CC BY
82
УДК 669.15 - 194
Л. Н. БУНИНА (Таврический государственный агротехнологический университет, Мелитополь), И. П. ВОЛЧОК (ЗНТУ, Запорожье)
ПОВЫШЕНИЕ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ МАРГАНЦЕВЫХ СТАЛЕЙ
Марганцевi стал знаходять широке використання у машинобудуванш. В робот дослiджували вплив xi-мiчного складу i форми неметалевих включень на конструкцшну мiцнiсть марганцевих сталей. Наведено залежносп м1ж природою неметалевих включень i властивостями сталей.
Ключовi слова: марганцевi сталi, модифiкування, конструкцiйна мщшсть
Марганцевые стали широко применяются в машиностроении. В работе исследовали влияние химического состава и формы неметаллических включений на конструкционную прочность марганцевых сталей. Приводятся зависимости между природой неметаллических включений и свойствами стали.
Ключевые слова: марганцевые стали, модифицирование, конструкционная прочность
The manganese steels are widely used in machinery construction. The influence of chemical composition and form of non-metallic inclusions on constructive strength of manganese steels is studied. The dependences between the nature of non-metallic inclusions and properties of steels are given.
Keywords: manganese steels, modification, structural strength
Марганцевые стали (0,08... 0,75 % С, 0,7... 1,8 % Мп), благодаря невысокой стоимости и удовлетворительным механическим свойствам, находят широкое применение в машиностроении. Из низкоуглеродистых сталей этого класса типа 09Г2, 15Г и 20Г изготовляют детали автосцепных устройств и тележки грузовых вагонов, из среднеуглеродистых типа 25Г...40Г - корпуса поглощающих аппаратов грузовых вагонов, детали тормозных систем, коробок передач и редукторов в автотракторной промышленности, из высокоуглеродистых сталей 50Г...65Г - колеса и бандажи для железнодорожного транспорта, тормозные диски, пружины и рессоры для других видов транспорта.
В условиях столь широкого применения марганцевых сталей актуальной является задача повышения их конструкционной прочности - комплексной характеристики, включающей в себя показатели механической прочности (временное сопротивление, предел текучести и др.), эксплуатационной надежности (пластичность, хладостойкость, коэффициент интенсивности напряжений и др.) и долговечности (предел выносливости, коррозионная стойкость, коррозионно-усталостная прочность, износостойкость и др.).
Основными методами повышения конструкционной прочности являются: снижение в стали содержания неметаллических включений и газов, легирование, конечное раскисление (модифицирование), термическая, химико-термическая и термомеханическая обработки.
Из перечисленных методов наиболее дешевыми и легко вписывающимися в технологический процесс производства являются методы де-сульфурации и конечного раскисления (модифицирования), позволяющие снизить содержание неметаллических включений или уменьшить их отрицательное влияние путем изменения состава, формы и распределения в матрице стали.
Целесообразность и перспективность данного подхода подтверждаются работами ряда авторов, в том числе, И. А. Вакуленко и С. И. Губенко [1 - 3] с соавторами. Так, например, в работе [1] показано, что неметаллические включения, имеющие отличающуюся от металла кристаллическую структуру и, как правило, более низкий коэффициент термического расширения, являются концентраторами напряжений, способствуют зарождению и развитию усталостных трещин и ускоряют образование ряда дефектов (выщербин, поверхностных отколов, макротрещин и др.) в железнодорожных колесах. В работах [2, 3] исследованы микромеханизмы повреждаемости колесной стали, связанные с неметаллическими включениями, и показано, что они имеют различную природу: деформационные, термические и «водородные». При этом в условиях многократного термомеханического воздействия на поверхности качения колеса образуются продукты коррозии, которые вместе с неметаллическими включениями приводят к росту напряжений, зарождению и развитию дефектов.
