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

Вид материала

Содержание

Основное содержание работы
Во второй главе
В третьей главе
Механические свойства стали для литых деталей железнодорожного транспорта подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм по ГОС
В четвертой главе
В пятой главе
Основные выводы

Подобный материал:

1 2 3

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: _Т=400 МПа, _В=540 МПа, ≥15%, φ≥30 %, КСU_-60≥0,25 МДж/м², а IV-ой – самые высокие: _Т=700 МПа, _В=840 МПа, ≥8%, φ≥25 %, КСU_-60≥0,25 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:

Исследование влияния режимов технологического воздействия (метод выплавки, микролегирование, раскисление, модифицирование) на структуру и свойства низколегированной малоуглеродистой стали с последующей оптимизацией режимов заводской технологии;
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;
Установление причин выхода из строя литых стальных деталей автосцепного устройства железнодорожного транспорта («Тяговый хомут» и «Корпус автосцепки») на основе анализа их эксплуатации;
Исследование влияния структуры и конструкции отливок железнодорожного транспорта на характер их разрушения в процессе длительной эксплуатации;
Разработка математических моделей и на их основе графических зависимостей механических свойств низколегированной малоуглеродистой стали 20ГЛ от её химического состава на основе математико-статистических методов;
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;
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;
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;
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 σ_В, σ_Т, δ, φ и KCU_-60после 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
			Σ(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.

Blog

Содержание