Разработка легирующих комплексов и технологических методов воздействия на кристаллизующуюся сталь для получения отливок железнодорожного транспорта c высокими механическими свойствами

На правах рукописи

Солдатов Валерий Геннадьевич

РАЗРАБОТКА ЛЕГИРУЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА КРИСТАЛЛИЗУЮЩУЮСЯ СТАЛЬ ДЛЯ

ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

C ВЫСОКИМИ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Специальность: 05.02.01 Материаловедение в машиностроении.

05.16.04 Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2006

Работа выполнена в Брянском государственном техническом университете.

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Кульбовский Иван Кузьмич

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Давыдов Сергей Васильевич

Официальные оппоненты:

1. доктор технических наук, профессор Столяров Владимир Владимирович

2. кандидат технических наук, доцент Тупатилов Евгений Анатольевич

Ведущая организация:

ООО “ПК (Промышленная Компания) “БСЗ” (Бежицкий Сталелитейный
Завод) (г. Брянск)

Защита состоится 13 декабря 2006 г. в 14:15 часов на заседании диссертационного совета Д212.129.01 Московского государственного индустриального университета по адресу: 115280, г. Москва, ул. Автозаводская, д. 16.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного индустриального университета.

Автореферат разослан 13 ноября 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.129.01

к.т.н., доцент Ю.С. Иванов

Общая характеристика работы

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: sТ=400 МПа, sВ=540 МПа, d15%, 30 %, КСU-600,25 МДж/м2, а IV-ой – самые высокие: sТ=700 МПа, sВ=840 МПа, d8%, 25 %, КСU-600,25 МДж/м2. До недавнего времени эти литые детали железнодорожного транспорта изготовлялись из стали 20ГЛ по I-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 II-ой категории свойств ГОСТ 22703-91, с выходом в будущем на Европейский уровень механических свойств, соответствующий III-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 III-ей и IV-ой категории ГОСТ 22703-91. Это определило направление проведения исследований, ориентированных на развитие перспективы получения стабильно высоких эксплутационных 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:

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 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 II-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 III-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 включений 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 механических свойств, 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 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 раскислителей и модификаторов и последовательности их ввода в расплав стали;

7. Номограммы и зависимости совместного влияния химических элементов стали 20ГЛ (С, Mn, Si, P, S, Cr, Ni, Cu, Ti, Al) 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.

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 эксплутационных 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 В, Т,, и KCU-60 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 II-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 III-IV категории по ГОСТ 22703-91;

- на основе исследования физических свойств малоуглеродистой низколегированной стали типа 20ГЛ и материала литейной формы с помощью компьютерного 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 эксплутационные 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 заполняемости 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 II-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 II-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 Cr 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 III-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, №6 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложены ее цель, задачи, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе выполнен аналитический обзор состояния вопроса. Проведен анализ основных причин выхода из строя литых стальных деталей автосцепного устройства железнодорожного транспорта («Тяговый хомут» и «Корпус автосцепки») при их эксплуатации, проведено теоретическое исследование влияния структуры и конструкции отливок железнодорожного транспорта на характер их разрушения. Рассмотрены требования условий эксплуатации к отливкам железнодорожного транспорта, причины и виды поломок стальных деталей автосцепного устройства вагонов подвижного состава железных дорог.

В эксплуатации наблюдается в основном два вида изломов — хрупкий и усталостный. Основными факторами, способствующими этим изломам, являются: пониженные механические свойств стали; недостатки технологии выплавки и раскисления стали и несовершенство литейной технологии и разливки стали, приводящие к образованию объемных структурных несовершенств и повышенному количеству неметаллических включений в стали.

Изучена взаимосвязь химического и фазового состава малоуглеродистых низколегированных конструкционных сталей с технологическими методами воздействия и их совместное влияние на комплекс механических свойств отливок. Рассмотрено влияние химических элементов (С, Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo, Ti, Ca, O2, N2, P, S) и неметаллических включений (сульфидов, оксидов, нитридов. Отмечено отсутствие литературных данных о совместном влиянии легирующих и других элементов на свойства конструкционной низколегированной стали.

Определено, что задачу повышения эксплутационных свойств литых стальных деталей для подвижного состава железных дорог можно решать путем: оптимизации химического состава стали 20ГЛ с целью обеспечения стабильно высоких её механических свойств; применения новых легирующих элементов в составе этой стали; совершенствованием и оптимизацией технологий выплавки, разливки, раскисления и модифицирования жидкой стали, уменьшающих уровень загрязненности стали, улучшающих её микроструктуру и морфологию неметаллических включений; совершенствованием литейной технологии, снижающем уровень образования объемных структурных несовершенств, дефектов по вине неудовлетворительной жидкотекучести.

Во второй главе описывается методика проведения теоретических, экспериментальных лабораторных и опытно-промышленных исследований, применяемое оборудование, материалы и измерительные приборы.

Целью теоретических и лабораторных исследований было получение математических моделей зависимости механических свойств малоуглеродистой низколегированной конструкционной стали от ее химического состава.

Целью опытно-промышленных работ являлась проверка результатов теоретических и лабораторных исследований, отработка технологии выплавки конструкционной стали оптимального химического состава с применением дополнительного легирования и модифицирования, установление количества и технологии ввода модификаторов для получения отливок высокого качества.

В третьей главе выполнена оптимизация химического состава стали 20ГЛ методом статистической обработки большого массива данных реальных промышленных плавок (более 500), выполненных на ООО «ПК «БСЗ», с использованием программного пакета Microsoft Office Excel и Статистика. Целью оптимизации химического состава стали 20ГЛ являлось повышение и стабилизация механических свойств отливок автосцепного устройства на уровне II категории по ГОСТ 22703-91.

