Повышение потребительских свойств стальных изделий нейтрализацией структурной наследственности при технологическом металлопеределе в машиностроении

На правах рукописи

УДК 621.785 : 669.14.018

ШВЕЁВА ТАТЬЯНА ВЛАДИМИРОВНА

ПОВЫШЕНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ НЕЙТРАЛИЗАЦИЕЙ СТРУКТУРНОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ МЕТАЛЛОПЕРЕДЕЛЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Специальность

05.16.09 – «Материаловедение (Машиностроение)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Набережные Челны - 2012

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Камская государственная инженерно-экономическая академия» (ИНЭКА).

Научный руководитель		Доктор технических наук, профессор Шибаков Владимир Георгиевич
Официальные оппоненты		Жарин Денис Евгеньевич доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «ИНЭКА», зав. кафедрой «Композитные материалы и технологии » Федоров Василий Борисович кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «ИжГТУ», зав. кафедрой «Технология металлов и металловедения»
Ведущая организация		Казанский национальный исследо- вательский технический университет им. А.Н. Туполева (КНИТУ - КАИ)

Защита состоится « 04 » сентября 2012 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.309.01 при ФГБОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономическая академия» по адресу: 423810, г. Набережные Челны, пр. Мира, 68/19. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономической академия».

Автореферат разослан « 01 » августа 2012 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Л. А. Симонова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 600°С;

- 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:

1. Предложена технология термической обработки стальных полуфабрикатов, обеспечивающая устранение нежелательных ликвационных проявлений в виде островной и полосчатой структуры при сохранении мелкозернистого строения в сплаве.
2. Предложена технология термического упрочнения из улучшаемых сталей, которая позволяет повысить надежность и долговечность изделий из стали с МНЛЗ в условиях знакопеременных нагрузок.
3. 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.).
4. 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.
5. 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, излагаются цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость, реализация и апробация работы.

В первой главе приведен аналитический обзор литературных, интернет - источников и патентных исследований по вопросам химико-структурной неоднородности сталей различного способа производства, степени их загрязненности неметаллическими включениями и влияние этих факторов на физико-механические и технологические свойства металлоизделий. Выделены нерешенные проблемы, определены цель и задачи исследования. Рассматриваются явления наследственности в стальных изделиях: отмечен большой вклад, внесенный в изучение этого явления Садовским В.Я., Нехендзи Ю.А., Никитиным В.И., Рубцовым Н.Н. и другими учёными. Однако этот вопрос изучен недостаточно и требует дальнейших исследований. Важная информация в области влияния ликвационных проявлений, структурных несовершенств, пористости, обезуглероживания и других факторов на механические и эксплуатационные свойства металлоизделий представлена в работах Гуляева А.П., Рахштадта А.Г., Гудремона Э., Меськина В.С., Еланского Г.Н., Явойского В.И., Банных О.А., Новикова И.И. и других отечественных и зарубежных учёных. Показано негативное действие этих явлений на потребительские свойства изделий. Это обуславливает необходимость выявления таких устойчивых проявлений в сплаве и разработке механизмов их нейтрализации или ликвидации на стадиях технологического металлопередела в машиностроительном производстве.

Эксплуатационные свойства деталей в значительной степени зависят от состояния поверхностного слоя, в формировании которого участвуют как машиностроительные, так и металлургические технологии. У большинства деталей присутствуют концентраторы напряжений, предусмотренные либо конструкцией (галтели, отверстия, выточки), либо созданные технологиями их изготовления (зажимы, подрезы, риски и т.д.), а зачастую и те и другие одновременно. Они служат очагами зарождения усталостных трещин и предопределяют преждевременное разрушение детали. Этот факт усиливает и без того высокие требования к механическим свойствам и чистоте поверхности стальных изделий. Особое значение при технологическом переделе стали приобретают вопросы наследственности, о чем свидетельствуют теоретические и экспериментальные исследования Дальского А.М., Суслова А.Г., Зинченко В. М., Глинера Р.Е., Тихонова А.К., Кальнера В.Д. и других учёных.

