автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка конструкционного материала для кузовов карьерных самосвалов

АКАДЕМИЯ II А У К ССОР

Сибирское Отделение Якутский научный центр

Институт физико-технических проблем Севера

На правах рукописи

Мариев Павел Лукьяновпч

УДК 669.14.017

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ КУЗОВОВ КАРЬЕРНЫХ САМОСВАЛОВ

05.02.01 - Материаловедение в машиностроении

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме научного докладе

ЯКУТСК- 1990

/ . г ~ N. .)

Работа выполнена на Белорусском ордена Трудового Красного Знамени автомобильном заводе.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

- кандидат технических наук, с.н.с. Моисеенко В.И.

- член-корреспондент ЛН СССР, доктор технических наук, профессор Ур:гумцев Ю.С.

доктор технических наук Терентьев В.Ф.

Ведущая оргагшзпция: - Институт электросварки

им. Е.О.Иатона Л11 УССР

Защита состоится 1990 года в

часов на заседании Специализированного совета К 003.43.01 при Институте физико-технических проблем Севера ЯНЦ СО ЛН СССР по адресу: 667007, г. Якутск-7, Октябрьская, д.1,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физико-технических проблем Севера ЯИЦ СО ЛН СССР.

Автореферат разослан "

.1990 года

Од

Учений секретарь Специализированного Совета

к. т. н. Н.П.Болотина

. . Актуальность работы. Планами экономического и социального развития СССР на 1986-1990 гг. предусмотрено наращивать выпуск высокопроизводительных машин и оборудования, предназначенных для эксплуатации в Сибири, на Дальней Востоке и Крайнем Севере. В автомобильной промышленности это касается в первую очередь увеличения выпуска большегрузных карьерных самосвалов, в том числе грузоподъемностью 1100 и 1800 кН.

Анализ весовых характеристик различных систем карьерных самосвалов показывает, что кузов является одной из самых металлоемких сборочных единиц и достигает 30% собственного веса машин. На самосвалах грузоподъемностью более 1000 кН толщина днища кузова часто превышает 0,020м. Тем не мэнее автомобильные фирмы, как правило, не дают гарантий на кузов при работе с высокоабразивными породами и рекомендуют для самосвалов особо большой грузоподъемности усиление обшивки днищ. Убытки от недостаточной долговечности и надежности кузовов составляют десятки тысяч рублей в год на один автомобиль. Поэтому вопрос о повышении надежности и ресурса кузовов своевременен и актуален.

Цель работы. Разработка и практическое внедрение эконом-нолегированных кузовных сталей, обеспечивающих снижение металлоемкости и повышение ресурса кузовов карьерных самосвалов большой и особо большой грузоподъемности, предназначенных для работы в условиях низких температур Крайнего Севера.

Для достижения поставленной цели решались следующие ча-»

стнца задачи: I. Исследование закономерностей утраты работоспособности обшивки кузовов карьерных самосвалов. 2. Разработка и уточнение требований к механическим свойствам кузовных сталей. 3. Разработка ресурсосберегающих методов управления макролокализацией пластической деформации (МЛ ПД) для повышения сопротивления хрупкому разрушению, изгибу и износу эко-номнолегированных сталей. 4. Лабораторные и эксплуатационные исследования служебных свойств обычных и вновь разработанных сталей. 5. Разработка методики прогнозирования долговечности днищ кузовов.

Научная новизна. Установлены роль и причины неравно-прочности границ зерен в развитии ШШД, изгиба и охрупчнвания сталей. Впервые неравнопрочность границ современных конструкционных сталей связана с неравномерной концентрацией приме оной меди на границах зерен^ регулирующей в приграничных объемах зерен концентрацию основных аустенитообразующих элементов: А// , Мп , С - и склонность сталей к ШШД. Предложены ресурсосберегающие промышленные методы повышения гомогенизации прочности границ зерен и служебных свойств кузовных сталей на стадии кристаллизации и термообработки материала. Установлены неизвестные ранее закономерности износа обшивок кузовов карьерных самосвалов, учитывающие особенности ударно-абразивного изнашивания, переменную жесткость обшивки днища кузовов и ее сопротивление изгибу. Разработана и проверена методика определения ресурса и износа обшивки днищ.

Практическая ценность. Результаты исследований, выполненных автором, позволили разработать низколегированные кузовные стали: армированную квазиыонолитную (АКМ) сталь

4

09Г2СФ АИЛ и сталь 22 ПИТЮ АКМ (ТУ-14-1-3884-84), которые используются для изготовления днищ кузовов карьерных самоовалов взамен сложнолегированных качественных сталей. Использование АКМ сталей позволило снизить толщину обшивхси днищ на 15-20$ по сравнению с обычными низколегированными и на 10$ - ' с обычными сложиоде тированными. Разработана рациональная конструкция АКМ стали высокой прочности и режимы термообработки сталиЙГШТЮ АКМ.

