Удосконалення хімічного складу та режимів термічної обробки сталі для суднових валів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНIЧНИЙ УНIВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛення ХIМIЧНОГО СКЛАДУ ТА РЕЖИМIВ ТЕРМIЧНОЇ ОБРОБКИ СТАЛI ДЛЯ СУДНОВИХ ВАЛIВ

05.16.01 - Металознавство та термічна обробка металів

ФЕЛЬДМАН В`ЯЧЕСЛАВ ЄВГЕНОВИЧ

Маріуполь - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі металознавства, технології та термічної обробки металів Донбаської державної машинобудівної академії Міністерства освіти та науки України, м. Краматорськ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор ЗАБЛОЦЬКИЙ Володимир Кирилович, професор кафедри металознавства, технології та термічної обробки металів Донбаської державної машинобудівної академії Міністерства освіти та науки України, м. Краматорськ

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор АЛIМОВ Валерій Іванович, професор кафедри фізичного матеріалознавства Донецького Національного технічного університету Міністерства освіти та науки України, м. Донецьк

доктор технічних наук, професор ТРОЦАН Анатолій Іванович, завідувач відділом Інституту проблем матеріалознавства Національної академії наук України, м. Київ

Захист відбудеться «11» січня 2011 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.052.01 Приазовського державного технічного університету (87500, м. Маріуполь Донецької обл., вул. Університетська, 7)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Приазовського державного технічного університету (87500, м. Маріуполь Донецької обл., вул. Апатова, 115)

Автореферат було розіслано «07» грудня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 12.052.01 доктор технічних наук, професор В.О. Маслов.

АНОТАЦІЯ

Фельдман В.Є. Удосконалення хімічного складу та режимів термічної обробки сталі для суднових валів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01 - Металознавство та термічна обробка металів. - Приазовський державний технічний університет. - Маріуполь, 2010.

У дисертації вирішено актуальну науково-технічну задачу удосконалення хімічного складу і технології термічної обробки сталі для крупногабаритних суднових валів з метою підвищення комплексу механічних і експлуатаційних властивостей. Розроблено нову економнолеговану сталь М27, що містить 0,26-0,32 % С и мікродобавки Ca, V, Zr, N, Al, Mo, Cu. Ця сталь технологічна, вона поєднує високу пластичність, ударну в'язкість, низький поріг холодноламкості і низьку чутливість до концентрації напруг при достатньому рівні міцності, що реалізується дією різних механізмів зміцнення, у тому числі - субструктурного.

Сталь М27 випробувано при виготовленні макетів суднових валів діаметром 600-900 мм і довжиною до 12 м. Вперше показано можливість одержання якісних заготовок зі зливків масою більш 130 т, отриманих змішуванням металу двох плавок доевтектоїдної мікролегованої сталі. Виконаний комплекс досліджень розподілу макро- і мікроструктури, а також механічних властивостей в об'ємі поковки показав придатність сталі М27 для виробництва суднових валів категорії міцності КМ28А (ДСТ 8536-79) - у нормалізованому стані і КТ40 - у термополіпшеному стані при істотному перевищенні нормованого рівня пластичності й ударної в'язкості.

Сталь М27 і режими її термічної обробки впроваджено у виробництво суднових валів на ЗАТ "НКМЗ" (м. Краматорськ). Економічний ефект від заміни хромо-нікелевих і хромо-молібденових сталей на сталь М27 у 2008-2009 роках склав 253,1 тис. грн; очікуваний економічний ефект у 2010 р. складає 191 тис. грн. при долі здобувача 20 %.

Ключові слова: сталь, мікролегування, міцність, пластичність, в'язкість, поковка, нормалізація, поліпшення, мікроструктура.

АННОТАЦИЯ

Фельдман В.Е. Совершенствование химического состава и режимов термической обработки стали для судовых валов. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов. - Приазовский государственный технический университет. - Мариуполь, 2010.

В диссертации решена актуальная научно-техническая задача усовершенствования химического состава и технологии термической обработки стали для крупногабаритных изделий судового машиностроения с целью повышения комплекса ее механических и эксплуатационных свойств. На основе изучения влияния микродобавок Ca, V, Zr, N, Al, Mo и Cu на структуру и свойства стали, содержащей 0,26-0,32 % С, разработана новая экономнолегированная сталь М27, которая отличается хорошей технологичностью, сочетает высокую пластичность, ударную вязкость, низкий порог хладноломкости и низкую чувствительность к концентрации напряжений при достаточном уровне показателей прочности. Показано, что достижение такого комплекса свойств обеспечивается реализацией разных механизмов упрочнения, включая субструктурное упрочнение.

Впервые на полномасштабных макетах судовых валов (диаметром 600-900 мм и длиной до 12 м) установлена возможность получения качественных заготовок из слитков массой более 130 т, произведенных смешиванием металла двух плавок доэвтектоидной микролегированной стали. Получены данные относительно характера распределения механических свойств и неметаллических включений в объеме поковок в стали М27, уточнена склонность легирующих элементов к ликвации, изучено распределение микроструктуры в объеме изделий. Выполненный комплекс исследований подтвердил соответствие металла заготовок из стали М27 требованиям, предъявляемым к судовым валам по категориям прочности КМ28А (ГОСТ 8536-79) - в нормализованном состоянии и КТ40 - в термоулучшенном состоянии при существенном превышении нормированного уровня пластичности и ударной вязкости.

Предложен и опробован способ закалки крупногабаритных поковок, обеспечивающий повышение равномерности свойств по длине заготовки, отсутствие закалочных трещин и минимальное коробление. Показано, что в сравнении с термическим улучшением нормализация с отпуском стали М27 обеспечивает меньший разброс свойств по длине и сечению заготовок, более высокий уровень плас-тичности, ударной вязкости (в том числе - при отрицательных температурах), вязкости разрушения, меньшую чувствительность к концентраторам напряжений при большей изотропности металла поковки.