Дефекты металлургического характера (ликвационные проявления, точечная неоднородность, пористость и др.) могут присутствовать в поверхностном слое и этому явлению необходимо уделять особое внимание. Потенциальные возможности материала будут реализованы в том случае, если к качеству поверхности деталей будут предъявляться столь же высокие требования, как к самому материалу. Поэтому разработка способов обработки металлоизделий на стадиях технологического передела стали, связанных с формированием высокого комплекса свойств на рабочей поверхности детали является перспективным направлением для современного машиностроения, которое позволяет более полно использовать ресурс свойств, заложенный в сплаве.

Во второй главе описаны используемые материалы, оборудование и методы исследования состава, структуры и свойств стальных полуфабрикатов и готовых изделий. Исследования проводили на широкоприменяемых в автомобилестроении сталях – 20ХГНМТА, 15ХГН2ТА, 40Х, 40ХН2МА, 42ХМФА, 12ХН3А. Химический состав сталей определялся методом спектроскопии с использованием микрофотометра МФС-51 и спектрографа АФС-51 со специализированным программным обеспечением SBP и Next и приборов АН-7529 и АН-7560 для определения содержания углерода и серы. Механические свойства определяли на машине ЦД-20 при испытании стандартных образцов на растяжение (ГОСТ 1497-84), ударную вязкость – на маятниковом копре PSW-30. Микроисследования (степень загрязненности по ГОСТ 1778-70, зеренная структура путем визуальной оценки по ГОСТ 5639-82 и автоматическом определении с помощью системы «ВидеоТест-М» и программного продукта «Trixomet PRO», микроструктура поковок и деталей, обезуглероженный слой и т.д.) проводили с использованием электронного и оптического микроскопов Neophot-2 и Эпитип-2 (Германия), IM-7200 (Япония). Макроструктура изучалась на протравленных темплетах в соответствии с ГОСТ 10243. Измерения твердости и микротвердости изделий проводили с применением приборов ТК-2М (ГОСТ 9013-59), ТШ-2М (9012-59) и Durimet (ГОСТ 2999-75). Для фрактографических исследований изломов ударных образцов применяли электронный микроскоп Tesla BS-540. Приведена методика количественного определения оксидов и сульфидов в стали и суммарного загрязнения сплава с учетом анализируемой площади, вида и количества отдельных включений по размерным коэффициентам.

Для исследования качества дробенаклепа использовались: рентгеноструктурный анализ с использованием дифрактометра XRD 3003 PTS (Германия); индикатор с постоянной четырехточечной базой IWM EWB-01 для измерения интенсивности наклепа.

Обработка результатов испытаний проводилась с помощью методов математической статистики.

В третьей главе представлены результаты исследования микростроения стальных полуфабрикатов и деталей, в которых выявлена «островная» и «строчечная» структурная неоднородность (рис. 1). Установлено, что эти несовершенства в стали обладают высокой устойчивостью на всех этапах технологического металлопередела в машиностроительном комплексе и в той или иной степени наследуются готовыми изделиями. В отличие от основных структурных составляющих они обладают повышенным содержанием легирующих элементов, что сказывается на температуре минимальной устойчивости аустенита, и более высокой микротвердостью (HV50 350). Дисперсия по химсоставу и микротвердости между структурными составляющими служит причиной низкой технологичности стали на стадиях механической и упрочняющей обработки.

а) б)

Рисунок 1 - «Островная» (а) и «строчечная» (б) структурная неоднородность в стали

Исследованиями установлено, что наиболее приемлемым вариантом ликвидации нежелательной структурной неоднородности при металлопеределе являются технологии тепловой обработки стали (горячая пластическая деформация и предварительная термическая обработка) путем рационального сочетания температурно-временных и скоростных параметров процесса на стадии аустенитизации, этапе охлаждения до Ас1 – (20 - 40)°С и стадии диффузионного – превращения переохлажденного аустенита. Экспериментальное подтверждение получила температура нагрева полуфабриката, превышающая общерекомендуемую и составляющая Ас3 + (100 - 150)°С, которая одновременно обеспечивает сохранение мелкозернистого строения (рис. 2), и однородность состава сплава во всех микрообъемах в результате диффузионных явлений.

