автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка и освоение рациональных технологий термической обработки и требований к сталям в производстве автомобильных деталей

ОТКРЫТОЕ АКЦИОН ЕР Н ОЕ ОБЩЕС ТВ О « РАЗ»

ц АХ

На правах рукописи

Ш

Глинер Роман Ефимович у/

РАЗРАБОТКА И ОСВОЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ТРЕБОВАНИЙ К СТАЛЯМ В ПРОИЗВОДСТВЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05.16. 01 - Металловедение и термическая обработка металлов

Диссертация в виде научного доклада на соискание учёной Степени доктора технических наук

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Шепеляковский Константин Захарович;

(г.Москва) Доктор технических наук, профессор Тихонов Аркадий Константинович

(г. Тольятти) Доктор технических наук, профессор Гуслякова Галина Петровна

(г. Нижний Новгород)

Ведущая организация Акционерное Московское общество «Завод имени Лихачёва» (AMO «ЗИЛ»)

Защита состоится 2-Ъ онного совета Д Q63.85.08 при Ни?? ском университете, 603600, Н. Новгор

' -з на заседании диссертаци-государственном техниче 24

С диссертацией можно ознакомиться дарственного технического университе

.¡'■от Нижегородского госу-

Диссертация разослана С> \л fn?A «i

года

Учёный секретарь диссертационного совета

кандидат т^ических наук, доцент Вжильев Виктор Александрович

ü

V *

Q ó2&4

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 1.1. Введение

Долговечность тяжелонагруженных деталей автомобиля в большинстве случаев определяется совокупностью свойств (качеством) стали, которые формируются в технологических процессах упрочняющей термической обработки. Традиционно наиболее эффективным видом термического упрочения автомобильных деталей считается химико-термическая обработка - цементация и нитроцементация. Как альтернатива химико-термической обработки, предложена (К.З. Шепеляковский) объёмно-поверхностная закалка, обеспечивающая требуемый уровень долговечности деталей с меньшими, по сравнению с цементацией и нитроцементацией, производственными затратами. Качество упрочнения деталей, как при химико-термической обработке, так и при объёмно-поверхностной закалке, во многом определяется свойствами сталей, которые нормируются техническими требованиями к прокату. Рациональность этих требований, также как и в целом выбор стали, соответствующий выбранному виду термообработки, в значительной мере влияет на уровень затрат, связанных со стоимостью металла и стоимостью применяемой термической обработки, и издержек, связанных устранением неблагоприятных последствий термической обработки (прежде всего коробления и деформаций деталей).

Крупногабаритные детали автомобиля, получаемые холодной штамповкой плоских заготовок, как правило, не подвергают термическому упрочнению из-за высоких затрат, связанных с его организацией и устранением неблагоприятных последствий. Исключением из этого правила является применение для некоторых деталей локальной (индукционной) термической обработки, характеризуемой сравнительно небольшими затратами. Долговечность деталей, не подвергаемых специальной упрочняющей термической обработке (к ним относятся детали кузовов, платформ, рам,) рпреде-ляется свойствами листовой стали, которые формируются при производстве проката и пластическом деформировании стали в процессе штамповки. Снижение затрат при изготовлении этих деталей достигается прежде всего рационализацией состава стали, требований к структуре и свойствам проката, выбором рациональных его видов.

В диссертации обобщаются результаты изысканий, проводившихся на Горьковском автомобильном заводе и преследовавших цель повышения • члговечности тяжелонагруженных автомобильных деталей на основе при-знения наукоёмких и экономически обоснованных технических решений.

Актуальность такого обобщения обуславливается необходимостью почтения эффективности производств, потребляющих и производящих в . . ¡ачительных объёмах стальной прокат.

