Исследование микролегирования, модифицирования и термической обработки на ударную вязкость стали 20гл при низких температурах для отливок железнодорожного транспорта

На правах рукописи

Мануев Максим Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ микролегирования, модифицирования и термической обработки НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ СТАЛИ 20ГЛ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ ДЛЯ ОТЛИВОК ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Специальность: 05.02.01 ”Материаловедение в машиностроении”

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

Официальные оппоненты:

1. доктор технических наук, профессор Баранов Юрий Викторович

2. кандидат технических наук, доцент Симочкин Василий Васильевич

Ведущая организация:

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

Защита состоится 13 декабря 2006 г. в 16:00 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 проблемы. Подвижной состав железнодорожного транспорта имеет тенденцию к увеличению скоростей и общей нагрузки. Поэтому стальные литые детали подвижного состава железнодорожного транспорта подвергаются большим динамическим и ударным нагрузкам и при этом работают в тяжелых условиях при неблагоприятном температурном режиме, в том числе при отрицательных температурах. Актуальной задачей является повышение эксплуатационной стойкости таких деталей путем обеспечения более высоких свойств стали и особенно её ударной вязкости. В настоящее время для их изготовления применяется сталь 20ГЛ с химическим составом и механическими свойствами по ГОСТ 22703-91, по которому она должна удовлетворять требованиям по ударной вязкости с U-образным надрезом при -60оС KCU-60 0,25 МДж/м2. Учитывая современные условия эксплуатации железнодорожного транспорта, ОАО РЖД (Российские железные дороги) вводит новые требования по обеспечению ударной вязкости стали 20ГЛ кроме KCU-60 также ударной вязкости с V-образным надрезом по ГОСТ 9454 – 78 KCV-60 0,17 МДж/м2, что не обеспечивается действующей технологией изготовления литых стальных деталей для железнодорожного транспорта. Поэтому является актуальным проведение работ по оптимизации химического состава, термообработки, структуры и технологии выплавки, модифицирования и микролегирования стали 20ГЛ, обеспечивающих выдвинутые РЖД новые требования по ударной вязкости KCV-60.

Цель работы. Целью работы является разработка технологических методов изготовления стальных отливок для железнодорожного транспорта из стали 20ГЛ, обеспечивающих получение её ударной вязкости KCU-60 0,25 МДж/м2 и KCV-60 0,17 МДж/м2.

Задачи исследования.

Задачами исследования являются:

- разработка на основе анализа эксплуатационной стойкости ответственных стальных отливок для железнодорожного транспорта и экспериментально-промышленных данных математических и графических зависимостей, позволяющих прогнозировать комплекс показателей механических свойств и микроструктуры стали 20 ГЛ, в том числе её ударную вязкость KCU и KCV при +20оС и -60оС;

- экспериментальные исследования влияния модифицирования и микролегирования стали 20ГЛ на её механические свойства и микроструктуру с применением математических методов планирования экспериментов;

- исследование влияния химического состава стали 20 ГЛ на ударную вязкость с применением математико–статистических методов;

- анализ факторов, влияющих на формирование микроструктуры и механических свойств малоуглеродистой низколегированной стали типа 20ГЛ с целью определения путей повышения её механических свойств;

- исследование влияния технологических способов воздействия на жидкую сталь с помощью модифицирования и микролегирования с целью улучшения формы и характера распределения неметаллических включений и уменьшения их количества в твердом металле, как одного из факторов, влияющего на ударную вязкость;

- исследование влияния различных видов термообработки отливок из стали 20ГЛ на её механические свойства и микроструктуру с целью увеличения ударной вязкости;

- разработка на основе экспериментальных и опытно-промышленных исследований оптимальных химического состава, модифицирования, микролегирования и термической обработки стали 20ГЛ для отливок железнодорожного транспорта, обеспечивающих требуемые ГОСТ и ТУ значения механических свойств, в том числе ударной вязкости KCV-60, и их внедрение в серийное производство отливок железнодорожного транспорта на ООО “ПК (Производственная Компания) “БСЗ” (Бежицкий Сталелитейный Завод г.Брянск).