Для стальных деталей подвижного состава железнодорожного транспорта, необходимо выбирать оптимальное сочетание всех механических свойств. Одним из важнейших структурообразующих факторов, оказывающих наибольшее влияние на механические и эксплутационные свойства конструкционной стали, является химический состав, к которому при изготовлении из стали 20ГЛ отливок железнодорожного транспорта предъявляются следующие требования (табл. 1).

Таблица 1.

Химический состав стали 20ГЛ по ГОСТ 22703-91

Химический состав, % масс.
C	Mn	Si	S	P	Cr	Ni	Cu	Al	Ti
			не более
0,17-0,25	0,90-1,40	0,20-0,60	0,040	0,040	0,30	0,30	0,30	0,02-0,04	0,002-0,01
			(S+P) 0,060

Особенностью производства отливок железнодорожного транспорта из стали 20ГЛ на ООО «ПК «БСЗ» является заливка с одной плавки двух групп отливок, подвергающихся нормализации («Рама» и «Балка») и закалке с высоким отпуском («Тяговый хомут» и «Корпус автосцепки»), к механическим свойствам которых предъявляются различные требования (табл. 2). Химический состав стали определяет параметры системы механических свойств, от оптимального сочетания которых зависит эксплутационная стойкость и надежность отливок в сложных и переменных условиях работы. При этом с одной плавки необходимо получать химический состав, формирующий механические свойства стали, удовлетворяющие требованиям на отливки после различных видов термической обработки.

Определены несколько вариантов сочетания основных элементов, оказывающих наибольшее влияние на механические свойства отливок и содержание которых можно регулировать в процессе производства стали. Получать единственный оптимальный химический состав по 10 элементам нецелесообразно, и на производстве это будет практически недостижимо.

Таблица 2.

Механические свойства стали для литых деталей железнодорожного транспорта подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм по ГОСТ 2703-91

Тип отливок	Категория стали По ГОСТ 22703-91	Вид термообработки	sТ, МПа	sВ, Мпа	d, %	, %	КСU-60, МДж/м2
Рама, балка и другие	-	Нормализация	290-370	490-520	18	25	0,25
Детали автосцепного устройства: корпус автосцепки, тяговый хомут и другие	I	Закалка + отпуск	400	540	15	30
	II	-//-	450-500	560	15	30
			500 и более	600	12	25
	III	-//-	600-700	740	12	30
			700 и более	840	10	25
	IV	-//-	700	840	8	25

Для оптимизации химического состава стали 20ГЛ построены математические модели зависимости от него механических свойств В, Т,, и KCU-60 этой стали. Исследуемая функция включала 9 параметров, соответствующих их действительному содержанию в каждой плавке (C, Mn, Si, S, Cr, Ni, Cu, Ti, Al) для отливок «Тяговый хомут» и «Корпус автосцепки» после закалки и отпуска, и 7 параметров химического состава, соответствующих их действительному содержанию в каждой плавке (C, Mn, Si, S, Cr, Ni, Cu) для отливок «Рама» и «Балка» после нормализации.

Обработкой данных на компьютере определены зависимости механических свойств стали 20ГЛ для отливок после закалки и отпуска:

В=-10+611C+199,5Mn+206Si-1414,5S+304Cr+92,7Ni+120,2Cu-2084,3Ti-55,2Al (МПа); (1)

Т=196,8+803,8C+149,6Mn+193,7Si-1355S+225,2Cr+70,2Ni+48Cu-581,1Ti-69,5Al (МПа); (2)

=22,46-21,26С+3,88Мn+0,64Si-85,19S-8,34Cr+8,24Ni-0,89Cu+163,4Ti-2,79Al(%); (3)

=46,82-21,26C+3,88Mn+3,42Si-522,83S-10,55Cr+18,49Ni+3,5Cu+428,3Ti+25,19Al(%); (4)

KCU-60=0,48+0,67C+0,15Mn+0,04Si-9,43S-0,18Cr+0,26Ni+0,28Cu-10,99Ti+0,77Al(МДж/м2);(5)

Для отливок после нормализации определены следующие зависимости:

В= 260,4+532,1C+121,4Mn+109,1Si-631,9S+112,2Cr+1,1Ni+39,1Cu, МПа; (6)

Т= 159,9+274,4C+91,6Mn+50,2Si-248,8S+66,4Cr+7,8Ni+39,1Cu, МПа; (7)

= 32,4-31,2C+2,5Mn-3,9Si-221,1S+3,0Cr+6,3Ni+0,6Cu, %; (8)

= 57,7-61,2C+13,6Mn-10,2Si-739,8S+11,9Cr+20,1Ni-4,2Cu, %; (9)

KCU-60= 0,26+0,21C+0,29Mn+0,04Si-7,31S-0,01Cr+0,27Ni+0,18Cu,МДж/м2. (10)

Приведенные зависимости (1-10) позволяют определять количественные значения механических свойств стали 20ГЛ после термической обработки от её химического состава. Рассчитанные по зависимостям (1-10) значения механических свойств стали 20ГЛ после термической обработки имеют хорошую сходимость с фактическими, т.к. их отклонения отличаются не более чем на 10 – 15%.

На основе полученных математических моделей (1-10) построены номограммы для определения оптимального химического состава стали 20ГЛ, пригодные для практического использования с целью прогнозирования механических свойств стали еще на стадии её выплавки и определения необходимого химического состава, который обеспечивает заданные свойства отливок (рис. 1-2). Для уточнения и определения суммарного влияния других легирующих элементов стали 20 ГЛ на указанные свойства построены графики поправочных коэффициентов, пример которых представлен на рис. 3.

