Расчет прокаливаемости долотных сталей 14хн3ма, 15Н3МА и 19ХГНМА производства ОАО МЗ «Ижсталь» Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 622.23

РАСЧЕТ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ ДОЛОТНЫХ СТАЛЕЙ 14ХН3МА, 15Н3МА И 19ХГНМА ПРОИЗВОДСТВА ОАО МЗ «ИЖСТАЛЬ»

Т.М. Пугачева, Ю.В. Боровикова, Д.А. Михеев

Самарский государственный технический университет 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244 Е-mail: esperanza@yandex.ru

Для долотной стали марок 14ХН3МА, 15Н3МА и 19ХГНМА производства ОАО МЗ «Ижсталь» проведен сравнительный анализ твердости после торцевой закалки на глубине 6,5 и 30 мм от поверхности стандартного образца с твердостью, рассчитанной по химическому составу в соответствии с ASTM А 255. Показана некорректность использования расчетных формул (по ASTM А 255) для этих сталей. Регрессионным анализом получены расчетные уравнения «твердость - элементы марочного состава», которые с достаточно высокой точностью предсказывают значения твердости на глубине 6,5 и 30 мм от поверхности стандартного образца и могут быть применены для анализа прокаливаемости этих сталей при входном контроле качества проката взамен используемого ныне метода торцевой закалки.

Ключевые слова: прокаливаемость, долотные стали, химический состав, торцевая закалка, корреляционно-регрессионные уравнения.

Существующие методы определения прокаливаемости стали можно разделить на две группы: экспериментальные (объемной и торцевой закалки образцов; электромагнитный метод и т. д.) и расчетные (по диаграммам превращения аустенита, по химическому составу).

В отечественной промышленности наибольшее распространение имеет метод торцевой закалки образцов в соответствии с ГОСТ 5657-69. Именно этот метод используется и на заводе ОАО «Волгабурмаш» при входном контроле прокаливаемости проката из сталей марок 14ХН3МА, 15Н3МА, 19ХГНМА, предназначенного для изготовления лап и шарошек буровых долот [1].

В то же время на американских долотных заводах прокаливаемость оценивают расчетным методом по химическому составу стали. Американский стандарт ASTM A 255 регламентирует процедуру подсчета идеального критического диаметра ^^ по реальному содержанию элементов в плавке. Зная DI, по соответствующим таблицам можно рассчитать твердость на любом расстоянии от закаленного торца стандартного образца, не осуществляя торцевую закалку.

Каждому из методов присущи свои достоинства и недостатки. Основным достоинством метода торцевой закалки является определение прокаливаемости стали с учетом реального химического состава и структурного состояния металла, полученного предшествующим переделом. Недостатками являются трудоемкость осуществления метода, необходимость специального оборудования (высокотемпературной печи, отрезного и шлифовального станка, установки для закалки образцов и твердомера), а также заметный разброс прокаливаемости при использовании заготовок для

Татьяна Михайловна Пугачева (к.т.н., доцент), доцент кафедры «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы».

Юлия Владимировна Боровикова, аспирант. Дмитрий Алексеевич Михеев, магистрант.

образцов из разных прутков одной плавки и даже из разных мест одного прутка, что связанно с неоднородностью слитка и соответственно проката.

Достоинствами расчетного метода являются простота и экономическая эффективность. Недостатки - разброс значений из-за погрешностей определения химического состава, а также полное игнорирование особенностей структурного состояния, которое, как известно, может существенно влиять на прокаливаемость.

Целью работы было оценить возможность применения расчетного метода определения прокаливаемости по ASTM А 255 и при необходимости составить более точные уравнения регрессии для сталей марок 14ХН3МА, 15Н3МА, 19ХГНМА. Соответственно в работе были решены следующие задачи:

1) проведен сравнительный анализ прокаливаемости, рассчитанной по ASTM А 255 и определенной экспериментальным методом торцевой закалки;

2) проведен регрессионный анализ зависимости «химический состав плавки -твердость на нормируемой глубине» (6,5 и 30 мм);

3) дана оценка возможности использования при входном контроле качества проката полученных уравнений для прогнозного определения прокаливаемости сталей по фактическому химическому составу конкретной плавки взамен определения про-каливаемости на образцах методом торцевой закалки.

