Дослідження та розробка економно-легованої феритної жаростійкої сталі для системи вихлопного тракту автомобілів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти України

Запорізький державний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.02.01 - Матеріалознавство

Дослідження та розробка економно-легованої феритної жаростійкої сталі для системи вихлопного тракту автомобілів

Нестеров Олександр Васильович

Запоріжжя - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому державному технічному університеті Міністерства освіти України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Бондаренко Анатолій Леонідович, Запорізький державний технічний університет, доцент кафедри фізичного матеріалознавства.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Середа Борис Петрович, Запорізька державна інженерна академія, завідувач кафедри матеріалознавства та обробки металів.

кандидат технічних наук Яценко Раїса Василівна, Український державний науково-дослідний інститут спеціальних сталей, сплавів і феросплавів, м. Запоріжжя, провідний науковий співробітник

Провідна установа: Харківський державний політехнічний університет, кафедра металознавства та термічної обробки металів Міністерство освіти України, м. Харків.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор І.П. Волчок

Анотація

легований сталь металопрокат

Нестеров О.В. “Дослідження і розробка економно-легованої феритної сталі для системи вихлопного тракту автомобілів” - рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.02.01 - Матеріалознавство - Запорізький державний технічний університет, Запоріжжя, 1999.

Дисертація присвячена дослідженню впливу кремнію, алюмінію та титану на структуру та властивості залізо-хромистого сплаву з 7-9% хрому.

Вперше показана принципова можливість одержання однорідної феритної структури при легуванні залізо-хромистого сплаву з 7-9% хрому, кремнієм, алюмінієм і титаном.

Застосування методу математичного планування експериментів дозволило одержати рівняння регресії, які описують вплив цих легуючих елементів на жаростійкість та механічні сталі. Це дозволило провести оптимізацію отриманих результатів випробувань та розробити хімічний склад нової економно-легованої жаростійкої сталі феритного класу марки 08Х8СЮТч: С 0,08%; Cr - 7,0-8,5%; Si - 0,8-1,2%; Al - 0,9-1,2%;Tі-0,3-0,6%;Ca -0,1-0,3%; Ce - 0,05-0,10%.

Апробування технологічності сталі 08Х8СЮТч у промислових умовах показало, що феритна структура зберігається на всіх етапах металургійного переробу, а механічні властивості були декілька вище властивостей класичної феритної сталі 08Х18Т1.

Проведено повний комплекс досліджень експлуатаційних властивостей листового матеріалу промислового виготовлення. Випробування жаростійкості показали, що по цьому параметру сталь 08Х8СЮТч близька до цього показника сталей 12Х18Н10Т, 08Х18Т1, YUS 409D. Випробування корозійної стійкості в атмосферних умовах показали, що сталь 08Х8СЮТч має 8 бал стійкості проти 10 балу у високохромистих та хромонікелевих сталей, що задовольняє умовам експлуатації виробів.

Виготовлені та пройшли різноманітні випробування дослідно-промислові зразки деталей системи вихлопного тракту автомобілів (нейтралізатори відпрацьованих газів, глушники шуму).

Основні результати роботи знайшли практичне застосування при виготовленні промислової партії нейтралізаторів відпрацьованих газів та дослідної партії глушників шуму автомобілів.

Ключові слова: сталь, легуючі елементи, структура, жаростійкість, корозійна стійкість, механічні властивості, система вихлопного тракту автомобілів.

The summary

Nesterov A.V. “Research and development of economically alloyed ferrite steel for a system of an exhaust tract of automobiles ” - manuscript.

Thesis is presented for scientific degree of masters of the candidate of engineering science on a specialty 05.02.01 - Material sciences- Zaporozhye state engineering university, Zaporozhye, 1999.

The thesis is devoted to development of chemical structure of new economically alloyed steel ferrite of class for manufacture of details for exhaust tract of automobiles working in conditions of high-temperature oxidation and atmospheric corrosion with the purpose of a replacement of nickel containing and high-chromium corrosion-resistant steel.

In work the influence of series alloying elements on structure and properties of iron-chromium alloy is investigated. For the first time the possibility of deriving homogeneous ferrite structure is shown at alloying iron-chromium alloy from 7-9 % chromium, silicon, aluminum and titanium at the following content of these elements: silicon - 0,8-1,2 %; aluminum - 0,9-1,2 %; titanium-0,3-0,6%.

Approbation of adaptability to manufacture of steel 08Х8СЮТч in industrial conditions showed, that ferrite the structure is kept at all stages of metallurgical process stage and the mechanical properties satisfy the conditions of deriving details with of punching - extract the methods.

The full complex of researches of operational properties of sheet material of industrial manufacture is carried out. The trials of heat resistance and corrosion resistance showed, that on this parameter the steel 08Х8СЮТч is equal to the indexes steel 12Х18Н10Т, 08Х18Т1, YUS 409D.

The experimental samples of details of a gas exhaust system of automobiles neutralizer of completing gases, mufflers of noise) passed various.

The basic outcomes of work found practical application at manufacture of an industrial batch of neutralizers of automobile burnt gases.

Keywords: steel, alloying elements, structure, heat resistance, corrosion stability(resistance), mechanical properties, system of an exhaust tract of automobiles.

Аннотация

Нестеров А.В. “Исследование и разработка экономнолегированной ферритной стали для системы выхлопного тракта автомобилей” - рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - Материаловедение - Запорожский государственный технический университет, Запорожье, 1999.

