автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование микролегирования, модифицирования и термической обработки на ударную вязкость стали 20 ГЛ 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 ноября 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.129.01 к.т.н., доцент ¡/^7)

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 и-образным надрезом при -60°С КСТ_Цо > 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 КСи_и также ударной вязкости с У-образным надрезом по ГОСТ 9454 — 78 КСУ^о >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 КСУ-бо-

Дель работы. Целью работы является разработка технологических методов изготовления стальных отливок для железнодорожного транспорта из стали 20ГЛ, обеспечивающих получение её ударной вязкости КСи^о ^ 0,25 МДж/м2 и КСУ_бо> 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 КОТ и КСУ при +20°С и -60°С;

- 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 КСУ.№, 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 КСУ.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 Б, А1, Са, РЗМ;

- выполнена разработка и компьютерная реализация математических и графических моделей зависимостей ударной вязкости КСУ^о и КС11_бо 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 0=0,17-0,20% и Мп=1,20-1,50%, позволяющий достигать стабильно высоких показателей ударной вязкости при отрицательной температуре (КСУ^о) за счет получения в её структуре оптимального соотношения фаз перлита (25%) и феррита (75%), с сохранением на требуемом уровне комплекса механических свойств (стт, а„, ф, 5, КСЦ);

- разработаны составы и количество комплексов модификаторов и раскислителей для стали 20ГЛ, обеспечивающих получение ударной вязкости КСУ.бо 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 КСУ^о и балл зерна стали 20ГЛ.

Практическая значимость и реализация результатов работы;

В настоящее время около 30% изготовляемых на 000"ПК"БСЗ" отливок из стали 20ГЛ для железнодорожного транспорта "Рама" и "Балка" не соответствуют по значениям КСУ^о требованиям >17 Дж/см2. Проведенные экспериментальные и опытно-промышленные исследования показали, что при их внедрении на производстве могут стабильно достигаться значения КСУ.бо>17 Дж/см2. Они базируются на разрабо танном в исследованиях оптимальном химическом составе стали 20ГЛ и технологических процессах её модифицирования, микролегирования, и термической обработки, обеспечивающих заданные значения ударной вязкости КСи и КСУ 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 -60°С с концентраторами напряжений и 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 КСи и КСУ при -60°С, 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 Мп, раскислители СаБ1 и А1, и модификатор с

РЗЭ - марки КЦеЖ (составом: 20 % РЗМ на основе церия; 20% А1; 3% Са; Ре 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, Мп, А1 от нижнего (-1) к верхнему (+1) уровню приняли в соответствии с требованиями ГОСТ 22703-91 на химический состав стали 20ГЛ, а содержание раскислителя Сав! 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 -60°С.

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 КСУ^0 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:

КСУ%= 19 -1,9 С + 0,13 Мл + 0,^8 КЦеЖ - 0,13СоЯ + 0,88Л/ --0,13СМп-0,25СКЦеЖ ,Дж/смг ^

КСУ ™ = 20 - 1,9С + 0,13Мп + 1,38КЦеЖ - ОДЗСоЯ + 0,88 А1 -

(3)

(4)

- 0,13 СА/л -0,38СКЦеЖ ,Дж/смг КСи = 54 - 23С + ЪМп + 15КЦеЖ - \CaSi + 14 А1 + + 12,5СМп - 6,7СКЦеЖ , Длс / сл< 2 «7С/ = 59 - 25С + ЪМп + ПКЦеЖ -\CaSi +15 А1 + + \Ъ,\СМп -8,1 СКЦеЖ ,Дж!см1 Проверка по полученным математическим зависимостям значений показала их адекватность фактическим значениям с отклонениями <5%, что вполне приемлемо для производства.

В уравнениях значения КСУ.60 и КСи^о рассчитали исходя из средних (ср) и максимальных (шах) 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 Мп, А1, Са81 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.

0.00

0,10

0.15

0,20

(КЦеЖ, в % по массе)

Рис.1. Зависимость значения КСУ^о(Ср) стали 20ГЛ после нормализации от содержания модификатора КЦеЖ и С при содержании в %: Мп=0,8; А1=0,035; Са51=0,02 (нижний уровень ГОСТ 22703-91 и ТУ завода)

0,13 0,14 0,12 0,1 0.08 0.06 0,04

CaSI. Al.

