CC BY
172
ИССЛЕДОВАНИЕ ОТЛИВОК ИЗ СТАЛИ 20ГЛ НА ПРЕДМЕТ СООТВЕТСТВИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ ТРЕБОВАНИЯМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Павлов Александр Викторович
магистр естественных наук, научный сотрудник Восточно-Казахстанского государственного университета им.
С. Аманжолова, Республика Казахстан, г. Усть-Каменогорск Е-mail: Alexandr Pavlov 1988@mail.ru Квеглис Людмила Иосифовна д-р физ.-мат. наук РФ и РК, профессор кафедры физики, Сибирского федерального университета,
РФ, г. Красноярск Е-mail: kveglis@list.ru Романова Анастасия Алексеевна магистр естественных наук, научный сотрудник Восточно-Казахстанского государственного университета им.
С. Аманжолова, Республика Казахстан, г. Усть-Каменогорск Е-mail: anastasiya-romanova-16.09@mail.ru Рахадилов Бауыржан Корабаевич д-р (PhD) философии по специальности «Техническая физика», ведущий
научный
сотрудник Восточно-Казахстанского регионального технопарка ««Алтай»,
Республика Казахстан, г. Усть-Каменогорск
Е-mail: bor1988@mail.ru Жилкашинова Альмира Михайловна канд. физ.-мат. наук, заведующая лабораторией энергосбережения и альтернативной энергетики национальной научной лаборатории коллективного пользования ВКГУ им. С. Аманжолова, Республика Казахстан, г. Усть-Каменогорск, Е-mail: almiral981 @mail.ru
RESEARCH OF STEEL CASTINGS OF 20GL FOR RAIL TRANSPORT ON CONFORMANCE THE TECHNICAL REQUIREMENTS
Pavlov Alexandr
master of Science, Researcher of the East Kazakhstan State University
S. Amanzholov, Republic of Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk
Kveglis Lyudmila
doctor of Physical-Mathematical Sciences, Professor of the Department of Physics,
Siberian Federal University Russia, Krasnoyarsk Romanova Anastasiya
master of Science, Researcher of the East Kazakhstan State University
S. Amanzholov, Republic of Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk
Rahadilov Bauirzhan
doctor (PhD) in the specialty of philosophy "Technical Physics ", a leading researcher of the East Kazakhstan regional technology park "Altay",
Republic of Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk
Zhylkashynova Almira
candidate of Physical and Mathematical Sciences, Head of the Laboratory of energy saving and alternative energy a national scientific laboratory for communities EKSU
S. Amanzholov, Republic of Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk
АННОТАЦИЯ
Статья посвящена изучению процесса выплавки и термической обработки деталей для железнодорожного транспорта. Данная научная работа представляет интерес для производителей, которые сталкиваются с проблемой брака при выходе продукции. Исследовали физические и механические свойства, химический состав, микроструктуру и фазовый состав стали. Показано, что структурная неоднородность соединений серы ухудшает механические свойства стали.
ABSTRACT
The paper studies the process of melting and heat treatment of parts for railway transport. This scientific work is of interest to manufacturers who are faced with the problem of marriage at the exit of products. The physical and mechanical properties, chemical composition, microstructure and phase composition of the steel. It is shown that the structural heterogeneity of sulfur affects the mechanical properties of the steel.
Ключевые слова: балка надрессорная; рама боковая; ударная вязкость; нормализация; литейные дефекты; сульфид; хладностойкость.
Keywords: bolster beam; frame side; index of toughness; normalization; casting defect; sulfide; cold resistance.
Настоящая работа посвящена исследованию процесса выплавки и термической обработки изделий для железнодорожного транспорта (балка надрессорная и рама боковая), выпускаемых на АО «Востокмашзавод», Казахстан, г. Усть-Каменогорск. Согласно международным требованиям, для получения сертификата на выпуск годной продукции, по стандартной методике, разработанной научно-инновационным центром «Вагоны», г. Санкт-Петербург, вышеуказанные детали подвергались статическим, динамическим, физико-механическим и иным испытаниям. По результатам испытаний установлено несоответствие требованиям ГОСТ 32400-2013 [1] по следующим показателям: ударная вязкость, предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение, сужение. Работа по установлению причин несоответствия проводилась совместно с Восточно-Казахстанским государственным университетом, в рамках г/б проекта № 118 «Исследование влияния химического состава, термической обработки, модифицирования и микролегирования, на ударную вязкость стали 20ГЛ при низких температурах для отливок железнодорожного транспорта, и разработка методики неразрушающего контроля ударной вязкости».