Диссертация посвящена исследованию влияния ряда легирующих элементов на структуру и свойства железохромистого сплава, содержащего 7-9% хрома. Цель настоящей работы - создание новой экономнолегированной стали ферритного класса для изготовления деталей выхлопного тракта автомобилей взамен никельсодержащих и высокохромистых коррозионностойких сталей.

Впервые показана принципиальная возможность получения однородной ферритной структуры при легировании железохромистого сплава с 7-9% хрома, кремнием, алюминием и титаном при следующем содержании этих элементов: кремний - 0,6-1,4 %; алюминий - до 1,6 %; титан - до 0,8 %.

Применение метода математического планирования экспериментов позволило получить уравнения регрессии описывающее влияние этих легирующих элементов на механические и эксплуатационные свойства стали. Это позволило провести оптимизацию полученных результатов испытаний жаростойкости и механических свойств, выбрать пределы содержаний легирующих элементов, позволяющих достичь оптимального сочетания этих характеристик.

Результаты проведенных исследований позволили разработать химический состав новой экономнолегированной жаростойкой стали ферритного класса марки 08Х8СЮТч: С 0,08%; Cr - 7,0-8,5%; Si - 0,8-1,2%; Al - 0,9-1,2%; Ti-0,3-0,6%; Ca -0,1-0,3%; Ce - 0,05-0,10%.

Апробирование технологичности стали 08Х8СЮТч в промышленных условиях показало, что ферритная структура сохраняется на всех этапах металлургического передела, а механические свойства несколько выше, чем у классической ферритной стали 08Х18Т1.

Исходя из условий работы деталей выхлопного тракта автомобилей, важнейшими эксплуатационными свойствами являются жаростойкость и коррозионная стойкость в атмосферных условиях. Испытания жаростойкости в различных газовых средах показали, что по этому параметру сталь 08Х8СЮТч близка к отечественным сталям 12Х18Н10Т, 08Х18Т1 и превышает этот показатель у стали зарубежного производства YUS 409D. Такая жаростойкость стали 08Х8СЮТч, которая имеет в составе значительно меньшее количество хрома объясняется дополнительным легированием кремнием и алюминием - элементами, оксиды которых в сочетании с оксидом хрома способны образовывать плотные защитные пленки. Состав пленок исследовался при помощи микрорентгеноспектрального анализа. Выяснилось, что в формирование пленки наиболее активную роль играют хром и алюминий. Построена параметрическая диаграмма жаростойкости стали 08Х8СЮТч, позволяющая прогнозировать ресурс ее эксплуатации при различных температурах.

Испытания коррозионной стойкости как в атмосфере г. Запорожья, так и в камере солевого тумана показали, что сталь 08Х8СЮТч имеет 8 балл стойкости, тогда как высокохромистые и никельсодержащие коррозионностойкие стали имеют 10 балл стойкости, однако это вполне удовлетворяет условиям эксплуатации изделий.

Изготовлены и прошли разносторонние испытания опытные образцы деталей системы газовыхлопа автомобилей (нейтрализаторы отработавших газов, глушители шума).

Основные результаты работы нашли практическое применение при изготовлении промышленной партии нейтрализаторов отработавших газов, опытные партии глушителей шума к автомобилям семейства ЗАЗ, ЛАЗ, ВАЗ.

Получен экономический эффект, который составил 40190 руб. в ценах 1992 года от замены стали 12Х18Н10Т при изготовлении на Рижском мотозаводе нейтрализаторов отработавших газов автомобилей семейства ВАЗ. При дальнейшем внедрении стали 08Х8СЮТч для изготовления деталей системы выхлопного тракта автомобилей ожидаемый экономический эффект только при изготовлении глушителей шума автомобилей семейства ЗАЗ может составить 440000 грн. в год.

Ключевые слова: сталь, легирующие элементы, структура, жаростойкость, коррозионная стойкость, механические свойства, система выхлопного тракта автомобилей.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Виробництво автомобілів, що відповідають сучасним нормам експлуатації та здатних конкурувати на світовому ринку, неможливе без вживання заходів по зниженню токсичності відпрацьованих газів. Одним із найбільш ефективних методів рішення цієї задачі є установка каталітичного нейтралізатора в системі вихлопного тракту. Принцип роботи нейтралізатора заснований на каталітичному допалені шкідливих складових відпрацьованих газів, і тим самим, зниження їхньої токсичності. Нейтралізатор являє собою щільниковий керамічний моноблок із нанесеною активною речовиною (реактор), який поміщено в металевий корпус.

У реальних умовах експлуатації температури, що розвиваються в зоні реактора, складають біля 800С. Присутність у складі відпрацьованих газів окисів вуглецю та азоту, парів води і з'єднань сірки, а також вуглеводів, визначає високу їх хімічну агресивність. На зовнішню поверхню металевого корпусу впливає атмосферне середовище, що приводить до його корозії.

