CC BY
1505.16.09 - Материаловедение (по отраслям) (технические науки)
DOI: 10.25712^Ти.2072-8921.2020.01.028
УДК669-1
ОСОБЕННОСТИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЛИТОЙ СТАЛИ 38ХСЛ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ФРИКЦИОННОГО УЗЛА ПОГЛОЩАЮЩЕГО АППАРАТА
Е.А. Письменный, А.М. Марков, Д.А. Габец, А.В. Габец
В работе представлены результаты анализа возможности применения литой средне-углеродистой легированной стали 38ХСЛ для деталей фрикционного узла поглощающего аппарата железнодорожного вагона. Рассмотрено влияние режимов термической обработки на эволюцию микроструктуры стали. Проведена оценка влияния термической обработки при различных температурах нагрева и применения охлаждающих сред. Проведены испытания по определению ударной вязкости и твердости стали 38ХСЛ после термообработки по приведенным в работе режимам. В результате термической обработки по режимам, приведенным в работе, формируются неравновесные структуры, представляющие собой тро-сто-сорбит, твердость образцов во всех случаях от 287 до 345 НВ, что удовлетворяет значениям, заданным в конструкторской документации. Ударная вязкость - от 16 до 52 Дж/см2. Проведены копровые испытания поглощающих аппаратов АПФК-110 собранных с применением литых деталей фрикционного узла из стали 38ХСЛ, термообработанных по разработанным режимам. В ходе испытаний определена высокая прочность и надежность литых деталей, определенная в ходе испытаний энергоемкость аппаратов составила по ГОСТ 32913-2014 не менее 95 кДж как в состоянии поставки, так и в приработанном состоянии, что полностью удовлетворяет предъявляемым требованиям. Исследования литых деталей проводились в условиях, приближенных к эксплуатационным в поглощающем аппарате АПФК-110 на копровой установке с массой свободно падающего груза 13,22 т. По условиям испытаний было нанесено более 1500 ударов с высоты сброса груза 0,45 м, что соответствует 50 МДж введенной в поглощающий аппарат энергии, разрушения деталей не зафиксировано, средняя энергоемкость поглощающего аппарата составила от 98 до 102 кДж.
Ключевые слова: износостойкость, твердость, термообработка, ударно-фрикционный износ, сталь, фрикционный узел.
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшим элементом поглощающих аппаратов является фрикционный узел, поглощающий до 50 % вводимой энергии. Одним из отличий поглощающего аппарата АПФК-110 [1-3] является возможность применения литых деталей (пластина неподвижная, клин фрикционный, конус нажимной, пластина опорная) в конструкции изделия [3]. Для возможности применения и соблюдения всех требований технической и конструкторской документации необходимо подробное изучение влияния режимов термической обработки на формирование необходимых механических и эксплуатационных свойств деталей поглощающего аппарата: твердости, износостойкости, ударной вязкости, пластичности и т. д. С учетом высокой ресурсоемко-сти изготовления деталей поглощающего аппарата резанием из проката, изготовление заготовок деталей методами литья с последующей обработкой резанием, способно дать выигрыш по себестоимости порядка 70 %. Одним из широко применяемых материалов для изготовления деталей поглощающего
материала является сталь 38ХС, обладающая высокими показателями твердости и износостойкости в условиях работы в поглощающем аппарате. Химический состав стали 38ХС по ГОСТ 4543-2016 представлен в таблице 1.
По аналогии с прокатом стали 38ХС были произведены плавки стали 38ХСЛ, химический состав которых приведен в таблице 2.
Сталь 38ХСЛ является качественной конструкционной низколегированной сталью, содержит небольшое количество легирующих элементов, что обеспечивает сочетание низкой стоимости и хорошего качества. К недостаткам данной стали можно отнести ее склонность к отпускной хрупкости и плохую свариваемость, поэтому для получения качественного сварного соединения необходимо применять, подогрев до 200-300 °С во время сварки и последующий отжиг. Для предотвращения отпускной хрупкости детали после отпуска рекомендуется охлаждать в различных средах (вода, масло, водо-полимерные среды). Температуру отпуска при этом желательно выбирать так, чтобы она не попадала в интервал хрупкости.
Е.А. ПИСЬМЕННЫЙ, А.М. МАРКОВ, Д.А. ГАБЕЦ, А.В. ГАБЕЦ Таблица 1 - Химический состав стали 38ХС по ГОСТ 4543-2016
Марка Массовая доля элементов, %
стали C Si Mn Ni S P Cr Cu
38ХСЛ 0,34-0,42 1,00-1,40 0,30-0,60 < 0,30 < 0,035 < 0,035 1,30-1,60 < 0,3
Таблица 2 - Химический состав, литой стали 38ХСЛ
№ плавки стали 38ХСЛ Химический состав, (массовая доля элементов, % вес.)
