автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка и внедрение микролегированных сталей для высоконагруженных рабочих органов сельскохозяйственных машин

I I и V п

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

БЫКОВСКИХ Сергей Вадимович

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН

Специальность 05.16.01 — «Металловедение и термическая обработка металлов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ДОНЕЦК 1993

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Технология конструкционных материалов» Донецкого государственного технического университета.

Научный консультант — старший научный сотрудник, кадидат технических наук Ярошевская Е, С.

Официальные оппоненты: профессор, доктор технических наук Алимов В. И.; кандидат технических наук Маняк Л. К.

Ведущее предприятие — НПО «Лан» (г. Кировоград).

Защита состоится «... 1993 года в /^г.. час.

в аудитории 353 пятого корпуса на заседании специализированного совета Д 068.20.01 в Донецком государственном техническом университете (340000, г. Донецк, ул. Артема, 58).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донецкого государственного технического университета.

Автореферат разослан 1993 года.

Ученый секретарь специализированного совета Д 068.20.01, доктор технических I А

наук, профессор ,!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. Эффективность сельскохозяйственного производства, в значительной мере зависит от технического уровня и долговечности машин,, одним из определяющих факторов которых является износостойкость и надежность их рабочих органов. Особую актуальность эти характеристики приобретают при создании новых машин для прогрессивных, технологий обработки почвы. Конструкционные стали, применяемые в сельхозмашиностроении, не обладают, достаточно высоким комплексом механических, свойств, а применение дорогостоящих и трудоемких технологий упрочнения нецелесообразно, так Как использование такой техники резко повышает стоимость машин, а, значит, и сельхозпродукции. .

Одним из перспективных направлений решения этой проблемы является разработка й использование для изготовления рабочих органов экономнолегированных сталей, обладающих заданным комплексом служебных характеристик.

. При промышленном производстве этих сталей существуют технологические. трудности: . низков усвоение добавок, затягивание струи и изменение химического- состава в течение разливки, - для устранения ■которых необходимо совершенствовать технологию микролегирования.

• Настоящая диссертационная работа направлена на решение задачи повышения долговечности и надежности рабочих органов, применяющихся как для вновь создаваемых машин и воспроизводимых по зарубежным лицензиям, • так и для серийных машин, эксплуатируемых в сложных поч-венно-климатических условиях с высокими ударными нагрузками.

Цель работа.- Целью'настоящей диссертационной работы являлся выбор оптимального режима экономного легирования стали, ее термической обработки и.промышленное внедрение разработанных сталей, обладающих повышенным комплексом олужебных характеристик.

Научная новизна. Экспериментально установлена зависимость изменения структуры и свойств марганцовистой стали с содержанием углерода 0,3-0,7%, марганца 0,7-1,3® от концентрации титана в количестве до 0,18% и боря до. 0,01%. .Установлен интервал концентраций микродобавок, ггозволящпИ получить гарантированно высокий комплекс механических о?.-Яств. Ночязпио, что сонмеотпое влияние титана в ко-личрсп»? п.сб-о,Ш и гиря в етмичпстп» 0,0017-0,0045* ппиЦолч«» эф-

фективно после закалки и отпуска при 350-425°С, после которо достигается наибольшее диспергирование структуры и проявляется Ос лее вязкий характер излома для микродвгированных сталей в сравнение с базовыми сталями с содержанием углерода около 0,65%. Уточнен механизм влияния титана и бора на структурные превращения в стали при закалке и отпуске. Обнаружено измельчение субзеренной структуры, повышение микроискажений кристаллической решетки и плотности дислокаций, что способствует повышению комплекса механических свойств. Показано, что износостойкость и ударная вязкость в значительной степени определяется морфологией карбонитридной фазы - равномерным распределением частиц при их оптимальных размерах, составляющих 1-Ю г.!:.'!.1. Разработаны составы сталей для высоконагруженных рабочих органов культиваторов (а.с. Я 1629348, положительное решение по заявке № 5012805/02). На основании физического моделирования с уст-, ройством для автоматического дозирования подачи лигатуры в -зависимости от режима разливки (а.с. $ 1276608) разработана элективная технология получения микролегированных сталей, содержащих химически активные ингредиенты,-состоящая в подаче лигатуры в центровую с защитой струи разливаемого металла от вторичного окисления. . :Для реализации предлагаемой технологии в промышленности- разработано .устройство (а.с. Л 1787681) . Произведена количественная, оценка влияния эффекта модифицирования на параметры карбонитридной фазы и фазовый состав в зависимости от технологического способа получения.стали, этапов передела и окончательной термической'обработки. Показана существенная роль способа мйкролегирования стали В повыше'шш комплекса свойств. '..'"'.

