автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование и разработка экономнолегированной ферритной стали для системы выхлопного тракта автомобилей

\

.г

- „

V

М1Н1СТЕРСТВО 0СВ1ТИ УКРА1НИ ЗАПОР13БКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХН1ЧНИЙ УН1ВЕРСИТЕТ

На правах рукопису

Нестеров Олександр Васильевич

УДК 669.14.018.853

ДОСЛ1ДЖЕННЯ ТА РОЗРОБКА ЕК0Н0МН0ЛЕГ0ВАН01 ФЕРИТН01 ЖАРОСТШКСМ СТАЛ1 ДЛЯ СИСТЕМИ ВИХЛОПНОГО ТРАКТУ

АВТОМОБ1Л1В

Спещальнють 05.02.01 - Матер1алознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертацм на здобуття паукового ступени кандидата техтчних наук

Запор1жжя - 1999

Дисертащею е рукопис.

Робота виконана в Запор1зькому державному техшчному уншерситет1 Мшютерства осв-1ти УкраТни.

Науковий керхвник : кандидат техшчних наук, доцент

БОНДАРЕНКО Анатолш Леонидович, Запор13Ький державний техшчний ун1верситет, доцент кафедри ф1зичного матер1алозиавства.

Офщшш опоненти: доктор техшчних наук, професор Середа Борис Петрович, Запор13ька державна шженерна академия, завщувач кафедри матер1алознавства та обробки меташв.

кандидат техшчних наук Яценко РаТса Васшпвна, '' ■.■:■■' -ч Украшський державний н ау к о в о-до с л I д н и й ¡нститут

спещальних сталей, сплав1в [ феросплав1в, м. Запор1жжя, провщний науковий сгпвробпник

Провщна установа: Харювський державний полггехшчний ушверситет,

кафедра металознавства та терм1чноУ обробки метал1в, Мшктерство осв1ти УкраГни, м. Хармв.

Захист в1дбудеться х?^ ЛаР/паго 2000 р. о г0дин1

на засщанш спещашзованоТ вчено! ради Д 17.052.01 у Запор1зькому державному техничному ушверситет! за адресою: 69063, м. Запор;жжя, вул.Жуковського, 64.

3 дисертащею можна ознайомитися у б1блютещ Запор'13Ького державного техничного университету за адресою: 69063 м. Запор^жжя, вул. Жуковського, 64.

Автореферат роз!сланий ^/¿/^¿л^_ 1999 р.

Вчений секретар спещал1зованоУ вченоГ ради, доктор техшчних наук, професор

Т.П.Волчок

ЗАГЛЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальшсть теми. Виробництво автомобшв, що вщповщаготь сучасним гормам експлуатаци та здатних конкурувати на св!товому ринку, неможливе 5ез вживання заходш по зниженню токсичности вщпрацьованих газ] в. Одним п зайбшьш ефективних методiа ршення nid задач1 е установка каталттчного 1ейтрап13атора в систем! вихлопного тракту. Принцип роботи кейтрал!затора оснований на кататтичному допалеш шюдливих складових вщпрацьованих газ1в, i тим самим, зниження УхньоТ токсичность Нейтрал1затор являе собою д1льниковий керам1чиий моноблок 1з нанесеною активною речовиною (реактор), який помвдено в металевий корпус.

У реальних умовах експлуатаци температури, що розвиваються в зош реактора, складають б1ля 800°С. Присутшсть у склад! вщпрацьованих газ1В okhcib зуглецю та азоту, napiB води i з'еднань Ырки, а також вуглевод1в, визначае ви-:оку ix xiMiHHy агресишпсть. На зовшшню поверхню металевого корпусу впли-зае атмосферне середовище, що приводить до його корозп.

Одшею з вимог до моноблочних нейтрал!затор1в с мшмальна р1зниця м!ж <оефщ!ентами терм1чного розширення керам1чного моноблоку та металу корпусу. При значит п величин! вцщрацьоваш гази нроходять не через пальники, а в зазор мгж керам1чним блоком та металевим корпусом. Тод1 нейтрагизатор зтрачае свою роль як допалювача в!дпрацьованих ra3iß. KpiM цього, це також чоже привести до мехашчного руйнування керауцчного блоку, внасЛ1Док в!бра-jii" при експлуатаци. Bei ц! oco6:iHBOcri експлуатац!'! обумовлюють необх'щшеть чнкористання для виготовлення корпусу нейтрашзатора високолегованих коро-шшостшких сталей. Однак, стат под1бного класу, як1 виробляються втшзня-юю металургшною промисловктю ¡з ряду причин не щлком в^повщають вимогам до MaTepianio для виготовлення цих вироб1в. Так, наприклад, у короз1Й-юстшкоУ стал: 12X1SH10T, яка добре штампуеться та мае високу жаростш-<icTb, коефпцент терм1чного розширення набагато перевищуе цей параметр у <ерам1ки. Стал! 08Х18Т1, 04Х17Т, хоча i задовольняють вимогам по жаростш-<ocTi, корозшнш стшкосп, близькост! коеф1Ц1ент1в теркичного розширення, од-тк не мають достатнього р1вня мехатчних властивостей для проведения оле-эацш штампування. KpiM цього, Bei ui стал! через високий вмкт шкелю та хро-чу, дефщитш i коштовш, що в умовах масового виробництва стримуе широке х використання.

Досв1д пров1дних автомоб1лебуд1вних ффм показуе, що для виготовлення зеликоУ номенклатури деталей системи вихлопного тракту, до яких в1дносяться нейтрал!затори вщпрацьованих газ1в, розроблет та використовуються еконо-чнолеговаш жаростшк! стал!, що мають у своему склад! 10-11 % хрому та ста-эшзоваш титаном (YUS-409D, AISI-409, DIN WNR 4512). Ц! стал1 вщповща-оть вимогам до матер ¡ал ¡в при виготовлейш деталей методами штампування та ¡абезпечують достатнш експлуатацшний ресурс. Однак, вони мають у своему :клад! не виправдано великий BMicT хрому, що може бути знижений за рахунок

додаткового яегування такими елементами як, наприклад, алюмшш та кремнш, котр1 як 1 хром шдвищують жаростшюсть стал!.

