автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка хладостойких экономнолегированныхлитейных сталей для деталей крупных карьерныхэкскаваторов

''" !

- < У /.....

На правах рукописи

Лебедев Владимир Васильевич

Разработка хладостойких экономнолегированных литейных сталей для деталей крупных карьерных экскаваторов

Специальность 05.02.01" Материаловедение (машиностроение)"

Диссертационная работа в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт Петербург 1999

Работа выполнена в открытом акционерном обществе 'Ижорские заводы "

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Е.И.Пряхин

Кандидат технических наук Г.А. Шемонаева

Ведущее предприятие • Санкт-Петербургский морской технический университет

/о l7isЛ ЛС0>

Защита диссертации состоится « " » ¿с,и, 1599т.

в часов заседании диссертационного совета К 145.01.01. при акционерном обществе открытого типа « Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. A.A. Ползунова» ( АООТ «НПО ЦКТИ») по адресу: 194021, С.-Петербург, Политехническая ул., д. 24.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Автореферат разослан « ' » ^ ^ J 1:§99"~года Ученый секретарь диссертационного совета, ^___

¿у г„

Введение

Горнодобывающая промышленность в последние годы интенсивно развивает открытый способ разработки угля, руд, строительных материалов. Для успешного проведения работ необходима техника, надежно работающая в условиях холодного климата. Работоспособность машин во многом определяется износостойкостью их деталей, к числу которых относятся литые детали рабочих органов и ходовых частей землеройных, горных и горно-транспортных машин (зубья и ковши экскаваторов, буровые коронки, рыхлители, звенья гусеничных лент и др.). Масса литых деталей составляет до 35% от общей массы машин.

Неудовлетворительная стойкость литых деталей при низких температурах приводит к простоями техники и болышш экономическим потерям. Так хотя масса зуба экскаватора ЭКГ-10 составляет не более 0,3% от массы всей машины, а затраты на их приобретение-25-30% годовой стоимости запасных частей к этой матине. Потери усугубляются с повышением единичной мощности машин, при которых увеличиваются нагрузки на детали и стоимость часа простоя.

Таким образом, повышение долговечности деталей крупных карьерных экскаваторов является чрезвычайно актуальной задачей.

Многие специалисты под термином « разработка стали» понимают выбор химического состава и режима термической обработки. Однако в ряде случаев параметры технологии изготовления, особенно в случае литых сталей, могут быть не менее значимыми для их свойств, чем состав и режим термической обработки. Так, например, высокая температура залдвки формы приводит к увеличению размера аустегаггпого зерна и тем самым уменьшает значения предела текучести и ударной вязкости. Низкая скорость кристаллизации приводит к развитой дендритной ликвации, увеличению размеров осей второго порядка, создавая предпосылки к наличию в стали разноструюурности и к разбросу свойств. Для устранения негативного технологического воздействия приходится повышать степень ле-гированности стали, что необоснованно повышает ее стоимость.

Основной задачей настоящей работы является создание методики, позволяющей разработать ряд экономяолегированных литейных хладостойких сталей для экскаваторострое-ния, включающей расчет химического состава и определение основных технологических параметров производства.

Основные результаты рассматриваемой работы внедрены в проектирование и изготовление деталей экскаваторов типа ЭКГ на ОАО» Ижорские заводы» Внедрение стали 26Х2Г2НМФЛ позволило отказаться от экологически опасной стали 110Г13Л при производстве гусеничных звеньев. Ряд разработок выполнен на уровне новых технических решений, новизна и перспективность которых защищена двумя авторскими свидетельствами и двумя патентами.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- Установленные обобщенные закономерности влияния легирующих элементов и параметров технологического процесса на служебные свойства литейных хладостойких сталей для экскаваторостроения.

- Разработка оптимального состава и основных параметров технологии литейных высокопрочных сталей для гусеничных звеньев, ходовых колес и свариваемой хладостойкой стали для передней стенки ковша.

- Методика расчета структур применительно к конкретным деталям экскаваторов.

- Способы термической обработки и защиты поверхности от окисления.

Глава 1 Состояние вопроса

Известно, что затраты на эксплуатацию и ремонт оборудования, работающего в районах с суровыми климатическими условиями в 2 - 3 раза выше, чем затраты такого же парка машин, работающего в средней полосе Россия. При этом более половины всех затрат связаны с повышенной аварийностью и интенсивным изнашиванием деталей в зимнее время при низких температурах. На рис. 1 приведен общий вид экскаватора ЭКГ-10 производства Ижорского завода.

-■г* ч;.

Рис 1 Экскаватор ЭКГ 10

(а- » г '>■»*•'- V;.

Анализ запросов на запасные части к тяжелым карьерным экскаваторам показывает, что наиболее часто заказываемыми являются зуб ковша, передняя стенка ковша (рис.2), тусс-ничные звенья и ходовые колеса.

.».■"А.»

■"«яиа

Рис. 2 Общий вид ковша экскаватора типа ЭКГ

Рис 3 Отколы на ободе ходового колеса

Все перечисленные детали изготавливаются методом литья. Анализ причин вызывающих повреждение деталей показывает, что в первую очередь это хрупкое разрушение поломка передней части зуба, разрыв ветвей и хвостовиков'зуба, отколы обоДа колеса (рис.З), об-

рыв проушин у гусеничных звеньев. Следующим по количеству повреждении является деформация, которая проявляется при взаимодействии с крупными кусками породы кромки зуба, в результате чего происходит обламывание и выкрашивание рабочей части зубьев. И, наконец, это износ, в результате которого изменяются геометрические размеры зубьев и происходит их затупление, что отрицательно сказывается на работоспособности механизмов экскаватора, так как резко увеличивает усилие копания и тем самым обуславливают работу экскаватора при повышенных нагрузках.

Кроме того, увеличивается продолжительность рабочего цикла и снижается эффективность работы экскаватора. При эксплуатации с полностью изношенными зубьями увеличивается нагрузка на износкые коронки передней стенки ковша, что приводит к их срыву и преждевременному повреждению передней стенки ковша.

В табл. 1 приведены темшко-экономичесюие показатели некоторых машин.

Таблица 1

Технико-экономические (годовые) показатели аварийности экскаваторов

Тип экскаватора Объем ковша, м3 Количество аварийных разрушений Среднее время простоя из-за одной аварии, ч. Суммарное время простоя, тыс. ч. Суммарная стоимость восстановительных работ, труб.

ЭКГ-4 4 198 20 4 995,3

ЭКГ-10 10 519 31 16 1386,5

Анализ табл. 1 показывает, что с увеличением единичной мощности экскаваторов увеличиваются потери рабочего времени. В настоящее время выпускаются экскаваторы с объемом ковша 10,12,15,18 и 20 м3. В табл. 2 показан расход зубьев экскаватора в зависимости от температуры эксплуатации.

Таблица 2

Влияние температуры эксплуатации на частоту выхода из строя зубьев ___экскаватора ЭКГ-10._

Температура, °С Число зубьев, вышедших и строя

Всего, шт. В том числе, в %

Разрушившихся Износившихся и деформированных

От 20 до 0 106 30 70

От 0 до-15 121 37 63

От-15 до-20 198 41 59

От -30 до -45 307 54 46

Анализ табл.2 показывает как тенденцию в увеличении общего числа разрушений при пониженна температуры эксплуатации оборудования, так и изменение механизма разрушения с переходом от преимущественно износного к хрупкому.

Как было показано выше наибольший объем необходимых запасных частей составляют отливки зубьев ковша, гусеничных звеньев и передних стенок. Все эти детали изготавливаются из классической стали 110ПЗЛ. Также значительное число заказов поступает на ходовые колеса, изготавливаемое из стали 35ХМЛ.

Основными причинами выхода этих деталей из строя являются:

- недостаточная хлздостойкость материала, выражающаяся в высокой чувствительности к концентраторам напряжений и дефектам типа трещин при понижении температуры (рис. 4).

- повышенный абразивный износ вследствие недостаточной прочности и твердости материала. Таким образом, повышение долговечности рабочего оборудования крупных

карьерных экскаваторов (зубья ковша, передняя стснка ковша и гусеничные звенья) для условий Севера и Сибири связано с созданием сталей, обладающих повышенной хладостойкостыо и сопротивлением износу.