Практическая ценность. Разработаны составы двух экон'омнолеги-рованных сталей. Применение первой стали,.;произведенной с использо- • ванием технологии-позднего модифицирования с защитой струи разливаемого металла от вторичого окисления, по результатам полевых испытаний позволило повысить надежность рабочих органов в сравнении с выпускаемыми по серийной Технологии в 2-3 раза. Для ножей фрезерных• и лап чизельных культиваторов, изготавливаемых-с наплавкой лезвия твердым сплавом, применение рекомендуемой стали .дало возможность снять операцию наплавки при одновременном повышений эксплуатационных свойств. Сталь позволила внедрить в производство новые машины для прогрессивных технологий обработки почвы, не имеющие отечественных аналогов, где применение известных сталей не обеспечивало'

заданного качества выполнения технологического процесса и эксплуатационного ресурса машин. Реализована возможность зэмены масляной закалочной среда- на воду за счет применения второй экономнолегиро-ванной.стали с пониженным содержанием углерода при сохранении потребительских. свойств деталей. Технология позднего модифицирования, примененная для производства экономнолегированных сталей, содержащих химически активные микродобавки, способствовала снижению расхода ферросплавов в 2,0-2,7 раза за счет увеличения степени усвоения й позволила получить повышенный комплекс механических свойств однородного по составу металла.

Реализация результатов работы в промышленности. Разработаны технические, условия на поставку листового и полосового проката из экономнолегированных сталей для•сельскохозяйственного машиностроения. Заводы поставщики: Алчезский металлургический комбинат (ТУ 14-229-I-9I), Макеевский металлургический комбинат (ТУ 14-231-44-91), Донецкий металлургический-завод (ТУ 14-234-77-92).

Внедрение стали 65ГТР в производство культиваторов позволило получить в.1989-1990 гг. суммарный экономический эффект 926994 руб. Экономический эффект от внедрения технологии позднего модифицирования с защитой струи ¡-заливаемого металла от вторичного окисления составит в условиях ДОЗ I39I62I0 руб. (в ценах на I.07.92 г.).

Апробация работа. Материалы диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях и семинарах: П Всесоюзная конференция учёных, инженеров и рабочих по экономии материальных и энергетических ресурсов ( Донецк, 1989), "Новые конструкционные стали и сплава и метода их обработки для повышения надежности и долговечности изделий" • (Запорожье, 1989), . "Эффективность производства и применения новых модификаторов, раскислйтелей и лигатур в металлургии и машиностроении" (Челябинск, 1988), "Повышение качества металлопроката путем термической и термомеханической обработки" ( Днепропетровск, 1980), "Совершенствование металлургической технологии в машиностроении" ( 1-П Всесою?нне конференции, Волгоград, 1989, I99.I), "Молодежь и научнотехничесхий прогресс" (Липецк, 1990). "Процессы разливки, модифицирования и кристаллизации стали и сплавов" (Волгоград, 1990), "Применение методов матоматичзекого моделирования г- nayuiug исплвловвииях" (Донецк, 199СП, "Технологические

методы повышения эффективности и качества механосборочного производства" (Домбай, 1992).

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 18 печатных трудах, в том числе 4 авторских свидетельствах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы из 195 наименований, 9 приложений; работа изложена на 113 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 13 таблиц.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Проблема повышения долговечности рабочих органов сельхозмашин 'заставила отечествзнное и зарубежное машиностроение накопить довольно обширный опыт применения различных материалов для сельскохозяйственного производства. В качестве основного материала для изго-товлзния лап культиваторов применяется сталь 65Г. Из аналогичной стали изготавливаются культиваторные лапы в Канаде ( 0-0,77%, Мп-0,862, 51-0,8%). В большинстве европейских стран применяют кремнистые и кремниймарганцовистые стали с содержанием С- 0,2-0,5%, Б1 до 1,5%, Ып до 1,5%.

Данные о влиянии содержания химических элементов на показатели свойств и зависимости эксдлуатационных характеристик рабочих органов сельскохозяйственных машин от механических свойств неоднозначны и противоречивы. С целью выбора оптимального состава материала для рабочих органов проанализировано влияние основных легирующих элементов на свойства' полосового проката конструкционных сталей, поставляемых ПО ГОСТ 19281-89, 4543-79, 1050-74, 14959-79, в широких пределах изменения концентраций элементов: 0=0,08-0,75%, Мп= 0,4-2,0%, 81=0,12-2,0%, Б- до 0,05%, Р- до'0,05%; Результаты статистической обработки и проведенной оптимизации, приведенные на рис.1 и в табл.1 на примере ГОСТ 4543-79 и 14959-79, . показывают, что изменение содержания элементов в исследуемых интервалах концентраций и в запредельных содержаниях не приводит к существенному повышению механических свойств и стали не могут обеспечить высокой надежности в работе рабочих органов. Вместе с тем ужесточение требований к граничным условиям по свойствам приводит к такому сшпке-

нию интервалов по содержанию легирующих элементов, которые технологически недопустимы.