Однією з вимог до моноблочних нейтралізаторів є мінімальна різниця між коефіцієнтами термічного розширення керамічного моноблоку та металу корпусу. При значній її величині відпрацьовані гази проходять не через щільники, а в зазор між керамічним блоком та металевим корпусом. Тоді нейтралізатор втрачає свою роль як допалювача відпрацьованих газів. Крім цього, це також може привести до механічного руйнування керамічного блоку, внаслідок вібрації при експлуатації. Всі ці особливості експлуатації обумовлюють необхідність використання для виготовлення корпусу нейтралізатора високолегованих корозійностійких сталей. Однак, сталі подібного класу, які виробляються вітчизняною металургійною промисловістю із ряду причин не цілком відповідають вимогам до матеріалів для виготовлення цих виробів. Так, наприклад, у корозійностійкої сталі 12Х18Н10Т, яка добре штампується та має високу жаростійкість, коефіцієнт термічного розширення набагато перевищує цей параметр у кераміки. Сталі 08Х18Т1, 04Х17Т, хоча і задовольняють вимогам по жаростійкості, корозійній стійкості, близькості коефіцієнтів термічного розширення, однак не мають достатнього рівня механічних властивостей для проведення операцій штампування. Крім цього, всі ці сталі через високий вміст нікелю та хрому, дефіцитні і коштовні, що в умовах масового виробництва стримує широке їх використання.

Досвід провідних автомобілебудівних фірм показує, що для виготовлення великої номенклатури деталей системи вихлопного тракту, до яких відносяться і нейтралізатори відпрацьованих газів, розроблені та використовуються економнолеговані жаростійкі сталі, що мають у своєму складі 10-11 % хрому та стабілізовані титаном (YUS-409D, AISI-409, DIN WNR 4512). Ці сталі відповідають вимогам до матеріалів при виготовленні деталей методами штампування та забезпечують достатній експлуатаційний ресурс. Однак, вони мають у своєму складі не виправдано великий вміст хрому, що може бути знижений за рахунок додаткового легування такими елементами як, наприклад, алюміній та кремній, котрі як і хром підвищують жаростійкість сталі.

Створення економнолегованих сталей для деталей системи вихлопного тракту автомобілів у країнах СНД обмежилося розробками сталей 07Х8ЮЦФ (ЧС53), 05Х13ЦЮ (ЧС54) Центральним науково-дослідним інститутом чорної металургії. Однак, ці сталі за структурою є феритомартенситними, їх металургійний перероб на холоднокатаний лист має багато технологічних ускладнень, що не дозволило освоїти промислове виробництво з них холоднокатаного листового матеріалу. Альтернативою цим матеріалам можуть стати економнолеговані однофазні феритні сталі, склад і структура яких забезпечують високу технологічність при виготовленні листового металопрокату та готових виробів з нього, а також достатній рівень жаростійкості і корозійної стійкості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження з даної тематики починали виконувати на підставі завдання 11.01.Т: “Разработать и внедрить технологический процесс штамповки и сварки изделий средств транспорта из коррозионностойких безникелевых ферритных сплавов”, Міжгалузевого науково-технічного комплексу “Антикор” ГКНТ СРСР і АН СРСР (Постанова ГКНТ СРСР від 14 липня 1986 року № 311) та продовжили у госпдоговірних роботах на декількох підприємствах.

Мета та задачі дослідження. Створення економно-легованої однофазної сталі феритного класу, листовий матеріал із якої мав би достатній рівень жаростійкості та корозійної стійкості, а також високу технологічність при виготовленні з неї деталей системи вихлопного тракту автомобілів методами штампування-витягування та зварювання.

Для досягнення цієї мети були поставлені та вирішені наступні задачі:

1. З`ясовано вплив кремнію, алюмінію та титану, при різній їх кількості, на ступінь поліморфного перетворення в залізо-хромистій сталі з 7-9% хрому.

2. Встановлено кількісні співвідношення зазначених легуючих елементів, що забезпечують одержання сталі з однорідною феритною структурою, оптимальним співвідношенням жаростійкості та механічних властивостей.

3. Розроблено хімічний склад нової економно-легованої жаростійкої сталі феритного класу.

4. У ході апробації промислового виробництва досліджено структуру та властивості листового металопрокату.

5. Визначено рівень найважливіших експлуатаційних характеристик розробленої стали - жаростійкості та корозійної стійкості.

6. Апробовано технологічність листового металопрокату при виготовленні деталей системи вихлопного тракту автомобіля.

Методи досліджень. У роботі використовувалися методи математичного планування експерименту, сучасні методи структурних досліджень, випробування механічних, фізичних та експлуатаційних характеристик легованих сталей. Для дослідження складу оксидних шарів застосовувався метод мікрорентгеноспектрального аналізу. Вірогідність результатів лабораторних досліджень підтверджено результатами стендових, польових та шляхових іспитів дослідних зразків виробів системи газовихлопного тракту автомобілів.

Наукова новизна роботи.

1. Вперше показано принципову можливість затамувати поліморфізм і одержати однорідну феритну структуру в сталі, що містить 7-9% хрому шляхом легування її додатково кремнієм, алюмінієм і титаном.

2. При використанні методу математичного планування експериментів отримано рівняння регресій, що описують вплив цих легуючих елементів на жаростійкість і механічні властивості сталі, що містить 7-9% хрому.

3. Встановлено залежності значень жаростійкості та механічних властивостей хромистої сталі від різного вмісту кремнію, алюмінію і титану.

4. Встановлено кількісне співвідношення зазначених легуючих елементів, що забезпечують одержання матеріалу з оптимальним комплексом механічних і експлуатаційних властивостей.

