автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка методик прогнозирования прокаливаемости конструкционных сталей

Открытое акционерное общество «ГАЗ»

На правах рукописи

КОСОНОГОВА СВЕТЛАНА АЛЕКСАНДРОВНА

РАЗРАБОТКА

МЕТОДИК ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ.

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая

обработка металлов.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научные руководители:

Доктор технических наук, профессор Гуслякова Г.П.

Кандидат технических наук, главный металлург ОАО «ГАЗ» Колпаков А А.

Нижний Новгород - 1999.

ОГЛАВЛЕНИЕ стр.

Введение........................................................................................................4

ГЛАВА 1. Основные аспекты исследования прокаливаемости

стали................................................................................................8

1.1 Важнейшие факторы, влияющие на прокаливаемоеть стали............8

1.1.1 Химический состав сталей...................................................................8

1.1.2 Величина зерна....................................................................................12

1.1.3 Технологические факторы..................................................................13

1.1.4 Влияние химико-термической обработки на свойства поверхностных слоев сталей.............................................................15

1.2 Методы определения прокаливаемости..............................................16

1.2.1 Методы объемной закалки образцов...............................................17

1.2.2 Метод торцевой закалки.....................................................................18

1.2.3 Методы, использующие диаграммы превращений аустенита.......19

1.2.4 Расчетные методы.................................................................................21

1.3 Статистические методы обработки результатов исследований прокаливаемости.....................................................................................33

1.3.1 Критерии оценки прокаливаемости...................................................33

1.3.2 Распределение твердости в полосах прокаливаемости....................35

1.3.3 Прогнозирование свойств закаливаемых изделий...........................36

Выводы к главе 1............................................................................................39

ГЛАВА 2. Методика исследования...............................................................41

2.1 Выбор материалов.....................................................................................41

2.2 Определение химического состава..........................................................43

2.3 Испытания на прокаливаемоеть..............................................................44

2.3.1 Измерение твердости и температуры...................................................51

2.4 Микроструктурные исследования...........................................................51

2.5 Статистическая обработка результатов определения прокаливаемости.....................................................................................52

2.6 Графическое представление экспериментальных данных....................54

ГЛАВА 3. Вероятностные распределения твердости в полосах

прокаливаемости сталей..............................................................57

3.1 Анализ данных для стали 20ХГНМ........................................................57

3.2 Анализ данных для стали 22ХНМ..........................................................75

3.3 Анализ данных для стали 24ХНМ...........................................................92

3.4 Анализ данных для стали 20ХН2М......................................................-108

3.5 Анализ данных для стали 23ХН2М........................................................124

3.6 Анализ данных для стали 25ХГМ...........................................................140

3.7 Анализ данных для стали ЗОХ................................................................156

3.8 Анализ данных для стали ЗОХМ.............................................................172

3.9 Анализ данных для стали 27ХГР............................................................188

ЗЛО Структуры закаленных сталей...............................................................198

ГЛАВА 4. Прогнозирование прокаливаемости конструкционных

сталей..............................................................................................204

4.1 Ускоренная методика прогнозирования прокаливаемости.................204

4.2 Компьютерная методика прогнозирования прокаливаемости............208

4.3 Регрессионная методика прогнозирования прокаливаемости............234

4.4 Особенности разработанных методик и области их применения........246

ГЛАВА 5. Разработка практических рекомендаций и результаты их

использования в производстве....................................................250

Основные выводы............................................................................................260

Список используемой литературы.................................................................262

Приложения......................................................................................................273

ВВЕДЕНИЕ

Автомобилестроение во всех странах- ведущая отрасль машиностроения. Перспективы развития автомобилестроения в значительной степени обуславливаются сокращением времени и затрат на разработку и освоение производства новых конкурентноспособных моделей автомобилей. Возрастающие при этом требования по надежности и безопасности делают исключительно важными вопросы обеспечения качества автомобильных деталей и узлов.