© Бунина Л. Н., Волчок И. П., 2011
Цель настоящей работы заключалась в повышении механических и служебных свойств марганцевых сталей. Экспериментальные плавки были проведены в индукционной печи емкостью 250 кг. В процессе плавки и фракционной разливки осуществляли раскисление стали 09Г, 40Г и 50Г по двум вариантам: 1) алюминием 0,1 % от массы жидкого металла и 2) алюминием 0,1 % и ферроцерием 0,15 % от массы жидкого металла (присадка в ковш). На плавке стали 60Г изучали влияние серы (присадка в печь) на механические свойства стали. Сталь разливали в сухие песчаные формы, получая слитки массой 25 кг и 50 кг. Из слитков и полученных из них методом ковки при 1200...950 °С (степень укова 8,5...9,5) пластин изготавливали образцы для механических испытаний. Заготовки для образцов подвергались термической обработке: нормализации с 930 °С (сталь 09Г) и закалке с 890 °С (стали 40Г и 50Г) с последующим отпуском при 500 °С.
Независимо от конечного раскисления и горячей пластической деформации структура низкоуглеродистой стали после термической обработки представляла собой феррит с незначительным количеством карбидной фазы, сталей 40Г и 50Г - сорбит с игольчатыми включениями феррита (рис. 1). Неметаллические включения в литой стали при раскислении алюминием были представлены глиноземом и железо-марганцевыми сульфидами 111-го типа. Последние при ковке деформировались, приобретая веретенообразную форму, при этом параметр их формы (отношение длины к ширине) составлял 7.10; РЗМ-содержащие включения практически не изменяли своей формы (рис. 2).
Анализ микромеханизма разрушения на приставке к микроскопу [4] показал, что деформированные включения сульфидов в большей мере способствовали зарождению и развитию микротрещин, чем недеформирующиеся глобулярные включения в стали с РЗМ (см. рис. 2). Этот вывод подтверждается результатами механических испытаний. Как видно из представленных в табл. 1 данных, наиболее высокие показатели прочности, пластичности и ударной вязкости были получены на продольных образцах, наиболее низкие на поперечных и литых. При этом комплексное раскисление стали обеспечило в результате глобуляризации неметаллических включений повышение коэффициента анизотропии механических свойств в среднем с 0,85 до 0,92.
в
Рис. 1. Микроструктуры сталей 09Г (а), 40Г (б) и 50Г (в) после термообработки
Одним из важных показателей конструктивной прочности стали является ее сопротивление разрушению под действием циклических нагрузок. В настоящее время для описания поведения сплавов, работающих в таких условиях, широко применяются методы линейной механики разрушения, рассматривающие коэффициент интенсивности напряжений КИН как основной фактор, контролирующий скорость роста усталостных трещин. Получаемые при этом кинетические диаграммы усталостного разрушения в координатах скорость роста трещины V, м/цикл - размах КИН ДК, МПам12, дают информацию о сопротивлении материала распространению усталостных трещин в зависимости от условий нагружения [5]. При этом в качестве основных критериев, характеризующих сопротивление усталостному разрушению принимаются значения (размахи) коэффициентов интенсивности напряжений в устье трещины: пороговое значение размаха КИН ДКЙ, ниже которого трещина не растет (порог усталости); критическое значение размаха КИН ДК/С, выше которого трещина теряет стабильность и начинает спонтанно развиваться, а также промежуточное значение КИН ДК*. В нашем случае значения ДК^, ДК и ДК/С определены соответственно при значениях V, равных 10-5, 10-7 и 10-9 м/цикл.
а)
б)
Рис. 2. Зарождение микротрещин, ><900: а, б, в - возле железо-марганцевых сульфидов; г, д, е - возле оксисульфидов РЗМ
Представленные в табл. 2 результаты испытаний свидетельствуют о более высоких в среднем значениях АК^ стали 09Г по сравнению со сталью 50Г, что можно объяснить более высокой пластичностью и ударной вязкостью низкоуглеродистой стали (см. табл. 1). Влияние конечного раскисления на показатели АКЙ и
АК не установлено. Циклическая вязкость разрушения АК/с оказалась достаточно зависимой от структуры испытываемых сталей и от природы неметаллических включений: при всех технологических вариантах производства сталь 50Г на 15...40 % превосходила сталь 09Г по величине АК/с. Показательно, что комплексное раскисление обеих марок стали дало возможность устранить анизотропию по всем показателям циклической вязкости разрушения.
