Влияние химического состава на ударную вязкость ответственных отливок грузовых вагонов

Размещено на http://www.allbest.ru/

4

Влияние химического состава на ударную вязкость ответственных отливок грузовых вагонов

Машиностроение и транспорт

УДК 621.74

Р.А. Богданов, С.В. Давыдов

30.10.12

Аннотации

На основе статистического анализа мартеновских плавок рассмотрено комплексное влияние углерода и марганца совместно с другими сопутствующими элементами низколегированной стали 20ГЛ на повышение ударной вязкости.

Ключевые слова: статистический анализ, ударная вязкость, боковая рама, надрессорная балка, сталь 20ГЛ, химический состав.

BogdanovR.A., DavydovS.V. Effect of chemical compositionon the impact strengthresponsiblecastingsfreight wagons.On the basis a statistical analysisof open-hearthmeltingconsider the complexeffect of carbonand manganesetogetherwith other relatedelements oflow-alloy steel20GLto increaseresilience.

Key words: statistical analysis, impact resilience, side frame,bolster, steel 20GL, chemical composition.

На протяжении многих десятилетий ООО «ПК «БСЗ» получает в мартеновской печи жидкую сталь марки 20ГЛ,модифицированную внепечной обработкой и идущую на отливки «Рама боковая» и «Балка надрессорная» грузовых вагонов.

Отливки «Рама боковая» и «Балка надрессорная» являются несущими элементами тележек грузовых вагонов, работающих в условиях повышенных циклических нагрузок. Степень их эксплуатационной надежности во многом определяет уровень безопасности движения, величину межремонтных пробегов и экономические показатели перевозочного процесса.

Технические службы ОАО «РЖД» повысили требования к качеству отливок грузовых вагонов из стали 20ГЛ, подняв уровень ударной вязкости образцов с V-образным надрезомKCV_-60свыше 1,7кгс•м/см² и снизив содержание серы и фосфора до S< 0,025 % и Р< 0,025 %.

Для повышения уровня служебных характеристик боковых рам и надрессорных балок в соответствии с новыми возможностями технологии и оборудования современного литейного производства технические службы ОАО «РЖД» предполагают увеличить значения ударной вязкости KCV_-60свыше 2 кгс•м/см²для стимуляции технического перевооружения на предприятиях-изготовителях грузовых вагонов.

Анализ статистических данных по выплавленной в мартеновской печи стали 20ГЛ на предприятии «ПК «БСЗ» показывает (рис. 1), что в соответствии с повышенными требованиями уровень ударной вязкости KCV_-60> 1,7кгс•м/см²достигнут только в 58,7% (871 плавка) и KCV_-60> 2,0кгс•м/см² - в 30,3% (450 плавок) от общего количества плавок (1483 плавки).

Рис. 1.Вариационная диаграмма ударной вязкости: --- KCV_-60> 1,7; - - - -- KCV_-60> 2

На основании методики [1] построена частотная диаграмма (рис. 2), показывающая взаимосвязь между количеством мартеновских плавок и уровнем ударной вязкости, например: KCV_-60 = 1,7кгс•м/см² - в 127 плавках, KCV_-60 = 2,0 кгс•м/см² - в 131 плавке и т.д.

В течение длительного периода времени и за 2010г. технологии выплавки мартеновской стали 20ГЛ и получения литейной формы не изменились, следовательно, основным фактором влияния на уровень ударной вязкости KCV_-60 является нестабильный химический состав стали 20ГЛ.

Рис. 2. Вариационная диаграмма количества мартеновских плавок с одинаковым уровнем ударной вязкости

Следует отметить бессистемность литературных данных о комплексном влиянии углерода и таких основных элементов, присутствующих в низколегированной стали 20ГЛ, как марганец, кремний, сера, фосфор и т.д.[2]. Без подробного анализа этих данных невозможно решить задачу оптимизации химического состава стали 20ГЛ с целью получения стабильных значений ударной вязкости образцов с V-образным надрезом KCV_-60> 1,7кгс•м/см² для ответственных отливок грузовых вагонов.

Для анализа сложившейся ситуации по ударной вязкости были взяты данные по химическому составу мартеновских плавок за весь 2010г.

Авторы работы выбирали средние значения содержания углерода и марганца и увязывали их с определяемыми элементами в низколегированной стали 20ГЛ. сталь ударный механический

Отливки грузовых вагонов должны соответствовать предъявляемым к ним требованиям как по химическому составу (табл. 1), так и по механическим свойствам (табл. 2).

Таблица 1 Химический состав стали 20ГЛ по ГОСТ 22703 - 91, % по массе

*У(S+P)?0,060%.