C Si Mn P S Cr Ni Cu Al
№ 1 0,39 1,07 0,42 0,015 0,021 1,34 0,02 0,09
№ 2 0,35 1,12 0,43 0,011 0,014 1,35 0,02 0,09 0,13
№ 3 0,41 0,93 0,41 0,010 0,012 1,33 0,06 0,08 0,10
Цель данной работы - разработка режима термической обработки деталей из стали 38ХСЛ, имеющих высокие показатели твердости и ударной вязкости.
В качестве термической обработки можно рассматривать нормализацию, а также закалку в различных средах (вода, масло) с отпуском. Температура критической точки Ас3 для данной стали находится в районе 810 °С. Для ускорения процессов образования аусте-нита, температуру нагрева целесообразно повышать. Как правило, для легированных хромом и кремнием сталей температуру нагрева можно повышать на 50-100 °С [4, 5], т. к. оба этих элемента повышают устойчивость ферритной фазы при высоких температурах. Согласно [6-8], закалку данной стали рекомендуется вести с температуры 880900 °С в масло либо через воду в масло с последующим отпуском при температурах от 300 до 600 °С с охлаждением после отпуска в воде. Твердость стали после такой закалки
составляет соответственно от 320 до 550 НВ. В конструкторской документации на поглощающий аппарат АПФК-110 установлены следующие требования по уровню твердости: 277-440 НВ.
В ходе анализа литературных данных по термической обработке данной стали [4-7], были определены следующие режимы термической обработки, приведенные в таблице 3. Закалка и отпуск стали 38ХСЛ проводилась в электрической камерной печи типа СНОЛ, оборудованной ПИД-контроллером.
Размеры образцов: 14х14х70 мм. Для гомогенизации химического состава по сечению образцов время выдержки образцов при нагреве было выбрано равным 1 ч. Этого времени достаточно для гомогенизации химического состава образцов данного размера. Повышенная длительность высокотемпературной выдержки при нагреве под закалку позволила отказаться от операции предварительного отжига литых деталей перед закалкой.
Таблица 3 - Режимы термической обработки стали 38ХСЛ
№ режима Т нагрева, °С Время выдержки при нагреве, ч Закалочная среда Т отпуска, °С Время отпуска, ч Охлаждающая среда после отпуска
Режим № 1 880 1 воздух - - -
Режим № 2 820 1 вода 350 1,5 вода
Режим № 3 880 1 масло 350 1,5 вода
Режим № 4 840 1 вода 350 1,5 вода
Режим № 5 840 1 масло 350 1,5 вода
Режим № 6 880 1 Воднополимерный раствор «Термат» 350 1,5 вода
Охлаждение с температуры отпуска во избежание проявления отпускной хрупкости производили в воде до полного остывания образцов.
Микроструктуры образцов после термической обработки по режимам, приведенным в таблице 3, представлены на рисунке 1. Травление шлифов осуществляли в 4 % спиртовом растворе пикриновой ки-
слоты с последующим травлением реактивом Клемма I. Последовательное травление по этой методике позволяет увеличить резкость и контрастность микроструктуры за счет формирования на поверхности шлифа тонкой пленки, работающей аналогично покрытиям на линзах «просветленной» оптики [10].
д) е)
а) режим № 1; б) режим № 2; в) режим № 3; г) режим № 4; д) режим № 5; е) режим № 6
Рисунок 3 - Микроструктура образцов литой стали после термообработки по режимам,
указанным в таблице 3
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2020 147
Е.А. ПИСЬМЕННЫЙ, А.М. МАРКОВ, Д.А. ГАБЕЦ, А.В. ГАБЕЦ
В результате термической обработки по режимам, приведенным в таблице 1, во всех случаях формируются неравновесные структуры, представляющие собой тросто-сорбит. Измерение твердости производили 5 раз на каждом образце. Твердость после закалки определяли на твердомере Роквелла, твердость отпущенных образцов измеряли на твердомере Бриннеля. Количество образцов по каждому режиму - три. Определение ударной вязкости производили на термооб-работанных образцах типа 1 по ГОСТ 9454-78 с и-образным надрезом. Исследования проводили по трем образцам на каждый режим термообработки [11, 12]. Результаты определения твердости и ударной вязкости усреднялись методами математической статистики и приведены в таблице 4.
