Выбор оптимального химического состава стали 20 гл для отливок железнодорожного транспорта

Размещено на http://www.allbest.ru/

10

Технология, инструменты и оборудование

машиностроительных производств

Выбор оптимального химического состава стали 20 гл для отливок железнодорожного транспорта

УДК 621.74:681.3

И.К. Кульбовский, Ю.М. Иващенков

Исследованы зависимости между механическими свойствами стали 20ГЛ и ее химическим составом. Определены математические зависимости и уравнения регрессии с использованием программы Excel.

На структурообразование стали и формирование ее механических и эксплуатационных свойств влияют множество факторов, параметров и процессов, как внешних, так и внутренних, происходящих на макро- и микроуровнях. Одним из важнейших факторов является химический состав.

Влияние элементов на механические свойства литого технического железа после нормализации и отпуска представлено на рис. 1 [1].

Из рисунка видно, что эффективными легирующими элементами, повышающими предел прочности феррита, являются: углерод, хром, молибден, медь, кремний и марганец. Значительное увеличение предела прочности дают вольфрам и никель.

По результатам исследований, для достижения хорошего сочетания механических свойств литых конструкционных малоуглеродистых, хорошо сваривающихся сталей содержание легирующих добавок в них должно быть следующим (в %): 0,12-0,18 С; 0,2-0,6 Si; 1,2-2,0 Мn; 0,8-2,0 Ni; 1,0-1,5 Сг; 0,6-1,5 Сu; 0,2-0,4 Мо; 0,2-0,4 W; 0,05-0,1 А1; 0,1-0,2 V; 0,05-0,1 Nb; 0,05-0,1 Ti; 0,05-0,1 Zr; 0,15-0,20 Се; 0,003-0,005 В; не более 0,03 Р и менее 0,03 S.

Приведенные данные относятся к раздельному влиянию каждого элемента.

Анализ показал, что нет однозначного мнения о комплексном влиянии различных элементов состава стали на формирование структуры и свойств отливок. Это касается как легирующих, так и сопутствующих, постоянно содержащихся в стали элементов: C, Mn, Si, S, P, Al, Ca. Особенно важно знать их оптимальное сочетание для комплексного повышения свойств стальных отливок. Важное влияние оказывают на свойства стали микропримеси, вносимые как при раскислении, так и при микролегировании и модифицировании стали. В последнее время все больше внимания уделяется применению этих технологических процессов для повышения свойств стали, однако пока нет достоверных данных для промышленного их применения, что может служить задачей проведения таких исследований.

Для технических сплавов представляется необходимым исследование комплексного влияния элементов.

Для отливок железнодорожного транспорта широко применяется сталь 20ГЛ.

Среди химических элементов, входящих в состав стали 20ГЛ и имеющих относительно широкий интервал варьирования в рамках ГОСТа и ТУ, а также оказывающих значительное влияние на микроструктуру и свойства стали, были выбраны С, Mn, Al, Si, Cа, вводимый в виде СaSi, и модификатор КЦеЖ, содержащий Се, проявляющий сильное нитридообразующее действие.

Свойства стали 20ГЛ после нормализации должны быть (по ТУ завода и ГОСТ 22703 - 91) следующие: у_т = 290-370 МПа, у_в = 490-520 МПа, д 18 %, ш 25 %, KCU ? 0,25 МДж/м².

Химический состав стали 20ГЛ по ТУ завода представлен в табл. 1.

Задача состояла в разработке методики, позволяющей выбирать оптимальное сочетание содержания элементов, обеспечивающее свойства стали 20ГЛ не ниже требований ТУ.

Рис.1. Влияние добавок различных элементов на механические свойства технического железа; содержание легирующего элемента Е, %: а - до 0,6; б - до 3,0; в - до 5,0

Для исследования комплексного влияния элементов на сталь 20ГЛ были выполнены лабораторные плавки в индукционной электропечи с кислым тиглем (табл. 3) с применением математического метода планирования эксперимента (плана ДФЭ 2^5-2), позволяющего достигать желаемого результата при проведении минимального количества опытов.

При составлении плана ДФЭ 2^5-2 (табл. 2) изменение содержания С, Mn, Al от нижнего (-1) к верхнему (+1) уровню принимали в соответствии с требованиями ТУ на химический состав стали 20ГЛ (табл. 1), изменение содержания CaSi - по заводскому техпроцессу.