Анализ условий работы крупных карьерных экскаваторов типа ЭКГ и видев эксплуатационных повреждений

На различные процессы горного производства физико-механические свойства горных пород влияют неодинаково. Известно, что для добычи полезных ископаемых необходимо вначале их выделить из состава горной массы. И здесь на детали рабочего оборудования в зависимости от типа породы оказываются различные воздействия. Так, вследствие различной сопротивляемости пород разрушению, которая оценивается коэффициентом крепости по М.М.Протодьяконову (табл.3), резко возрастает усилие копания, вследствие чего на детали экскаватора воздействуют повышенные нагрузки.

Известно, что степень износа породоразрушающего инструмента зависит от твердости породообразующих минералов, оцениваемой по шкале Мооса. Однако данная шкала неудобна в инженерной практике и поэтому Барон Л.И. и Кузнецов А.В. разработали классификацию пород и минералов по абразишосги (табл.4), в основу которой положили величину износа в мг/м.

Однако и эта классификация недостаточно удобна для выбора износостойких сталей, так как не позволяет оценить физико-механические свойства по идентичной методике с металлом. С позиций металловедения представляется целесообразным оценить твердость основных минералов по методикам измерения твердости для стали, например, по методу Виккерса. Такие измерения проводились и показывают, что :твсрдссть магнетита равна 400 - 520, твердость кварцевого песка 1100- 1250, твердость корунда составляет 1800, твердость алмаза - 10060.

Изменение пластических свойств стали при понижении температуры приводит к перераспределению энергии, затрачиваемой на упругое н пластическое деформирование при микрорезании. При воздействии абразивного зерна на поверхность образца создается локальное напряжённое состояние, несравнимое с напряжениями, возникающими при других видах статического нагружения. Поверхность, подвергающаяся абразивному изнашивало, приобретает максимально возможный наклеп. С понижением температуры испытаний способность материалов к унрочненшо растёт, поверхностный слой при этом становится более твёрдым и хрупким. Однако толщина наклёпанного слоя очень мата, и он легко продавливается абразивными зёрнами. Повышение твёрдости при пониженной температуре приводит к тому, что абразшмые зёрна под действием нормальной постоянной нагрузки внедряются на меньшую глубину.

Рис 4 Хрупкое межзеренное разрушение зуба ковша из стали

110Г13Л (увеличение 100х)

Таблица 3

Шкала крепости пород по М.М.Протодьяконову_

Категория Степень крепости Порода Коэффициент крепости

I В высшей степени крепкие Наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты и базальты. Исключительные по крепости другие породы 20

II Крепкие Очень крепкие гранитовые породы, самые крепкие песчаники и известняки 15

III Крепкие Гранит (плотный) и гранитовые породы. Очень крепкие песчаники и известняки. 10

Illa Крепкие Известняки крепкие. Некрепкий гранит. Крепкие песчаники. Крепкий мрамор. 8

IV Довольно крепкие Обыкновенный песчапик. Железные руды 6

IVa Довольно крепкие Песчаные сланцы. Сланцевые песчаники 5

V Средине Крепкий глинистый сланец. Некрепкий песчаник и известняк.. 4

VA Средние Разнообразные сланцы (некрепкие), плотный мергель 3

VI Довольно Мягкие Мягкий сланец. Очень мягкий известняк, мел, каменная соль, гипс. Мерзлый грунт, антрацит. 2

Via Довольно Мягкие Щебенистый грунт, разрушенный сланец, слежавшаяся галька и щебень, крепкий каменный уголь. Отвердевшая глина 1,5

VII Мягкие Глина плотная, мягкий каменный уголь, крепкий насос глинистый грунт 1,0

Vila Мягкие Легкая песчаная глина, лесс, гравий 0,8

VIII Землистые Растительная земля, торф, легкий суглинок, сырой песок 0,6

IX Сыпучие Песок осыпи, мелкий гравий, насыпная земля, добытый уголь 0,5

X Плывучие Плывуны, болотистый грунт, разжиженный лесс и другие разжиженные фунты 0,3

Если основное разрушение происходит в .момент внедрения частиц, то износостойкость определяется твердостью и нрочностньтми характеристиками материала. Если же разрушение происходит при движении частил, то износостойкость связана помимо твердости с теми свойствами материала, которые определяют пластичность и вязкость. На работоспособность рабочих органон экскаватора помимо низких температур сильное воздействие оказывает физико-механическис свойства вскрышных пород. С понижением температуры повышается прочность пород и грунтов, а также увеличивается закреплёшюсть частиц в грунте за счёт их смерзания. Частица, закреплённая в грунте, будет резать, и выдавливать металл, оставляя на поверхности бороздки. Повышение абразииности пород приводит к снижению работоспособности экскаватора (рис.4). Для определения склонности пород к экскавации предлагается классификация,

в которой в зависимости от удельного сопротивления черпанию все виды пород разделены на пять категорий 1-16-100 КПа; П-150-200 КПа; III-170-290 КПа; IV 300-350КПа; V - свыше 350К11а.

Таблица 4

Классификация пород и минералов по абразивности _( по Л.И.Барону и А.В.Кузнецову)_

Класс абразивности Характеристика породы по абразивности Показатель абразивности, мг Характеристика породы входящей в данный класс

I Весьма малоабразивные Менее 5 Известняки и мраморы, мягкие сульфиды без кварца, апатит, каменная соль, глинистые сланцы

II Малоабразивные 5-10 Сульфидные и барито-сульфидные руды, аргиллиты, мягкие сланцы (углистые, глинистые, хлоритоаспидные).

III Ниже средней абразивности 10- 18 Джеспилиты, роговики (рудные и нерудные), кварцево-сулифидпыеруды, магматические тонкозернистые породы,

IV Средне абразивные 18-30 Кварцевые и аркозовые мелкозернистые песчаники, диабазы, крупнозернистый пирит, арсеноиирит, жильный кварц и др.

V Выше средней абразивности 30-45 Кварцевые и аркозовые средне и крупно зернистые песчаники плагиогранит.

VI Повышенной абразивности 45-65 Граниты, диориты, гранодиариты, грано-сиениты, порфириты, нефелиновые сиениты.

т Высоко абразивные 65-90 Порфирит, диориты, граниты, грашпо-идные нефелиновые сиениты

VIII В высшей степени абразивные Более 90 Коруидосодержащие породы

Для работы в особо тяжелых условиях копания с элементами ударно-абразивного износа наиболее широкое применение нашла классическая сталь Гадфильда. Основное достоинство этой стали, состоит в её высокой износостойкости при приложении больших удельных истирающих давлений. Для обеспечения вязкости сталь подвергают аустенити-зации при 1050 °С с фиксацией структуры в воде. После термической обработки сталь имеет следующие свойства: ан~ 800 МПа, ао.г= 250-400 МПа, 5=35-45%, 4/ =40-50%, 170-230 НВ, КСи:0, 200-300Дж/см2, КШ60 = 70 Дж/см2.

Однако классическая высокомаргапцовистая сталь имеет существенные недостатки, не позволяющие достичь уровня свойств, присущих современным высокомарганцовистым сталям.

Известно, что сталь Гадфильда и все ее современные модификации являются экологически опасными при производстве и ремонте сваркой. Кроме того, как показано (рис.5) при изготовлении стали 110Г1ЗЛ в пределах ГОСТ по химическому составу разброс по износостойкости составляет почти 1,5 раза.

Фирмы Японии рекомендуют для ударников, молотков и щековых плит дробилок сталь ЭСМпНИ (типа 110Г13Х2Л) и гусеничных звеньев БСМоШ! (типа 115Г13Х2ФЛ). Данные стали, обладают более высоким уровнем прочности и пластичности, чем классическая сталь БСМпН! (110Г13Л).

50000 НХХЮО 150000

число тклоя копания

Рис 5 Относительная износостой кость стали 110ПЗЛ при различном содержании углерода

Учитывая высокую экологическую опасность, стали Гадфидьда и се модификаций, для работы в условиях абразивного износа японскими стандартами рекомендуется углеродистые и низколегированные стали SC5 (типа 45Л), SCMn5 (типа 45Г2СЛ), SCMnCr4 (типа 40Г2ХСЛ). Эти стали, гарантируют категорию прочности (КП) по пределу текучести KII441 и КП539 соответственно. Дпя более высокопрочного состояния предлагаются, стали SCMnCrM3 (типа 35Г2ХМЛ) и SCNCrM2 (30Н2ГХМЛ) гарантирующие соответственно КП 637 ir КП 686.