Достоверность результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований свойств материалов, с использованием современных методов, а также результатами подконтрольной промышленной эксплуатации самосвалов. При проведении финно-механических исследований применялись; сканирующий электронный микроскоп СЭМ-615 с приставкой для микрорентгеноспе-ктрального анализа системы "Лина", оптические микроскопы, силовые цилиндры "Шенк", универсальная разрывная машина Р-б, ультразвуковой толщиномер и различные универсальныа метрологические средства.

Апробация шботы и публикации. Основные результаты работы докладывались; на научно-срактичесхой конференции "Повышение технического уровня и эффективности автомобильной техники большой и особо большой грузоподъемности" (Минск, 1986); на Всесоюзном с участием СЭВ симпозиуме по нормированию прочности (г.Владимир, 1986); на заседаниях Совета по надежности и металлоемкости машин и сооружений в рамках сотрудничества АН УССР, АН БССР, АН СССР (Ыинск, 1986; Кишинев, 1988; Гомель, 1988).

По материалам работы опубликовано 2 брошюры, 7 научных статей, имеется авторское свидетельство на изобретение.

Содержание работы

IIa автомобилях-самосвалах применяются кузова, представляющие собой корытообразную конструкцию, состоящую из образованного лонжеронами и поперечинами основания, к которому привариваются передний и боковые борта из листового проката, усиленные фасонными профилями-контрфорсамц. Повышение надежности и долговечности кузовов, при одновременном снижении их металлоемкости, обычно осуществляется за счет совершенствования конструкции кузовов, применения новых материалов и путем комбинации указанных методов. В частности, в работах В.Н.Дегтярева и В.Н.Алейникова приводятся описания кузовов с футеровкой из износ.;стойкой резины. Такие конструкции достаточно широко используются в конструкциях, разработанных в США, Канаде, Швеции и др. странах. В нашей стране эта технология • • внедрена на Балхашском горно-металлургическом комбинате. Л.Я. Сотниковым предложено производить футеровку днищ кузова автосамосвала плитами, стальными листами или решетками, направленными под различными углами к продольной оси кузова. A.C. Свенсоном предложена конструкция днища, подвешенная на тросах. М.А.Кацем и А.Н.Понизовкиным описываются овальные кузова, а также кузова с деревянным полом, покрытым металлическим листом. Все применяемые конструкциок.ше решения имеют серьезные недостатки, и носят, как правило, частный характер. В крупносерийном же производстве для изготовления кузовов само свалов

большой и особо большой грузоподъемности основным конструкционным материалом является сталь, и для повышения надежности кузовов применяются сложнолегированные стали с =1000 Ша и твердостью НВ=3000.. .3300 Ша при высоких показателях вязкости.

Разработка экономнолегированных кузовных сталей требовала уточнения условий работы материала. Используемая в расчетах модель плоской обшивки не соответствует реальным условиям эксплуатации. Детальное исследование формоизменения обаивки кузова и ее износа в различные периоды эксплуатации проведено на самосвалах МАЗ, КАМАЗ, БЕЛАЗ занятых на перевозке гравия, щебня; железных руд, строительных грунтов нри экскаваторной и бункерной загрузках. Было установлено, что независимо от типа машин и транспортируемого груза, после непродолжительной эксплуатации, в днищах кузовов, загружаемых экскаваторами, как правило, появляются локальные вмятины, из которых затем постепенно формируется волнообразный профлль днища с прогибами определенной конечной величины, расположенными между поперечинами и лонжеронами, а также между ребрами этих элементов (рис. I). Изменение величины прогибов обшивки днища между поперечинами в центральной части кузова с точностью до 10% соответствует синусоидальному закону. Формирование профиля в этой части днищ кузова сопровождается растяжением обшивки и ее изгибом. Износ обшивки здесь отсутствует. Работоспособность обеспечивается сопротивлениями разрыву и хрупкому разрушению от ударных нагрузок. Характер и интенсивность износа обшивки в задней части кузова, после некоторого периода эксплуатации, в значительной мере определяются образующейся неплоско-

7

Сан о с 6а ^ 70/141/Ш. Лробег тыс. ¿лг ¿'еуеше, азхос//?раг.с/&, \

67 7$ ъ V

в?ггс<р № ¿60 г.* /и /0,£ /6,0

V* 40 г9

гггс/ггммл /е.*

/7 //

* Разрыв металла днища Рис. I. Прогибы и износ днищ карьерных самосвалов

стностью. Возникающие при этом изменения направления движения загружаемой массы и ее сжатие приводят к увеличению локальных контактных нагрузок на днища и борта. В настоящей работе изменение формы обшивки в задней части кузова впервые предложено рассматривать как двухэтапный процесс. Вначале идет взнос плоского днища с большей интенсивностью в зонах увеличения жесткости (в частности, на контрфорсах) из-за ударно-абразивного износа. В последующем обшивка прогибается между зонами

подкрепления с образованием "пластических шарниров" в местах крепления обшивки к контрфорсам - в местах наибольшего износа.