Сталь М27 и режимы ее термической обработки внедрены в производство судовых валов на ЗАО "НКМЗ" (г. Краматорск). Экономический эффект от замены хромо-никелевых и хромо-молибденовых сталей на сталь М27 в 2008-2009 годах составил 253,1 тыс. грн; ожидаемый годовой экономический эффект от использования стали М27 в 2010 г. составляет 191 тыс. грн. с долей соискателя 20 %.

Ключевые слова: сталь, микролегирование, прочность, пластичность, вязкость, поковка, нормализация, улучшение, микроструктура.

ANNOTATION

Fel'dman V.E. Perfection of chemical composition and modes of thermal treatment for propeller shafts. Manuscript.

Dissertation on the competition of scientific degree of candidate of engineerings sciences on speciality 05.16.01 - Physical metallurgy and heat treatment of metals. Priazovskiy State Technical University. - Mariupol, 2010.

In dissertation the actual scientific and technical task of perfection of chemical composition and technology of heat treatment for bunky propeller shafts is solved, with the purpose of increase of complex of its mechanical and operating properties. New steel M27, containing 0,26-0,32 %, is developed by using the microaddings of Ca, V, Zr, N, Al, Mo, Cu. This steel possesses good processability; it combines high plasticity, shock ductility, low sensivity to cold brittleness and low sensivity to the concentration of tensions with the sufficient level of durability, that is realized by the action of different mechanisms of strengthening, including substructural stregthening.

Steel M27 was tested by making of models of propeller shafts with a of 600-900 mm and length up to 12 m. The possibility of obtaining of quality billets from ingots weighing over 130 tons of metal produced by mixing two batches of hypoeutectoid microalloyed steel is shown for the first time. Complex of researches of distributing of maсro- and microstructure, and also mechanical properties in the volume of forgings showed the suitability of steel M27 for the production of propeller shafts for strength category KM28A (GOST 8536-79) - in the normalized state and KT40 - in thermally improved with a significant excess of levels of plasticity and toughness.

Steel M27 and modes of its heat treatment are implemented into the industry production of propeller shafts at Closed Joint Stock Company «NKMZ» (Kramatorsk). Economic effect of replacing of chromium-nickel and chrome-molybdenum steels by steel M27 in 2008-2009 is 253100 of UAH; expected economic effect in 2010 is 191000 of UAH with applicant's share is 20 %.

Keywords: steel, microalloying, ductility, plasticity, toughness, forging, normalization, improvement, microstructure.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Масивні (до декількох десятків тон) та довгомiрнi (до 26 м) поковки застосовуються в різних галузях промисловості, зокрема, для суднових валів великотоннажних танкерів, суховантажних судів, криголамів, кораблів військово-морського флоту. Для виготовлення таких унікальних поковок використовуються вуглецеві сталі (25, 35, 45) або складнолегованi сталі (38Х2Н2МА, 36Х2Н2МФА, 38ХН3МФА та ін.). Перша група сталей не забезпечує достатньої надiйностi, а друга група (при обмеженій надійності і високій вартості) дуже трудомістка при куванні та термічній обробці, до того ж має підвищену чутливість до концентрації напруг і до масштабного фактору. У зв'язку з цим, для суднового машинобудування актуальним є зменшення трудомісткості виробництва масивних довгомірних заготовок з одночасним підвищенням їх надійності в експлуатації.

Зниження чутливості до концентрації напруг може бути досягнуте шляхом зміни властивостей матеріалу, в першу чергу, за рахунок збільшення пластичності при збереженні або підвищенні рівня міцності. Стосовно цього дуже перспективними напрямками поліпшення службових властивостей при зниженні собівартості масивних поковок є мікролегування сталі та вдосконалення технології термічної обробки. Найдоцільніше для цих цілей застосовувати економнолеговані сталі зі зниженим вмістом вуглецю, як матеріал, який характеризується мінімальною чутливістю до концентрації напруг і високою технологічністю. Оскільки у вітчизняній промисловості при виготовленні суднових валів подібні сталі не використовуються, тема даної дисертації є актуальною для машинобудівної галузі України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає пріоритетному напряму розвитку науки та техніки «Нові технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості і агропромисловому комплексі» (Закон України від 11.07.2001 р. № 2623). Вона виконувалася відповідно до планів науково-дослідних робіт ДДМА з наступних тем: «Розробка теорії, технології й обладнання для отримання литих виробів» (№ держреєстрації 0105U000052), «Дослідження та розробка рекомендацій по використанню раціонального легування конструкційних матеріалів із застосуванням мікролегувальних домішок» (№ держреєстрації 0108U009002).

Мета і завдання дослідження. Метою даної роботи є розробка хімічного складу та технології термічної обробки економнолегованої сталі для гребних валів великотоннажних судів, яка має високу пластичність і в'язкість у поєднанні з достатньою міцністю, на основі нових даних про закономірності впливу мікролегування та термічної обробки на мікроструктурний стан і комплекс механічних властивостей середньовуглецевих машинобудівних сталей.

Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані та вирішені наступні наукові та практичні завдання:

1. Вивчити умови експлуатації та встановити критерії надійності суднових валів, проаналізувати сучасні способи збільшення опору втомленості та крихкій міцності конструкційних сталей.

2. Дослідити вплив мікролегування на міцність, пластичність і опір втомленості маловуглецевих конструкційних сталей і на цій основі розробити склад нової сталі для суднових валів з покращеним комплексом механічних властивостей.

3. Дослідити технологічність розробленої сталі на різних етапах виробництва особливо масивних поковок діаметром до 900 мм і завдовжки до 12 м; вибрати режими термообробки великогабаритних деталей суднобудування з розробленої сталі.

4. Виконати комплексне дослідження механічних властивостей, особливостей ліквації елементів, макро- та мікроструктури металу в поперечному перерізі та по довжині масивних довгомірних поковок із сталі розробленого складу. Встановити доцільність її вживання в поковках крупного перерізу із врахуванням забезпечення механічних властивостей згідно з вимогами відповідних категорій міцності ГОСТ 8536-79.