Автор защищает:

- результаты теоретического и экспериментального исследования влияния факторов, формирующих микроструктуру и механические свойства малоуглеродистой низколегированной стали типа 20ГЛ, позволяющих повысить комплекс механических свойств этой стали;

- результаты исследования влияния химического состава стали 20 ГЛ на ударную вязкость с применением математико–статистических методов;

- результаты экспериментальных исследований влияния модифицирования и микролегирования стали 20ГЛ на её ударную вязкость и микроструктуру с применением математических методов планирования экспериментов;

- результаты исследования влияния технологических способов воздействия на жидкую сталь с помощью модифицирования и микролегирования с целью улучшения и оптимизации микроструктуры, формы и характера распределения неметаллических включений и уменьшения их количества в твердом металле, влияющих на ударную вязкость;

- результаты исследования влияния различных видов термообработки отливок из стали 20ГЛ на её ударную вязкость и микроструктуру;

- результаты разработанных на основе экспериментальных и опытно-промышленных исследований оптимального химического состава, модифицирования, микролегирования и термической обработки стали 20ГЛ для отливок железнодорожного транспорта, обеспечивающих требуемые ГОСТ и ТУ значения механических свойств, в том числе ударной вязкости KCV-60.

Достоверность и обоснованность научных результатов работы подтверждается большим объемом экспериментальных и опытно-промышленных исследований, проведенных с применением современных методов исследований.

Научная новизна работы состоит в получении ряда новых теоретических, экспериментальных и практических результатов в области создания и использования малоуглеродистой низколегированной стали с высокой ударной вязкостью при отрицательных температурах для отливок железнодорожного транспорта, работающих в экстремальных условиях:

- установлено, что на ударную вязкость малоуглеродистой низколегированной стали 20ГЛ при комнатной и отрицательной температуре наряду с химическим составом и микроструктурой основное влияние оказывают тип, размер, форма, количество и характер распределения в структуре неметаллических включений, определяемых содержанием в ней S, Al, Ca, РЗМ;

- выполнена разработка и компьютерная реализация математических и графических моделей зависимостей ударной вязкости KCV-60 и KCU-60 от количества, размеров, индекса загрязненности неметаллическими включениями и балла зерна стали 20ГЛ от её химического состава, модифицирующих добавок и раскислителей, позволяющие прогнозировать ударную вязкость и структуру стали в отливках как на стадиях разработки технологического процесса, так и управлять ими на стадии выплавки стали;

- оптимизирован химический состав малоуглеродистой низколегированной стали 20ГЛ по основным элементам С=0,17-0,20% и Mn=1,20-1,50%, позволяющий достигать стабильно высоких показателей ударной вязкости при отрицательной температуре (KCV-60) за счет получения в её структуре оптимального соотношения фаз перлита (25%) и феррита (75%), с сохранением на требуемом уровне комплекса механических свойств (т, в,,, KCU);

- разработаны составы и количество комплексов модификаторов и раскислителей для стали 20ГЛ, обеспечивающих получение ударной вязкости KCV-60 в производственных условиях не ниже
0,17 МДж/м2 за счет измельчения зерна и улучшения морфологии, характера распределения и формы неметаллических включений;

- на основе экспериментальных исследований построены номограммы и поправочные коэффициенты совместного влияния количества модифицирующих добавок и раскислителей на ударную вязкость KCV-60 и балл зерна стали 20ГЛ.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

В настоящее время около 30% изготовляемых на ООО“ПК“БСЗ” отливок из стали 20ГЛ для железнодорожного транспорта “Рама” и “Балка” не соответствуют по значениям KCV-60 требованиям 17 Дж/см2. Проведенные экспериментальные и опытно-промышленные исследования показали, что при их внедрении на производстве могут стабильно достигаться значения KCV-6017 Дж/см2. Они базируются на разработанном в исследованиях оптимальном химическом составе стали 20ГЛ и технологических процессах её модифицирования, микролегирования, и термической обработки, обеспечивающих заданные значения ударной вязкости KCU и KCV и позволяющие управлять ими в процессе производства. Промышленное внедрение в производство на ООО “ПК “БСЗ” при изготовлении отливок железнодорожного транспорта даст ожидаемый экономический эффект около 57 057 786 рублей в год.

