автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние дополнительного легирования на аустенитные и метастабильные высокомарганцевые стали, применительно к деталям черпающего аппарата драг, работающих в условиях Сибири и Севера

РГб од

1 ШОП 1923

СИБИРСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

РОМЕН БОРИС МАРКОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ НА АУСТЕНИТНЫЕ И МЕТАСТАБИЛЬНЫЕ ВЫСОКОМАРГАНЦЕВЫЕ СТАЛИ, ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ДЕТАЛЯМ ЧЕРПАЮЩЕГО АППАРАТА ДРАГ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ СИБИРИ И СЕВЕРА

Специальность: 05.16.01 — Металловедение и термическая

обработка металлов

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

УДК 669.14.539.56—15.194.56

АВТОРЕФЕРАТ

Новокузнецк, 1993

Работа выполнена на кафедре «Технологии металлов и материаловедение» Иркутского института инженеров железнодорожного транспорта и АП «Литмаш» при ИЗТМ

Научный руководитель — доктор технических наук,

профессор С. С. Черняк Консультант-кандидат технических наук В. Л. Ивакин

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор Л. И. Тушинский кандидат технических наук, профессор А. Н. Ростовцев

Ведущее предприятие — Усольский завод горного

оборудования

Защита состоится « <£2> » ¿л^-рСх^х^ 1993 г. в_^^1часов на заседании специализированного совета К 063.99.01 при Сибирском ордена Трудового Красного Знамени металлургическом институте им. Серго Орджоникидзе по адресу: 654007, г. Новокузнецк, Кемеровской области, ул. Кирова, 42

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского металлургического института им. Серго Орджоникидзе

в я

Автореферат разослан «__» ¿¿>¿>¿¿¿2^ 1993 г

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

Ю. Е. Рогов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тэаботы. В последние годы,наблюдается быстрое, развитие Сибири и Северо-Востока страны о целью, более широкого освоения богатейших источников полезных ископаемых и энергетических ресурсов. Возрастают объемы горных работ на предприятиях этих районов, добывающих ценные минералы и металлы, предъявляются более, жесткие требования к современным машинам в связи со значительным повышением интенсивности и скорости нагружения деталей, наряду, с увеличением периода райот в условиях низких температур. Одним, из главных условий повышения производительности труда является техническое перевооружение горно-обогатительных предприятий и создание мощной специализированной техники, в том числе драг, , для работы в условиях Крайнего Севера с суровыми климатическими условиями.

. В современной практике разработки россыпей наибольший удельный вес по объемам добычи занимают дражные работы. Это предопределяется тем, что в наиболее часто встречающихся условиях залегания россыпей драги обеспечивают наилучшие технико-экономические показатели. '

Одним из ответственных и нагруженных агрегатов драги является черпащий аппарат, от качества которого , во многом' зависит повышение производительности действующих' драг. Анализ использования рабочего времени драг указывает на большие- потери/из-за ремонтных работ, в связи с заменой преждевременно износившихся или-разрушившихся деталей .черпающего аппарата драги (козырыш и черпаки), изготовленных из стали ПСИЗЛ.

Повышение качества этих деталей, работавших в условиях низких температур и абразивного износа,.может быть достигнуто на основе ■усовершенствования технологии их: производства, в"первую очередь изыскания оптимального химического состава высокомарганцевых сталей и режимов термической обработки, обеспечивающих высокие.механические свойства при нормальных и низких температурах (хладостойкоеТь), а также повышенную износостойкость.

В настоящей работе проведены поисковые исследования по изучению дополнительного легирования сталей 110Г13Л и 65ГЮХ4Л хромом, никелем, молибденом, церием, ЩЗМ, ванадием и различным сочетанием их применительно к сложным толстостенным' отливкам типа дражных черпаков.

Были изучены механические свойства высокомарганцевых сталей

в толстостенных отливках при Н0рлаль1шх д: шзких .температурах, в зависимости от технологических факторов и химического-состава. Износостойкость;опытных; сталей изучаласьв лабораторных и эксплуатационных условиях, чта. поаволило' получить.достоверные данные . по -влиянию разрабашваемой технологии на .эксплуатационные. характерир-тики стали. Влияние тершческой-обработки .на основные характеристики исследовалось в зависимости от сложности конструкции отливок.,. При. изучонил сзойств высокомарганцешх сталей использовались сов-ременвде методы исследования; электронная микроскопия, высокотемпературная .металлография-, кикроренттеноструктуршй анализ, которые позволили.; бодео четко выяснить. влияние ^отдельных., элементов па по- ; ведение стали в широком температурной интервале.-Значительное место в работе-уделено металлографическому анализу, позволившему .;..'■ объяснить влияние целого ряда- технологических факторов на- служеб-ше свойства отливок. .• - • ; ят г.- ¡■г.,- ;;; "о ;

. Цель ^работы : и основные .- задачи исследований^ Повысить эксплуатационную стойкость ответственных-деталей! драг, Чдралшые черпаки) за счет дополнительного-легирования аустенитных и метастабильных высокомаргавдевых сталей. ;..:. :

. Для реализации поставленной.цели в работе;сформулированы следующие ^основные ^задачи ,1 );.постановка:.компле?сных.:исследований,, связанных; с.; изменениемяхтическргр.'состава шоокомарганцевой стали, с цельго ;улучшения ее /свойств,применительно,,К; деталям сложной фор.ы и.больше ¡сечений^ и весь-

ма. значительных нагрузок; 2) -эта чаегь исследований предускатрива-. ла изучение влияния основных компонентов сплава,-.а .также , широкого;: комплекса разлкч:шх легирую'длх элементов и модифицирующих, добавок на тонкую структуру,- .фазовый состав. и. свойства сплава при нормальной и понЕжо1Шых темгературах. -Особое внимание уделено изучению-:., влияния целочнозешдьных элементов кальция, бариг. стронция на свойства аустеритных.и метастабильных шеокомарганцевнх сталей. .; Применение природного . минерала казшдкг-барий-стронциавого карбоната позволило разработать технологию,¿обеспечивдедув повышенный комплекс-свойств. этих сталей; 3) создание ка этой основе стали, технологии и .ее термической-обработки. Испытание; сталихВ}производственных условиях и-внедрение, в практику производства.-ответственных крупных-.