В настоящее время накоплен опыт воздействия на •структуру и свойства сталей введением микродобавок сильных карбидо- и нитридо-образущих элементов, в частности, титана и бора. При этом в литературе имеются многочисленные и противоречивые сведения о рациональных пределах содержания микродобавок и- соотношений как между ниш, так и между количествами микролегирующих и легирующих компонентов.

%Пп 1.8

Г

0,7

/г л

тт

О

%Нг 1,8

0,2

0,4

0,6%С 0,2

С, 63®

0,9

бьмм3 ' Г (80-

--

— Иоо-

/ЛЯП—

1 %Мп

0,02 0,04^ 0,6 0,7^

б

0,6 .

Рис Л. Влияние легирующих элементов на изменение механических свойств выборки промышленных плавок: а - по ГОСТ «543-79 (закалка й отпуск при 600°0); б - по гост 14959-79 (закалка и отпуск при 470°С).

Влияние титана как микролегирующей добавки связано с большим сродством к азоту, измельчением зерна, снижением склонности к образованию камяевидного излома и к деформационному старению. Дисперсные включения, выделяющиеся в твердой стали, являются барьерами, тормозящими рост зерна, и способствующий упрочнению.

Таблица I

Результаты оптимизации выборки промышленных плавок*

оп °т

С МП S1 S р Н/мм2 Н/мм2 б,Ж ФЛ

ГОСТ 14959-79 (сталь 65Г)

ш;

I —

0,80 0,60 1,40 0,80 0,60 0,15 0,035 0,010 0,035 0,010 »1000 >800 >6 >14 <300

0,70 1,20 0,37 0,035 0,035 1438 1169 18,3 . 52,8 299

п. Г? 0,90 0,17 0,010 0,010 1083 1044 6,1 14,9 244

0,80 0,60 1,40 0,90 0,60 0,15 0,035 0,010 0,035 0,010 >1000 >800 >6 >30 <285

0,66 1,20 0,37 0,035 0,035 1261 1106 18,3 . 47,9 ■285

0,63 0,90 0,17 0,010 0,010 1128 1059 6,1 33,6 260

ГОСТ.4543-79

0,60 0,40 1,8а 0,60 0,60 0,17 0,040 0,010 0,040 0,010 >600 >400 >15 >40 -

0,54 1,00 0,37 0,040 0,040- 974 541 23,8 51,5

0,47 0,70 0,17 0,020 0,020 661 425 19,1 44,7

0,60 0,40 1,80 0,70 0,60 0.15 0,040 0,015 0,040 0,015 >700 >450 >15 >40 -

0,58 1,00 0,37 0,035 0,035 1086 627 21,7 52,4

0,50 0,70 0,17 0,015 0,015 . 725 . 459 17,3 45,4

ш ---- ----

в числителе приведены максимальные значения содержания элементов, в знаменателе - минимальные; I,- исходные данные'-для расчета;'

П - результаты оптимизации промышленной выборки плавок; Ш - исходные данные данные для расчета при повышенных

требованиях к механическим свойством; ■ .

IV - результаты оптимизации при исходных условиях Ш.

Влияние Сора на свойства сталей существенно и обусловлено малыми размерами атомов, а также его сильным китридообразующим действием. Горофильность бора способствует снижению "дефектности'' границ и повышению устойчивости переохлажденного аустенита. Этим бор компенсирует снижение прокаливаемости, являющееся следствием измельчения зерна при введении титана. Бор также способствует диспергированию структуры мартенсита путем воздействия на перераспределение углерода и, следовательно, на измельчение структуры отпуска.

Титан и бор являются химически активными элементами с высоким сродством к кислороду, азоту и углероду и при сталеплавильном производстве имеют высокий угар и обуславливают нестабильные свойства сталей даже в узких пределах концентраций микродобавок. Существующие способы ввода микродобавок или не обеспечивают высокого усвоения и равномерного распределения элементов в объеме металла, или требуют громоздкого оборудования, применение которого снижает технологичность процесса.

Таким образом, в работе решаются следующие основные задачи:

- разработка состава экономнолегарованной стали и оптимизация режимов термической обработки для повышения комплекса.механических свойств и обеспечения- максимальной надежности рабочих органов сельхозмашин;

- разработка состава и оптимизация режимов термической обработки ста,пи с пониженным содержанием углерода, но уступающей по комплексу свойств высокоуглеродистым марганцовистым сгалям и закаливаемой в воде с целью улучшения экологической обстановки и повышения технологичности производства;

- разрабоФка эффективной технологии производства мюсролегиро-ваннвх сталей, позволяющий снизить расход лигатуры ¿1 повысить качество продукции.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИИ -

Исследование влияния шкрслегирования нэ структуру, свойства и характер разрешения маргэнцовиптпх старей проводил?! на стглях лабораторной (30 составов) и промышленной (12 состава?) втшшни. Химический состав опытных стилей, определялся ча квантсмэгрэ М0В1Н ууон .п; з.?".

