автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Повышение качества марганцовистых и хромомарганцовистых сталей для отливок и поковок

Министерство образования Украины Запорожский государственный технический университет

FTl ОД

„ „ На правах рукописи

i о т\ ш

Степанова Виктория Викторовна

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА МАРГАНЦОВИСТЫХ И ХРОМОМАРГАНЦОВИСТЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ ОТЛИВОК И ПОКОВОК

Специальность 05.02.01. - материаловедение

в машиностроении

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Запорожье ЗГТУ 1996

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Запорожском государственном техническом университете.

Научный руководитель: засл.деятель науки и техники Украины,

доктор технических наук, профессор Волчок И.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Лунев В.В. доктор технических наук, профессор Губенко С. И.

Ведущая организация: комбинат "Азовсталь"

Защита состоится ¿¿Л/У-Ус1996г. в 15 час на

заседании специализированного ученого совета Д 08.02.01 в Запорожском государственном техническом университете по адресу: 330063, Запорожье, ул.Жуковского,64

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан " 'УК/ЭьХ._ 1996г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук,

профессор Волчок В. П.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач современного машиностроения является повышение надежности и долговечности деталей и узлов машин.Эта задача решается в первую очередь путем применения легированных сталей для наиболее нагруженных и ответственных деталей. Однако, в связи с дефицитом на Украине эффективных легирующих элементов (меди,никеля,молибдена, вольфрама,кобальта и др.) приобретает актуальность задача создания эхономнолегированных сталей с минимальным содержанием дефицитных элементов.Наиболее перспективными в этом плане являются марганцовистые стали (в отдельных случаях, хромомарганцовистые или хромомарганцевохремнистые), обладающие удовлетворительным комплексом механических и служебных свойств. Дальнейшее повышение качества этих сталей может быть достигнуто в результате оптимизации их состава, совершенствования процессов конечного раскисления (модифицирования) и термической обработки.

Следует особо отметить, что для марганцовистых- и хромо-марганцовистых сталей не приемлема традиционная технология раскисления алюминием в связи с тем, что марганец и хром расширяют интервал "критических" концентраций алюминия и способствуют выделению пленочных эвтектических сульфидов на границах зерен.В связи с этим актуальной является задача разработки процессов конечного раскисления (модифицирования) марганцовистых и хромоыарганцовистых сталей, обеспечивающих получение дезориентированных включений благоприятной формы и, как следствие, требуемого уровня механических и служебных свойств. В тех случаях, когда из металла одной плавки получают отливхи и слитхи, технология конечного раскисления (модифицирования) должна обеспечивать получение благоприятных неметаллических включений как в литом металле, так и после обработки его давлением.

Цепь и задачи исследования. Цепь работы заключалась в выборе и разработке составов сталей и технологии их производства,

обеспечивающих повышение надежности и долговечности изделий, работающих в условиях абразивного износа, контактных и знакопеременных нагрузок (мелющие шары,крановые колеса, рессоры).

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Изучено влияние алюминия на формирование трех типов неметаллических включений в марганцовистых сталях.

2.Изучена деформируемость неметаллических включений различного состава в процессе горячей обработки давлением (ковка).

3.Методами феноменологического'анализа, растровой электронной микроскопии и Оже-спектроскопии изучен микромеханизм разрушения литой и деформированной стали с различными типами неметаллических включений; количественно оценена роль включений в процессах зарождения и распространения трещин.

4. Предложена технология модифицирования марганцовистых и хромомарганцовистых сталей,обеспечивающая получение глобулярных, не деформирующихся при горячей обработке давлением,неметаллических включений, в минимальной мере снижающих свойства литой и деформированной стали.

5. С применением методов математического планирования эксперимента разработан состав стали для мелющих шаров.

6.С использованием результатов работы внесены коррективы в технологию производства крановых колес и однолистовых рессор.

7.Результаты работы прошли опытно-промышленное опробование и внедрение на ряде предприятий Украины.

Научная новизна. Получены данные о влиянии углерода, марганца, хрома, алюминия, кальция, церия и стронция на формирование неметаллических включений в марганцовистых и хромомарганцовистых сталях и на их деформирование в процессе горячей обработки давлением. С применением количественной металлографии, оптической электронной

микроскопии и Оже-спектроскопии получены количественные характеристики роли неметаллических включений в процессах разрушения стали.