Сравнительный анализ прокаливаемости, рассчитанной по ASTM A 255

и определенной методом торцевой закалки

Для анализа были взяты данные ЦЗЛ ОАО «Волгабурмаш» по прокаливаемости и химическому составу для 140 плавок стали 14ХН3МА, 150 плавок стали 15Н3МА и 250 плавок стали 19ХГНМА производства ОАО МЗ «Ижсталь». Размер зерна во всех плавках соответствовал 6-7-му номеру по ГОСТ 5639.

Химический состав плавок определяли с помощью поверхностного локального анализатора Leco 2000.

Для определения прокаливаемости использовали метод торцевой закалки по ГОСТ 5657-69. Для определения прокаливаемости расчетным методом в соответствии с ASTM А 255 определяли критический диаметр. Зная критический диаметр и содержание углерода в стали, по соответствующим таблицам определяли твердость на глубине 6,5 и 30 мм.

Статистическую обработку данных проводили с помощью программы MS Ехсе1 пакетом «Описательная статистика».

Исследование показало [2], что для сталей 14ХН3МА и 15Н3МА экспериментальные значения твердости практически всегда выше расчетных, причем различия могут достигать 15-19 HRC. Причина может быть связана с тем, что в стали содержится примерно 3 % №, а расчет по ASTM А 255 применим для сталей с содержанием № до 1,0 %. Для стали 19ХГНМА усредненные экспериментальные значения твердости, дисперсия, размах подавляющего большинства плавок близки к расчетным. Так, на глубине 6,5 мм 68 % плавок, а на глубине 30 мм 83 % плавок имеют разницу расчетных и экспериментальных значений в пределах от -3 HRC до 3 HRC. Вместе с тем у ряда плавок разница значений достигает от 6 HRC до 10 HRC. Вероятно, это обусловлено существенными различиями структурного состояния проката отечественных и зарубежных сталей.

Соответственно рекомендуемая в АБТМ А 255 методика расчета прокаливаемости по химическому составу неприемлема для плавок сталей марок 14ХН3МА, 15Н3МА, 19ХГНМА производства ОАО МЗ «Ижсталь».

Расчет коэффициентов уравнений регрессии «химический состав плавки -

твердость на нормируемой глубине» (6,5 и 30 мм)

По тем же данным входного контроля ЦЗЛ ОАО «Волгабурмаш» были рассчитаны коэффициенты уравнений регрессии «химический состав плавки - твердость на нормируемой глубине». Для расчетов использовали пакет «Регрессия» программы Ехсе1.

Средние и предельные значения количества элементов марочного состава изученных марок стали приведены в табл. 1.

Результаты статистической обработки значений твердости на нормируемых расстояниях приведены в табл. 2.

Коэффициенты уравнений регрессий представлены в табл. 3.

С использованием полученных коэффициентов были построены уравнения регрессии и проведены расчеты значений твердости на глубине 6,5 и 30 мм. Статистический анализ этих данных приведен в табл. 4.

Таблица 1

Содержание компонентов в анализируемых плавках сталей марок 14ХН3МА, 15Н3МА и 19ХГНМА

Марка стали Содержание компонента Количество компонента, %

С Si Мп Сг № Мо Си S Р

14ХН3МА Среднее 0,14 0,27 0,64 1,36 3,17 0,12 0,18 0,006 0,008

Максимальное 0,17 0,35 0,78 1,6 3,48 0,15 0,25 0,02 0,02

Минимальное 0,10 0,19 0,46 1,03 2,97 0,09 0,10 0,002 0,001

15Н3МА Среднее 0,15 0,24 0,50 0,15 3,42 0,23 0,18 0,006 0,006

Максимальное 0,17 0,31 0,67 0,30 3,90 0,27 0,24 0,07 0,014

Минимальное 0,10 0,15 0,38 0,04 3,06 0,18 0,09 0,001 0,01

19ХГНМА Среднее 0,19 0,27 0,80 0,56 0,53 0,24 0,17 0,006 0,011

Максимальное 0,23 0,35 0,92 0,78 0,65 0,30 0,25 0,10 0,16

Минимальное 0,17 0,19 0,70 0,42 0,37 0,14 0,008 0,002 0,004

Таблица 2

Результаты статистической обработки значений твердости (И^С), определенных методом торцевой закалки