Решение этой проблемы связывается с использованием достижений металловедения и проведением определённой политики в области качества, подразумевающей (ИСО 8402) «основные направления и цели предприятия ■ области качества». Для развивающегося в условиях становления отечест-чной рыночной экономики Акционерного общества «ГАЗ» эти направле-

ния и цели формулируются, как «удовлетворение запросов потребителя по приемлемой для него цене». Осуществление их основывается на реализации стратегических решений по совершенствованию качества во всех отраслях производства, включая технологию металлообработки. При этом особенностью стратегии совершенствования качества является совмещение инженерных решений, преследующих, по существу, разные цели: решений, направленных на удовлетворение запросов потребителей, и решений, направленных на снижение издержек производства. Выражением этой особенности выступает понятие рациональности (т.е. целесообразности и обоснованности) принимаемых решений.

Сталь является основным из применяемых в автостроении материалов, благодаря тому, что позволяет реализовывать требуемые свойства при относительно низких производственных затратах производителя (черная крупнотоннажная металлургия) и потребителя (массовое производство автомобилей). Поэтому совершенствованию качества стали отводится значительная роль в повышении эффективности производства автомобилей. Многоплановая работа по обеспечению качества автомобильных сталей базируется на испытаниях металла и на контроле режимов технологической обработки. Эффективность работы повышается, если, в отличие от стандартных приемо-сдаточных испытаний и производственного контроля, она приобретает системно-комплексный характер, выполняясь с применением наиболее эффективных теоретических и методологических подходов в анализе получаемой информации. Тем самым исследования, связанные с решениями частных металловедческих задач, приобретают значение установления закономерностей влияния на свойства стали различных факторов, обуславливая развитие металловедения. Особенно возрастает значение этой работы на предприятиях, в производстве которых применяются практически все современные виды обработки металла, а ежегодное потребление стального проката составляет сотни тысяч тонн, с использованием практически всех его видов, с марочным и размерным сортаментами, включающими сотни позиций. В полной мере это относится к производству автомобилей акционерным обществом «ГАЗ». Обобщение практики изучения качества стали в таких производствах необходимо для разработки научно обоснованного базиса политики в области качества стали. Практическая реализация данной политики приобретает значение важнейшего фактора повышения эффективности автомобилестроительной и металлургической отраслей, показателя их научно-технического прогресса.

1.2. Цель работы.

•Рационализация состава, улучшение структуры, свойств проката и изделий, получаемых из сталей, предназначенных для производства автомобильных деталей, на основе развития теории металловедения в области совершенствования методов исследований и технологии обработки сталей -цементации, закалки, поверхностного пластического деформирования, деформирования при листовой штамповке.

•Научное обоснование базисных положений политики в области качества сталей, обеспечивающей необходимую долговечность деталей автомобилей и исключение неоправданных затрат в их производстве.

1.3. Общая методика выполнения исследований

Осуществлению указанных целей способствовал выбор исходного состава изучавшегося металла, который соответствовал характерным для автомобильного производства стандартным и вновь разработанным (*) маркам стали: 08, 10, 15, 20, 25, 40, 45, А12, 54ПГГ, 58(55ПП), 60ПП*, 20Х, ЗОХ, 40Х, ЗОХМ, 35ХМ, 20ХГР, 27ХГР, 25ХГМ, 25ХНМ*, 20ХН2М, 18Х2Н4ВА, 08Ю, ЮР*, 08ЮП*, 08ЮПР*, ОЗХГЮ*, 08ГСЮТ*, 12ГС, 07ГБЮ*, 09Г2-ДФ* (сталь с «двухфазной» микроструктурой).

Объектами исследований являлись химический состав, структурное состояние (микро - и макроструктура, величина зерна, содержание углерода в твёрдом растворе), твёрдость и микротвёрдость, механические свойства, выявляемые в лабораторных испытаниях образцов (растяжение, изгиб, кручение, вытяжка) и натурных испытаниях деталей, технологические свойства (восприимчивость к закалке и науглероживанию, пластическая деформируемость при штамповке, шлифуемость, склонность к деформациям при термической обработке), режимы термической и пластической обработки стали в прокате, в заготовках и готовых деталях. Использовались, как традиционные для металловедения, так и вновь разработанные автором методики и аналитические модели, применение которых вызывалось необходимостью повышения достоверности и комплексности проводимых исследований.