ОТЛИВОК, .. • - •„••;., ■ ■ .- -.

Научная новизна. В целях увеличения ресурса металла исследо-. вано влияние на-стабильные, и метастабщьные высокомарганцевые ста-

ли легирования, модифицирования и микролегированля различными элементами (хромом, молибденом, ванаднем, титаном,-никелем, медью, бором, церием, ЩЗМ и их различными сочетаниями). При этом установ-лэш оптимальные количества легирующих добавок с точки зрения' их влияния па механические и эксплуатационные свойства стали. Установлено смещение порога хладноломкости при легировании хромом, никелем, молибденом, медью в области низких температур (до -120...140°С) вместо -50...60°С для впсокомарганцевой стали.

Показана возможность применения кальциево-бариево-стронциевого карбонт? для микролагирования сталей. Микрорентгеноспектральным анализе:., установлены остаточные содержания кальция, бария, стронция з сталях. Терлодинамическши расчетами показано, что карбонаты бария и стронция легко восстанавливаются кремнием, алюминием при обычнше их содержаниях СОД..; 0,01...0,03$ А1), а присуг-ствувдая. известь может участвовать в оилаковаяии АЛ^З и ^ Это позволяет использовать природную смесь карбонатов кальция, стронция и бария для обработки ЩЗМ, минуя процесс ее восстановления. Установлено положительное влияние кальциево-бариево-сгронциевого карбоната на комплекс структурночувствительных свойств аустенитных я метастабилызых высокомарганцевых сталей.

Практическая значимость. На основе проведенных исследований разработаны шеокомарганцевые стали (на основе 1ШПЗЛ и 65Г10Х4Л), эбеспечивающие повышенную эксплуатационную стойкость в условиях интенсивного гидроударно-абразивного износа в условиях Сибири и крайнего Севера.

Исследуемые стали отличаются повышеннш.1и прочноетшмиИшгасти-шскюли свойствами и особенно ударней вязкостью, выносливостью и нносостойкостью. Из исследуемых сталей наилучшие результаты по жегшуатационной стойкости получили дражные черпаки кз сталей ИОГГЗФЛ и 65ГЮХ4ДФЛ с дополнительной обработкой жидкого металла :альциево-бариево-стронциевым карбонатом из расчета 2...3 кг/т. [оказана возможность использования Са-Ва- карбоната в качестве кодификатора при производстве сталей разных классов. Эксшгуатащюн-гая стойкость дражных черпаков повышается в 2...2,5 раза, повышает-:я выносливость черпаков.

Годовой фактический экономический эффект от внедрения только тали П0ГТЗФ1 с обработкой Са-Ва- карбонатом составляет 30150 ублей-в ценах 1985'года.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работа

докладывались на зональной научной конференции. Структура и свойства материалов. Новокузнецк.- 1988. с.63. ХШ Всесоюзной научн.конф. по тепловой микроскопии "Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур". Каунас, 1989.-С.130-131. Областной выставке достижений НТТМ-92. Высокомарганцеше метастабильные стали.-Иркутск, 1992.

Публикации. Основные- результаты исследований опубликованы в 10 статьях и сообщениях и 4 патентах на исследуемые стали.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключение, списка использованных источников и приложений. Она содержит 18'6 страниц машинописного текста, '26 таблиц и-42 рисунков, библиографический список из 167 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе на основе изучения литературного материала рассмотрены возможности улучшения структура и свойств высокомарганцевых сталей и изготовляемых из нее толстостенных отливок.

Анализ состояния вопроса показывает, что разработка-щсокомар-ганцевых сталей, пригодных для работы при больших динамических и статических нагрузках, сильном износе и пониженных температурах, является весьма актуальной научно-технической задачей. Основные трудности обусловлены тем, что крупные толстостенные отливки сложной конфигурации эксплуатируются в тяжелых условиях и должны иметь высокие механические и технологические свойства. .

Для улучшения высокомарганцевых сталей требуется углубленное изучение влияния их состава, условий термической обработки и некоторых металлургических факторов на тонкую структуру, фазовый состав и, как следствие этого, на механические свойства и износостойкость стали при комнатной и низких температурах. Исключительно важное значение имеет изучение процесса разрушения высокомарганцевых сталей, данные о котором противоречивы. Поэтому необходимо было изучить вязкость разрушения, установить составляющие ударной вязкости (работу зарождения и развития трещины) и влияние структурных и технологических факторов на хладостойкость стали.

Исходя из того, что наблюдается тенденция эксплуатации отливок из высокомарганцевой стали в более жестких условиях, особо важной задачей явилась разработка методов существенного повышения ее износостойкости. Это потребовало постановки специальных исследований,

гак как литературные данные об ударно-гидроабразивном износе рассматриваемых сталей не только не полны, но и крайне разноречивы, а механизм изнашивания в достаточной мере еще не изучен. 3 первую очередь необходимо было выявить основной вид износа поверхностей, -подвергающихся многократному деформированию, коррозионно-механи-ческому, усталостному разрушению и микрорезанию. Значительное вни-мание-в главе уделяется литературным данным о дополнительном легировании стабильных и метасгабильных высокомарганцевых сталей. Следовало-установить-влияние легирующих элементов и модифицирующих добавок на механизм данного процесса, а также взаимосвязь между структурным состоянием и механическими свойствами стали и ее износом. Особое внимание уделено изучению влияния щелочно-земельных металлов на свойства сталей. Это вызвано тем, что появилась возможность модифицировать высокомарганцевые, стали (П0Г13Л, 65ГЮХ4Л) кальциево-бариево-стронциевым карбонатом и тем самым улучшить эксплуатационную стойкость тяжелонагруженных отливок.