Малоцикловая выносливость N (число циклов до разрушения) характеризует сопротивление материала разрушению в условиях упруго-пластических деформаций. Этот вид испытаний проводили на сталях 09Г и 40Г методом плоского изгиба с постоянной величиной деформации е = 0,35 % на установке ИП-2 конструкции ФМИ им. Г. В. Карпенко НАН Украины. Сопоставление представленных в табл. 2 результатов испытаний с данными табл. 1 позволяет сделать вывод о наличии достаточно четкой зависимости между долговечностью N, с одной стороны, и пластичностью и ударной вязкостью, с другой. Наличие такой зависимости объясняется «жесткой» схемой нагружения, при которой задается величина деформации, а не величина напряжений. Комплексное модифицирование алюминием и РЗМ привело не только к повышению долговечности сталей, но и к заметному уменьшению анизотропии по этому показателю.
Коэффициент интенсивности напряжений К1С, характеризующий поле напряжений перед распространяющейся трещиной, определяли на плоских образцах 4-го типа длиной 110 мм, сечением 10x20 мм, с боковым надрезом и трещиной методом сосредоточенного изгиба в соответствии с ГОСТ 25.506-85. В отличие от N, с ростом в исследуемых сталях содержания углерода наблюдалось повышение Кю (см. табл. 2). Повышению этого показателя также способствовала глобуляризация неметаллических включений в результате комплексного модифицирования стали.
Существующими стандартами содержание серы в рядовых конструкционных сталях допускается до 0,03.0,05 %. Поэтому в спокойных раскисленных алюминием сталях, содержащих 0,003.0,005 % кислорода, соотношение между оксидами и сульфидами равно приблизительно 1:10, т.е. основным видом включений являются железо-марганцевые сульфиды. Как известно, эти включения деформируются при пластической деформации, вызывая снижение и анизотропию свойств стали. Поэтому пер-
спективным методом повышения свойств стали следует рассматривать сочетание десульфура-ции и комплексного раскисления с целью гло-
буляризации оксисульфидных включений и повышения механических и служебных свойств стальных изделий.
Таблица 1
Механические свойства и коэффициент анизотропии опытных сталей
Марка стали, раскисление Вариант Тип образца, коэф. анизотропии ^0,2, МПа Св, МПа 3, % кси, МДж/м2
11Л литой 256 328 18,7 0,41
09Г, А1 11Пр 11П продольный поперечный А 260 214 0,82 335 264 0,79 24,1 19,6 0,81 0,46 0,33 0,72
12Л литой 296 347 20,2 0,50
09Г, А1+РЗМ 12Пр 12П продольный поперечный А 308 272 0,88 360 316 0,88 22,3 21,8 0,98 0,59 0,54 0,91
31Л литой 559 624 12,1 0,19
40Г, А1 31Пр 31П продольный поперечный А 560 526 0,94 645 620 0,96 13,9 12,0 0,86 0,23 0,16 0,70
32Л литой 532 632 13,3 0,21
40Г, А1+РЗМ 32Пр 32П продольный поперечный А 568 539 0,95 640 698 0,98 14.6 13.7 0,94 0,28 0,23 0,82
41Л литой 674 755 7,9 0,16
50Г, А1 41Пр 41П продольный поперечный А 685 645 0,94 770 715 0,93 9,7 8,4 0,86 0,18 0,15 0,83
42Л литой 672 780 8,9 0,20
50Г, А1+РЗМ 42Пр 42П продольный поперечный А 665 660 0,99 805 775 0,96 9,5 9,3 0,98 0,22 0,18 0,82
Изучали влияние содержания серы и раскисления алюминием и ферроцерием на механические свойства стали 60Г (0,62 % С, 0,94 % Мп, 0,37 % 81, 0,027 % Р). Сталь выплавляли в 250-кг индукционной печи на чистой по сере шихте (армко-железо и сталь 08кп). Серу присаживали в печь, раскислители - в разливочный ковш. Присадка алюминия составляла 0,1 % от массы жидкого металла, присадка ферроцерия рассчитывалась, исходя из ожидаемого (по расчету шихты) содержания серы в стали по формуле: % БеСе = 4 % 8 [4]. Образцы для механических испытаний изготавливали из литого и кованого металла (слитки массой 25 кг, степень укова 8,5... 9,5). Закалку в масло с 810 °С проводили после нагрева заготовок в печах сопротивления, отпуск - при 500 °С с охлаждением на воздухе.