Марка стали 14ХН3МА 15Н3МА 19ХГНМА

Расстояние от закаленного торца, мм 6,5 30 6,5 30 6,5 30

Среднее 40,6 35,9 34,5 17,5 35,3 18,8

Стандартное отклонение 0,8 2,6 2,5 1,7 2,2 1,9

Дисперсия выборки 0,7 6,7 6,3 3,0 4,8 3,6

Эксцесс 0,6 0,7 0,6 0,02 0,1 0,7

Интервал 3,5 10 10 7,5 8 9

Минимум 39,0 29 30 15,5 32 15

Максимум 42,5 39 40 23 40 24

Таблица 3

Результаты регрессионного анализа «химический состав плавки - твердость

на нормируемой глубине»

Элемент марочного состава Марка стали

14ХН3МА 15Н3МА 19ХГНМА

Значения коэффициента уравнения регрессии для твердости н на глубине, мм

6,5 30 6,5 30 6,5 30

+36,3 % +1,1 % +10,2 % +8,5 % +4,7 % +8,4 %

С +33,8 % +78,7 % +72,6 % +46,8 % +57,0 % +39,4 %

Si +4,9 % +10,8 % +13,1 % +14,7 % -6,0 % -10,1 %

Мп +2,0 % +22,7 % +8,6 % +5,6 % +9,4 % +10,5 %

Сг -0,4 % +1,1 % +17,7 % +13,16 % +8,4 % +6,7 %

№ -0,5 % +1,6 % +0,3 % -3,0 % +4,3 % +1,3 %

Мо -0,8 % +2,5 % -0,4 % +11,0 % +21,1 % +29,7 %

Си -2,5 % -4,2 % +10,8 % +8,1 % +6,5 % +8,2 %

S +0,6 % +24,2 % +65,9 % +40,4 % -22,7 % -10,7 %

Р -18,7 % +34,6 % +93,6 % -16,8 % -5,4 % -29,3 %

Таблица 4

Результаты статистической обработки значений твердости (И^С), определенных с помощью уравнений регрессии

Марка стали 14ХН3МА 15Н3МА 19ХГНМА

Расстояние от закаленного торца, мм 6,5 30 6,5 30 6,5 30

Среднее 41 35 35 17 35 19

Стандартное отклонение 0,1 0,2 1,5 1,0 1,2 1,0

Дисперсия выборки 0,3 4,0 2,3 1,0 1,5 1,1

Интервал 3 8 8 5 5 5

Минимум 39 31 31 18 33 16

Максимум 42 39 39 23 38 21

Из табл. 4 видно, что распределение значений твердости для всех сталей близко к нормальному и что максимальные и минимальные значения твердости на всех глубинах не выходят за рамки действующих на ОАО «Волгабурмаш» ТУ 14-550-51-04 интервалов (табл. 5).

Сравнение с экспериментально полученными данными по методу торцевой закалки (см. табл. 2) показало, что практически все одноименные характеристики имеют близкие значения, при этом интервалы предельных значений твердости, рассчи-

танных по уравнениям регрессии, немного меньше (на 2-3 HRC), чем полученные методом торцевой закалки.

Таблица 5

Прокаливаемость сталей по ТУ 14-550-51-04

Марка стали Твердость НЯС на расстоянии от торца, мм

6,5 30

14ХН3МА 39-45 29-39

15Н3МА 30-40 23

19ХГНМА 33-42 24

Для анализа отклонений расчетной твердости от экспериментальных данных были построены гистограммы (рис. 1 - 3). Их анализ показал следующее.