Рисунок 2 - Температурная зависимость роста зерна в стали,

полученной с МНЛЗ

Для подавления «строчечной» феррито-перлитной структуры главная роль отводится условиям охлаждения стали от температуры Ас3 + (100 - 150)°С до Ас1 - (20 - 40)°С. Избежать её можно путем ускоренного (более 23°С/мин) охлаждения изделий в указанном интервале температур (рис. 3). Экспериментальные исследования и производственный опыт позволили на примере стали 20ХГНМТА установить закономерность образования строчечности (полосчатости), зона проявления которой зависит от параметров термической обработки (рис. 4). Нетрадиционное решение получено и обосновано по ликвидации «островной» структурной неоднородности, заключающееся в обязательном проведении диффузионного распада переохлажденного аустенита по температурной схеме 680 - 660 - 640 - 600°С с выдержкой не менее двух часов при каждой температуре (рис. 5). Одновременная реализация технологических параметров при аустенитизации, на этапе подстуживания и на стадии диффузионного – превращения переохлажденного аустенита (рис. 5) обеспечивает стабильное формирование феррито-перлитной структуры в полуфабрикатах, изготовленных из стали различного способа производства и способствует повышению технологичности стали на операциях резания и пластической деформации.

Vохл = 2°С/мин Vохл = 32°С/мин

Рисунок 3 - Влияние скорости охлаждения на строчечность феррито-перлитной структуры

Рисунок 4 - Месторасположение зоны проявления «строчечности» в стали 20ХГНМТА

В случае наследования от металлопроката обезуглероженной поверхности заметно снижается усталостная прочность деталей. Учитывая сложность определения глубины и степени обезуглероживания стали на деталях сложной геометрической формы, в работе усовершенствована известная методика, в которой предусмотрено применение количественного металлографического анализа с помощью программного продукта «Trixomet PRO». Дробеобработка таких деталей позволяет устранить негативное воздействие, а за счёт рационального сочетания времени обработки, размеров, свойств, угла атаки и скорости полета дроби на поверхности формируются сжимающие напряжения на уровне 300 – 500 МПа, повышается микротвердость (рис. 6) и создаются условия для дополнительного повышения долговечности (в 3,5 – 5,5 раза) деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок (табл.1).

Рисунок 5 - Схема отжига и диффузионного распада аустенита в сталях с «островной» структурной неоднородностью

Рисунок 6 - Изменения микротвердости по сечению детали до (1) и после дробеобработки в течение 10 мин. (2), 20 мин. (3) и 30 мин. (4)

Таблица 1 - Долговечность (в циклах) шатунов ДВС (сталь 40ХН2МА)

Амплитуда нагрузки, кН	Обезуглероженный слой отсутствует, время обработки 10 мин	Глубина обезуглероженного слоя 0,17 мм
		без обработки	время обработки 10 мин	время обработки 30 мин
120	70000	30000	40000	80000
95	80000	90000	160000	220000
70	250000	170000	600000	900000

Четвертая глава посвящена выявлению стойких и нежелательных в стали ликвационных проявлений (квадрат, полоски), пористости и неметаллических включений. Представлены исследования по разработке технических и технологических решений, направленных на нейтрализацию таких дефектов на пути передела стали в машиностроительном комплексе. На примере широко применяемой стали 40Х показано изменение механических свойств в зависимости от схемы ее технологического передела (табл. 2). Несомненное позитивное влияние имеет горячая пластическая деформация, которая способствует устранению пористости, заварке микродефектов, дроблению и рациональной ориентации неметаллических включений и формированию оптимальной волокнистой структуры и текстуры деформации в изделиях.

Таблица 2 - Механические свойства сталей

№ п/п	Вид заготовки для изготовления детали	Механические свойства детали
		В, МПа	0,2, МПа	-1, МПа	KCU, МДж/м2	, %	, %
1	Отливка (литье в песчано-глинистую форму)	620	290	186	55,0	11,0	20
2	Сортовой прокат (после нормализации)	690	320	303	75,0	20,0	52
3	Поковка из литой заготовки (после нормализации)	685	320	260	75,5	17,6	36
4	Поковка из сортового проката (после нормализации)	866	455	379	83,0	20,9	54

Исследованиями разрушенных деталей автомобиля выявлено, что в большинстве случаев ресурс их работы определяется свойствами поверхностного слоя. Особую опасность представляют зоны концентрации дефектов металлургического характера и, особенно, выход ликвационного квадрата в район наиболее нагруженных сечений и на поверхность детали (рис. 7). В таких местах протекают процессы по созданию и накоплению напряжений, которые служат причиной преждевременного выхода из строя изделий и образования закалочных трещин (рис. 8 и рис. 9).