Учитывая тот факт, что износостойкость повышается с увеличением уровня прочностных свойств ASTM А - 148 устанавливает следующий ряд стандартных свойств и соотношения между основпыми характеристиками (табл.5) Опыт зарубежных фирм " SUMITOMO" (Японпя), "HARNISFEGER" (США), " MARION" (США): " DEMAG-KAMATSU" (Германия) показывает ,что зубья изготовляются из низколегированных сталей с добавками хрома, шгееля, молибдена, титана. Применение высокопрочных сталей может снизить металлоемкость ковшей в среднем на 25-30%. Наибольший интерес представляет термоупрочненное стальное литьё марок: CFE-SS и ESCO ( см. табл. 6,7).

Таким образом, многообразие условий эксплуатации, размеров детали и её формы не позволяют выбрать определенную известную композицию стали. Поэтому приходится уточнять некоторые параметры состава стали и технологии изго говления.

Таблица 5

Требования к механическим свойствам литых сталей по А5ГМ Л 148

ов, Мпа оо,2 МПа 5,% КУЛДж

620 415 20 40

725 ' ОС Ui 1 I_ 17 35 -

795 655 14 30 -

930 860 9 22 -

1035 930 7 18 -

1105 1000 6 12 -

1140 1035 5 20 -

1140 1035 5 20 27

1450 1240 4 15 -

1450 1240 4 15 20

1795 1450 3 6 -

1795 1450 3 6 8

Таблица 6

Химический состав зарубежных статей для зубьев ковша экскаватора.

Марки ста- Страна Химический состав, %

ли С Si Мп Сг № Мо Ti в

CFli-SS Япония 0,28 0,3 0,6 0,5 0,6 0,2 - -

0,33 0,6 0,9 0,8 0,9 0,3

ОХАР-ЗбО Германия 0,20 0,15 0,70 1,6 - - - - -

2SCrSiMi>865 Герма-кия 0,25 0,30 0,3 0,8 0,7 0,9 2,3 - 0,4 0,6 - -

Alloy Л Япония 0,20 0,60 0,60 0,70 1,8 0.25

Alloy В Япония 0,25 0,60 0,60 0,7 1,8 0,25 - -

ESCO США 0,26 0,29 0,84 0,51 0,55 0,19 0,03 0,005

Таблица 7

Механические свойства зарубсяимх сталей для зубьев ковша экскаватора

Марка стали Страна ов 6 KCV KCV ^ IIRC

МПа МПа % % Дж/сыг Дж/см2

CFE-SS 1450 1160 10 22 27 11** 42-47

ОХАР-ЗбО 1270 1170 И - - 38 34-38

25CrSiMo865 1600 1460 10 32 37 И 42-47

Alloy А 1400 1100 13 40 - 36 40

АИоуВ CFE-SS 1050 900 16 50 - 40 32

ESCO ESCO 1580 1460 10 32 37 И 42-47

Примечание: * * температура испытаний минус 50°С.

Одноковшовые экскаваторы типа ЭКГ в основном используются на вскрышных работах в скальном грунте и на погрузке полезных ископаемых на транспорт. Совокупный анализ табл. 3-5 позволяет выбрать основные требования и класс стали. Таким образом четко очерчивается определенная группа сталей. Это в первую очередь среднеуглеро-дистые низколегированные стали.

Все, что выше говорилось относится к несвариваемым сталям. Однако значительный объем литья занимает передняя стенка, которая испытывает в процессе эксплуатации высокие статические и динамические нагрузки. К этому виду деталей предъявляется и еще одно требование - свариваемость. Сталь не должна быть чувствительна к образованию холодных и горячих трещин при сварке. Она не должна быть чувствительна к перегреву при сварке и обеспечивать вместе со сварным швом равнопрочное соединение. И наконец сталь должна быть хладостойкой. Для выработки требований к дашюму типу сталей следует использовать критерии линейной механики разрушения. Отсутствие макрохрупкого разрушения при заданных напряжениях обеспечивается при толщине детали не больше, чем рассчитано гю формуле: Ь> 2,5* (К)с/оо^)2.

Глава 2 Требования, предъявляемые к хладостойким литейным сталим и методика реализации задач но и.\ ра!работке

Представляется целесообразным следующая последовательность этапов разработки стали для конкретных условий эксплуатации при низких температурах:: [^Определение требований по ресурсу

-Выбор и обоснование характеристик механических свойств обусловленных этими требованиями

-Расчет химического состава, параметров технологии выплавки, заливки, кристаллизации и термической обработки

-Проведение лабораторных н промышленных экспериментов.

2.1 Обоснование необходимого ресурса и выбор требований к стали

Зубья ковша, гусеничные звенья, передняя стенка и ходовые колеса относятся к деталям, входящим в комплектацию рабочего органа и ходовой част и экскаватора. К рабочему органу относятся передняя стенка ковша и зубья, а к ходовой части - гусештагые звенья и ходовые колеса.

Для деталей рабочего органа характерным является ударно-абразивный износ и в некоторых случаях разрушения, в то время как для ходовой части наблюдается обратная картина - главной причиной снижения работоспособности являются хрупкие разрушения. Тем не менее, все детали изготавливаются из одной и той же стали 110Г13Л. Для оценки ресурса был проведен статистический анализ по наработке в условиях экскавации корундосодержащих пород с коэффициентом крепости 20 по Протодьяконову зубьев из стали 110Г13Л в условиях Лебединского ГОКа. Результаты анализа показывают, что зубья ковша изготовленные различными поставщиками имеют существенный разброс по стойкости, который составляет от 200 до 11000 м3 породы на зуб. Анализ всех видов разрушения деталей показывает, что оно, как правило, имеет хрупкий межкристашнгаеский излом.

Проведенные комплексные исследования по определению сопротивления хрупкому разрушепшо деталей из стали 110Г13Л показали, что, если в структуре стали 110Г13Л наблюдаются избыточные карбиды, а также карбо-фосфидпая эвтектика (рис. 6), то разрушение всегда проходит по межкристаллитному механизму. Увеличение содержания фосфора свыше 0,06 % до 0,12% приводит к повышению расхода зубьев в 1,65 раза. Таким образом, с точки зрения повышения износостойкости сталь 110Г13Л должна содержать максимальное содержание углерода, а с точки зрения максимальной трещшюстоикости -минимальное. Следует учитывать и экономическую сторону вопроса. При использовании при выплавке доменного ферромарганца в стали 110Г13Л может содержаться значительное количество фосфора с образованием при высоком содержании углерода карбо-

фосфидной эвтектики. Этого можно избежать в случае применения в качестве ферросплава металлического марганца, по в этом случае резко возрастает стоимость отливок.

-ТТйЦ Рис 6 Микроструктура стали 110Г13Л с ■ выделениями карбофосфидной эвтектики по ^¿¿й границам зерен. Травление электролитическое в

' ^ годном растворе персульфата аммония. Шт Увеличение100х

Проведенный по данным Лебединского ГОКа анализ эксплуатации зубьев ковша в условиях вскрышных пород с крепостью по Протодьяконову 15-20 показывает, ч то оптимальными параметрами работоспособности являются наработка на зуб 5000 м3 породы и отсутствие хрупкого разрушения.

Известно, что срок службы ходовых колес зарубежного производства в 5 раз ниже срока службы экскаватора, а долговечность колес отечественного производства еще в 2 раза ниже, чем зарубежного. Вероятно, это связано с тем, что требования к механическим свойства отечественных сталей являются недостаточно обоснованными.

Аналогичные рассуждения следует отнести и к гусеничным звеньям, которые в отечественной практике изготавливаются из стали 110Г1ЗЛ и в основном разрушаются путем обрыва проушин из-за низкой трещиностойкости. За рубежом эти детали изготавливают из низко- и средпелегнровапных сталей, например С8-32КПСгМо 64\' (типа 32ХН2МЛ).

2.2 Выбор стандартных характерист ик, коррелирующих с показателями раСип(¡способности

Для количественной оценки износостойкости стали из традиционных методов испытаний наиболее широко используется характеристика твердости стали.

Поскольку все рассматриваемые детали работают в циклическом режиме, то для оценки их циклической работоспособности важно знать характеристики циклической прочности. Для оценки стойкости стали при циклических нагрузках М.П. Марковец рекомендует использовать модифицированное уравнение Герольда

ов - временное сопротивление, МПа

- относительное сужение, в десятичных долях Расчеты по данной зависимости дают достаточно высокую сходимость результатов с определениями на образцах. Однако при уменьшении относительного поперечного сужения ниже 62% уравнение (1) завышает расчетный предел выносливости. При более высоких значениях относительного сужения наоборот занижает эту величину. Таким образом необходимо с точки зрения определения заданного предела выносливости установить требования по величине временного сопротивления и относительного поперечного сужения. На рис. 7 приведена зависимость между временным сопротивлением и пределом выносливости на базе гарантируемых прочностных и пластических свойств.Из рис 7 видно, что в данном случае наблюдается чисто линейная

<7-1 = 0,25'сго' (1+1,35у) ; МПа (1)

где ст.] - предел выносливости на базе 106 циклов

зависимость.