5. Впровадити розроблену сталь у виробництво для виготовлення великотоннажних виробів відповідального призначення для суднобудування.

Об'єкт дослідження. Структуроутворення і фізіко-механічні властивості машинобудівної сталі для виробів відповідального призначення.

Предмет дослідження. Закономірності впливу хімічного складу й термічної обробки на структурний стан та рівень технологічних, механічних і експлуатаційних властивостей великотоннажних поковок з мікролегованої доевтектоїдної сталі.

Методи дослідження: металографічний аналіз, оптична і растрова електронна мікроскопія, мікрорентґеноспектральний аналіз, рентґеноструктурний аналіз, дилатометричний аналіз; визначення механічних властивостей при звичайних і мінусових температурах, а також в умовах наявності концентратора напруг. Під час підготовки дисертації використана математична статистика та методи регресійної обробки результатів.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Уточнено характер роздільного й комплексного впливу мікролегувальних домішок Ca, V, Zr, N, Al, Мо і Cu на мікроструктуру та механічні властивості сталі, що містить 0,26-0,32 % С. Показано, що V і Zr найефективніше впливають на комплекс механічних властивостей при концентрації, близькій до межі їх розчинності у фериті; у цьому випадку фіксується одночасне зростання міцності, пластичності й ударної в'язкості сталі за рахунок дії твердорозчинного та субструктурного механізмів зміцнення.

2. Показано можливість досягнення задовільного стану макро- та мікроструктури, заданих механічних властивостей в особливо масивних довгомірних (12 м) поковках із зливків масою 132 т, отриманих методом змішування двох плавок доевтектоїдної мікролеґованої сталі. Отримано дані про характер розподілу властивостей в об'ємі поковки, які показують, що у міру віддалення від прибуткової до донної частини поковки спостерігається зниження характеристик міцності та зростання пластичності й ударної в'язкості. Від поверхні вглиб заготовки в прибутковій частині міцність збільшується, а пластичність і в'язкість - знижуються; у донній частині, навпаки, міцність знижується, пластичність не змінюється, а ударна в'язкість зростає.

3. Уточнено здатність до ліквації легувальних елементів при отриманні (шляхом змішування двох плавок) зливків, призначених для виготовлення особливо великих поковок (діаметром 900 мм і завдовжки 12 м). Встановлено, що по зменшенню схильності до ліквації елементи розташовуються в наступному порядку: Al, S, C, P, Zr, Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Мо, V. Зона поковки, яка відповідає змішуванню металу плавок, є найбільш забрудненою неметалевими включеннями (НВ) при підвищеному рівні ліквації С, S, P, Zr.

4. Отримали подальший розвиток уявлення про вплив різновиду термічної обробки на комплекс механічних і експлуатаційних властивостей стосовно великогабаритних сталевих поковок з мікролегованої доевтектоїдної сталі. Показано, що в порівнянні з термічним поліпшенням, нормалізація з відпуском забезпечує менший розкид властивостей за довжиною й перерізом заготовки, більш високий рівень пластичності, ударної в'язкості (у тому числі - при мінусових температурах), в'язкості руйнування, меншу чутливість до концентраторів напруг при більшій ізотропності металу поковки.

Практична цінність отриманих результатів.

1. Розроблено і запатентовано хімічний склад нової економнолеґованої сталі М27 для великогабаритних деталей суднового машинобудування.

2. Розроблено і впроваджено метод прогнозування механічних властивостей сталі М27 на стадії виплавки, що забезпечує можливість коректування вмісту мікролегувальних домішок для отримання заданого рівня властивостей в готових виробах.

3. Розроблено і випробувано методику кількісного аналізу макро- та мікроструктури шляхом комп'ютерної обробки отриманих зображень.

4. Розроблено, запатентовано і впроваджено метод загартування довгомірних заготовок, який забезпечує отримання рівномірних властивостей і структури по довжині великогабаритних заготовок на рівні вимог ГОСТ 8356-79 і Правил класифікаційних товариств.

5. Розроблено і введено в дію технічні умови ТУ У 29.1-05763599-039:2005 «Заготовки ковані суднових валів з покращеної конструкційної мікролегованої сталі марки М27», схвалені Російським Морським Регістром Судноплавства та зареєстровані в ГК України з питань технічного регулювання і споживчої політики (№ 34225938/005889 від 11 липня 2006 р.).

6. Сталь М27 і технологію її виробництва, включаючи термічну обробку, впроваджено на ЗАТ «НКМЗ» у виробництво гребних валів і великотоннажних виробів суднового машинобудування. За період 2008-2009 рр. при заміні матеріалу заготовок - сталей 38Х2Н2МА, 40ХН, 38ХМ - на мікролеговану сталь М27 при виготовленні поковок було отримано економічний ефект у розмірі 253,1 тис. грн. Очікуваний річний економічний ефект від використання розробок в 2010 р. складає 191 тис. грн. Дольова участь здобувача - 20 %.

Особистий вклад здобувача. Всі наукові положення дисертаційної роботи, які виносяться на захист, сформульовані автором особисто. Авторові належить: обґрунтування мети, підготовка і проведення експериментальних досліджень, обробка результатів експериментів та їх аналіз, підготовка статей до друку, участь в проведенні виробничих випробувань і впровадження розробленої технології у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались на науково-технічних конференціях: на щорічних конференціях ДДМА «Металознавство і металургійні технології» протягом 2003-2009 рр. (м. Краматорськ), 11-й Міжнародній конференції «Науковий прогрес-2007» (м. Дніпропетровськ, 1-15 червня 2007 р.), 8-му Міжнародному конгресі «Обладнання і технології термічної обробки» (м. Харків, 2007 р.), Міжнародній науково-технічній конференції «Перспективні технології, матеріали й обладнання в ливарному виробництві» (м. Краматорськ, 2008 р.), VІ-й Всеукраїнській науково-практичній інтернет-конференції «Україна наукова», (Київ, 21-23 грудня 2009 р.), Міжнародній науково-технічній конференції «Університетська наука - 2010» (Маріуполь, 2010 р.).