Створення економнолегованих сталей для деталей системи вихлопного тракту автомобшв у кра'шах СНД обмежилося розробками сталей 07Х8ЮЦФ (ЧС53), 05X1ЗЦЮ (ЧС54) Центральним науково-дослщним шститутом чорно! металургп. Однак, Ц1 стал1 за структурою е феритомартенситними, \'х металур-пйний перероб на холодиокатаний лист мае багато технолопчних ускладЕ1ень, що не дозволило освогги промислове виробництво з них холоднокатаного листового матср1алу. Альтернативою цим материалам можуть стаги економнолего-ваш однофазш феритн-1 стал'1, склад 1 структура яких забезпечують високу технолопчшеть при виготовленш листового металопрокату та готових вироб1в з нього, а також достатшй р1вень жаростшкост! 1 корозшно'! стткост).

Зв'язок роботи з науковими программами, планами, темами. Досль дження з даноТ тематики починали виконувати на пщетав! завдання 11.01.Т: «Разработать и внедрить технологический процесс штамповки и сварки изделий средств транспорта из коррозионностойких безникелевых ферритных сплавов», М1жгалузевого науково-техшчного комплексу «Антикор» ГКНТ СРСР 1 АН СРСР (Постанова ГКНТ СРСР вщ 14 липня 1986 року № 311) та продовжи-ли у госпдогов!рних роботах на деюлькох шдприемствах.

Мета та задач» дослцження. Створення економнолегованох однофазно!" стал! феритного класу, листовий материал ¡з яко!' мав би достатшй р1вень жаростшкост! та корозшноТ стшкост1, а також високу технолопчшеть при виготовленш з не!' деталей системи вихлопного тракту автомобшв методами штампу-вання-витягування та зварювання.

Для досягнення ще!' мети були поставлен! та вирпиеш наступи! задач!:

1. З'ясовано вплив кремн!ю, алюмшю та титану, при р!знш !'х кшькосп, на стушнь пол!морфного а«-»у-перетворення в зал!зохромистш стал! з 7-9% хрому.

2. Встановлено юльк!сш сшввщношення зазначених легуючих елемент1в, що забезпечують одержання стал! з однородною феритною структурою, опти-мальним сшввщношенням жаростшкост! та мехашчних властивостей.

3. Розроблено Х1М1ЧНИЙ склад ново'! економнолегованоТ жаростшко! стал! феритного класу.

4. У ход! апробацн промислового виробництва дослужено структуру та властивоси листового металопрокату.

5. Визначено рхвень найважливхших експлуатацшних характеристик роз-роблено1 стали - жаростшкост! та корозшно!' сликости

6. Апробовано технолопчшеть листового металопрокату при виготовленш деталей системи вихлопного тракту автомобшя.

Методи дослщжень. У робот1 використовувалися методи математичного планування експерименту, сучасн! методи структурних дослщжень, випробу-

шипя мехашчних, ф1знчиих та експлуатацшних характеристик легованих ста-1ей. Для досгидження складу оксидних шар1в застосовувався метод М1крорент--еноспектрального анализу. В1ропдн1стъ результата лабораторних досл1джень ндтверджено результатами стендових, польових та шляхових ¡спит!в досшдних ¡разюв вироб1в системи газовихлопного тракту автомобшв.

Наукова новизна роботи.

]. Вперше показано принципову можливють затамувати пол1морф)3м \ эдержати однорщну фсритну структуру в стал1, що м'ютить 7-9% хрому шляхом 1егування и додатково крсмшем, алюмЫем \ титаном.

2. При використанш методу математичного планування експериментш ггрнмано р1вняння регресш, що описують вплив них легуючих елемешлв на каростжюсть 1 мехашчш властивост1 стал;, що метить 7-9% хрому.

3. Встановлено залежност1 значень жарост'шкостс та мехашчних властиво-;тей хромистоТ стал1 в1д р1зного вмкту кремнйо, алюмнню 1 титану.

4. Встановлено ильккне сгпввдашшення зазначених легуючих елеметтв, до забезпечують одержання материалу з оптимальним комплексом мехашчних 1 жсплуатацшних властивостей.

Практичне значения отриманих результате:

- розроблено нову економнолеговану жаростшку сталь, що М)стить 7,05,5% хрому, 0,8-1,2% кремшю, 0,9-1,2% алюмпйю, 0,3-0,6% титану, 0,05-0,1% ;ерпо, 0,1-0,3% кальцно;

- показано можлившть зам ¡ни класичних нержавпочих сталей, що мктять {¡ксль та хром, при виготовлешн деталей системи вихлопного тракту автомобь нв з розробленоУ стал1;

- результата роботи впроваджено при виробництв1 промисловоТ парта хо-юднокатаного листа в умонах заводу «Дшпроспецсгаль» 1 МК «Запоршсталь»; ¡иготовлено промислову парт!ю нейтрал1заторт в1дпрацьованих газ ¡в та досль (1м парта глушшшв шуму до автомобшв амейства ЗАЗ, ЛАЗ, ВАЗ.

Апробацш роботи. Основш положения та результата дисертацшноГ робо-ги доповщались 1 обговорювапись на науково-техшчних конференщях "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения на-1ежности и долговечности изделий" (жовтень 1989, 1990, вересень 1992, 1995, 5апор1жжя); М1жнароднш конференци "Проблемы современного материаловедения" (кв1тень, 1997, Дшпропетровськ); науково-техшчнш конференци 'Неметаллические включения и газы в литейных сплавах" (вересень 1997, За-юр!жжя)..

У повному обсяз1 робота доповщалась на кафедр! ф1зичного матер1алоз-мветва ЗапорЬького державного техшчного утверситету та на м1жкафедраль-юму семшар! "Матер1алознавство".

Публшацн. Результата дисертацшних дослщжень опублжовано в 1 стагп у науковому фаховому журнал^ в 3 статгях у зб1рниках наукових праць та в 5 матер! ал ах науково-техшчних конференций та семшар!в, одержано 1 авторське свщоцтво на винахщ.

Структура та обсяг дисертацн. Дисертацшна робота складаеться з1 всту-пу, 6 роздиив, висновюв, списку використаних джерел та додатюв. Роботу ви-конано в обсяз! 120 сторшок комп'ютерним набором, вм1шуе 33 малюнки, 15 таблиць, бюлюграф1чний список мютить 103 назви л1тературних джерел та 10 додатюв.