Приведем примеры использования полученных графических зависимостей влияния химического состава на механические свойства стали 20ГЛ:

1. По результатам экспресс-анализ химического состава стали, используя номограммы для последующего режима термической обработки отливок, определяются ожидаемые механические свойства. После их сравнения с заданными свойствами отливок после соответствующей термической обработки подбирается оптимальный химический состав стали, обеспечивающий необходимые свойства и проводится его корректировка.

2. Подбор оптимального химического состава стали и режимов термической обработки для обеспечения заданных механических свойств детали на стадии проектирования её технологического процесса изготовления.

На основе проведенного комплексного анализа влияния химических элементов на механические свойства стали 20ГЛ были определены оптимальные интервалы варьирования химического состава, обеспечивающие повышенные механические свойства отливок железнодорожного транспорта, как при их нормализации, так и при закалке с отпуском (табл. 3). Такой состав легко поддерживать в производственных условиях, т.к. перед выпуском стали из плавильной печи производится экспресс-контроль по содержанию в ней С, Mn, Si. Поэтому при полученном содержании С введением в ковш FeMn и FeSi для раскисления стали легко можно регулировать содержание Mn и Si, необходимое для достижения оптимального химического состава.

Таблица 3.

Рекомендованный для промышленного использования оптимальный

химический состав стали 20 ГЛ по содержанию элементов C, Mn, Si

№ хим. состава	Содержание элемента, %
	C	Mn	Si
1	0,19-0,20	1,20-1,40	0,35-0,60
2	0,21-0,23	1,10-1,40	0,30-0,60
3	0,24-0,25	1,00-1,20	0,30-0,60

Оптимизированный химический состав стали 20 ГЛ внедрен на ООО «ПК «БСЗ», что позволило перейти к изготовлению ответственных деталей автосцепного устройства из стали II-ой категории свойств по ГОСТ 22703-91.

Рис. 1. Номограмма для определения совместного влияния С и Mn на предел текучести (Т ) стали 20ГЛ после закалки и высокого отпуска при содержании остальных элементов, %: 0,30 Si; 0,030 S; 0,20 Cr; 0,20 Ni; 0,20 Cu; 0,002 Ti; 0,035 Al.

Рис. 2. Номограмма для определения совместного влияния С и Mn на относительное удлинение () стали 20ГЛ после закалки и отпуска при содержании остальных элементов, %: 0,30 Si; 0,030 S; 0,20 Cr; 0,20 Ni; 0,20 Cu; 0,002 Ti; 0,035 Al.

Рис. 3. График поправочных коэффициентов влияния содержания легирующих элементов на коэффициент изменения предела текучести Кт после нормализации стали 20ГЛ.

В четвертой главе приведены данные экспериментальных исследований по определению оптимального химического состава малоуглеродистой низколегированной стали и характера распределения химических элементов в ее структуре. Достижение свойств на уровне III-ей и IV-ой категории по ГОСТ 22703-91 в рамках химического состава стали 20ГЛ не представляется возможным, ресурс её исчерпан. Требуется разработать новый химический состав конструкционной низколегированной стали, позволяющий в производственных условиях получать отливки после закалки и отпуска по III-ей и IV-ой категории ГОСТ 22703-91. Для этого требуются зависимости параметров структуры и свойств такой стали в отливках от структурообразующих факторов, главным среди которых является химический состав, которые можно получить на основе экспериментальных данных.

Для разработки таких зависимостей применен математический метод планирования активного многофакторного эксперимента. В качестве независимых переменных факторов приняты содержание и пределы изменения в стали С, Mn, Si, Cr, Ni, Cu и V. Ввиду их большого числа принят план дробного факторного эксперимента в степени 7-4 (ДФЭ7-4). Исследовалось 5 выходных параметров, представляющих собой комплекс механических свойств стали после различных режимов термической обработки: В (МПа), Т (МПа), ( %), (%), KCU+20 (МДж/м2).

Полученные математические зависимости: После нормализации при 900 оС:

В = 864 + 78С + 52Mn – 17Si + 8Cr + 10Ni – 41Cu + 24V, МПа (11)

Т = 708 + 81C + 86Mn – 10Si + 34Cr + 46Ni – 28Cu + 25V, МПа (12)

= 12,9 – 2,4C – 1,13Mn – 0,8Si – 2,43Cr + 1Ni + 0,6Cu – 0,88V, % (13)

= 32,42 – 12,33C – 6,95Mn – 0,47Si – 3,7Cr + 2,47Ni + 0,25Cu – 4,75V, % (14)

KCU+20 = 376 – 78C – 49Mn + 103Si – 101Cr + 91Ni + 11Cu – 26V, МДж/м2 (15)

После закалки в воде при 900 оС и отпуска при 600 оС:

В = 1034 + 71С – 32Mn + 43Si + 28Cr + 35Ni + 8Cu + 84V, МПа (16)

Т = 976 + 81C – 27Mn + 39Si + 26Cr + 44Ni + 7Cu + 103V, МПа (17)

= 9,9 – 2,2C + 1,2Mn + 0,2Si – 0,7Cr + 0,7Ni – 0,4Cu – 1,5V, % (18)

= 23,4 – 5,9C + 3,3Mn + 0,4Si – 1,1Cr + 2,2Ni – 0,5Cu – 3,2V, % (19)

KCU+20 = 223 + 7C + 47Mn + 60Si – 73Cr + 60Ni – 25Cu – 18V, МДж/м2 (20)