Опыт эксплуатации карьерных автосамосвалов показал, что через 40-50 тыс. км пробега интенсивность износа волнообразной поверхности днища самосвала удовлетворительно описывается зависимостью:

С/ = У5- /О'^Кы П2Ргр (1)

где С/ - износ деформированного днища у последнего контрфорса, мм; Км - коэффициент, учитывающий сопротивление изгибу и износу материала обшивки определяемый по табл. I (стр. 24 ); 4,5'10 - параметр изгибаемой поверхности при пробеге в I тыс. км и грузоподъемности в один кН, (мм/тыс.км2, кН); На. - предел прочности абразивных частиц груза на скатив (Ша); Им - твердость материала обшигки кузова, НВ (МПа); Л - пробег автомобиля, в тыс. км; Р ; - грузоподъемность, (кН);

Разрыв изношенного днища кузова автосамосвала большой и особо большой грузоподъемности происходит когда толщина листа уменьшается до 4 мм. Предварительный анализ показал, что для обеспечения работоспособности днища кузова самосвала грузоподъемностью си 800 кН, используемого на перевозке твердых пород, необходимо обеспечить твердость материала НВ 3000 Ша и (3^^ 1000 Ша. Из геометрических соотношений можно, в первом приближении, определить величину необходимого запаса пластичности при известных параметрах максимального проги-За, имеющего место в эксплуатации. Установлено, что величина зтносительного удлинения материала ( 8 ) должна быть не ме-

.: э

нее 10%, а угол загиба ^ 120°. Ударная вязкость в соответствии со СН и П) КС U>40 Де/см2. Поскольку износостойкость, пластичность и вязкость оказывают основное влияние на работоспособность днищ кузова, а учет всех факторов чрезвычайно слажен, при проведении исследований ограничились анализом вышеуказанных параметров.

До самого последнего времени для кузовов карьерных самосвалов в основном использовалась низколегированная марганцовистая сталь. Работа конструкций из указанных сталей допускается до -40° С при твердости 1700-2000 ЫПа. Износостойкость обшивки при этом низка. Поэтому для самосвалов грузоподъемностью выше 400 кНус увеличенной удельной работой истирания кузовов,применяются более легированные стали. Необходимый уровень свойств при этом, как правило, обеспечивается за счет десульфурации стали, ее термообработки и легирования молибденом, ниобием, цирконием, никелыл, ва.шдиш. Вместе с тем, повышение прочности за счет легирования отрицательно сказывается на свариваемости стали. Сложное легирование приводит также к резкому увели. чению времени термообработки и повышенным энергетическим затратам. Кроме того стали обычной выплавки плохо противостоят местному изгибу, т.е. не обладают в должной мере качеством, ' определяющим интенсивность локального износа кузова у подкрепления обшивки. Весьма перспективны, созданные Б.Е.Натоном и Б.И.Медоваром, ММ и квазислоистые (КСМ) стали. Механические свойства их'приближаются к.сталям электрошлакового переплава (ЭШП), но по стоимости новые материалы выгодно отличаются от стали ЭШП. Особым достоинством новых АКМ материалов являются их особо высокие значения ударной вязкости в направлении, пер-

пендикулярном плоскости прокатки. Следует указать, что в известных работах достоинства АКМ стали выявлены, в основном, лишь при лавинообразном разрушении. Для кузовов необходим материал повышенной твердости, способный надежно работать под повторными сосредоточенными ударными нагрузками в условиях низких температур. Эта проблема, по признанию авторов разработки АИЛ стали, до последгэго времени была не решена.' Вместе с тем, химическая и структурная однородность АКМ стали, возможность конструирования материала за счет варьирования армирующих вкладышей (АВ) и матрицы, управления ШШД, экономическая и техническая доступность - все эти качества позволяли рассматривать новые материалы как основу для создания долговечных и надежных кузовов карьерных самосвалов большой ц особо большой грузоподъемности.