ЗМ1СТ РОБОТИ

У встут викладено загальну характеристику роботи, обгрунтовано акту-альшсть теми, сформульовано мету та завдання дослщжень, викладено наукову новизну, приведено вщомосп про практичну цшжсть та реа-'шацпо результате роботи.

Перший розд1л метить огляд л1тератури з питань роботи матер1ал1В в умовах високотемпературного окисления у р1зномаштних газових середовищах та в умовах атмосферно1 короз1У. Проанашзоваш можливост! використання еко-номнолегованих жаростойких феритних сталей як матер!алу для виготовлення деталей системи вихлопного тракту автомобшв.

Проведено аналЬ лаературних даних по виливу р1зних компонент в1д-працьованих газ1в автомобшв на корозшне поводження сталей, що традицшно застосовуються для виготовлення деталей вихлопного тракту автомобшв.

Вщзначено, що найбшьш ефективним способом досягнення високих жаро-стшких властивостей е легування сталей.

Одним з елемент1в, що ¡статно шдвищують жаростишсть стал! е хром. Висока жаростшмсть сталей та сплав1в, що мктять хром, обумовлена утворен-ням на IX поверхш дуже мщноУ тугоплавко! пл!вки, яка складаеться з оксиду хрому СггОд або з оксид1в бшьш складно'1 сполуки штнельного типу.

Оп1р газов!й корозп хромистих сталей значно шдвищуеться при введенш в IX склад таких легуючих елеменпв як алюмшш та кремнш.

Алюмипй е найбшьш ефективною присадкою, яка пщвищуе жаростшюсть зал1за та зал1Эохромистих сплав!в. Додаток алюмшио в зал1зо приводить до утворення на поверхш стал! стшкоТ захисжн шпвки, що при великому вмют1 алюмшио складаеться переважно з оксиду А12Оз.

Добавка кремшю до зал1зохромистих сталей дде деюлька своерщно. Утворення захисних окисних гшвок в1дбуваеться в штервагн температур 700-900°С. На початку процесу кремнш та хром окисляються одночасно з утворенням шпшел1 РеО СггОз, БЮг 1 сил1кат!в, а потш вщбуваеться ущшьнення захисного шару унаслщок зпекання оксид1в кремнно та С1ипкат1в.

Вщомо також, що РЗМ позитивно впливае на жаростшисть сталей. Цей вплив обумовлюеться тим, що вони зменшують мльюсть дефект!в оксиднш

1л1вц1. Це, у свою чергу, зменшуе швидмсть дифузп íohíb металу в пл!вщ та гпдвищуе жаростшюсть.

У цш частит робота коротко проанал!зовано особливосп термодинамики га кшетики окисления хромистих сталей.

Легування сталей хромом, алюмЫем та кремнием, oKpÍM р1шення задач! по ¡абезпеченню високих жаростшких властивостей, позитивно виливае на коро-нйну стпшсть в атмосферних умовах. Ефект досягаеться за рахунок того, що три введенш до складу стал! хрому, алюмшто, кремнно у бшьшому або мен-лому ступен! шдвищуетъся i"í схильшсть до пасиваци.

У другому pos/iLii подано вщомога про матерши, що використовували у зобот! та методи Ух досл^джень.

При проведенн! експерименту по розробщ xímÍ4hoto складу hobo'í с тал i зб'ектом досл!джень було обрано холоднокатаннй метал дослщних плавок.

Для nopiBtmjibHoro анагнзу мехашчних, технолопчних та експлуатацшних ?ластивостей розробленоТ стал! на тдстав1 анал!зу попереднього досвщу виго-говлення деталей вихлопного тракту ацтомобшв були o6paHÍ стал! в1тчизняно-■о та закордонного виробництва: 12Х18Н10Т, 08X18Т1, YUS 409D.

Дослщш плавки та Тх перероб з розробленоТ стал i на холоднокатан! смуги фоводили у лабораторних умовах. Виготовлення промислових партш холод-юкатаного листа uieí стал! вщбувалося в умовах заводу "Дшпроспецсталь" та ИК "Запор1жсталь".

Зразки для вивчення структури та випробувань жаростшкост!, корозшноТ :tíhkoctí та мехашчних властивостей виготовлялися у вщгашдносп з ¡снугочи-4и стандартами.

Вивчення структури проводили на зразках з металу дослщних плавок та [ромислових партш стал! з застосуванням метод1в металограф1чного анализу та гослщженням фазових перетворювань на дилатометр!.

1спити жаростшкосп' металу досладних плавок проводили у повггряши ат-юсфер1 при температур! 700°С та тривалютю випробувань 2000 годин. IlopiB-1ялып ¡спити жаростшкост! розробленоТ стал! та сталей 12Х18Н10Т, 08X18Т1, HJS409D проводили як у повпрянш атмосфер! 700°С та 2000 годинах витрим-:и, так i в атмосфер! вщпрацьованих ra3ÍB автомоб!л!в на спещальному стенд! [ри температур! 600-800°С, тривашстю випробувань 200 годин. Для прогнозу-ання жарост!йких властивостей розробленоТ стал! параметричним методом [роводили ¡спити Tí жаростшкост! у пов!трянш атмосфер! при температурах 50, 700, 850°С i постшному терм!н! випробувань 100 годин та при температур! 00°С i термшах випробувань 100, 500, 1000, 2000 годин.

1спити механ!чних властивостей холоднокатаного матер!алу як досл!дних, ак i промислових плавок, проводили зпдно з ГОСТ 1497-84. Визначення твср-ост! проводили на TBepflOMÍpi "Роквелл" при навантаженш 30 кг з подальшим ерерахуванням значень твердост!, ям вщповщають навантаженню 100 кг.

Пор1Вняльш 1спити корозжноУ стшкосп цих сталей проводили в польових умовах терм!ном до 5 роив (м. Запоршжя) та в камер! сольового туману, яка ¡м1туе бшьш агресивш умови впродовж 300 годин.

Для шдтаердження результатов цих ¡сиит^в були проведен! натурш випро-бування дослщних зразк1В деталей вихлопного тракту на стендах та на реально д!ючих автомобшях.