Полученные в исследовании математические и графические зависимости механических свойств стали 20ГЛ после нормализации от её химического состава, модифицирования и микролегирования могут быть использованы кроме ООО “ПК”БСЗ” и на других предприятиях, изготавливающих отливки для железнодорожного транспорта, с целью прогнозирования механических свойств и получения стали с заданными их значениями. Разработаны новые режимы термической обработки стали, обеспечивающие формирование заданной структуры и комплекса механических свойств стали 20ГЛ.

Установлены зависимости изменения балла зерна стали 20ГЛ от параметров термической обработки и модифицирования

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава БГТУ в 2004-2005 гг.; на 5-й международной научно-технической конференции “Новые материалы и технологии в машиностроении - 2006”, Брянск, 2006; на научной конференции “ Материаловедение и производство”, Брянск, 2003; на научных студенческих конференциях, Брянск, 2002 – 2004 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 11 работ, 4 из которых в центральных периодических изданиях – журнале «Заготовительные производства в машиностроении» №5 С. 15-16, 2004 г.; №2, С. 16-18, 2005 г.; №4 С. 3-7, №6 С. 6-9 2006 г..

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 64 наименований; она содержит 181 страницу текста, 66 рисунков, 25 таблицы и 6 приложений.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, изложены ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы цель и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ данных условий эксплуатации и эксплуатационной стойкости литых стальных деталей для железнодорожного транспорта.

В ходе анализа причин разрушения литых стальных деталей тележки и корпуса автосцепки выявлены факторы, способствующие изломам, в том числе и при отрицательных температурах: недостаточная вязкость металла для выдерживания все увеличивающихся при эксплуатации динамических и циклических нагрузок; дефекты изготовления литых деталей и их термообработки; нарушения технологии ремонта деталей сваркой и недостатки этой технологии; строение металла деталей, связанное с его микроструктурой и свойствами; определена типология разрушений. Проведенное исследование позволило составить классификацию изломов и причин, к ним приводящих.

Рассмотрен процесс разрушения металла через зарождение и развитие трещин. Установлено, что решающим фактором, сдерживающим процесс развития трещин, является ударная вязкость металла. Выявлена связь ударной вязкости стали со структурой металлической матрицы, микродефектами литья и неметаллическими включениям, их видовой принадлежности, размером, порядком распределения.

Изучено влияние различных факторов (химического состава, метода выплавки стали, скорости охлаждения, способа модифицирования и микролегирования и т.д.) на ударную вязкость стали 20ГЛ при +20 и -600С с концентраторами напряжений U и V типа. Определены химические элементы, входящих в состав низколегированной малоуглеродистой стали, оказывающие значительное влияние на её микроструктуру и исследуемые свойства.

Произведен анализ приемов модифицирования стали и их влияния на механические свойства, микроструктуру и неметаллические включения.

На основании проведенного анализа было принято решение использовать для модифицирования малоуглеродистой низколегированной стали типа 20ГЛ модификаторы с РЗЭ цериевой группы.

Исходя из проведенного анализа были сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе представлена методика проводимых исследований, применяемое оборудование, материалы и измерительные приборы.

Описаны особенности и порядок проведения экспериментальных плавок и термической обработки стали 20ГЛ. Изложены способы и приемы проведения испытаний ударной вязкости стали 20ГЛ KCU и KCV при -60оС, металлографического анализа, определения химического состава, проведения экспериментальных и опытно-промышленных плавок с указанием надлежащих инструкций, норм, ГОСТов и ТУ на испытания.

