CC BY
28
УДК 669.017
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕБУЕМЫХ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СТАЛИ 30ХГСН2А ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ МНОГОЭТАПНОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ
Муратов Владимир Сергеевич, д.т.н., профессор (e-mail:muratov1956@mail.ru) Морозова Елена Александровна, к.т.н., доцент (e-mail:e.morozova2012@mail.ru) Якимов Николай Сергеевич, аспирант (e-mail: andrej.bakin2013@yandex.ru) Самарский государственный технический университет г.Самара, Россия
В данной статье приведены результаты исследований особенностей формирования структуры и свойств высокопрочной стали 30ХГСН2А в процессе реализации многоэтапной комбинированной обработки. Такая обработка включает выплавку стали и получение деформированной заготовки, операции промежуточной термической обработки, механическую обработку, сварку, окончательную термическую обработку, хромирование. Рекомендованы режимы, обеспечивающие требуемый уровень характеристик стали и исключающие случай преждевременного разрушения изделий.
Ключевые слова: высокопрочная сталь, структура, свойства, горячекатаные прутки, поглощающие устройства, термическая обработка, хромирование.
Высокопрочная сталь 30ХГСН2А предназначена для изготовления ответственных изделий транспортной техники, работающих при температурах до 250 °С. Технология изготовления таких изделий многоэтапна и включает в себя стадии разнообразных воздействий на структурное состояние стали , что требует тщательной отработки режимов обработки на каждом этапе процесса производства с учетом технологической наследственности [ 1-3].
Исследуемые варианты технологии обработки стали включают в себя следующие этапы: выплавку стали с вакуумно-дуговым переплавом (I этап), получение деформированных заготовок - горячекатаных прутков (II этап), промежуточную термическую обработку прутков - одна из операций - отжиг или нормализация ( III этап ), механическая обработка с применением операции промежуточной термической обработки - отпуска после шлифования ( IV этап) , сварка с операцией промежуточной термической обработки - отпуска ( V этап), окончательная термическая обработка ( VI этап ), механическая обработка с применением операции промежуточной термической обработки - отпуска после шлифования ( VII этап), хромирование с операциями шлифования, отпуск после шлифования , обезводо-роживания (VIII этап).
I и II этапы описанного процесса реализуются на металлургическом предприятии. В работе исследованы и определены требования к химическому составу, структуре и уровню механических свойств горячекатанных прутков, обеспечивающие надлежащую реализацию последующих этапов обработки и получение качественных изделий. Исследованы прутки стали 30ХГСН2А диаметром 238 мм десяти плавок двух предприятий изготовителей; прутки в дальнейшем используются для изготовления корпусов и штоков поглощающих устройств на транспорте.
В горячекатаных прутках в состоянии поставки (после отжига на III этапе) должны отсутствовать межкристаллитные трещины, подкорковые пузыри, подусадочная ликвация, общая и краевая пятнистая ликвация. Лик-вационный квадрат, точечная неоднородность, центральная пористость не должны превышать двух баллов по ГОСТ 10243-75. Сталь. Методы испытаний и оценки макроструктуры. Размер зерна должен быть не больше восьмого балла по ГОСТ 5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. Твердость исследованных партий прутков изменялась в пределах HB - 2240- 2480 МПа и не должна превышать 2550 МПа. Прутки должны поставляться в обточенном состоянии с отсутствующим поверхностным обезуглероженным слоем.
В таблице 1 приведены результаты исследований характеристик механических свойств поперечных образцов, вырезанных из горячекатаных прутков десяти партий. Режимы термической обработки заготовок под образцы следующие: температура нагрева под закалку 910 °С, последующее охлаждение в масле, температура нагрева под отпуск 280 °С, охлаждение на воздухе. Из данных таблицы 1 следует, что значения получаемых после термической обработки механических свойств прутков всех партий соответствуют рекомендациям, обеспечивающим должное качество изделий.
Таблица 1 - Механические свойства термически обработанных поперечных образцов из горячекатаных прутков (сталь 30ХГСН2А)
Источник МПа °0,2, МПа 5 , % Ф,% HB,МПа KCU, кДж/м2
Испытания 15901670 13901470 8,013,0 35,0-54,0 4600-4950 400-680
Рекомендации >1570 >1375 >8,0 >35,0 >4440 >390
Оптико-эмиссионным методом определен химический состав образцов, вырезанных из различных мест по сечению разрушенных при приемосдаточных испытаниях корпусов поглощающих устройств и горячекатанных прутков, из партии которых эти корпуса были изготовлены. Результаты определения содержания углерода и основных легирующих элементов представлены в таблице 2. Их содержание полностью соответствует нормативному документу (ГОСТ 4543- 2016. Металлопродукция из конструкционной легированной стали).
Таблица 2 - Химический состав стали 30ХГСН2А (мас.%).