Установлено, что скопления неметаллических включений в виде ликвационного квадрата в полном объеме передаются готовому изделию и в зависимости от его месторасположения зависят итоговые свойства изделия. Об этом свидетельствуют экспериментальные исследования макростроения стали в различных сечениях коленчатого вала, изготовленного горячей объемной штамповкой из специально созданной заготовки (рис.10). Видно, что в процессе формообразования поковки происходит перемещение глубинных слоев металла исходной заготовки,

Рисунок 7 - Выход ликвационного квадрата к поверхности изделия

а) б)

Рисунок 8 - Ликвационный квадрат в центральной части (а) и у основания зуба (б) шестерни

Рисунок 9 - Ликвационный квадрат и обусловленная им трещина в детали

Рисунок 10 - Исходная заготовка (а) и макростроение в поперечных (б) и в продольных (в) сечениях отштампованного стального коленчатого вала (1 - основной металл детали; 2 – металл стержня)

загрязненных неметаллическими включениями к поверхности и наиболее нагруженным зонам детали. Для исключения такой ситуации и нейтрализации ликвационного квадрата, присутствующего в металлопрокате и передаваемого готовому изделию, разработан и обоснован тест-образец для исследования течения металла при формообразовании изделия пластической деформацией (заявка на изобретение №2012113089 от 11.04.2012 г). В конструкции образца предусмотрено использование разнородных материалов и имитация дефектных зон, присутствующих в металлопрокате (рис.11). Полученные результаты позволяют прогнозировать макростроение стального изделия и использовать его для нейтрализации данного дефекта путем целенаправленного проектирования штамповой оснастки для конкретной детали.

Рисунок 11 - Схема расположения в исходной заготовке (1) прутка (2) и труб (3 и 4), имитирующие дефекты макростроения

Присутствие ликвационных полосок размером до 0,15R в прокате, характерных для стали с МНЛЗ, снижает показатели пластичности на 50 – 80% и долговечность деталей более чем в 3 раза. Установлено, что пластическая деформация такого металла со степенью 87,5% (соответствует восьмикратной величине вытяжки при прокатке), обеспечивает локализацию ликвата и повышает показатель долговечности деталей до нормативно-установленных (350 тыс. циклов) значений (рис.12).

Рисунок 12 - Связь степени деформации стали, имеющей ликвационные полоски, с показателем долговечности детали

В пятой главе проведён сравнительный анализ строения и свойств сталей, полученных по традиционной схеме «слиток – блюм - сортовой прокат» и с МНЛЗ. Механические свойства этих сталей, определенные при статических испытаниях стандартных образцов, превышают показатели, заложенные в нормативной документации. В связи с особенностями строения стали с МНЛЗ, характеризуемыми присутствием ликвационных полосок и наличием центральной пористости, в работе установлена дисперсия свойств стали 40Х по сечению полуфабриката (табл. 3), а именно по пластичности и ударной вязкости (табл. 5.2). В большей степени снижение пластических свойств зафиксировано в центральной части проката.

Таблица 3 - Дисперсия свойств стали 40Х в прокате 95 мм

Место отбора проб	Показатели механических свойств
	в, МПа	т, МПа	, %	, %
«Чистая» зона	780	610	16	63
«Загрязненная» зона	770	600	11	42
Сердцевина	780	610	10	32

Оценка надежности металла при динамических нагрузках, в том числе и работающего в различных климатических условиях, показала преимущество стали традиционного способа производства, о чем свидетельствует температурная зависимость ударной вязкости стали (табл. 4). Дополнительная пластическая деформация стали 40Х с МНЛЗ положительно сказывается на ее свойствах и в случае деформации проката 95 мм на 50% (общая степень деформации металла составила 97,4%) ударная вязкость приближается к значениям для стали традиционного способа производства (рис. 13).