0.02

\ / Мп

Ci SI /

У AI

/

V Г

Mn, 4 1.5

0.05

1.00

1.05

1,4 1.3 1.2

1.1

1.0 0,8 0,8 K51KCV«4

Рис. 2. Поправочные коэффициенты КэНССУ. и>срдля определения степени влияния на КСУ_боср химических элементов Мп, С, и СаБ! при содержании,

отличном от

приведенных при

расчете изолиний

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 KCU и KCV, а Мп при его увеличении от нижнего (0,8%) до верхнего (1,5%) уровня повышает её значение. Лигатура КЦеЖ и алюминий при их увеличении повышают KCV.«), a 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):

Балл зерна = 7,94 + 0,188С + 0,063Мп + 0, бЫКЦеЖ + 0, ОбЗСаЯ +

+0,313^1/ — 0,ЮСМп ~ 0,063СКЦеЖ ,ед (5)

Аналогично получены так же математические зависимости (5) - (8) для таких параметров, как среднее количество неметаллических включений (Ncp), их средний размер (Д С|>) и обобщающего эти параметры индекса загрязненности стали 20ГЛ после нормализации (Jo6m):

Ncp = 22,56 + 0,31ЗС + 0,563А/л -1,063 КЦеЖ - 0,3 nCaSi + + 0.438Л/-l,688CAfr» + 0,188С КЦеЖ,eà Дср = 4,84-0,063С - 0,068А/л + 0,22&КЦеЖ + 0,0J3CaSi— -0,139 AI+ 0,209СМп + 0,051СКЦеЖ, \0~'мкм Л*, =12,05 + 0.042С + ОД 79 Мп - 0,026КЦеЖ - 0,160CaSi -- 0.095Л/- 0,399СА/л + 0,282СКЦеЖ, 1 Q''eà

(6)

(7)

(8)

По полученным уравнениям (6)-(9) также построены изолинии исследуемых свойств от химического элемента А1 и модификатора КЦеЖ (рис. 3,4), при фиксированном содержании остальных химических элементов Мп, С и СаБ1 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.

1 ч N ч * 1 ч ч ч * « ч

г ■V 'ч ч ч ч ч ч ч ч ч

,7 N > ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч

N Ч N ч ч ч ч ч ч ч ч

■ч ч ч V ч ч| ч ч ч ч ч! ч

ч ч ч ч ч ч ч ч

к ___* ч ч. ч^ ч ч ч ч ч. ■ч ч

1111 в ч г ч

Рис. 3. Зависимость балла зерна стали 20ГЛ после нормализации от содержания А1 и КЦеЖ при содержании а %: Мп=0,8; А1=0.035; Са8»=0,02.

0.23 КЦ«Ж.% о.» С07 0.11 0.17 о.»

Рис. 4. Зависимость индекса за!рязненности .}общ стали 20ГЛ после нормализации от содержания А1 и КЦеЖ при содержании в %: Мп=0,8; А1=0.035; Са$1=0,02.

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%, Мп= 1,25-1,3%, А1=0,01-0,04%, раскислитель Са51=0,02-0,03%, и модификатор КЦеЖ в количестве 0,14-0,16% обеспечивающий значение КСУ.«^17 Дж/см2, КСЧ^25 Дж/см2, балл зерна

> 7 ед. и индекса загрязненности неметаллическими включениями 1ср=12...14*10'3ед. (Рис. 7).

С. Са»

0,24 0.22 0.20 0.18 0.18 0,14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02

—

г

{

1.в 1.5 1.4 1.3

ла

1.1

1.0

0.9

0.8

балл зернз

Рис. 5. Поправочные коэффициенты Кэ1 балл зерна для определения степени влияния на Балл зерна стали 20ГЛ химических элементов Мл, С, и СаБ! при содержании, отличном от приведенных при расчете изолиний (Рис. 3).

-Л8

0.24 022 0.20 о.1в 0,1в

о.ое 0.02

I

I

0.860 0,075 1.000 1.0И 1.060 1.075 1.10) 1.175 КэОср.оА!