В настоящей работе в качестве приоритетных причин потери работоспособности обшивки приняты: износ у контрфорсов в зоне местного изгиба, а тагс;о охрупчлванне и разрушение металла в центра кузова. В основу подхода и повышению служебных свойств новой кузовной стали положена концепция гомогенизации пластической деформации (ЦД). Чем в большем количестве зерен сосредоточена приходящаяся на единицу объема пластическая деформация, тем выше свойства стали.

В работе впервые экспериментально показано, что зарождение первых хрупких трещин при ударном изгибе в углеродистых сталях происходит в местах пересечения полос Чернова-Лвдерса, то есть в местах максимальной МЛПД.

В реализации технических решений гомогенизации ПД нами использована новая гипотеза ШШД. Существо ее заключается в

том, что дислокации, вызывающие макролокализованную пластическую деформацию, возникают у границ зерен-в местах сопряжения кристаллических решеток с различными параметрами. При атом

считается, что микроструктурная неоднородность у границ определяется зернограни-чной концентрацией примесной меди, регулирующей в приграничных объемах концентрацию никеля, углерода и марганца в количествах, обеспечивающих образование аустенита и мартенсита даже при малых скоростях охлаждения феррито-перлитных сталей. Тем самым дано физическое объяснение существования более высокой твердости и прочности границ зе-рен(ыак Лин 0.). Прямыми экспериментами впервые было установлено, что низколегированные марганцовистые стали (типа 09Г2С) обладают существенно более высокой склонностью к локализации пластической деформации, чем углеродистые стали с тем же содержанием углерода. Если в стали 10 линии Чернова-Двдерса устойчиво развиваются при содержании меди и никеля более 0,15$, то в сталях 09Г2С, 09Г2, 10Г2С1 такой аффект порой достигается даже при 0,07$ каждого из указанных элементов (никель вводится в сталь до уровня, равного содержанию меди во избежание поверхностных трещин при прокатке). При выполнении работы бы-, ло сделано предположение, что технологические процессы полу-

Рис. 2. Зона возникновения первых дефектов (2) при низкотемпературном ударном изгибе. ( I - линии Чернова-Лвдерса.у • .

чения и термообработки стали, подавляющие ликвацию меди, а также позволяющие достигать меньшую степень искаженности границ зерен и меньшую их связь с границами кристаллов первичной кристаллизации - все это создает условия для повышения равнопрочно сти границ и снижения склонности стали к макролокализации пластической деформации.

Как показали наши микрорентгеноспектральные исследования, в зоне мелкостолбчатых кристаллов электрошлакового литья (ЗИЛ) абсолютные значения и рассеяние концентрации меди и никеля в приграничных объемах зерен существенно ниже, чем в обычном металле (рис. 3). Деформация Чернова-Лвдерса в ЗШД затруднена или отсутствует. В АИЛ сталях, в которых химическая и структурная однородность слитков в зоне АВ близка к ЗИП, также уменьшены концентрация и рассеяние Си, ц склонность стали к ШШД. Меньше ШВД и в металл о из зоны столбчатых кристаллов слябов, отлитых на ШИЗ. В листовых АКЫ сталях нами впервые обнаружено новое специфическое свойство - иолосы глакролокализованной деформации, распространяющейся поперек сечения, либо вообще останавливаются на гранивдх слоев, либо (что бывает чаще) изменяют свое направление. Ступенчатый характер имеет и зона разрушения этого металла. Отмеченьые особенности связаны, по нашему мншшю, с составом вкладыша и кристаллическим строением приграничной зоны матричного металла в зоне АВ. Работа разрушения в АКМ стали с плоскими АВ всегда выше, чем монолитного материала той же толщины, ибо зарождение ПД и трещин на каждом слое требует дополнительной внешней энергии. В соответствии с этим для АВ предпочтительны стали, не склонные к локализации пластической деформации. В первую очередь;это

си;/0

о.*

о ц а 12

о 4 в 12 ^пкм

Рис.3. Распределение меди и никеля в объемах форриишх верен феррито-перлитной стали обычной выплавки и литой (эпш) , : о - литая (зил) оталь А - обычная сталь (& , мкм - размер зерва)

Грлнчця.

граница Грации,

Даниил Граница т т Границ

№ Г5!

1

стали с очень низким содержанием меди и никеля. Однако эти стали дефицитны. Представляло интерес использование для АВ сталей, легированных элементами, склонными к зернограничной сегрегации и потенциально уменьшающими, тем самым, зернограни-чную концентрацию меди. Нами показано, что при одних и тех жё условиях МЛПД в стали 09Г2ФБ существенно ниже, чем в стали 09Г2С. Применение в качестве АВ листовой стали 09Г2ФБ оказалось эффективным как в части торможения линий Чернова-Двдерса, так п в части создания квазимонолитных материалов способных лучше других (монолитных и армированных) противостоять хрупкому разрушению при низких климатических температурах до -60°С.