Трети! роздьп присвячено розробщ Х1м!чного складу стал! феритного кла-су, яка мала би сприятливе сполучення експлуатацшних, мехашчних та техно-лопчких властивостей.

Решения поставлено!' задач! починалося з визначення легуючих елементгв та меж IX вмшту в облает! легування. Вщомо, що легуючими елементами, як! дозволяють отримати феритну структуру стал! та. високий р!вень жаростшкост! с хром, алюм!н!й, кремнш та титан. Було прийнято,.що вмнуг цих елемешчв в облает! легування дощльно розглядати при так!й Ух юлькостк Сг - 7-9%, Б! -0,6-1,4%, А1-до 1,6%, Т1-до 0,8%.

Вивчення залежност! впливу легуючих елемен^в, в межах Ух вм1сгу, на експлуатацшш та мехашчш властивосги стал! здшенювали з використанням методу математичного планування експерименту з реалтащею повнофакторного експерименту 23. У якост! параметр!в для прогнозування зм!ни властивостей стал! обранк глибина проникнення корозшних ушкоджень (Ь, мм) - основний параметр оптим1зацп; пластичн!сть (85, %) та тверд!сть (НИВ) - контролююч! параметри оптим!зац!У.

3 ц!ею метою були виплавлен! дев'ять лабораторних плавок перемшного х!м!чного складу та здшенено Тх перероб на холоднокатан! смуги. В плавках змшювали юльюсть кремшю, алюм'ш!ю та титану при приблизно пост!йн!й юлькосп хрому ! вуглецю. В подальшому вивчали структуру метану та проводили ¡спити жарост!йкост!, пластичност! ! твердост!, результати яких наведено у табл. 1.

Дослщження структури литого металу лабораторних плавок проводили з метою з'ясування принциповоУ можливост! одержання однор!дноУ феритноУ структури при легуванш кремн!ем, алюм!н!ем та титаном хромистоУ стал!, що мютить б!ля 8 % хрому.

Результати метапограф1чного анал!зу структури литого металу показали, що однорщну феритну структуру мають плавки, до складу яких входить титан, а кшыасть кремшю або алюм!н!ю знаходиться на верхньому р^вн! меж Ух вм!сту в план! експериметтв. Незважаючи на вщеутнють титану, одночасовий верхшй вм1ст кремшю з алюмшем також забезпечуе феритну структуру. Вмшт легуючих елемент!в, що вщповщае середньому р^вню облает! легування теж забезпе-чуе отримання феритноУ структури в стал!. Структура металу складаеться з фе-ритних зерен пол!едричноУ форми з чистими тонкими границями. По всьому об'ему зерен р!вном1рно розосереджен! дисперсн! включения, карбоштрндного типу. Отримання феритноУ структури метала визначаеться комплексним впли-вом феритоутворюючих елемент!в у запропонованих межах Ух вмкту.

Габлиця 1 - Х1м!чний склад доел ¡дних плавок та результата ¡сгптв

N° досл!ду Порядок реал1зацп Вм1ст елемент!в, % масс. Результати ¡спит! в

Сг Б! ] А1 Т1 Ь, мм §5, % НЯВ

1 8 7,8 0,65 0,02 0,80 0,0393 37,0 83

2 2 8,4 1,40 0,02 0,85 0,0208 28,5 90

3 1 8,0 0,60 1,55 0,80 0,0084 32,5 87

4 3 7,9 1,36 1,60 0,75 0,0043 27,0 94

5 4 8,0 0,65 0,02 - 0,0228 34,0 85

6 6 7,8 1,42 0,02 - 0,0198 28,0 92

7 5 7,9 0,60 1,65 - 0,0079 32,0 88

8 7 7,8 1,40 1,60 - 0,0032 26,0 96

9(ср.р1в) 9 8,2 1,05 0,80 0,40 0,0078 41,0 79

Пошук оптимального сполучення жаростшкост! та мехашчних властивос-гей проводили при розгляд'1 цих параметр!В т!льки тих плавок, метал який мав |)еритною структуру. Найбшьш високу жаростшюсть мав метал плавок, в скла-П яких одночасовий вмшт кремшю та алюмЫю був на верхньому р1вн1. Але гака к1льк1сть таких елематв приводила до значного твердорозчинного змщ-Iс11 ня фериту ¡, як слщство, до зниження пластичносп' та гндвищенню твердо-гп. Зниження вмюту кремшю або алюмшто приводило до тдвищення пласти-1ност1, але жаростшюсть при цьому поменшувалася. Вм1ст легуючих елемент!в 5 стал!, що вщповщае середньому ршшо област1 легування, дозволив одержати )днор!дну феритну структуру ! р1вень експлуатацшних ! мехашчних властивос-гей, близький до властивостей класичних високохромистих корозшностшких ггалей.

Оскшьки результати даних випробувань були кшыасними, то при опрацю-¡анш результате експеримешчв, оцшку значимоеп впливу чинникт на власти-юст! стал! робили за допомогою регресшного анализу.

У результат! отриман! наступи! р!вняння регресп по трьох параметрах оп-тпзацп:

И, мм = 0,0326 - 0,0095(50 - 0,012 (А1) + 0,006 (ТО 65, % = 39,375 - 8,125 (Б!) - 1,562 (А1) + 1,562 (ТО НИВ = 79,313 + 9,062 (80 +2,344 (А1)-2,187 (ТО

Р!вняння регресп описують вплив легуючих елемент!в на експлуатацшш та 1ехашчш властивост! стал!. Так, вплив алюмшно на ошр газовш корозп на по-шдок вище впливу кремшю, який до того ж найбшьш знижуе пластичн! влас-ивост1 сталь Вплив титану на жаростшккть та механ1чн'1 властивост! виявився [езначним, який, головним чином, вводився для отримання феритноУ структу->и. •

Таким чином, меж! вмюгу основних легуючих елемента у склад! жаро-тжкоУ феритноУ стал!, що мае сприятливе сполучення експлуатацжних, меха-

шчних та технолопчних властивостей таю: хром - 7,0-8,5 %; вуглець не бшьш 0,08 %; кремшй - 0,8-1,2 %; алюм'шй - 0,8-1,0 %; титан - 0,3-0,6 %.