Полученные зависимости (11-20) использовали для выбора оптимального химического состава низколегированной стали для отливок железнодорожного транспорта. Анализ зависимостей (11-20) показал, что прочностные свойства низколегированной малоуглеродистой стали после термической обработки увеличиваются с ростом содержания С, Cr, Ni, Mn, V на что указывает величина коэффициентов и знак «+» при них в полученных уравнениях. При этом Ni способствует одновременному повышению прочностных, пластических и вязких характеристик стали, поэтому он является полезным элементом для исследуемых сталей, отливки из которой работают в условиях динамических знакопеременных нагрузок при низких температурах. Учитывая то, что при повышении концентрации Mn свыше 1,2 % возрастает горячеломкость стали, а также то, что минимальный объем усадочных раковин фиксируется при 1,2 % Mn, рекомендовано содержание Mn в стали для отливок ж/д транспорта в пределах 0,8 – 1,6 %. Содержание углерода С так же не следует завышать т.к. он понижает пластичность и вязкость, поэтому оптимальным принимаем его количество в пределах 0,20 – 0,24 %. Кремний в исследуемых пределах незначительно снижает прочностные характеристики, поэтому рекомендовано его содержание в термообработанной стали не более 0,60 %. Хром, как видно из уравнения (11-20) снижает пластические характеристики стали после термической обработки, поэтому в исследуемых сталях рекомендуется содержание хрома, не превышающее 0,50 %.

Для сравнения с требованиями ОАО РЖД приведем фактические химический состав и механические свойства стали некоторых опытных плавок после термической обработки (табл. 5). Как видно из приведенных данных, механические характеристики стали после закалки и отпуска превышают требования III и IV категориям свойств по ГОСТ 22703-91 (табл. 2). Провели также серию лабораторных плавок с оптимизированным химическим составом стали 20ГЛ (табл. 6), дополнительно легированной Ni и Cr.

Прочностные свойства стали 20ГЛ данного рекомендуемого химического состава превышают на 10-20% уровень II категории, требуемый по ГОСТ 22703-91 со значительным запасом пластичности и ударной вязкости при отрицательных температурах, что является ценным свойством при эксплуатации деталей железнодорожного транспорта.

Таблица 5.

Фактические химический состав и механические свойства

стали опытных плавок по плану ДФЭ7-4

Номер опыта	Механические свойства стали
	Т, МПа		В, МПа		, %		, %			KCU+20,МДж/м2
после закалки в воде и отпуска
2	829		906		14,6		34,5			0,31
6	853		900		13,1		32,7			0,36
Требования ГОСТ 22703-91 по IV категории свойств
	700		840		8		25			0,25
Химический состав стали, % по массе
	C	Mn		Si		Cr		Ni	Cu		V
2	0,23	1,61		0,54		0,55		0,15	0,87		0,05
6	0,26	1,60		0,46		0,56		0,88	0,26		0,55

Таблица 6.

Химический состав и механические свойства лабораторных плавок с

оптимизированным химическим составом стали 20ГЛ, легированной Ni и Cr

Номер плавки	Химический состав опытных плавок, % по массе
	C	Mn	Si		P	S	Cr	Ni	Cu	Ti	Al
70	0,20	1,16	0,31		0,030	0,032	0,13	0,45	0,20	0,004	0,025
74	0,21	1,52	0,33		0,028	0,036	0,40	0,13	0,20	0,003	0,035
Механические свойства опытных плавок после закалки и отпуска
	Т, МПа			В, МПа		, %		, %		KCU+20, МДж/м2
70	540		650			18,5		33,0		0,52-0,57
74	560		670			15,0		30,5		0,35-0,40

В данной главе также проведено исследование рентгеноспектральным микроанализом (РСМА) характера распределения элементов, морфологии и химического состава неметаллических включений в структуре низколегированной малоуглеродистой стали опытных плавок химического состава, %: 0,3 C; 1,8 Mn; 0,56 Si; 2,3 Cr; 0,83 Ni; 0,87 Cu; 0,65 V; 0,028 S; 0,038 P; 0,06 Al.

Анализ микроструктуры стали без термической обработки (рис. 4) показывает, что такая литая сталь имеет крупноигольчатую структуру феррита типа видманштеттовой и среднепластинчатый перлит. При увеличении Х50 рис. 4а просматриваются главные и вспомогательные оси первичного аустенита (А), центральные зоны которых имеют более темный цвет, чем периферийные. Это свидетельствует о наличии дендритной ликвации легирующих элементов в кристаллизующемся аустените стали: на границах дендритов концентрация их больше, чем в центре, поэтому периферийная зона дендритов травится хуже, чем центральная, и имеет более светлый цвет. В межосных участках дендритов первичного аустенита наблюдаются темные растравленные округлые пятна, в которых при больших увеличениях (Х200, Х400) видны округлые светло-серые частицы неметаллических включений (рис. 4, б-г). РСМА показал, что они являются сульфидами Mn, о чем свидетельствуют спектрограммы. Результаты сканирования по линии (длина линии 160мкм, Х1000) для сырой стали приведены в таблице 7. Из данных таблицы и анализа микроструктур (рис. 4, а-г) видно, что крупные белые иглы в микроструктуре являются зернами феррита, а участки около них - зернами перлита, в которых растворено примерно одинаковое количество элементов Mn, Si, Cr, Ni, Cu, V. Более темные иглы представляют собой также зерна феррита, в которых растворено несколько больше Cr, Mn, Cu, V, чем в белых иглах, это легированный феррит (табл. 7). Результаты спектрограмм отдельных участков и различных точек по линии сканирования термообработанной стали представлены в таблице 7. Микроструктура образцов стали после термической обработки (закалка + отпуск) показана на рис. 5. В ней наблюдаются светлые частицы (рис. 5 б, в) и более сильно травящиеся участки (рис. 5 г), содержащие включения сульфидов марганца. РСМА светлых частиц показал, что они являются карбидами V, состав которых приведен в табл. 7, а более сильно травящиеся участки (рис. 5 г) содержат сульфиды марганца (табл. 7), о чем свидетельствуют спектрограммы.