Получены уравнения регрессий, описывающие влияние химического состава (углерода, марганца, хрома,меди) на вязкость разрушения К,с, сопротивление хрупкому михросхолу Я>1С .ударную вязкость КСУ и износ ДР стали для мелющих шаров.

Практическая ценность в реализация результатов работы. На основании результатов исследования предложены составы зконо-мнолегированных сталей для мелющих шаров, однолистовых рессор и крановых колес. Внесены коррективы в технологию конечного раскисления и термической обработхи, что позволило повысить качество и снизить брак изделий.

Экономический эффехт от внедрения результатов работы составит 6521 млн.крб.

Личный вклад соискателя.

1. С применением современных средств исследований изучена деформируемость неметаллических включений различной природы и оценена их роль в процессах разрушения литой и хованой стали,

2. Изучено влияние алюминия на образование трех типов неметаллических вхлючений в марганцовистых и хроыомарганцовистых сталях; предложена технология раскисления, обеспечивающая необходимое качество отливок и поковок.

3. Получена зависимость оптимального содержания алюминия в углеродистых и марганцовистых сталях в зависимости от содержания углерода.

4. Проведена обработка экспериментальных данных, получены графические и регрессионные зависимости, описывающие влияние химсостава стали и природы неметаллических включений на механические и служебные свойства отливок и поковок.

5. Проведены опытно-промышленные испытания и внедрение результатов работы.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены н обсуждены на V республиканской научно-технической конференции "Неметаллические вхлючения и газы в литейных сплавах", Запорожье, 1988; на V научно-технической конференции "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий", Запорожье, 1992; на III научно-технической конференции "Неметаллические включения и газы в литейных сплавах", Запорожье,1994; на международном семинаре "Проблемы современного материаловедения", Днепропетровск, 1995; на VI Международной научно-технической конференции" Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий", Запорожье,1995 .

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы, 53 рисунка. Список литературы включает 135 наименований.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, цель и задачи исследования, научная новизна полученных результатов, практическая ценность и ее реализация в промышленности.

Первая глава представляет собой литературный обзор, в котором рассматриваются пути повышения качества конструкционных сталей. Показано, что в связи с дефицитом легирующих элементов (меди, никеля,вольфрама и др.) существует объективная необходимость разработки экономнолегированных, марганцовистых и хромомарганцовистых сталей для мелющих шаров,крановых колес, однолистовых рессор и др.деталей. Отмечается необходимость разработки и применения процессов конечного раскисления и модифицирования, обеспечивающих

марганцовистые стали(09Г, 30Г,4ОГ,5ОГ,65Г), хромомарганцовистые (50ХГ-130ХГ).

Стали были выплавлены в лабораторных и промышленных условиях в индукционных печах емкостью от 120 до 400кг, электродуговых печах емкостью Зт. При проведении опытных плавок, чтобы исхлючитъ влияние посторонних факторов, использовали методы фракционного раскисления и легирования металла одного исходного состава. Химический состав металла опытных плавок определяли химичесхим и спектральным методами. Образцы для испытаний подвергались закалке в воду или масло и последующему низкому или высокому отпуску,

Металлографический анализ неметаллических включений и структуры проводили на михроскопах МИМ-7 и Neophot-2]; микроренгеноспехтральный анализ включений- на приборе MS-40 "Камебакс". Фрактографический анализ проводили на растровом электронном микроскопе в институте проблем материаловедения НАН Украины и PSEM -50 в Санкт-Петербургском технологическом институте холодильной промышленности,Оже-спектро-скопический анализ выполнен в ИПМ НАН Украины при помощи Ояге-микрозонда "ДЖАМП-100". Показатели прочности и пластичности определяли на стандартных образцах диаметром б мм и длиной 3 мм по ГОСТ 977-75. Ударную вязхость определяли при сосредоточенном изгибе образцов с острым надрезом типа II по ГОСТ 9454-78 при динамическом (5-6 м/с) и статическом (0,02-0,2мм/мин) нагружениях. Динамические испытания проводили на маятниковом копре; статистические испытания - на универсальной машине "Инстрон"-1255.