Эксплуатационная долговечность деталей автомобилей во многом определяется технологией их упрочнения [ 1,2 ]. Чаще всего оптимальный комплекс механических свойств сталей , необходимый для надежной работы деталей, достигается в результате применения закалки и отпуска [4,5,6]. Поэтому прокаливаемость, характеризующая способность стали закаливаться на определенную глубину, является одним из важнейших

свойств сталей, применяемых для изготовления тяжело нагруженных шее__чу чу

терен, валов и других деталей автомобилей.

В технологии термической обработки величина прокаливаемости сталей реализуется в значениях твердости, получаемых в сечениях закаливаемых деталей. Обеспечение этой твердости в диапазоне, задаваемом конструкторской документацией, составляет главную технологическую задачу. Однако существует и обратная задача, возникающая на стадии конструкторских разработок, когда необходимо осуществить выбор марок сталей для проектируемых деталей и сформулировать требования чертежа по твердости в ответственных сечениях термоупрочняемых деталей. В производстве не исключены случаи, когда требования конструкторской документации по твердости после закалки не согласуются с марочными свойствами сталей по величине прокаливаемости и применяемыми к ним технологиями термообработки. Эта несогласованность ведет к увеличе-

нию материальных затрат в связи с неоправданной забраковкой деталей и проведением повторных термических операций.

Таким образом, становится актуальной проблема разработки на основе исследований величины прокаливаемости различных марок сталей методик вероятностного прогнозирования твердости в сечениях закаливаемых автомобильных деталей. Это необходимо для решения задач:

• рационального выбора марок сталей;

• формулирования требований конструкторской документации по твердости в сечениях закаливаемых изделий;

• технологического обеспечения выполнения требований конструкторской документации по твердости в сечениях закаливаемых изделий;

• сокращения времени и затрат на освоение производства деталей новых моделей автомобилей.

В связи с этим было выполнено исследование вероятностных распределений твердости в полосах прокаливаемости конструкционных сталей , широко применяемых в автомобилестроении : 20ХГНМ, 22ХНМ, 20ХН2М, 24ХНМ, 23ХН2М, 25ХГМ, 27ХГР, ЗОХ, ЗОХМ. Основные положения, выносимые автором на защиту:

- разработанный метод исследования прокаливаемости ответственных сечений закаливаемых изделий, основанный на определении вероятностных распределений твердости в полосах прокаливаемости сталей и интегрировании функций распределения твердости;

- установленный вид распределений твердости в полосах прокаливаемости сталей 20ХГНМ, 22ХНМ, 24ХНМ, 23ХН2М,25ХГМ, 27ХГР, ЗОХ, ЗОХМ в зависимости от расстояния по длине торцевых образцов;

- разработанная ускоренная методика прогнозирования прокаливаемости ответственных сечений закаливаемых изделий, использующая многократные измерения твердости производимые на поперечных темплетах торце-

вых образцов, содержащих сечения, закалочно эквивалентные ответственным сечениям закаливаемых изделий;

- разработанная компьютерная методика прогнозирования прокаливае-мости ответственных сечений закаливаемых изделий, основанная на определении плотности распределения кривых твердости, получаемых методом торцевой закалки, в полосах прокаливаемости сталей;

- разработанная методика прогнозирования прокаливаемости конструкционных сталей, основанная на определении матриц корреляционных функций, регрессионных соотношений и множественных коэффициентов корреляции прокаливаемости с химическим составом сталей для различных расстояний по длине торцевых образцов;

установленные регрессионные соотношения для расчета твердости по содержанию химических компонентов в составе конструкционных сталей для различных расстояний по длине торцевых образцов.

- разработанная система количественных показателей прогнозирования прокаливаемости сталей и сечений закаливаемых изделий, включающая

• вероятность нахождения значений твердости стали в требуемом конструкторской документацией диапазоне;

• относительную частоту измеренных значений твердости в сечениях закаленных образцов и деталей;

• интегральный показатель пригодности (ИПП) сталей по прокаливаемости к изготовлению изделий, закаливаемых на заданную в их сечениях величину твердости;

• множественные коэффициенты корреляции закалочной твердости с содержанием химических компонентов в составе сталей.