Важное значение имеет исследование механизма упрочнения рассматриваемых аустенитных сталей, сведения о котором разноречивы. Систематические исследования в указанных направлениях должны способствовать созданию высокомарганцевых сталей, отвечающих современным эксплуатационным требованиям.

Во второй главе описаны методы исследования. Для решения поставленной задачи использовали опытно-промышленные стали, получаемые на основе фракционной разливки металла. В связи со сложностью изучаемых вопросов применяли различные методы изучения структуры и фазовых превращений.

Исследование сталей.проводили методами оптической-и электронной микроскопии, рентгенографии (рентгенострукгурный анализ, микрорентгенография, микрорентгеноспектральный анализ), высокотемпературной металлографии, фазового анализа.

Распределение концентраций легирующих элементов и состав неметаллических включений определялись на микрозонде "Супериро6-733" и М -46 ("СагпессР), анализ включал информацию трех видов: I) элементный состав с полуколичественной оценкой содержания элементов; 2) распределение элементов по поверхности образца вдоль определенного направления; 3) качественную картину распределения элементов по поверхности анализируемого участка (топография распределения) ' при сканировании электронного зонда.

При определении количественного состава проводилось измере-

ние относительной интенсивности аналитических линий элементов исследуемых сталей.

Механические исштания сталей проводили при комнатной (+20°С), и низких (до -196°С) температурах. Исследованию подвергались не только образца экспериментальных сталей, но и образцы опытных изделий, в частности, из различных сечений толстостенных отливок. С целью исследования процесса разрушения особое внимание уделено разделению ударюй вязкости на ее составляющие, а также методами осциллографии и скоростной киносъемки с синхронной фоторегистрацией осциллограмм при разрушении образцов на копре ПСВ0-30. Это позволило более точно определить границы раздела работы зарождения и распространения трещины.

Износостойкость исследовалась несколькими методами моделирования ударно-абразивного и гидро-абразивного изнашивания. Гидроабразивное изнашивание проводили на испытательном приборе ПРУ-1 (ИМАШ). Образцы испытывалзсь в водопесчаной среде с объемным содер-яанием кварцевого песка более 60$. Размеры абразивных частиц составляли 0,63 мм. Испытывались стали марок 110Г13Л, ПОИЗФЛ, 65ГЮХ4Л, 65ГЮХ4ДБЛ.- Ударно-абразивное изнашивание выполняли на стане СТ-1. При помощи упруго-абразивной поверхности моделировали грунты, распространенные в условиях эксплуатации.

Трещиностойкость определяли при циклическом нагругении с помощью кинетической диаграммы усталостного разрушения (КДУР), которая показывает зависимость скорости роста трещины от размаха коэффициента интенсивности напряжений цикла. Помимо определения износа образцов исследуемых сталей в лабораторных условиях изучена износостойкость крупных отливок различного химического состава непосредственно в эксплуатационных условиях. Оптимальные составы проверялась при эксплуатации 250...600 литровых драг, работакщих в тякелых горногеологических условиях Севера.

В третьей главе показаны условия эксплуатации драг на предприятиях: Сибири и Северо-Востока страны. Рассмотрено состояние и перспективы развития дражного способа разработки месторождений, показатели работы драг и их зависимость от надежности и долговечности черпамцих аппаратов и других механизмов и агрегатов. Показано, что в настоящее время созданы благоприятные условия- для дальнейшего развития дражного способа, как наиболее экономически выгодного, а в некоторых случаях единственно возможного способа разработки россыпей. Причинами этого являются: I. Изготовление отечественным

машиностроением гаммы драг с емкостью чердака ВО, 150, 250, 380. 400, 6С0 литров и различной глубиной черпания, что дает возможность проектным организациям принимать наиболее экономический вариант обработки каждой конкретной россыпи и резко сократить начальные капитальные затраты; 2. Высокий уровень механизации , поточность технологически операций и возможность дистанционного управления, создащие реальные предпосылки комплексной автоматизации драг, контроля процесса п управления драгированием; 3. Значительное развитие энергетики з северных и восточных районах страны, обеспечившее благоприятные условия для использования созрокзншх крупно-литражных драг.

Б территориально;. отношении драгл преимущественно размещаются в районах сурового климата, резко снпяаяцзго продслхитзльностз дражного сезона и создающего тяжелый условия для работа металла и механизмов. Поэтому особое значение приобретает погашение надежности дражного оборудования. Между тем, по данным специализированных институтов, драги 1-.;эют больше внеплановые престол, ?0___75/1

которых приходится на ремонтные работы, в основном по замене лрездеврзшнно язносавзпхся черпаков и ксзырьхсв. Например, анализ работы драг /Л "Адданзодото" показывает,что простои драг составляют от 15 до 35^ ст чистой работы за сезон и прзсблздапг.ая часть времени простоев приходится на ремонт черпаксзой цеяп, большое зсжгеествО дотатой которой изготовляется из шсококаргакцевсй стели П0П3.1.

Изложенное подчеркивает важность и актуальность работ яо по-выиешш характеристик этой стали.

3 четвертой главе исследовано влияние леглрованаа и модефяци-Еуицих добавок на структуру и свойства стабильных к натастабдльяпс зысоксмарганцезь'х сталей.