Рис 7 Влияние гарантируемых прочностных свойств на предел выносливости сталей

1030 1200 предел прочности, Г

Известно, что кроме циклических на детати воздействуют и статические нагрузки. В данной ситуации необходимый уровнь свойств оценивается допускаемыми напряжениями, которые можно определить с учетом коэффициента запаса прочности по временному сопротивлению, составляющему 2,6. При заданных в табл.5 пластических свойствах лимитирующим является выносливость, и при этом чем выше прочность стали тем больше неиспользовапость прочностных свойств. Устранение этого дисбаланса возможно за счет повышения гараитирумого значения относительного сужения. В табл.7 приведены гарантируемые значения механических свойств, при которых предел выносливости равен допускаемым напряжениям.

Получение таких высоких значений относительного сужения приводит к необходимости сущеетвешюго повышения чистоты стали по вредным примесям и загрязненности неметаллическими включениями.

Таблица 7

ств, МПа оодМПА 8,% V,0/» КСУ'", Дж/см2

725 585 17 45 -

795 655 14 45 -

930 860 9 45 -

1035 930 7 45 -

1105 1000 б 45 -

1140 1035 5 45 27/22

1450 1240 4 45 20/16

1795 1450 3 45 8/5

Прежде чем приступить к детальному обсуждению методики разработки хладостойких и износостойких литейных сталей разработаем типовую блок-схему решения данной задачи.

Как уже было отмечено выше, работоспособность деталей экскаватора складывается из сопротивлешгя хрупким разрушениям, износу и разрушению по усталостному механизму.

На рис. 8 приведена обобщенная блок схема разработки литейных сталей.

Сопротивление хрупким разрушениям

ИХ

Температура

заливки формы и закалки

Скорость на1рева под закалку

Скоросгь охлаждении при закалке

Прочность

Сопротивление циклическим нагрузкам

Размер зерна

СГо,2

Субструктура

Твердый раствор

Карбидное нитридное упрочнение

Загрязненность неметаллическими включениями

I

Способ рафинирования

Скорость кристаллизации

Рис 8 Обобщенная блок-схема разработки литейных сталей 2.3 Выбор класса стали

В связи с тем, что абразивная износостойкость связана с твердостью стали, а сопротивление хрупкому разрушению с получешем мелкозернистой мартенситной структуры особое внимание следует уцелеть внимание композиции стали. 'Увеличение количества карбидов с 14 (эвтектоидная сталь) до 26%(заэвтсктоидная сталь) приводит к снижению скорости износа при трении. Скорость износа (мкм/м) при трении по кремню (HV1 ООО) снижается на 27%, при трении по корунду (HV1800) на 23%, а при трении по карбиду крем-Ш1я(1ГУ2700) только на 6%. Учитывая данные табл. 3-5, показывающие различные физико-механические свойства пород и, выбирая по приведенным в табл.8 характеристикам твердости различных структурных составляющих, можно однозначно осущест вить выбор требуемого класса стати.

Анализ табл. 8 показывает, что для обеспечения максимальной износостойкости в структуре стати целесообразно иметь специальные карбиды и высокоуглеродистый мар-

тенсит. В этом случае сталь следует легировать элементами, наиболее снижающим и содержание уг

Таблица 8

Структурная составляющая Характеристика структурной составляющей Твердость HV

Феррит в закаленной углеродистой стали в легированной стали до 135 100-270

Перлит Зернистый Пластинчатый Сорбнтообразны й 160-190 190-230 230-260

Сорбит 260-300

Верхний бейпит 300-400

Нижний бейнит 450-500

Мартенсит 0,2%углерода 0,4% углерода 0,6% углерода 0,8% углерода в высоколегированной высокоуглеродистой стали 530 560 920 980 800-900

Аустенит В низкоуглероднетой стали В высоколегированной высокоуглеродистой стали 150-220 300-450

Цементит и карбиды Цементит Хромистый карбид СгцСь М6С МА МС 800-1250 1100-1250 1000-1800 1400-1800 1800-3200

Эвтектика Графитная Фосфидная Карбидная 130 775 900-1000

Нитриды 1000-3000

лерода в эвтектоиде (в порядке убывания степени воздействия V, 'П, Мо, XV Мл, Сг, N1. Известно, что введение 1 процента легирующего но массе приводит к следующему снижению содержания углерода в эвтектоиде ________

V,Ti Mo W Si Mn Cr Ni

0,4 0,17 0,14 0,075 0,043 0,038 0,01

Обобщая эти данные можно вывести формулу, определяющую величину содержания углерода в легированном эвтектоиде

С= 0,8-У/2,5-Т1/2,5-Мо/5,9-\У/7,1-81/13,3-Мп/23,3-Сг/26,3-Ш100;

Таким образом, наиболее перспективными композициями являются, стали, легированные ванадием, молибденом, марганцем и хромом. Введение в сталь никеля целесообразно с точки зрения повышения вязкости стали. При этом с точки зрения износа проблема износостойкость - вязкость может быть решена за счет высокого отпуска, при котором увеличивается количество карбидов и повышается ударная вязкость.

2.4 Расчет химического состава

Исходя из этих параметров был проведен расчет химического состава стали.

Прочностные свойства и твердость стали состоящей из одной или ряда структурных составляющих, в общем, виде можно описать следующим алгебраическим выражением

НВ = КгНВ|+К2.НВ2+.....+КП.НВ„;

где К|,К2....К„ - содержание структурной составляющей НВа.НВг,— НВ„ — твердость структурной составляющей Твердость структурных составляющих бсрстся из приведенной ранее табл.8

Для определения твердости разрабатываемой стали, использовано уравнение Коэ, которое позволяет определить максимальную твердость стали после резкой закалки. НУ=90+ 1050 %С+75%Мп+47'%81+31%Сг+30%№ ; где (2)

С, Мл, 81, Сг и № -содержание легирующих элементов.

Твердость, износостойкость и трещиностойкость определяются мартенситной структурой. Согласно уравнению Яроша можно рассчитать температуру начала мартенситного превращения

Мб= 530-415'%С+90'%С2-35"%Мп-30'%Сг-20'%№-15'%\У-7,7Мо; (3)

Кроме мартенсита ентжение температуры хладноломкости обеспечивает также нижний бейнит. Температуру начала бейшпного превращения можно расчигать по формуле: Вн=830-270%С-90 %Мп-70'%Сг-83'%Мо; (4)

Температурная граница между верхним и нижним бейнитом представлена на рис. 9.

600

550

500

450

400

350

Рис 9 Влияние содержания углерода на границу между верхним и нижним бейнигом

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 содержание углерода, %

0,6

0,7

В связи с тем, что детали имеют конкретные геометрические размеры, а заданная структура должна обеспечиваться и в тепдоинерциошшх точках деталей, то есть но всему ссчению, необходимо откорректировать состав стали, обеспечив заданную прокаливаемостъ. Для этой цели кроме температуры начала мартенситного превращения необходимо знать и уровень нрокаливаемости, которую можно оценить по термокинетической диаграмме распада переохлажденного аустенита (ТКД). В случае отсутствия ТКД инкубационный период начала превращения может быть определен по зависимостям Ииагаки -Ферри1ногоС,и=С+81/291+Мп/14+Ы1/67+Сг/16+Мо/б+У/425

СГ=5,80*СЭКВ - 0,83 ; с (5)

Перлитного Сэка=С+81/17+Мп/1 ^N¡/25 И>/16+Мо/4+У/3 1£Ср=5,14*Сэк11 + 0,06; с (6)

-Бейнитного Сэю=С+81/Т 6+Мп/19+№/48+Сг/20+Мо/7+У/28 ЬёС™=5,81*Сэм,-1,13;с (7)

Определенные но формулам 3-5 тешературно-времешше параметры перлитного, бейнитного или мартенситного превращение следует сопоставить с рис.10.

зоо

а

0- 800

| 700

о 600 со

5 500 | 400

5 300 ° 200

6 100

700

100

Рис 10 Номофамма по определению времени охлаждения тепдоинерци-онного сечения пластин в различных средах

и

0

О

50

100

150

200

250

толщина пластины, мм

Гусеничные звенья по форме представляют собой пластины сечением от 30 до 60 мм, ходовые колеса - диски толщиной 150 мм, передняя стенка ковша - пластину переменного сечения толщиной от 75 до 200 мм, тело зуба ковша - параллелепипед сечением 150 х150 мм, а щеки -пластины толщиной 50мм.