Публікації. По матеріалах дисертації опубліковано 12 друкованих робіт, включаючи 5 статей в наукових журналах і збірках, що входять в перелік ВАК України, 2 патенти і тези 5 доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 6 розділів, висновків, додатків, викладена на 207 сторінках, включаючи 125 сторінок тексту, 54 рисунки, 36 таблиць і список використаних джерел із 149 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, викладено мету роботи, завдання і методи досліджень, сформульовано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, особистий вклад здобувача, приведено дані відносно апробації й публікації основних результатів роботи.

У першому розділі представлено аналіз умов експлуатації суднових валів, описані чинники, що визначають експлуатаційну довговічність вказаних виробів. Було встановлено, що гребні вали піддаються циклічному вантаженню і їх надійність визначається опором втомленості в зоні з'єднання валу зі ступицею гребного гвинта. Руйнування суднових валів, як правило, носять втомний характер; їм сприяє концентрація напруг в зоні напресування ступиці гребного гвинта і дія масштабного фактору. У ряді випадків виявляється й висока чутливість вживаних для суднових валів сталей до концентрації напруги, структурна неоднорідність і, як наслідок, неоднорідність механічних властивостей по перерізу і довжині валів.

Підвищення надійності суднових валів є важливим завданням, її подальше рішення може бути досягнуте на основі розробки та використання нових сталей, які мають високий опір втомленості й достатню технологічність. Внаслідок проведеного аналізу сформульовані основні вимоги до сталі для суднових валів, а саме: відповідність заданій категорії міцності, втомна міцність, висока пластичність, задовільна технологічність і мінімальний вміст дефіцитних легувальних домішок у складі сталі. Із літератури відомо, що одним з найбільш ефективних способів комплексного підвищення механічних властивостей сталей є мікролегування карбо-нітрідоутворюючими та лужноземельними елементами. На основі літературного огляду сформульовано цілі і завдання досліджень.

У другому розділі обґрунтовано вибір хімічного складу базової сталі, описано технологію виплавки, кування і термічної обробки дослідних сталей. Описано методику досліджень, яка включала світлову мікроскопію за допомогою мікроскопа «Neophot-30» і аналізатора зображень «Квантімет-720», електронну мікроскопію з використанням мікроскопів ЕМВ-100Л і JSM 6360LA, рентгеноструктурний аналіз на дифрактометрі ДРОН-0,5, дилатометричний аналіз за допомогою дилатометра Шевенара. Схильність аустенітного зерна до зростання при нагріванні визначали методом цементації.

Макроструктуру досліджували із застосуванням методів сірчаних відбитків і глибокого травлення відповідно до ГОСТ 8536-79. Рівень забрудненості сталі неметалевими включеннями визначали при дослідженні зразків на оптичному мікроскопі при збільшенні х100. Вивчення мікроструктури з використанням аналізатору «Квантімет-720» проводилося за спеціально розробленою методикою, заснованою на комп'ютерній обробці отриманих зображень.

Механічні випробування на твердість, розтягування, загин і ударний згин проводили згідно з ГОСТ 9012-59, 9013-59, 9450-76, 1497-84, 9454-78. Втомну міцність визначали по ГОСТ 25.502-79, в'язкість руйнування - по динамічному методу ЦНІІТМАШа.

У третьому розділі представлено результати дослідження впливу невеликих домішок Ca, V, Zr, (N+Al), Мо і Cu на мікроструктуру і механічні властивості доевтектоїдної сталі. Як базовий варіант була використана сталь складу, в мас. %: 0,26-0,32 C; 0,60-1,00 Mn; 0,38-0,60 Si; до 0,50 Ni; до 0,50 Cr; до 0,01 Al. Зливки масою 30 кг отримували в лабораторних умовах. Методом фракційного розливання були отримані зливки з наростаючим вмістом вищезгаданих елементів, які піддавали куванню, відпалу, механічній обробці та кінцевій термічній обробці (гартуванню і відпуску при 650 ^оС). Рис.1 ілюструє вплив мікродомішок на властивості базової сталі.

а)	б)
в)	г)
д)	е)

Рис.1. Вплив Са (а), Zr (б), V (в), (N+Аl) (г), Мо (д), Cu (е) на механічні властивості сталі базового складу: - _в; - _т; - ; - ; - K_1C;

- KCU; - .

Отримані дані показали, що введення до 0,3 % Zr, до 0,6 % V, до 1,3 % Cu, до 0,35 % Мо, до 0,3 % (N+Аl) монотонно підвищує характеристики міцності, включаючи межу витривалості на гладких (^гл_-1) і напресованих (^К_-1) зразках. Кальцій в кількості до 0,08 %, практично не впливаючи на показники міцності, зумовив монотонне зростання пластичності, ударної в'язкості, в'язкості руйнування і ^К_-1. Позитивний вплив кальцію стає особливо помітним при його вмісті близько 0,01 %.

Цирконій у всьому дослідженому інтервалі концентрацій забезпечив зростання ударної в'язкості та в'язкості руйнування, проте пластичність змінювалася по кривій з максимумом при 0,01 % Zr.

Таким же екстремальним виявився вплив ванадію: при його введенні пластичність і в'язкість сталі досягають найвищих значень при 0,04-0,05 % V. Мікролеґування Мо, Cu і (N+Аl) при будь-якому вмісті цих елементів монотонно знижує в'язкість руйнування, показники пластичності й ударну в'язкість базової сталі.

Таким чином, молібден, мідь і азот з алюмінієм забезпечують лише підвищення міцності при зниженні пластичних і в'язких характеристик; домішки ж ванадію, цирконію та кальцію приводять до зростання всього комплексу властивостей. При з'ясуванні причин впливу трьох останніх елементів було встановлено наступне. Кальцій справляє сильну модифікуючу дію на сульфідні включення, призводячи до їх округлення (рис.2), до зменшення в 1,5 рази площі окремих включень і в 2,5 рази - загальної займаної ними площі. Це не впливає на міцність, але призводить до істотного підвищення пластичності, в'язкості та до зниження чутливості до концентрації напруг.

