Актуальность проблемы. Основными требованиями к конструкционным сталям для 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 отрицательных температур. К числу таких сталей относится и малоуглеродистая низколегированная сталь марки 20ГЛ, которую применяют для изготовления ответственных литых деталей подвижного состава железных дорог. Химический состав и уровень механических свойств данной стали регламентированы ГОСТ 22 703–91, который предусматривает 4 категории свойств. Первой категории соответствуют минимально допустимые свойства: сгт=400 МПа (предел текучести), ав=540 МПа (предел прочности), 8>15% (относительное удлинение), ср>30% (относительное сужение), KCU6o>0,25 МДж/м2 (ударная вязкость при температуре -60 °С), а IVоисамые высокие: ог=700 МПа, <тв=840 МПа, 8>8%, ср>25%, KCU.60>0,25 МДж/м. До недавнего времени литые детали железнодорожного транспорта изготовлялись из стали 20ГЛ по 1-ой категории свойств ГОСТ 22 703–91.
Существуют также нормы безопасности железнодорожного транспорта НБ ЖТ ТМ 02−98, основными требованиями которых к качеству ответственных деталей являются соответствие: механических свойств и микроструктуры стали ГОСТ 22 703–91 и ОСТ 32.183−2001; показателей стендовых испытаний на усталость нормативным показателям.
Ужесточение условий эксплуатации железнодорожного транспорта, увеличение скорости движения грузовых поездов, грузоподъёмности вагонов и интенсивности маневровых операций, расширение сети железных дорог в районах Севера требуют повышения конструкционной прочности стальных литых деталей железнодорожного транспорта, выходящих из строя, как показывают данные эксплуатации, по хрупким и усталостным разрушениям, а также по износу. Это вызывало необходимость повышения требований ОАО «Российские железные дороги» к стальным литым деталям железнодорожного транспорта и перехода к их повсеместному изготовлению по П-ой категории свойств ГОСТ 22 703–91, и стремление выхода 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 с стабильно высокими механическими свойствами, соответствующими Ш-ей и IV-ой категории ГОСТ 22 703–91. Отсюда определены приоритетные направления проведения исследований, ориентированных на развитие перспективы получения стабильно высоких эксплутационных свойств конструкционной стали в отливках ответственного назначения, которым соответствует цель и задачи данной научной работы.
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 22 703–91.
Задачи работы:
1. Исследование влияния режимов технологического воздействия (метод выплавки, микролегирование, раскисление, модифицирование) на структуру и свойства низколегированной малоуглеродистой стали с последующей оптимизацией режимов заводской технологии;
2. Разработка новых технологических методов, обеспечивающих повышение механических свойств низколегированной малоуглеродистой стали на основе теоретического 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 П-ой категории по ГОСТ 22 703–91;
7. Установление возможностей использования легирующих элементов и изучения 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 22 703–91;
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 включений в литой и термически обработанной конструкционной стали и их влияние на механические свойства;
10. Разработка технологических способов воздействия на жидкую сталь с помощью модифицирования и микролегирования с целью повышения её жид-котекучести, снижения усадочных дефектов в отливках, улучшения формы и характера распределения неметаллических включений и уменьшения их количества 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 22 703–91;
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 22 703–91, 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 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 раскислителей 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, Ti, 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 разработок 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. Полученные на основе этого данные использовались при планировании экспериментальных лабораторных и промышленных исследований, проводимых с целью проверки результатов системного теоретического и компьютерного анализа, оптимизации химического состава, определения возможностей и особенностей модифицирования и легирования жидкой стали, их влияния на свойства отливок после различных видов термической обработки и получения конкретных практических рекомендаций.
Достоверность полученных данных, выводов и практических рекомендаций подтверждается использованием современных методов структурного анализа, компьютерной обработки результатов и моделирования, соответствием расчетных данных фактическим и использование рекомендаций в реальных промышленных условиях.