Выплавку сталей лабораторных плавок проводили в открытой индукционной печи с магнезитовой футеровкой и разливали порционно. Слитки массой 25 кг, которые проковывали и затем прокатывали в клети лабораторного стана 30Q.

Промышленную выплавку опытных сталей проводили в мартеновских цехах Макеевского и Алчевского металлургических комбинатов и Донецкого металлургического завода. При производстве микролегированной стали производили отработку технологии ввода лигатуры с целью получения максимального усвоения химически активных добавок - титана и бора следующими способами: •

1. Ферротитана и ферробора в ковш емкостью 300 т при выпуске плябчи после подачи раскислителей. Металл второго ковша использовали как оазовый для сравнительных исследований.

2. Ферротитана и ферробора при разливке сверху в глуходонные изложницы порциями под струю металла при заполнении от 1/4 до 2/3 высоты .слитка.

3. Ферротитана и ферробора фракцией 2-10 мм при сифонной разливке под теплоизолирующими смесями в центровую под струю металла при заполнении о'т 1/4 до. 3/ 4 уровня слитка с защитой струи от вторичного окисления.

Опытные слитки прокатывали на полосу сечением 40x6, 40x5, 60х 16, 100x16, 65x16 мм и лист толщиной 4-6 мм, которые использовали для изготовления рабочих органов сельхозмашин.

Испытания на износостойкость проводили, по ГОСТ 23.208-79 с использованием в качестве абразивного материала кварцевого песка фракцией 0,15-0,5 мм при 1800 оборотах ролика с усилием на образце 44,1 Н. Эталон - сталь 45 в отожженном состоянии.

Неметаллические включения• и микроструктуру изучали на микрошлифах на оптическом микроскопе "Neophot-2I". Неметаллические включения изучали точечным методом по полям . зрения при увеличении хЮОО, при этом оценивали суммарную площадь шлифа не менее I мм!

Изломы изучали на растровом электронном микроскопе "Т-20" фирмы "JE0L", тонкую структуру - на просвечивающем . микроскопе "JEOb 100 СХ", распределение элементов - на Оке-спектрометре фирмы "JE0L" -Jamo IOS".

Тонкую структуру изучали методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре "Дрон-3"*.

При математической обработке реализована матрица планирования • эксперимента, учитывающая изменение содержания■элементов в следую-

щих пределах: Т1=0,002-0,18%, В=0,0005-0,01%, 0=0,3-0,7%. Температура отпуска изменялась на 5 уровнях.

- ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ЛАБОРАТОРНОЙ ВЫПЛАВКИ

Влияние содержания легирующих и микролэгирующих элементов на структуру и свойства марганцовистых конструкционных сталей рассматривали, разделив опытные стали реализованной матрицы планирования по содержанию углерода на три группы: 0,62-0,68%С (I группа), 0,5-0,.56ЖС (П группа), 0,31-0,38%С ( Ш группа).

Установлено, что с изменением содержания титана в пределах 0,05- 0,11% и Сора в пределах 0,0017-0,0045% в сталях происходит существенное измельчение структуры после закалки и отпуска при 350-425°С для сталей 1-П групп и отпуска при 300-350°С для сталей Ш группы, что соответствует получению оптимального комплекса свойств сталей после такой термообработки. Это объясняется воздействием нескольких факторов.

Гитан способствует измельчению зеренной структуры и образованию карбонитридных включе:1ий, размеры и распределение которых в значительной степенг обуславливает комплекс механических свойств. При содержании титана в стали 0,01% наибольший процент составляют мелкие до I мкм включения, наличие которых приводит к увеличению ударной вязкости и не изменяет прочностных свойств. С увеличением концентрации титана в интервале 0,06-0,11% возрастает количество включений размерами 1-10 мкм, способствующих получению оптимальной совокупности прочностннх, вязких свойств и износостойкости. При увеличении титана до 0,1655 увеличивается деля площади, занимаемая крупными (>20 мкм) карбонитридами, границы раздела которых с матрицей являются очагами зарождения трещин при разрушении. Таким образом, фактором воздействия на карбонитридную фазу, а также связанную с количеством титана концентрацию углерода в матрице, которая снижается при высоком проценте титана> объясняется экстремальность зависимости показателей механических свойств от содержания титана (рис. 2).

В структуре излома влияние титана проявляется на этапе роста свойств в увеличении доли вязкой составляющей, а затем, в начальной стадии проявления эффекта избыточного легирования, в появлении в изломе- крупных карбонитридов и мостами связанного с этим транскрис-

О О,ООЗО,ООб%0 б

Рис.2. Расчетные зависимости механических свойств: а - от содержания титана в сталях 1-П групп, б - от содержания бора в сталях 1-П групп, в - от содержания титана в сталях Ш группы.