В процессе работы исследованы также возможности воздействия на процесс гомогенизации ПД и на повышение качества кузовных сталей термоупрочнения, основанного на нагреве стали до 530-550°С и последующего охлаждения в воде. Новый способ термоупрочнения отличается температурными режимами от процесса "облагораживания" 20-х годов (Костер В.).По методу, описанному Костером, сталь нагревалась до температур ^ 650°С, обеспечивающих растворение в зерне третичного цементита. Метод, используемый в данной работе, основан на гипотезе макролокализации пластической деформации, согласье которой кристаллические решетки границ зерен рассматриваются как высоколегированные фазы. " , Считается, что при нагреве до температур 530-550°С происходит лишь превращение приграничного высоколегированного мартенсита в аустенит (Гуляев А.) с одновременным 'его обогащением углеродом. При последующем быстром охлаждении расстояние между зонами сопряжения феррита и аустенита в двух соседних зернах - источниками дислокаций - увеличивает-■■ 15

ся. При этом вероятность избирательного скольжения в отдельных зернах уменьшается, так как равнопрочность границ и, следовательно, всего металла увеличивается. В результате предложенного терыоупрочнения степень локализации пластической деформации существенно уменьшается и обычно несколько возрастает предел текучести. Это обстоятельство предопределило повышение сопротивления изгибу и разрушению. При изгибе балок в начальный перкэд деформации остаточный прогиб термоупроч-ненных балок снижается на 20+3 по сравнению с обычными.

Исследования ударной вязкости при предельных прочностных характеристиках АКМ сталей проводились, в основном, для высокопрочной сталд 22 ГСМТЮ АКЫ. Исследованы различные варианты армирования: 4 "тонких" вкладыша с полным расплавлением при заливке и кристаллизации (схема I); 4 "толстых" АВ без расп-

' 3

давления при кристаллизации (схема 2); 2 "толстых" нерасплавленных и 2 "тонких" - внутренних расплавляемых АВ (схема з); 3 "толстых" вкладыша (схема 4) (рис. 4 а,б). Сталь 22 ГСМТЮ

АШ оказалась не чувствитель-

и\

/

ш

ной к предварительной деформации и к деформационному старению.

Проведенный комплекс исследований показал, что наиболее рациональный уровень свойств кузовной стали 22 ГСМТЮ АКМ достигается после закалки с 925°С, отпуска при 575°С и дополнительного термоупрочнения, осуществляемого охлаждением металла в воде с Рис.4 б. Схема заливки слитка 530°С после его отпуска и АКМ стали. подстуживания на воздухе.

Последняя операция полностью устраняет площадку текучести и снижает рассеяние механических свойств. Различий в минроструктуре обычных и АКМ сталей не обнаружено. Высокий комплекс свойств достигается при армировании стали 22 ГСМТЮ АИЛ по схеме 3. Получение листа предусматривает ввод в 20-ти тонную изложницу, перед ее заливкой, 4-х параллельно расположенных листов: 2-х - толщиной 17,5 ш из стали 09Г2ФБ, 2-х - толщиной 6 мм из любой стали.' Крайние два листа не расплавляются и при первичной кристаллизации обеспечивают вокруг себя создание мелкостолбчатой структуры. Средние листы

вкладыша полностью расплавляются, устраняя ликвационные процессы в осевой части слитка. Указанная конструкция листового проката изменяет, по сравнению со сталями обычной выплавки, характер разрушения АКМ стали при низкотемпературном ударном изгибе. В новых материалах происходит разрушение не перпендикулярно поверхности листа, а по круговым спиралям. Излом резко изменяет направление на границах квазислоев (рис.5).

Рис.5. Разрушение полноразмерного образнд при. низкотемпературном ударном изгибе (высота образца равна толщине проката)

' . 18 •-■:•" 'л"'

Рис.6. Повышение служебных свойств кузовных

сталей ( СЕ, су iooo Ша)

1. 22 ГСМТЮ АКМ (А.В.-ст.09Г2ФБ,толщ.I?,5,4шт) образцы 17x17, U -надрез в плоскости проката;

2. 22ГСМТЮ АШ (А.В.-ст.09Г2ФБ,тащ.1,7,5,2шт. ) образцы 17x17, U -надрез в плоскости проката; .