Рис.2. Вплив кальцію на площу (а) і співвідношення осей НВ (б).

Ванадій і цирконій справляють позитивний вплив на весь комплекс властивостей лише за невеликої кількості, близької до межі розчинності цих елементів у фериті. Проведені рентгеноструктурні дослідження показали, що введення V і Zr в кількості ~0,01 % і ~0,04 %, відповідно, обумовлює поєднання твердорозчинного і субструктурного механізмів зміцнення, про що свідчить підвищення твердості структурно-вільного фериту, істотне подрібнення блоків мозаїки (рис.3) і зростання мікронапруг 2-го роду. Подрібнення зерен з формуванням розвиненої субструктури сприяє релаксації пружної енергії в зоні геометричних концентраторів напруги, що знижує чутливість сталі до надрізу. Розчиняючись у фериті, V і Zr не збільшують вмісту перліту, тим самим сприяючи збереженню високої пластичності і в'язкості сталі.



Рис. 3. Вплив V і Zr на мікротвердість фериту (а) і діаметр блоків мозаїки (б).

Незважаючи на певне окрихчення базової сталі при введенні Мо, Cu та (N+Аl), присутність цих елементів в дозованій кількості була визнана корисною, враховуючи необхідність зниження схильності сталі до відпускної крихкості і полегшення коагуляції карбідів у перлітних колоніях (Мо), посилення твердорозчинного зміцнення, підвищення прогартованості та зростання корозійної стійкості (Cu). Нітридоутворюючі елементи N, Al необхідні для додаткового зростання міцності і контролю розміру аустенітного зерна при операціях кування та термічної обробки за рахунок дисперсних нітридних включень.

В результаті проведених досліджень було вибрано хімічний склад комплексномікролегованої сталі, якій дали назву М27. Ця сталь містить, в мас. %: 0,25-0,32 C; 0,60-1,00 Mn; 0,38-0,60 Si; 0,10-0,50 Ni; 0,10-0,50 Cr; 0,05-0,20 Мо; 0,001-0,02 Al; 0,1-0,25 V; 0,001-0,010 Zr; 0,05-0,25 Cu; 0,001-0,02 N; 0,001-0,03 Ca. На склад сталі М27 було отримано авторське свідоцтво.

Подальші лабораторні дослідження проводили на зливках, відлитих із сталі даного складу. Було встановлено, що критична точка Ас₁ цієї сталі фіксується при 740 ^оС, а точка Ас₃ - при 830 ^оС. Як випливає з рис.4, сталь М27 відноситься до сталей з бейнітним типом прогартованості, тобто для неї характерне відокремлення бейнітного інтервалу перетворень. В залежності від швидкості охолодження, в сталі можливе формування мартенситної, бейнітної, феритно-бейнітної, ферито-перлітно-бейнітної або ферито-перлітної структури.

Критичний діаметр сталі М27 при загартуванні у воді складає 25 мм. Сталь М27 є спадково дрібнозернистою: інтенсивне зростання аустенітного зерна починається в ній при температурі понад 1050 ^оС.

У четвертому розділі наведено результати дослідження впливу температури загартування й відпуску на механічні властивості сталі М27. Було встановлено, що в разі відпуску при 650 ^оС найбільш високий комплекс властивостей забезпечується загартуванням від температури, що знаходиться в районі критичної точки А_С3, тобто 830±10 ^оС (рис.5). В даному випадку формується найбільш дрібнозерниста структура зі збереженням невеликої кількості фериту, що сприятливо відбивається на пластичності та в'язкості сталі. Використання вказаної температури для аустенітизації забезпечує (на відміну від відомого правила А_С3+30…60 ^оС) економію енергоресурсів при термообробці. Також встановлено, що після загартування від цієї температури оптимальне поєднання міцності, пластичності та в'язкості забезпечується відпуском при 640-660 ^оС, при якому досягається максимальна в'язкість і стабілізується твердість.



Рис.5. Вплив температури загартування (а) і відпуску (б) на властивості сталі М27.

При виплавці сталей для отримання крупних зливків мають місце випадки, коли метал попередньої плавки у вигляді залишку потрапляє в невеликих кількостях в метал подальшої плавки. У такій ситуації важливо прогнозувати рівень властивостей сталі та оцінювати можливість додаткового поліпшення її властивостей за рахунок введення додаткових мікродомішок. З цією метою була розроблена комп'ютерна програма, що дозволяє коректувати по ходу плавки кількість мікролегувальних і модифікуючих домішок. В основі програми - розраховані регресійні рівняння впливу Ca, V, Zr, (N+Аl), Мо та Cu на механічні властивості сталі. Ця програма була випробувана у виробничих умовах і підтвердила свою адекватність.

У п'ятому розділі описано методику випробування сталі М27 в умовах ЗАТ «Новокраматорський машинобудівний завод» при виготовленні великотоннажних виробів. Із цієї сталі були виготовлені два повномасштабних макети суднових валів масою 87 т кожний (завдовжки 11,7 м, максимальний діаметр - 2 м). Заготовками для макетів служили зливки, отримані з металу двох мартенівських плавок масою 82 і 50 т. Зливки піддавали куванню, причому, враховуючи велику довжину поковки, використовували ряд специфічних технологічних прийомів. Сталь М27 проявила достатню технологічність при куванні. Попередню термообробку макетів робили за стандартним режимом, який використовується на «НКМЗ» для конструкційних марок сталей. Режими різання заготовок не відрізнялися від типових режимів різання для конструкційних сталей.