Для шдсилення жароспйкост! та очищения граничь зерен в!д ишдливих домшок до марочного складу стал1 ввели церш у юлькосп 0,05-0,1%. Для пщ-вищення р1'дкотекучост1 стал! ввели кальцШу кшькост! 0,1-0,3%.

Четвертий роздш присвячено анализу результат промисловоГ апробацп внготовлення холоднокатаного листа з розроблено'1 стал'1, якШ присвоено марку 08Х8СЮТч.

Виробництво промислових плавок вщбувалось на завод! «Днтроспецс-таль» в електродугових печах з наступним газокисневим рафшуванням у конвертер!. Це забезпечило зниження вм!сту вуглецю в склад! стал!. Заданий та отриманий х!м!чний склад одшеУ з промислових плавок наведено у табл.2.

Таблиця 2 - Заданий та отриманий х!м!чний склад промислово! плавки жаро-стшкоТ феритноУ стал! 08Х8СЮТч

Вмшт елемент!в (% мае.)

С Мп Б! А1 Сг Т! Са Се № Р Б

<0,08 <0,6 0,8-1,2 0,9-1,2 7,0-8,5 0.3-0.6 0,1-0,3 0,05-0,1 <0,6 <0,035 <0,02

0,04 0,2 1,1 1,0 8,1 0,54 - - 0,2 0,020 0,01

Примкка: у чисельнику зазначено заданий, а в знаменнику - отриманий хш1ч-ний склад. Залишкова кшькють цер!ю ! калыцю Х1м!чним анагпзом не виявлялася.

Структуры! дослщження литого металу показали, що сталь мае однофазну феритну структуру. Межи зерен вшьш вщ включень вторинних фаз, а по об'ему зерен р!вном!рно розосереджеш включения карбон!тридного характеру, що е характерним для нержав!ючих сталей, яю легован! титаном.

Зливки переробляли на холоднокатаний лист за технолопею, яка розроблена ЗДТУ разом з МК "Запор!жсталь".

Основн! параметри ше1 технологи таки

- температура розливу стал! - 1590-1610°С;

- нагр!вання зливмв пщ прокатку сляб1в до температури 960-970°С;

- прокатка злившв на сляби;

- названия сляб!в шд прокатку на гарячекатан! смуги до температури 1350-1370°С;

- прокатка слябов на гарячекатан! смуги товщиною 3,9 мм;

- травления гарячекатаних смуг;

- прокатка гарячекатаних смуг на холоднокатан! смуги товщиною 0,82,0мм;

- рекристал!зацшний вщпал холоднокатаних смуг при температур! 960-975°С;

- лужно - кислотне травления холоднокатаних смуг.

На вс1х етапах металурпйного переробу феритна структура стал! збер)га-лась. Значения мехашчних властивостей холоднокатаного листа з стал1 08Х8СЮТч були деюлька вищими до цих властивостей холоднокатаного листа з класично'У феритноУ стал! 08X18Т1. Мсхашчш властивост1 холоднокатаного листа цих сталей наведено в таблиц! 3.

Таблиця 3 - Значения мехашчних властивостей холоднокатаного листа !з сталей 08Х8СЮТч та 08X18Т1

Марка стал! Значения механ!чних властивостей

ат, МПа 0Ь, МПа 5,,% 8» % HRB 30/100 ат/аь

08Х8СЮТч 410 656 41,5 26,5 79,0 0,625

08X18Т1 350 524 40,0 20,0 78,5 0,668

Все це вказуе на те, що холоднокатаний лист з такою структурою та влас-тивостями цшком придатний до використання на операщях штампування та ви-тягування.

П'ятий роздш присвячено досл'щженню експлуатацшних властивостей розробленоУ сталь

Враховуючи умови, в яких працююгь вузли вихлопного тракту автомобь n¡b, ix експлуагациншй ресурс найбшьш заложить в!д жаростшкосп та корозш-ноТ cTifiKOCTi матер1алу.

При дослщження властивостей металу доаидних плавок з'ясувалося, що х1м1чний склад розробленоУ стал i дозволяе забезпечити и жаростшюсть на píbhí близькому до сталей 12Х18Н10Т, 08Х18Т1 та YUS 409D.

Для тдтвердження цього припущення були проведен! пор!вняльн! ¡спити жаростжкост! цих сталей, результата яких наведено в табл.4,

Випробування жарост!йкост! у р1зних газових середовищах показали, що по цьому параметру сталь 08Х8СЮТч близька 3Í сталями 12Х18Н10Т та 08X18Т1. Жаростшисть стал! YUS 409D поштно нижча, осмльки в Tí склад! kpím в1Дносно меншоТ kÍjtí.koctí хрому (10-11%) та малоУ юлькост! кремн!ю (0,61,0%) не мае шших легуючих елемент!в, що полшшують цю характеристику.

Таблиця 4 - Результата пор!вняльних icnHTÍB жаростшкост!

Режими ícrhtíb

Марка стал! повггряне середовище, 700°С, 2000 год.,г/см2 середовище вщпрацьованих газ!в авто-мобшю, 600-800°С, 200 год. ,г/см2

08Х8СЮТч 6Л0 J0 3 3,20'10"4

12Х18Н10Т 5,72'Ю'3 2,85 Ю-4

08Х18Т1 5,85 10'J 2,95 Ю-4

YUS 409D 1,1510'2 8,5210"4

Показники жаростшкостч crani 08ХСЮТч, що мае в склад; значно меншу кшьк1сть хрому, досягаеться за рахунок легування YY одночасово ще алюм!шем та кремшем - елементами, як\ cyMicHO з хромом утворюють на поверхш стал1 щшьш захист оксидщ шнвки, а також мжролегуванням церием. Досл1дження показали, що навт при витримщ зразюв стал1 08Х8СЮТч у продовж 2000 годин при температур! 700°С у повггряному середовиид на ix поверх!» утворили-ся дуже тонк1 та щшьш оксидш шпвки, яюсне в!ддшення яких в!д матрищ' ви-явилося неможливим. У зв'язку з цим, визначення складу цих пл'ток проводи-лося за допомогою мкрорентгенослектрального анагпзу. Товщина пл'ток ста-новила 5-10 мкм. Анатз млькост! елеметтв в склад1 шнвок показав, що вм!ст хрому та алюмишо бшып як у два рази перевищуе ix bmIct у х!м1чному склад! стащ, а BMicT кремшю майже не в1др1зняеться вщ його вмшту в склад) стал!. Це показую, що хром та алюмшш найбшьш активно беруть участь в утворенш оксид/в, з яких складаються поверхнев! захисш шпвки.