В долях псвшаэнкя рзоурса крупногабаритна, отлпзох изучено злаяяю дополнительного легирования внсог.огл1.га1.1;звой стали (хромом, молибденом, никелем), а также модп5;:цтФУК>:;кх добавок (титана, бора, цорпя). Установлено, что х?с:л (до 3,5$) повышает прочностные свойства, однако при этом сдаяаотея пластические характеристики и, особенно ударная 'вязкость. г1:п:ель слабо изменяет прочность, но значительно улучшает пластические свойства й удерпус вязкость; с увеличением содзрпгаш никеля до 3^53 ударная вязкость существенно аозрастгзт, достигая 28...30 ВДг/к*. При кскллоксяом легировании хромом ;: никелем (в cywve до 7%) прочностные сзсйства

улучшаются, пластические свойства изменяются незначительно, а ударная вязкость снижается. При содержании хрома и никеля до•4$ (2$ хрома + 2$ никеля) ударная вязкость составляет лишь 1,2Щж/м2 по сравнению с 2,8 ¡УЩд/м2 при 1$-ном суммарном содержании этих элементов. Молибден при содержании 0,2...0,6$ повышает предел прочности, не влияя на предел текучести. Пластические свойства с увеличением содержания молибдена снижаются.

Никель, хром, титан в оптимальных количествах улучшают хла-достойкость стали. В высокомарганцевой стали с содержанием до 2$ хрома порог хладноломкости смещается в область .температур -100°С, а с повышением содержания хрома до 3,5 т- 60°С. Никель влияет на ударную вязкость стали при пониженных температурах сильнее хрома: порог хладноломкости стали с содержанием никеля 2% находится ниже - Ю0°С, а с увеличением содержания никеля до 3,5$ достигает -180°С.

При комплексном легировании стали хромом и никелем порог хладноломкости смещается к -120, -140°С, но при высоком содержании этих элементов (3,5$ + 3,5$ Сг, )-ударная' вязкость во всем интервале температур снижается, хотя порог хладноломкости остается в той хе температурной"области.

Механические свойства повышаются в зависимости от легирования и степени раскисления. При комплексном легировании хромом (.1,0%) и никелем (1,0$) в сочетании с обработкой алюминием и титаном несколько возрастают прочностные и пластические свойства. При легировании стали ванадием (0,3$) наблюдается повышение свойств:

- 755 ЙБа; 500 МПа; б*- 30$; У- 29,4%; КСЦ, - 1,98

ВДж/мЧ Последующая обработка металла Са-Ва- §г карбонатом позволяет существенно улучшить весь комплекс механических свойств: -785 МПа; 600 МПа; 43,0$; 29,4$; КСИ- - 2,92ГДЦж/м^

Установлены оптимальные концентрации молибдена, обеспечивающие повышение хладостойкости. стали. Для структур сталей с содержанием 0.5$ молибдена характерна большая плотность в расположении следов линий скольжения даже при температуре испытаний -Ю0°С.

Исследовалось влияние на высокомарганцевую сталь ряда модифицирующих .и микролегирующих элементов. Модифицирование титаном оказывает положительное влияние, также как и совместное легирование титаном и бором (в количестве 0,05$Ть и 0,001$ В). Микролегирование сказывается более эффективно на ударной вязкости при низких температурах.

Добавки кальция (0,1$) и бора-(0,001$) смещают ход кривой-хладноломкости высокомарганцевой стали в область более низких температур (с -60° до -100°С). Показано, что введение 0,1$ церия не оказывает значительного влияния на хладостойкость металла. В слу-

кости смещается до -120°С. К наиболее перспективным процессам модифицирования следует отнести комплексную обработку стали ванадием в сочетании с калытево-башево-сттюнциевым катэбонатом. В этом

ударная

рование высокомарганцевой стали приводит, к уменьшению областей когерентного рассеяния и увеличению плотности дислокаций и. соответственно, к увеличению прочности стали. Характерно образование <Л - фазы в зоне излома при разрушении высокомарганцевой стали различного состава в области низких температур.

Помимо микрорентгенографии, распределение элементов в стали изучалось методом локального рентгзноспектрального анализа (электронный микрозонд М§-46 " Саше/ОД").. Показано обогащение границ зерна марганцем (К(/,4 линия Мп), хромал (К линия Съ ) и углеродом. Таким образом, четко установлено, что в высокомарганцевой стали наблюдается химическая неоднородность.

Проведено исследование неметаллических включений и их влияния на свойства высокомарганцевой стали. При исследовании неметаллических включений, наряду, с обычными методами, применен локальный рентгеноспектр&льный анализ. Приведены кривые распределения концентраций железа, марганца, кремния, кислорода, титана в неметаллических включениях характерных для этой стали. В зависимости от степени раскисления показана связь медцу содержанием неметаллических включений и механическими свойствами: при оптимальной степени раскисления повышаются механические свойства.

В настоящее время активно исследуится метастабильные высокомарганцевые стали. Исследовали влияние дополнительного легирования на сталях 65ГЮХ4Л, 65И0Х4ДП, 65И0Х4Н1, 65ГЮХ4ДБ1, 65Г10Х4ДФЛ. Опытные стали выплавляли в 3-х тонной электродуговой печи и заливали отливки сложной формы весом 1...2 тонны (дражные черпаки), которые после термообработки проходили эксплуатационные испытания на драгах разной мощности. Механические свойства приведены в табл.1. Повышенный комплекс механических свойств при дополнительном легировании карбидообразукщими элементами объясняется измельчением

чае добавки в металл 0,2$

церия порог хладнолом-

случае

Таблица I

Механические свойства внсокошрганцевах метаотабилышт аустенитных сталей

Марка стали

Механические свойства

6t № f% Ц>% Ш Ш/vF

65Г1Х4Л

65ГЮХ4Д11

65ГЮХ4НЛ

65ПШ4ДБЛ

65И0Х4ДИ

689 490 12 16 1,18

740 510 24 26 2,20

743 523 '22 26 2,18

754 536 25 27 2,22

750 550 26 28 2,23

зерна аустеннта, образованием тонкой субструктуры зерна и палгчием келкодисперсных карбидов, значительно повшшщах износостойкость стали. Исследование поверхностных слоев ренуцих кромок драяных черпаков после эксплуатации (рентгешсгрук'гуршй анализ) показало, что механизм этрго упрочнения определяется дефорлациошгм упрочнением при наклепе (физическая ширина р рентгеновской дифракционной линии (111)1/ увеличивается в 1,8...2раза) и образованием мартенсита деформации в мзтасгабильных высокомарганцезых сталях.