Анализ данных проведенного РСМА низколегированной стали показал следующее. По среднему химическому составу исследуемая сталь соответствует примерно по химическому составу конструкционной универсального применения марки 25Х2ГНМФЛ по ГОСТ 977-88. Эта сталь по ГОСТ рекомендуется для ответственных высоконагружаемых деталей со стенкой толщиной до 100 мм, работающей под действием статических и знакопеременных динамических нагрузках. Для нее рекомендуются следующие виды термической обработки: 1) предварительная термообработка: нормализация 900 – 950 0С, отпуск 650 – 700 0С; окончательная термообработка: закалка 880 – 920 0С, отпуск 630 – 700 0С; механические свойства: В = 640 МПа; 0,2 = 490 МПа; = 12%; = 30%; KCU = 0,59 МДж/м2; 2) предварительная термообработка: нормализация 900 – 950 0С, отпуск 660 – 680 0С; окончательная термообработка: закалка 900 – 950 0С, отпуск 260 – 300 0С; механические свойства: В = 1275 МПа; 0,2 = 1080 МПа; = 5%; = 25%; KCU = 0,39 МДж/м2. Для аналогичных сталей при той же термической обработке ударная вязкость при низкой температуре составляет KCU-60 = 0,30-0,35 МДж/м2. Поэтому такие низколегированные стали могут быть рекомендованы для изготовления отливок подвижного состава железных дорог.

Таблица 7.

Химический состав отдельных структурных составляющих литой стали

Структурная составляющая по данным РСМА	№ точки на шлифе	Содержание элементов, % по массе								Тип микро-структуры
		Mn	Si	Cr	Ni	Cu	V	Fe	Др. элементы
Крупная белая игла	1	1,32	0,61	2,09	0,72	0,99	0,32	93,9	Не определялись	Феррит
Участок около иглы	2	1,54	0,68	2,08	0,75	1,05	0,50	93,4		Перлит
Более темная крупная игла	3	1,58	0,55	2,27	0,75	1,30	0,56	93,0		Феррит
Темное растравленное пятно	4	2,14	0,64	3,42	0,84	1,47	0,74	90,7		Перлит+ феррит
Темное растравленное пятно	5	2,08	0,68	3,11	0,78	1,42	0,72	91,2		Перлит+ феррит
Белая частица	6	1,25	0,93	1,88	0,80	0,92	0,31	93,9		Феррит
Светлая частица в микроструктуре	7	0,75	0,97	6,01	0,51	0,62	75,3	16,3		Карбид V
Серая частица в сильно травящемся участке	8	62,2	1,22	-	-	-	-	0,8	S= 36,7	Сульфид Mn

Анализ данных РСМА исследуемой низколегированной конструкционной стали привел к следующим заключениям:

1. Участки растравленных темных пятен отличаются повышенным (примерно в 1,5 раза) содержанием Cr, Mn, Cu, V по сравнению со средним составом.

2. В растравленных темных пятнах обнаруживаются сульфиды марганца, эти пятна являются микропорами, образовавшимися в результате кристаллизации последних порций жидкого металла, обогащенных ликвантами, в частности серой.

3. В микроструктуре стали обнаруживаются отдельные карбиды ванадия (табл. 7) и не обнаружены карбиды хрома и марганца.

4. РСМА показал, что легирующие элементы по-разному распределяются в структурных составляющих низколегированной стали:

а) марганца находится несколько больше в перлите, чем в феррите (табл. 7), что связано, по-видимому, с образованием в расплаве сильных межатомных связей Mn C;

б) никель содержится примерно одинаково как в феррите, так и в перлите и в растравленных пятнах, что свидетельствует об отсутствии его ликвации при кристаллизации стали, не образует карбидов и других включений (табл. 7);

в) медь склонна к ликвации в последние порции кристаллизующегося расплава;

г) ванадий, как сильный карбидообразующий элемент, склонен к образованию собственных карбидов в среднеуглеродистых легированных сталях; он также склонен к ликвации в места с более высоким содержанием С, т.к. его содержится больше в растравленных пятнах, чем в феррите и перлите (табл. 7);

д) хром находится в примерно одинаковом количестве, как в феррите, так и в перлите, но его примерно в 1,5 раза больше в растравленных пятнах; хром как сильный карбидообразующий элемент склонен к образованию в среднеуглеродистых сталях комплексных карбидов совместно с ванадием, о чем свидетельствует спектрограмма карбидов V, в котором содержится 75% V и 6% Cr;

а) Х50 б) Х200 в) Х400 г) Х400

Рис. 4. Микроструктура образцов литой стали без термической обработки

а) Х50 б) Х200 в) Х400 г) Х200

Рис. 5. Микроструктура образцов стали после термической

обработки (закалка 900 0С и отпуск 600 0С)

В пятой главе приводятся данные опытно-промышленных работ. Исследовано влияние различных технологических методов воздействия (модифицирование и микролегирование) на механические свойства и жидкотекучесть стали 20ГЛ оптимизированного химического состава. Проанализировано влияние жидкотекучести стали 20ГЛ на качество отливок железнодорожного транспорта, даны практические рекомендации по его улучшению.

Проведены опытные плавки в мартеновских и электродуговых печах с модифицированием и микролегированием, сравнительный анализ приведен в табл. 8. Положительный эффект модифицирования заключался в повышении механических свойств стали за счет снижения содержания серы, измельчения зерна, улучшения формы и характера распределения неметаллических включений в структуре вместо сосредоточенных пленок и цепочек до отдельных сульфидов глобулярной и неправильной формы (рис. 6).

