CC BY
109
УДК 620.22; 534.16
ПОВЫШЕНИЕ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ СТАЛИ НА ОСНОВЕ ЛЕГИРОВАНИЯ
В. Н. Завьялов, А. Н. Самсонов, А. Д. Пивоваров, А. В. Гвоздев
Аннотация. Осуществлено легирование стали 110Г13Л молибденом и никелем и модифицирование ее гадолинием. У полученных материалов исследованы физикомеханические характеристики, влияющие на конструкционную прочностные стали. Установлено, что легирование высокомарганцовистого аустенита элементами Мо, N и модифицирование Gd повышает его предел прочности в 1,22 - 1,32 раза, ударную вязкость в 1,55 - 2,09 раза и в 5 - 6 раз снижает содержание серы и фосфора в материале.
Ключевые слова: литая сталь, марганцовистый аустенит, легирование, моди-
фицирование, конструкционная прочность
Введение
Создание новых, более совершенных вы-соконагруженных деталей и узлов различной техники является важной научной и практической задачей современного машиностроения. Не являются здесь исключением и детали гусеничного движителя специальных машин, тракторов, землеройной техники, и т.п. работающие в уникальных по сочетанию нагрузок, скоростных режимов, изнашивающих и агрессивных факторов условиях [1]. Конечно, сама конструкция основного элемента этого типа движителя - гусеничного трака, играет большую роль в его долговечности, надежности и других технических характеристиках, но определяющую роль в формировании потенциала его прочностных свойств, дает материал, из которого изготовлен данный узел.
В настоящее время для изготовления траков гусеничного движителя специальных машин - тягачей, вездеходов, карьерной техники нашли литые стали 110Г13Л, 38ХС и др. [2]. По износостойкости, отпускной хрупкости, устойчивости к высоким статическим и динамическим нагрузкам, высокомарганцовистая аустенитная сталь 110Г13Л намного превосходит 38ХС и другие аналогичные стали. При деформации на 60-70 % твердость стали 110Г13Л увеличивается в 2-2,5 раз, что объясняется большими искажениями кристаллической решетки, дроблением блоков мозаики, наклепом и даже образованием структуры мартенсита в поверхностных слоях [3]. Но сталь 110Г13Л не сваривается, а механической обработке поддается, только полностью имея структуру однородного марганцовистого аустенита с НВ=200-230, после закалки с 1050-1100 оС в воде, поэтому из нее удается получать готовые детали только по литьевой технологии.
материала.
В то же время известна и высокая чувствительность стали 110Г13Л к условиям плавки и незначительному изменению содержания С, Si, S и других элементов, приводящему к невоспроизводимости таких параметров ее конструкционной прочности как (ГВ, а02, у 8 и кси (ГОСТ 977-88, 21357-87), поэтому целенаправленное управление значениями физико-механических характеристик образцов плавок стали 110Г13Л, идущей на изготовление траков гусениц спецмашин и устанавливаемых по соглашению потребителя с изготовителем, не технологическими, а материало-ведческими факторами является актуальной задачей.
В то же время известно, что легирование близких по свойствам к стали 110Г13Л высокомарганцовистых наплавочных материалов типа DFMB, DFME и пр. Сг, N и Мо, повышает не только пластичность, но и свариваемость материала, что немаловажно при ремонте и восстановлении литых деталей [4], а отпускная хрупкость отливок хорошо устраняется модифицированием материала редкоземельными металлами (РЗМ).
Целью настоящей работы являлось получение стали 110Г13Л, легированной Мо и N а также модифицированной РЗМ, и исследование ее физико-механических свойств, влияющих на конструкционную прочность материала.
Экспериментальная часть
Для получения марганцовистой стали 110Г13Л использовали низкоуглеродистую сталь Ст3 (ГОСТ 380-71) и ферросплавы: ФМн78 (ГОСТ 4755-91), ФМо60 (ГОСТ 475991), ФН-12Х (ТУ 48-3500-9-94), расчетное количество которых добавляли в исходную шихту.
Плавку осуществляли в индукционной печи ИСТ-0,25/0,32И1 (ОАО «Индуктор», г. Но-возыбков) емкостью 200 кг с хромомагнезитовой (основной) футеровкой под флюсом состава, мас. %: известь негашеная - 80, магнезит металлургический - 15, плавиковый шпат -5. Металл раскисляли силикокальцием СК15 (ГОСТ 4762-71) и окончательно - алюминием (ГОСТ 11069-2001), присадкой в ковш при выпуске и перед подачей РЗМ.
В качестве модификатора использовали 75 % феррогадолиний IG75 (производство КНР), который вводили на штанге вместе с СК15 в разливочный ковш при его заполнении металлом на 1/3.
Химический состав стали устанавливали атомно-эмиссионным и рентгенофлуоресцентным методом на приборах FOUNDRY MASTER UV (ОАО «Алтайвагон», г. Новоал-тайск) и ALPHA SERIES™ 2000 (ФГБОУ ВПО «АлтГУ», г. Барнаул).