На основании изложенных в первой главе данных был определен ряд переменных факторов, оказывающих существенное влияние на свойства стали 20 ГЛ и которые можно технологически регулировать как в лабораторных, так и в промышленных условиях, а именно, элементы химического состава С и Mn, раскислители CaSi и Al, и модификатор с
РЗЭ - марки КЦеЖ (составом: 20 % РЗМ на основе церия; 20% Al; 3% Са; Fe остальное), т.е. 5 факторов.

Для нахождения оптимального сочетания приведенных факторов применили математический метод планирования экспериментов, позволяющий достигать желаемого результата при проведении минимального количества опытов. Для этого использовали метод дробного факторного эксперимента (ДФЭ) с планом 25-2.

При составлении плана ДФЭ 25-2 изменение содержания С, Mn, Al от нижнего (-1) к верхнему (+1) уровню приняли в соответствии с требованиями ГОСТ 22703-91 на химический состав стали 20ГЛ, а содержание раскислителя CaSi в рамках заводского техпроцесса.

Изменение содержания модификатора КЦеЖ в плане ДФЭ является объектом исследования, направленного на поиск оптимального его количества, обеспечивающего получение стабильно высоких значений ударной вязкости стали 20ГЛ при -60оС.

В третьей главе произведен корреляционно-регрессионный анализ данных испытаний механических свойств стали 20 ГЛ за 3 года на ООО «ПК «БСЗ». Анализ проводили с целью выявления влияния химического состава стали 20 ГЛ на ее механические свойства, в результате чего были получены уравнения регрессии значений KCV-60 от химического состава стали 20ГЛ и коэффициенты множественной корреляции, указывающие направленность и степень их влияния на исследуемый параметр.

Изложены результаты экспериментальных исследований влияния элементов химического состава, раскислителей и модифицирующих добавок на ударную вязкость стали 20 ГЛ для отливок железнодорожного транспорта с применением математических методов планирования эксперимента, в ходе которого была определена степень влияния химических элементов, раскислителей и модификаторов на исследуемые свойства этой стали.

Обработка полученных в ходе экспериментов данных при реализации плана ДФЭ 25-2 впервые позволила получить следующие математические зависимости ударной вязкости стали 20ГЛ от химического состава в виде уравнений регрессии:

(1)

(2)

(3)

(4)

Проверка по полученным математическим зависимостям значений показала их адекватность фактическим значениям с отклонениями <5%, что вполне приемлемо для производства.

В уравнениях значения КСV-60 и КСU-60 рассчитали исходя из средних (ср) и максимальных (max) их значений, полученных в ходе эксперимента данных. Коэффициенты при переменных факторах указывают на силу их влияния на исследуемые свойства, а знак – на направленность их влияния.

По полученным уравнениям построены изолинии зависимости ударной вязкости от содержания С и модификатора КЦеЖ при фиксированном содержании остальных химических элементов и раскислителей Mn, Al, CaSi на нижнем уровне их содержания при экспериментах, а также графики для определения поправочных коэффициентов, учитывающих влияние содержания химического элемента на исследуемое свойство (рис 1, 2). Полученный графический материал позволяет прогнозировать ударную вязкость стали 20ГЛ на стадии её производства и экспрессно корректировать её химический состав для достижения заданного её уровня.

Из приведенных графиков и уравнений (1)-(4) видно, что углерод имеет наибольшую силу влияния на ударную вязкость стали 20ГЛ после нормализации, и при его увеличении допустимого по ГОСТ 22703-91 от нижнего (0,17%) до верхнего (0,25%) уровня он снижает КСU и КСV, а Mn при его увеличении от нижнего (0,8%) до верхнего (1,5%) уровня повышает её значение. Лигатура КЦеЖ и алюминий при их увеличении повышают
KCV-60, а CaSi при этом её снижает.