Методика проведения анализа. Статические испытания на растяжение проводили при комнатной температуре на машине одноосного статического нагружения «WAW-600C» с записью диаграмм растяжения в соответствии с ГОСТ 1497 [2]. Испытания проводились на цилиндрических образцах диаметром 10 мм одноосным статическим растяжением до разрыва с измерением физического предела текучести, временного сопротивления, относительного равномерного удлинения и сужения. Испытательное оборудование и средства измерений соответствовали ГОСТ 1497 [2].
Испытания на ударную вязкость проводили на образцах типа 11 (V-образный концентратор, ГОСТ 9454 [3]) на маятниковом копре IMPACTP-300 с автоматической системой управления. Для испытания на ударную вязкость образцы и щипцы охлаждали в термостате до температуры от минус 66°С до минус 64 °С, согласно ГОСТ 9454, и выдерживали не менее 15 минут. Время от
момента извлечения из термостата до испытания образцов не превышало 5 секунд, измерение производили секундомером по ТУ25-1894.003 [8].
Исследование фазового состава микроструктуры и балла зерна проводили на оптическом микроскопе, модель «4xc-v» с цифровой камерой, подключенной к компьютеру. Фотографии микроструктуры образцов, полученные при увеличениях *100 и *500 анализировали методом сравнения с эталонами микроструктуры в соответствии с требованиями ГОСТ 5639 [4] и ГОСТ 324002013.
Последнее исследование проводили в г. Красноярск на сканирующем электронном микроскопе с микроанализатором Hitachi ТМ3000. Исследовали образцы стали с изломом и гладкой поверхностью во вторичных электронах и в лучах характеристического рентгеновского излучения.
Результаты исследований и их обсуждение.
Деталь «балка надрессорная» была подвержена двойной термообработке: нормализация при 900 °С и высокий отпуск 665 °С согласно ГОСТ 32400-2013. Режим нормализации: нагрев до 700 °С за 2 ч 40 мин, затем плавный нагрев до 900 °С за 1 ч и выдержка 4 ч, с последующим охлаждением на воздухе. Режим отпуска: нагрев до 665 °С за 2 ч 50 мин, выдержка 3 ч с последующим охлаждением на воздухе.
Таблица 1.
Статическое испытание образцов на растяжение _
Режим термообработки Статическое испытание образцов на растяжение по ГОСТ 1497-84 Заключение на соответствие ГОСТ 32400-2013
Предел текучести G0,2, МПа Временное сопротивление ав, МПа Относительно е удлинение, 6,% Относительное сужение, %
Требования ГОСТ 32400-2013, не менее
от 300,0 до 343,0 500,0 20,0 35,0
343,0 и более 510,0 18,0 30,0
Фактическое значение
ТО1 458,0 695,0 31,0 61,0 Соответствует
ТО2 613,0 848,0 28,0 66,0 Соответствует
Нормализация вызывает значительное упрочнение и соответствующее снижение пластичности и вязкости. Высокий отпуск после нормализации значительно снижает склонность стали к хрупкости, т. е. существенно повышает хладноломкость (вязкость при отрицательных температурах).
Испытания на растяжение проводили после первой и второй термообработки (ТО1, ТО2) см. таблицу 1, рисунок 1.
Из таблицы 1, рисунок 1 видно, что после второй нормализации значения предела текучести увеличилось на 155 МПа, временного сопротивления на 153 МПа, относительное удлинение и сужение значительно не изменилось. Таким образом, двойная термическая обработка в виде нормализации с высоким отпуском улучшает механические свойства стали.