таллитного излома.Сопротивление износу опытных сталей также коррелирует с морфологией карбонитридной фазы, так как при реализуемых условиях изнашивания превалирует гюлидеформационный механизм, в ко-то'ром мелкие и средние карбонитрида оказывают "барьерное" воздействие так же, как зеренные и мекфазные границы дисперсной структура

Титан, увеличивая протяженность границ, реализует возможность повышения эффективного содержания 'бора, который воздействует в большей стеиэки на металлическую матрицу. Бор,, концентрируясь в граничных зонах зерен и субструктуры, вытесняет углерод в центральные участки пустанитшх серон, гда он способствует диспергированию иознккающрй структуры мартенсита за счет увеличения числа локальных

участков с пониженной-концентрацией углерода и, следовательно, повышения вероятности одновременного возникновения кристаллов мартенсита во многих участках. Последующее перераспределение атомов углерода, образование сегрегации углерода на дислокациях и мругие процессы, протекающие при отпуске, происходят на фоне более дисперсной структуры и субструктуры мартенсита. Кроме того, если локальная концентрация бора невелика, то релаксация упругих напряжений осуществляется путем перестройки Дислокационной структуры с образованием сетки субструктурных границ. С увеличением содержания бора, то есть возрастанием степени пересыщения и объемных •эффектов при фазовой перекристаллизации, энергетически выгодным становится формирование мелкозернистой структуры - с высокоразвитой поверхностью и высокой плотностью дислокаций в тело зерен. Перераспределение бора в аустените при аустенитизации вызывает рост упругих напряжений, релаксация которых сопровождается возникновением большого количества хаотично расположенных дислокаций в теле блоков. В свою очередь это способствует увеличению, числа центров зарождения цементита и образованию большого количества частиц цементитной фазы. Дисперсные выделения, закрепляющие отдельные дислокация и малоугловые границы, тормозят развитие . процессов полигонизации ферритной матрицы и обеспечивают высокую стабильность сформировавшейся структуры.

Изложенная гипотеза является обобщением объяснений аналогичных результатов, полученных при исследовании среднеуглеродистых Сорсо-держащих. сталей Л.М.Пятаковой и Е.М.Гринбергом с сотрудниками, и подтверждается результатами проведенного металлографического и рен-геноструктурного анализа. Установлено, что после отпуска при ЗБО^С в образцах стали 65Г величина микроискажений составляет. 21,4x10"а в образцах стали 65ГГР-31,0хЮ~4. Средний размер субз§рен в базовой стали составляет 5,2 мкм, в микролегированной стали - 1,8 мкм. Косвенно о более высоком уровне напряжений внутризеренных объемов свидетельствует увеличение количества и уменьшение. размеров "вторичных" трещин в изломах микролегированных сталей, несмотря на их более вязкий характер. После отпуска при 500°С различие в величина микроискажений несколько сглаживается:' для стали 65Г - 6,0x10"4, для стали 6ЕГТР - 6,БхЮ~4,- что связано с развитием полигонизации, выделением устойчивых карбидов и объясняет тенденции в изменении структуры и комплекса механических свойств.

Горофильность бора подтверждена исследованиями изломов методом Оже-спектроскошш, в которых уже в литом состоянии на границе зерна

в стали 65ГТР обнаружена сегрегация бора: 92,1% В; 3,7% Ре, 4,0% Мп (здесь и далее % ат.).

Бор обнаружен также в сложном по составу карбонитриде (подложка карбонитрида: 0,9Х Б, 12,0% Мп, 3,1% В, 1,356 N. 14,1% 0, 68,4% Ре; наружная часть карбонитрида: 2,3% 3, 0,8% Р, 28,4% 0, 7,1% N. 6,0% Т1, 9,7% 0, 45,3%Ре; сегрегация элементов на поверхности включения: 1,7% Р, 0,7% Б, 0,6% N. 34,4% С, 9,3% Т1, 4,2% 0, 38,7% Ре).

Результаты проведенных исследований явились .основанием для установления пределов содержания микролегирующих Добавок в конструкционных марганцовистых сталях (0,05-0,П%Т1, 0,0017-0,0045%В), обеспечивающих достижение высокого комплекса механических свойств.

ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СТАЛЕЙ ОПТИМИЗИРОВАННОГО СОСТАВА

При промышленном освоении микролегированных сталей решалась задача разработки эффективной технологии ее производства.

Наиболее распространенным способом микролегирования стали является введение лигатуры в ковш. Однако, он имеет ряд недостатков: низкое усвоение добавок (30-50%), затягивание струи ( снижение скорости разлгЕКи) и изменение химического состава стали в течение разливки; Данные по степени усвоения титана и бора в опытных плавках при различных способах ввода приведены в табл. 2.