Автор диссертации выражает глубокую благодарность за помощь, оказанную при выполнении данной работы : к.т.н. Желтову Юрию Васильевичу, к.ф-м.н., доценту Дутышеву Владимиру Николаевичу, к.ф-м.н., доценту Морозову Владимиру Павловичу; инженерам Гурьевой Зинаиде Ивановне, Баженовой Галине Степановне, Вавилиной Любови Петровне, Долгановой Тамаре Николаевне, Каменецкой Наталье Евсеевне, Китовой Галине Николаевне, Лабутовой Татьяне Федоровне, Малыгиной Тамаре Ивановне, Наумовой Людмиле Александровне , Парыгиной Марии Валентиновне, Сбитневой Татьяне Александровне, Семенченко Моне Романовне, Старостиной Галине Александровне ,Угаову Константину Максимовичу; лаборантам Давыдовой Елизавете Николаевне,

Римме Павловне Терехиной- Соколовой, Широковой Любови Петровне, Майоровой Юлии Сергеевне, Цыганковой Валентине Сергеевне.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ СТАЛИ

1.1 Важнейшие факторы, влияющие на прокаливаемоеть стали.

Закаливаемость стали, как известно [ 4 ], зависит в основном только от содержания углерода, но на величину прокаливаемости, напротив, оказывает влияние значительное число факторов: химический состав, химическая неоднородность аустенита, величина зерна аустенита, исходная структура . Кроме того наблюдается влияние факторов технологии металлургического производства [ 7]: метода выплавки стали и изготовления слитка, условий прокатки, степени обжатия, условий раскисления и др.

Основным фактором, наиболее сильно влияющим на прокаливаемоеть, считают химический состав. Следующий по степени влияния фактор- величина зерна аустенита [ 4,8 ].

1.1.1 Химический состав сталей.

Влияние химического состава на прокаливаемоеть стали проявляется в его воздействии на величину критической скорости закалки и на расположение областей устойчивости аустенита [ 4,5 ]. В зависимости от состава стали диаграммы изотермического распада имеют одну или две температурные области превращений - перлитную и промежуточную [9 ] . Установлено [ 10], что с увеличением содержания углерода в углеродистых и легированных сталях критическая скорость закалки сначала уменьшается (прокаливаемоеть возрастает), а затем, по достижении эвтектоидного содержания (0,8% С), незначительно возрастает^ прокаливаемоеть снижается ). Легирующие элементы, кроме кобальта, растворенные в аустените, затрудняют его распад , уменьшают критическую скорость закалки и улучшают прокаливаемость[ 7 ].

В работе [ 4 ]показано, что эффективно повышает прокаливаемоеть марганец. Увеличение его содержания в углеродистой стали до 1,3% при-

водит к значительному повышению прокаливаемости вследствие резкого повышения устойчивости аустенита в перлитной и промежуточной областях.

Согласно данным [11] хром, в случае углеродистых сталей, повышает устойчивость аустенита в перлитной и средней температурной (600...450°С) областях. При содержании в стали около 0,30% хром не оказывает влияния на промежуточное превращение. Наиболее резкое снижение критической скорости закалки углеродистой стали наблюдается при содержании хрома до 1,0... 1,5%, а дальнейшее повышение его содержания (до 3,0%) вызывает относительно небольшое ее снижение[ 10].

Никель повышает устойчивость аустенита и увеличивает прокали-ваемость стали . По данным, приведенным в [ 7 ] , даже незначительные (до 0,20%) добавки никеля в углеродистую сталь с 0,90% С существенно (- в 2 раза) повышают ее прокаливаемость. В легированных и сложноле-гированных сталях количественно и качественно оценить влияние никеля на прокаливаемость оказывается очень трудно. Например, в работе [ 10] приводятся результаты обработки полос прокаливаемости сталей с содержанием углерода от 0,30 до 0,50% С , легированных в различных сочетаниях хромом, марганцем, никелем и молибденом. Показано, что замена марганца в хромомарганцевых сталях (30ХГ,35ХГ,40ХГ,45ХГ) никелем (30ХН,40ХН,35ХН,45ХН) обуславливает заметное, особенно в сталях с 0,40-0,45% С, повышение прокаливаемости. В то же время дополнительное легирование сталей 30ХГМ,35ХГМ,40ХГМ,45ХГМ,45ХГМ никелем (30ХГНМ,35ХГНМ,40ХгаМ,45ХГНМ) , напротив, не повышает, а понижает их прокаливаемость.