Практичне значення отриманих результатів:

- розроблено нову економно-леговану жаростійку сталь, що містить 7,0-8,5% хрому, 0,8-1,2% кремнію, 0,9-1,2% алюмінію, 0,3-0,6% титану, 0,05-0,1% церію, 0,1-0,3% кальцію;

- показано можливість заміни класичних нержавіючих сталей, що містять нікель та хром, при виготовленні деталей системи вихлопного тракту автомобілів з розробленої сталі;

- результати роботи впроваджено при виробництві промислової партії холоднокатаного листа в умовах заводу “Дніпроспецсталь” і МК “Запоріжсталь”; виготовлено промислову партію нейтралізаторів відпрацьованих газів та дослідні партії глушників шуму до автомобілів сімейства ЗАЗ, ЛАЗ, ВАЗ.

Апробація роботи. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на науково-технічних конференціях “Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий” (жовтень 1989, 1990, вересень 1992, 1995, Запоріжжя); Міжнародній конференції “Проблемы современного материаловедения” (квітень, 1997, Дніпропетровськ); науково-технічній конференції “Неметаллические включения и газы в литейных сплавах” (вересень 1997, Запоріжжя).

У повному обсязі робота доповідалась на кафедрі фізичного матеріалознавства Запорізького державного технічного університету та на міжкафедральному семінарі “Матеріалознавство”.

Публікації. Результати дисертаційних досліджень опубліковано в 1 статті у науковому фаховому журналі, в 3 статтях у збірниках наукових праць та в 5 матеріалах науково-технічних конференцій та семінарів, одержано 1 авторське свідоцтво на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Роботу виконано в обсязі 120 сторінок комп`ютерним набором, вміщує 33 малюнки, 15 таблиць, бібліографічний список містить 103 назви літературних джерел та 10 додатків.

2. Зміст роботи

У вступі викладено загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та завдання досліджень, викладено наукову новизну, приведено відомості про практичну цінність та реалізацію результатів роботи.

Перший розділ містить огляд літератури з питань роботи матеріалів в умовах високотемпературного окислення у різноманітних газових середовищах та в умовах атмосферної корозії. Проаналізовані можливості використання економно-легованих жаростійких феритних сталей як матеріалу для виготовлення деталей системи вихлопного тракту автомобілів.

Проведено аналіз літературних даних по впливу різних компонентів відпрацьованих газів автомобілів на корозійне поводження сталей, що традиційно застосовуються для виготовлення деталей вихлопного тракту автомобілів.

Відзначено, що найбільш ефективним способом досягнення високих жаростійких властивостей є легування сталей.

Одним з елементів, що істотно підвищують жаростійкість сталі є хром. Висока жаростійкість сталей та сплавів, що містять хром, обумовлена утворенням на їх поверхні дуже міцної тугоплавкої плівки, яка складається з оксиду хрому Cr₂O₃ або з оксидів більш складної сполуки шпінельного типу.

Опір газовій корозії хромистих сталей значно підвищується при введенні в їх склад таких легуючих елементів як алюміній та кремній.

Алюміній є найбільш ефективною присадкою, яка підвищує жаростійкість заліза та залізохромистих сплавів. Додаток алюмінію в залізо приводить до утворення на поверхні сталі стійкої захисної плівки, що при великому вмісті алюмінію складається переважно з оксиду Al₂O₃.

Добавка кремнію до залізохромистих сталей діє декілька своєрідно. Утворення захисних окисних плівок відбувається в інтервалі температур 700-900С. На початку процесу кремній та хром окисляються одночасно з утворенням шпінелі FeO^.Cr₂O₃, SiO₂ і силікатів, а потім відбувається ущільнення захисного шару унаслідок зпекання оксидів кремнію та силікатів.

Відомо також, що РЗМ позитивно впливає на жаростійкість сталей. Цей вплив обумовлюється тим, що вони зменшують кількість дефектів оксидній плівці. Це, у свою чергу, зменшує швидкість дифузії іонів металу в плівці та підвищує жаростійкість.

У цій частині роботи коротко проаналізовано особливості термодинаміки та кінетики окислення хромистих сталей.

Легування сталей хромом, алюмінієм та кремнієм, окрім рішення задачі по забезпеченню високих жаростійких властивостей, позитивно впливає на корозійну стійкість в атмосферних умовах. Ефект досягається за рахунок того, що при введенні до складу сталі хрому, алюмінію, кремнію у більшому або меншому ступені підвищується її схильність до пасивації.

У другому розділі подано відомості про матеріли, що використовували у роботі та методи їх досліджень.

При проведенні експерименту по розробці хімічного складу нової сталі об`єктом досліджень було обрано холоднокатаний метал дослідних плавок.

Для порівняльного аналізу механічних, технологічних та експлуатаційних властивостей розробленої сталі на підставі аналізу попереднього досвіду виготовлення деталей вихлопного тракту автомобілів були обрані сталі вітчизняного та закордонного виробництва: 12Х18Н10Т, 08Х18Т1, YUS 409D.

Дослідні плавки та їх перероб з розробленої сталі на холоднокатані смуги проводили у лабораторних умовах. Виготовлення промислових партій холоднокатаного листа цієї сталі відбувалося в умовах заводу “Дніпроспецсталь” та МК “Запоріжсталь”.

Зразки для вивчення структури та випробувань жаростійкості, корозійної стійкості та механічних властивостей виготовлялися у відповідності з існуючими стандартами.