Изучена структура поверхностей пзназгдзанкя в зависимости от категории грунта. С повышением категории грунта наблюдается большое количество пачек скольяеная с болъша: числом пересечений, следу более грубые, у границ зерен наблюдается повышенная плотность сдвкгоз. Изучение поверхностей Езнашваккя на растровок электронном микроскопе показало, что процесс износа характеризуется механизмами шкрорезаяия, выкраивания, коррозпошю-г.еханлческогс растрззкзвашя, реализуешь в условиях ударно-гидроабразгвного износа ;; циклических нагрузок. Проведены усталостные испытания; при высохз: частотах нагруяенля образованно мартенсита деформации не установлено. Прл дсшггашях в условиях повторно- статического нагрулэния структура металла испытывает воздействие упруго-пластической деформации, что способствует образованию (^'-мартенсита деформации. Показаны оптимальные количества ф-фазн (не более 12...15^). Шштенное содераакке <j\-картенскта деформации вазнгае? охрупчквашхе вследствие образования мартецоитпых. прослоек.

Кроме изучопгя износостойкости в лабораторных ysxoszzx ::рот;з-

цены испытания опытных деталей черпающего аппарата драг, работающих на различных категориях грунтов в объединениях "Лензолото" 1 "Амурзолото". Наилучшие результаты получены для черпаков и полувтулок отлитых из сталей П0Г12М, ПОП ЗИЛ, 60ПОХ4НЛ, 65ГЮХ4Д5Л

о

(абсолютный износ 0,100...0,115 мм за 1000 и породы для стали П0Г13М против 0,141.. .0,153 мм для сгали П0Г13Л). Результаты анализа данных структурных исследований показывает, что максимальное сопротивление изнашиванию достигается в случае, если реализуется оба механизма упрочнения высокомарганцевых стэлей - деформационное упрочнение аустенита и мартенситное превращение.

В пятой главе приведены результаты изучения влияния на структуру и свойства сталей кальциево-бариево-сгронциевого карбоната (пр1роднкй минерал).

Вшлавка сталей 110ГТЗЛ, 65ГЮХ4ДЯ с добавками карбоната лроизводилась в 3-х генной электродуговой электропечи, а сталь марки 40Хй в 10-тонной олектродуговой печи. После окончательного раскисления металла в печи карбонат подавали в виде мелких кусков (30x30.мм) в печь или под струя металла при наполнении ковша емкостью 3,0 и 10 тонн. Все добавки вводили как расчетные из-за отсутствия методов их определения в металле. В опытных стали П0Г13Л и 65ГЮХ4Д5Л остаточное содержание Ca, Ва, определялось на микроанализаторе "Суперпроб-733" (Япония).

Изучение структуры и свойств металла высоксиарганцевых сталей проводили на темллетах, вырезанные из отливок 80- и 250-ли?роеых драаньх черпаков или на приливных проб»:, расположенных з нинкй части отливки драднюс черпаков« Микролегирование с-гали марки 40ХН проводили в Ю-гоннсм ковше, карбонат давали под струю металла в ковш прл разлизке стали. Разливку стачи проводили сифеном в изложницы развесе« 2 гоннн. Слитки подвергались свободной ковке, отковывали обрасци-пскозки диаметром 250 мм с последующей термической обработкой (сакадка 640°С, масло, отпуск 580°С, кйсло).

Механические свойства сталей различные классов с добавками стропций-кальциевсго-бараевсго карбоната приведены з табл. 2. Как видно из табл. 2 обработка кальциево-барлезо-сгронцпезш карбонат см зачетно улучгаег показатели механических свойств.

Более подробно изучено влияние карбонзха па свойства высоко-марганцевистой сгали ПОЛЗЯ. Карбона? вводили или в ковш или в печь в пернсп, раскисления. От каждой плавки изучили механические свойства от гслегк? сечений отливе:* (драккне черпаки, пелузтулки

Таблица 2

Механические свойства сталей с добавками стронций-калиево-бариевого карбоната

Кол-во Механические свойства Марка стали ^ " V ~ ~ ~ "Щ

1Т0ННУ О- Г ВДж/ьГ от

(Сг {Ша МЦа % % +20 -20 -40 -60 ^

НОПЗЛ без до- 600 410 25,0 32,0 1,8 1,8 1,6 1,2 207 бавок

ПОПЗЛ 4,0 755 453 33,7 32,2 3,1 3,0 3,0 2,5 197

65Г10Х4Д1 2,0 723 610 31,3 35,8 3,5 2,1 1,5 1,5 285

600-литрового черпака и др. детали.)

Как видно из табл. 2 механические свойства сталей с добавками карбоната отличаются от сталей, выплавленных-по принятой на заводе технологии. Прочностные свойства находятся на уровне -650...780 МПа и (Го1 - 430...550 МПа (против -600 МПа и 400 Ша по инструкции для стали ПОИЗЛ). Пластические свойства б1 - 25. ..30$ и 25... 35$ (против (Г-20$ и Ф - 20$ для стали Н0Г13ФЛ с ванадинм). Особенно сильно возрастает ударная вязкость, достигающая в некоторых случаях 3,0 ВДж/м2 по сравнению с установленной инструкцией завода ударной вязкостью (1,8 МЦж/н2).