Научная новизна работы состоит в получении данных, позволяющих повысить уровень механических и эксплутационных свойств отливок ответственного назначения для железнодорожного транспорта из низколегированных конструкционных сталей и обеспечить стабильное их качество:
— построены математические модели и графические зависимости совместного влияния химических элементов низколегированной стали 20ГЛ на ее механические свойства <тв, от, 8, ф и КС!160 после термической обработки отливок нормализации и закалки + высокий отпуск;
— на основе полученных математических моделей и графических зависимостей найден оптимальный химический состав конструкционной низколегированной стали 20ГЛ, позволяющий получать стабильные механические свойства в отливках для железнодорожного транспорта лишь по И-ой категории ГОСТ 22 703–91 из этой стали после различных видов термической обработки, что ограничивает её использование для дальнейшего увеличения свойств этих отливок до III и IV категории;
— на основе математических методов планирования эксперимента исследованы новые низколегированные малоуглеродистые стали, найдены математические модели и графические зависимости их механических свойств от совместного влияния химических элементов и на их основе выбраны оптимальные их химические составы для отливок железнодорожного транспорта ответственного назначения, позволяющие получать их с высокими механическими свойствами на уровне III-IV категории по ГОСТ 22 703–91;
— на основе исследования физических свойств стали и материала литейной формы с помощью компьютерного моделирования процессов, происходящих при заполнении жидким металлом формы, кристаллизации и дальнейшем охлаждении стальной отливки с применением CAD системы Solid Works и CAE системы Solid Cast разработаны методы установления мест возможного расположения в её теле 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 экс-плутационные свойства отливок для железнодорожного транспорта;
— установлено влияние химического состава, температуры, микролегирования и модифицирования стали 20ГЛ на её жидкотекучесть, что позволяет управлять качеством крупных отливок железнодорожного транспорта и устранять их брак по причине неудовлетворительной заполняемости литейной формы жидким металлом.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
— разработан и внедрен оптимальный химический состав стали 20ГЛ, позволивший в производственных условиях получать отливки железнодорожного транспорта по П-ой категории механических свойств по ГОСТ 22 703–91;
— проведенные исследования позволили установить, что ресурс низколегированной стали 20ГЛ исчерпан полностью и даже при оптимальном её химическом составе можно получать отливки железнодорожного транспорта не выше П-ой категории свойств по ГОСТ 22 703;
— построенные по математическим моделям 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;
— в результате проведенных исследований определено, что наиболее благоприятными для низкого легирования конструкционной малоуглеродистой стали для отливок железнодорожного транспорта являются элементы, обладающие хорошей растворимостью в феррите и перлите, 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 в будущем получать отливки железнодорожного транспорта с высокими свойствами на уровне Ш-ей и IV-ой категории по ГОСТ 22 703–91;
— компьютерным моделированием заполнения формы жидким металлом, кристаллизации и охлаждения отливки для железнодорожного транспорта «Тяговый хомут» определены области появления в ней возможных литейных дефектов и методы борьбы с ними;
— на основе проведенного в производственных условиях ООО Промышленная компания «Бежицкий сталелитейный завод» г. Брянск (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 были доложены и обсуждались на региональных и международных научно-технических конференциях проходивших на территории России и СНГ, тезисы докладов были напечатаны в соответствующих сборниках: Молодежная научно-техн. Конф. Технич. Вузов центральной России, 25−26 мая 2000 г., г. БрянскПерспективы развития лесного и строительного комплексов, подготовки инженерных и научных кадров на пороге XXI века, Брянск, 2000; Качество машин: 10−11 мая 2001 г. БрянскСостояния и перспективы развития дорожного комплекса. «Дороги-2001 «.-БрянскВклад ученых и специальстов в национальную экономику: г. Брянск, 16−18 мая 2001 г.- Новые идеи, технологии, проекты и инвестиции: Третья региональная научно-техническая конференция-ярмарка 29 ноября 2001 года, г. БрянскСборник материалов междунар. межвузов, научно-техн. конф. студентов, аспирантов и магистрантов. 25−26 апреля 2002 г. — Гомель- 56-ая научная конференция профессорско — преподавательского состава. Брянск, 2002; Контактная жесткость. Износостойкость, г. Брянск, 22−27 окт. 2003.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 23 работы, 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, № 6 С. 2006 г.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы из 94 наименований и приложенийона содержит 180 страниц текста, 40 рисунков и 32 таблицы.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.
Необходимым условием обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте является надежная и безотказная работа литых деталей подвижного состава. По данным РЖД 2,2% только боковых рам в рабочем парке имеют срок службы более 30 лет, или в абсолютных величинах это около 48 тысяч деталей. В ближайшее время еще 5% боковых рам превысят нормативный срок службы. При этом качество новых поступающих отливок находится на низком уровне, что обусловливает проведение целого комплекса исследований и мероприятий по его повышению. Это и было целью данной работы, в результате выполнения которой сделаны следующие выводы:
1. Из анализа данных эксплуатационной стойкости стальных вагонных отливок определено, что выход их из строя происходит по двум видам изломов — хрупкому и усталостному. Основными факторами, способствующими выходу из строя литых стальных деталей по хрупким изломам, являются пониженные механические свойства стали, которые определяются недостатками технологии выплавки и раскисления стали, приводящие к повышенному её загрязнению неметаллическими включениями и газами, нарушения и несовершенство литейной технологии, приводящие к образованию литейных дефектов усадочного и др. характера. При выполнении настоящей работы учитывались перечисленные выше факторы.