С Мп Сг N1
0,29-0,33 0,96-1,02 1,02-1,09 1,04-1,16 1,42-1,52
Соответствует данному документу и содержание вредных контролируемых примесей фосфора (0,004- 0,012 мас. %) и серы (0,001- 0,005 мас. %)
При этом установленное содержание азота (от 0,001 до 0,041 мас.%) в отдельных зонах сечения корпуса существенно превышает допустимый уровень (< 0,012 мас. %) и результаты определения при выплавки стали по ковшовой пробе (0,01- 0,009 мас.%). Установлено и весьма значительное общее количество легкоплавких примесей (мышьяк, свинец, сурьма, олово), в отдельных участках образца достигающее 0,025мас.%. Вместе с тем, в работах [4,5] показано, что содержание этих примесей в количествах даже 0,003- 0,005 мас. % заметно снижает служебные свойства легированных сталей, и, прежде всего, показатели их вязкости и пластичности.
Следует учесть, что количество легирующих элементов и ряда примесей (фосфор, азот, сера) в процессе выплавки стали определяется с помощью ковшовой пробы, а количество легкоплавких случайных примесей вообще не определяется. Таким образом, возможность возникновения зональных ликваций этих элементов количественно не оценивается. Проведенный же нами оптико-эмиссионный анализ различных участков сечения корпусов и прутков ряда плавок из стали 30ХГСН2А свидетельствует о значительной неоднородности в распределении азота и ряда случайных легкоплавких примесей.
В ряде работ [6-8] показано, что азот ускоряет диффузию углерода и кислорода в стали и, кроме того, может связывать в нитриды хром и марганец. Отмеченное вызовет повышение скорости обезуглероживания поверхности стального изделия и снижению прокаливаемости в зонах с повышенным количеством азота. Данная ситуация проявляется на VI технологическом этапе - этапе окончательной термической обработки. При этом промежуточные нагревы стали на IV и V этапах могут усилить ликвацион-ную неоднородность. Температура нагрева стали под отпуск после шлифования составляет 190-210 °С , а под отпуск после сварки - 650°С; длительность соответственно 180-200 и 60 минут.
Проведенный металлографический анализ показал, что сталь в донной части корпуса, где инициировалось разрушение, имеет структуру троосто-мартенсита с участками свободного феррита (рис. 1), что подтверждает недостаточную прокаливаемость стали в месте будущего разрушения. Выявлен на поверхности корпуса и обезуглероженный слой глубиной до 1,5 мм.
Традиционная окончательная термическая обработка изделий проводилась по режиму: температура закалки (Тз) 900°С±10 °С (реализован ступенчатый нагрев: 460 °С, 15 минут; 750 °С, 15 минут; 850 °С, 15 минут; 900 °С) , время выдержки (тз) при Тз 190 - 200 минут, охлаждение в масле ( с
барботажем), температура отпуска( Т0) 230-270 °С, время выдержки при отпуске ( т0) 240 минут, охлаждение на воздухе.
Рисунок 1- Троостомартенситная структура с участками свободного феррита стали 30ХГСН2А. х500
При такой термической обработке в преждевременно разрушенных при приемо-сдаточных испытаниях корпусах достигнут уровень свойств о В= 1116,2 МПа, 5 = 14,4 %, ф = 44, 3%, КСи = 247 кДж/м2, НВ на поверхности 3150 МПа (глубина зачистки поверхностного слоя не более 0,7 мм). Значения уровня предела прочности, ударной вязкости, твердости на поверхности существенно ниже рекомендуемых (см. таблицу 1).
В этой связи стояла задача разработки корректирующего режима окончательной термической обработки корпусов, позволяющего исключить негативное влияние возможной ликвации азота, сформированной на I и II технологических этапах, на прокаливаемость и глубину обезуглероженно-го слоя. Проведены исследования с варьированием Тз в интервале 850-920 °С, тз в интервале 120-180 минут. то в интервале 180 - 200 минут при То 210 °С. Исследован также вариант закалки в вакуумной печи по режиму: Тз =900°С, тз=360 минут, охлаждение в масле.
Исследовались также возможности повышения механических свойств стали до рекомендуемого уровня (в случае если первая окончательная термическая обработка его не обеспечила) проведением разных режимов повторной термообработки (до трех раз). Проведена оценка рациональности реализации перед закалкой нормализации при температуре 900 °С в течение 180 минут.
Установлено, что полностью годные партии деталей обеспечивают режим Тз= 900 °С, тз= 180 мин, То= 210 °С. то= 180 мин и режим вакуумной термической обработки. Применение первого режима как варианта повторной термической обработки делает, кроме того, возможным исправлять негативные результаты термической обработки по другим режимам, в том числе и традиционного.
При контроле поверхностной твердости корпусов проводилась оценка целесообразности увеличения припуска на механическую обработку после термической обработки (исключая вариант закалки в вакуумной печи). Даны рекомендации по увеличению припуска до 1 мм (ранее назначался в ин-
тервале 0,4- 0,7мм). Увеличенный припуск дополнительно снижает вероятность проявления обезуглероживания. Согласно таким рекомендациям, при контроле твердости после термической обработки поверхность зачищалась на 1мм. В случае использования нагрева в вакууме зачистки выполнялась на глубину 0,2 - 0,3 мм.