Рис. 6. Поправочные коэффициенты КэМср.общ. для определения степени влияния на общий индекс загрязненности 1ср химических элементов Мп, С, и Са51 при содержании, отличном от приведенных при расчете изолиний(Рис.

4).

Структура нмв

_ и 5 х иа £ Описание Фото (х 100) Описание Фото (х500)

9 Ферритно-перлитная, :оотношен не фаз по объему Ф/Паг75/25 Редко встречающиеся сульфидные цепочки, состоящие из включений округлой формы, встречаются сложные сульфидно-оксидные включения глобулярной формы . 1 Л 1 ч 1 V 1 -чи~ г ' у N * Г п, ^А'Ш&Щ * ! ^ . V / ЯГТ

* 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 "ГПСБСЗ".

В четвертой главе изложены результаты опытно - промышленных исследований по реализации рекомендаций экспериментальных исследований влияния химического состава и модифицирования на ударную вязкость КСИбо и КСУ_<,о, 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 КСУ^м 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 Сг, № 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 20062007 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 КСУ^о, 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 650°С, 580°С, и 500°С 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 КСУ.М 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 650°С на 17,9%; при 2-х

нормализациях и отпуске в лабораторных условиях при температуре 580°С на 23,88% и при 2-х нормализациях и отпуске в лабораторных условиях при температуре 500°С на 35,32%.

В результате проведенных опытов, термическая обработка по режиму -двойная нормализация при температуре нагрева 930-950°С и выдержке 45 минут, с последующим отпуском при температуре 550°С 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.

Зерно - 8 балл, Т.О.: нормализация температура нагрева 930-950°С, выдержка 45 минут, охлаждение на воздухе.

Зерно - 9 балл, Т.О.: двойная нормализация температура нагрева 930-950°С, выдержка 45 минут охлаждение на воздухе до 500°С+ отпуск при 500°С и выдержке 90 минут.

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

Наибольшее среднее значение ударной вязкости (КСУ^о = 2,72 Дж/см2) было получено на образцах, прошедших двойную нормализацию и отпуск в лаборатории при 500°С (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 (КСУ^о) 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 КСУ.бо>17 Дж/см2 за рассматриваемый период составляло от 68,4% до 24,49%. Поэтому для расчета принимаем количество отливок, не достигающих установленного значения КСУ_бо>17 Дж/см1 в размере 23% от общего выпуска стали, прошедшей нормализацию.

Ожидаемый экономический эффект будет достигаться по статьям:

а. Снижение брака отливок на 23% за счет повышения механических свойств и микроструктуры отливок.

б. 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 000"ПК"БСЗ" составит 57057786р.

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 КСУ^о. 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 КСУ-во, можно достигать путем регулирования их химического состава в рамках, допускаемых ГОСТ и ТУ, при этом наилучших результатов можно достигать при применении их легирования Мл, Сг и №.

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 С, Мп, А1, 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 КСУ-« и КСи^о стали 20ГЛ после нормализации от ее химического состава и количества модификатора КЦеЖ и раскислителя СаБ! 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 (Ыср), их среднего размера (Д ср) и обобщающего эти параметры индекса загрязненности Уобщ) позволяют прогнозировать качественные и количественные показатели микроструктуры и захрязненности стали неметаллическими включениями на стадии производства.

9. Полученные математические и графические зависимости позволили установить оптимальный химический состав стали 20ГЛ после нормализации дня отливок железнодорожного транспорта, обеспечивающих высокие значения ударной вязкости в соответствии с требованиями ТУ и ГОСТ 22703-91 КСУ^, >17 Дж/см2 КСичм> 25Дж/см2, при этом оптимальными значениями являются: С=0,15-0,20%, Мп=1,20-1,50%, СаБ! =0,02-0,03% и КЦеЖ (составом: 20 % РЗМ на основе церия; 20% А1; 3% Са; Ре остальное) в количестве 0,13 - 0,15% (рекомендуется также применять микролегирование № и Сг 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:

а) Ударная вязкость при низкой температуре (КСУ^о) модифицированной стали 20ГЛ после нормализации всех опытных плавок, выплавленных в дуговой электропечи и мартеновской печи, достигает значений то 17,5-31 Дж/см2;

б) Максимальные показатели значений КСУ^о имеют плавки модифицированной стали 20ГЛ после нормализации с повышенным содержанием Сг и N1, а минимальные - с повышенным содержанием С и А1, что дает основание держать содержание данных элементов на нижнем пределе интервала варьирования, установленного ГОСТ и 'ГУ 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. И 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 чУ Под ред. Сазонова С. П., Говорова И. В. - Брянск: БГТУ. - 4.12004. - 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 ч7 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: БГЙТА, 2006. - 186 с.