По данным микроструктуры опытных плавок исследовано влияние химических элементов на величину зерна стали 20 ГЛ после нормализации, определяемую параметром балл зерна, а так же на количество и средний размер неметаллических включений, определяемых индексом загрязненности включениями. В результате была впервые получена следующая математическая зависимость величины зерна от химического состава стали 20ГЛ после нормализации в виде уравнения регрессии (5):

(5)

Аналогично получены так же математические зависимости (5) – (8) для таких параметров, как среднее количество неметаллических включений (Nср), их средний размер (Д ср) и обобщающего эти параметры индекса загрязненности стали 20ГЛ после нормализации (Jобщ):

(6)

(7)

(8)

По полученным уравнениям (6)-(9) также построены изолинии исследуемых свойств от химического элемента Al и модификатора КЦеЖ (рис. 3, 4), при фиксированном содержании остальных химических элементов Mn, C и CaSi на нижнем уровне, и графики (рис. 5, 6), для определения поправочных коэффициентов, учитывающих влияние каждого химического элемента на исследуемое свойство. Полученный графический материал позволяет прогнозировать микроструктуру и степень загрязненности неметаллическими включениями изготавливаемой стали 20ГЛ на стадии её производства и корректировать химический состав для достижения заданного их уровня.

Результатом проведенных экспериментов является определение оптимального химического состава малоуглеродистой низколегированной стали типа 20ГЛ, с применением её микролегирования и модифицирования, обеспечивающего получение механических свойств не ниже требований ТУ и ГОСТ 22703-91, а также отвечающих требованиям по микроструктуре и загрязненности стали неметаллическими включениями согласно
ГОСТ 5639–82 и ГОСТ 1778–70.

По полученным математическим (1)-(8) и графическим зависимостям (рис. 1 - 6) ударной вязкости и микроструктуры стали 20ГЛ после нормализации от элементов её химического состава, количества модификатора и раскислителей определили следующий оптимальный химический состав С=0,15-0,2%, Mn=1,25-1,3%, Al=0,01-0,04%, раскислитель CaSi=0,02-0,03%, и модификатор КЦеЖ в количестве 0,14-0,16% обеспечивающий значение KCV-6017 Дж/см2, KCU-6025 Дж/см2, балл зерна 7 ед. и индекса загрязненности неметаллическими включениями
Jср=12...14*10-3 ед. (Рис. 7).

Структура			НМВ
Балл зерна	Описание*	Фото (х100)	Описание	Фото (х500)
9	Ферритно-перлитная, соотношение фаз по объёму Ф/П=75/25		Редко встречающиеся сульфидные цепочки, состоящие из включений округлой формы, встречаются сложные сульфидно-оксидные включения глобулярной формы

* Ф – феррит, П - перлит

Рис. 7. Результаты металлографического исследования образцов лабораторных плавок модифицированной стали 20 ГЛ, прошедших нормализацию.

На основе этих данных провели опытно - промышленные плавки стали 20ГЛ в производственных печах “ПК”БСЗ”.

В четвертой главе изложены результаты опытно – промышленных исследований по реализации рекомендаций экспериментальных исследований влияния химического состава и модифицирования на ударную вязкость KCU-60 и KCV-60, получение заданной микроструктуры и “чистоты” по неметаллическим включениям стали 20ГЛ после нормализации для отливок железнодорожного транспорта, изготавливаемых на ООО ПК “БСЗ”.

Опытно-промышленные исследования проводились по реализации рекомендаций экспериментальных исследований в следующих направлениях:

1. выплавка стали 20ГЛ в мартеновских и электродуговых промышленных печах рекомендованного оптимального химического состава, обеспечивающего значения KCV-60 не ниже 17 Дж/см2 (проведено 22 опытных плавок);
2. применение рекомендованного модифицирования стали 20ГЛ модификаторами с РЗЭ ((модификатор КЦеЖ) проведено 18 опытных плавок));
3. применение микролегирования стали 20ГЛ элементами Cr, Ni в пределах ГОСТ 22703-91 (проведено 6 опытных плавок);
4. усовершенствование режима термообработки отливок из стали 20ГЛ (проведено 15 опытных плавок).