Трещиностойкость определяли на призматических образцах методом трехточечного изгиба.Сопротивление хрупкому микросколу определяли растяжением цилиндрических образцов диаметром 6мм.

' Лабораторные испытания на абразивный износ проводили в мельнице диаметром 0,8 м при помоле щебня фракции 10-15 мм в течение 40 часов. Промышленные испытания шаров проводили на мельнице диаметром

2м тип 41.30, работающей при помоле песка и извести, в течение 20 суток.

Третья глава посвящена анализу влияния марганца на формирование сульфидных включений в литой стали с различным содержанием углерода; изучению комплексного модифицирования на химический состав и деформируемость неметаллических вхлючений; анализу влияния включений на микромеханизм разрушения и формирования свойств литой и деформированной стали.

Литые(20ГЛ-35ГЛ) и деформируемые (09Г2-65Г) марганцовистые стали находят широкое применение в машиностроении при производстве машин в северном исполнении, сварных конструкций, деталей ходовой части гусеничных машин, различного рода пружин,рессор,и т.д. Одним из факторов, сдерживающих внедрение марганцовистых, а также хромомарганцовистых сталей является специфика образования в них неметаллических включений при конечном раскислении жидкого металла алюминием. Согласно литературным данным, для получения наиболее благоприятного типа включений содержание алюминия в углеродистых сталях должно составлять 0,03-0,06%, марганцовистых и хромомарганцовистых 0,05-0,15%. При столь высоком содержании алюминия происходит интенсивное выделение пластинчатых нитридов алюминия на границах зерен, излом стали из вязкого превращается в камневидный, ее механические свойства реэхо снижаются.

Известно, что оптимальная концентрация алюминия зависит от содержания в стали углерода. В связи с этим на шести плавках углеродистых и марганцовистых сталей (15Л,15ГЛ,30Л,30ГЛ,65Л,65ГЛ) изучали влияние возрастающих присадок алюминия на образование трех типов неметаллических включений и механические свойства. На рис.1 в качестве примера показано влияние алюминия на ударную вязкость исследуемых сталей после закалки и высокого отпуска.

Аналогичные зависимости были получены также для показателей пластичности.

Из представленных данных следует, что марганец способствует расширению интервала "критических" концентраций алюминия, при этом действие марганца усиливается с уменьшением в стали содержания углерода.Так для стали типа 15ГЛ III тип включений был получен при остаточном содержании алюминия 0,10-0,12%, для стали ЗОГЛ 0,080,101 и для стали 65ГЛ 0,05-0,07% .В то же время минимальная концентрация алюминия,необходимая для образования III типа включений в углеродистой стали с увеличением содержания углерода от 0,15 до 0,65 % изменялась соответственно от 0,07 до 0,04%.

Механизм влияния марганца на образование трех типов неметаллических включений до конца не изучен, поэтому оптимизация процессов раскисления (модифицирования) с целью управления природой неметаллических включений должна проводиться, прежде всего, по результатам экспериментальных испытаний структуры и свойств марганцовистых и хромомарганцовистых сталей.

У 0,4

0,8

0,2

1.0

0,1 0,2 0,3

Массовая доля

0,1 0,2 0,3 AI , %

рис.1. Влияние углерода, марганца и алюминия на ударную вязкость литой стали

Было изучено влияние модифицирования алюминием,кальцием, церием и стронцием на форму, химический состав и деформируемость неметаллических включений, михромеханизм разрушения с участием включений, а также на структуру и механические свойства стали 60 ХГ.

Сталь выплавляли в индукционной печи, металлом каждой плавки заливали два цилиндрических слитка, диаметром 100км и высотой 170мм. Металл одного слитка испытывали в литом состоянии, второй слиток проковывали на пластины сечением 15x150мм (степень деформации составляла 3,5). Из пластин изготавливали образцы для механичесхих испытаний.

Заготовки, вырезанные из слитков (литой металл) и из пластин (деформированный металл), подвергали закалке в масло с температуры 850'С и отпуску в течение 2ч при температуре 265°С.Твердость стали литых и деформированных образцов находилась в пределах НЯС 53-55. Структура представляла собой мартенсит отпуска.