Отмеченные недостатки устраняются за счет применения технологии позднего модифицирования, особенностью которой является то, что лигатура подается непосредственно перед началом кристаллизации. На физической модели 100-т ковша с использованием устройства для автоматического дозирования (а.с.Л 1276608) отрабатывалась технологические параметры процесса, позволяющие получить равномерное распределение микролегирующих элементов между изложницами. Результаты эксперимента использованы при разработке устройства для осуществления процесса позднего модифицирования в промышленных условиях (а.с. И 1787681). " ' .

Благодаря тому, что устройство снабжено регулировочным клапаном, обеспечивается-взаимосвязь между степенью открытия разливочного канала затвора и массовым расходом истекающей из разливочного ковша стали. Тем самым достигается автоматическая регулировка подачи -сыпучих реагентов по ходу разливки, что способствует равномерному усвоению вводимых лигатур. Запуск и остановка дозатора устройст-

Таблица 2

Показатели усвоения микродобавок в опытных Плавках

состава Способ ввода Легирующие компоненты Расход ферросплавов, кг/т Остаточное содержание микродобавок в готовой стали Степень усвоения, %

22 I ФТи-30 А 4,30 0,0590 40,5

ФБ-1 0,28 0,0032 54,0

23 2 ФТи-30 А 4,00 0,0930 77,5

ФБ-1 0,14 0,0020 82,1

24 2 ФТи-30 А 1,26 0,0260 68,6

ФБ-1 0,14 0,0017 70,1

25 2 ФТи-30 А 2,61 0,0560 . 71,4

ФБ-1 0,13 0,0017 ' 73,3

26 2 отходы Т1 0,91 0}0083 75,2

ФБ-1 0,13 0,0013 74,0

27 2 ФТи-30 А 3,69 0,0860 68,5

ФБ-6 0,14 0,0031 69,7

28 2 отходы Т1 0,82 0,0650 79,7

ФБ-1 ' 0,21 . 0,0032 80,6

29 2 отходы Т1 0,56 0,0450 80,8

ФБ-1 0,12 0,0015 82,8

30 3 ФТи-30 А 2,80 0,0840 93,8

ФБ-1 0,13 0,0021 92,8

31 I ФТи-30 А 5,71 ' 0,0300 17,5

ФБ-1 0,32 0,0023 . 41,1

32 3 ФТи-30 А 1,98 0,0560 94,1

ФБ-1 0,12 0,0020 ■ 92,9 .

ва происходит, автоматически при открытии и закрытии шиберного затвора, при этом азот, используемый в1качестве энергоносителя для пневмопривода дозатора, способствует устойчивому перемещению частиц ферросплава' по гибкому трубопроводу и одновременно с этим осуществляет защиту открытого участка струи металла от вторичного окисления .

Промышленным экспериментом установлено, что эксплуатация устройства обеспечивает получение равномерного по химическому составу

металла, распределение наиболее ликвирумцих элементов в котором подчиняется общим закономерностям (рис. 3).

Неравномерность распределения вводимых микродобавок на образцах, отобранных от готового проката, не превышает 0,02% для титана и 0,002% для Сора, что допускается техническими условиями на поставку.

Рис.3. Ликвация элементов в слитке массой 5,5 т микролегированной конструкционной стали вБГ, полученной при вводе лигатуры в центровую (на координатных осях отложены: уровень отбора темплета по длине раската X, расстояние от центра до края заготовки и отклонение содержания элементов от среднего значения в относительных единицах; пунктирной линией показаны зоны, содержание титана и серы в которых.ниже среднего значения).

• Исследование механических свойств ■микрслегировэннкх сталей, полученных тремя исследованными способами, показывает, что способ получения оказывает значительное влияние на уровень превышения их свойств над сталью 65Г. Особенно существенно различие в ударной вязкости, которая определяется размеряли и распределением карбонит-ридной фазы. После закалки и отпуска при 425°С ударная вязкость стали, попучеиюй по способу I [февышаут ударную ьнзкссть стали 65Г

на 20% (доля площади %S, занимаемая крупными >20мкм включениями составляет 92%), а ударная вязкость стали, полученной по способу п-на 91Ж (%S=67%), по способу Ш- В'2,25 раза (%S=36%). ,

Полевые испытания рабочих органов культиваторов, изготовленных из высокоуглеродистой микролегированной стали, показывают, что применение стали разработанного состава позволило повысить надежность лап чизельных культиваторов на 80%, рыхлительных лап с уменьшенной на' 20% толщиной на 25% в сравнении с серийными. Получение высокого комплекса свойств у микролегированной стали позволило внедрить в производство ножи фрезерных машин, сняв при этом операцию наплавки и повысив надежность в 2,8 раза (ГФ-2,8) И в 6 раз (КВС-3).