Таблица 4 - Ударная вязкость стали 40Х различного способа производства

Технология производства проката 95 мм		Ударная вязкость () при температуре, С
		+20	-20	-40	-60	-80
Традиционная (из слитка)		15,2	14,7	11,8	8,4	8,0
Из заготовок с МНЛЗ и дополнительной деформацией (%)	0	13,2	9,8	9,5	7,5	6,5
	25	14,0	11,4	9,4	8,2	7,6
	50	16,0	13,9	10,7	8,6	8,3

Рисунок 13 - Температурная зависимость ударной вязкости улучшенной стали 40Х традиционного (1) способа производства проката 95 мм и полученного из заготовок с МНЛЗ без дополнительной (2) и с дополнительной 50% (3) деформацией

Подтверждением полученных результатов служат фрактографические исследования изломов испытанных образцов (рис. 14 и рис. 15), показывающие вид и характер разрушения материала от его температуры и степени деформации.

Для деталей, изготавливаемых из стали с МНЛЗ с наличием резких перепадов сечений, дополнительное повышение долговечности достигается за счет упрочнения остаточными температурными напряжениями. Суть этого способа заключается в резком охлаждении деталей с температур высокого отпуска (600 700°С) для создания градиента температур по сечению в пределах 450 - 500°С и остаточных напряжений на уровне 300 – 400 МПа. Стендовые испытания шаровых опор автомобиля «КАМАЗ», имеющих в наиболее нагруженной зоне сечение более 25 мм и упрочненные этим способом, показали увеличение усталостной прочности на 22 – 34% (табл. 5).

Рисунок 14 - Фрактограммы вязких изломов при температуре минус 20°С улучшенной стали 40Х: а, б, в – традиционный способ производства проката; г, д, е – прокат из

заготовок с МНЛЗ и дополнительной (50%) деформацией

Рисунок 15 - Фрактограммы смешанных (вязко-хрупких) изломов при минус 20°С улучшенной стали 40Х с МНЛЗ

Таблица 5 - Усталостная прочность шаровых опор из стали 40Х

Амплитуда нагрузки, кН	Долговечность деталей, циклы
	Сталь традиционного способа производства	Сталь с МНЛЗ
		без упрочнения	с упрочнением остаточными напряжениями
132	307800	62000	84000
119	484000	316000	386300
107	не разрушилась	775400	не разрушилась

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Исследования, выполненные в настоящей диссертационной работе, позволили сделать следующие основные выводы:

1. На основе аналитического обзора и анализа работ в области исследований и применения сталей различного способа производства в машиностроении выявлены металлургические особенности, наследуемые готовыми изделиями, которые неоднозначно влияют на физико-механические и технологические свойства сплава. К таковым относятся химсостав, различные ликвационные проявления, пористость, обезуглероженный слой, зернистость и т.д. Достижение заданных потребительских свойств изделиями возможно в случае целенаправленного управления этими особенностями на всем пути преобразования металла в деталь при технологическом переделе.

2. Установлено, что между механической прочностью изделий и унаследованными металлургическими дефектами существует связь, которая свидетельствует о доминирующем влиянии месторасположения ликвационных проявлений, наличии градиентных структур, морфологии неметаллических включений и степени деформации стали при формообразовании изделий.

3. Выявлено, что нежелательная металлургическая «островная» и «строчечная» структурная неоднородность в стали устраняются в результате высокотемпературной (Ас3 + 100150 °С) аустенитизации в сочетании с последующим ускоренным (не менее 23°С/мин) охлаждением до температуры Ас1 – (20-40°C) и диффузионным - превращением при ступенчатом понижении температуры с изотермическими выдержками при 680, 660, 640 и 600°С.

4. Экспериментально установлена температурная зависимость устойчивости к росту зерна при нагреве, исследуемых цементуемых и улучшаемых сталей с МНЛЗ, свидетельствующая об идентичности её с зависимостью для аналогичных сталей традиционного способа производства «слиток – блюм – сортовой стан».

5. Усовершенствована методика определения глубины обезуглероженного слоя, позволяющая с помощью системы «ВидеоТест-М» и программного продукта «Trixomet PRO» оценить степень и глубину обезуглероживания на деталях сложной конфигурации, которая базируется на количественном металлографическом анализе структурных составляющих и неметаллических включений в отожженной стали.