Исследование неметаллических включений металла опытных плавок проводили на оптическом микроскопе у/МЕ0РН0Т-21" и рентгено-спектральном анализаторе "Камебахс".

Исследование химического состава неметаллических включений в стали, раскисленной алюминием, показал, что в их состав входят марганец, кремний, алюминий, сера и титан.

Модифицирование стали кальцием изменяет морфологию окси-сульфидных включений и их распределение. В составе включений появляется кальций.

Существенно изменяется характер распределения и состав включений при обработке стали кальцием совместно с церием. Наличие церия во включениях повышает долю оксисульфидов глобулярной формы. При модифицировании стали стронцием включения присутствуют в виде достаточно больших скоплений и одиночных включений. Однако в составе

образующихся неметаллических включений не обнаружено следов стронция.

Деформируемость неметаллических включений изучали на оптическом микроскопе МИН-7 на стали 60 ХГ. Показатель деформируемости б определяли хак отношение максимального размера включения а к минимальному размеру включения Ь (среднее по пятидесяти измерениям):

Показатель деформируемости неметаллических включений для стали 60ХГ, раскисленной по четырем вариантам,приведен в табл.1. Как видно из таблицы наибольшую деформируемость имели железо-марганцевые сульфиды, наименьшую—кальций-цериевые оксисульфиды.

Таблица 1

Деформируемость неметаллических включений

Вариант раекяелевм Таи ВКПВЧеиЕЯ Часло измерений Деформируемость,й

пределы среднее значение

А1 железо-ыарган- 50 10,0-12,1 10,95

цаБыв сульфгды

А1+Са кальцин-ыаргав- 50 4,4-5,9 5,0

цевые сульфиды

А1*Бг стровцвй-мар- 50 3,8-4,2 4 Л

гавцевие сульфида

А1+Са+Се кальцвй-цераевке 50 1,1-1,3 1,2

оксисульЗяды

Микромеханизм разрушения изучали на продольных и поперечных образцах, определяя при этом показатели относительного количества к„ и относительной протяженности микротрещин, зародившихся на включениях,и относительное количество включений Кна, принимающих участие в разрушении (табл.2).

Таблица 2

Влияние конечного раскисления на показатели разрушения и предел прочности (при остаточной деформации 3%)

Вариант Образец К* кь Квв «V К1С г

расхисления № МПа-Н"3

прод. 0,55" 0,37 0,90 1180 _

А1. попереча. 0,85 0,85 1,0 990 36,0

прод. 0,72 0,62 0,75 1190 -

А1+са поперечн. 0,74 0,68 0,80 1040 61,0

прод. 0,79 0,75 0,85 1210 -

А1+ЭГ пооеречв. 0,82 0,79 0,88 1100 66,5

прод. 0,65 0,50 0,60 1200 -

М+Са+Се пооеречв. 0,66 0,55 0,63 1120 66,5

Наиболее четхо зависимость между степенью деформируемости и показателями разрушения проявилась на поперечных образцах.

Как и следовало ожидать, в наибольшей мере способствовали разрушению вытянутые железо-марганцевые сульфиды (раскисление алюминием), нормально расположенные к линии действия нагрузки; в наименьшей мере способствовали практически недеформированные церий-кальциевые оксисульфиды.Как видно из табл.2, при остаточной деформации 3% в стали, раскисленной алюминием, все вхлючения принимают участие в разрушении (Квв=1) ,в стали, раскис ленной алюминием, кальцием и ц=риа< в разрушении цршлеюг учаспе ютько 74% нслечений (К8В=0,74).

Между степенью деформируемости неметаллических включений, с одной стороны, и временным сопротивлением и вязкостью разрушения, с яругой, имели место достаточно четкие зависимости (см.табл.2 ).

Полученные результаты подтвердили литературные данные о положительном влиянии глобулярных включений на свойства стали и показали целесообразность получения не деформируемых при горячей обработке давлением глобулярных включений в поковках и прокате.

Результаты Оже-спектроскопии подтвердили данные, полученные на приставке к микроскопу,и показали наличие на поверхности разрушения образцов элементов, входящих в состав неметаллических включений (сера, марганец,кальцин, церий, стронций),а также фосфора, имеющего тенденцию к зернограничной ликвации и углерода, образующего карбиды с марганцем и хромом.

