CC BY
2405.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов (технические науки) DOI: 10.257127ASTU.2072-8921.2020.02.029 УДК 669.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СТРУКТУРЫ НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ УДАРНО-ФРИКЦИОННОГО ИЗНОСА
Е.А. Письменный, А.М. Марков, Д.А. Габец, А.В. Габец
В работе проведены исследования по определению оптимального состава стали, получаемой путем переработки вторичного лома железнодорожных вагонов в соответствии с концепцией «бережливого производства» и режимов ее термообработки для производства деталей грузовых железнодорожных вагонов. Установлено, что при переплавке отходов низкоуглеродистых низколегированных сталей 20ГЛ, 20ГФЛ, 20ГТЛ (рама боковая, балка надрессорная, автосцепка, хомут тяговый, корпус буксы железнодорожных вагонов) с добавлением лома бывших в употреблении железнодорожных пружин (марки сталей: 55С2, 60С2, 55С2А, 60С2А, 60С2ХА, 60С2ХФА, 65С2ВА), получаемая сталь при всех режимах термообработки формирует мелкозернистую структуру, представленную ферритом, тросто-мартенситом и бейнитом. В случае формирования мартенситной структуры, мартенсит -мелкоигольчатый. Кроме того, во всех случаях термообработки происходит самоотпуск мартенсита, снимаются напряжения, и происходит частичная релаксация кристаллической решетки мартенсита. Получаемые таким образом стали 2 можно использовать для производства литых деталей, работающих в условиях ударно-фрикционного износа при выполнении их термической обработки по следующему режиму: нагрев до 950 °С, выдержка 1,5 часа, охлаждение на воздухе.
Ключевые слова: сталь, прочность, переработка вторичного сырья.
Получение качественных изделий путем переработки вторичного лома с применением минимального количества легирующих добавок и модификаторов является актуальной задачей в концепции «бережливого производства», т. к. позволяет решать одновременно несколько проблем: получение готового продукта с высокими технико-эксплуатационными свойствами по минимальной себестоимости, а также решение экологических и экономических проблем, связанных с рециклингом стального металлолома.
Целью исследования является определение оптимального состава исходной шихты и режима термической обработки выплавленной стали, соответствующей требованиям для производства деталей грузовых железнодорожных вагонов, при которых полученная сталь будет иметь наилучшее сочетание прочности и ударной вязкости, необходимых для работы в условиях ударно-фрикционного износа. По данным нормативно-технической документации на детали для железнодорожного транспорта, такие стали должны иметь твердость в диапазоне 180-240 НВ и ударную вязкость не менее 49 кДж/м2. С учетом минимальной себестоимости изготовления детали, полученные из вторичного сырья, способны иметь конкурентные преимущества в
сравнении с деталями, получаемыми из проката и первичного сырья (руды).
Для проведения исследований экспериментальные стали выплавляли в дуговой сталеплавильной печи с основной футеровкой, емкостью 150 кг. После слива металла из печи в стопорный ковш выполнялось раскисление стали алюминием. Элементный анализ полученной стали определяли на стационарном спектрометре эмиссионном АРГОН-5СФ по ГОСТ 18895-97. Содержание углерода подтверждали химическим методом по ГОСТ 22536.1-88.
Состав экспериментальных плавок сталей для оптимизации термической обработки и проведения испытаний на ударную вязкость представлен в таблице 1. Состав шихты для получения экспериментальных плавок подбирался в следующих пропорциях:
1. 75 % стального лома из бывших в употреблении литых деталей грузового вагона из марок сталей 20ГЛ, 20ГФЛ, 20ГТЛ - рама боковая, балка надрессорная, автосцепка, хомут тяговый, корпус буксы и др. и 25 % стального лома из бывших в употреблении пружин (ориентировочные марки стали: 55С2, 60С2, 55С2А, 60С2А, 60С2ХА, 60С2ХФА, 65С2ВА).
2. 50 % стального лома из бывших в
употреблении литых деталей грузового вагона из марок сталей 20ГЛ, 20ГФЛ, 20ГТЛ и 50 % стального лома из бывших в употреблении пружин (ориентировочные марки стали: 55С2, 60С2, 55С2А, 60С2А, 60С2ХА, 60С2ХФА, 65С2ВА).