Кроме ТКД прогноз нрокаливаемости стали, может быть осуществлен с помощью разработанных автором эмпирических уравнений, связывающих твердость на образце Джомини с химическим составом низколегированных сталей. Примеры некоторых приведены ниже. ШСи"61+60%С(0,1 %?>1п-3,2'%Сг+3,9%К'1-8,7%Мо-0,6%81 +1,6 %Си- - 0,03Т1ШП, (81 ШСз=69+53%С -1,2%Мп-%Сг+- 1,7%№-6%Мо+3,9%81+],4%Си ~0,04Тнагр (9) ШСз-95+51 %С И ,4 %Мп+1,3 %Сг-0,2 %М1 +11,8 %Мо +6,5 %81 +5,4 %Си - 0,04 Тнагр (10) ШС7--181+50%С11,3 %Мп-0,1'%Сг+%№ +16%Мо +11 %81 +7,%6*Си -0,18Тнагр (11) 1ЩС9=198+54 %С+2,5 %Мп-0,5 %Сг ^1,2%Ы1 +33,3 %Мс +8,6%$1 +6,8*%Си-0,21 Тнагр (12) НКСи-207+52%С +3,2%Мп Ю,9%Сг-0,3 )45 %Мо +6,8%51 +8,2 %Си- 0,22'Гнагр (13)

В связи с тем, что в основном рассматриваемые детали гшегог форму пластины или на-ралепипеда, для прогнозирования уровня свойств реальных деталей может быть использована номофамма (рис. 11), связывающая скорость охлаждения образца Джомини и теп-лоинерционного сечения пластины при закалке ее в воде. Проведенные расчеты показали, что при охлаждении стандартного образца Джомини, можно протезировать структуру и свойства пластин толщиной до 100 мм. Использование теплоизоляции толщиной 40 и 60 мм позволило уменьшенигь скорости охлаждения образца Джомини, и прогнозировать структуру и свойства пластин сечением до 250 и 275 мм. Из приведенной номограммы видно, что для гусеничных звеньев, где максимальная толщина составляет 60 мм для достижения мартенситной нрокаливаемости при закалке в воде с температурой 20°С, необходимо обеспечить величину марзенситной твердости на расстоянии от торца 10 мм, а для зуба ковша - тоже 10мм, но при охлаждении образца изолированного но цшшндру защитной оболочкой толщиной 40мм.

Аналогичные рассуждения применимы я для ходовых колее и передней стенки. При возникновении опасности образования закалочных трещин, необходимо применение закалки в масле или горячей воде с температурой 40-60°С. Для прогнозирования таких случаев следует использовать коэффициент интенсивности охлаждения, который для воды с температурой 40-60°С составляет 0,72-0,44, для минерального масла 0,25-0,30. Однако не только состав охлаждающей среды оказывает влияние на скорость охлаждения и соответственно тип структуры. Сильное влияние оказывает состояние поверхност и. Если для охлаждение детали с чистой не окисленной поверхностью принять скорость охла-

ждения за 100%, то появление тонкой окалипы уменьшает её на 38%, а нри более толстой пленке - даже на 58%. Учитывая то, что поверхность литья всегда окислена, то это существенно уменьшает скорость охлаждения и увеличивает критическую скорость закалки. Проведенные исследования состоят« поверхности отливок из сталей марок 35ХМЛ н ОБ 32№СгМо64У (ФРГ) показывает, что непосредственно послс литья в форму с холоднотведеющей смесью на глубине до 1,5 мм наблюдается существенное обезуглероживание вплоть до чистого феррита, что связано с окислением поверхности в процессе кристаллизации.

350,00 300,00

ж 2

2 250,00 х

5 200,00

т С

£ 150,00 х

Я 100,00 о

* 60,00 ■ 0,00

0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 расстояние от торца,мм

2.5 Расчет температурно-времшпых параметров технологии выплавки, заливки фор,и и термической обработки

Выбрав химический состав, стали с точки зрения получения заданного уровня свойств необходимо определить основные параметры технологии изготовления заготовок. Так как литые детали не подвергаются деформации для измельчения структуры, то очень важно регламентировать температуру заливки, которая, существенно влияет на размер зерна. Температура заливки определяется как температура ликвидуса плюс, определенный перегрев. Из производственного опыта следует, что этот перегрев должен составлять 3050 С.

Температуру ликвидуса следует рассчитывать по следующей формуле: ТЛ1,кя= 1539 -[71'%С +4,9% Мп +1,6'% Ст +3,9'%№ +- 1,7'%Мо + +2,7"%А1] (14)

Как было показано выше, наиболее важным является получение мелкозернистой и однородной структуры. Кроме раскисления эффективным способом измельчения зерна является фазовая перекристаллизация при термической обработке. Для назначения температур закалки и отпуска необходимо определение критических точек не только при охлаждении, но и при нагреве. Согласно нашим данным точки Лс: и Асз могут быть рассчитаны по следующим формулам:

Ас1=751-32,4%С+45,б%51-31,б%Мп+7,5%Сг-12,1%№-5%Мо+85,5%У; (15)

Ас3=923-220,4 %С+74,3 -66,4%Ш-20,1УоСг-20,2%Ш-3,9'%Мо +22,6% V (16) Точность расчета но этим формулам составляет +- 15°С, что вполне приемлемо д,тя инженерных расчетов.

Ранее отмечалось, что наиболее опасным является хрупкое межкристаллитное разрушение, характерное для литейных сталей. Исследование показало, что наличие ярко выраженной дендритной ликвации связано с получеш1ем межкристаллитного разрушения при ударных нагружениях. Наиболее эффективным способом уменьшения дендритной

Рис 11 Номограмма для определения сходственных точек на образце Джомшш и теплоинерционном сечении пластин при охлаждении в воде

ликвации является проведение гомогенизации при высоких температурах. Однако при этом происходит интеисивныН рост аустенитного зерна, вследствие чего понижается ударная вязкость стати. Известно, что вблизи критической точки Ас] наблюдается аномальное увеличение коэффициента диффузии углерода (рис.12)

0,00000025 0,0000002 0,00000015 0,0000001 0,00000005 0

---- -- ---- ---- /- 1

--- — ---- У _

— ■ 1 -

Рис 12 Изменение коэффициента диффузии углерода в зависимости от температуры.

1000 1100 1200 1300 Температура, К

С целью использования этого феномена был разработан способ термической обработки, заключающийся в предварительном иагреве до температуры на 10-20°С выше критической точки Ас] с изотермической выдержкой не менее 4 ч и последующим нагревом на 140-160 °С выше критической точки Асз. В результате такой обработки не только уменьшается дендртная ликвация углерода, но снижается и автодеформация при термической обработке, а также повышается как ударная вязкость, так и предел текучести.

Для деталей простой формы, где не требуется высокая геометрическая точность целесообразно применение ТЦО (термощпсниеской обработки), позволяющей существенно повышать уровень свойсгн отливок. На рис. 13 показано взаимосвязь между содержанием углерода в стали и максимальной температурой цикла (минимальная температура цикла ниже точки Аг)), обеспечивающего максимальную веллчгягу основных механических свойств, а на рис. 14 изменение структуры после ТЦО отливок.

Рис 13 Взаимосвязь между содержанием углерода в стали и максимальной температурой цикла при ТЦО для низколегированных сталей, обеспечивающей наиболее высокие значения относительного удлинения (1), ударной вязкости (2) и времен нош сопротивлеши (3).

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 содержание углерода,0/«

Как уже отмечалось выше, на скорость охлаждения при закалке оказывает влияние состояние поверхности. Известно, что при нагреве и длительной выдержке при высоких температурах происходит окисление поверхности, что приводит к уменьшению скорости охлаждения и снижению прокаливаемости стали. С целью уменьшения окисления при нагреве разработано защитное покрытие, состоящее из 25-30% каолина и 5% водного раствора медного купороса. Такое покрытие уменьшает явление обезуглероживания при нагревах в 5-10 раз в зависимости от температуры нагрева.

Еще одним резервом в повышении свойств стали, является ускоренный нагрев, при котором не только уменьшается окисление, но и измельчается аустенитное зерно, вследствие минимального нахождения при температурах вызывающего его рост. Для определения допустимых условий нагрева были проведены расчеты двухстороннего нагрева пластин различной толщины в пламенной печи. Расчеты выполнялись методом электромоделирования с использованием электроинтегратора СЭИ-03. Теплофизическис свойства были взяты по стали марки ЗОХНЗ , как наиболее представительной для класса

Рис 14 Микроструктура стали ЗОЛ в литом состоянии (а) и после ТЦО (б)

Увеличение 100х" травление - 4% спиртовой раствор азотной кислоты

Для определения допустимого уровня перепадов температур необходимо знать уровень температур детали для выбора допустимых напряжений.