Опытно–промышленные исследования проводились при выплавке стали 20ГЛ как в 60-тонных мартеновских печах, так и в электропечах ДСП. Это осуществлялось в связи с тем, что в настоящее время и в течение 2006-2007 гг. основным плавильным агрегатом на ООО “ПК”БСЗ” будут мартеновские печи, а с 2008 г. – электропечи реконструируемого цеха №3 и мартеновского цеха, что и явилось поводом для отработки технологического процесса на двух плавильных агрегатах.

При исследовании влияния режимов термической обработки на ударную вязкость стали 20ГЛ при низких температурах KCV-60, была проведена серия опытов по определению степени эффективности двойной нормализации с отпуском над одинарной нормализацией и отпуском по заводскому режиму. Режим отпуска проводили при температурах 650оС, 580оС, и 500оС и выдержке в течение 90 мин. с последующим охлаждением на воздухе. Помимо ударной вязкости, подвергнутых испытаниям образцов, контролировался химический состав и микроструктура стали.

Анализ полученных данных позволил сделать следующее заключение: при двойной нормализации и дополнительном отпуске наблюдаются более высокие значения ударной вязкости KCV-60 по сравнению с одной нормализацией, так при 2-х нормализациях и отпуске в цеху по заводскому режиму, её значение повысилось на 9,45%; при 2-х нормализациях и отпуске в лабораторных условиях при температуре 6500С на 17,9%; при 2-х нормализациях и отпуске в лабораторных условиях при температуре 5800С на 23,88% и при 2-х нормализациях и отпуске в лабораторных условиях при температуре 5000С на 35,32%.

В результате проведенных опытов, термическая обработка по режиму – двойная нормализация при температуре нагрева 930-950оС и выдержке 45 минут, с последующим отпуском при температуре 550оС и выдержке 90 минут, была рекомендована для промышленного использования при термической обработке отливок из стали 20ГЛ, как экономически целесообразная, ввиду 100 % - го достижения заданных параметров механических свойств.

В микроструктуре образцов, прошедших двойную нормализацию, наблюдается более мелкое зерно, чем при одной нормализации (рис. 8). Температура отпуска не повлияла на величину зерна.

Рис. 8. Микроструктура стали 20ГЛ после нормализации и двойной нормализации с отпуском при 500оС.

Наибольшее среднее значение ударной вязкости (KCV-60 = 2,72 Дж/см2) было получено на образцах, прошедших двойную нормализацию и отпуск в лаборатории при 5000С (расчет производился по минимальным значениям).

В пятой главе произведен расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения результатов научно – исследовательской работы.

В основу расчета бал принят статистический анализ механических испытаний на ударную вязкость при низкой температуре (KCV-60) отливок для железнодорожного транспорта (подвергнутых нормализации), производимых на ООО “ПК”БСЗ” за последние 4 года, который показал, что количество отливок, не достигающих значения по сдаточному критерию KCV-6017 Дж/см2 за рассматриваемый период составляло от 68,4% до 24,49%. Поэтому для расчета принимаем количество отливок, не достигающих установленного значения KCV-6017 Дж/см2 в размере 23% от общего выпуска стали, прошедшей нормализацию.

Ожидаемый экономический эффект будет достигаться по статьям:

1. Снижение брака отливок на 23% за счет повышения механических свойств и микроструктуры отливок.
2. Снижение расхода силикокальция с 1 кг/т до 0,3 кг/т жидкой стали.

Учитывая, что годовой выпуск стального литья подлежащего нормализации в 2006 г., составляет 32802 тн., общий ожидаемый экономический эффект от внедрения НИР на ООО“ПК”БСЗ” составит 57 057 786 р.