6. В развитие и подтверждение теории поверхностного пластического деформирования по отношению к деталям с наличием обезуглероженного слоя, наследуемого от высокотемпературных металлургических процессов, разработана и обоснована технология дробеструйной обработки для создания сжимающих напряжений и повышения микротвердости в поверхностном слое, обеспечивающая увеличение долговечности тяжелонагруженных деталей автомобиля в 3,5-5,5 раза.

7. Установлена температурная зависимость ударной вязкости стали различного способа производства (традиционного и с МНЛЗ), из которой следует, что сопротивляемость хрупкому разрушению материала зависит от технологии изготовления полуфабриката и степени его пластической деформации. Высокие значения свойств, характерные для стали традиционного способа производства «слиток – блюм – сортовой прокат», достигаются сталью с МНЛЗ при степени её деформации 97% и выше.

8. Разработан и обоснован способ термической обработки деталей из термоулучшаемых сталей с МНЛЗ, базирующийся на создании термических остаточных сжимающих напряжений на уровне 300 – 400 МПа в изделиях с концентраторами напряжений за счет градиента температур между поверхностью и сердцевиной в пределах 450-500°С, возникаемого в результате ускоренного охлаждения с температур высокого отпуска. Это позволяет повысить на 22-34% долговечность деталей в условиях знакопеременных нагрузок.

9. В развитие действующего ГОСТ 1778-70 по методам определения неметаллических включений предложен микроскопический контроль на содержание сульфидов и оксидов по коэффициенту площади таких соединений в отдельности или как единый показатель, начиная с определенной граничной величины, с учётом вида, размерного фактора и частоты их распределения.

10. Разработан метод контроля качества стальных изделий и тест-образец для его осуществления, позволяющий прогнозировать в деформированных изделиях месторасположение наследуемых металлургических особенностей макро- и микростроения (заявка на изобретение №2012113089 от 11.04.2012г.). Полученная информация может быть реализована при проектировании технологических процессов изготовления высококачественной продукции в машиностроении путем исключения выхода дефектов металлургического происхождения на поверхность и в наиболее нагруженные сечения детали при её формообразовании пластическим деформированием.

11. Для исключения негативного влияния центральной пористости и ликвационных полосок на показатели физико-химических свойств стали необходима горячая пластическая деформация сплава со степенью более 87,5% (коэффициент вытяжки при прокатке от 8 крат и более).

12. Разработанные методики и технологии обработки изделий используются в серийном производстве и учебном процессе и рекомендуются к внедрению на различных предприятиях машиностроительного комплекса.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные положения диссертации и полученные результаты работы отражены в публикациях, основными из которых являются:

Монография:

1. Астащенко, В.И. Контроль качества и наследственность строения стали при технологическом металлопеределе./ В.И. Астащенко, А.И. Швеёв, Т.В. Швеёва. Мин-во обр-я и науки РФ; ФГБОУ ВПО «Камская госуд. инж.-эконом. академия».-М.: Academia, 2011.-239с.

Научные статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК:

2. Швеёва Т.В., Астащенко В.И. Устойчивость литого строения стали при технологическом металлопеределе..// Технология металлов. Москва. – 2012. -№7.-С. 11-19.
3. Швеёва Т.В., Астащенко В.И., Швеёв А.И., Ищенко В.И. Управление качеством стальных изделий при технологическом переделе металла.// Автомобильная промышленность.Москва.- 2011г. - № 10. - С. 32-34.
4. Швеёва Т.В., Астащенко В.И., Родькин И.М. Технологические решения при переделе металлопроката для повышения свойств стальных изделий// Технология металлов. Москва. – 2012. -№8.-С. 9-14.
5. Астащенко Т.В. (Швеёва), Калимуллин Р.Р, Швеёв А.И., Родькин И.М. Оценка состояния металла зубчатых колес после химико-термической обработки.// Автомобильная промышленность. Москва.–2010.- № 6.- С.33-36
6. Астащенко В.И., Швеёв А.И., Астащенко Т.В. (Швеёва). Родькин И.М., Швеёв И.А. Термическая обработка стальных заготовок под холодную пластическую деформацию.// Автомобильная промышленность. Москва. – 2010. - № 3. - С. 31-34
7. Швеёва Т.В., Астащенко В.И., Калимуллин Р.Р. Садриев Р.Ш. Свойства поверхности деталей после дробеструйной обработки.// Технология металлов. Москва. – 2011. -№8. - С. 36-40.