За допомогою вивчення мнетичних та температурних залежностей окисления стал! 08Х8СЮТч побудована параметрична д1аграма, яка дозволяе про-гнозувати експлуатацшну стшк1сть uic'i erani при температурах 550, 700, 850°С та TepMiHi експозицн 100000 годин.

Випробування корозшно'1 стшкост1 як у атмосферних умовах м. Запор1ЖЖя, так i в камер! сольового туману показали, що сталь 08Х8СЮТч мае 8 бал стш-кост! проти 10 балу у високохромистих та хромошкелевих сталей, що задово-льняе умовам експлуатащУ вироб!в.

Шостий роздш присвячено питаниям технологи виготовлення дослщних зразк1в деталей системи вихлопного тракту автомобшв та випробуванню ix ек-сплуатащйних властивостей.

У роздш наведено основш.технолопчш параметри виготовлення електро-зварюваних труб, результати проведения операцш штампування-витягування деталей, з яких: виготовлено корпуси нейтрализаторов в!дпрадьованих газ)в та глушники шуму автомобшв.

Дослщш зразки готових вироб1в пройшли Bce6i4Hi стендов! та дорожш випробування. Результати цих випробувань подтвердили придатнють стал i 08Х8СЮТч для виготовлення корпусу нейтрал1затор1в в!дпрацьованих газ1в та показали, що мппмальний ресурс працездатносп глушниюв шуму становить 120 тис. км пробегу автомобиля.

OCHOBHI РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

1. Анашз св1Тового доевщу в автомобшебудуванш показуе, що постшне удосконалення норм експдуатащУ автомобшв вимагае вживання заход1в по зниженню токсичности вщпрацьованих ra3ie. Одним з ефективних метод! в pi-шення uie'i задач! е установка в систем! вихлопного тракту нейтралЬатор1в вщ-працьованих газ!В. Особливосп експлуатацн цих вироб1в (вплив гарячих газ!в,

атмосферы! та дорожш умови) обумовлгоють використання для Ух виготовлення високолегованих корозШностшких сталей. Стал! такого класу, що виробляють-ся вггчизняною металурпйною промисловктю, не завжди вщповщають вимо-гам до матер1ал'ш, призначених для нейтрал1загор1В вщпрацьованих газ ¡в (стру-ктурний фактор, р1вень ф!зико-мехашчних властивостей та висока варткть). У той же час ведуч! автомоб1лебуд1ВН1 ф^рми використовують для цих щлей еко-номнолеговаш хромист! жаростшю сталь

2. У пропса розробки х1м1чного складу економнолегованоУ жарост1йкоУ стал! досл!джувався вплив кремшю, алюм!н!ю та титану на структуру 1 власти-вост1 зал!зохромистого сплаву з 7-9% хрому. У ход! дослщження показано принципову можливють отримання однорвдноУ феритноУ структура в залгзо-хромистому сплав! з таким вмятом хрому при легуванш його не коштовними га не дефщитними феритоутворюючими елсментами - кремшем, алюмппем та титаном.

3.3 застосуванням методу математичного планування експеримент!в отримано ршняння регресй, що визначають вплив легуючих елементсв на експ-луатацшш та мехашчн! власти воет! сталь

4. Даш, як1 отримали, дозволили встановити меж) вм!сту легуючих еле-ментш в стал! (Сг - 7,0-8,5%; Э)' - 0,8-1,2%; А1 - 0,9-1,2%; И - 0,3-0,6%), що до-зволяють гаранговано забезпечити однорщну феритну структуру та оптимальне лпввшношення характеристик пластичносп та мщност! (65-39-41%; огв-650-ЗбОМПа).

5. Досвщ промислового виготовлення холоднокатаного листового метало-трокату та деталей вихлопного тракту автомобшв показав, що розроблена ;таль 08Х8СЮТч технолопчна на вс!х етапах металургшного переробу та при шготовленш з неУ деталей методами штампування-витягування та зварювання.

6. Випробування експлуатацшних властивостей показали, що легування тюмш^ем ! кремн!ем забезпечуе жаростойкость стал! з 8% хрому до температур !00-900сС як у пов!тряному середовшщ, так ! в продуктах гор!ння палива. По 1Ьому показнику розроблена сталь знаходиться на р!вш високохромистих та [ромошкелевих короз!йност!йких сталей. Висока жарост1Йк!сть отриманого ма-ер!алу пояснюеться тим, що в процес! високотемпературного окисления на по-¡ерхш матер!алу утворяться ицльш захисн! оксидн! плшки шпшельного типу, к! складаготься з оксид'ш зашза, хрому, кремгшо та алюмМю.

7. Кшьюсш даш, як! отримаш в ход! випробувань на жаростшюсть стал! 18Х8СЮТч дозволили розрахувати та побудувати параметричну д!аграму жа-юстшкосп, що дае можлив!сть прогнозувати граничн! терм!ни експлуатаци ви-юб!в ¡з щеТ стал! при температурах 550,700, 850°С та термин випробувань 00000 годин.

8. Враховуючи, що вироби системи вихлопного тракту автомобшв у про-;ес1 експлуатаци зазнають вплив зовшшнього середовища, проведено пор!вня-

iibai випробування корозшноТ стш кость Показано, що сталь 08Х8СЮТч по ко-розшнш стшкосп деюлька поступасться нержавночим сталям (8 бал стшкост] по ГОСТ 13819-68 проти 10 бала у сталей 08Х18Т1 та 12Х18Н10Т), однак така стШккть Ц1ЛК0М задовольняе умовам експлуатацп цих вироб1в.