Изучены механические свойства высокомарганцевой стали, различающейся модифицированием ванадием, и в комплексе ванадием и стронций-барий-кальциевым карбонатом по сравнению с рядовой высокомарганцевой сталью. Усредненные данные механических свойств 300 промышленных плавок подтвердили ранее нами полученные данные. Дополнительное легирование высокомарганцевой стали с ванадием в комплексе с барием, кальцием и стронцием позволяет резко повысить предел прочности ( 0^-ЭОО Ша) против 600 МПа для рядовой стали и соответственно 600 МПа и 450 МПа). Значительно повышаются показатели относительного удлинения (45$), а показатели относительного сжатия остались на прежнем уровне. Ударная'вязкость резко возрастает и стабильно находится на уровне-2,80.-..3,0 МДж/м2.

При изучении способности металла к сопротивлению хрупким разрушениям был использован метод осциллографической записи результатов ударных образцов на копре ПСВ0-30. Предварительно было проведено испытание серии образцов, деформированных на различный угол загиба. Деформированные образны подвергались металлографи-

чес.окму анализу, посредством которого фиксировалось появление трещин и дальнейший их рост в зависимости от угла^ загиба.

Произведено разделение ударной вязкости на ее составляющие КС =КС »НС по данным испытаний на копре ПСВ0-30. Установлено, что работа зарождения трещины составляет величину порядка_0,6 ВДл/м^ С понижением температуры одновременно уменьшаются ударная вязкость стали И;величина работы распространения трещины (КС ).

В целях повышения точности определения границ раздела работы зарождения и распространения трещины изучен процесс разрушения стали Гадфильда методом.скоростной киносъемки (6000 с

синхронной фоторегистрацией осциллограмм на копре ПСВО-ЗО с маятником специальной конструкции. Двухканальный осциллограф; позволяет получить диаграмму разрушения с метками времени (интервал 100 микросекунд). Простым подсчетам числа кадров нами установлено, что длительность периода от начала нагрукения до появления трещины, при температуре испытания около -40°С, составляет примерно 1000 микросекунд, а весь процесс укладывается'в 3000 микросекунд. Методом подобия определяли составляющие ударной вязкости работы зарождения и распространения трещины.

В целом исследовательские данные показывают, что ниэкофосфо-рисгая сталь с добавками щелочно-земельных элементов обладает более высокой ударной вязкостью и повышенным сопротивлением распространению трещин при низких температурах, хотя разрушение во всех, случаях проходит по границам -зерен.■

Одной из важнейших характеристик склонности материала и хрупкому разрушению является вязкость разрушения, определяющая тот максимально допустимый размер трещины, который материал выдерживает без разрушения.

Анализ кинетических диаграмм усталостного разрушения высокомарганцевых сталей, подвергнутых обычной термической обработке, показал более высокий уровень сопротивления, распространению, трещины мегасгабильной дополнительно легированной хромомарганцевой стали 65Г10Х4ДБЛ по сравнению со сталями 65ГЮХ4Л и П0Г13Л. Более высокая грещиносгойкость этой стали объясняется образованием в процессе пластической деформации аустенита оптимального количества зысоко.дисперсионного мартенсита деформаций, упрочняющего зону своего образования и препятствующего дальнейшему сосредоточению в ней деформации. Таким образом, вовлекаются в деформацию и затем упрочняются соседние участки материала. Благоприятное влияние на соиро-

тивленш разрушению оказывает при этом релаксация напряжений, а также более мелкозернистая структура хромомарганцевой метастабкль-ной стали 65Г10Х4ДБЛ (180...200 мкм) по сравнению с базовым вариантом - сталью 65TI0X4JI (200...250 мкм) и шсоксмарганцеьой стабильной сталью 110Г13Л (300. . .325 шм). Изучением развития усталостного разрукелея стали 65Г10Х4Л и стали 110Г13Л выявили, что начальный этап разрушения метастабильной стали протекает менее интенсивно, а затем образование значительного количества fr- фалы затрудняет пластическое течение и, следовательно, укенызает вязкость разрушения. В"настоящее время практически нэ существует систематических исследований влияния легирующих элементов на вязкость разрушения сталей. Это влияние аналогично влиянию леги-

рования на температуры хладноломкости. Как показывает анализ ВДУР, введение аустэнитостабилизирущэго элемента (меди) повышает 'грз-щиностойкость хромомаргатзцзвэго аустекита стали 65Г10Х4Л.

Рассмотрена термодинамика восстановления бария, кальция алшинием и кремнием. Показана возможность использования минерала карбоната, в качестве модификатора при производстве высокомарганцевых сталей.

В шестой главе приведены результаты исследования, разработки и внедрения технологии производства внсокшаргаяцевой стали. •

Важным технологическим фактором, опрзделяшим улучшение свойств стали, являотся снижение газснасыщэнности металла. В работе рассмотрены основные причины водородокшаценноотЕ металла. Эксле-рамэнтальзая работа по определению водорода проводилась на сталях, выплавленных в I,5-тонной элзктродуговой печи. Кроме технологических факторов, значительное влияние ыа водородозагащэнность стали оказывает содержание водорода в ферромарганце.

Показано, что содержание водорода более 10 мд/IOO г резко ухудпазт качество литья. Для снахзняя газоаасздэстости металла, помимо известнах технологических способов, проведены опыты по дегазации и рафинированию внеокомаргакцевой стали методом вкепзчной продувки метачла инертаами .газани (аргоном), прг этом газонасыг,ен-ность металла унзньпабгся па 25...30%, уменьшается количество не-мэталлическип включений, что положительно влияет на механические свойства.