Вивчення структури проводили на зразках з металу дослідних плавок та промислових партій сталі з застосуванням методів металографічного аналізу та дослідженням фазових перетворювань на дилатометрі.

Іспити жаростійкості металу дослідних плавок проводили у повітряній атмосфері при температурі 700С та тривалістю випробувань 2000 годин. Порівняльні іспити жаростійкості розробленої сталі та сталей 12Х18Н10Т, 08Х18Т1, YUS409D проводили як у повітряній атмосфері 700С та 2000 годинах витримки, так і в атмосфері відпрацьованих газів автомобілів на спеціальному стенді при температурі 600-800С, тривалістю випробувань 200 годин. Для прогнозування жаростійких властивостей розробленої сталі параметричним методом проводили іспити її жаростійкості у повітряній атмосфері при температурах 550, 700, 850С і постійному терміні випробувань 100 годин та при температурі 700С і термінах випробувань 100, 500, 1000, 2000 годин.

Іспити механічних властивостей холоднокатаного матеріалу як дослідних, так і промислових плавок, проводили згідно з ГОСТ 1497-84. Визначення твердості проводили на твердомірі “Роквелл” при навантаженні 30 кг з подальшим перерахуванням значень твердості, які відповідають навантаженню 100 кг.

Порівняльні іспити корозійної стійкості цих сталей проводили в польових умовах терміном до 5 років (м. Запоріжжя) та в камері сольового туману, яка імітує більш агресивні умови впродовж 300 годин.

Для підтвердження результатів цих іспитів були проведені натурні випробування дослідних зразків деталей вихлопного тракту на стендах та на реально діючих автомобілях.

Третій розділ присвячено розробці хімічного складу сталі феритного класу, яка мала би сприятливе сполучення експлуатаційних, механічних та технологічних властивостей.

Рішення поставленої задачі починалося з визначення легуючих елементів та меж їх вмісту в області легування. Відомо, що легуючими елементами, які дозволяють отримати феритну структуру сталі та високий рівень жаростійкості є хром, алюміній, кремній та титан. Було прийнято, що вміст цих елементів в області легування доцільно розглядати при такій їх кількості: Cr - 7-9%, Si - 0,6-1,4%, Al - до 1,6%, Ti - до 0,8%.

Вивчення залежності впливу легуючих елементів, в межах їх вмісту, на експлуатаційні та механічні властивості сталі здійснювали з використанням методу математичного планування експерименту з реалізацією повнофакторного експерименту 2³. У якості параметрів для прогнозування зміни властивостей сталі обрані: глибина проникнення корозійних ушкоджень (h, мм) - основний параметр оптимізації; пластичність (₅, %) та твердість (HRB) - контролюючі параметри оптимізації.

З цією метою були виплавлені дев'ять лабораторних плавок перемінного хімічного складу та здійснено їх перероб на холоднокатані смуги. В плавках змінювали кількість кремнію, алюмінію та титану при приблизно постійній кількості хрому і вуглецю. В подальшому вивчали структуру металу та проводили іспити жаростійкості, пластичності і твердості, результати яких наведено у табл. 1.

Дослідження структури литого металу лабораторних плавок проводили з метою з'ясування принципової можливості одержання однорідної феритної структури при легуванні кремнієм, алюмінієм та титаном хромистої сталі, що містить біля 8 % хрому.

Результати металографічного аналізу структури литого металу показали, що однорідну феритну структуру мають плавки, до складу яких входить титан, а кількість кремнію або алюмінію знаходиться на верхньому рівні меж їх вмісту в плані експериментів. Незважаючи на відсутність титану, одночасовий верхній вміст кремнію з алюмінієм також забезпечує феритну структуру. Вміст легуючих елементів, що відповідає середньому рівню області легування теж забезпечує отримання феритної структури в сталі. Структура металу складається з феритних зерен поліедричної форми з чистими тонкими границями. По всьому об'єму зерен рівномірно розосереджені дисперсні включення, карбонітридного типу. Отримання феритної структури метала визначається комплексним впливом феритоутворюючих елементів у запропонованих межах їх вмісту.

Таблиця 1. Хімічний склад дослідних плавок та результати іспитів

№ досліду	Порядок реалізації	Вміст елементів, % масс.	Результати іспитів
		Cr	Si	Al	Ti	h, мм	5, %	HRB
1	8	7,8	0,65	0,02	0,80	0,0393	37,0	83
2	2	8,4	1,40	0,02	0,85	0,0208	28,5	90
3	1	8,0	0,60	1,55	0,80	0,0084	32,5	87
4	3	7,9	1,36	1,60	0,75	0,0043	27,0	94
5	4	8,0	0,65	0,02	-	0,0228	34,0	85
6	6	7,8	1,42	0,02	-	0,0198	28,0	92
7	5	7,9	0,60	1,65	-	0,0079	32,0	88
8	7	7,8	1,40	1,60	-	0,0032	26,0	96
9 (ср. рів)	9	8,2	1,05	0,80	0,40	0,0078	41,0	79

Пошук оптимального сполучення жаростійкості та механічних властивостей проводили при розгляді цих параметрів тільки тих плавок, метал який мав феритною структуру. Найбільш високу жаростійкість мав метал плавок, в складі яких одночасовий вміст кремнію та алюмінію був на верхньому рівні. Але така кількість таких елементів приводила до значного твердорозчинного зміцнення фериту і, як слідство, до зниження пластичності та підвищенню твердості. Зниження вмісту кремнію або алюмінію приводило до підвищення пластичності, але жаростійкість при цьому поменшувалася. Вміст легуючих елементів в сталі, що відповідає середньому рівню області легування, дозволив одержати однорідну феритну структуру і рівень експлуатаційних і механічних властивостей, близький до властивостей класичних високохромистих корозійностійких сталей.