Макети валів піддали остаточній термічній обробці по двох режимах: макет А - нормалізації з високим відпуском, макет Б - термічному поліпшенню (використовуючи відпрацьовані раніш параметри аустенітизації та відпуску). При виконанні гартування макету Б з метою зменшення короблення та запобігання тріщинам, охолодження виконували через воду в масло, а для забезпечення рівномірних службових властивостей по довжині заготівки її занурення у воду здійснювали масивнішим (донним) кінцем вниз із швидкістю 0,03-0,04 м/с, при цьому витримку у воді проводили протягом 10 хв., а подальше охолодження в масло здійснювали до 100-150 ^оС. Цей спосіб загартування масивних виробів захищено патентом Російської Федерації № 2012600. Після термообробки тріщини в макеті були відсутні, його залишкова деформація укладалася в припуск на механічну обробку.

Таким чином, на всіх стадіях металургійного виробництва сталь М27 проявила достатню технологічність, як матеріал для великотоннажних зливків.

Шостий розділ містить результати дослідження макетів валів із сталі М27. Після проведення всього комплексу обробки макет Б був повністю розрізаний на проби, а від кінцевих частин макету А були відібрані темплети, на яких вивчали розподіл структури і механічних властивостей у всьому об'ємі валів. Таке дослідження дало найбільш об'єктивну картину і дозволило реально оцінити можливість використання сталі М27 у виробництві.

Вивчили розподіл хімічних елементів в об'ємі заготовок. Було встановлено, що найбільшу відмінність у вмісті елементів в прибутковій та донній частинах виявляють Al, S, С, Р. За зменшенням схильності до ліквації досліджені елементи розташовуються в наступному порядку: Al, S, C, P, Zr, Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Мо, V.

Було встановлено, що за макроструктурою, характером розподілу і кількості НВ обидва макети зі сталі М27 відповідали існуючим вимогам і не відрізнялися від крупних поковок з добре освоєних сталей, а за формою неметалевих включень мали кращі результати - форма НВ була близька до сферичної. Кількість НВ зростає від поверхні поковок до їх центра, і ця відмінність складає: у донних частинах - 30-40 %, у прибуткових - 10-20 %. При цьому вміст НВ у прибутковій частині в 1,5-2,0 рази вище, ніж в донній частині поковок, а середня відстань між окремими включеннями в 1,5-3 рази менша. Крім того, середня частина по довжині макету (тобто, зона змішування металу двох плавок) мала підвищені забрудненість сірчастими лікватами та неоднорідність по С, S, P і особливо - по Zr. Незважаючи на це, макроструктура вказаної зони відповідала вимогам до якості металу.

Аналіз визначення механічних властивостей в різних ділянках макетів показав наступне. В цілому, в міру віддалення від прибуткової до донної частини спостерігається зниження характеристик міцності і зростання пластичності й ударної в'язкості. Від поверхні вглиб заготовки в прибутковій частині міцність збільшується, а пластичність і в'язкість - знижуються; у донній частині, навпаки, міцність знижується, пластичність не змінюється, а ударна в'язкість зростає. Значення механічних властивостей в об'ємі нормалізованого макету (А) змінюються в межах: _0,2= 322-376 МПа (0,98-1,03); _в= 550-624 МПа (0,98-1,02); = 21-29,5 % (1,04-1,18); = 47-65 % (1,11-1,37), Kcu= 560-1400 кДж/м² (1,11-1,94) (у дужках приведено відношення значень властивостей, отриманих на подовжніх зразках, до властивостей, отриманих на тангенціальних зразках). У термопокращеному макеті (Б) були отримані наступні властивості: _0,2= 510-629 МПа (0,98-1,04); _в= 653-762 МПа (0,98-1,03); = 13,5-21,5 % (1,25-1,48); = 31,5-66 % (1,41-2,03), Kcu= 530-1515 кДж/м² (1,58-2,80).

Незважаючи на менший рівень міцності, нормалізація робить сталь М27 більш ізотропною, забезпечує їй підвищену однорідність властивостей за довжиною та перерізом заготовки. Це пов'язано з рівномірним розподілом мікроструктури нормалізованого металу, яка представлена феритом і перлітом з деяким переважанням фериту (рис.6). У термопокращеній заготовці спостерігається значний розкид мікроструктури за глибиною заготовки: від відпущеного бейніту з голчастим орієнтуванням до суміші фериту і перліту.

а)	б)	в)
г)	д)	е)

Рис.6. Мікроструктура металу прибуткової частини макетів А (а-в) і Б (г-е) в поверхні (а, г), на половині радіусу (б, д), біля центрального отвору (в, е) х100.

Більш висока пластичність і рівномірність властивостей забезпечують нормалізованій сталі М27 меншу чутливість до концентраторів напруг: відношення значень ^гл_-1 до ^К_-1 становить 1,31-1,50 - після нормалізації і 1,97-2,28 - після поліпшення. До того ж, нормалізована сталь перевищує термопокращену сталь за середньою величиною K_1С (відповідно 83,3-121,8 і 66,3-111 МПам). Нормалізований метал руйнується з більшим залученням пластичної деформації, про що свідчить аналіз поверхні зламів.

Обидві використані технології термообробки приблизно однаково впливають на холодостійкість сталі М27. Її нижній поріг холодноламкості складає мінус 50…60 ^оС - на зразках Менаже і мінус 30…40 ^оС - на зразках Шарпі, що вказує на досить високий запас в'язкості і надійності цієї сталі (рис.7). В цілому, вищий рівень ударної в'язкості в порівнюваних перерізах при мінусових температурах є характерним для нормалізованої заготівки, а при температурах вище 0 °С - для термопокращеної. При цьому нормалізований метал відрізняється меншим розкидом значень в'язкості при будь-якій температурі випробувань.

Проведені дослідження дозволили встановити, що нормалізована сталь М27 може застосовуватися для суднових валів діаметром 600-800 мм, забезпечуючи категорію міцності КМ28А (ГОСТ 8536-79). При цьому досягається перевищення заданого рівня пластичності на 56-200 % (відн.) і ударної в'язкості - на 360 % (відн.). У термічно покращеному стані сталь М27 може забезпечувати для тих же виробів категорію міцності КТ40 (і навіть КТ50). При цьому перевищення рівня пластичності складає 35-45 % (відн.), а ударної в'язкості - 110-150 % (відн.).