Основные выводы:

1. Существующие в настоящее время технологические приемы изготовления отливок железнодорожного транспорта из стали 20ГЛ, не способны обеспечить предъявляемых к ним повышенных требований по ударной вязкости KCV-60, из-за недостаточной вязкости металла и наличия в нем опасных, с точки зрения концентрации напряжений, неметаллических включений, ведущих к хрупкому и малоцикловому усталостному разрушению.
2. Уменьшение количества микротрещин, ведущих к хрупкому разрушению стальных отливок, возможно при управлении параметрами неметаллических включений в их микроструктуре.
3. Снижение порога хладноломкости низколегированных малоуглеродистых сталей, ведущее к увеличению их ударной вязкости при отрицательных температурах, в частности KCV-60, можно достигать путем регулирования их химического состава в рамках, допускаемых ГОСТ и ТУ, при этом наилучших результатов можно достигать при применении их легирования Mn, Cr и Ni.
4. Целесообразно применить модифицирование стали 20ГЛ модификаторами с РЗЭ цериевой группы, способствующему образованию оксисульфидных неметаллических включений, так как это улучшает форму, характер распределения и количества неметаллических включений в структуре стали.
5. Химические элементы C, Mn, Al, входящие в состав стали 20ГЛ, оказывают на исследуемые параметры наибольшее влияние, что подтвердило необходимость поиска оптимального их сочетания для обеспечения получения стабильно высоких показателей механических свойств и чистоты стали по неметаллическим включениям.
6. Полученные математические и на их основе графические зависимости ударной вязкости KCV-60 и KCU-60 стали 20ГЛ после нормализации от ее химического состава и количества модификатора КЦеЖ и раскислителя CaSi позволяют выбирать оптимальный химический состав и прогнозировать исследуемые свойства стали, а также вносить своевременные корректировки в технологический процесс её производства с целью достижения стабильно высоких значений.
7. Результаты микроструктурного исследования модифицированной модификатором КЦеЖ стали 20ГЛ после нормализации показали возможность формирования в ней преобладающих неметаллических включений округлой формы, что положительно сказывается на ударной вязкости стали.
8. Математические и графические зависимости, описывающие влияние химических элементов, модификатора и раскислителя на балл зерна стали 20ГЛ после нормализации, среднее количество включений (Nср), их среднего размера (Д ср) и обобщающего эти параметры индекса загрязненности (Jобщ) позволяют прогнозировать качественные и количественные показатели микроструктуры и загрязненности стали неметаллическими включениями на стадии производства.
9. Полученные математические и графические зависимости позволили установить оптимальный химический состав стали 20ГЛ после нормализации для отливок железнодорожного транспорта, обеспечивающих высокие значения ударной вязкости в соответствии с требованиями ТУ и ГОСТ 22703-91 KCV-60 >17 Дж/см2 KCU-60 > 25Дж/см2, при этом оптимальными значениями являются: С=0,15-0,20%, Mn=1,20-1,50%, CaSi =0,02-0,03% и КЦеЖ (составом: 20 % РЗМ на основе церия; 20% Al; 3% Са; Fe остальное) в количестве 0,13 - 0,15% (рекомендуется также применять микролегирование Ni и Cr в количестве 0,3-0,4% (в пределах требований ГОСТ 22703-91)).
10. Опытно-промышленные исследования применения модифицирования, оптимального химического состава в электропечах и мартеновских печах показали следующее:

1. Ударная вязкость при низкой температуре (KCV-60) модифицированной стали 20ГЛ после нормализации всех опытных плавок, выплавленных в дуговой электропечи и мартеновской печи, достигает значений то 17,5 - 31 Дж/см2;
2. Максимальные показатели значений KCV-60 имеют плавки модифицированной стали 20ГЛ после нормализации с повышенным содержанием Cr и Ni, а минимальные - с повышенным содержанием С и Al, что дает основание держать содержание данных элементов на нижнем пределе интервала варьирования, установленного ГОСТ и ТУ на химический состав стали 20ГЛ.