2. В результате теоретического анализа процесса усталостного разрушения определено, что он развивается при напряжениях, значительно меньших (в два и более раз), чем временное сопротивление материала. Основными внешними факторами, влияющими на усталостную прочность, являются: температура, скорость (частота) и величина приложения нагрузки, характер напряженного состояния, свойства окружающей среды. Важную роль играют также характеристики самих деталей: правильность геометрических размеров и формысостояние поверхности, определяемое технологическими литейными свойствами жидкого металла (жидкотекучесть) и литейной формыхимический состав, микроструктура и особенно наличие концентраторов напряжений на поверхности и в теле отливки, в качестве которых могут выступать очаги коррозии, усадочные дефекты в виде пористости и неметаллические включения. Перечисленные выше факторы учитывались при выполнении настоящей работы.
3. Из теоретического анализа определено, что для обеспечения высокой усталостной прочности стальных отливок ответственного назначения для железнодорожного транспорта необходимо иметь в них оптимальное сочетание прочностных (предел прочности ав> предел текучести ст), пластических (относительное удлинение 8 и сужение ф) свойств и ударной вязкости (KCU. бо). Основными факторами, влияющими на эти свойства, являются химический состав, микроструктура и неметаллические включения, выступающие концентратами напряжений и являющиеся основной причиной усталостного разрушения деталей, что учитывалось при выполнении настоящей работы.
4. На основе выполненных теоретических исследований установлена закономерность влияния химического состава на структуру, механические и эксплутационные свойства отливок из малоуглеродистой низколегированной конструкционной стали. Определены основные элементы, определяющие структуру и свойства стали после термической обработки и рекомендуемое их содержание в конструкционной низколегированной стали применяемой для изготовления деталей железнодорожного транспорта — С не более 0,24%, Мп не более 1,50%, Si 0,30−0,60%. При этом отмечено отсутствие в литературных данных информации о совместном влиянии легирующих элементов на свойства стали. Особое внимание уделено элементам-раскислителям — А1, Са, Ti, от количества и технологии ввода которых в жидкий металл зависит количество, форма и характер распределения неметаллических включений в стали и размер зерна после термической обработки.
5. Из проведенного теоретического анализа состава неметаллических включений НМВ в малоуглеродистой низколегированной конструкционной стали установлено, что основную массу составляют сульфиды, оксиды и сложные соединения на их основе, от формы, характера распределения и количества которых зависят механические свойства стали в отливках. Определены основные технологические направления снижения содержания НМВ в стали, улучшения их формы и характера распределения в теле отливки, к числу которых относится соблюдение технологии раскисления стали и порядка ввода элементов-раскислителей и модифицирование расплава активными элементами. К ним отнесены элементы группы РЗМ, при реальных концентрациях серы в расплаве стали и температуре порядка 1550−1600 °С только они способны связывать серу, образуя тугоплавкие соединения глобулярной формы, которая наиболее приемлема для отливок ответственного назначения, работающих в условиях усталостного износа.
6. В результате анализа химического состава конструкционной стали 20ГЛ, из которой в настоящее время на ООО «ГЖ «БСЗ» изготовляют литые детали железнодорожного транспорта, и сопоставления предъявляемым к ним РЖД требованиям определено, что потенциал данной стали исчерпан, и при существующем её химическом составе отливки получаются с минимально допустимыми свойствами по 1-ой категории ГОСТ 22 703–91, который предусматривает IV категории свойств. В связи с этим на основе статистической обработки данных реальных промышленных плавок выполнены следующие задачи:
— построены математические модели совместного влияния химических элементов стали 20ГЛ (С, Мп, Si, Р, S, Сг, Ni, Си, Ti, А1) на её механические свойства после термической обработки (нормализация и закалка + отпуск);
— построены графики совместного влияния основных элементов (С, Мп, Si) на свойства стали ов, от, 5, ср и KCU.60, удобные для практического использования на производстве при прогнозировании механических свойств и подбора сочетания элементов для обеспечения нужных свойств;
— на основе проведенного комплексного анализа влияния химических элементов на механические свойства стали 20ГЛ для ответственных отливок железнодорожного транспорта были определены следующие оптимальные интервалы варьирования химического состава, обеспечивающие повышенные механические свойства для этих отливок, как при их нормализации, так и при закалке с отпуском: хим. Содержание элемента, % состава С Мп Si.
1 0,19−0,20 1,20−1,40 0,35−0,60.
2 0,21−0,23 1,10−1,30 0,30−0,60.