Изменение содержания модификатора КЦеЖ в плане является объектом исследования, направленного на поиск оптимального его количества, обеспечивающего повышение свойств стали 20ГЛ, поэтому его принимали на основании предварительных опытно-промышленных исследований.

Таблица 1

Химический состав стали 20ГЛ по ТУ завода

* По требованиям ТУ ? (P+S) 0,06.

Таблица 2

План ДФЭ 2^5-2 для оптимизации состава стали 20ГЛ

Математическая зависимость, получаемая при реализации плана ДФЭ 2^5-2, имеет вид

y_i = b₀ + b₁x₁ + b₂x₂ + b₃x₃ + b₄x₄ + b₅x₅ + b₁₂x₁x₂ + b₁₃x₁x₃.

По экспериментальным данным (табл. 3) вывели уравнения регрессии, показывающие совокупное влияние всех элементов на предел текучести (у_т), предел прочности (у_в), относительное удлинение (д) и относительное сужение (ш) стали 20ГЛ.

у_т = 33,3 + 3,2C + 3,7Mn + 0,31КЦеЖ - 0,81CaSi + 0,31Al +

+ 1,53CMn - 0,8CКЦеЖ, МПа; (1)

у_в = 53 + 3,7C + 2,8Mn + 2КЦеЖ - 1CaSi + 0,5Al + 0,5CMn -

- 0,25СКЦеЖ, МПа; (2)

д = 22,2 - 2,3C - 2,2Mn +0,81КЦеЖ - 1,31CaSi - 0,69Al -

- 0,81CMn - 0,81CКЦеЖ, %; (3)

ш = 45,3-5,5C - 4,25Mn + 3,25КЦеЖ - 2,5CaSi - 0,5Al +

+1CMn - 1CКЦеЖ, % . (4)

В уравнениях (1)-(4) значения переменных факторов приняты в кодированном виде.

Для наглядного восприятия расчетов построили графические зависимости (рис. 2 - 4).

В уравнениях (1) - (4) свободный член после знака равенства показывает значение переменных факторов на уровне 0. Коэффициенты при переменных факторах указывают на силу их влияния на свойства, знак - на направленность их влияния. Таблица 3

Данные результатов лабораторных плавок стали 20ГЛ в индукционной электропечи

Рис. 2. Зависимость значения у_т от содержания КЦеж и С при содержании, %: Mn - 0,8; Al - 0,035; CaSi - 0,02

сталь литой химический

Рис. 3. Зависимость значения д от содержания КЦеЖ и С при содержании, %: Mn - 0,8; Al - 0,035; CaSi - 0,02

Рис. 4. Поправочные коэффициенты для расчета влияния CaSi, Al, Mn на у_т

Из уравнений можно сделать следующие выводы:

1. Углерод имеет наибольшую силу влияния на все свойства стали 20ГЛ, и при увеличении его содержания от нижнего (-1; 0,15 %) до верхнего (+1; 0,25 %) уровня он снижает , ш и увеличивает _т, у_в. Углерод существенно повышает порог хладноломкости, что объясняется увеличением доли перлитной составляющей в структуре стали, цементитные включения которой препятствуют пластическому течению металла и при низких температурах являются концентраторами напряжений и местами зарождения трещин. Поэтому нежелательным является верхний предел его содержания в марке стали 20ГЛ.

2. Марганец при увеличении его содержания от нижнего (-1; 0,8 %) до верхнего (+1; 1,5 %) уровня повышает _т, у_в и несколько снижает , ш; лигатура КЦеЖ при этом повышает, а CaSi - снижает все свойства стали.

Влияние марганца на пластичность имеет экстремальный характер. Увеличение содержания Мn до 1,1 % приводит к увеличению относительного удлинения, относительного сужения стали, затем к снижению этих свойств.

3. Алюминий в значительной мере определяет остаточное содержание кислорода в стали и благодаря этому влияет на характер, форму и расположение выделений оксидов в структуре.

4. При вводе силикокальция образуются легкоплавкие включения железо-марганцевых силикатов с кальцием. Вводимый вслед за этим алюминий воздействует в основном на эти неметаллические включения, вытесняя из их состава железо, марганец и кремний.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Степанов, С.А. Влияние легирующих добавок на механические свойства малоуглеродистой стали. Основы образования литейных сплавов: труды XIV совещания по теории литейных процессов / С.А. Степанов, Б.Б. Гуляев. - М.: Наука, 1970. - 228 с.

Материал поступил в редколлегию 11.09.06.

Размещено на Allbest.ru