3. 40 % стального лома из бывших в употреблении литых деталей грузового вагона из марок сталей 20ГЛ, 20ГФЛ, 20ГТЛ и
Для получения равновесной микроструктуры и формирования требуемых механических свойств необходимо проведение термической обработки. Для всех вариантов полученных сталей определены следующие режимы термической обработки:
Режим № 1: Нагрев образцов до 910 °С, выдержка 90 минут, охлаждение на спокойном воздухе;
Режим № 2: Нагрев образцов до 950 °С, выдержка 90 минут, охлаждение на спокойном воздухе;
Режим № 3: Нагрев образцов до 910 °С выдержка 90 мин, закалка в воде до 400 °С, охлаждение на спокойном воздухе.
Термическую обработку проводили в камерных печах типа СНОЛ, оборудованных ПИД-конроллерами. Образцы представляли собой параллелепипеды с размерами 22 х 22 х 70 мм. В дальнейшем, после термообработки, из этих образцов изготавливались образцы для определения ударной вязкости.
Эксперименты по определению ударной вязкости проводились в соответствии с ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах (с Изменениями № 1, 2)», на образцах типа 1 (размеры образцов 10 х 10 х 55 мм с концентраторами ^-образной формы глубиной 2 мм). Испытания были выполнены на маятниковом копре Ме&осотс максимальной энергией удара 300 Дж. Образцы для испытаний вырезались на электроэрозионном станке Sodick AG400L. Для определения каждого значения использовалось не менее трех образцов, полученные результаты усреднялись. Определение твердости производили на твердомере ТШ-2М по
60 % стального лома из бывших в употреблении пружин (ориентировочные марки стали: 55С2, 60С2, 55С2А, 60С2А, 60С2ХА, 60С2ХФА, 65С2ВА).
4. 100 % стального лома из бывших в употреблении пружин (ориентировочная марка стали: 55С2, 60С2, 55С2А, 60С2А, 60С2ХА, 60С2ХФА, 65С2ВА) + легирование молибденом в количестве от 0,2 до 0,3 %.
методу Бринелля. Замеры диаметра отпечатка определяли с помощью микроскопа марки МПБ-2 по ГОСТ 9012-59, где К = 30. Определение твердости производили не менее 5 раз, полученные результаты усреднялись.
Рисунок 1 - Микроструктура стали плавки 1, термообработка по режиму № 1
Таблица 1 - Химический состав экспериментальных плавок
№ плавки Примерная марка Химический состав, (массовая доля элементов, % вес.)
С Si Мп Р S Сг Си А1 МО
1 20Л 0,22 0,53 0,59 0,033 0,044 0,30 0,253 0,15 0,06 -
2 25Л 0,29 0,77 0,51 0,018 0,029 0,29 0,171 0,1 0,12 -
3 35ГС 0,37 1,01 0,66 0,027 0,032 0,12 0,061 0,4 0,12 -
4 55С2 0,44 1,77 0,56 0,002 0,014 0,25 0,090 0,10 0,12 0,226
Значения ударной вязкости и твердости образцов каждой плавки стали по трем вариантам термической обработки представлены в таблице 2. Исходя из полученных результатов можно сделать вывод, что наиболее перспективно использование сталей плавки 2,
термообработанной по режиму № 2 (950 °С 1,5 часа, охлаждение на воздухе) и плавки 3, термообработанной по режиму № 3 (910 °С 1,5 часа, охлаждение до 400 °С в воде, далее воздух) [1-5].
Таблица 2 - Результаты испытаний на ударную вязкость и твердость
Плавка (марка/ состав шихты) Уд. вязкость, кДж/м2 Твердость, НВ
910 °С 1,5 часа, охлаждение на воздухе
Плавка 1 84,25 140
Плавка 2 40,01 151,33
Плавка 3 46,57 176,50
Плавка 4 11,64 321
950 °С 1,5 часа, охлаждение на воздухе
Плавка 1 77,65 192,5
Плавка 2 16,00 415,00
Плавка 3 51,00 174,00
Плавка 4 13,43 318
910 °С 1,5 часа, охлаждение до 400 °С в воде, далее воздух
Плавка 1 101,225 135,5
Плавка 2 51,78 160,67
Плавка 3 50,10 238,33
Плавка 4 15,40 325
Исследование структуры проводили на поперечных и продольных шлифах образцов после проведения механических испытаний на ударную вязкость на оптическом микроскопе AxюObserver Z1m по методикам светлого и темного полей, поляризованного света, методике кругового дифференциально-интерференционного контраста - С^Ю. Для проведения анализа микроструктур использовался программный комплекс «ТЫхоте^ PRO» [6-16]. Микроструктуры полученных образцов представлены на рисунках 3-12.