Оскільки результати даних випробувань були кількісними, то при опрацюванні результатів експериментів, оцінку значимості впливу чинників на властивості сталі робили за допомогою регресійного аналізу.

У результаті отримані наступні рівняння регресії по трьох параметрах оптимізації:

h, мм = 0,0326 - 0,0095(Si) - 0,012 (Al) + 0,006 (Ti)

₅, % = 39,375 - 8,125 (Si) - 1,562 (Al) + 1,562 (Ti)

HRB = 79,313 + 9,062 (Si) + 2,344 (Al) - 2,187 (Ti)

Рівняння регресії описують вплив легуючих елементів на експлуатаційні та механічні властивості сталі. Так, вплив алюмінію на опір газовій корозії на порядок вище впливу кремнію, який до того ж найбільш знижує пластичні властивості сталі. Вплив титану на жаростійкість та механічні властивості виявився незначним, який, головним чином, вводився для отримання феритної структури.

Таким чином, межі вмісту основних легуючих елементів у складі жаростійкої феритної сталі, що має сприятливе сполучення експлуатаційних, механічних та технологічних властивостей такі: хром - 7,0-8,5 %; вуглець не більш 0,08 %; кремній - 0,8-1,2 %; алюміній - 0,8-1,0 %; титан - 0,3-0,6 %.

Для підсилення жаростійкості та очищення границь зерен від шкідливих домішок до марочного складу сталі ввели церій у кількості 0,05-0,1%. Для підвищення рідкотекучості сталі ввели кальцій у кількості 0,1-0,3%.

Четвертий розділ присвячено аналізу результатів промислової апробації виготовлення холоднокатаного листа з розробленої сталі, якій присвоєно марку 08Х8СЮТч.

Виробництво промислових плавок відбувалось на заводі “Дніпроспецсталь” в електродугових печах з наступним газокисневим рафінуванням у конвертері. Це забезпечило зниження вмісту вуглецю в складі сталі. Заданий та отриманий хімічний склад однієї з промислових плавок наведено у табл. 2.

Таблиця 2. Заданий та отриманий хімічний склад промислової плавки жаростійкої феритної сталі 08Х8СЮТч

Вміст елементів (% мас.)
C	Mn	Si	Al	Cr	Ti	Ca	Ce	Ni	P	S
?0,08 0,04	?0,6 0,2	0,8-1,2 1,1	0,9-1,2 1,0	7,0-8,5 8,1	0,3-0,6 0,54	0,1-0,3 -	0,05-0,1 -	?0,6 0,2	?0,035 0,020	?0,02 0,01

Примітка: у чисельнику зазначено заданий, а в знаменнику - отриманий хімічний склад. Залишкова кількість церію і кальцію хімічним аналізом не виявлялася.

Структурні дослідження литого металу показали, що сталь має однофазну феритну структуру. Межи зерен вільні від включень вторинних фаз, а по об`єму зерен рівномірно розосереджені включення карбонітридного характеру, що є характерним для нержавіючих сталей, які леговані титаном.

Зливки переробляли на холоднокатаний лист за технологією, яка розроблена ЗДТУ разом з МК “Запоріжсталь”.

Основні параметри цієї технології такі:

температура розливу сталі - 1590-1610С;

нагрівання зливків під прокатку слябів до температури 960-970С;

прокатка зливків на сляби;

нагрівання слябів під прокатку на гарячекатані смуги до температури 1350-1370С;

прокатка слябів на гарячекатані смуги товщиною 3,9 мм;

травлення гарячекатаних смуг;

прокатка гарячекатаних смуг на холоднокатані смуги товщиною 0,8-2,0мм;

рекристалізаційний відпал холоднокатаних смуг при температурі 960-975С;

лужно-кислотне травлення холоднокатаних смуг.

На всіх етапах металургійного переробу феритна структура сталі зберігалась. Значення механічних властивостей холоднокатаного листа з сталі 08Х8СЮТч були декілька вищими до цих властивостей холоднокатаного листа з класичної феритної сталі 08Х18Т1. Механічні властивості холоднокатаного листа цих сталей наведено в таблиці 3.

Таблиця 3. Значення механічних властивостей холоднокатаного листа із сталей 08Х8СЮТч та 08Х18Т1

Марка сталі	Значення механічних властивостей
	т, МПа	b, МПа	, %	р, %	HRB 30/100	т/b
08Х8СЮТч	410	656	41,5	26,5	79,0	0,625
08Х18Т1	350	524	40,0	20,0	78,5	0,668

Все це вказує на те, що холоднокатаний лист з такою структурою та властивостями цілком придатний до використання на операціях штампування та витягування.

П'ятий розділ присвячено дослідженню експлуатаційних властивостей розробленої сталі.

Враховуючи умови, в яких працюють вузли вихлопного тракту автомобілів, їх експлуатаційний ресурс найбільш залежить від жаростійкості та корозійної стійкості матеріалу.