С целью экспериментальной проверки приведенных выше результатов в промышленных условиях были выплавлены четыре марки марганцовистых сталей 09Г, 30Г,40Г и 50Г. Каждую плавку разделяли на две фрахции и раскисляли по двум вариантам: первый - алюминием, второй -алюминием и церием. Металлом каждой фракции заливали два слитка. Из первого слитка изготавливали литые образцы. Второй слиток подвергали ковке на кузнечном молоте и получали пластину сечением 25x14Омм. Были проведены испытания четырех плавок марганцовистой стали после закалки ивыажопзотусш.Исшхшияпроюдитапритешерагурах +20,-20 и -60°С.

В качестве критериев качества были приняты: ударная вязкость КС!) и КСУ (образцы соответственно I и II типа по ГОСТ 9454-78 с радиусом надреза 1,0 и 0.25 мм, относительное сужение относительное удлинение 8,условный предел текучести ст0, и временное сопротивление СТВ>

Комплексное модифицирование обеспечило повышение пластичности, вязкости и хладостойкости литой и деформированной стали. Коэффициент анизотропии свойств (отношение показателя свойств, полученного на

продольном образце, к аналогичному показателю, полученному на поперечном образце) оказался в целом более низким для комплексно модифицированной стали.

Четвертая глава посвящена производству отливок и поковок из марганцовистых сталей.

Сделан анализ технологии производства и условий эксплуатации стальных мелющих шаров.

Анализ условий работы шаров показал, что основной причиной неудовлетворительной эксплуатационной стойкости шаров является трудность сочетания в материале высокой вязкости с необходимым уровнем твердости, износостойкости и контактной выносливости.

Попытки энергичного упрочнения стандартных шаровых сталей часто приводили к образованию закалочных трещин или раскалыванию шаров в процессе эксплуатации вследствие остаточных термических напряжений. По данным В.А.Волошина, трещины при закалке и эксплуатации часто возникали на вытянутых сульфидных включениях. Это свидетельствует, о том, что получение вхлючений оптимальной (шаровидной) формы в шаровых сталях является одним из путей повышения их качества.

Исследование по разработке химического состава стали для мелющих шаров проводили на легированных сталях с использованием легирующего комплекса хром-марганец-медь-углерод.

С целью оптимизации состава стали проведено математическое планирование эксперимента с использованием алгоритма полуреплики ПФЭ 2' . В качестве независимых переменных были приняты содержание в стали (в скобках даны нижние и верхние уровни варьирования) углерода (0,25-1,0%), марганца (0,5-2,0%), хрома(0,4-1,2%), меди (0,250,75%); в качестве параметров оптимизации были приняты характеристики: сопротивление микросколу Щ^., ударная вязкость КСУ, трещккостойкость К1си удельный износ ДР. Образцы для испытаний подвергались закалке и низкому отпусху. Окончательная температура отпуска выбиралась из

расчета получения оптимального уровня твердости НИС 53-55.

В результате эксперимента были получены 12 составов сталей с различным уровнем легирования.

Регрессионные зависимости свойств материала от его химического состава получены на ЭВМ ЕС-1022 :

1) ^ = 2502,76-809,55Мп-377Си-1410Сг-383,63С+899,5СМп-

-19,31Си+2820СиСг, МПа ;

2) КСУ = 17,5-9,25С-2,6Мп,Дж/см2;

3) К1с = 18б,3-125С-50,85Мп+5б,5С Мп,МПа-м1/2 ;

4} ДР = 192,75С+43,2Мп+108,9СГ-48С Мл-121ССг-132,83,г/м2-ч.

С помощью найденных регрессионных зависимостей был осуществлен анализ результатов эксперимента и проведен поиск оптимального химического состава, обеспечивающего заданный уровень механических свойств.

Для этой цели была проведена графическая интерпретация регрессионных уравнений. Расчет графиков выполнен с помощью специального математического обеспечения. Построенные графики позволили получить различные сечения поверхностей отклика и детально обследовать изучаемую область сталей.

В качестве примера на рис.2 представлена зависимость влияния углерода и марганца на ударную вязкость. Графическая интерпретация уравнения показала, что при выбранном комплексе легирования ее величина определяется только содержанием углерода и марганца. Снижение концентрации указанных элементов, и в первую очередь углерода, повышает уровень ударной вязкости стали.