Испытание на ударную вязкость (таблица 2), является основным, в связи с нестабильностью данного параметра, так как ударная вязкость зависит от многих факторов: химического состава, микроструктуры, термообработки, литейных дефектов и т. п.
Рисунок 1. Диаграммы растяжения образцов из стали 20ГЛ. а — после первой термообработки, б — после второй термообработки
По данным исследований НИЦ «Вагоны» ударная вязкость образца исследуемой детали, вырезанного из тела отливки ближе к наклонной плоскости, толщина стенки около 20 мм, составляла 8,3 Дж/см2. Как уже было отмечено выше, на физико-механические свойства металла влияют внутренние литейные дефекты, с целью уменьшения влияния литейных дефектов, образец
6 9«Э 20 941 «9*3 вв 9*3 99943 10« 9*3 12в9«3 1499«)
19502 Ж 502 56 502 ««2 96 502 116502 1*5012 150502
а
о
для повторного испытания был вырезан с зоны А, ближе к подпятнику, где толщина металла составляла около 30 мм.
Таблица 2.
Режим термообработки КСУ"60, Дж/см2 Заключение на соответствие ГОСТ 32400-2013
Требования ГОСТ 32400-2013 не менее 20 Дж/см2
ТО1 35,40 Соответствует
ТО2 41,0 Соответствует
Таким образом, мы видим положительный результат, не значительное увеличение значения ударной вязкости после второй термообработки. Однако необходимо отметить нестабильность показаний в зависимости от сечения детали.
Результаты металлографического исследования на оптическом микроскопе после первой термообработки (ТО1) представлены на рисунке 2.
а х100 б х500
Рисунок 2. Микроструктура стали 20ГЛ после первой термической
обработки
Микроструктура однородная, феррито-перлитная, с равномерным распределением структурных составляющих, балл зерна по шкале ГОСТ 5639 -8, что является допустимым по ГОСТ 32400-2013 (не ниже 8-го). Показатель твёрдости измеренный методом Бринелля по ГОСТ 9012 [5] составляет 152 ед.
Результаты металлографического исследования после второй термообработки (ТО2) представлены на рисунке 3.
axlOO 6x500
Рисунок 3. Микроструктура стали 20ГЛ после первой термической
обработки
Микроструктура однородная, феррито-перлитная, с выделением перлита в виде перлитной сетки, балл зерна уменьшился до 9-го, что так же является хорошим показателем. Твердость по Бринеллю возросла на 11 единиц и составляет 163 ед., по сравнению с ТО1, вследствие выделения перлитной фазы.
Для выявления причин несоответствия отливок техническим требованиям было проведено исследование образцов на рентгеновском микроанализаторе Hitachi ТМ3000. На рисунке 4 приведены фотографии излома образца стали 20ГЛ, полученные с растрового электронного микроскопа ТМ3000. В ходе исследования выявлено неравномерное распределение по объему образца марганца и ассоциированной с ним серы. Сера является вредной примесью, снижающей механическую прочность и свариваемость стали, а также ухудшающей ее электротехнические, антикоррозионные и другие свойства. Отрицательное влияние серы на свойства стали обычно сказывается уже при содержании 0,01—0,015 % [6]. Таким образом, технологические приемы плавки должны способствовать глубокой десульфурации в восстановительном периодах.
J
Рисунок 4. Картирование изображения в лучах характеристического рентгеновского излучения серы (слева) и марганца (справа)
Как показано в работе [7], при кристаллизации стали включения сульфида железа, сульфида марганца и оксисульфидов выделяются в жидком виде. Неметаллические включения в виде тонких пленок располагаются на границе зерен литого металла, занимая большую площадь. При температуре более 1000 °С (температура красного каления) эти включения находятся в жидком или пластичном состоянии, что приводит к повышению жидкотекучести, но вместе с тем вызывает красноломкость стали [10]. Так же были обнаружены капсулы размером порядка десятых долей миллиметра и менее, содержащие марганец и серу. Капсула представляет собой гладкую полость, на дне которой находится частица сульфида марганца (см. рис. 5).
Рисунок 5. Капсула, в которой находится частица сульфида марганца
В таких полостях происходит концентрация напряжений при механическом ударе, что приводит к дальнейшему образованию микротрещин.