3. 14ХШ2МДАФБ,образцы 18x18, U -надрез в плоскости проката;

4. 22 ГСМТЮ АКМ ÍA.В.расплавленные,-ст.09Г2С, толщ.6ш,4штJ образцы 17x17, и -надрез в плоскости проката;

5. 22 ГСМТЮ АКМ Ц.В. нерасплавлешше,ст.09Г2С, толщ.17мм,4шт.7 образцы ГОСТ 9454-78;

6. 14ХГН2МДА5Б,.образцы ГОСТ 9454-78; .

7. 22ГСМТЮ АШ (А.В. -ст.09Г2С, толщ.6мм) образ- 1 ЦЫ ГОСТ 9/54-78; s

8. 22 ГСМТЮ (монолит), образцы по ГОСТ 9454-78.

(ПримечаниегПогодиным-АлексеевымП показано, что с ростом высоты образца значения ударной вязкости всегда получаются завышенными.)

Экспериментально установлено, что в сталях одного химсостава армирование по схеме 3 повышает ударную вязкость надреза"ашх образцов, толщина которых равна толщине листа, до 50$(рис.6).

На долю собственно АВ приходится до 20$, повышения удар-

о

ной вязкости образцов 10x10 мм' . Это подтверждает, что АВ не столько упрочняет "конструкцию" армированного листа, сколько улучшает свойства матричного металла. Присутствие АВ в АИЛ стали дает положительный эффект при низких температурах в том случае, если материал АВ имеет порог хладноломкости более низкий, чем материал матрицы. Влияние же первичной кристаллической мелкостолбчатой структуры, сформированной у вкладыша столь велико, что "хрупкая" трещина останавливается в матрице перед АВ или сразу после него (Рис. 7 а,в). Это обстоятельство, по

Рис.7. Остановка трещины в зоне армирующих вкладышей а) - до вкладыша в) - после вкладыша'-

(АВ - нерасплавленный армирующий вкладыш) , .

: V: •.. - - 20 ' ; •-.■;■■• ■ -

мнению автора, оказывает решающее значение на более высокий уровень ударной вязкости при полностью расплавленных АВ (Рис. б) и у стандартных образпов (10x10) ш2 по ГОСТ 9454-78, в которых АВ, как правило, не остается более одного. В работе впервые определено наиболее рациональное расположение нерасплавленного АВ - 2-3 мм - от поверхности листа. Рассмотренный принцип конструирования кузовной стала оказался достаточным для обеспечения у низколегированной стали 22 ГСМТЮ АКМ свойств, равных свойствам сложиолегированной никелевой стали 14ХГН2МДА<Ш, полученной из слитка, имеющей в своем составе остродефицитные ниобий, никель и молибден. Количество последнего почти в два раза превышает его содержание в стали 22 ГСМТЮ АКМ. Следует добавить, что листовой прокат стали 14ХПВДАФЕРТ из слябов ШШ, содержащей 0,8^ меди, оказался пораженным поверхностными трещинами.

Результаты электронной микрофрактографии изломов ударных образцов, разрушенных при -60°С, также свидетельствуют об идентичности характеристик сопротивления охрупчиванию стали 22ГСМТЮ АИЛ и стали 14ХГН2МДАФБ при практически одинаковой их прочности: доля вязкой составляющей в изломах была одинаковой у обоих материалов. При исследованиях установлено, что на части нолно-размерных образцов (высота образца равна толщине проката) армированных по схемам I и 4, при ударном изгибе обнаружено расслоение металла по АВ, хотя при этом получены очень высокие значения ударной вязкости. Предел прочности связи слоев в таких образцах составлял 0,4 СВ .

Результаты лабораторных испытаний подтвердились в эксплуатации. Конструкция листа, полученная при < 0,4(5*6 и

21

"пятнистой" несвязности слоев,оказалась непригодной для днищ кузовов Бо.ДЗ 548А. При эксплуатации происходило расслсэние материала, вызванное повторными ударными нагрузками и пластической деформацией. Учитывая многократный характер ударного нагружения кузовов, рекомендовано для кузовных сталей

0,7 СГ£ при армировании их по схеме 3. При армировании по схеме I и 4 необходим более высокий уровень связности из-за высоких касательных напряжений в середине листа при его изгибе, что не всегда удается обеспечить технологически.

Высокий уровень ударной вязкости, достигаемый на АИЛ сталях при всех расплавляемых вкладышах (схема 2), высокая повторяемость полученных при этом результатов, позволили рассматривать эту схему как весьма перспективную. Она к тому же достигали при получении АКЫ стали на МНЛЗ, что открывает возможности дальнейшего резкого снижения стоимости стали при вы-' соком уровце ее свойств.

Опытно-промышленной проверкой работоспособности кузовбву изготовленных из серийных и разработанных АКМ материалов,показано, что скорость износа днища кузовов из армированных квазимонолитных сталей ниже, чем скорость износа днища кузовов из сталей обычной выплавки той же твердости.