Применение дополнительного воздействия на жидкую сталь привело к с снижению ее жидкотекучести и появлению связанных с ней видов брака отливок по недоливам и спаям. Это связано с применением добавок активных элементов и увеличением вязкости металла, из-за повышения его поверхностного натяжения и появления в его структуре нового класса неметаллических включений. На основе анализа жидкотекучести стали серийных и опытных плавок были скорректированы количества модификаторов, обеспечивающих оптимальное соотношение технологических свойств жидкого металла, структуры и свойств стали в отливках.

На основе анализа выполненных исследований разработаны технологические методы модифицирования и микролегирования стали 20ГЛ оптимизированного химического состава с применением лигатур ФСМг (0,10-0,15 %) и КЦеЖ (0,10-0,17 %), содержащих активные элементы Mg и РЗМ. С учетом действующей технологии определены оптимальные количества, сочетания и порядок ввода данных модификаторов в расплав для достижения высоких механических свойств стали в отливках.

Таблица 8.

Химический состав и механические свойства стали серийных и опытных плавок

№	Моди фикатор	Химический состав, %								Механические свойства
		С	Mn	Si	S	Cr	Ni	Al	Ti	sТ, МПа	sВ, Мпа	d, %	, %	КСU-60, МДж/м2
а	Серийная пл	0,22	1,2	0,53	0,033	0,20	0,21	0,045	0,006	550	710	18	38	0,40
б	Микролег Сr	0,21	1,35	0,39	0,036	0,32	0,21	0,028	0,003	600	770	12	34	0,35
в	ФСМг	0,23	1,29	0,40	0,030	0,12	0,10	0,027	0,006	570	750	20	40	0,50
г	КЦеЖ	0,23	1,2	0,38	0,022	0,23	0,11	0,046	0,004	570	750	17	44	0,50

а) б) в) г)

рис. 6. Форма и характер распределения сульфидов в структуре стали

серийных и опытных плавок.

В шестой главе изложены результаты использования САПР при моделировании литейных процессов кристаллизации и охлаждения металла в форме на примере сложной отливки из стали 20ГЛ для железнодорожного транспорта «Хомут тяговый». Анализ эксплуатации отливок железнодорожного транспорта показал, что наибольшее количество выхода их из строя происходит по вине объемных структурных несовершенств, являющихся концентратами напряжений и местами зарождения усталостных трещин в теле отливки.

Приведены результаты применения CAD системы Solid Works и САЕ системы Solid Cast для имитации процессов, происходящих при кристаллизации отливки из низколегированной малоуглеродистой стали марки 20ГЛ и обнаружения мест возможной дислокации дефектов в теле отливки.

На основе проведенных исследований по моделированию кристаллизации отливки «Хомут тяговый» установлены места возможной локализации неметаллических включений и структурных несовершенств, обусловленные кристаллизацией в них последних порций жидкого металла обогащенных ликвантами.

Пониженная плотность металла отражает объемные дефекты в местах отливки, где кристаллизовались последние порции жидкого металла обогащенные ликвантами. Выбранная по рекомендациям разработчиков программы относительная плотность, равная 0,995, дает картину распределения структурных несовершенств в объёме отливки. Определено, что они не располагаются в опасных сечениях отливки в которых в основном происходит разрушение при эксплуатации.

Исходными данными для расчета экономической эффективности от внедрения на ООО «ПК «БСЗ» результатов исследования являются следующие показатели, приведенные в табл. 9. Из статистического анализа было определено, что на момент начала исследований, требованиям ГОСТ 22703-91 по II-ой категории свойств удовлетворяли только 52,6 % плавок для деталей автосцепного устройства, проходящих закалку + отпуск. Для обеспечения 100 % сдачи отливок необходимо было перейти на II-ую категорию. При этом количество таких отливок составляет 27,7 % от общего выпуска литья или примерно 20023,5 т стали.

Таблица 9.

Стоимость и количество выпускаемой на ООО «ПК «БСЗ» стали 20ГЛ

Наименование	Цена 1 т стали	Фактически за 2005 г., т.	План на 2006 г., т.
Выпуск жидкой стали (мартеновская+эл. сталь) без слитков		72287	76260
Мартеновская сталь (без слитков)	9850	50504	54670
Электросталь МРЦ БСЗ	8800	21783	21590

В результате проведенных исследований удалось перейти на 100 % изготовление отливок по II-ой категории, экономия при этом составила в обеспечении сдачи 47,4 % отливок от 20023,5 т стали.

47,4 % от 20023,5 т стали составляют 9491,14 т и если эту цифру умножить на стоимость 9850 рублей за тонну, примерный экономический эффект составит 93487729 рублей, сумма обусловлена массовым производством.

Основные 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 этому, являются, пониженные механические свойства стали, которые определяются недостатками технологии ее выплавки и раскисления, приводящие к повышенному загрязнению неметаллическими включениями и газами, нарушения и несовершенство литейной технологии, приводящие к образованию литейных дефектов и зон структурных несовершенств.

2. В результате 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 формы; состояние поверхности, определяемое технологическими литейными свойствами жидкого металла (жидкотекучесть) и литейной формы; химический состав, микроструктура и особенно наличие концентраторов напряжений на поверхности и в теле отливки, в качестве которых могут выступать усадочные дефекты в виде пористости и неметаллические включения.

3. Определено, что для обеспечения высокой усталостной прочности стальных вагонных отливок необходимо иметь в них оптимальное сочетание прочностных (предел прочности В, предел текучести Т), пластических (относительное удлинение и сужение ) свойств и ударной вязкости (KCU-60). 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 исследований установлена направленность 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 %, Mn не более 1,50 %, Si 0,30-0,60 %. При этом отмечено отсутствие в литературных данных информации о совместном комплексном влиянии легирующих элементов на свойства стали. Особое внимание уделено элементам-раскислителям – Al, Ca, Ti, от количества и технологии ввода которых в жидкий металл зависит количество, форма и характер распределения неметаллических включений в стали.