Подписано в печать 08.11.2006. Формат 60x84 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

ВВЕДЕНИЕ.

1. Аналитический обзор.

1.1 Требования и условия эксплуатации литых стальных деталей для железнодорожного транспорта.

1.1.1. Анализ разрушений боковой рамы и шкворневой балки в эксплуатации.

1.2. Связь ударной вязкости стали со структурой НМВ и микродефектами литья.

1.3. Влияние структурообразующих факторов на ударную вязкость стали при+20 и-60°С.

1.3.1. Влияние химического состава.

1.3.2. Влияние газов.

1.3.3. Влияние модифицирования.

1.3.4. Влияние технологических факторов (плавки, отливки, ТО).

2. Методика исследования.

2.1. Методика проведения экспериментальных плавок и термической обработки стали 20ГЛ.

2.2. Методика проведения испытаний механических свойств экспериментальных плавок стали 20ГЛ.

2.3. Методика определения химического состава экспериментальных плавок стали 20ГЛ.

2.4. Методика проведения металлографического анализа экспериментальных плавок стали 20ГЛ.

2.5. Разработка методики исследования влияния химического состава и модифицирования на ударную вязкость стали 20 ГЛ при проведении экспериментальных исследований.

3. Экспериментальные исследования влияния технологических факторов на ударную вязкость стали 20 ГЛ для отливок железнодорожного транспорта.

3.1. Исследование влияния химических элементов на ударную вязкость стали 20 ГЛ для отливок железнодорожного транспорта на основе корреляционно-регрессионного анализа фактических данных.

3.2. Исследование влияния химического состава и технологических факторов на ударную вязкость стали 20ГЛ с применением метода математического планирования эксперимента.

3.3. Обработка результатов эксперимента и построение математических и графических зависимостей.

3.4. Исследование микроструктуры опытных плавок.

3.4.1. Исследование балла зерна металлической матрицы.

3.4.2. Исследование неметаллических включений стали 20ГЛ.

3.5. Выбор оптимального химического состава и модификаторов, обеспечивающих, заданную ударную вязкость стали для отливок железнодорожного транспорта.

4. Опытно-промышленные исследования по влиянию химического состава и модифицирования на ударную вязкость стали 20ГЛ для отливок железнодорожного транспорта, изготавливаемых на ООО ПК "БСЗ.

4.1. Анализ заводских данных испытаний стали 20ГЛ, выплавленной в мартеновских печах для отливок железнодорожного транспорта, на ударную вязкость КС V.6o.

4.2. Опытно-промышленные исследования по выплавке в производственных электродуговых печах ДСП-6 и мартеновских печах МРЦ ООО "ПК"БСЗ"стали 20 ГЛ оптимального химического состава, обеспечивающего ударную вязкость KCV.60> 17 Дж/см2.

4.3. Опытно-промышленные исследования по влиянию модифицирования на ударную вязкость стали 20ГЛ, выплавляемой в электродуговых и мартеновских печах ООО ПК "БСЗ".

4.4. Исследование микроструктуры отливок, прошедших нормализацию из стали 20ГЛ, выплавленной в мартеновской печи с применением модифицирования.

4.5. Опытно - промышленные исследования влияния термической обработки и балла зерна на ударную вязкость и механические свойства стали 20ГЛ для отливок железнодорожного транспорта, изготавливаемых на ООО "ПК'ЪСЗ".

4.5.1. Исследование влияния балла зерна в отливках из стали 20ГЛ после нормализации на её ударную вязкость.

4.5.2. Исследование влияния термической обработки на ударную вязкость стали 20ГЛ для отливок железнодорожного транспорта, изготавливаемых на ООО "ПК'ЪСЗ".

4.5.3. Исследование влияния различных видов термообработки на механические свойства стали 20ГЛ, выплавляемых в мартеновских печах ООО "ПК'ЪСЗ".

5. Расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения научно-исследовательской 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 -60°С КСИ60 > 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 KCLL60 также ударной вязкости с V-образным надрезом по ГОСТ 9454 - 78 KCV60 >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 +20°С и -60°С;

- 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 (Промышленная 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.6o.

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, Са, РЗМ;

- выполнена разработка и компьютерная реализация математических и моделей зависимостей ударной вязкости KCV.60 и KCU.60, 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 Мп=1,20-1,50%, позволяющий достигать стабильно высоких показателей ударной вязкости при отрицательной температуре (КСУ.бо) за счет получения в её структуре оптимального соотношения фаз перлита (25%) и феррита (75%>), с сохранением на требуемом уровне комплекса механических свойств (а,, ов, ф, 5, 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/м 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 KCV60 и балл зерна стали 20ГЛ.

Практическая значимость и реализация результатов работы: В настоящее время около 30% изготовляемых на 000"ПК"БСЗ" отливок из стали 20ГЛ для железнодорожного транспорта "Рама" и "Балка" не соответствуют по значениям KCV.60 требованиям >17 Дж/см". Проведенные экспериментальные и опытно-промышленные исследования показали, что при их внедрении на производстве могут стабильно достигаться значения КСУ.6о>17 Дж/см". 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 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 185 страниц текста, 66 рисунков, 25 таблицы и 6 приложений.

ОБЩИЕ 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.ft0, 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 КСУ.бо, можно достигать путем регулирования их химического состава в рамках, допускаемых ГОСТ и ТУ, при этом наилучших результатов можно достигать при применении их легирования Мп, Сг и Ni.

4. Целесообразно применить модифицирование стали 20ГЛ модификаторами с РЗЭ цериевой группы, способствующему образованию сульфидных и оксисульфидных неметаллических включений, так как это улучшает форму, характер распределения и количества неметаллических включений в структуре стали.

5. Химические элементы С, Мп, А1, 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.Ao 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 (Ncp), их среднего максимального размера (Д сртах) и обобщающего эти параметры индекса загрязненности (J06m) 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.6(, >17 Дж/см2 KCU.60 > 25Дж/см2 при этом оптимальными значениями являются: С=0,15-0,20%, Мп=Т ,20-1,50%, CaSi =0,02-0,03% и КЦеЖ (составом: 20 % РЗМ на основе церия; 20% А1; 3% Са; Fe остальное) в количестве 0,13 - 0,15% (рекомендуется также применять микролегирование Ni и Сг 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: а) Ударная вязкость при низкой температуре (KCV6o) модифицированной стали 20ГЛ после нормализации всех опытных плавок, выплавленных в дуговой электропечи и мартеновской печи, достигает значений то 17,5 - 31 Дж/см"; б) Максимальные показатели значений KCV.6() имеют плавки модифицированной стали 20ГЛ после нормализации с повышенным содержанием Сг и Ni, а минимальные - с повышенным содержанием С и А1, 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.

1. Калмыков А. Н., Косарев Л. Н., Шахов В. И. И др./ Причины разрушения боковых рам и надрессорных балок тележек в эксплуатации. Труды ЦНИИ МПС. // М.: Транспорт, 1976, с. 4-18.

2. Детали литые автосцепного устройства подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм. Общие технические условия. ГОСТ 22703-91. Издание официальное. // М.: Издательство стандартов, 1991.

3. Вестник ЦНИИ МПС / "Повышение конструкционной прочности стальных вагонных отливок" 1976 г.

4. Явойский В.И., Горохов JT.C., Купцов Г.В. и др. / "Физико-химические исследования производства стали", // М. "Металлургия", 1973 (МИСиС. В сб. № 24), с. 69-75.

5. Коттрелл А.Х. "Атомный механизм разрушения". // М., Металлургиздат, 1963, с. 30-68.

6. Фридман Я.Б., Зилова Т.К., Дроздовский Б.А. и др. // "Заводская лаборатория", 1960, № 11, с. 1267-1283.

7. Иванов B.C., Ботвина J1.P., Кудряшов В.Г. "Металловедение и термическая обработка". // М., ВИНИТИ, 1971, с. 54-102.