Аналогичным образом проанализировано влияние легирующих элементов на трещиностойкость, сопротивление микросколу и износ.

0,5 О'.б о; 7 о,8 0-.9 1,0 1,1 1,2 1,3 Массовая доля С , %

Рис.2. Влияние углерода и марганца на ударную вязкость KCV. Цифры - значения KCV в Дж/см1 .Заштриховано - область составов, обеспечивающих : KCV > 6Дж/см! ; К1с > 80 МПа-м1". I, II, III — R„c = 1100 МПа при Си =0,7; 0,5; 0,3% соответственно.

Полученные уравнения регрессии были положены в основу оптимизации химического состава стали, способного обеспечить следующий заданный уровень механических свойств;

- ударная вязкость KCV>8 Дж/смг;

•' — трещиностойкость К1е>80 МПа.м1/!;

- сопротивление микроскопу Кмс>1100МПа;

- износ ДР<20 г/м2?.

Указанные требования механических свойств соответствуют сталям, имеющим следующий химический состав: 0,55-0,65% углерода; 0,9-1,5% марганца; 0,6-0,9% хрома; 0,3-0,5% меди. Учитывая то, что содержание меди не оказало влияния на ударную вязкость КСУ, удельный износ др и коэффициент интенсивности напряжений Ки, а также то, что влияние меди на сопротивление хрупкому микросколу были незначительными, она была исключена из состава разработанной стали. Тахиы образом, в качестве материала для мелющих шаров была предложена сталь марки 60ХГ.

Результаты лабораторных испытаний в шаровой мельнице диаметром 0,8м показали, что предложенная сталь в литом и деформированном состоянии после закалки и низкого отпуска имеет износостойкость в среднем в 1,5 раза выше износостойкости серийной стали Ш3(85), полученной по стандартной технологии методом поперечно-винтовой прохатки.

Результаты промышленных испытаний на АО завода "Цегла Тршйлля" показали, что износостойкость опытных шаров оказалась в 1,6 раза выше износостойкости серийных.

Сделан анализ технологии производства и условий эксплуатации крановых ходовых колес.

На комбинате "Азовсталь" крановые колеса получают литьем в песчаные формы из стали 60ГЛ. Раскисление колесной стали производится в ковше алюминием в количестве 0,7кг/т. Остаточное содержание алюминия составляет 0,025-0,042%. При тахом содержании алюминия в марганцовистых сталях образуются неметаллические включения II типа. Включения имеют, как правило, вытянутую форму, часть включений представлена круглыми образованиями неправильной формы.

Было установлено, что в процессе закалки на поверхности катания обода колеса в отдельных случаях возникали термические трещины, как правило причиной образования таких трещин были крупные неметал-

лические включения вытянутой формы.

С целью устранения указанных выше дефектов было применено комплексное модифицирование алюминием, силихокальцием и ферроцерием, в результате которого были получены включения глобулярной и компактной формы, дезориентированно расположенные в металлической матрице.

Внедрение новой технологии раскисления (модифицирования) практически позволило ликвидировать брак по закалочным трещинам, положительно сказалось на жидкотекучести металла и привело к уменьшению брака слитков по трещинам.

Выполнен анализ технологии производства и условий эксплуатации однолистовых рессор. Анализ технологии производства рессоры позволил выявить следующее: применяемая сталь 65Г не является оптимальным материалом для изготовления рессор, так ках она обладает недостаточной прохаливаемостью.

Второй недостаток - образование микротрещин в процессе завивки ушка рессоры, вызванных неудовлетворительной технологией раскисления алюминием. Содержание остаточного алюминия составляло 0,033-0,052%. Основным типом неметаллических включений были вытянутые в процессе горячей обработки давлением (степень обжатия 50) железо-марганцевые сульфиды. Как и в крановых колесах эти сульфиды способствовали образованию трещин при высокой температуре.

С целью устранения указанных недостатков, вместо стали 65Г была применена сталь 60ХГ, обладающая более высокой прохаливаемостью, а также применено комплексное модифицирование жидкой стали алюминием, силикокальцием и ферроцерием.