Механические испытания образцов проводили на машине Р-5 по ГОСТ 1497-84, ударную вязкость по ГОСТ 9454-78. Влияние чувствительность к надрезам и предела выносливости определяли по ГОСТ 2860-65 на машине МУИ-6000 при 107 симметричных циклах нагружения.
Результаты и их обсуждение
Известно, что эффективность влияния легирующих элементов на прочность аустенит-ных упрочняемых сталей, к которым относит-
ся и 110Г13Л, возрастает в следующем порядке: №, V, Мо, Сг, Мп. Это связано с увеличением энергии упругого искажения решетки твердого раствора Ре-Ме с ростом разности между атомными радиусами, модулями упругости и валентностями легирующего элемента
[5]. Кроме того на прочностные свойства сплава влияет предел растворимости легирующего элемента в у-фазе.
Конструкционная прочность материала возрастет с увеличением количества элементов, стабилизирующих мартенситную структуру стали 110Г13Л, а также суммарного количества растворенных атомов в элементарной ячейке Ре-раствора при комплексном легировании.
Ранее, для исследования свойств сложнолегированного марганцовистого аустенита, в
[6] был предложен оригинальный метод оценки эффективности влияния отдельных элементов по их концентрациям, эквивалентным определенному количеству Мо. Так 1 % Мо в стали 110Г13Л эквивалентно: 2,8 % №, 1,5 % V, 0,6 % Сг; 0,55 % Мп.
Поэтому нами были получены 4 плавки стали 110Г13Л с близким фазовым составом, содержащие различные количества легирующих элементов, эквивалентные 1 % Мо.
Состав опытных плавок стали 110Г13Л приведен в табл. 1.
Таблица 1 - Состав опытных плавок стали 110Г13Л
Содержание элемента, %
С Мп Si Cr X S P
0,65 13,3 0,32 - - 0,01 0,02
1,15 13,3 0,54 0,57 0,3Мо 0,02 0,02
1,15 13,3 0,55 0,57 0,6Мо 0,01 0,02
0,74 13,3 0,38 0,63 2,88Ni 0,01 0,02
Примечание: Х - легирующий элемент из группы №, Мо.
В качестве критериев для первоначальной оценки эффективности легирования и модифицирования стали 110Г13Л нами были приняты эффективный коэффициент концентрации напряжений Ка и показатель чувствительности материала к надрезам q, рассчитываемые по формулам 1-2:
К а = а_1/а_1к, (1)
q = (Ка- 1)/(аа-1), (2)
где Ст-1 - предел выносливости гладкого образца, СТ-1|< - предел выносливости напря-
женного образца, а - теоретический коэффициент концентрации напряжений.
Данные, приведенные в табл. 2, свидетельствуют о более высоком уровне конструкционной прочности и выносливости комплекснолегированной стали по сравнению с исходной.
Так легирование стали 110Г13Л элементами Мо и N снижает ее чувствительность к концентраторам напряжений. Напротив, при испытании гладких образцов усталостная прочность обычной и модифицированной сталей практически одинакова (табл. 2).
Таблица 2 - Прочностные характеристики образцов из опытных плавок стали 110Г13Л
№ Параметр
0 B о 5 V KCU о К q
1 623 386 17,2 38,4 510 263 0,74 2,3
2 851 684 17,5 38,7 840 350 0,69 1,0
3 847 680 18,4 40,6 107 0 345 0,75 1,1
4 792 639 17,6 39,2 792 322 0,72 1,2
Примечание: КСи измерена при 20 оС.
Полученные результаты могут быть обусловлены характером формирующихся при литье неметаллических включений, их формой и расположением в материале. Структура литой стали после термического улучшения (закалка 860-880°С, отпуск 590-610°С) у всех вариантов плавок оказалась идентичной и представлена сорбитом отпуска.
Раскисление и модификация стали 110Г13Д добавкой Gd снижает растворимость серы, фосфора и кислорода (табл. 1). В результате при кристаллизации отливки в ней интенсивно идут процессы зарождения большого количества мелких кристаллов новых неметаллических фаз (сульфидов, фосфидов, оксисульфидов и др.), формирующихся как на границах зерен, так и в объеме всей отливки, что обеспечивает ее дисперсное упрочнение.
Размер аналогичных включений в необработанном модификаторами металле выше а их морфология иная, что повышает хрупкость такого материала (табл. 2). Это можно определить, например, при исследования микрохимической неоднородности немодифициро-ванной стали с помощью электронного микрозонда [7].
Выявленное снижение чувствительности к надрезу и предела выносливости у модифицированной стали 110Г13Л, по-видимому, обусловлено тем, что глобулярные РЗМ-содержащие частицы не способствуют зарождению усталостных трещин и их развитию.
Напротив, вытянутые остроугольные включения сульфидов марганца в немодифи-цированной стали, содержащей Сг, могут служить концентраторами напряжений и обусловливать возникновение усталостных трещин.
Выводы
1. Проведены исследования прочностных свойств стали 110Г13Л легированной Мо, N и модифицированной Gd.
2. Установлено, что введение в состав высокомарганцовистого аустенита Мо до 0,6 а
Ni до 2,88 мас. % позволяет повысить О материала от 1,22 до 1,32 раза, а его ударную вязкость от 1,55 до 2,09 раза.