По данным работы [7 ] молибден, повышая устойчивость аустенита, увеличивает прокаливаемость стали. При введении в хромистую сталь ( 0,35%С, 0,65%Мп, 1,11%Сг) 0,25% молибдена прокаливаемость увеличи-

вается -на 25%. Введение такого же количества молибдена в марганцовистую (0,33%С, 0,23%81, 1,54% Мп) конструкционную сталь увеличивает ее прокаливаемость ~ в 1,5 раза. Там же [ 7 ] приводятся сведения о влиянии молибдена на прокаливаемость хромомарганцевой стали, из которых следует, что добавление в стали 35ХГ и 40ХГ 0,15...0,25% молибдена приводит к увеличению минимальной прокаливаемости на 60...70% , а такое же легирование молибденом сталей 45ХГ и 50ХГ вызывает повышение минимальной прокаливаемости примерно на 120%. Однако, достоверность приводимых сведений об эффективности влияния молибдена на прокаливаемость не подтверждается систематическими исследованиями и статистическими оценками их результатов.

Кроме традиционно применяемых легирующих элементов, для повышения прокаливаемости конструкционных сталей используется микролегирование бором. Прокаливаемость углеродистых и низкоуглеродистых сталей значительно возрастает при введении в них бора в количестве тысячных долей процента( 0,001...0,005%). Увеличение прокаливаемости под влиянием очень малых количеств бора объясняют [ 2,13,19] тем, что этот элемент поверхностно-активный в аустените, образует сегрегации на границах зерен и затрудняет тем самым зарождение избыточного феррита .

В работе [ 14] исследовалось влияние содержания бора на прокаливаемость стали «В» по АБТМ А514 (отечественный аналог 20ГХМФР) с целью получения сквозной прокаливаемости листов толщиной 40мм. Зависимость прокаливаемости от содержания бора в данной работе охарактеризована как нелинейная: увеличение содержания бора до 0,0010%) привело к увеличению прокаливаемости примерно в 2 раза, а при содержании бора в количестве 0,0015% наблюдается небольшой рост прокали-ваемости( всего около 3%). Однако, графическая зависимость прокаливаемости от содержания бора, приводимая в данной работе, не аппрок-

симируется соответствующим уравнением, что затрудняет ее использование на практике.

Неоднозначно оценивается исследователями влияние на прокали-ваемость сталей титана. Обычное содержание титана в качестве легирующего элемента в конструкционных сталях составляет 0,03...0,12%. Было показано [12], что проявляя зародышевое действие и связывая углерод в карбиды, титан оказывает отрицательное влияние на прокаливаемость стали. Вместе с тем, по данным [ 7 ], часть титана, перешедшая в твердый раствор, увеличивает прокаливаемость. Введение в сталь марганца до 2,0...2,5% или хрома, или обоих элементов одновременно, способствует растворению титана в ауетените и тем самым повышает его устойчивость, а следовательно и прокаливаемость[15]. Двойственность влияния титана на прокаливаемость объясняется [12] зависимостью от его содержания в стали, присутствия других элементов и температуры закалки .

Некоторые стали, применяемые в машиностроении, имеют в своем составе ванадий или вольфрам [ 1,4]. Влияние этих элементов на прокаливаемость аналогично друг друту[ 4 ]. Они образуют труднорастворимые карбиды, оказывающие зародышевое действие и снижающие устойчивость аустенита [ 4,5 ]. Согласно данным [ 7 ], влияние ванадия и вольфрама зависит от состава стали(особенно от содержания углерода), температуры и выдержки при закалке и при определенных условиях эти элементы, находясь в твердом растворе, повышают устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и , следовательно, повышают прокаливаемость.

Практически во всех конструкционных сталях прис