Изучено влияние химического состава Елака на механические свойства стает. По результатам -статической обработки злаков выявлена зависимость можцу содержанием закиси марганца в шлаке и за-

кисью марганца в стали; поваленное содержание закиси марганца в шлаке способствует увеличению закиси марганца в стали. Показано, что увеличение содержания закиси марганца приводит к огрублении границ зерен аустенита за счет выделения ее на болыдеуглолых границах.

Установлена закономерность изменения ударной вязкости в зависимости от температур! заливки. Особый интерес представляют полученные данные об изменении механических свойств, видов излома, размера зерна в центральных частях толстостенных отливок С от 150 до 70 мм). При оптимальных условиях литья низкофосфористой высокомарганцевой стали получены в толстых сечепиях высокие механические свойства и удовлетворительный размер зерна; в сердцевине при сечении равном 160 мм (f. =700 Ша; (^^=500 Ша; (У =35$; KClfc=2,2...2,7 №/м2.

Изучены режимы термической обработки и по данным анализа структуры и свойств разработан' технологический процесс термический обработки толстостенных крупных деталей, процессов

Внедрение на заводе новых технологических^для деталей чер-' папдего аппарата драг (дражных черпаков, козырьков, полувтулок) позволило увеличить их срок службы в 1,5...2,0 раза.

В результате выполнения работы предложены и внедрены сле-дущие технологические процессы:

1. Оптимизация химического состава стали 65П0Х4Л ( дополнительное легирование 1,0$ медью, 0,25$ ванадия);

2. Предложено и освоено производство сталей ИОИЗДЛ, 65Г10Х4ДФЛ с дополнительной обработкой жидкого металла кальциево-бариево-стронциевым карбонатом.

На основании актов ПО "Лензолото" по эксплуатации дражных черпаков установлено повышение срока службы дражных черпаков, отлитых из стали 65Г10Х4ДФЛ. Дражные черпаки были установлены в цепь в августе 1989 г. и находились в эксплуатации по август 1992г. на драге № 114 прииска "Светлый" объединения "Лензолото", в сложных горногеологических условиях. За этот период времени было выбрано 1.252 тыс.куб.м. грунта Ш-1У категории за 9799 часов работа драги. Износ режущей части опытных дражных черпаков составил 60...80 мм, а износ черпаков из стали стандартного состава 120... 150 км. В пересчете на 1000 м3 грунта для опзтннх дражных черпаков износ составил 10...15 мм, а для обычных 30...45 мм.

Целесообразно заменить сталь П0Г13Л па сталь 65Г10Х4ДФЛ и

проводя расчет экономической эффективности по методике, применяемой в тяжелом машиностроении - экономия на одну дражную цепь составил I млн руб. в ценах 1985 г.

3. Освоение технологии обработки стали ПОП31 кальциево-бариево-стронциевым карбонатом. Дражные черпаки отличаются высокими показателями механических свойств и, особенно ударной вязкостью (КСИ 3,0 МДя/м2), вязкостью разрушения, выносливостью, экономи-- ческлй эффект и акт внедрения (типовая меадуведомственная форма Р-10) прилагается,Внономический эффект составляет только на 600-литровую драгу 30150 руб (в ценах 1985 г.).

основные вывода ■

Конкретные результаты работы заключаются в следунцем:

1. Изучены возможности улучшения механических и эксплуатационных свойств высокомарганцевых сталей для толстостенных отливок, работающих при больших нагрузках и ударно-гидроабразивном износе. Исследования проведены в связи с необходимостью существенного повышения надежности и долговечности ответственных деталей оборудования, используемого в условиях сурового климата Крайнего Севера и Сибири.

2. Установлены закономерности изменения структуры и свойств стали в зависимости от содержания в ней основных компонентов, условий термической обработки и некоторых металлургических факторов.

На основании экспериментальных данных установлен оптимальный химический состав сталей и режим термическсй обработки для отливок специального назначения.

3. В целях увеличения ресурса металла исследовано влияние на стабильнее и метастабилыше высокомарганцевые стали легирования,, модифицирования и микролегирования различными элементами (хромом, молибденом, ванадием, титаном, никелем, медью, бором, церием, ЩЗМ и их различными сочетаниями.). При этом установлены оптимальные количества легирующих добавок с-точки зрения их влияния, на механические и* эксплуатационные свойства стали. Установлено смещение порога хладноломкости при легировании хромом, никелем, молибденом, медью в области низких температур (до -120... 140°С) вместо -50...60°С для высокомарганцевой стали.

4. Показана возножность применения кальциево-бариево-стронциевого карбоната для микролегирования сталей. Микрорентгеноспектраль-ным анализом установлены остаточные содержания кальция, бария,

стронция в сталях. -Термодинамическими расчетам показано, что карбонаты бария и стронция легко восстанавливаются кремнием, алюминием при обычных их содержаниях (0,1.; 0,01... 0,03$ AI), а присутствующая известь может участвовать в ошлако-вании AI20g и Sl02. Это позволяет использовать природную смес! карбонатов кальция, стронция и бария для обработки ЩЗМ, минуя процесс ее восстановления. Установлено положительное влияние кальциево-бариево-стронцлевого карбоната на комплекс структурно-чувствительных свойств аустенитннх и метастабильных высокомарганцевых сталей.