Из приведенных в табл. 1 элементов при выплавке стали регулируется содержание C, Mn, Si, S, P, Al, Ti, а количество Сr, Ni, Cu сохраняется на уровне их содержания в шихте и не контролируется, так как, по опыту работы ООО «ПК «БСЗ», оно не превышает требуемого соответствующими стандартами.

Для оценки ударной вязкости применяли метод серийных испытаний на ударный изгиб образцов с различными типами надреза при понижающихся температурах по ГОСТ 9454-78 на маятниковом копре модели МК-30А. При охлаждении образцов использовали хладагент - углекислоту. Образцы охлаждали в термоизолированном термосе до температуры -65…-70 ^оС, контролируемой спиртосодержащим термометром. Извлечение, транспортировка и установка образцов на копер занимала 5…7 с и осуществлялась с помощью пинцета.

Таблица 2 Механические свойства стали 20ГЛ по ОСТ 32.183 - 2001

Содержание Mn, Si, Cr, Ni, Ti, Al определяли на фотоэлектрических установках МФС - 8 и МФС - 6 согласно рекомендациям [3].Содержание С, Р и S определяли химическими методами в лаборатории ООО «ПК «БСЗ».

Статистический анализ химического состава стали 20ГЛ проводили с помощью программы Microsoft Excel 2010.

Независимо от содержания C и Si удовлетворительные результаты по ударной вязкости показывают плавки с Mn>1,2 % на верхнем пределе (рис. 3 а,б). В частном случае положительные значения ударной вязкости наблюдаются при содержании C?0,2 % на нижнем пределе, Mn>1,2% и Si?0,4% на верхних пределах (рис. 3 а,б). В остальных случаях содержание Si в различных комбинациях не дает положительного эффекта.

На рис. 3 рассмотрено суммарное влияние серы и фосфора (S+P), а также углерода и марганца на значения ударной вязкости KCV_-60. Наилучшие результаты по KCV_-60 показывают плавки с содержанием Mn>1,2% на верхнем пределе химического состава по ГОСТ 22703 - 91 и суммарным содержанием (S+P) > 0,05% (рис. 3 в, г). Этот факт объясняется сульфидным эффектом, связанным с двояким участием сульфидов в процессе разрушения [4]. Разрушение сульфидов приводит к релаксации напряжений, а необходимое их огибание движущейся трещиной действует подобно затуплению её вершины, что приводит к повышению ударной вязкости KCV_-60.

Для анализа влияния повышенного содержания (S+P) > 0,05% на KCV_-60 было проанализировано раздельное влияниеS и P(рис. 4 а, б). При содержании S> 0,025 % и P> 0,025 % в мартеновских плавках с C>0,2% и Mn>1,2% на верхних пределах и C?0,2% и Mn?1,2% на нижних пределах ударная вязкость KCV_-60> 1,7 кгс•м/см² (рис. 4 а, б).

Влияние содержания Cr, как и Si, на ударную вязкость тесно увязывается с Mn>1,2% на верхнем пределе (рис. 4 в, г). При содержании C?0,2% и Mn?1,2% на нижних пределах или при C?0,2% на нижнем и Mn>1,2 на верхнем пределах повышенное содержание Cr>0,12% дает удовлетворительные значения KCV_-60 (рис. 4 в, г). В остальных случаях Cr никак не проявил себя в качестве элемента, повышающего ударную вязкость в различных комбинациях (рис. 4 в, г).

Подобно Si и Cr, независимо от содержания Ni и C на положительные значения ударной вязкости KCV_-60 оказывает влияние Mn>1,2% на верхнем пределе (рис. 5 а, б). В частном случае, при сочетании C>0,2% и Mn>1,2% на верхних пределах и Ni?0,12% или C?0,2% на нижнем и Mn>1,2% на верхнем пределах и Ni>0,12%, ударная вязкость показывает удовлетворительные результаты KCV_-60> 1,7кгс•м/см² (рис. 5 а, б).

Подобно Si, Ni и Cr, независимо от содержания Cu и C наблюдаются наилучшие результаты по ударной вязкости KCV_-60 при повышенном содержании Mn>1,2% (рис. 5 в, г). В остальных случаях Cu ведет себя так же, как Si, Ni и Cr (рис. 5в, г).

Лучшие показатели по ударной вязкости KCV_-60 связаны с повышенным содержанием Mn>1,2%, независимо от содержания C и Al (рис. 6 а, б). В остальных случаях Al не оказывает положительного влияния на значения ударной вязкости (рис. 6 а, б).