МО

¡со ¡т о

Рис 15 Номограмма для расчета максимального температурного перепада при нагреве пластин в пламенной печи

Из расчетов видно, что изменение температуры поверхности пластины определяется температурным напором и толщиной нагреваемой пластины. Сравнение скорости нагрева поверхности пластин различной толщины показывает, что их толщине более 200мм эти скорости близки по своей величине и практически сохраняют свои постоянные значения. Однако большие перепады могут привести к деформации, короблению и даже к разрушению деталей.

Допустимый уровень перепадов температур расчитываем но формуле АТдоп=1,05 ~ адоп/а*Е, где

о дои - допускаемые напряжения МПа; а - коэффициент линейного расширения Е - модуль Юнга, МПа

Результаты расчетов максимальных температурных перепадов приведены на рис.] 5.Анализ расчетов показывает, что максимальный перепад при нагреве пластин возникает при температуре поверхности не выше 720 °С, и временное сопротивление в этом интервале температур для рассматриваемого класса стали составляет 390 Н/мм". Подставив в это выражение значения Сдс,п= 390 МПа, сх=12*10~б 1/°С, Е=1,9*105 МПа получим, что допустимый перепад в данном случае составит 175°С. Такой уровень перепада достижим лишь при следующих условиях нагрева ( см. табл.9)

Таблица 9

Максимально допустимая температура посадки отливок из низколегированной стали

в пламенную печь

Толщина пластины, мм Температура печи, "С

50 1200

100 1100

200 950

Учитывая, что промышленные газовые термические печи имеют предельную температуру нагрева при выборе режимов термической обработки необходимо максимально

использовать возможности термического оборудования.

Глава 3 Разработка стали и технологии изготовления ходовых колес для экскаватора ЭКГ-10

Анализ условий эксплуатации иоказывасг, что ходовое колесо катается по беговой дорожке гусеничного звена в абразивной среде. Гусеничное звено как правило изготавливается из стали 110Г13Л и в процессе эксплуатации поверхность беговой дорожки наклёпывается до твердости НВ 450. Температура эксплуатации экскаватора может достигать минус 40°С. Основным видом разрушения является хрупкие отколы обода колеса (рис 2).

Наличие хрупких разрушений свидетельствует о высоких уровнях напряжении и о низкой трещиностойкости стачи. В настоящее время колеса изготавливаются из стали 35ХМЛ по ГОСТ 977.

Используя проведенные в СПбГАХПТ расчеты по напряженно-деформированному со

.ж

P=4Sr

Рис 16 Схема напряжений ходового колеса экскаватора ЭКПО

стоянию катков экскаваторов типа 20IM и 204М и близость удельных нагрузок на одно колесо в конструкции экскаватора ЭКГ-10 можно заключить, что ira краю обода напряжения достигают 600 МПа, затем постепенно уменьшаясь до 300 МПа (рис.16).

Максимальные напряжения наблюдаются в зоне поверхностного упрочнения, которое проводится с помощью газопламенной поверхностной закалки. Следовательно, основные напряжения составляют 400 МПа и, в соответствии, с принятыми коэффициентами запаса прочности сталь должна гарантировать величину предела текучести 600 МПа. Этот вывод подтверждается практикой фирмы " ОЕМАС-КЛМАТБи", которая для аналогичных условий работы рекомендует применять сталь со следующим комплексом свойств:

о0,2 > 590 МПС, св >830 МПС,5 >8%, КСТ40 > 34 Дж/см", НВ 250-293.

Исходя из уровня действующих напряжений к формы детали необходимо выбрать минимально допустимый уровень коэффициента интенсивности напряжений. Анализ разрушений показывает, что они, как правило, начинаются с поверхности обода колеса, где возникают максимальные растягивающие напряжения. Учитывая, что геометрические размеры обода колеса и то, что он подвергается газопламенной закалке и имеет очень высокий уровень прочности (ав не менее 1200 МПа). Используя подходы линейной механики разрушений при напряжениях бООМПа и дефекте 15мм для исключения макро-хрупкого разрушения величина К[сдолжно быть не менее 128МПа\'м. Выявление дефекта такого размера обеспечивается проведением УЗК на чувствительности линейного дефекта 10 мм, что является приемлемым для литья в песчаные формы.

Таким образом, сталь для ходового колеса должна обладать следующим комплексом свойств.

0О,2 ^ 590 МПа, ста >740 МПа, 8217%, К,с>128 МПач'м, КСУ-40 > 34 Дж/см2Проведенный расчет максимально достижимой твердости по уравнению 2 и определению инкубационного периода до начала бейнитпого превращения В5 привел к следующему составу стали 40ХНМФЛ:

С 0,38-0,45% , 0,17-0,40%, Мп 0,60 -1,10%, Сг 1,00 -1,30%, Мо 0,25-0,35%, V 0,05-0,10%% 0,20-0,40% ,5 < 0,015%, Р< 0,015%, А10,020-0,040%, Са 0,015 -0,030%.

Этот состав обеспечивает инкубационный период бейииткого превращения не менее 275 с, что достаточно для получения полумартексигной структуры при закалке в воду плоской заготовки толщиной 140 мм. Температура конца мартенситного превращения составляет 190° С, что позволяет закапчивать закалку при температуре 150°С и тем самым избежать закалочных трещин. Анализ микроструктуры стандартной стали 35ХМЛ показывает, что проведение нагрева до 920.°С при газопламенной обработке приводит к резкому росту зерна и тем самым снижению её трещиностойкости. Для снижения склонности к росту зерна при термической обработке в состав стали 40ХПМФЛ введены ванадий, алюминий и кальций.

Важное значение имеет однородность химического состава, в том числе и на рабочих поверхностях. Проведенные исследования показали, что при кристаллизации в песчаных

Рис 17 Микроструктура поверхностно го слоя отливки залитой в форму изготовленную из стали С^321\г1СгМо64 жидкостекольной холодно -твердеющей смеси. Травление в 4-% спиртовом растворе азотной кислоты. Увеличение 100х

жидкостекольных формовочных смесях на поверхности наблюдается значительное окисление и обезуглероживание вплоть до получения чистого феррита (рис. 17). Обезутлеро-женный слой образуется во время двух технологических операций - в процессе кристаллизации (1,5 мм) и в процессе термических обработок (1,5 мм).

Исключение обезуглероживания во время кристаллизации возможно за счет применения смоляных смесей и оптимизации температурных условий заливки формы. Темперазу-ра ликвидуса для стали марки 40ХНМФЛ состашяет 1500° С, и, следовательно, температура заливки формы не должна превышать 1550°С. Уменьшение окисления также достигается за счет сокращения длительности пребывания заготовки при высоких температурах термических обработок и использованию специального защитного покрытия. Из расчетов приведенных в главе 2, видно, что ходовое колесо можно подвергать скоростному нагреву без опасения образования трещин.

Критические точки стали 40ХНМФЛ при нагреве составляют Ас] - 735 °С; Ас1" 780°С.

Опытная плавка имела следующий химический состав:

С= 0,45%, 0,39%, Мп-1,03%, Сг^ 1,02%, Мо= 0,29%, У= 0,05% ,

№= 0,39% , А1= 0,02%, Са= 0,015%. После закалки с температуры 860"С в горячую воду и отпуска при 645 °С получены следующие свойства

о0,2 = 700 МПа, ств =860 МПа, 5=14%,, КСУ40 =60 Дж/см2 Микроструктура стали 40ХНМФЛ представляет собой сорбит отпуска (рис 18).

Глава 4 Разработка стали и технологии изготовления зубьев экскаватора и гусеннчиых звеньев

Разрушение гусеничных звеньев экскаваторов типа ЭКГ, изготавливаемых из стали 110Г13Л, происходит хрупко и, как правило, пу тем отрыва проушин. Анализ хрупких разрушений стали Гадфильда показывает, что оно происходит из-за шпкой трегци постой-кости ( коэффициент интенсивности напряжений из-за выделений карбидо-фосфидной эвтектики составляет около 34 МПа\'м.)