При определении охлаждающей способности закалочных устройств, скоростей закалочного охлаждения цементуемых изделий и восприимчивости к закалке цементуемой стали в работе использовано стандартное испытание стали на прокаливаемость методом «торцевой закалки» по совершенствованной автором методике проводимых измерений. В построениях диаграмм прокаливаемое™ и расчётах скоростей охлаждения использовался компьютер.

Для изучения влияния поверхностного содержания углерода и температуры индукционного нагрева на структуру цементуемой стали использован метод комплексного послойного микроисследования, рентгенострукгурного и химического анализов и анализа микротвердости продуктов распада переохлаждённого аустенита. Анализ микротвёрдости проводился по разработанной автором методике, что позволяло изучать закономерности влияния режимов закалки (температура нагрева, скорость охлаждения) на однородность распределения углерода в аустените и продуктах его распада. Измерения микротвёрдости использованы также для оценки степени наклёпа при поверхностной пластической обработке.

Для изучения пластических деформаций листовой стали в лабораторных и производственных условиях применялись специально разработанные автором эффективные способ, разметки образцов окружностями малого диаметра.

1.4. Научная новизна работы.

1.4.1. В развитие теории химико-термической обработки стали автором разработана методология управления качеством цементации, основанная на прогнозировании результатов науглероживания с использованием прямых методов определения углеродного потенциала, вместо менее достоверных косвенных методов, использующих газовые анализы рабочей атмосферы:

—теоретически обоснована, экспериментально подтверждена и проверена на практике аналитическая модель науглероживания, в которой рабочим параметром принято значение углеродного потенциала, определяемое по образцам-свидетелям (стальная фольга). По аналогии с понятием «тонкого тела», используемым в теории теплопередачи, впервые определено понятие «диффузионно-тонкого тела». Теоретически обоснована математическая модель для расчётов скорости перехода углерода из рабочей среды в диффузионно-тонкое тело;

—на основе предложенных моделей автором разработан и проверен на практике алгоритм компьютерной программы, позволяющей управлять технологическим процессом науглероживания и научно обосновывать выбор рациональных значений основного его параметра - углеродного потенциала. Впервые определены понятия «эффективной концентрации углерода» и «показателя качества закалки», что позволило осуществить прогнозирование рациональных значений эффективной глубины цементации с помощью компьютера;

— теоретически обоснованы и внедрены в практику весовой и электромагнитный методы определения содержания углерода в фольговых пробах (вместо традиционного химического анализа) и способ микроисследования для количественных оценок поверхностного содержания углерода в цементованных изделиях (с целью повышения оперативности и снижения трудоёмкости контроля качества цементации);

1.4.2. Впервые научно обоснован выбор способов и режимов закалки цементуемой легированной (типа Сг-М-Мо) стали, обеспечивающих повышенную долговечность тяжелонагруженных деталей, по результатам уточнения автором ряда закономерностей: 0Г

—влияния скорости закалочного охлаждения (в интервале 15 до

150°С/с) на микроструктуру и механические свойства стали - Сто.г! Ц>, НРС, микротвёрдость Н\/. Комплексным изучением микроструктуры и микротвёрдости установлено, что при скорости охлаждении более 80°С/с формируется микроструктура малоуглеродистого мартенсита (Н\/ 460),в которой отсутствуют чёткие границы между отдельными кристаллитами. Снижение скорости до 40°С/с обусловливает образование, наряду с мартенситом, зёрен феррита и участков троостита (Н\/ 400). Дальнейшее снижение скорости (до 15°С/с) приводит к доминированию в микроструктуре перлитной составляющей (НУ 300), что следует рассматривать как микроструктурный признак