3. Модифицирование стали 110Г13Л феррогадолинием позволяет снизить содержание серы и фосфора в материале в 5 и 6 раз, соответственно, и уменьшить его отпускную хрупкость.
Библиографический список
1. Чобиток В. А., Данков Е. В., Брижинев Ю. Н. и др. Конструкция и расчёт танков и БМП. -М.: Воениздат, 1984.
2. Кривцов Ю. С., Горобченко С. Л. Развитие литых сталей. // Материалы в машиностроении. 2010. №5(68). С. 62-67.
3. Мулявко Н. М. Анализ эксплуатационной стойкости отливок из стали 110Г13Л. // Известия Челябинского научного центра. 2001. Вып. 4(13). С. 28-30.
4. Welding Materials for Heat Resistant Alloy & Nickel Alloy. // Электрон. ресурс. режим доступа: http://www.tokai-
yogyo.co.jp/english/product/index.html#item01
5. Рудюк С. И., Михайлова И. В., Томенко Ю. С. Влияние легирования и термической обработки на свойства заэвтектоидных сталей для прокатных валков. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1990. № 4. С. 21-24.
6. Филиппов М. А. Разработка новых и немагнитных сталей на основе исследования фазовых превращений в марганцовистом аустените. Дисс. докт. техн. наук. Екатеринбург: УПИ, 1993.
7. Цуркан Д. А., Корзунин Ю. К., Расщупкин В. И. Повышение эксплуатационной надёжности машин. // Омский научный вестник. 2010. №2. С.113-11.
INCREASE OF CONSTRUCTIONAL DURABILITY OF THE STEEL ON THE BASIS OF THE ALLOYING
V. N. Zavyalov, A. N. Samsonov,
A. D. Pivovarov, A. V. Gvozdev
The steel alloying 110Г13Л by molybdenum and nickel and modifying by its gadolinium is carried out. At the received materials the physicomechanical characteristics influencing on
constructional durability of a steel are investigated. It is established that the alloying highmanganesian austenite elements Mo, Ni and modifying Gd raises its strength in 1,22 - 1,32 times, impact strength in 1,55 - 2,09 times and in 5-6 times are reduced by the sulfur and phosphorus maintenance in a material.
Завьялов Виктор Николаевич - кандидат техн. Наук, доцент. Основные направления научной деятельности: Расчет конструкции и повышение их надежности. Общее количество опубликованных работ: 12.
Самсонов Александр Николаевич - соискатель, ст. преподаватель военно-учебного центра СибАДИ. Основные направления научной деятельности: Автомобильный транспорт. Общее количество опубликованных работ: 6.
Пивоваров Артем Дмитриевич - инженер, преподаватель. Основные направления научной деятельности: Расчет конструкции и повышение их надежности. Общее количество опубликованных работ: 1.
Гвоздев Александр Валерьевич - Основные направления научной деятельности: Автомобильный транспорт. Общее количество опубликованных работ: 3.
УДК 621.878:629
МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЯГОВОГО РЕЖИМА АВТОГРЕЙДЕРА
В. А. Мещеряков, В. В. Вебер
Аннотация. Предложена методика обработки экспериментальных данных, полученных при исследовании рабочего процесса автогрейдера. Методика основана на положениях теории цифровой обработки сигналов.
Ключевые слова: автогрейдер, экспериментальные исследования, цифровая обработка сигналов.
Введение
Исследование динамики рабочего процесса автогрейдера требует измерения и регистрации большого количества показателей, быстро изменяющихся во времени. При исследовании тягового режима интерес представляют сила сопротивления копанию грунта, скорость машины, буксование, тяговая мощность [1].
С целью оценки адекватности математической модели тягового режима автогрейдера выполнены автоматизированный сбор и обработка экспериментальных значений силы сопротивления копанию грунта Р , скорости машины V, коэффициента буксования 8, тяговой мощности N [4]. Сбор данных выполнен с помощью бортового измерительного комплекса (БИК) на основе ЭВМ.
Методика обработки данных
Перед установкой измерительного комплекса на автогрейдер выполнена тарировка датчика усилия и настройка усилителя сигнала тензодатчика. На каждом шаге нагружения
на гидравлическом прессе известному значению нагрузки РТ ставится в соответствие значение напряжения иТ усиленного сигнала с тензодатчика [2]. В результате обработки измеренных зависимостей между иТ и РТ методом наименьших квадратов в МАТЬАВ получена линейная аппроксимирующая зависимость Р(и) (уравнение регрессии), необходимая для пересчета электрического напряжения (В) в усилие (Н):
Р = 6,2-104 -2,7-104 ит. (1)
Экспериментальные исследования выполнены при полевых испытаниях автогрейдера ДЗ-98. Для проведения эксперимента был выбран горизонтальный прямолинейный участок грунтовой дороги длиной 180 м, грунт II категории (супесь). Работа велась на первой передаче трансмиссии с включенным передним мостом. Выполнен рабочий проход -зарезание и перемещение грунта основным отвалом. Угол резания составлял 40°, угол захвата - 50°.