9. Практичне апробування результате розробки здшснено при виготов-ленш промислових партш холоднокатаного листового металопрокату, електро-зварних труб, дослщно-промислових napTiii вироб1в для системи вихлопного тракту автомобшв. Отримано економ!чний ефект, який тшьки шд замши стал! I2X18H10T, при виготовленш нейтрал i3aTopiB вдарацьованих газ ¡в автомоб1-л!в Ымейства ВАЗ на Ризькому мотозавод'| склав 40190 карбованцев у цшах 1992 року. При подальшому впровадженш стал! 08Х8СЮТч для виготовлення деталей системи вихлопного тракту автомобшв оч^куваний економ1чний ефект тшьки по AT "Авто-ЗАЗ" складе 440000 гривень на piK.

СПИСОК ОПУБЛ1КОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦП

1. Нестеров A.B., Климов A.B. Выбор химического состава низкохромистой ферритной стали и исследование её жаростойкости //HoBi матер1али i технологи в металургп та машинобудуванш: Науковий журнал ЗДТУ. - Запоргжжя: ЗДТУ, 1997, № 1-2. - С.47-48.

2. Нестеров A.B., Климов A.B. Влияние термической обработки на свойства холоднокатаной стали марки 08Х8СЮТч, предназначенной для системы газовыхлопа автомобилей // Проблемы современного материаловедения / Научные труды Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры. - Днепропетровск, 1998. -С.119-120.

3. A.B. Климов, A.B. Нестеров, В.В. Демешко Перспективы использования листовых ферритных сталей с 8-14 % хрома в хлебопекарной промышленности //Hoßi конструкцшш стал! та стопи i методи i'x обробки для шдвищення надш-nocTi та довгов!чност1 вироб!в: 36. наук. пр. ЗДТУ. - Запор1жжя: ЗДТУ, 1998. -С.201-202.

4. Андрияненко Д.А., Нестеров A.B., Ткаченко И.В. Изучение пластичности и жаростойкости ферритной стали 08Х8СЮТч //Новые конструкционные материалы и эффективные методы получения и обработки, повышение надёжности и долговечности деталей и конструкций: Сборник научных трудов.-Киев: УМКВО, 1991.-С.44-46.

5. Авторское свидетельство № 1697444. СССР, МКИ С22С 38/28 «Феррит-ная жаростойкая сталь» / Нестеров Александр Васильевич и другие, указанные в описании. № 4804749/02. - Заявл. 21.03.90. Опубл. 08.08.91. Бюл. №19- 2с.

6. Нестеров A.B., Стукало Л.А. Перспективы применения экономнолегиро-ванных жаростойких сталей для газовыхлопа автомобилей // Новые конструк-

ионные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и олговечности изделий. / Тезисы докладов к IV Всесоюзной научн.-техн. конф. Запорожье, 1989.-С. 148.

7. Нестеров A.B., Демешко В.В. О коррозионной стойкости стали марки 8Х8СЮТч. // Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки ля повышения надежности и долговечности изделий. / Тезисы докладов к V аучн.-техн. конф. - Запорожье, 1992. - С. 132-133.

8. Бондаренко А.Л., Нестеров A.B. Исследование фазового состава окис-ых слоев экономнолегированной ферритной коррозионностойкой стали 8Х8СЮТч // Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки ля повышения надежности и долговечности изделий. / Матер1али VI М1жнаро-но'Г наук.-техшч. конф. - Запор1жжя, 1995. - С.78.

9. Климов A.B., Нестеров A.B. Влияние параметров металлургического пе-едела на характер распределения карбидных включений и свойства холодно-атаной стали марки 08Х8СЮТч // Неметаллические включения и газы в ли-ейных сплавах / Сборник научных трудов VIII научн.-техн. конф. - Запорожье, 997. -С.93-94.

10. Климов A.B., Нестеров A.B. Совершенствование системы легирования оррозионностойких сталей фсрритного класса // Проблемы современного ма-ериаловедения / Сборник трудов Международной конференции. - Днепропет-овск, 1997. -С.94-95.

АНОТАЦШ

Нестеров О.В. "Дослщження i розробка економнолегованоУ феритноУ стал i ля систем и вихлопного тракту автомобшв" - рукопис.

Дисертащя на здобуття вченого ступеня кандидата техшчних наук за iaxoM 05.02.01 - Матер1алознавство - Запор1зький державний техн1чний 1иверситет, Запор1жжя, 1999.

Дисерташя присвячена досл1дженню впливу кремшю, алюм1н'1ю та титану а структуру та властивост! залЬохромистого сплаву з 7-9% хрому.

Вперше показана принципова можливють одержання однорщноГ феритноУ груктури при легуванн! зал1зохромистого сплаву з 7-9% хрому, кремшем, пюм1н1ш i титаном.

Застосування методу математичного планування експеримент1В дозволило держати р1вняння perpeci'f, як1 описують вплив цих легуючих елемент1в на :арост1ЙК1сть та мехашчш стал!. Це дозволило провести оптимЬац1ю гриманих результат!в випробувань та розробити xímíhhhh склад ново'У кономнолегованоУ жаростшкоУ с тал i феритного класу марки 08Х8СЮТч: С < ,08%; Cr- 7,0-8,5%; Si- 0,8-1,2%; Al-0,9-l,2%;Ti-0,3-0,6%;Ca-0,l-0,3%; Се-,05-0,10%.

Апробування технолопчностч стал1 08Х8СЮТч у промислових умовах показало, що феритна структура зберижться на bcix етапах металурпйного переробу, а мехашчш властивоеп були деюлька вище. властивостей класичноУ феритноУ стал1 08Х18Т1.

Проведено повний комплекс дослщжень експлуатащйних властивостей листового материалу промислового виготовлення. Випробування жаростшкост! показали, що по дьому параметру сталь 08Х8СЮТч близька до цього показника сталей 12Х18Н10Т, 08Х18Т1, YUS 409D. Випробування корозшноУ стжкосп в атмосферних умовах показали, що сталь 08Х8СЮТч мае 8 бал стшкост) проти 10 балу у високохромистих та хромошкелевих сталей, що задовольняе умовам експлуатацн вйроб!в.

Виготовлен) та пройшли р1зноманпн1 випробування дослщно-промислов! зразки деталей системи вихлопного тракту автомобшв (нейтратзатори в!дпрацьованих газ ¡в, глушняки шуму).

Осиовш результата робота знайшли практичне застосування при виготовленш промисловоУ партп нейтрал1затор1в вщпрацьованих газ ¡в та дослщноТ партГУ глушник!в шуму автомоб1л1в.