Предлагаемая зависимость (1)^ не претендуя на универсальности, показала возможность ее использования для оценки ресурса и других параметров карьерных самосвалов (рис.8). Коэффициенты, учитывающие сопротивление местному износу, полученные по результатам эксплуатационных наблюдений и лабораторных испытаний, приняты разными в зависимости от типа.сталей и применяемого тсрыоупрочнения (табл. I).

' ■ ■ 22 . : -л .,

\мм, Р-'1000кН65ч

2C

10

Z

i

3 3üo чгд воо nao 50 15o 25o Д тыс.км гр,нн

Рис. 8. Номограммы прогнозных оценок долговечности и износа обшивки днищ кузовов карьерных автосамосвалов большой и особо большой грузоподьемно стн.

- ось для самосвала грузоподъемностью 1000 кН; £¡ , С/+ , CJz -оси для самосвалов грузоподъемностью 300...1100 кН; [ J - Iüi=I;. J, r-Kn=0,85; -Iüi=0,?5;

- в формуле (l)j . Цифры у кривых^.

При эксплуатации износостойкость днищ кузовов БедАЗ-548А из стали ОЭГ2СО АКМ толщиной 17,5 ми оказалась (при транспортировке руды) после пробегов менее 50 тыс. км. на 30-40^ выше, чем дшдц толщиной 22 мм из менее прочной стали 09Г2С. Увеличение долговечности, как и следовало ожидать, было практически пропорционально увеличению предела текучести стали 09Г2СФ АКМ по сравнению со сталью 09Г2С. Положительный эффект применения АШ стали проявлялся,на более поздних этшгис эксплуатации. Ре-

ыопт и усиление днища из нового конструкционного материала не требовались, и самосвалы БелАЗ-548А, эксплуатировавшиеся в Новокриворожском ГОКе, уложились в норму пробега до списания, равную 160 тыс. км. Долговечность днищ из стали 09Г2СФ АШ оказалась одинаковой с более дорогой сложнолегированной сталью разработанной с участием автора (а.с. 1384623). Это следует отнести за счет впервые отмеченных и изученных в работе преимуществ АШ стали,- выразившихся в большем (по сравнению с обычными сталями) сопротивлении местному изгибу, что нашло отражение в зависимости (I) в виде коэффициента Ки (¿абл.).

Таблица I

Коэффициент ( Ки ) сопротивления изгибу и износу материала об!шшкк

Материал !_ _ВВД_ _ториоупрочнецш1_________

!закалка+В. !закалка+В.от- |закалка-Ш. ¡отпуск !пуск+закалка с ¡отпуск

_________1 _ ____1 530°С_____!_.____

Сталь обычной выплавки 1,0 0,85 1,0

Армированная- квазимонолитная (аш)

сталь 0,85 0,75 0,9

Для самосвалов грузоподъемностью 750 кН (БелАЗ-549) показана возможность безремонтной эксплуатации кузова при транспортировке руд скальных пород при снижении толщины днища до . 18 №1 и использовании стали с пределом прочности порядка 900 ;,Ла. Экономическая эффективность от применения стали'22ГСМТЮ в кузовах БелАЗ-549 составляет . '^150-тыс.руб,(Доля автора). .

Для самосвалов грузоподъемностью 1100 кН указанные характеристики прочности оказались недостаточными. Для обеспечения пробега кузовов этих самосвалов до 150 тис.км при толщине днища 18 мм необходимо, как показывают расчеты, применение сталей с (5*8 =1500 МПа и 8 =10-12$. Получение АМД стали с указанными свойствами вполне реально. Отмечены случаи хрупкого разрушения в эксплуатации обшивки бортов из стали 14ХГШЩФЕРТ при 6 d 1000 Iffla (толщина 9 мм), хотя значения ударной вязкости (КСИ=50 да/см2) и относительного удлинения ( 8 =20$) бшш высокими. При указанной прочности сталь 14ХПВДА&ЕРТ показала низкие технологические свойства: при гнутье стали вдоль прокатки угол загиба не превышал 90°; при сварке в местах повышенной жесткости конструкции образовывались трещины. В соответствии с исследованиями автора, максимальный предел прочности в кузовных сталях не должен превышать 1200-1300 МПа.

8 з- IOj-12/J, КСИ 5 40 да/см2, угол загиба широкой пробы

Я20°. Отмеченный уровень прочности лимитируется ремонтопригодностью днищ. У Л13.1 сталей с С =1400 МПа ( S & 10 КС"=40-60 да/см2) при наварке на них твердосплавных усилителой бшш отмечены трещины. Следовательно, для карьерных самосвалов грузоподъемностью выше ПООкН'-' повышение долговечности днищ может быть обеспечено только при изменении конструкции днища и при использовании АКМ стали.

