CC BY
234
УДК 669.14.018.291
Л.П. Короткова, С.В. Лащинина, А.В. Рыжикова
ВЫБОР И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ ГИДРОЦИЛИНДРОВ КРЕПЕЙ ГОРНО-ШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Введение. Детали гидроцилиндров для крепей горно-шахтного оборудования работают в тяжелых условиях эксплуатации. Эти детали должны быть надежными и долговечными, т.е. обладать высокими показателями конструкционной прочности. Как известно, эти требования обеспечиваются не только квалифицированным выбором сталей, но и высоким их качеством. Оно формируется на всех основных технологических этапах производства, включая заготовительное, предварительную и упрочняющую термическую обработку [1].
Данная работа выполнялась в условиях предприятия, занимающегося изготовления ГШО. Здесь в процессе освоения производства гидравлических крепей на этапе испытаний вскрылась проблема качества гидроцилиндров, связанная с их низкой прочностью. В связи с этим была поставлена задача по подбору марок конструкционных сталей и разработке рекомендаций по предварительной и упрочняющей термических обработок с целью обеспечении в готовом изделии следующих основных свойств: НВ 241-285, о не менее 450 Н/мм2, о не менее 750 Н/мм2.
Методика исследований. Проблема, связанная с обеспечением эксплуатационных характеристик деталей гидроцилиндров, решалась комплексно и включала в себя следующие основные этапы:
- контроль качества различных партий конструкционных сталей в состоянии поставки на соответствие требованиям стандартов;
- отбраковка некачественных партий металлопроката из имеющихся на основе результатов контроля качества сталей в состоянии поставки;
- разработка рекомендаций предварительной термической обработки с целью устранения выявленных дефектов микроструктуры; назначение режимов упрочняющей термической обработки.
В ходе решения данной проблемы на кафедре «Технология металлов» Кузбасского государственного технического университета методика контроля качества конструкционных сталей [2]. Контроль качества сталей выполнялся в соответствии с требованиями стандартов и включал в себя: визуально-измерительный контроль на соответствие сортаменту (ГОСТ 8732, ГОСТ 10243), химический анализ (ГОСТ 7565), металлографические исследования микроструктуры (ГОСТ 1778, ГОСТ 5639), механические испытания (измерение твердости, ГОСТ 9454). Исследования проводились как в состоянии поставки, так и после упрочняющей термообработки.
Исследованиям подвергались две партии труб раз-
личных сортаментов (партия 1 - трубы под № 1, №2, №3 и партия 2 - трубы под № 2, №4, №6). Партии отличаются заводом - изготовителем.
Результаты исследований сталей в состоянии поставки.
Химический анализ
Позволил идентифицировать стали на соответствие маркам: сталь 45 - это трубы №1, №2, №3, №4 (ГОСТ 1050); 30ХГСА - №5 и 35Х- №6 (ГОСТ 4543). По основным элементам химический состав всех сталей соответствует стандартам, за исключением трубы №3. В ней выявлено завышенное содержание серы (0,0038-0,0047).
Визуально-измерительный контроль
Подтвердил, на основе измерения штангенциркулем диаметра труб в двух диаметрально противоположных направлениях, соответствие проката заявленным сортаментам: горячекатаные трубы под №1, №4 соответствуют 0299 мм; горячекатаные трубы под №2, №5 - 0273 мм; горячекатаные трубы под №3, №6 - 0203 мм. Состояние наружной и внутренней поверхности труб удовлетворительное, дефектов в виде закатов, плевен, наружных трещин не обнаружено. Установлено, что во второй партии отклонения в толщине труб превышают допустимые.
Металлографические исследования
Включали в себя: оценку загрязненности неметаллическими включениями по ГОСТ 1778 (*100, в продольном направлении); определение величины зерна по ГОСТ 5639 (*200, после травления методом сравнения по шкале в поперечном направлении); полосчатости; исследования микроструктуры (*500, после травления на шлифах в продольном направлении по ГОСТ 1050, ГОСТ 4543). Результаты этих исследований представлены на рис. 1 и в табл. 1.