5. Из проведенного 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 0С 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 «ПК «БСЗ» изготовляют литые детали железнодорожного транспорта, и сопоставления предъявляемых к ним РЖД требованиям определено, что потенциал данной стали исчерпан, и при существующем её химическом составе отливки получаются с минимально допустимыми свойствами по I-ой категории ГОСТ 22703-91, 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, Mn, Si, P, S, Cr, Ni, Cu, Ti, Al) на её механические свойства после термической обработки (нормализация и закалка + отпуск);

- построены номограммы совместного влияния основных элементов (С, Mn, Si) на свойства стали В, Т,, 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 были определены оптимальные интервалы варьирования химического состава, обеспечивающие повышенные механические свойства для этих отливок, как при закалке с отпуском, так и при нормализации (табл. 3). Данные рекомендации были внедрены на ООО «ПК «БСЗ», что позволило перейти к 100% изготовлению отливок автосцепного устройства железнодорожного транспорта по II-ой категории свойств ГОСТ 22703-91.

- 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 – Cr 0,30-0,50 % и Ni 0,40-0,60 %. Проведены лабораторные и опытно-промышленные плавки с оптимальным по С, Mn и Si химическим составом стали 20ГЛ и с содержанием Cr и Ni в указанных выше пределах. Прочностные свойства Т и В стали этих плавок после нормализации превышают требуемый уровень механических свойств, а после закалки с отпуском соответствуют III-ей и IV-ой категории свойств по ГОСТ 22703-91, при этом наблюдается значительный запас пластичности, и ударной вязкости при отрицательных температурах KCU-60, что является ценным свойством при эксплуатации деталей ж/д транспорта.

8. Проанализирована возможность применения CAD системы Solid Works и САЕ 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 зон возможной дислокации объемных структурных несовершенств в теле отливки. На основе моделирования кристаллизации и охлаждения в форме отливки «Тяговый хомут» разработаны рекомендации для ООО «ПК «БСЗ» по повышению её качества путём модифицирования и микролегирования расплава.

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, P, S, Cr, Ni, Cu, Ti, Al). 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.

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 0,10-0,15% 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.

Материалы диссертации изложены в следующих работах:

1. Солдатов В.Г. Пути повышения конструкционной прочности ответственных стальных вагонных отливок для автосцепного устройства [Текст] / Солдатов В.Г., Кульбовский И.К. // Литейщик России, №12, 2003, - С.13-17;
2. Солдатов В.Г. Применение модифицирования для повышения эксплуатационных свойств отливок из стали 20ГЛ [Текст] / Солдатов В.Г., Кульбовский И.К. // Заготовительные производства в машиностроении № 4, 2004. стр. 5-7;
3. Солдатов В.Г. Исследование жидкотекучести стали [Текст] / Солдатов В.Г., Кульбовский И.К., Мануев М.С., Богданов Р.А. // Заготовительные производства в машиностроении № 5, 2004. стр. 15-16;
4. Солдатов В.Г. Использоание САПР при моделировании литейных процессов [Текст] / Солдатов В.Г., Кульбовский И.К., Мануев М.С. // Заготовительные производства в машиностроении № 2, 2005. стр. 16-18;
5. Солдатов В.Г. Повышение механических свойств низколегированной стали для ответственных отливок железнодорожного транспорта [Текст] / Солдатов В.Г., Кульбовский И.К., Мануев М.С. // Заготовительные производства в машиностроении. Ежемесячный научно-технический и производственный журнал № 4, 2006. стр. 3-6;
6. Кульбовский И.К. Повышение ударной вязкости стали 20ГЛ для отливок деталей железнодорожного транспорта [Текст] / Кульбовский И.К., Солдатов В.Г., Мануев М.С. // Заготовительные производства в машиностроении. Ежемесячный научно-технический и производственный журнал № 6, 2006. стр. 6-9.
7. Солдатов В.Г. Оптимизация химического состава и параметров термической обработки отливок из стали 20ГЛ, изготавливаемых на ОАО «БСЗ» [Текст] / В.Г.Солдатов // Молодежная научно-техн. Конф. Технич. Вузов центральной России, 25-26 мая 2000 г., г. Брянск: Тезисы докладов/ Под ред. О.А. Горленко. – Брянск. БГТУ, 2000. – с. 110;
8. Солдатов В.Г. Исследование влияния химического состава стали 20ГЛ на механические свойства отливок «Тяговый хомут» и «Корпус автосцепки», изготавливаемых на ОАО «БСЗ» [Текст] / В.Г.Солдатов, И.К. Кульбовский // Перспективы развития лесного и строительного комплексов, подготовки инженерных и научных кадров на пороге XXI века: Сборник информационных материалов международной научно-технической конференции. Часть II.- Брянск, 2000.- С.89-91;
9. Солдатов В.Г. Оптимизация химического состава стали для литых деталей автосцепного устройства железнодорожного транспорта [Текст] / В.Г. Солдатов, И.К. Кульбовский, В.И. Медведев // Качество машин: Сб. трудов 4-й междунар. конф., 10-11 мая 2001 г. Т. 2// Под общ. ред. А.Г. Суслова.-Брянск, 2001.-с. 67-69;
10. Солдатов В.Г. Технология изготовления отливок, работающих в условиях интенсивного абразивного износа из сталей перлитного класса вместо аустенитной стали 110Г13Л [Текст] / В.Г. Солдатов, И.К. Кульбовский, В.И. Медведев // Состояния и перспективы развития дорожного комплекса. Сборник информационных материалов международной научно-технической конференции "Дороги-2001".-Брянск: РИО БГИТА, 2001;
11. Солдатов В.Г. Повышение качества ответственных литых деталей для железнодорожного транспорта путем снижения вредного влияния неметаллических включений [Текст] / В.Г. Солдатов, И.К. Кульбовский // Вклад ученых и специалистов в национальную экономику: Материалы региональной научно-технической конф. г. Брянск, 16-18 мая 2001 г.: В3 т.- Т.1/Под ред. Е.Н. Самошкина, Г.И. Сильмана, В. Н. Лобанова.-Брянск: БГИТА, 2001.-С.69-71;
12. Солдатов В.Г. Пути повышения конструкционной прочности стальных вагонных отливок типа "Рама" и "Балка" [Текст] / В.Г. Солдатов, И.К. Кульбовский, В.И. Медведев // Материаловедение и производство. Сборник науч. тр. Вып.2 / Под ред. Г.И. Сильмана. – Брянск: Изд-во БГИТА, 2001. – С. 151-158;
13. Солдатов В.Г. Технология изготовления отливок, работающих в условиях интенсивного абразивного износа из стали перлитного класса вместо аустенитной стали 110Г13Л [Текст] / Солдатов В.Г., Кульбовский И.К., Медведев В.И. // Новые идеи, технологии, проекты и инвестиции: Третья региональная научно-техническая конференция-ярмарка 29 ноября 2001 года, г. Брянск: тезисы докладов и выступлений. Часть 1.- Брянск: Издательство БГУ, - Брянск 2001. – С.46-47;
14. Солдатов В.Г. Пути повышения качества стальных вагонных отливок типа «Тяговый хомут» и «Корпус автосцепки» [Текст] / Солдатов В.Г. // Сборник материалов междунар. межвузов. научно-техн. конф. студентов, аспирантов и магистрантов. 25-26 апреля 2002 г. - Гомель. Учреждение образования «ГГТУ им. П.О. Сухого», 2002. – с. 51-53;
15. Солдатов В.Г. Исследование влияния модифицирования стали марки 20Л для вагонных отливок на ее свойст [Текст] / Солдатов В.Г., Кульбовский И.К., Солдатов Г.М., Яковлев В.Н. // Сборник 56-научной конференции профессорско- преподавательского состава. /Под ред. О.А. Горленко. – Брянск. БГТУ, 2002. с. 83-84;
16. Солдатов В.Г. Модификатор для стали 20 ГЛ [Текст] / Солдатов В.Г. // Современные технологии и материаловедение: Сб. научн. тр./ Под ред. Ю.А. Баландина. - Магнитогорск: МГТУ, 2003. – 305 с. с. 244-245;
17. Солдатов В.Г. Новые модификаторы для стали 20ГЛ [Текст] / Солдатов В.Г. // Контактная жесткость. Износостойкость. Технологическое обеспечение.: Сб. тр. международной научн.-техн. конф. в г. Брянске, 22-27 окт. 2003/ Под общ. ред. А.Г. Суслова – Брянск: БГТУ, 2003. – 300 с. с. 269-272;
18. Солдатов В.Г. Исследование жидкотекучести стали [Текст] / Солдатов В.Г., Кульбовский И.К., Мануев М.С., Богданов Р.А. // Вестник Брянского государственного технического университета. Научно-технический журнал №2, 2004 г. с. 13-16;
19. Солдатов В.Г. Практическое применение систем автоматизированного моделирования литейных процессов [Текст] / Солдатов В.Г., Кульбовский И.К., Петрушин А.А., Мануев М.С. // Вестник Брянского государственного технического университета. Научно-технический журнал №4, 2004 г. с. 9-13;
20. Солдатов В.Г. Применение модификаторов ФСМГ для повышения механических свойств стали 20ГЛ [Текст] / Солдатов В.Г., Кульбовский И.К., Яковлев В.Н. // Материаловедение и производство:Сборник научных трудов. Вып. 3/ Под ред. Г.И. Сильмана. – Брянск: Изд-во БГИТА, 2003. – С.143-147.
21. Солдатов В.Г. Управление качеством стальных отливок с помощью компьютерного моделирования литейных процессов [Текст] / Солдатов В.Г., Кульбовский И.К., Мануев М.С. // Тезисы докладов 57 научной конференции в 2 ч. – Брянск: БГТУ – Ч 1. стр. 119-121;
22. Кульбовский И.К. Исследование возможности повышения ударной вязкости стали 20ГЛ [Текст] / Кульбовский И.К., Солдатов В.Г., Мануев М.С. // Вестник Брянского государственного технического университета. Научно-технический журнал № 4, 2005 г. с. 24-32;
23. Кульбовский И.К. Оптимизация химического состава низколегированной стали для ответственных отливок железнодорожного транспорта [Текст] / Кульбовский И.К., Солдатов В.Г., Медведев В.И., Мануев М.С. // Вестник Брянского государственного технического университета. Научно-технический журнал № 4, 2005 г. с. 33-38;
24. Солдатов В.Г. Исследование распределения элементов в структуре низколегированной стали [Текст] / Солдатов В.Г., Кульбовский И.К. // Вестник Брянской государственной инженерно-технологической академии № 1, 2005 г. стр. 64-67;
25. Кульбовский И.К. Исследование влияния химического состава и модифицирования стали 20ГЛ на ее ударную вязкость [Текст] / Кульбовский И.К., Солдатов В.Г., Мануев М.С., Яковлев В.Н. // Вестник Брянской государственной инженерно-технологической академии № 1, 2005 г. стр. 82-87.

Подписано в печать 08.11.2006. Формат 60х84 1/16 Бумага офсетная

Офсета печать Усл. печ. л. 1,39. Тираж 100 экз. Заказ № 576.

Бесплатно

Издательство Брянского государственного технического университета

241035, Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, 7. БГТУ. 54-9049

Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Харьковская, 9