Таким чином, проведеним комплексом досліджень було показано, що сталь М27 за рівнем технологічності, за механічними властивостями може успішно конкурувати з відомими сталями як матеріал для виготовлення масивних деталей суднового машинобудування. У категорії міцності КТ40 для валів діаметром 460-480 мм вона може замінити сталь 40ХН, а для валів діаметром 585-600 мм - сталь 38ХМ. При виготовленні довгомірних суднових валів з осьовим каналом при товщині стінки до 250 мм на категорію міцності КТ50 сталь М27 може замінити сталь 38Х2Н2МА, яку рекомендує для таких виробів ГОСТ 8536-79. При однаковій зі вказаними сталями міцності сталь М27 має вищу пластичність і ударну в'язкість, а також знижену собівартість: відносно 38ХМ - на 196 грн/т, 40ХН - на 237 грн/т, 38Х2Н2МА - на 2105 грн/т.



а) б)

Рис. 7. Вплив температури випробувань на ударну в'язкість металу донної частини макетів А (а) і Б (б).

Враховуючи позитивні результати випробувань, сталь М27 і технологію її виробництва було впроваджено на ЗАТ «НКМЗ» при виготовленні суднових валів. Розроблені і погоджені з Російським Морським Регістром Судноплавства та українськими організаціями ТУ У29.1-05763599-039:2005 «Заготівки ковані суднових валів із покращеної конструкційної мікролеґованої сталі марки М27». У 2008-2009 роках при заміні матеріалу заготовок (сталей 38Х2Н2МА, 40ХН, 38ХМ) на мікролеґовану сталь М27 при виготовленні виковок було отримано економічний ефект у розмірі 253,1 тис. грн.; очікуваний в 2010 р. економічний ефект від впровадження розробок по дисертації складає 191 тис. грн. Доля здобувача в економічному ефекті - 20 %.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі дано теоретичне обґрунтування і запропоновано нове рішення актуальної науково-технічної задачі підвищення комплексу механічних властивостей доевтектоїдної сталі з 0,26-0,32 % С за рахунок введення мікродомішок Ca, V, Zr, Al, N, Мо, Cu, яке дозволило розробити хімічний склад і технологію термічної обробки нової економнолегованої сталі для великогабаритних суднових валів з підвищеним рівнем надійності, що має велике значення для машинобудівної галузі.

На підставі отриманих результатів сформульовано наступні висновки.

1. Основною причиною аварійного виходу з ладу суднових валів є втомне руйнування, особливо в місці напресовки ступиці гребного гвинта. Підвищення надійності й довговічності валів є можливим за рахунок розробки нових сталей для суднових валів, які повинні поєднувати високу міцність та пластичність, достатню технологічність при мінімальному вмісті дефіцитних легуючих домішок у складі сталі. Ці умови можуть бути реалізовані за рахунок використання мікролегування і модифікування сталі.

2. Визначено раціональні межі вмісту Ca, V, Zr, N, Al, Мо, Cu на механічні властивості сталі з 0,26-0,31 % С, які забезпечують досягнення високого комплексу міцності, пластичності та ударної в'язкості. Встановлено, що введення V і Zr в кількості, близькій до їх межі розчинності у фериті, забезпечує одночасне зростання міцності, пластичності і ударної в'язкості за рахунок реалізації твердорозчинного і субструктурного механізмів зміцнення.

3. Було розроблено та запатентовано сталь М27 і комп'ютерну програму для оперативного коректування її хімічного складу під час плавки, в основі якої лежать отримані регресійні залежності впливу мікролегуючих елементів на властивості сталі, що містить 0,26-0,31 % С.

4. Отримання високого комплексу механічних властивостей з максимальним рівнем ударної в'язкості в сталі М27 забезпечується загартуванням від температури, що знаходиться в районі критичної точки А_С3 (830±10 ^оС), з формуванням дрібнозернистої структури при збереженні невеликої кількості фериту. При цьому відпуск необхідно проводити при 640-660 ^оС - температурі досягнення максимальної в'язкості та початку стабілізації твердості сталі.

5. Було розроблено і запатентовано спосіб термічної обробки довгомірних виробів типа валів, який забезпечує отримання рівномірних службових властивостей за довжиною заготовки при її мінімальному коробленні та відсутності тріщин.

6. Показано принципову можливість досягнення задовільного стану макро- та мікроструктури, заданих механічних властивостей в особливо масивних довгомірних поковках із зливків масою 132 т, отриманих методом змішування двох плавок доевтектоїдної мікролегованої сталі. Встановлені особливості ліквації елементів у поковках із зливків «змішаної» сталі. Найбільшу відмінність у вмісті елементів прибуткової та донної частин виявляють Al, S, С, Р. За зменшенням схильності до ліквації досліджені елементи розташовуються в наступному порядку: Al, S, C, P, Zr, Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Мо, V. У середній частині поковки, яка відповідає зоні змішування металу двох плавок, відмічені підвищені забрудненість сірчастими лікватами і неоднорідність у розподілі С, S, P, Zr.

7. Із застосуванням розробленої методики кількісного аналізу макро- та мікроструктури встановлено, що кількість НВ в крупних поковках із сталі М27 зростає від поверхні до центру: на 30-40 % - в донній частині, на 10-20 % - в прибутковій. Вміст НВ у прибутковій частині в 1,5-2,0 рази перевищує їх вміст в донній частині виковок. При цьому кількість НВ в прибутковій частині є в 1,5-2,0 рази вищою, аніж в донній частині, а середня відстань між включеннями - в 1,5-3 рази меншою.