существенного снижения прочности (Сть менее 500 МПа) сердцевины це-

ментуемой стали. Характерно также, что повышение прочности, вызванное возрастанием скорости охлаждения, не сопровождается существенным

снижением пластичности (V}/);

—влияния насыщения углеродом (до 1,4%) и температурно-временного режима нагрева (температура 780-920°С, продолжительность нагрева от 40 до 400 минут) на восприимчивость к закалке, характеризуемой критической скоростью (Укр) для стали различных марок (20ХН2М, 25ХГМ, 18Х2Н4ВА, 20ХГР, 25ХНМ ЗОХМ, 20Х, А12). Теоретическим анализом впервые установлены, что температура нагрева, используемого при торцевой закалке, не влияет на распределение скорости охлаждения по длине образца. Это даёт основание в экспериментах с использованием торцевой закалки, исключить данный фактор, как влияющий критическую скорость. Экспериментально показано, что в закалке после продолжительного высокотемпературного нагрева (применяемого для науглероживания) \/кр стали значительно ниже, чем в закалке с кратковременным нагревом (при повторной закалке). Подстуживание, используемое в практике непосредственной закалки, не влияет на \/кр, тогда как повышение температуры при повторном нагреве (до 900°С) приводит к заметному её снижению. Насыщение 0,9-1,0% следует считать наиболее благоприятным, с точки зрения обеспечения требуемой поверхностной твёрдости. (Влияние остаточного аустенита на твёрдость при насыщении до 1,0% заметно проявляется лишь на стали марки 18Х2Н4ВА);

—влияния насыщения углеродом (до 1,4%) и закалочной температуры глубинного индукционного нагрева (820-980°С, продолжительность 40 секунд) на структуру цементуемой стали (действительное зерно аустенита, количество остаточного аустенита, содержание углерода в мартенсите и его микротвёрдость) и твёрдость (НЯС). Обнаружено, что полная закалка сердцевины цементуемой стали происходит после нагрева до 870°С, при которой в зонах с насыщением более 1,0% сохраняется "цементитная сетка. В зоне с насыщением 1,2% последняя сохраняется до температуры 950°С. Выявлено, что степень науглероживания практически не влияет на размер действительных зёрен аустенита, существенный рост которых начинается с температуры 980°С. Характерно, что, как показал рентгеноструктурный анализ, именно при этой температуре завершается растворение углерода в аустените. Измерениями микротвёрдости установлено, что в данном (сравнительно кратковременном) нагреве не происходит полной гомогенизации аустенита в стали с содержанием углерода до 0,35-0,45%. Однородная микротвёрдость характерна только для зон с концентрацией углерода более 0,6-0,7%, что свидетельствует о завершении гомогенизации аустенита. Снижение твёрдости (Н!ЧС) по мере повышения температуры нагрева связано с влиянием остаточного аустенита. Обнаружено, что при закалке цементуемой стали образуется большее количество остаточного аустенита^ чем при закалке обычной стали.

1.4.3. Уточнены закономерности совокупного влияния температуры глубинного индукционного нагрева под закалку (в интервале 900-1080 X?) на величину аустенитного зерна, микроструктуру и вязкость (при тем-пературах+20 + -60 °С) малоуглеродистой нелегированной и БьМп - стали, что позволило автору научно обосновать выбор режимов закалки стали, применяемой для штампосварных автомобильных деталей. При этом установлено, что перегрев, вызывая заметный рост аустенитного зерна (средние поперечные размеры зерен вырастают с 7,8 до 20 мкм), не снижает уровень её вязкости и, следовательно, является допустимым в данной технологии.

1.4.4. На основании научного обобщения производственного опыта автор сформулировал совокупность условий (характер и уровень упрочнения, обеспечение одинаковой долговечности сопряжённых в работе деталей), обязательную при использовании индукционной термической обработки тяжелонагруженных автомобильных деталей, вместо дорогостоящей цементации. При этом:

—из анализа экспериментально установленных зависимостей между зн