Определение необходимого уровня прочностных и вязких свойств проводилось Институтом Горного Дела им А.А.Скочицского и ОАО « Ижорские заводы». Результаты экспериментального исследования влияния механических повреждении хрупких разрушений и пластической деформации режущих частей зубьев экскаваторов 201М и 204М (рис 19) по

кислоты. Увеличение ЮОх

¿3 Рис 18 Микроструктура стали Ш 40ХНМФЛ. Травление в 4-% спиртовом растворе азотной

казывают, что при величине предела прочности около 950 -1100 МПа -кого разрушения уменьшается до 10%, что является приемлемым.

вероятность хруп-

100 80 • 60

700 900 1100 1300 1500 временное сопротивление разрыву,МПа

Рис 19 Взаимосвязь между временным сопротивлением и частотой разрушения 1700 дэталей экскаватора

о

Расчеты напряженного состояния в звене и сопоставление их с требованиями, предъявляемыми фирмой'' П К МЛ О - К Л \1ATS 1Г" показывают, что целью работы должно быть создание термоулучшаемой хладостойкой стали с оо,2 не менее ЗООМПа, с коэффициентом интенсивности напряжений К)С не менее 130 М11а\'м и удовлетворительной абразивной износостойкостью. Как отмечалось выше, для обеспечения высокой хладостой-кости и износостойкости сталь должна после закалки иметь структуру мартенсита или нижнего бейшгга.

Указанная цель достигается при следующих содержат™ элементов, масс.%: С- 0,25-0,30; 0,17-0.40 ;Мп1,50-2,00; Сг 1,30-1,70;№ 0,30-1,10; Мо 0,50-0.65; V 0,08-0.12; А1 0,020-0.040, Се 0,.005-0,020; Са 0.005-0,020;

Проведенные расчсгы показывают, что даже при минимальном легировании температура начала бейшгтного превращения составляет 490°С , то ссть превращение происходит по механизму аустенит - нижний бейнит, а при среднем и максимальном легировании эта температура снижается до 460 и 395°С соответственно.

Инкубационный период начала бейнитного превращения составляет 50с и 2100с для перлитного. Учитывая, что звено имеет характеристический размер ис более 60 мм, то при охлаждении в горячей воде возможно получение сквозной полумартенситной прокали-ваемости, а при закалке в масло смеси мартенсита и нижнего бейнига. Для проверки правильности высказанных предположений была выплавлена плавка следующего химического состава:

С=0,30%,Мп=1,73%, Р=0,015%, 8=0,011%, Сг=1,62%,ЫИ),39%, Мо=0,53%, 81=0,40%, У-0,11%, Си=0,20%, А1=0,05%.

Из металла данной плавки были изготовленыре,зубья и звенья для экскаватора ЭКГ-10. Термическая обработка проводилась на два уровня прочности ов«1500 МПа и ав~900 МПа с целью проверки возможности эксплуатации особо высокопрочных деталей при низких температурах. Для этого заготовки термически обрабатывались по двум режимам, состоящим из закалки с 920°С в масло и отпуска 190°С и закалка с 920°С в масло и отпуска 650°С. Использование низкотемпературного отпуска может быть рекомендовано для экскаваторов, работающих в регионах с более теплым климатом. Результаты испытаний приведены в табл. 10

Для проверки конструктивной прочности зубьев и звеньев с различным уровнем прочности были проведаны испытания на излом методом трехточечного изгиба. В качестве критерия было принято, что деталь должна разрушиться при нагрузке 500 т. Звено термически обработанное на высокую прочность разрушилось при минимально допустимой нагрузке, а высокоотпущенный зуб при нагрузке в 2раза превышающую допустимую.

Таблица 10

Механические свойства стали 28Х2Г2НМФЛ

ав, МПа ст0 .2, МПа КС V4U, Дж/см2 кси-40, Дж/см2

Закалка и отпуск 190°С

1690 1540 s 18 22

Закалка и отпуск 650°С

990 850 18 59 120 184

Испытания на ударно-абразнвный износ проводились на установке барабанного типа, принцип действия которой состоит в следующем: испытуемые образы закрепляются на вращающемся с постоянной скоростью водиле и бьют по абразивному материалу. Учитывая, что экскаватор работает скальпом фунте, в качестве абразивного материала применялся гранитный щебень. Эти испытания показали, что износостойкость стали в высоко-отпущенном состоянии в породе с коэффициентом крепости 15 по Протодьяконову находится на уровне стали 110Г13Л с минимальным содержанием углерода (рис.20) .

чпело циклов копапяя

Полученные результаты испытаний показали, что и при экономном легировании никелем можно получать стали с комплексом свойств близким к хромоникельмолнб-деновым сталям таким, например, как Alloy В( Япония). Дальнейшее совершенствование технологии целесообразно проводить в направлении корректировки параметров залавки и термической обработки, например использования технологии термической обработки с применением закалки с предварительным изотермическим а - у превращением.

Глапа 5 Разработка стала и технологии изготовления передней стенки ковша для

экскаватора Э1СГ

Передняя стенка ковша испытывает в процессе эксплуатации высокие статические и динамические нагрузки и изготавливается с применением сварки. Поэтому к этому виду деталей предъявляется еще одно требование - свариваемость, то есть углеродный эквивалент, рассчитанный по формуле Международного института сварки (I1W), не должен превышать 0,49 или быть менее 0,286 % по формуле Ито-Бессио Pcm=%C+%Si730+(%Mii+%Cu+%Cr)/20+(?'oMo-t%V)/15+%Ni/60+5*%B (17) для сталей содержащих менее 0,20% углерода.

Сталь не должна быть чувствительна к образованию холодных и горячих трещин при сварке, не должна быть чувствительна к перегреву при сварке и обеспечивать вместе

со сварным швом равнопрочное соединение. И наконец, стать должна быть хладостойкой. Для выработки требований к свариваемым сталям можно использовать основные положения линейной механики разрушения. Для возникновения макро-хрушого разрушения при напряжениях разным пределу текучести толщина детали должна быть больше, чем рассчитано по формуле: Ь>2,5 (К1С/о0,2)2.

В противном случае величина К1С определяется не корректно и при разрушении будет наблюдаться определенная доля пластической деформации. Результаты расчетов приведены в табл.11

Таблица 11

Ктс.МПа^м Минимальная толщина детали, мм при бо.г.МПа

490 735 980

96 90 40 22

128 160 72 40

152 250 110 62

Передняя стенка ковша экскаватора ЭКГ -10 имеет минимальную толщину стенки 90 мм и максимальную - 200 мм. Реально достижимым для литых сталей уровнем коэффициента интенсивности напряжений является 130 МПал/м. Исходя из приведенной таблицы, для исключения макрохрупкого разрушения свариваемая литейная хладостойкая сталь должна иметь минимальную величину предела текучести - 490 МПа, а предельно допустимую 735 МПа. При более высоком уровне прочностных свойств в конструкции будет иметь место гшосконапряженное состояние, вследствие чего при определенных напряжениях дефект может развиться в хрупкую трещину. Известно, что по своей природе лигой металл является материалом повышенной дефектности. Если принять коэффициент запаса прочности по пределу текучести равным 1,5 и величину Ki с на уровне 130 МПА Vm, то длина критического дефекта, развивающегося в хрупкую трещину, составит 50 мм при минимальном значении предела текучести и 20 мм - при максимальном. Это обеспечивается при проведении УЗК с браковочным уровнем линейного дефекта равным 10 мм, что является приемлемым для серийного производства.

Свариваемость термоулучшаемой хладостойкой стали, достигается обеспечением температуры предварительного подогрева, не превышающей 250°С. Обычно применяемые для этих целей согласно ГОСТ 21357 -87 стали марок 08Г2ДНФЛ и 12ХГДФЛ имеют достаточно высокие характеристики вязкости, но обладают низкими прочностными свойствами (предел текучести 400 и 340 МПа соответственно). Заданные требования выполняются за счет дополнительного введения в сталь молибдена и модифицирующих элементов кальция, церия, алюминия, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

С 0,09-0,12; Si 0,25-0.40 ; Мп 0,60-0,90; Сг 0,20-0.50; Ni 1,00-J,40; Mo 0,20-0.30; Си 0.20-0,50; V 0,04-0.10; А10,015-0.035; Са 0.005-0,020; Се 0.005-0,020; Выбранный состав гарантирует свариваемость стали, так как величина Рсш составляет 0,278, что обеспечивает отсутствие холодных трещин. Среднемарочный состав стали 12ХН1МФДЛ обеспечивает максимальную твердость при закалке HV310,что в соответствие с данными табл.8 соответствует структуре сорбита и только при максимальном легировании структура может состоять из смеси сорбита и верхнего бейшгга. Это подтверждается и расчетом температуры начала бешштного превращения, которая для марочного состава находится в интервале температур 715-640 С и терм о к и я em ч ее ко й (¡реярШ^ш которой видно, что при толщине передней стенm от 100 до 200 мм при закалке в воду сталь имеет в основном сорбитную структуру.