Ключов1 слова: сталь, легуюч! елементи, структура, жарост1йюсть, короз1йна ст1йк1сть, мехашчш властивоеп, система вихлопного тракту автомобшв.

THE SUMMARY

Nesterov A.V. «Research and development of economically alloyed ferrite steel for a system of an exhaust tract of automobiles » - manuscript.

Thesis is presented for scientific degree of masters of the candidate of engineering science on a specialty 05.02.01 - Material sciences- Zaporozhye state engineering university, Zaporozhye, 1999.

The thesis is devoted to development of chemical structure of new economically alloyed steel ferrite of class for manufacture of details for exhaust tract of automobiles working in conditions of high-temperature oxidation and atmospheric corrosion with the purpose of a replacement of nickel containing and high-chromium corrosion-resistant steel.

In work the influence of series alloying elements on structure and properties of iron-chromium alloy is investigated. For the first time the possibility of deriving homogeneous ferrite structure is shown at alloying iron-chromium alloy from 7-9 % chromium, silicon, aluminum and titanium at the following content of these elements: silicon - 0,8-1,2 %; aluminum - 0,9-1,2 %; titanium-0,3-0,6%.

Approbation of adaptability to manufacture of steel О8Х8СЮТ4 in industrial conditions showed, that ferrite the structure is kept .at all stages of metallurgical process stage and the mechanical properties satisfy the conditions of deriving details with of punching - extract the methods.

The full complex of researches of operational properties of sheet material of ndustrial manufacture is carried out. The trials of heat resistance and corrosion esistance showed, that on this parameter the steel 08Х8СЮТч is equal to the indexes teel 12X18H10T, 08X18T1, YUS409D.

The experimental samples of details of a gas exhaust system of automobiles leutralizer of completing gases, mufflers of noise) passed various.

The basic outcomes of work found practical application at manufacture of an ndustrial batch of neutralizers of automobile burnt gases.

Keywords: steel, alloying elements, structure, heat resistance, corrosion tability(resistance), mechanical properties, system of an exhaust tract of utomobiles.

АННОТАЦИЯ

Нестеров А.В. "Исследование и разработка экономнолегированной >ерритной стали для системы выхлопного тракта автомобилей" - рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по пециальности 05.02.01 - Материаловедение - Запорожский государственный гхнический университет, Запорожье, 1999.

Диссертация посвящена исследованию влияния ряда легирующих пементов на структуру и свойства железохромистого сплава, содержащего 7% хрома. Цель настоящей работы - создание новой экономнолегированной гали ферритного класса для изготовления деталей выхлопного тракта зтомобилей взамен никельсодержащих и высокохромистых эррозионностойких сталей.

Впервые показана принципиальная возможность получения однородной ерритной структуры при легировании железохромистого сплава с 7-9% хрома, эемнием, алюминием и титаном при следующем содержании этих элементов: эемний - 0,6-! ,4 %; алюминий - до 1,6 %; титан - до 0,8 %.

Применение метода математического планирования экспериментов изволило получить уравнения регрессии описывающее влияние этих :гирующих элементов на механические и эксплуатационные свойства стали, го позволило провести оптимизацию полученных результатов испытаний аростойкости и механических свойств, выбрать пределы содержаний тирующих элементов, позволяющих достичь оптимального сочетания этих [рактеристик.

Результаты проведенных исследований позволили разработать химический став новой экономнолегированной жаростойкой стали ферритного класса 1рки 08Х8СЮТч: С < 0,08%; Сг - 7,0-8,5%; Si - 0,8-1,2%; А1 - 0,9-1,2%; Ti-3-0,6%; Са -0,1-0,3%; Се - 0,05-0,10%.

Апробирование технологичности стали 08Х8СЮТч в промышленных ловиях показало, что ферритная структура сохраняется на всех этапах ™

металлургического передела, а механические свойства несколько выше, чем у классической ферритной стали 08X18Т1.

Исходя из условий работы деталей выхлопного тракта автомобилей, важнейшими эксплуатационными свойствами являются жаростойкость и коррозионная стойкость в атмосферных условиях. Испытания жаростойкости в различных газовых средах показали, что по этому параметру сталь 08Х8СЮТч близка к отечественным сталям 12Х18Н10Т, 08X18Т1 и превышает этот показатель у стали зарубежного производства YUS 409D. Такая жаростойкость стали 08Х8СЮТч, которая имеет в составе значительно меньшее количество хрома объясняется дополнительным легированием кремнием и алюминием -элементами, оксиды которых в сочетании с оксидом хрома способны образовывать плотные защитные пленки. Состав пленок исследовался при помощи микрорентгеноспектрального анализа. Выяснилось, что в формирование пленки наиболее активную роль играют хром и алюминий. Построена параметрическая диаграмма жаростойкости стали 08Х8СЮТч, позволяющая прогнозировать ресурс ее эксплуатации при различных температурах.

Испытания коррозионной стойкости как в атмосфере г. Запорожья, так и в камере солевого тумана показали, что сталь 08Х8СЮТч имеет 8 балл стойкости, тогда как высокохромистые и никельсодержащие коррозионностойкие стали имеют 10 балл стойкости, однако это вполне удовлетворяет условиям эксплуатации изделий.

Изготовлены и прошли разносторонние испытания опытные образцы деталей системы газовыхлопа автомобилей (нейтрализаторы отработавших газов, глушители шума).

Основные результаты работы нашли практическое применение при изготовлении промышленной партии нейтрализаторов отработавших газов, опытные партии глушителей шума к автомобилям семейства ЗАЗ, ЛАЗ, ВАЗ.

Получен экономический эффект, который составил 40190 руб. в ценах 1992 года от замены стали 12Х18Н10Т при изготовлении на Рижском мотозаводе нейтрализаторов отработавших газов автомобилей семейства ВАЗ. При дальнейшем внедрении стали 08Х8СЮТч для изготовления деталей системы выхлопного тракта автомобилей ожидаемый экономический эффект только при изготовлении глушителей шума автомобилей семейства ЗАЗ может составить 440000 грн. в год.

Ключевые слова: сталь, легирующие элементы, структура, жаростойкость, коррозионная стойкость, механические свойства, система выхлопного тракта автомобилей.