Работы, опубликованные в других изданиях:

8. Астащенко Т.В. (Швеёва), Садриев Р.Ш., Калимуллин Р.Р. Швеёв А.И., Родькин И.М. Материаловедческие критерии оценки надежности металла цементуемых деталей машин.// Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Международный сборник научных трудов.- Украина, Донецк: ДонНТУ, 2010г. Выпуск 40, с. 8-14.
9. Калимуллин Р.Р., Астащенко Т.В. (Швеёва), Садриев Р.Ш. К вопросу о показателях оценки качества металла зубчатых колес после цементации. //Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», посвященная 100-летию со дня рождения Н.Н.Липчина. Сборник материалов ХХ Уральской школы металловедов-термистов. - Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2010г. С. 7.
10. Шибаков В.Г., Швеёва Т.В., Астащенко В.И., Швеёв А.И. Технологическое обеспечение качества деформируемых стальных изделий. //Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Международный сборник научных трудов. - Выпуск 42. -Украина, Донецк: ДонНТУ, 2011г. С.294-300.
11. Астащенко В.И., Шибаков В.Г., Соловейчик С.С., Астащенко Т.В. (Швеёва). Родькин И.М. Наследственность макро- и микростроения в стальных заготовках деталей машин.// Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов. Сборник докладов 8-го Международного Конгресса термистов и металловедов.– Харьков: ННЦ «ХФТИ», ИПЦ «Контраст», 2006 г. - Т.1., с. 117-122.
12. Западнова Е.А., Западнова Н.Н., Астащенко Т.В. (Швеёва). О роли неметаллических включений в формировании свойств стальных изделий. //Образование и наука - производству. Сборник трудов Международной научно-технической и образовательной конференции.- часть I, книга 2. Набережные Челны: Изд-во Кам. госуд. инж.- экон.акад., 2010г. С.165-168
13. Швеёва Т.В., Астащенко В.И., Швеёв А. И. Критерии оценки надежности металла Warstwa wierzchnia technologicznie ksztaltowana. /Warstwa wierzchnia technologicznie ksztaltowana. Warszawa, 2011, с. 16-21.
14. Швеёва Т.В., Астащенко В.И., Смирнов Ю.П., Соловейчик С.С., Швеёв А.И., Родькин И.М. О роли технологического передела стали в создании конкурентоспособной продукции.// Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Международный сборник научных трудов. - Выпуск 45. -Украина, Донецк: ДонНТУ, 2012г. С.150-156.
15. Швеёва Т.В., Швеёв А.И. Микроструктурный мониторинг сплавов с применением программного продукта Trixomet PRO.// Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий. Материалы VIII научно-практической конференции. / Под ред. В.Г. Домрачева, С.У. Увайсова- М.:МИЭМ, 2011. С. 220-224.
16. Астащенко В.И., Соловейчик С.С., Астащенко Т.В. (Швеёва), Сосновский А.П. Высокопрочные стали для автомобилестроения. //Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Международный сборник научных трудов. - Выпуск 38. -Украина, Донецк: ДонНТУ, 2009г. С.17-22.
17. Астащенко В.И., Бикулов Р.А., Козлов В.Г., Астащенко Т.В. (Швеёва), Родькин И.М. Прокаливаемость стали – основополагающий фактор работоспособности цементованных зубчатых колес. //Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов. Сборник докладов IХ-го Международного конгресса термистов и металловедов.- Т.1. – Харьков: ННЦ «ХФТИ», 2008 г. С.58-61

Подписано в печать 31.07.2012 г.

Формат 60х84/16 Бумага офсетная Печать ризографическая

Уч.-изд.л. 1,1 Усл.-печ.л. 1,1 Тираж 100 экз.

Заказ 2314

Издательско-полиграфический центр

Камской государственной инженерно-экономической академии

423810, г. Набережные Челны, Новый город, проспект Мира, 68/19

тел./факс (8552) 39-65-99 e-mail: [email protected]