Таблица 4 - Результаты определения твердости и ударной вязкости термообработанных по разным режимам образцов стали 38ХСЛ
Согласно анализу микроструктур, наибольшей дисперсностью, а следовательно, имеющие наибольшую ударную вязкость имеют структуры, полученные в результате термической обработки по режимам № 2, № 3, № 4. Проведенные исследования ударной вязкости термообработанных по разным режимам образцов показали правильность предположений, сделанных по результатам металлографического анализа: максимальную ударную вязкость продемонстрировали образцы, обработанные по режиму № 3 -52 Дж/см2, образцы обработанные по режиму № 5 имели наименьшее значение ударной вязкости - 16 Дж/см2. В качестве итогового режима термической обработки для деталей, отправляемым на эксплуатационные испытания, выбран режим № 3 - сталь 38ХСЛ после закалки в масле с температуры 880-890 °С и отпуска при 350 °С с охлаждением в воде
Исследования литых деталей проводились в условиях, приближенных к эксплуатационным в поглощающем аппарате АПФК-110 на копровой установке с массой свободно падающего груза 13,22 т. По условиям испыта-
ний было нанесено более 1500 ударов с высоты сброса груза 0,45 м, что соответствует 50 МДж введенной в поглощающий аппарат энергии, разрушения деталей не зафиксировано, средняя энергоемкость поглощающего аппарата составила от 98 до 102 кДж. По результатам испытаний литые детали поглощающего аппарата согласно ГОСТ 32913-2014 признаны прошедшими испытания.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе проведения испытаний поглощающих аппаратов АПФК-110 собранных с применением литых деталей фрикционного узла установлена высокая энергоемкость аппаратов не менее 95 кДж, как в состоянии поставки, так и в приработанном состоянии, что полностью удовлетворяет предъявляемым требованиям согласно ГОСТ 329132014.
Детали, изготовленные из литой средне-углеродистой легированной стали 38ХСЛ после закалки в масле с температуры 880890 °С и проведенного отпуска при 350 °С с охлаждением в воде обладают хорошими ударно-фрикционными свойствами, способными обеспечивать надежную работу поглощающего аппарата в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 4543-1971. Прокат из легированной конструкционной стали. - М. : ИПК Изд-во стандартов, 1996.
2. Габец, А.В. Проектирование эффективной конструкции поглощающего аппарата / А.В. Габец, А.М. Марков, Д.А. Габец, А.В. Иванов // Инженерный вестник Дона. - 2017. - № 2. - URL : ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2017/4113.
3. Пластина подвижная поглощающего аппарата автосцепного устройства железнодорожных транспортных систем : пат. 187656 Рос. Федерация. - № 2018141340 ; заявл. 23.10.2018.
4. Зубченко, А.С. Марочник сталей и сплавов : справочник ; 2-е изд., доп. и испр. / Под ред.
A.С. Зубченко. - М. : Машиностроение, 2003. -784 с.
5. Воскобойников, В.Г. Общая металлургия: учебник для вузов ; 6 изд., перераб. и доп. /
B.Г. Воскобойников, В.А. Кудрин, А.М. Якушев. -М. : ИКЦ «Академкнига», 2005 - 768 с.
6. Бернштейн, М.Л. Металловедение и термическая обработка стали и чугуна : Справ. изд. в 3-х т. / Г.В. Курдюмов, В.С. Меськин и др. ; под общ. ред. А.Г. Рахштадта, Л.М. Капуткиной,
C.Д. Прокошкина, А.В. Супова ; Т2. Строение стали и чугуна. - М. : Интермет Инжиниринг, 2005. -С. 528.
7. Лахтина, О.М. Термическая обработка в машиностроении : Справочник / Под ред.
Твердость Твердость Ударная
№ режи- после после вязкость,
ма закалки, HRC отпуска, HBW10 KCU, Дж/см2
Режим № 1 - 287 34
Режим № 2 58 327 39
Режим № 3 57 320 52
Режим № 4 62 345 38
Режим № 5 55 317 16
Режим № 6 57 331 28
Ю.М. Лахтина, А.Г. Рахштадта. - М. : Машиностроение, 1980. - 783 с.
8. Гурьев, А.М. Новые материалы и технологии для литых штампов. - Барнаул, 2000. - 216 с.
9. Гурьев, А.М. Теория и практика получения литого инструмента / А.М. Гурьев, Ю.П. Хараев. -Барнаул, 2005. - 220 с.
10. Kazakov, A.A. Industrial Application of Thix-omet Image Analyzer for Quantitative Description of Steel and Alloy's Microstructure / A.A. Kazakov, D. Kiselev // Metallography, Microstructure and Analysis. - 2016. - № 5. - P. 294-301.
11. ГОСТ 9454-78 Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах (с Изменениями № 1, 2). -М. : ИПК Изд-во стандартов, 1994.
12. Investigation of chemical compostition and material structure influence on mechanical properties of special cast iron / A.V. Gabets ^t al.] // METAL 2017 - 26 th International Conference on Metallurgy and Materials, Conference Proceedings. - Metal 2017/ - Brno, Czech Republic, EU. Scopus: 2-s2.0-85043315222.
Письменный Евгений Александрович,
директор АО «ИЦ ТСЖТ», 658087, г. Новоал-тайск, ул. 22 Партсъезда, д. 16, e-mail: pys-mennyi. eug@gmail. com.
Марков Андрей Михайлович, доктор техн. наук, профессор кафедры ТМФ ГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», 656038, Российская Федерация, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, e-mail: [email protected].
Габец Денис Александрович, инженер НИС ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», e-mail: [email protected].
Габец Александр Валерьевич, кандидат техн. наук, директор по развитию ООО «СибТрансМаш», 656049, Российская Федерация, г. Барнаул, ул. Папанинцев, д. 97, e-mail: [email protected]