Независимо от содержания C и Ti на положительные значения ударной вязкости KCV_-60 оказывает влияние Mn>1,2% на верхнем пределе (рис. 6 в, г). Однако при низком содержании C?0,2% и Mn?1,2% и Ti>0,004% преобладают значения ударной вязкости KCV_-60> 1,7кгс•м/см² (рис. 6в, г).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Влияние химсостава стали 20ГЛ наKCV_-60: а - C, Mn и Si<0,4%; б - C, Mn и Si?0,4%; в - C, Mn и (P+S)?0,05%; г - C, Mn и (P+S)>0,05%

Рис. 4. Влияние химсостава стали 20ГЛ на KCV_-60: а - C, Mn, Р ?0,025% и S>0,025%; б - C, Mn, Р>0,025% и S>0,025%; в - C, Mn и Cr?0,12%; г - C, Mn и Cr>0,12%

Рис. 5. Влияние химсостава стали 20ГЛ на KCV_-60: а -C, Mn, и Ni?0,12%; б - C, Mn, и Ni>0,12%; в - C, Mn и Cu<0,2%; г - C, Mn и Cu?0,2%

Рис. 6. Влияние химсостава стали 20ГЛ на KCV_-60: а - C, Mn, и Al?0,04%; б -C, Mn, и Al>0,04%; в - C, Mn и Ti?0,004%; г - C, Mn и Ti>0,004%

Размещено на http://www.allbest.ru/

Заключение

Итак, в заключение можно сделать следующие выводы:

1. При содержании C>0,2% и Mn>1,2% на верхних пределах, допускаемых маркой стали 20ГЛ, влияние других сопутствующих элементов (Si, Сr, Ni, Cu, Al, Ti) не дает ощутимогоповышения KCV_-60.

2. При содержании C?0,2% на нижнем и Mn>1,2% на верхнем пределах, допускаемых маркой стали 20ГЛ,содержаниеSi, Сr, Ni, Cu, Al, Tiдолжно быть на верхнем пределе по ГОСТ 22703-91 для повышенияKCV_-60>1,7кгс•м/см².

3. В частном случае повышенное содержание Сr>0,12% и Ti>0,004% положительно влияет на ударную вязкость KCV_-60стали 20ГЛ при снижении C?0,2% и Mn?1,2%до нижнего предела.

4. При низком содержании Ni?0,12 и Mn>1,2% на верхнем пределе наблюдаютсяудовлетворительные значения ударной вязкости KCV_-60.

5. Серу и фосфор, отрицательно воздействующие на ударную вязкость KCV_-60, необходимо держать на минимальном уровне (S<0,02 % и P<0,02 %), обеспечение которого возможно при введении модификаторов и легирующих элементов, способствующих выведению вредных примесей из стали 20ГЛ.

6. Все мартеновские плавки, содержащие серу в диапазоне 0,025…0,03 %, соответствуют ТУ выплавки стали 20ГЛ и не отвечают требованиям нового положения от ОАО «РЖД».

7. Для повышения значений ударной вязкости KCV_-60> 1,7 кгс•м/см²необходимо иметь следующий химический состав стали 20ГЛ: C- 0,17…0,25%; Si ?0,4%; S<0,02%; P<0,02%; Сr?0,12%; Ni?0,12%; Cu?0,2%; Al?0,04%; Ti>0,004%.

8. Металл, выплавленный в мартеновских печах, вследствие невозможности проведения в них диффузионного раскисления значительно уступает стали, выплавленной в дуговых печах, по уровню газонасыщенности и количеству неметаллических включений. Для получения металла, отвечающего современным требованиям по ударной вязкости, мартеновская сталь должна пройти дополнительный этап рафинирования в дуговой электропечи или агрегате для комплексной обработки стали.

Список литературы

1. Цой, Б. Основы создания материалов со сверхвысокими физическими характеристиками/ Б. Цой, В.В. Лаврентьев; под ред. Э.М. Карташова, В.В. Шевелева. - М.: Энергоатомиздат, 2004. - 400 с.

2. Гольдштейн, М. И. Специальные стали:учеб.для вузов/ М. И. Гольдштейн, С. В. Грачев, Ю. Г. Викслер.- М.: Металлургия, 1985. - 408 с.

3. Гурвич, Я.А. Химический анализ/ Я.А. Гурвич. - М.: Высш.шк., 1985. - 189 с.

4. Солнцев, Ю.П. Литейные хладостойкие стали/ Ю.П. Солнцев, А.К. Андреев, Р.И. Гречин. - М.: Металлургия, 1991. - 176с.

Размещено на Allbest.ru