11. Исследования влияния различных режимов термической обработки нормализации стали 20ГЛ на ударную вязкость, привели к выявлению нецелесообразности применения режима нормализация и отпуск, по сравнению с двойной нормализацией с отпуском, дающей значительный прирост ударной вязкости стали и улучшение её микроструктуры.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Мануев М. С. Повышение механических свойств низколегированной стали для ответственных отливок железнодорожного транспорта [Текст] / Мануев М. С., Кульбовский И. К. Солдатов В. Г. // Заготовительные производства в машиностроении №4 / М: - “Машиностроение” 2006.– с. 3-7.
2. Мануев М. С. Повышение ударной вязкости стали 20ГЛ для отливок деталей железнодорожного транспорта [Текст] / Мануев М. С., Кульбовский И. К. Солдатов В. Г. // Заготовительные производства в машиностроении №6 / М: - “Машиностроение” 2006.– с. 6-9.
3. Мануев М. С. Исследование жидкотекучести стали [Текст] / Мануев М. С., Кульбовский И. К. Солдатов В. Г., Богданов Р. А. // Заготовительные производства в машиностроении №5 / М: - “Машиностроение” 2004.– с. 14-15.
4. Мануев М. С. Использование САПР при моделировании литейных процессов [Текст] / Мануев М. С., Кульбовский И. К. Солдатов В. Г. // Заготовительные производства в машиностроении №2 / М: - “Машиностроение” 2005.– с. 16-18.
5. Мануев М. С. Влияние легирующих элементов на качество низкоуглеродистых сталей [Текст] / Мануев М. С., Кульбовский И. К. // Тезисы докладов 57-й научной конференции профессорско-преподавательского состава: в 2 ч./ Под ред. Сазонова С. П., Говорова И. В. – Брянск: БГТУ. – Ч. 1., 2004. – с. 118-119.
6. Мануев М. С. Управление качеством стальных отливок с помощью компьютерного моделирования литейных процессов [Текст] / Мануев М. С., Кульбовский И. К. // Тезисы докладов 57-й научной конференции профессорско-преподавательского состава: в 2 ч./ Под ред. Сазонова С. П., Говорова И. В. – Брянск: БГТУ. – Ч. 1., 2004. – с. 119-121.
7. Мануев М. С. Оптимизация химического состава низколегированной стали для ответственных отливок железнодорожного транспорта [Текст] / Мануев М. С., Кульбовский И. К. Солдатов В. Г., Медведев В. И. // Вестник БГТУ №4 / Брянск: 2005.– с. 33-37.
8. Мануев М. С. Исследование возможности повышения ударной вязкости стали 20ГЛ [Текст] / Мануев М. С., Кульбовский И. К. Солдатов В. Г. // Вестник БГТУ №4 / Брянск: 2005.– с. 24-32.
9. Мануев М. С. Исследование влияния химического состава и модифицирования стали 20ГЛ на её ударную вязкость [Текст] / Мануев М. С., Кульбовский И. К. Солдатов В. Г., Яковлев В. Н. // Вестник БГИТА №1 / Брянск: 2005.– с. 82-87.
10. Мануев М. С. Исследование жидкотекучести стали [Текст] / Мануев М. С., Кульбовский И. К. Солдатов В. Г., Богданов Р. А. // Вестник БГТУ №2 / Брянск: 2004.– с. 13-16.
11. Мануев М. С. Влияние химических элементов на микроструктуру стали 20ГЛ [Текст] / Мануев М. С. // Новые материалы и технологии в машиностроении. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск – 5. / Под ред. Сильмана Г.И. – Брянск: БГИТА, 2006. – 186 с.

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

Офсета печать Усл. печ. л. 1,10. Тираж 100 экз. Заказ № 577.

Бесплатно

Издательство Брянского государственного технического университета

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

Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Харьковская, 9