Металлографические исследования структуры свидетельствуют о различиях в термической обработки сталей в состоянии поставки и наличии дефектов в структуре. Первая партия из стали 45 - это горячекатаный нормализованный прокат с феррито-перлитной структурой, отличающейся размером зерна. В трубах №1, №2 выявлена стандартная структура с 6-8 баллом зерна (рис. 1,а). Трубы под №3 имеют дефектную перегретую структуру с признаками видманштетта, с недопустимым размером зерна, соответствующим 5 баллу (рис. 1,б) [3].
Металлографические исследования второй партии проката говорят о различиях в термической обработке труб в состоянии поставки. Образцы №4 из стали 45 находятся в горячекатаном нормализованном состоянии, балл зерна 8 (рис. 1,
а). Трубы под №5 из стали 30ХГСА и №6 из стали 35Х - это улучшенный горячекатаный прокат со
48
Л.П. Короткова, С.В. Лащинина, А.В. Рыжикова
а б в г
Рис. 1. Микроструктура горячекатаных труб в состоянии поставки:а - пластинчатый перлит и сетка феррита; б - пластинчатый перлит с игольчатым ферритом - видманштетт 1,5 балла; в - сорбит, г - сорбит и феррит
Таблица 1. Результаты металлографических исследований
№ п/п Марка Неметаллические включения Полосчатость, балл Величина зерна, балл Микро- структура
сульфиды, балл оксиды, силикаты, балл
Первая партия
1 Сталь 45 0 4а, 3б 0 6 Ф+П
2 Сталь 45 0 4а, 3б 0 6 Ф+П
3 Сталь 45 0 2а, 4б 0 5, видманштетт Ф+П
Вторая партия
4 Сталь 45 0 3а, 2б 0 8-9 Ф+П
5 Сталь 30ХГСА 0 4а, 4б 0 С+Ф
6 Сталь 35Х 0 4а, 4б 0 С
Допустимые значения 2 2а, 2б 1 6-8 С
структурой зернистого сорбита (рис 1,в). В образце №5 выявлен дефект структуры - наличие включений феррита (рис. 1,г). Это не допустимый, но исправимый последующей термической обработкой дефект структуры. В обеих партиях обнаружены неметаллические включения в виде недеформи-руемых оксидов 2а - 4а и силикатов 2б - 4б баллов, что превышает предельно допустимые значения. Признаки строчечной структуры отсутствуют (табл. 1).
Таким образом, металлографические исследования свидетельствуют о низком качестве сталей в состоянии поставки. В обеих партиях обнаружены неустранимые дефекты структуры металлургического производства в виде неметаллических включений, превышающие предельно допустимые значения. Кроме того, в микроструктуре выявлены устранимые дефекты, связанные с некачественно выполненной термической обработкой, - перегрев, который проявился в виде крупного зерна с признаками видман-штетта (рис. 1,б); недогрев при закалке, который привел к частичному сохранению зерен феррита в структуре улучшенной стали (рис. 1,г). Недогрев и перегрев в структуре сталей могут быть устранены последующей термической обработкой [4].
Рекомендации по термической обработке.
Разрабатывались с учетом качества сталей в состоянии поставки и требований к стойкам гидроцилиндров по основным механическим свойствам (табл. 2). Рассмотрены следующие варианты термообработки:
I. Нормализация.
Для труб из стали 45 (№№1, 2, 3, 5) эта термообработка может служить и предварительной (для
исправления крупнозернистой микроструктуры), и упрочняющей (для обеспечения требуемого уровня твердости). Однако нормализация не обеспечит требуемый комплекс прочностных свойств.
II. Улучшение
Может быть рекомендовано для всех рассматриваемых марок сталей одновременно в качестве предварительной и упрочняющей термической обработки. Тем более, что трубы из сталей 35Х (№
6)и 30ХГСА (№ 5) поставляются в виде улучшенного проката и термообработка для них на машиностроительном предприятии не требуется.
III. Нормализация с последующим улучшением
Нормализация необходима для устранения
дефектов структуры, например, неоднородной феррито-сорбитной структуры в трубах из стали 30ХГСА (№ 5) и крупного зерна в трубах из стали 45 (№3). Улучшение - для получения однородной сорбитной структуры. Этот вариант термической обработки обеспечит требуемый комплекс основных механических свойств.
