадии разработки техпроцесса и производства предусматривать эффективные технологические методы их предотвращения;

разработаны составы комплексных модификаторов жидкой стали, обеспечивающие улучшение формы и характера распределения неметаллических включений в структуре отливок, что позволяет повысить механические и эксплутаци-онные свойства отливок для железнодорожного транспорта;

найдены математические и графические зависимости химического состава, установлено влияние температуры, микролегирования и модифицирования стали 20ГЛ на её жидкотекучесть которые в литературе отсутствуют, что позволяет управлять качеством крупных отливок железнодорожного транспорта и устранять их брак по причине неудовлетворительной заполняемое литейной формы жидким металлом.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

разработан и внедрен оптимальный химический состав стали 20ГЛ, позволивший стабильно в производственных условиях получать отливки железнодорожного транспорта П-ой категории механических свойств по ГОСТ 22703-91;

выполнен анализ производственной особенности изготовления отливок железнодорожного транспорта из стали 20ГЛ на ООО «ПК «БСЗ», изучены взаимосвязи химического и фазового состава сплава с технологическими методами воздействия и их совместное влияние на комплекс механических свойств отливок;

проведенные исследования позволили установить, что из стали 20ГЛ можно получать отливки автосцепного устройства железнодорожного транспорта не выше И-ой категории свойств по ГОСТ 22703-91;

построенные по математическим моделям номограммы и графические зависимости совместного влияния химических элементов на механические свойства стали 20ГЛ после нормализации и закалки с отпуском, позволяют оперативно в производственных условиях на стадии выплавки стали по заданным свойствам находить и получать необходимое оптимальное сочетание элементов и, наоборот, по определяемому в процессе производства химическому составу стали прогнозировать механические свойства отливок и корректировать в нужном направлении химический состав жидкой стали;

определено, что наиболее благоприятными для низкого легирования конструкционной малоуглеродистой стали для отливок железнодорожного транспорта являются элементы, не образующие в структуре стали избыточных фаз и вторичных включений, для чего рекомендовано дополнительное легирование стали 20ГЛ элементами Сг и Ni в количестве до 0,50 %;

разработаны новые химические составы низколегированной малоуглеродистой стали и способы модифицирования жидкого металла, позволяющие получать отливки железнодорожного транспорта с высокими механическими свойствами на уровне Ш-ей и IV-ой категории по ГОСТ 22703-91;

компьютерным моделированием заполнения формы жидким металлом, кристаллизации и охлаждения отливки для железнодорожного транспорта «Тяговый хомут» из стали 20ГЛ определены зоны возникновения объемных структурных несовершенств и разработаны технологические методы борьбы с ними;

на основе проведенного в производственных условиях ООО «ПК «БСЗ» исследования факторов, влияющих на жидкотекучесть стали 20ГЛ и зависящих от неё видов брака отливок железнодорожного транспорта, даны практические рекомендации по их устранению в производственных условиях;

- разработанные в настоящей работе методы повышения механических
свойств стальных отливок для железнодорожного транспорта внедрены на ООО
«ПК «БСЗ» с большим экономическим эффектом и могут быть рекомендованы
для других предприятий, выпускающих аналогичные отливки.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждались на региональных и международных научно-технических конференциях проходивших на территории России и СНГ: Молодежная научно-техн. конф. технич. вузов России, 25-26 мая 2000 г., г. Брянск; Перспективы развития лесного и строительного комплексов, подготовки инженерных и научных кадров на пороге XXI века: Брянск, 2000 г.; Состояния и перспективы развития дорожного комплекса.4-ая междунар. конф., 10-11 мая 2001 г. Брянск; Международная научно-техническая конференция "Дороги-2001 ".-Брянск 2001 г.; региональная научно-техническая конф. Вклад ученых и специалистов в национальную экономику г. Брянск, 16-18 мая 2001 г.; Новые идеи, технологии, проекты и инвестиции: Третья региональная научно-техническая конференция 29.11.2001 г. Брянск; Междунар. межвузов, научно-техн. конф. студентов, аспирантов и магистрантов. 25-26 апреля 2002 г. Гомель; 56-научная конференции профессорско- преподавательского состава. Брянск 2002 г.; Международная научн.-техн. конф. в г. Брянске Контактная жесткость. Износостойкость. Технологическое обеспечение, 22-27 окт. 2003 Брянск.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 25 работ, 6 из которых в центральных периодических изданиях — журналах «Литейщик России» №12, 2003, С.13-17 и «Заготовительные производства в машиностроении» №4, С. 5-7, №5 С. 15-16,2004 г.; №2, С. 16-18,2005 г.; №4 С. 3-6, Кэб С. 6-9, 2006 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы из .... наименований и приложений; она содержит 180 страниц текста, 40 рисунков и 32 таблицы.