Для проверки правильности приведенных предположений была выплавлена плавка следующего состава

С=0,12%, Мп=0,90%, Р=0,013%,-.5=0,012%, 0=0,39%, N¡=1,31%, Мо-0,30,51=0,41%, Си=0,33%, У=0,04%, А1=0,035%:-

Для исключения транскристаллизации при затвердевании отливок и обеспечения мелкого зерна температура заливки выбиралась исходя из величины рассчитанной по формуле ( 14) температуры ликвидуса( 1515-1520°С) и была установлена 1560°С.

Плавка была разлита в песчаные формы на пластины тощиной 95 мм. Далее пробы были подвергнуть] следующим режимам термической обработки. Режим 1

Закалка с предварительной изотермической выдержкой при 740°С и последующим

нагревом до 930 С в воду, отпуск 620°С

режим2

Закалка с предварительной изотермической выдержкой при 740°С и последующим нагревом до 930 С в воду, отпуск 640°С Режим 3

Закалка 920°С в воду, отпуск 650°С

Результаты механических испытаний приведены в табл. 12

Таблица 12

Механические свойства стали 12ХН1МФДЛ_

ств, МПа МПа S,% KCV2U, Дж/см" KCV:ü, Дж/см2 Дж/см2 KCV'60, Дж/см2

Режим 1

710 _ 610 18 55 88 45

Режим 2

660 540 22 61 ! 99 66 80 28

Режим 3

620 495 14 51 117 - П35 -

Приведенные свойства полностью удовлетворяют требованиям ASTM Д148, что подтверждает перспективность данной композиции и показывает возможность регулирования хладостойкости температурой отпуска. Повышение температуры отпуска несколько снижает уровень прочностных свойств, по зато резко увеличивает величину ударной вязкости. Величина Kic составляет 142 МПаУм, что также соответствует предъявленным требованиям.

Микроструктура стали, представляет собой сорбит (рис 21).

Рис 22 Микроструктура стали 12ХН1МФДЛ. Травление 4-% спиртовым раствором азотной кислоты увеличение 100х

Для проверки свариваемости пробы из данной стали, были сварены несколькими способами (АДС под флюсом, АДС в среде ССЬ и РДС). Проведенные испытания твердости ЗТВ показали, что максимальная твердость в действительности несколько ниже НУ 310, что показывает некоторую консервативность расчетов по формуле (2).

выводы

1. На основании проведенных исследований и полученных результатов установлены общие подходы к разработке хладостойких литейных сталей для крупных карьерных экскаваторов и другой горнодобывающей техники..

Предлагается следующая последовательность решения задачи оптимизации состава и технологического процесса изготовления отливок из хладостойких сталей, заключающийся в -Определении требований по ресурсу

-Выборе и обоснованию характеристик механических свойств коррелирующих с трс бованиями по ресурсу

-Выборе структурного класса стали на основании физико-механических свойств пород и других условий эксплуатации

-Расчете химического состава совместно с параметрами технологии выплавки, залив ки, кристаллизации и термической обработки с помощью .эмпирических зависимо стей.

-Проведении лабораторных и промышленных экспериментов.

2. Показана необходимость обязательно!« согласования химического состава с параметрами технологического процесса, формой и размерами литой детали.

3. На основе статистической обработки результатов получены эмпирические математические модели, связывающие химический состав и прокаливаемоегь стали. Рассчитаны номограммы, связывающие время охлаждения при закалке в воде и масле со сходственными точками тел типа пластина, цилиндр или квадрат для определения возможности закалки детали на заданную структуру.

4. Разработана методика оценки прокаливаем ости отливок большой толщины с помощью модернизированной методики Джомини, заключающейся в изоляции боковых поверхностей стандартного образца.

5. Показана значимость состояния поверхности отливки с точки зрения работоспособности и разработан способ защиты поверхпости от окисления при нагреве под термиче-кую обработку.

6. Показана значимость однородности структуры с точки зрения исключения интеркри-сталлитного разруше1щя и разработан режим термической обработки позволяющий заменить традиционную гомогенизацию на высокотемпературный отжиг с изотермической выдержкой вблизи критической точки Лл.

7. Показана возможность повышения вязких свойств статей с помощью термоциклнче-ской обработки и обеспечения требуемого уровня свойств при помощи температуры отпуска.

8. С помощью предлагаемой методики разработаны экономнолегарованпые свариваемые хладостойкие и износостойкие стали для всех групп литых деталей крупных карьер ных экскаваторов.

Основные научно-технические результаты и выводы настоящей работы использованы при проектировании и изготовлении литых деталей экскаваторов типа ЭКГ. Новые марки стали прошли промышленное освоение на ОАО» Ижорские заводы». Разработа на необходимая техническая, технологическая документация по всей стадии металлур гического цикла и оформлены технические условия. . ,

Содержание работы отражено в следующих основных публикациях:

1. Авторское свидетельство 1440953 (СССР) Сталь В.В.Лебедев и др.

2. Авторское свидетельство 1482960 (СССР) Состав покрытия для защиты от окисления при термической обработке В.В Лебедев др.

3. Авторское свидетельство 1507851 (СССР) Сталь В.В.Лебедев и др.

4. Авторское свидетельство 1749304 (СССР) Сталь В.В Лебедев и др.

5. Патент 1787168 (СССР) Сталь В.ВЛебеден и др.

6. Патент 1806216 (СССР) Сталь В.В.Лебедев и др.

7. Патент 2016125 (РФ) Сталь В.В.Лебедев и др.

8. Патент 2016129 (РФ) Сталь В.ВЛебедев и др.

9. Патент 2016131 (РФ) Сталь В.ВЛебедев и др.

10. Патент 2022047 (РФ) Сталь В.В.Лебедев и др.

11. Патент 2026410 (РФ) Сталь В.ВЛебедев и др.

12. Патент 2039118 (РФ) Сталь В.ВЛебедев и др.

13. Патент 2044070 (РФ) Способ термической обработки. В Лебедев др.

14. Патент 2049146 (РФ) Сталь В.ВЛебедев и др.

15. Патент 2100470 (РФ) Сталь В.ВЛебедев и др.

16. Патент 2124575 (РФ) Сталь В.ВЛебедев и др.

17. В.В. Лебедев, Н.Е. Щагина, Т.В. Животовская К вопросу о механизме влияния термо-цшслической обработки на структуру и свойства стали перлитного класса, Всесоюзный научно-технический семинар «Термоциклическая обработка деталей машин» 11-13 ноября 1981г. Волгоград, 1981, с.20-23.

18. В.В.Лебедев, Л.А.Милякова и др. Влияние многократной фазовой перекристаллизации на структуру и свойства низкоуглеродистых Сг-№-Мо и Мп-№- Мо сталей Всесоюзный научно-технический семинар «Термоцикличсская обработка деталей машин» 1113 ноября 1981г. Волгоград, 1981, с.143-145.

19. В.В.Лебедев Т.В .Животовская и др. Разработка режима термоцикяической обработки низкоуглеродистой свариваемой Мп-Кт-Мо-У стали Всесоюзный научно-технический .семинар «Термоциклическая обработка деталей машин» 11-13 ноября 1981г. Волгоград, 1981, с.147-150.

20. М.М. Сандомирский, Е.З. Степанов, В.ВЛебедев Влияние ТЦО и кратности закалки на структуру карбидных фаз, образующихся при отпуске сталей 15Х2НМФА и 10ГН2МФА Материалы конференции Термоциклическая обработка металлических изделий Ленинград 1982г. стр. 48-50.

21. В.ВЛебедев, Ю.П.Солнцев Разработка хладостойких литейных статей для горной и строительной техники Тезисы докладов семинара Прочность материалов и конструкций при низких температурах, СПб, СПб ГАХПТ, 1999.

Апробация работы.

-Всесоюзный научно-технический семинар «Термоииклическая обработка деталей машин», Волгоград,! 1-13 ноября 1981 г

- Конференция Термоциклическая обработка металлических изделий, Ленинград, октябрь

1982г

- Научный семинар Прочность материалов и конструкций при низких температурах

Санкт- Петербург 16 апреля 1999г.

- Семинар Метатюведение, пластическая и термическая обработка СПбГТУ, Санкт Петербург, 10-11 ноября 1999г