При назначении термической обработки в виде улучшения следует учитывать прокаливаемость сталей. Толщина трубы должна быть не выше значений, приведенных в табл. 2. Из этого следует, что для стоек гидроцилиндров пригодна только сталь 30ХГСА. Варианты предварительной и упрочняющей термообработки для стоек гидроцилиндров, основные механические свойства и прокаливаемость сталей приведены в табл. 2 [5].
Выводы. Комплексный контроль качества горячекатаного проката труб для производства гидроцилиндров крепей ГШО позволил сформулиро-
Таблица 2. Основные механические свойства горячекатаного проката труб ________после различных вариантов термической обработки___________________
Варианты термообработки обработки Временное сопротивление разрыву, оВ не менее (Н/мм2) Предел текучести, от не менее (Н/мм2) кгс/мм2 Твердость, НВ, кгс/мм2, не более Ударная вяз- кость, KCU, Дж/см2 Окр, в воде (масле), мм
45 партия № 3 Нормализация (830° С, воздух) 570 315 167-207 39 15-35 (6-15)
45 партия № 1, 2, 3, 4 Закалка (820-850 ° С, вода), высокий отпуск (550-650° С) 615 395 187-229 59 15-35 (6-15)
35Х Закалка (850° С, вода), высокий отпуск (570 °С) 880 760 262 78 (15-25)
30ХГСА Закалка (860-880 °С), высокий отпуск (620-640 °С) 785 640 248-293 59 (34-60)
30ХГСА Закалка (860-880 °С), низкий отпуск (200-250 °С) 1470 1270 497-502 - (34-60)
Требуемые свойства: не менее 750 не менее 450 241-285 - не менее 40
вать следующие рекомендации:
1. На предприятие, несмотря на наличие сертификатов, поставляется некачественный прокат, т.к. во всех исследованных партиях сталей обнаружены дефекты микроструктуры, превышающие допустимые стандартами.
2. Требованиям по основным механическим свойствам, предъявляемым к гидроцилиндрам крепей, удовлетворяет только горячекатаный прокат из стали 30ХГСА после термического улучшения. Однако исследованная партия труб (№5) к использованию не рекомендуется, т..к в их структуре обнаружены неисправимые дефекты металлургического производства в виде недеформируемых оксидных включений 4а, 4б балла, превышающие допустимые значения.
3. Стали 45 и 35Х не рекомендованы к применению, т.к. не могут обеспечить требуемый комплекс основных механических свойств, предъявляемых к гидроцилиндрам крепей в заданном сечении;
4. Ввиду низкого качества поставляемого горячекатаного проката предприятию целесообразно наладить систематический комплексный контроль качества металла в состоянии поставки и приобретать трубы с гарантированным качеством сталей.
Описанную методику контроля качества сталей, а также предлагаемую методологию по выбору конструкционных сталей и назначению термической обработки можно распространять и на другие подобные случаи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Металлы и сплавы. Справочник. / под ред. Ю. П. Солнцева. - С.-Пб.: АНО НПО «Профессионал», АНО НПО «Мир и Семья», 2003. - 1066 с.
2. Короткова Л.П., Шатько Д.Б., Дубинкин Д.М. Контроль качества материалов (в машиностроительном производстве). - ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева». - Кемерово, 2011. 171 с.
3. Франценюк, И. В. Альбом микроструктур чугуна, стали, цветных металлов и их сплавов. - М. : ИКЦ «Академкнига», 2004. - 192 с.
4. Зубченко, А. С. Марочник сталей и сплавов / под ред. А. С. Зубченко. - М. : Машиностроение, 2001.
- 1066 с.
5. Гольдштейн М. И. Специальные стали : учеб. для вузов / М. И. Гольдштейн, С. В. Грачев, Ю. Г. Векслер. - М. : Металлургия, 1985. - 408 с.
□Авторы статьи
Короткова Лидия Павловна, канд. техн. наук, доц. каф. технология металлов КузГТУ, e-mail: techmet@list.ru
Лащинина Светлана Викторовна, ст. нрен. каф. технология металлов КузГТУ, e-mail: techmet@list.ru
Рыжикова Анна Викторовна, магистрант, гр. КТм-131 (каф. металлорежущие станки и инструменты КузГТУ)