Для всех марок сталей разница расчетных и экспериментальных значений колеблется как в положительную, так и в отрицательную сторону.

35 30

х

2 25

1»

| 15

§ 10 ае

5

31

30

О

16

Л.

-2,0 -1,7 -1,3 -1,0 -0,6 -0,3 0,1 0,5 0,8 1,2 1,5 1,7 Разница экспериментальных и расчетных значений твердости,

а

-3,0 -2,4 -1,9 -1,4 -0,8 -0,3 0,2 0,7 1,3 1,8 2,3 2,4 Разница экспериментальных и расчетных значений твердости, НШС

б

Р и с. 1. Гистограммы распределения разницы экспериментальных и расчетных значений твердости, полученных с помощью уравнений регрессии для стали 14ХН3МА: а - на расстоянии 6,5 мм; б - на расстоянии 30 мм

24

25

21 21

-3,5 -2,8 -2,2 -1,6 -1,0 -0,4 0,2 0,8 1,5 2,1 2,7 3,3 Разница экспрериментальных и расчетных значений твердости, Н11С

30 25

х О а

| 20

о

Ё 15

и О

I"

ж

5 О

27

10

-3,8 -3,2 -2,6 -2,0 -1,4 -0,8 -0,1 0,5 1,1 1,7 2,3 2,9 Разница экспериментальных и расчетных значений твердости, Н11С

б

а

Р и с. 2. Гистограммы распределения разницы экспериментальных и расчетных значений твердости, полученных с помощью уравнений регрессии для стали 15Н3МА: а - на расстоянии 6,5 мм; б - на расстоянии 30 мм

Для марки стали 14ХН3МА расчет по уравнениям регрессии показал довольно хорошие результаты. Экспериментальные значения близки к расчетным: на глубине 6,5 мм разница экспериментальных значений не превышает ±2,0 HRC, а на глубине 30 мм 94 % всех плавок имеют разницу расчетных и экспериментальных значений не более ±2,0 HRC (рис. 1а, 1б).

Для марки стали 15Н3МА разница расчетных и экспериментальных значений также невелика и составляет не более ±2,3 HRC для 88 % плавок на глубине 6,5 мм и для 93 % плавок на глубине 30 мм (рис. 2а, 2б).

Для марки стали 19ХГНМА разница расчетных и экспериментальных значений не превышает ±2,3 HRC для 92 % плавок на глубине 6,5 мм и для 90 % плавок на глубине 30 мм (рис. 3а, 3б).

16

и

13

18

15

-3,6 -3,0 -2,3 -1,6 -1,0 -0,3 0,3 1,0 1,6 2,3 2,9 3,6 Разница экспериментальных и расчетных значений твердости, НР!С

40 35 | 30

а

§ 25

0

ё 20

01

115 | ю

5 О

11

м

20 20

-2,9 -2,3 -1,8 -1,3 -0,8 -0,3 0,2 0,8 1,3 1,8 2,3 2,8 Разница экспериментальных и расчетных значений твердости ,НГ*С

а

б

Р и с. 3. Гистограммы распределения разницы экспериментальных и расчетных значений твердости, полученных с помощью уравнений регрессии для стали 19ХГНМА: а - на расстоянии 6,5 мм; б - на расстоянии 30 мм

Таблица 6

Результаты статистической обработки значений новых плавок, не использованных в расчетах

Марка стали 14ХН3МА 15Н3МА 19ХГНМА

Количество плавок 30 15 20

Расстояние от закаленного торца, мм 6,5 30 6,5 30 6,5 30

Минимальное и максимальное значения твердости (НЯС), определенные методом торцевой закалки 39-42,5 34-39 32-36 17-19 33-37 19-22

Минимальное и максимальное значение твердости (НЯС), определенные с помощью уравнений регрессии 40-42 34-39 33-36 17-19 34-37 18-20

Разница экспериментальных и расчетных значений твердости (НЯС) -1,0-0,7 -1,2-1,4 -1,3-1,5 -2,0-1,2 -1,7-1,2 -0,8-2,7

Из вышесказанного следует, что построенные уравнения регрессии «химический состав плавки - твердость на нормируемой глубине» дают хорошие результаты и их можно использовать для предсказаний твердости долотной стали.