На рисунке 1 представлена микроструктура, представляющая равновесно феррито-перлитную смесь. Соотношение «феррит : перлит» составляет 87 : 13, что соответствует марке стали 20Л. В ферритных зернах присутствуют точечные и строчечные оксиды, их количество по ГОСТ 1778-70 не превышает 1 балла. Структура равновесная, выделений видманштеттова феррита не отмечено.
На рисунке 2 представлена равновесная феррито-перлитная микроструктура. Примерное соотношение «феррит : перлит» находится в пределах 60 : 40, что приблизительно соответствует стали марки 40Л. В стали присутствуют единичные и рассеянные множественные шлаковые включения, предположительно оксида железа FeO, окруженные фер-ритной матрицей. Размер включений от 7 до 18 мкм, общая доля - около 0,015 об. %, их количество по ГОСТ 1778-70 не превышает 1 балла. На фото с малым разрешением (х 50) прослеживается скелетная эвтектика,
характерная для литых структур, что свидетельствует о недостаточности высокотемпературной выдержки для гомогенизации химического состава и устранения сегрегации легирующих элементов. Скелет эвтектики представлен ферритом.
На рисунке 3 представлена равновесная феррито-перлитная микроструктура. Примерное соотношение «феррит : перлит» находится в пределах 50 : 50, что приблизительно может соответствовать стали марки 45Л.
В ферритных зернах присутствуют точечные и строчечные оксиды, их количество по ГОСТ 1778-70 не превышает 1 балла. Структура равновесная, выделений видманштеттова феррита не отмечено. На фото с малым разрешением (х 50) прослеживается скелетная эвтектика, характерная для литых структур, что свидетельствует о недостаточности высокотемпературной выдержки для гомогенизации химического состава и устранения сегрегации легирующих элементов. Скелет эвтектики представлен ферритом.
Небольшое количество (около 1,2 %) газовых пор. Неметаллических включений не обнаружено. Структура - тросто-мартенсит, соотношение тростит : мартенсит приблизительно 40 : 60. Мартенсит представлен отпущенным мартенситом. Отмечается присутствие структуры видманштетта в виде аусте-нитных игл.
На рисунке 4 представлена микроструктура плавки с добавлением молибдена.
На рисунке 5 представлена неравновес-
ной феррито-бейнитной смесью с присутствием видманштеттова феррита. Приблизительное количество видманштеттова феррита составляет порядка 27-35 об. %.
Рисунок 2 - Микроструктура стали плавки 2, термообработка по режиму № 1
Рисунок 4 - Микроструктура стали плавки 4, термообработка по режиму № 1
Рисунок 3 - Микроструктура стали плавки 3, термообработка по режиму № 1
Рисунок 5 - Микроструктура стали плавки 1, термообработка по режиму № 2
На рисунке 6 представлена равновесная, феррито-перлитная микроструктура. Примерное соотношение «феррит : перлит» находится в пределах 55 : 45, что приблизительно соответствует стали марки 40Л. На фото с малым разрешением (х 20) прослеживается скелетная эвтектика, характерная для литых структур, что свидетельствует о недостаточности высокотемпературной выдержки для гомогенизации химического состава и устранения сегрегации легирующих элементов. Скелет эвтектики представлен ферритом.
Рисунок 6 - Микроструктура стали плавки 2, термообработка по режиму № 2
На рисунке 7 представлена неравновесная микроструктура, представляющая собой преимущественно мартенсит закалки. Имеется присутствие низкоуглеродистого мартенсита в количестве около 20 об. %, локализованного преимущественно по границам скелетной эвтектики. Вероятная причина - недостаточность высокотемпературной выдержки для гомогенизации химического состава и устранения сегрегации углерода. Обнаружены трещины, образовавшиеся в результате закалки. На рисунке 8 представлена микроструктура плавки 4 термообработки по режиму № 2.
Рисунок 7 - Микроструктура стали плавки 3, термообработка по режиму № 2
Рисунок 8 - Микроструктура стали плавки 4, термообработка по режиму № 2
Неметаллических включений не обнаружено. Структура - тросто-мартенсит, соотношение тростит : мартенсит приблизительно 10 : 90. Мартенсит представлен смесью низкоуглеродистого (светлые области) и углеродистого мартенсита (темные области). Следует отметить, что весь мартенсит - мартенсит закалки, т. е. отпуска не произошло. Отмечается присутствие структуры видман-штетта в виде аустенитных игл.