5. На 150 промышленных плавках установлено повышение механических свойств стали с ванадием (0,25...0,35$) и на 300 промышленных плавках обработанными кальциево-бариево-стронциевым карбонатом (I...2 кг/т): бе- 750. ..790 МПа; (J^-520 МПа, ударная вязкость КСИ - 2,5...3,0 ВДж/м2. Легирование стабильных (II0TI3I) и

метастабильных (65ГЮХ4ДЛ) ванадием.и ЩЗМ (Са-Ва- карбонат) внедрено в производство с положительным экономическим эффектом. На разработанные стали П0Г13Л и 65Г10Х4ДФЛ с обработкоц ЩЗМ (Са-Ва- карбонат) получены патенты № 5017324/02 от 01.07.91 и № 4918830/02 от 14.03.91, проведены длительные эксплуатационные испытания в условиях ПО "Лензолото", показавшие значительные преимущества по сравнению со стойкостью деталей из стандартной высокомарганцевой стали 1ЮГ13Л. Метастабильные стали, легированные в комплексе аустенитизирующими (медь), карбидообразую-щими (ванадий) с ЩЗМ повышают эксплуатационную стойкость в 2,5 раза по сравнению со сталью 1ЮГ13Л.

6. Методом микрорентгеноспектрального анализа исследован характер распределения легирующих элементов в стали и возможность устранения химической неоднородности за счет термической обработки.

7. Показано, что основным видом износа высоконарганцевой стали в условиях горнорудной промышленности является ударно-гидроабразивный износ. Установлено, что в активном слое поверхности изнашивания, по данным рентгеновского анализа, уменьшаются размеры областей когерентного рассеяния, увеличивается плотность дислокаций и микродеформацш. Кроме этого, в исследуемом слое установлено образование мартенсита деформации и фазы). Установлена зависимость количества мартенсита деформации в метастабильных сталях от прилагаемых нагрузок. На рабочих поверхностях дралиых черпаков выявлено образование (j^ - мартенсита де

формации в количестве 25___30$.

8. Установлены оптимальные режимы термической обработки для стали П0Г131 (заз.1050°С, вода) и 65Г10Х4Д1 (зак.И75°С, вода), обеспечиващие аустенитную структуру в толстых снчениях отливок.

9. Изучено влияние химического состава и термической обработки

на вязкость разрушения стабильшх и метастабильных сталей. Проведено разделение ударной вязкости на ее составлялцие КСИ3 и КСИр методом осциллографии с применением высокоскоростной киносъемки. Установлено, что доля ударной работы, приходящийся на процесс развития трещины, составляет 70?.

10.В связи с изысканием путей повышения эксплуатационной стойкости высокомарганцевой стали изучено влияние на ее структуру и свойства ряда технологических и металлургических факторов, в том числе, газонасыщенности металла, неметаллических включений (МаО, ГеО), условий разливки металла и термической обработки. Изучены также причины образования трещин; показано влияние литейных дефектов (усадочные явления, газовая пористость), ини-циирупцих процесс разрушения крупных отливок.

Внедрение улучшенной технологии и существенное повышение прочности и износостойкости стали позволило получить экономический эффект 30150 рублей в ценах 1985 года.

Основные результаты работы опубликованы в следующих статьях:

1. Черняк С.С., Агрцзков Л.Е., Кострубова И.И., Ромен Б.М..Левин Б.М. Распределение неметаллических включений в высокомарганцевой стати. //Сб. материалов зональной научной конференции.

С трут.тура и свойства материалов /НИМ.-Новокузнецк.- I988-.C.63.

2. Черняк С.С., Кострубова И.И., Ромен Б.М., Пвакин В.Л., Левин Б.М. Структура и свойства высокомарганцешх сталей, используемых в горной промышленности //Сб. тезисов докладов ХШ Всесоюзн. научн. техн.конф. по тепловой микроскопии "Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур.- Каунас, I989.-C.I30-I3I.

3. Черняк С.С., Кочетков B.C., Кострубова И.И., Агрызков Л.Е.,) Ромен Б.М., Нюренберг М.М., Ивакин В.Л., Левин Б.М., Повышение комплекса механических свойств отливок из высокомарганцевой стали //Информ. !е 88-16.- Иркутск, ЦНТИ, 1988.- 4 с.

4. Авторское свидетельство ß 4607015/27-02 (159760) от 23.05.89г. "Сталь" /Иркутский институт инженеров жел.дор.транспорта; авт. Черняк С.С..Кочетков B.C., Левин Б.М..Кострубова И.И.,Ромен Б.М. Нюренберг М.М.

5. Черняк С.С., Кострубова И.И., Ромэн Б.М., Ивакин В.Л., Габов С.С. Агхызков Л.Е. Патент"Оталь № 5017324/02 (057983) 01.07.91.

6. Чэрияк С.С., Кострубова И.И., Ромен Б.М., Патент "Сталь" № 4918830/02 (022584) от 14.03.91.

7. Толстогузов Н.В., Черняк С.С., Ромэн Б.М., Иваккн В.Л.

Патент Брикет для раскисления я модифицирования стали и чугуна. № 5062018 от 10.09.92 М KI5 С22С 35/00.

8. Черняк С.С., Кочетков B.C., Ромен Б.М. Повышение комплекса механических свойств отливок из высокомарганцевой стали.- ЦООНТЯ-ЦНИИТЭИТЯШАШ, Иркутск, 1988.

9. Черняк С.С., Левин Б.М., Ромен Б.М. Структура и свойства мета-стабильной аустенитной стали 60ГЮХ4НЛ //Структура и свойства упрочненных конструкционных материалов //Новосибирск. 1990.-С. 22-26.

10. Черняк С.С., Кострубова И.И., Ромен Б.М., Ивакин B.JT., Агрызков Л.Е. Влияние дополнительного легирования метастабиль-шх аустенитных сталей на эксплуатационную стойкость.-

Изв. вузов, 1992, (принято в печать).

11. Черняк С.С., Ромен Б.М., Ивакин В.Л. и др. Способ модифицирования металлов и сплавов. Патент № 930I34I3 от 7.04.93.

Тираж НО. Заказ 1692

Иркутский Дом печати г. Иркутск, ул. Советская, 109.