Представленные на рис. 3 результаты механических испытаний согласуются с данными других авторов [6 - 8] и подтверждают эффективность комплексного подхода - десульфура-ции и раскисления алюминием совместно с фе-роцерием на механические свойства литой и деформированной стали. Из представленных на рисунке результатов следует, что содержание серы и технология конечного раскисления не оказали заметного влияния на предел текучести, временное сопротивление и твердость стали. В то же время, исследуемые технологические факторы изменяли показатели пластичности и ударной вязкости в широких пределах, при этом снижение содержания серы в целом оказалось более эффективным, чем дополнительное раскисление стали ферроцерием.
Таблица 2
Коэффициенты интенсивности напряжений КДУР, малоцикловая долговечность
и К1С сталей 09Г и 50Г
Марка стали Вариант по табл. 1 К ДК* ДК/c N К1С
МПа-м1/2 тыс. цикл. МПа-м1/2
09Г 11Пр 13 21 70 10,6 45,1
11П 13 20 60 6,0 39,0
12Пр 14 22 80 10,9 66,5
12П 14 22 80 8,6 60,1
50Г 41Пр 12 23 89 8,8* 65,0
41П 12 22 70 5,8* 54,8
42Пр 8,3 20 91 9,0* 86,6
42П 8,3 20 91 8,2* 76,8
- Испытания проведены на стали 40Г
Рис. 3. Влияние серы и раскисления на механические свойства стали 60Г:
а - алюминием; б - ферроцерием
В заключение необходимо отметить, что применение двухкомпонентного конечного раскисления взамен однокомпонентного алюмини-
ем на одном из металлургических предприятии позволило уменьшить количество выделении нитридов алюминия на границах аустенитных зерен, избежать образования легкоплавких железо-сульфидных эвтектик и в результате существенно снизить брак слитков и поковок по «горячим» трещинам [9].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дефекти залiзничних колю [Текст] : монографiя / I. О Вакуленко [та ш.]. - Д.: Вид-во Макове-цький Ю. В., 2009. - 112 с.
2. Gubenko, S. Influence of nonmetallic inclusions on microbreaks formation in wheel steel and railway wheels [Text] / S. Gubenko [et al.] // Transport problems. - 2008. - tom 3, zeszyt 3. - P. 77-81.
3. Gubenko, S. I. System study of wear mechanism of railway wheel tread surface [Text] / S. I. Gubenko, S. I. Pinchuk, E. V. Belaya // Metallurgical and Mining Industry. - 2010. - vol. 2, No. 1. -P. 51-56.
4. Волчок, И. П. Сопротивление разрушению стали и чугуна [Текст] / И. П. Волчок. - М.: Металлургия, 1993. - 192 с.
5. Вплив неметалевих включень на отр втомного руйнуванню марганцевистих сталей [Текст] / I. Андршко [та ш.] // Машинознавство. - 2007. -№ 4. - С. 13-16.
6. Шульте, Ю. А. Хладостойкие стали [Текст] / Ю. А. Шульте. - М.: Металлургия, 1970. -224 с.
7. Лунев, В. В. Сера и фосфор в стали / В. В. Лунев, А. В. Аверин. - М.: Металлургия, 1988. -256 с.
8. Голубцов, В. А. Модифицирование стали для отливок и слитков [Текст] / В. А. Голубцов, В. В. Лунев. - Челябинск-Запорожье: ЗНТУ, 2009. - 356 с.
9. Бунина, Л. Н. Влияние неметаллических включений на трещиностойкость слитков и поковок
[Текст] / Л. Н. Бунина, И. П. Волчок // Немета-левi вкрапления i гази у ливарних сплавах: мши. наук.-техн. конф. (19-22 вересня 2006 р.) : зб. матерiалiв. - Запорiжжя, 2006. - С. 61-63.
Поступила в редколлегию 20.04.2011.
Принята к печати 26.04.2011.