Установлены случаи преждевременного разрушения корпусов поглощающих устройств при эксплуатации по причине их усталостной повреждаемости из-за появления задиров на внутренней поверхности вследствие разрушенного хромового покрытия штока. Этот факт требует уделять особое внимание отработке режимов VII и VIII этапов. Рекомендованы отпуск после шлифования при температуре 190-210°С с. то= 180-200 минут и обез-водороживание после хромирования при 200-230 °С длительностью до 360 минут.
Заключение.
Установленные в работе и рекомендованные режимы многоэтапной комбинированной обработки позволяют обеспечить требуемые структуру и свойства высокопрочной стали 30ХГСН2А на этапах технологического процесса и предотвратить случаи преждевременного разрушения изделий.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по проекту № 1938-90172.
Список литературы
1. Астащенко В.И. Управление качеством стальных изделий при технологическом переделе металла. / В.И. Астащенко, А.И. Швеёв, Т.В. Швеёва, В.И. Ищенко //Автомобильная промышленность. -2011. №10. -С. 31-34.
2. Дементьев В.Б. Засыпкин А.Д. Исследование структуры и механических свойств стали 30ХГСН2А в технологиях прошивки, редуцирования и высокотемпературной термомеханической обработки особо толстостенных трубных заготовок // Химическая физика и мезоскопия. - 2015. Том 17. №3.-С.372-379.
3. Муратов В. С., Якимов Н.С. Особенности деформационной и термической обработок коррозионностойких сталей мартенситно-ферритного класса // Современные наукоемкие технологии. -2018. № 12-2. - С.398-402.
4. Анохина Н.К. Структурообразование, свойства и способы повышения горячей пластичности нержавеющих аустенитных хромоникелевых сталей, содержащих свинец. Автореф.. .дис.кан.техн.наук.- Свердловск.:1984.- 27с.
5. С.А.Мусихин, С.В. Беликов, М.А.Швецов, И.А.Степанов. Влияние зональной ликвации на формирование структуры и свойств труб нефтегазового сортамента из высокопрочных среднеуглеродистых низколегированных сталей. [ Электронный ресурс]. 2015.URL: http:// www.elar.urfu.ru/bitstream/10995/41892/1/sch_met_XVI_2015_2_051.
6. Астащенко В.И., Шибаков В.Г. Технологические методы управления структуро-образованием стали при производстве деталей машин. М.: Academia, 2006. -328c.
7. Криштал М.А., Волков А.И. Многокомпонентная диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1985. - 176с.
8. Кан Р.У., Хаазен П.Т. Физическое металловедение.Том.2. - М.: Металлургия, 1987.- 624с.
ENSURING THE REQUIRED STRUCTURE AND PROPERTIES OF STEEL 30HGSN2A IN THE IMPLEMENTATION OF MULTI-STAGE COMBINED PROCESSING
Muratov Vladimir Sergeevich Dr.Sc.professor
( e.mail:muratov1956@mail.ru)
Morozova Elena Aleksandrovna,Cand.Tech.Sci.,associateprofessor
(e-mail:e.morozova2012@mail.ru) Yakimov Nikolay Sergeevich, graduate student
(e-mail: andrej.bakin2013@yandex.ru) Samara State Technical University, Samara, Russia
This article presents the results of studies of the structural features and properties of high-strength steel 30HGSN2A during the implementation of multi-stage combined processing. Such processing includes steel smelting and obtaining a deformed billet, intermediate heat treatment operations, machining, welding, final heat treatment, chromium plating. Recommended modes that will provide the required level of steel characteristics and exclude cases of premature destruction of the products.
Key words: high-strength steel, structure, properties, hot rolled bars, absorbing devices, heat treatment, chromium plating.
УДК 669.017
АНАЛИЗ И ПУТИ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПРЕЖДЕВРЕМЕННОГО РАЗРУШЕНИЯ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ Муратов Владимир Сергеевич, д.т.н., профессор
( e-mail:muratov1956@mail.ru) Морозова Елена Александровна, к.т.н., доцент (e-mail:e.morozova2012@mail.ru) Якимов Николай Сергеевич, аспирант. (e-mail: andrej.bakin2013@yandex.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В работе проанализированы случаи преждевременного разрушения поглощающих устройств, изготовленных из стали 30ХГСН2А, в ходе проведения приемо-сдаточных испытаний и при эксплуатации устройств. Выявлен характер и причины разрушения: пониженная технологичность стали при окончательной термической обработке и повреждение хромового покрытия штока.
Ключевые слова: поглощающие устройства, испытания, эксплуатация, преждевременное разрушение, технология изготовления.
Высокопрочные комплексно-легированные хромо-кремне-марганцево-никелевые стали используются в транспортных системах для ряда ответственных тяжелонагруженных изделий [1,2]. К таким изделиям, в частности, относятся гидравлические поглощающие ( демпфирующие) устройства, предназначенные для гашения части энергии удара, уменьшения продоль-