При дослідження властивостей металу дослідних плавок з`ясувалося, що хімічний склад розробленої сталі дозволяє забезпечити її жаростійкість на рівні близькому до сталей 12Х18Н10Т, 08Х18Т1 та YUS 409D.

Для підтвердження цього припущення були проведені порівняльні іспити жаростійкості цих сталей, результати яких наведено в табл. 4.

Випробування жаростійкості у різних газових середовищах показали, що по цьому параметру сталь 08Х8СЮТч близька зі сталями 12Х18Н10Т та 08Х18Т1. Жаростійкість сталі YUS 409D помітно нижча, оскільки в її складі крім відносно меншої кількості хрому (10-11%) та малої кількості кремнію (0,6-1,0%) не має інших легуючих елементів, що поліпшують цю характеристику.

Таблиця 4. Результати порівняльних іспитів жаростійкості

Марка сталі	Режими іспитів
	повітряне середовище, 700С, 2000 год.,г/см2	середовище відпрацьованих газів автомобілю, 600-800С, 200 год. ,г/см2
08Х8СЮТч	6,10.10-3	3,20.10-4
12Х18Н10Т	5,72.10-3	2,85.10-4
08Х18Т1	5,85.10-3	2,95.10-4
YUS 409D	1,15.10-2	8,52.10-4

Показники жаростійкості сталі 08ХСЮТч, що має в складі значно меншу кількість хрому, досягається за рахунок легування її одночасово ще алюмінієм та кремнієм - елементами, які сумісно з хромом утворюють на поверхні сталі щільні захисні оксидні плівки, а також мікролегуванням церієм. Дослідження показали, що навіть при витримці зразків сталі 08Х8СЮТч у продовж 2000 годин при температурі 700С у повітряному середовищі на їх поверхні утворилися дуже тонкі та щільні оксидні плівки, якісне відділення яких від матриці виявилося неможливим. У зв`язку з цим, визначення складу цих плівок проводилося за допомогою мікрорентгеноспектрального аналізу. Товщина плівок становила 5-10 мкм. Аналіз кількості елементів в складі плівок показав, що вміст хрому та алюмінію більш як у два рази перевищує їх вміст у хімічному складі сталі, а вміст кремнію майже не відрізняється від його вмісту в складі сталі. Це показую, що хром та алюміній найбільш активно беруть участь в утворенні оксидів, з яких складаються поверхневі захисні плівки.

За допомогою вивчення кінетичних та температурних залежностей окислення сталі 08Х8СЮТч побудована параметрична діаграма, яка дозволяє прогнозувати експлуатаційну стійкість цієї сталі при температурах 550, 700, 850С та терміні експозиції 100000 годин.

Випробування корозійної стійкості як у атмосферних умовах м. Запоріжжя, так і в камері сольового туману показали, що сталь 08Х8СЮТч має 8 бал стійкості проти 10 балу у високохромистих та хромонікелевих сталей, що задовольняє умовам експлуатації виробів.

Шостий розділ присвячено питанням технології виготовлення дослідних зразків деталей системи вихлопного тракту автомобілів та випробуванню їх експлуатаційних властивостей.

У розділі наведено основні технологічні параметри виготовлення електрозварюваних труб, результати проведення операцій штампування-витягування деталей, з яких виготовлено корпуси нейтралізаторів відпрацьованих газів та глушники шуму автомобілів.

Дослідні зразки готових виробів пройшли всебічні стендові та дорожні випробування. Результати цих випробувань підтвердили придатність сталі 08Х8СЮТч для виготовлення корпусу нейтралізаторів відпрацьованих газів та показали, що мінімальний ресурс працездатності глушників шуму становить 120 тис. км пробігу автомобіля.

Основні результати роботи

Аналіз світового досвіду в автомобілебудуванні показує, що постійне удосконалення норм експлуатації автомобілів вимагає вживання заходів по зниженню токсичності відпрацьованих газів. Одним з ефективних методів рішення цієї задачі є установка в системі вихлопного тракту нейтралізаторів відпрацьованих газів. Особливості експлуатації цих виробів (вплив гарячих газів, атмосферні та дорожні умови) обумовлюють використання для їх виготовлення високолегованих корозійностійких сталей. Сталі такого класу, що виробляються вітчизняною металургійною промисловістю, не завжди відповідають вимогам до матеріалів, призначених для нейтралізаторів відпрацьованих газів (структурний фактор, рівень фізико-механічних властивостей та висока вартість). У той же час ведучі автомобілебудівні фірми використовують для цих цілей економно-леговані хромисті жаростійкі сталі.

У процесі розробки хімічного складу економно-легованої жаростійкої сталі досліджувався вплив кремнію, алюмінію та титану на структуру і властивості залізо-хромистого сплаву з 7-9% хрому. У ході дослідження показано принципову можливість отримання однорідної феритної структури в залізо-хромистому сплаві з таким вмістом хрому при легуванні його не коштовними та не дефіцитними феритоутворюючими елементами - кремнієм, алюмінієм та титаном.

З застосуванням методу математичного планування експериментів отримано рівняння регресії, що визначають вплив легуючих елементів на експлуатаційні та механічні властивості сталі.

Дані, які отримали, дозволили встановити межі вмісту легуючих елементів в сталі (Cr - 7,0-8,5%; Si - 0,8-1,2%; Al - 0,9-1,2%; Ti - 0,3-0,6%), що дозволяють гарантовано забезпечити однорідну феритну структуру та оптимальне співвідношення характеристик пластичності та міцності (-39-41%; _в-650-660МПа).