Из экономнолегированной стали с пониженным содержанием углерода изготавливали стрельчатые лапы культиваторов, которые при п&ле-вых испытаниях превысили по надежности серийные из стали 65Г на 30%. ' •

Таким образом, эксплуатационные испытания . рабочих- органов сельхозмашин различного назначения) изготовленные из сталей разработанных составов, показали повышенную надежность и целесообразность -замены применяемых марок сталей на предлагаемые экономнолеги-рованные. Экономический эффект от замены на ПО "Красный Аксай" и Гуляйпольском ОЭЗСХМ составил в 1989-1990 г.г. 926994 руб. При внедрении предлагаемой технологии позднего модифицирования в условиях ДМЗ экономический эффект составит-13916210 руб. (в ценах на 1.07.92 г.) ' -

ОБЩИЕ"ВЫВОДЫ"

. I. Показано, что серийно выпускаемые конструкционные стали, применяемые для изготовления де.талей и узлов культиваторов, имеют нестабильные показатели механических свойств и в пределах установленных концентраций элементов не. могут обеспечить высокой надежности в их работе. Требуемого устойчивого результата" невозможно достичь варьированием содержания традиционных.легирующих элементов незначительно повышающих стоимость металла и ужесточения требований По технологическим параметрам выплавки сталей.

2. Установлено влияние содержания титана до 0,18% И бора до 0,01% мае. на структуру и механические свойства марганцовистых сталей с содержанием углерода 0,30-0,70%. Показано, что существуют интервалы концентраций титана и бора, при которых стали обладают по-

вишенным комплексом механических свойств. Полученные данные позволили рекомендовать сталь с 0,05-0,11% Т1 и 0,0017-0,0045% В для изготовления рабочих органов высокой надежности для почвообрабатывающих машин различных типов.

3. Дана количественная оценка влияния титана, на морфологию карбонитридной фазы, распределение легирующих элементов в фазовых и структурных составляющих, фазовый состав марганцовистых сталей. и установлено влияние этих показателей на износостойкость и механические свойства сталей. Показано, что введение микродобавок титана и бора способствует диспергированию структуры, образованию благоприятно .расположенной в структуре Карбонитридной фазы, а также повышению микроискажений кристаллической решетки и плотности дислокаций, очищению зеренных и субзеренных границ и перераспределений элементов в стали. • .

4. Повышение содержания титана и бора выше указанных концентраций нецелесообразно, т.к. вызывает образование крупных карбонит-ридов, располагающихся в изломе вблизи источников разрушения и снижающих сопротивление материала воздействию нагрузок.

5. Разработаны новые экономнолегированные стали для изготовления рабочих органор почвообрабатывающих машин (а.с.№ 1629348, положительное решение по заявке £ '5012805/02), внедренные в производство рабочих органов культиваторов различного назначения.

6. Наиболее эффективным способом производства микролегированных сталей является разработанная на основании модельного эксперимента с автоматической подачей лигатуры в зависимости от режима разливки (а.с. X 1276608), технология позднего модифицирования, включающая ввод лигатуры в центровую с защитой струи металла от вторичного окисления и обеспеченная применением устройства а.с. '* 1787681. Исследованиями качественных показателей процесса позднего модифицирования установлено, что степень усвоения титана повышается до 94,1%, бора до 92,9%, а неравномерность распределения микродобавок в ' объеме металла не превышает .неравномерности распределения наиболее сильно лкквирукдах элементов, -в частности серы.

7. В ходе промышленного освоения производства микролегированных сталей установлено, что стали, полученные с применением разработанной технологии обладают повышенными механическими свойствами, особенно ударной вязкостью, так как позднее модифицирование положительно влияет на размеры к распределение карбо"итридной фазы и

струйных составляющих.

8. Разработаны и внедрены технические условия на производство и поставку микролегированных сталей для сельхозмашиностроения в виде различных прокатных профилей (ТУ 14-234-77-92, ТУ 14-231-54-91, ТУ I4-229-1-91).

■ 9. Фактический экономический эффект от внедрения разработанных сталей в производство рабочих органов культиваторов составил в 1989 - 1990 г.г. 926994 руб. за счет повышения надежности деталей, снижения количества запасных частей и совершенствования их изготовления. Применение технологии позднего модифицирования с защитой струи разливаемого металла от вторичного окисления позволит получить в условиях ДМЗ экономический эффект около 14 млн.руб.(в ценах на 1.07.92 г.) за счет экономии ферросплавов и снижения брака I передела.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих печатных трудах:

1. A.c. J6 1629348. Сталь/ Ярошевская Е.С., Еронько С.П., Быковских C.B. и др.- Опубл. 23.02.91. Бюл. Я 7.

2. A.c. Jf I78768I.'Устройство для выпуска металла из разливочного ковша / Еронько С.П., Ярошевская Е.С., Быковских C.B. и др.-Опубл. 15.01.93. Бюл. №2.