На рисунке 9 представлена равновесная феррито-перлитная микроструктура. Вид-манштеттов феррит отсутствует. Соотношение «феррит : перлит» составляет 85 : 15, что примерно соответствует марке стали 20Л. Ускоренное охлаждение в высокотемпературной области с охлаждением на воздухе с температуры 400 °С привело к формированию перлитной структуры с мелкопластинчатым перлитом.
Рисунок 9 - Микроструктура стали плавки 1, термообработка по режиму № 3
На рисунке 10 представлена неравновесная микроструктура, феррит + сорбит. Примерное соотношение «феррит : сорбит» находится в пределах 30 : 70. На фото с ма-
лым разрешением (х 50) прослеживается скелетная эвтектика, характерная для литых структур, что свидетельствует о недостаточности высокотемпературной выдержки для гомогенизации химического состава и устранения сегрегации легирующих элементов. Скелет эвтектики представлен ферритом. Цементит сорбита представлен в зернистой форме, что свидетельствует о его образовании в ходе непрерывного охлаждения.
Рисунок 10 - Микроструктура стали плавки 2, термообработка по режиму № 3
На рисунке 11 представлена равновесная, феррито-перлитная микроструктура. Примерное соотношение «феррит : перлит» находится в пределах 40 : 60, что приблизительно соответствует стали марки 45Л. Некоторое количество феррита (порядка 57 об. %) представлено в виде видманштетто-ва феррита (игольчатые включения в теле перлитных зерен).
На рисунке 12 неметаллических включений не обнаружено. Структура - тросто-мартенсит, соотношение тростит : мартенсит приблизительно 10 : 90.
Рисунок 11 - Микроструктура стали плавки 3, термообработка по режиму № 3
Мартенсит представлен смесью низкоуглеродистого (светлые области) и углеродистого мартенсита (темные области). Следует отметить, что весь мартенсит - мартенсит закалки. Отмечается присутствие структуры видманштетта в виде аустенитных игл.
ВЫВОДЫ
1. Стали плавок №№ 1, 2 при всех режимах термообработки формируют мелкозернистую структуру, представленную ферритом, тросто-мартенситом и бейнитом. В случае формирования мартенситной структуры, мартенсит мелкоигольчатый. Кроме того, во всех случаях термообработки происходит самоотпуск мартенсита, снимаются напряжения, и происходит частичная релаксация кристаллической решетки мартенсита. В результате чего образцы этих плавок имеют удовлетворительное сочетание твердости и ударной вязкости по сравнению с образцами плавки № 4.
2. Образцы плавки № 3 формируют крупноигольчатый грубый мартенсит, обла-
Рисунок 12 - Микроструктура стали плавки 4, термообработка по режиму № 3
дающий пониженными показателями ударной вязкости - сказывается увеличение степени легирования углеродом и кремнием наряду со снижением содержания никеля. Кроме того, одновременное повышение содержания углерода и кремния приводит к снижению растворимости углерода в железе, в результате чего кристаллическая решетка мартенсита претерпевает большие напряжения, что, в свою очередь, приводит к появлению закалочных трещин и снижению пластичности материала в целом.
3. В случае плавки № 4 ситуация усугубляется: в результате увеличения содержания кремния и углерода, а также снижения растворимости последнего, во всех случаях наблюдается видманштеттова структура, представленная выделениями остаточного аустенита в виде игл. Кроме того, в результате снижения диффузионной активности углерода не происходит самоотпуска мартенсита, что в комплексе выражено низкими пластическими свойствами материала. Связывание излишков углерода молибденом не происхо-
дит по причине ограниченной диффузионной подвижности углерода, вызванной искажениями кристаллической решетки в результате легирования большим количеством кремния.
4. Сталь плавки 2 можно использовать для производства литых деталей, работающих в условиях ударно-фрикционного износа при выполнении термической обработки по режиму нагрев до 950 °С, выдержка 1,5 часа, охлаждение на воздухе. Сталь плавки № 3 можно использовать для производства литых деталей, работающих в условиях ударно-фрикционного износа при условии их термической обработки по режиму нагрев до 910 °С, выдержка 1,5 часа, охлаждение до 400 °С в воде, далее воздух. Стали плавок №№ 1, 4 в существующем виде обладает низкими показателями ударной вязкости и неудовлетворительной микроструктурой после термической обработки по всем режимам, поэтому практическое применение таких отливок не рекомендуется.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Investigation of chemical composition and material structure influence on mechanical properties of special cast iron : METAL 2017 - 26th International Conference on Metallurgy and Materials, Conference Proceedings / A.V. Gabets [et al.] // Metal 2017, Brno, Czech Republic, EU. - Scopus: 2-s2.0-85043315222.