Для проверки применимости полученных расчетных уравнений были рассчитаны значения твердости для 65 новых плавок (табл. 6), которые не учитывались в проведенных расчетах. Затем было проведено сравнение расчетных величин с данными торцевой закалки, которую проводили при входном контроле прокаливаемо-сти проката из сталей марок 14ХН3МА, 15Н3МА и 19ХГНМА производства ОАО МЗ «Ижсталь» в ЦЗЛ ОАО «Волгабурмаш» в 2011 г. Полученные данные представлены в табл. 6.

Из таблицы видно, что расчетные значения твердости для всех марок сталей и на всех глубинах соответствуют допускам ТУ 14-550-51-04 (см. табл. 5) и дают довольно хорошие результаты: разница предсказанных и реальных значений твердости практически для всех плавок находится в пределах допустимого разброса.

Выводы

1. Регламентированный в американских требованиях к долотным сталям расчетный метод определения прокаливаемости по ASTM А 255 по реальному химическому составу плавки для отечественных долотных сталей марок 14ХН3МА, 15Н3МА и 19ХГНМА производства ОАО МЗ «Ижсталь» дает недопустимо большой разброс результатов и не может быть применен в производстве для прогнозного определения твердости.

2. Для прогнозного определения твердости на расстоянии 6,5 и 30 мм по фактическому химическому составу конкретной плавки сталей марок 14ХН3МА, 15Н3МА и 19ХГНМА производства ОАО МЗ «Ижсталь» (химический состав которых не выходит за границы значений, приведенных в табл. 1) с высокой степенью точности можно использовать полученные в настоящей работе уравнения регрессии.

3. При входном контроле прокаливаемости проката сталей марок 14ХН3МА, 15Н3МА и 19ХГНМА производства ОАО МЗ «Ижсталь» (химический состав которых не выходит за границы значений, приведенных в табл. 1) вместо определения прокаливаемости на образцах методом торцевой закалки можно рекомендовать менее трудоемкий расчетный метод с использованием полученных уравнений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Амосов А.П., Ищук А.Г., Пугачева Т.М. Долотная сталь. - М.: Машиностроение, 2008. - 291 с.

2. Пугачева Т.М., Боровикова Ю.В. Анализ применимости расчетного определения прокаливаемости по АБТМ А 255 для долотной стали отечественного производства // Высокие технологии в машиностроении: Мат-лы Всеросс. науч.-техн. интернет-конф. с междунар. участием. - Самара, СамГТУ, 2011. - С. 152-155.

Статья поступила в редакцию 17 апреля 2013 г.

HARDENABILITY CACLULATION FOR 14XH3MA, 15H3MA, 19XrMA BIT STEELS PRODUCED BY OJSC «IZHESTAL»

T.M. Pugacheva, Y. V. Borovikova, D.A. Miheev

Samara State Technical University

244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

This paper contains comparative analysis of hardenability of end quenching test and values calculated by chemical composition in accordance with ASTM A 255. Hardenability estimates by hardness on 6.5 mm and 30 mm depth from standard sample surface. Analytic formulas (ASTM A 255) are shown to be not applicable for these steels. Analytic equations «Hardness -Chemical composition» which predict hardness on 6.5 and 30 mm depth from standard sample surface with quite high accuracy were determined by regression analysis. These equations can be used for hardenability analysis of these steels if the input control of rolled metal quality instead of currently used hard gradient quenching method.

Keywords: hardness penetration, bit steels, chemical composition, gradient quenching, correlation-regressive equations.

Taiana M. Pugacheva (Ph.D. (Techn.)), Associate Professor. Yulia V. Borovikova, Postgraduate student. Dmitry A. Miheev, Student.