¿j DociFreezer
created by free version of
Поскольку сульфиды находятся в межзеренных областях они влияют так же на процессы структурно-фазовых превращений, это необходимо учитывать и стремиться к наилучшему десульфурированию при плавке. При достаточном раскислении стали алюминием получают плотные отливки. Получение отливки, лишенной пористости, не означает, что сталь была раскислена в оптимальных условиях. Чтобы избежать вредных сульфидов, необходим избыток алюминия по сравнению с количеством, обеспечивающим плотные отливки. Образующееся при термообработке стали мелкое зерно перлита, получаемое после присадки алюминия, существенно повышает показатели ударной вязкости стали при низких температурах. Правильно выбранный режим термической обработки позволяет получить оптимальную структуру стали, обеспечивающую наивыгоднейшее сочетание механических показателей, в том числе наивысшую хладностойкость.
Далее был проведен микроанализ шлифованной поверхности образца на растровом электронном микроскопе с системой микроанализа INCA Energy рисунок 6.
Рисунок 6. Микрофотография поверхности образца (с лева), спектральный
микроанализ поверхности (справа)
Известно, что сталь содержащая пленочные межкристаллитные сульфидные включения 2-города (межкристаллитные сульфиды в форме цепочек или скоплений мелких шаровидных сульфидов либо в форме мелких пленок), обладает самыми низкими механическими свойствами [9], поэтому целесообразным является получение в стали сульфидных включений 1 -го
(сульфиды шаровидной формы беспорядочно распределенные в металлической матрице) или 3-его типа (многогранные сульфиды обычно довольно массивные и часто связанные свключениями окиси алюминия), что обеспечит оптимальное сочетание прочностных и вязких свойств стали. Для этого необходимо в литой стали иметь остаточное содержание алюминия не менее 0,03 % [11], что позволит получить плотные отливки с 3-м типом сульфидов. Однако не следует слишком увеличивать верхний предел содержания алюминия, т. к. это может привести кдополнительному загрязнению стали мелкими дисперсными включениями глинозема Al2O3. Выводы:
1. На результаты физико-механических испытанийв значительной степени влияют литейные дефекты, место отбора образца, сечение детали.
2. Из всех технологических факторов в процессе выплавки стали наибольшее влияние на ее свойства, в том числе ударную вязкость, оказывают процессы конечного раскисления, определяющие природу и характер распределения неметаллических включений.
3. Оптимальным режимом термообработки является двойная нормализация с отпуском.
4. Исследование структуры и механических свойств стали 20 ГЛ показали, что структурные неоднородности, обусловленные наличием соединений серы (MnS и FeS) ухудшают механические свойства стали.
Список литературы:
1. ГОСТ 32400-20013 Рама боковая и балка надрессорная литые тележек железнодорожных грузовых вагонов.
2. ГОСТ 1497-87 Металлы. Методы испытаний на растяжение.
3. ГОСТ 9454 Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах.
4. ГОСТ 5639-82 Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна.
5. ГОСТ 9012 Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю.
6. Лямкин С.Э., Немцев И.В., Ахметжанов Б.К., Квеглис Л.И. «Влияние соединений серы на ударную вязкость марганцовистых сталей», материалы международной научно-практической конференции «Наука, образование, общество: модернизация и инновации». г. Барнаул. 2014. —
7. Перевязко А.Г., Лисниченко Л.Н., Никитин В.И. и др. Влияние химического состава на механические свойства сталей 20ГЛ и 20ГФЛ. Литейное производство. — 1979. — № 12. — с. 8—9.
8. ТУ 25-1894.003-90.Секундомеры (НД АО Востокмашзавод).
9. Эген Ж.В., Альтман П., Де Си А. Раскисление, формасульфидных включений и свойства литой стали. «30 Международный конгресс литейщиков». М.: Машиностроение, 1967.
10. Lemaitre A, CarlsonJ. Boundary lubrication with a glassy interface. PHYSICAL REVIEWE. 2004. - 69, 061611.
176 с.
DociFreezer
created by free version of