8. Гуляев Б.Б., Шарпанов И.А., Магницкий О.Н. и др. / "Редкоземельные элементы в сталях и сплавах". // М., Металлургиздат, 1959, с. 93-117.

9. Лифшиц Л. С., Рахманов А.С. // "Заводская лаборатория", 1958, № 5, с. 622-625.

10. Финкель В.М., Елесина С.П., Зрайченко В. А. и др. // "Металловедение и термическая обработка", 1971 ,№ 4, с. 26-30.

11. Георгиев М.Н. / Вязкость малоуглеродистых сталей. // М, "Металлургия", 1973. 224 с.

12. Гуляев А.П., Мещерякова С.Н., Зикеев В. М. / "Специальные стали и сплавы". Вып. 65. // М., "Металлургия", 1968, с. 63-66.

13. Смирнова А.В., Баранцева З.В., Гронова Г.П. / "Применение в металловедении просвечивающей и растровой электронной микроскопии". // М.,МДНТП, 1976, с. 94-96.

14. Явойский В.И., Близнюков С.А., Вишкарев А.Ф. и др. // "Сталь", 1975, № 1, с. 25-31.

15. Крюссар Ш. / "Атомный механизм разрушения". // М., Металлургиздат, 1963, с. 535-574.

16. Иванов В.П., Мордухович A.M., Финкель В.М. / "Проблемы разрушения металлов" // М., МДНТП, 1975, с. 172-181.

17. Ven C.S. // "Mat. Res. Standards", 1962, v.2, № 7, p. 571.

18. Irwin G.R., Kies LA. // "Metal Progr." 1960, v. 78, № 2, p. 73-74.

19. Явойский В.И., Близнюков С.А., Вишкарев А.Ф., Горохов Jl.С., Хохлов С.Ф., Явойский А.В., / Включения и газы в сталях. // М., "Металлургия", 1979, с. 272.

20. Эшелби Дж. / Континуальная теория дислокаций. // М., ИЛ, 1963, с.274.

21. Коттрелл А.Х. / Физика прочности и пластичности. // М., "Металлургия", 1972.

22. Лепинских Б.М., Кайбичев А.В., Савельев Ю.А. / Диффузия элементов в жидких металлах группы железа. // М., "Наука", 1974, с. 189.

23. Бичем К.Д. / Разрушение. // М., "Мир", 1973.

24. Виноград М.И. / Включения в стали и её свойства. // М., Металлургиздат, 1953, с. 244.

25. Виноград М.И., Громова Г.И. / Включения в легированных сталях и сплавах. // М., "Металлургия", 1972. 214 с.

26. Коэн М., Вуцкевич М.Р. / Физика прочности и пластичности. // М., "Металлургия", 1972.

27. Хайденрайх Р. / Основы просвечивающей электронной микроскопии. // М., "Мир", 1966. с. 471.

28. Bergh S. // "Jernkont. Ann.", 1962, №9, v. 146, p. 748-762.

29. Гаврилин И.В. / К вопросу о теории кристаллизации литейных сплавов. // "Литейное производство", №4-5, 1995, с. 6.

30. Гуляев А. П. / Металловедение. // М.: Металлургия, 1977. 647 с.

31. Либовиц Г. / Разрушение металлов. Т 6. Пер. С англ. // М.: Металлургия, 1976 г.

32. Влияние химического состава на механические свойства сталей 20ГЛ и 20ГФЛ./ Перевязко А.Г., Лисниченко Л.Н., Никитин В.И. и др.// Литейное производство. -№12 1979. с. 8-9.

33. Гуляев А.П., Никитин В.Н. / Металловедение и термическая обработка металлов. №1. 1965 г. с. 33-35.

34. Георгиев М.Н., Попова Л.В. и др. / Прогрессивные методы термической и химико-термической обработки. // М.: Машиностроение, 1973. Вып. 8. с. 5-9.

35. Кремер М.А. / Фасонное литье из легированных сталей. // М.: Машиностроение, 1964. -228 с.

36. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. Совет: К.В. Фролов (пред.) и др. // М.: Машиностроение. Стали. Чугуны. Т. II-2 / Г.Г. Мухин, A.M. Беляков, Н.Н. Александров и др.; Под общ. ред. О.А. Банных и Н.Н. Александрова. 2000. 784 е., ил.