3. A.c. № 1276608. Устройство для управлением тормоза шахтной подъемной машины/ Е.С.Траубе, Б.И.Добрянский, С.В.Быковских и др. Опубл. 15.12.86. Бюл. № 46.

4. Ярошевская Е.С., Быковских C.B. Сталь// Положительное решение ПО заявке Л 5012805/02 от 25.II.91.

5. Ярошевская Е.С., Быковских C.B., Морозов В.Б., Дворядкин

B.Б. Повышение степени усвоения титана и бора при микролегировании стали// Сталь.- 1992, № 8.- С.26-29.

6. О причинах образования трещин при горячей пластической деформации марганцовистой стали/ Е.С.Ярошевская, В.И.Гребенников,

C.В.Быковских и др.// Рукопись деп. в Чермеишформации, 1989, Ji 2Д/ 4982.- Юс..

7. Еронько С.П., Ярошевская Е.С., Быковских C.B. Комплексная технология повышения качества стали// Информационный листок JHI-93.- Донецк, ДонИнформ.

8. Ярошевская Е.С., Гребенников B.C., Морозов В.Б., Быковских C.B. Эффективность применения титансодержащих добавок для микроле-

гирования марганцовистой стали// Эффективность производства и применения новых модификаторов, раскислителей и лигатур в металлургии и машиностроении; Сб.тез.докл.Всесоюзной н.-т.конф.- Челябинск: УД-НТП. 1988.- С.69.

9. Шшошанко В.Л., Ярошбвская Е.С.Гребенников.В.К., Быковских О.В. Износостойкая микролегированная сталь.для сельхозмашиностроения// Повышение качества металлопроката путем термической и термомеханичёской обработки: Сб.тез.докл.н.-т.конф.- . Днепропетровск: ИЧМ. 1988.- С.17-18.

IQ. Ярошевская Е.С., Быковских C.B. Снижение металлоемкости рабочих органов почвообрабатывающих машин иа счет повышения качества стали// Материалы П Всесоюзной конференции молодых учейых, инженеров и рабочих по экономии материальных и энергетических ресурсов.-Донецк: Донниичермет. 1989.- С.132-133.

11. Ярошевская E.G., Быковских C.B. Повышение долговечности рабочих органов Ьельхозмашкн за счет применения микролегированной стали// Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий: Тез.докл.Всесоюзной н.-Ф.конф. Запорожье, 1989.- C.7I. '

12. Ярошевская Е.С., Быковских C.B. Повышение комплекса свойств стали 65Г за' счет микролегирования// Совершенствование металлургической технологии в машиностроении: Тез.докл. I н.-т.конф.- Волгоград. 1989.- С.78-79.

13. Ярошевская É.C., Быковских C.B. Усвоение и распределение микродобавок титана и бора при поднем модифицировании марганцовистой стали// Тез.докл.н.-т.конф.- Молодежь, и научно-технический прогресс.-Липецк: ЛШ.1990.-С.88.

14. Ярошевская, Е.С., Быковских C.B. Отработка технологии позднего модифицирования тйтансодоржащей стали с целью высокого усвоения микродобавок// Процессы разливки, модифицирования и. кристаллизации стали и сплавов: Тез.докл.н.-т.конф.- Волгоград.- 1990.- С.91

15. Ярошевская Е.С., Быковских С.В, Планирование многофакторю» го эксперимента при решении задачи оптимизации состава и термообработки стали// Применение методов математического моделирования в научных исследованиях: Тез.докл.н.-т.конф.- Донецк, АН УССР., 1990.-С.17-18. .-"'

16. Ярошевская Е.С., Быковских О.В. Повышение надежности ножей фрезерных культиваторов за счет нримонония микролегировчнлой стали// Совершенствование металлургической технологЯв в -машрстрое-

ним: Сб. тез.докл.Второй Всесоюзной н.-т.конф.- Волгоград. 1991.-С.267-269.

17. Ярошевскм Е.С., Быковских C.B. Повышение долговечности быстроизнашивающихся деталей, за счет применения микролегированной стали// Технологические методы повышения эффективности и качества механосборочного производства: Сб.тез.докл.конф.- Домбай. 1992.-0.II-I2.

18. Пилюшенко B.JI., Ярошевская Е.С., Быковских C.B. О механизме износа рабочих органов культиваторов// Технологические методы повышения эффективности и качества механосборочного производства: Сб. тез.докл.конф.- Домбай. 1992.- C.IO-II.

Подо, в печать 19.10.93.Формат 60x84 I/I6.Бумага типографская.

Офсетная печать.Усл.пёч.л.1,25.Усл.кр.-отт.1,48.Уч.-иэд.л.] ,07.

Тираж 120 экз. Заказ № 4-6958.

Донецкий государственный технический университет, Донецк, ул.Артема, 58

ДШШ. 340050, Донецк,ул.Артема, 96