8. Вперше отримано дані відносно характеру розподілу механічних властивостей за довжиною і перетином унікальних поковок, отриманих із зливків масою 132 т із сталі М27, після двох видів остаточної термічної обробки: термічного покращення та нормалізації з відпуском. Встановлено, що нормалізація з відпуском забезпечує менший розкид властивостей за довжиною та перетином заготовки, вищий рівень пластичності, ударної в'язкості (у тому числі - при мінусових температурах), в'язкості руйнування, меншу чутливість до концентраторів напруги при більшій ізотропності металу поковки.

9. Показано, що сталь М27 є технологічною на усіх переділах металургійного виробництва та забезпечує задовільну ліквацію елементів по перетину і за довжиною великотоннажних поковок. У поковках діаметром 500-900 мм після нормалізації сталь має дрібнозернисту ферито-перлітну структуру та відповідає категорії міцності КМ. 28А (ГОСТ 8536-79) з перевищенням заданого рівня пластичності на 56-200 % (відн.) та ударної в'язкості - на 360 % (відн.). У покращеному стані сталь М27 відповідає категорії міцності КТ40 (ГОСТ 8536-79) з перевищенням рівня пластичності на 35-45 % (від.), а ударної в'язкості - на 110-150 % (відн.).

10. Розроблено, схвалено Російським Морським Регістром Судноплавства та затверджено технічні умови ТУ У29.1-05763599-039:2005 «Заготівки ковані суднових валів з покращуваної конструкційної мікролегованої сталі марки М27». Результати дисертаційної роботи в вигляді хімічного складу сталі М27 і режимів її термічної обробки впроваджено у виробництво на ЗАТ «НКМЗ». У 2008-2009 рр. в результаті заміни сталей 38Х2Н2МА, 40ХН, 38ХМ на сталь М27 при виготовленні поковок було отримано економічний ефект в розмірі 253,1 тис. грн.; очікуваний в 2010 р. економічний ефект складає 191 тис. грн. Доля здобувача в економічному ефекті - 20 %.

сталь механічний судовий вал

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Фельдман В.Е. Особенности изменения структуры и свойств стали М27 для гребных валов / В.Е. Фельдман // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2005. - 6/1 (18). - С.29-32.

2. Белкин М.Я. Особенности получения поковок ответственного назначения / М.Я. Белкин, В.Е. Фельдман // Зб. наук. праць. Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. - 2004. - С. 406-409.

3. Белкин М.Я. Сталь для поковок ответственного назначения / М.Я. Белкин, В.Е. Фельдман // Зб. наук. праць. Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. - 2003. - С. 338-340.

4. Заблоцкий В.К. Формирование аустенитной структуры при нагреве доэвтектоидной стали / В.К. Заблоцкий, В.Е. Фельдман // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. - 2006. - №2 (4). - С.138-142.

5. Заблоцкий В.К. Оптимизация количества микродобавок элементов для улучшения свойств малоуглеродистой стали М27 / В.К. Заблоцкий, В.Е. Фельдман, В.И. Шимко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2009. - 3/1(39). - С. 15-18.

6. А.с. 1675380 А1 СССР МКИ³ C22C 38/50. Сталь // Белкин М.Я., Фельдман В.Е., Филимонов Г.Н., Осминин Б.А., Кривошеев В.П., Алексеенко В.Т., Белкин В.М., Пестов В.С. (СССР).-- № 4497955/02; заявл. 19.07.1988; опубл. 07.09.1991, Бюл. № 33.

7. Пат. 2012600 Российская Федерация, МПК⁷ C21D 9/28. Способ термической обработки длинномерных изделий типа валов / Фельдман В.Е., Филимонов Г.Н., Осминин Б.А., Кривошеев В.П., Алексеенко В.Т., Виноградская А.А., Кагало В.В.; № 4931572/02; заявл. 17.01.92; опубл. 15.05.1994, Бюл. 9.

8. Заблоцкий В.К. Оптимизация количества модификаторов для обеспечения гарантированного уровня свойств малоуглеродистой стали М27 для гребных валов / В.К. Заблоцкий, В.Е. Фельдман // 11-я международная научно-практическая конференция [Научный прогресс на рубеже тысячелетий-2007], (Днепропетровск, 1-15 июня 2007 г.). - Днепропетровск: Технические науки. - 2007. - Т.14. - С.44-46.

9. Заблоцкий В.К. Определение количественного состава элементов для выбора микродобавок при выплавке стали М27 / В.К. Заблоцкий, В.Е. Фельдман // Матеріали шостої всеукраїнської науково-практичної інтернет-конференції [Україна наукова - 2009], (Київ, 21-23 грудня 2009 г.). - Київ, 2009. - Т.6. - С.43-45.

10. Фельдман В.Е. Закономерности изменения ударной вязкости по сечению крупных поковок из стали М27 после нормализации и улучшения / В.Е. Фельдман, В.К. Заблоцкий // Материалы 8-го Международного Конгресса [Оборудование и технология термической обработки металлов и сплавов], (Харьков, 2007). Харьков: ФТИ, 2007. - С.78-82.

11. Фельдман В.Е. Ликвация элементов в крупных поковках стали М27 / В.Е. Фельдман // Перспективные технологии, материалы и оборудование в литейном производстве [Материалы международной научно-технической конференции], (Краматорск, 2008). - Краматорск: ДГМА, 2008. - С.150-152.

12. Фельдман В.Е. Микролегированная сталь для гребных валов крупнотоннажных судов / В.Е. Фельдман, В.К. Заблоцкий, В.Г.Ефременко // Материалы международной конференции [Университетская наука-2010], (Мариуполь, 18-19 мая 2010 г.) - Мариуполь: ПГТУ, 2010. - С.208-209.

Особистий вклад автора в роботах, опублікованих в співавторстві:

[2, 10, 12] - виконано дослідження в виробничих умовах і проаналізовано їх результати; [3-5, 8, 9] - проведено дослідження в лабораторних умовах, описано та проаналізовані їх результати; [6] - запропоновано принцип і швидкість занурення довгомірних виробів у водяний бак; [7] - запропоновано межі вмісту в сталі вуглецю, кальцію, ванадію, цирконію, молібдену.

Размещено на Allbest.ru

...