В соответствии с ГОСТ 3396-90 и методике стендовых ресурсных испытаний рессор проведены стендовые испытания рессоры из стали 65Г и 60ХГ. Ресурсные испытания проводили с целью определения времени работы до первого отказа путем циклического прогиба рессор. Рессоры испытывались при амплитуде напряжений равной ± 4500 даНсм1.

Долговечность рессор из стали 65Г составила 120 тыс. циклов, а из стали 60ХГ - 160 тыс. циклов, т.е. рессоры}изготовленные из стали 60ХГ имеют большую долговечность, чем изготовленные из стали 65Г.

Общий экономический эффект от внедрения материалов данной диссертационной работы в промышленности составит 6621 млн.крб.

Общие выводы

1. Изучено влияние углерода (0,14-0,68%) на формирование трех типов неметаллических включений в марганцовистых сталях. Установлено, что с ростом углерода в указанных пределах "критическое" содержание алюминия уменьшалось от 0,10-0,12 до 0,05-0,07%.

2. Изучено раздельное и совместное влияние алюминия, силико-хальция, ферроцерия и силикостронция на форму, состав и деформируемость неметаллических включений марганцовистых сталей. Деформируемость (отношение максимального размера к минимальному), при раскислении алюминием составляла в среднем 10,95, а при расхислении алюминием, силихохальцием и ферроцерием - 1,2.

3. Исследован микромеханизм разрушения литой и деформированной стали. Определены показатели разрушения литой и деформированной стали, характеризующие роль различных типов включений в процессах зарождения и распространения микротрещин. Показана целесообразность применения процессов конечного раскисления (модифицирования) с целью получения глобулярных, не деформирующихся при горячей обработке давлением, включений, в минимальной мере снижающих свойства отливок и поховок.

4. Результаты Оже-спектроскопии показали, что кальций, церий и стронций способствуют очищению границ зерен от серы и кислорода, уменьшая их количество примерно на порядок. Наилучшим комплексом свойств обладали литые и деформированные стали, в которых неметаллические включения были представлены глобулярными хальцийцериевыми

оксисульфидами, не деформирующихся при горячей обработхе давлением.

5. С применением метода математического планирования эксперимента и с использованием в качестве критериев качества сопротивления хрупкому микросколу, пластичности, ударной вязкости и ее составляющих, коэффициента интенсивности напряжений и износостойкости разработан состав стали для мелющих шаров(бОХГ) диаметром 100-125 мм. Комплексное модифицирование предложенной стали алюминием, кальцием и церием в сочетании с оптимизацией процессов термической обработки дало возможность повысить стойкость мелющих шаров в 1,6 раза по сравнению с шарами,изготовленными методом поперечно-винтовой прохатки из стали Ш1 по ГОСТ 7524-89.

6. Применение комплексно модифицированной стали 60ХГ в сочетании с закалкой масло и отпуском при 480°С обеспечило снижение брака по трещинам и увеличение ресурса работы однолиставых рессор 120 до 160 тыс. циклов (стендовые испытания).

7. В результате применения комплексного модифицирования алюминием, силихокальцием и ферроцерием стали 60ГЛ, используемой для изготовления крановых ходовых колес, повысилось качество отливок и практически полностью ликвидирован брак по закалочным трещинам.

8. Ожидаемый эхоиомический эффехт от внедрения материалов работы составит 6521 млн.крб.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кудин И.В., Банас Ф.Ф., Кудина В.В. Влияние частиц второй фазы на микромеханизм разрушения мартенситных сталей // Неметаллические включения и газы в литейных сплавах/ Тез. докл. V респ. научн.'-техн. конф.- Запорожье : ЗМЙ, 1988.- с. 42.

2. Тарасенко Э.В., Волчок И.П., Кудина В.В. Использование многокомпонентных систем окислов для модифицирования стали// Новые конструкционные материалы и эффективные методы их получения и обработки.- К.: УМК ВО, 1988.- с. 85-89.

3. Волчок И.П., Андреев А.к., Степанова В.в. Определение сопротивления разрушению марганцовистой стали// Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий/ Тез. докл. V науч.- техн. конф.- Запорожье: ЗМИ, 1992.- с. 64.