выводы

1. Установлены закономерности деформирования и разрушения обшивки днищ кузовов карьерных самосвалов и предложен новый методический подход к выбору характеристик материала обшивки, учитывающий изменение ее плоскостности в эксплуатации,

2. Предложена эмпирическая зависимость для оценки интенсивности износа днищ кузовов и прогнозирования ресурса их обшивки в карьерных самосвалах большой и особо большой грузо-подъег.шости.

3. Разработаны и реализованы в промышленности методы повышения служебных свойств экономнолегированных кузовных сталей за счет гомогенизации их структуры и свойств путем армирования слитка и ресурсосберегающего термоупрочнения.

4. Всесторонне исследованы свойства армированных квазимонолитных и обычных кузовных сталей различной прочности. Сформулированы необходимые технические требования к кузовным сталям, обеспечивающие снижение материалоемкости и уровень необходимой надежности изделий.

5. Установлено, что наиболее рациональной конструкцией листа кузовной армированной квазиыонолитпой стали является прокат с плоскими армирующими вкладышами, расположенными па-раллсчыю поверхности прокатки и выполненными из стали 'с более низки:.! порогом хладноломкости, чем основной металл.

6. Использование результатов проведенных исследований позволило добиться уменьшения толщины днищ карьерных самосвалов па 10-25/1 с улучшением технико-экономических-показателей машин

7. Созданы ТУ на кузовную низколегированную'сталь '

22ГСМТЮ АН.! для карьерных самосвалов со свойствам, идентичными свойствам качественных сложнолегированных сталей иша 14ХГН2',5ДА£Б. Освоено серийное производство стали 22 ГСМТЮАКМ на Ш\ "Азовсталь" и ГЖ им. Ильича (г.Мариуполь).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. У.одовар Б.Н., Карпов П.Л. и др. Создание нового конструкционного материала - армированной квазимонолитной стали для автостроения. Материалы " научи.техн.конф. "Повышение технического уровня и эффективности автомобильной техники большой и особо большой грузоподъемности". !."н. ,1985. С.8-10.

2. 1.!едовэр Б."., Глриев П.Л., Ееростиев О.В. и др. Армированные квазимонолитние стали для кузовов автомобилей-самосвалов большой грузоподъемности. "Автомобильная промните нность", 1984, Ш. С.30-01.

3. Париев П.Л., Ыопсоенко В.II. Методические основы выбора и конструирования сталей для обшивки днищ 1сузовов карьерных самосвалов. (Информационный материал) ИНДг.ШП АН БССР, 1.1н., 1986. С.61.

4. Мариев П.Л» Металлоемкость и долговечность кузовов карьерных самосвалов. Промышленный транспорт, IS88, JS3.С. 12-13.

5. Б.И.Медовар, В.Я.Саенко, П.Л.I/.ариев .и др. Опыт промышленного освоения технологии производства толстолистовой стали 22ГС1.1ТЮ АШ для кузовов а/с БелАЗ. Проблемы специальной электрометаллургии, ИЭС ел. Е.О.Патот АН УССР, 1988, вып.4,

с.44-46.

6. Б.Е.Патон, Б.И.Ыедовар, П.Л.Мариев и др. Новая высокопрочная сталь АКМ для платформ большегрузных карьерных а/с БелАЗ. Электрошлаковая технология. Сб. трудов посвящ. ЗСКпе-тию ЭШП. Киев: Наукова думка, 1988. C.II6-I2I.

7. В.И.Ыоисеенко, П.Л.Мариев, Л.Н.Важник, С.Я.Ус и др..

О локализации пластической деформации в стали. ДАН БССР, 1989, № 7.,625-627стр.

8. Б.Я.Котельников, В.П.Ларионов, П.Л.Мариев. Расчеты прочности и технические требования к сварным соединениям конструкций, предназначенных для эксплуатации при низких климатических температурах. Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума с участием СЭВ, г.Владимир. Кн.: "Нормирование прочности и ресурса высоко нагруженных машин". М.: Машпром, 1986, с.8.

9. Мариев П.Л. Создание экономнолегированной стали для кузовов карьериых самосвалов. (Информационный материал) ИгЩААШ АН БССР. Ь'н. , 1990. С.63.

10. A.c. Щ384623 (СССР). Сталь. Ю.Н.Козлов, В.К.Белосе-вич, О.П.Боровский, П.Л.Мариев. Опубл. в Б.И., 1988, ü 12.