3 0,24−0,25 1,00−1,20 0,30−0,60.
Данные рекомендации были внедрены на ООО «ПК «БСЗ», что позволило перейти к изготовлению отливок автосцепного устройства железнодорожного транспорта по П-ой категории свойств ГОСТ 22 703–91.
— определены приоритетные направления по возможному дальнейшему повышению и стабилизации свойств отливок железнодорожного транспорта в будущем, основанные на применении модифицирования стали 20ГЛ и разработки сталей с новыми химическими составами.
7. Экспериментальным исследованием химического состава низколегированной стали и характера распределения элементов в ее структуре с применением математических методов планирования активного многофакторного эксперимента и рентгеноспектрального микро-анализа (РСМА) — определены приоритетные легирующие элементы и их пределы содержания, позволяющие выйти на новый более высокий уровень механических свойств стали в отливках железнодорожного транспорта — Сг 0,30−0,50% и Ni 0,40−0,60%. Проведены лабораторные и опытно-промышленные плавки с оптимальным по С, Мп и Si химическим составом стали 20ГЛ и с содержанием Сг и Ni в указанных выше пределах. Прочностные свойства От и Ов стали этих плавок после нормализации превышают требуемый уровень механических свойств, а после закалки с отпуском соответствуют Ш-ей и IV-ой категории свойств по ГОСТ 22 703–91, при этом наблюдается значительный запас пластичности 5, ф и ударной вязкости при отрицательных температурах KCU6o, что является ценным свойством при эксплуатации ответственных деталей железнодорожного транспорта.
8. Проанализирована возможность применения CAD системы Solid Works и CAE системы Solid Cast для имитации процессов, происходящих при заполнении жидким металлом формы, кристаллизации многокомпонентного сплава (низколегированной стали) и дальнейшем охлаждении отливки, а также при обнаружении мест возможной дислокации дефектов в теле отливки. На основе проведенных исследований по моделированию кристаллизации и охлаждения в форме отливки «Тяговый хомут» разработаны рекомендации для ООО «ПК «БСЗ» по повышению её качества путём модифицирования и микролегирования расплава, улучшения конструкции литниково-питающей системы.
9. Рассмотрен вопрос влияния технологических факторов и химического состава изготавливаемой на ООО «ПК «БСЗ» стали 20ГЛ на ее жидкотекучесть. Проанализированы и изучены теоретические и опытные данные, полученные по результатам реальных плавок, на основании которых построена математическая модель зависимости жидкотекучести стали от ее химического состава (С, Mn, Si, Р, S, Cr, Ni, Си, Ti, А1). На основании полученной зависимости выявлены химические элементы, влияние которых на исследуемый фактор оказалось наиболее весомым — это элементы-раскислители (Al, Ti), сера и фосфор, взаимодействие которых с жидким металлом предопределяет его состав, структуру и физико-химические свойства. Была выведена математическая модель зависимости относительного коэффициента бракованных отливок Кбр от жидкотекучести, определяемой химическим составом стали 20ГЛ в виде квадратичного уравнения. Определен метод снижения брака стальных отливок «Рама» и «Балка» по недоливам и спаям, который на 50% зависит от качества форм и на 50% от жидкотекучести металла — это повышение жидкотекучести стали 20ГЛ выбором оптимальных технологий раскисления, модифицирования, режимов заливки форм и соблюдением температурного режима заливки.
10. В результате опытно-промышленных работ по наблюдению и хронометрированию заливки форм жидким металлом в производственных условиях общий брак отливок «Рама» и «Балка» уменьшился на 2,19% или на 16,71% по сравнению со среднегодовым показателем, при этом качество заливки форм по наблюдаемым плавкам увеличилось — если в начале наблюдения заливалось более 50% форм с замечаниями по качеству струи при разливке жидкой стали, то в конце наблюдений уже менее 20%) форм.
11. При проведении теоретического анализа и лабораторных экспериментов были выбраны модифицирующие элементы для конструкционной низколегированной стали 20ГЛ — магний Mg и элементы группы РЗМ. После проведения лабораторных исследований и опытно-промышленных экспериментов разработана оптимальная технология и составы комплексных модификаторов для конструкционной низколегированной стали, позволяющие получать стабильно высокие свойства в отливках после термической обработки (нормализация и закалка + отпуск). Магний содержащая лигатура ФСМг в количестве 0,1% от массы металла- 0,10−0,12% КЦеЖ (РЗМ содержащая лигатура) от массы металла с вводом CaSi в количестве 0,3−0,7 кг на тонну жидкой стали и 0,15−0,17% КЦеЖ без добавления CaSi.