37. Инокулирование железоуглеродистых сплавов. / Гольдштейн Я. Е., Мизин В. Е. // М.: Металлургия, 1993 г., 416 с.

38. Гуляв А. П., Никитин В. Н. / Металловедение и термическая обработка металлов, 1965, №1, с 33-35.

39. Жуков А. А. / Геометрическая термодинамика сплавов железа. // М.: Металлургия, 1971, 272 с.

40. Волчок И. П. / Сопротивление разрушению стали и чугуна. // М. Металлургия, 1993. 192 с.

41. Гольдштейн М. И., Грачев С. В., Викслер Ю. Г. / Специальные стали. Учебник для вузов. // М.: Металлургия, 1985. 408 с.

42. Ж. В. Эген, П. Альтман, А. Де Си. / Раскисление, форма сульфидных включений и свойства литой стали. 30й Международный конгресс литейщиков. 1963 г. // Прага. Издательство "Машиностроение" Москва 1967.

43. Маринин А. В., Перегудова А. М. / Улучшение качества стали для толстого листа микролегирования титаном. // "Сталь", № 5, 1982, с. 33-34.

44. Явойский В.И., Левин С.Л., Баптизманский В.И., и др. / "Металлургия стали" // М., "Металлургия", 1973, с. 816.

45. Суровой Ю.Н. / "Теория металлургических процессов". // М., "Металлургия", 1969 (ЦНИИЧМ. Сб. № 70).

46. Явойский В.И., Свяжин А.Г. Вишкарев А.Ф. и др. / "Взаимодействие газов с металлами" (Труды III советско-японского симпозиума по физико-химическим основам металлургических процессов). // М., "Наука", 1973.

47. Явойский В.И., Свяжин А.Г. Вишкарев А.Ф. / "Физико-химические исследования процессов производства стали". // М., "Металлургия", 1973 (МИСиС. Сб. №74).

48. Кинетика и термодинамика взаимодействия газов с жидкими металлами. (Труды конференции). // М., "Наука", 1974.

49. The determination of gases in metals, London. // Iron and Steel Institute. Special Report, 1960, № 68, p. 3-32.

50. Походня И. К. / Газы в сварных швах. // М., "Машиностроение", 1972.252 с.

51. Гудремон Э. / Специальные стали. Ч. II. // М.,"Металлургиздат", 1960. 1529 с.

52. Морозов А. Н. / Водород и азот в стали. // М., "Металлургия", 1968.281 с.

53. Сирота Н. И. / Кристаллизация и фазовые переходы. // Минск: АН БССР, 1962.

54. Ершов Г. С., Черняков В.А. / Строение и свойства жидких и твердых металлов. // М.: "Металлургия", 1978.-247 с.

55. Tillera, Takahachi, // Acta Metallurgy. 1969. V. 17. № 4.

56. Гаврилин И. В., Ершов Г. В., Каллиопин И. К. / "О выборе рациональных модификаторов второго рода для стали", // Изв. вузов. Черная металлургия. 1974. № 10.

57. Мальцев М. В. / Модифицирование структуры металлов и сплавов. М:. Металлургия.

58. Hawkes М. F., Brown В. F. // Transaction of American Society for Metals, 1949, v. VXLI, p, 519-564.

59. Шульте Ю.А. / Неметаллические включения в электростали. // "Металлургия", 1964.

60. Гурвич Я.А. / Химический анализ // М.: Высшая школа 1985.189 с.

61. Степин В.ВУ., Силаева Е.В., Курбатова В.И. и др. / Анализ черных металлов, сплавов и марганцевых руд // М.: Металлургия 1975.

62. Годовская К.И., Рябинина JI.B., Новак Г.Ю. и др. / Технический анализ // М.: Высшая школа 1979. - 189 с.

63. Гурвич Я.А. / Справочник молодого аппаратчика-химика // М.: Химия 1991.-255 с.

64. Рогова В.П., Полявин Г.В., Мосунова И.В. / Влияние внепечной обработки на химсостав и свойства стали для вагоностроения // Металлургия машиностроения №4-2004. 11-14 с.

65. Результаты металлографического исследования образцов лабораторных плавок стали 20 ГЛ, прошедших нормализацию