4.Степанова В.В., Яковенко H.A. Влияние неметаллических включений на трещиностойкость мелющих шаров //Неметаллические включения и газы в литейных сплавах/ Тез, докл. III науч.-техн. конф.-Эапорожье: ЗГТУ, 1994.- с.26.

5. Волчок И.П., Степанова В.В., Квашнина A.B. Повышение качества литой и деформированной стали //Материалы для строительных конструкций/ Тез. докл. III Межд. научн.-техн. конф.- Днепропетровск: ПГАСиА, 1994,- с.38-39.

6. Волчок И.п., Лутов м.в., Степанова В.В. Термическая обработка износостойких и хладостойких сталей //Проблемы современного материаловедения. - Сб. трудов межд. семинара. - Днепропетровск: ПГАС и А, 1995.- с.53-54.

7. Раскисление марганцовистой стали /Степанова В.В., Нагорная И.Ю.; Запорож. гос. техн. ун-т. - Запорожье, 1995.- 7с.: ил.- Рус,- Деп. в ГНТБ Украины 12.07.95, №1781- Ук 95.

8. Оптимизация химического состава стали для мелющих шаров / Степанова В.В., Яковенко H.A., Шестаков И.А., Запорож. гос.техн. ун-т,- Запорожье, 1995. -18с.:ил Рус.- Деп. в ГНТБ Украины 12.07.95, N 1778-Ук 95.

9. Степанова В.В., нагорная И.Ю. Раскисление стали для отливок и поковок //Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий /Тез.докл. VI Межд. научн.-техн.конф.- Запорожье : ЗГТУ, 1995.-с.34.

10. Степанова В.В. Повышение качества стальных мелющих шаров// Энерго-и ресурсосберегающие технологии в производстве стекла /Тез. докл. Межд.научн.-техн.конф.- Константиновка: УГИС, 1995.-C.25-26,

SUMMARY

Stepanova V.V. Quality improvement of manganese and chromium-manganese steels for castings and fordgings. Dissertation on academic degree of the candidate of technical sciences according to the speciality 05.02.01 - materialscience in machineconstruction. Zaporozhye state technical university, Zaporozhye, 1996. 10 science works, which content steel composition optimization and improvement of final deoxidation processes problems of steel for grinding balls, crane wheels and one-sheet leaf springs,are defended.Steel composition is developed and final deoxidation process is improved for grinding balls. The fracture micromechanism of cast and deformed steels is studied, the fracture indexes are determined. Influence of aluminium, silicocalcium, rare-earth metals and stroncium on shape,composition and hot plas-tisity of non-metallic inclusions in manganese steels are determined, Results of work were used for production of grinding balls, crane wheels and one-sheet leaf springs.

ЛНОТАЦ1Я

Степанова В.В. Шдвищеннл якост1 марганиевих I хромомарганцевих сталей для в!дливк1в та поковок. Дисертац1я на эдоОугтя наукового ступеня кандидата техн1чних наук за спец1альн1стс 05.02.01 Матер1алознавство в машиноОудуванн1, Эапор1зький державний техн1чний ун1верситет, Запорхжжя, 1996.

Захищаеться 10 наукових роС1т, як1 м1стять питания оптим1эац11 складу стал1 та удосконалення проиес1в Лицевого розкислення для мелючих куль, кранових ходових колес I одолистових ресор.

•.-¿рослемо склад стал1 а удосконалено лроцес кгмиеоого роэкислення для ме.иючих куль. Досл^джено м! кромехаихэм руйнування лито! 1 ковано* стал! та оизпачоио показники руйнувоннп. Вяь »«.»«о эплив алюм1н1ю, юзл»:'.- , РЭМ та стронцию на форму, склад та де-;,:/адннп неметалеыих включонь марганцевих сталей. Результати дослзлжень використано для виготовлення мелючих куль, кранових ходооих колес та однолистових ре .

г-^-чов! слова: Карганиев; 1 хромомарганцев!

стал'., неметалев! включения, терм!чна обробка, пласт*.:-;м.э до.^орк^и! я, модиф 1 куеиння .

Подписано к печати 13.05.96г. Заказ N2469. Тираж 102 экз. Запорожье. ЗГТУ. Типография, ул.Жуковского,64.