Досвід промислового виготовлення холоднокатаного листового металопрокату та деталей вихлопного тракту автомобілів показав, що розроблена сталь 08Х8СЮТч технологічна на всіх етапах металургійного переробу та при виготовленні з неї деталей методами штампування-витягування та зварювання.

Випробування експлуатаційних властивостей показали, що легування алюмінієм і кремнієм забезпечує жаростійкість сталі з 8% хрому до температур 800-900С як у повітряному середовищі, так і в продуктах горіння палива. По цьому показнику розроблена сталь знаходиться на рівні високохромистих та хромонікелевих корозійностійких сталей. Висока жаростійкість отриманого матеріалу пояснюється тим, що в процесі високотемпературного окислення на поверхні матеріалу утворяться щільні захисні оксидні плівки шпінельного типу, які складаються з оксидів заліза, хрому, кремнію та алюмінію.

Кількісні дані, які отримані в ході випробувань на жаростійкість сталі 08Х8СЮТч дозволили розрахувати та побудувати параметричну діаграму жаростійкості, що дає можливість прогнозувати граничні терміни експлуатації виробів із цієї сталі при температурах 550,700, 850С та терміні випробувань 100000 годин.

Враховуючи, що вироби системи вихлопного тракту автомобілів у процесі експлуатації зазнають вплив зовнішнього середовища, проведено порівняльні випробування корозійної стійкості. Показано, що сталь 08Х8СЮТч по корозійній стійкості декілька поступається нержавіючим сталям (8 бал стійкості по ГОСТ 13819-68 проти 10 бала у сталей 08Х18Т1 та 12Х18Н10Т), однак така стійкість цілком задовольняє умовам експлуатації цих виробів.

Практичне апробування результатів розробки здійснено при виготовленні промислових партій холоднокатаного листового металопрокату, електрозварних труб, дослідно-промислових партій виробів для системи вихлопного тракту автомобілів. Отримано економічний ефект, який тільки від заміни сталі 12Х18Н10Т, при виготовленні нейтралізаторів відпрацьованих газів автомобілів сімейства ВАЗ на Ризькому мотозаводі склав 40190 карбованців у цінах 1992 року. При подальшому впровадженні сталі 08Х8СЮТч для виготовлення деталей системи вихлопного тракту автомобілів очікуваний економічний ефект тільки по АТ “Авто-ЗАЗ” складе 440000 гривень на рік.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Нестеров А.В., Климов А.В. Выбор химического состава низкохромистой ферритной стали и исследование её жаростойкости //Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні: Науковий журнал ЗДТУ. - Запоріжжя: ЗДТУ, 1997, № 1-2. - С. 47-48.

2. Нестеров А.В., Климов А.В. Влияние термической обработки на свойства холоднокатаной стали марки 08Х8СЮТч, предназначенной для системы газовыхлопа автомобилей // Проблемы современного материаловедения / Научные труды Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры. - Днепропетровск, 1998. - С. 119-120.

3. А.В. Климов, А.В. Нестеров, В.В. Демешко Перспективы использования листовых ферритных сталей с 8-14 % хрома в хлебопекарной промышленности //Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів: Зб. наук. пр. ЗДТУ. - Запоріжжя: ЗДТУ, 1998. - С. 201-202.

4. Андрияненко Д.А., Нестеров А.В., Ткаченко И.В. Изучение пластичности и жаростойкости ферритной стали 08Х8СЮТч //Новые конструкционные материалы и эффективные методы получения и обработки, повышение надёжности и долговечности деталей и конструкций: Сборник научных трудов.-Киев: УМК ВО, 1991. - С. 44-46.

5. Авторское свидетельство № 1697444. СССР, МКИ С22С 38/28 “Ферритная жаростойкая сталь” / Нестеров Александр Васильевич и другие, указанные в описании. № 4804749/02. - Заявл. 21.03.90. Опубл. 08.08.91. Бюл. № 19 - 2 с.

6. Нестеров А.В., Стукало Л.А. Перспективы применения экономно-легированных жаростойких сталей для газовыхлопа автомобилей // Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий. / Тезисы докладов к IV Всесоюзной научн.-техн. конф. - Запорожье, 1989. - С. 148.

7. Нестеров А.В., Демешко В.В. О коррозионной стойкости стали марки 08Х8СЮТч. // Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий. / Тезисы докладов к V научн.-техн. конф. - Запорожье, 1992. - С. 132-133.

8. Бондаренко А.Л., Нестеров А.В. Исследование фазового состава окисных слоев экономнолегированной ферритной коррозионностойкой стали 08Х8СЮТч // Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий. / Матеріали VІ Міжнародної наук.-техніч. конф. - Запоріжжя, 1995. - С. 78.

9. Климов А.В., Нестеров А.В. Влияние параметров металлургического передела на характер распределения карбидных включений и свойства холоднокатаной стали марки 08Х8СЮТч // Неметаллические включения и газы в литейных сплавах / Сборник научных трудов VIII научн.-техн. конф. - Запорожье, 1997. - С. 93-94.

10. Климов А.В., Нестеров А.В. Совершенствование системы легирования коррозионностойких сталей ферритного класса // Проблемы современного материаловедения / Сборник трудов Международной конференции. - Днепропетровск, 1997. - С. 94-95.

Размещено на Allbest.ru

...