2. Technological Support of Critical Parts for Railway Transport Working Properties / A.V. Gabets [et al.] // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. DOI: 10.1088/1755-1315/50/1/012052.
3. Гольдштейн, Я.Е. Модифицирование и микролегирование чугунов и стали / Я.Е. Гольдштейн, В.Г. Мизин. - М. : «Металлургия», 1986.
4. Комаров, О.С. Особенности модифицирования различных типов железоуглеродистых сплавов / О.С. Комаров, Е.В. Розенберг, Н.И. Урбано-вич // Литье и металлургия. - 2015. - № 2 (79). -С. 24-28.
5. Xu, T. Effect of re modification and heat treatment on formation and growth of thermal fatigue crack in wear resistant cast iron containing low alloy / T. Xu, C. Hu, D. Xie // Journal of Rare Earths. - 2003. -Vol. 21, iss. (SUPPL). - P. 202-205.
6. Kazakov, A.A. Industrial Application of Thix-omet Image Analyzer for Quantitative Description of Steel and Alloys / A.A. Kazakov, D.V. Kiselev // Microstructure. Microscopy and Microanalysis. - 2015. -V. 21. - № 3. - P. 457-458. - DOI: 10.1017/S1431927615003086.
7. Research on the Origin of Nonmetallic Inclusions in High-Strength Low-Alloy Steel Using Auto-
mated Feature Analysis // A.A. Kazakov [et al.] // Microscopy and Microanalysis. - 2015. - V. 21. - № 3. -P. 1755-1756. DOI: 10.1017/S1431927615009551.
8. Vander Voort, G.F. Evaluation of Normal Versus Non-Normal Grain Size Distributions / G.F. Vander Voort, O. Pakhomova, A. Kazakov // Materials Performance and Characterization : https://www.astm.org/. -ISSN 2165-3992.
9. Kazakov, A. Metallurgical expertise as the base for determination of nature of defects in metal products / A. Kazakov, S. Kovalev, S. Ryaboshuk // CIS Iron and Steel Review. - 2012. - DOI: 10.13140/RG.2.1.4675.3688.
10. Kazakov, A. Nonmetallic Inclusions and Acicular Ferrite in Arc Welds of Pipeline Steels / A. Kazakov, D. Lyubochko // Microscopy and Microanalysis. -2015. - V. 21. - № 3. - P. 1749-1750.
11. Kazakov, A. Industrial Application of Thi-xomet / A. Kazakov, D. Kiselev // Metallography, Microstructure and Analysis. - 2016. - P. 294-301. -DOI 10.1007/s13632-016-0289-6.
12. Беккерт, М. Способы металлографического травления / М. Беккерт, X. Клемм // Справ. изд. : пер. с нем. 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Металлургия, 1988. - 400 с.
13. Вашуль, Х. Практическая металлография. Методы изготовления образцов / Х. Вашуль. - М. : Металлургия, 1988. - 320 с.
14. Мальцев, М.В. Металлография цветных металлов и сплавов ; 1-е изд. / М.В. Мальцев, Т.А. Барсукова, Ф.А. Борин. - М. : Металлургия, 1970. - 368 с.
15. Коваленко, В.С. Металлографические реактивы. Справочник / В.С. Коваленко. - М. : Металлургия, 1981. - 120 с.
16. Vander Voort, G.F. Materials characterization / G.F. Vander Voort. - 1991. - № 27. - P. 241260. - DOI: 10.1016/1044-5803(91)90040-B.
Письменный Евгений Александрович,
директор АО «ИЦ ТСЖТ», г. Новоалтайск, e-mail: pysmennyi. eug@gmail. com.
Марков Андрей Михайлович, д.т.н., профессор кафедры ТМ ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», г. Барнаул, e-mail: [email protected].
Габец Денис Александрович, инженер НИС, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», г. Барнаул, e-mail: [email protected].
Габец Александр Валерьевич, кандидат тех. наук, директор по развитию ООО «СибТрансМаш», г. Барнаул, e-mail: [email protected].
