CC BY
58
РЕГУЛИРУЕМАЯ ТЕРМООБРАБОТКА ДЛЯ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА
© Чертовских Е.О.* *, Габец Д.А.*,
Марков А.М.*, Габец А.В.*
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова,
г. Барнаул
ООО «Алтайский сталилетейный завод», г. Барнаул
Разработан метод управляемого охлаждения изделий, проходящих термообработку, для обеспечения формирования структурообразующих компонентов в виде феррита, перлита, нижнего и верхнего бейни-та. Представлена микроструктура стали 20ГФЛ после управляемого охлаждения. Представлена диаграмма изотермических превращений переохлажденного аустенита стали 20ГФЛ. Разработаны режимы управляемой термообработки. Приводится пример расчета степени деформации структурообразующих компонентов в стали после испытаний на ударную вязкость.
Ключевые слова регулируемая термообработка, аустенит, перлит, феррит, верхний бейнит, нижний бейнит, первичный феррит, ударная вязкость, 20ГФЛ.
Введение
Боковая рама и балка надрессорная являются несущими элементами тележки грузового вагона, работающие в условиях повышенных динамических нагрузок. Уровень безопасности движения и эксплуатационная надежность тележки обеспечивает межремонтный пробег (180 тыс. км), определяющий технико-экономические показатели. Статистика прошлых лет показывает, что 27 % всего изломавшегося литья не отработало и трёх лет, 22 % -двух, а 13 % - пяти лет. [1].
Применение регулируемой термообработки повышает эксплуатационную надежность, за счет формирования дополнительной структурообразующей составляющей в виде нижнего бейнита в феррито-перлитной структуре, повышающего хладноломкость в стали 20 ГФЛ. Сформированная дисперсная мелкозернистая феррито-перлитная-бейнитная структуры за счет низких скоростей охлаждения в воздушной среде 3 ^ 5 °С/сек, позволяет получать заданные механические свойства (ГОСТ 32400), а также повышенный показатель ударной вязкость KCV-60 не менее 20 Дж/см2. Так в соответствии с ранее проведёнными исследованиями по управляемому ох-
* Аспирант АлтГТУ, инженер-технолог ОГМет ООО «АСЛЗ».
* Аспирант АлтГТУ.
* Профессор АлтГТУ, доктор технических наук.
* Директор по развитию ООО «АСЛЗ», кандидат технических наук.
154
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ
лаждению воздушным потоком механических образцов ударной вязкости (весом 40 г) было установлено положительное влияние регулируемой термообработки на ударную вязкость при отрицательных температурах [2]. Полученные скорости превращения и температуры, отмечены критическими точками охлаждения Ar3, Ar1, которые с высокой степенью достоверности можно дублировать на железнодорожных отливках в заводских норма-лизационных печах. Путем охлаждения изделия в охлаждающей камере. Оценка структурообразующих процессов выполняется с помощью методики № АСЛЗ.00.0005-ОМ «Регулируемый изотермический отжиг термической обработкой» [3]. Актуальность данной работы заключается в обеспечение повторяемости режимов термической обработки лаборатории с производственными на требуемых деталях с различными типоразмерами.
Теория экспериментального исследования Причиной снижения показателя ударной вязкости при испытаниях в среде с отрицательной температурой является структура ячеистого перлита, снижающего балл феррито-перлитной составляющей и образуя не благоприятное распределение областей перлита, называемого еще сетчатым перлитом (рис. 1). Установлено, что нормализация не обеспечивает устранение ликвации [5, 6]. В результате детали рама боковая и балка надрессорная проходят термообработку при перегреве на 120 °С выше Ac3, с целью усреднить химическую неоднородность, что ведет к росту аустенитного зерна, в свою очередь приводящего к снижению усталостной прочности материала. Являясь одной из причин преждевременного выхода изделий из эксплуатации по хрупко-вязкому излому при отрицательных температурах. По существующей технологии: скорость нагрева 38 °С/мин до температуры 940 °С, время выдержки 2 часа, скорость охлаждения на воздухе 7 °С/мин, что составляет 90 мин для 400 кг отливки. Зачастую структура на части деталей партии феррито-перлитная с номером зерна не выше 7 (ГОСТ 5639) при требуемом 8 балле (ГОСТ 32400).
а) б)
Рис. 1. Микроструктура феррито-перлитная, мелкозернистая с выделением перлита в виде перлитной сетки: а - Х100, б - Х500 [4]
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК
155
V=6 °С/сек, KCV-60 = 12,5 Дж/см2
в) Т = 860 °С, t = 60 мин, V = 7 °С/сек, KCV-60 = 23,6 Дж/см2
б) Т = 940 °С, t = 30 мин, V=4,5 °С/сек, KCV-60 = 30,8 Дж/см2
г) Т = 860 °С, t = 60 мин, V = 3,5 °С/сек, KCV-60 = 38,5 Дж/см2
Рис. 2. Микроструктура стали 20 ГФЛ после управляемого охлаждения,
Х1000
Оптимальную структуру стали возможно получить путем применения метода регулируемого (управляемого) охлаждения воздушной средой. Так при снижении температуры нормализации до 860 °С, 60 мин, варьирование скоростями охлаждения от 7 до 3,5 °С/сек приводит к росту KCV-60 c 23,6 до 38,5 Дж/см2 (рис. 2 в, г) [2]. При более высокой температуре нормализации (940 °С) увеличение скорости охлаждения 7,5 °С/сек приводит к формированию верхнего бейнита с KCV-60 = 12,5 Дж/см2 (рис. 2а). При этом скорость охлаждения 3,5 °С/сек обеспечивает выделение доли нижнего бейнита, повышающего ударную вязкость KCV-60 = 30,8 Дж/см2 (рис. 2, б). Таким образом, повышение скорости охлаждения измельчает феррито-перлитную структуру, и одновременно ведет к выделению участков верхнего бейнита, снижающих ударную вязкость даже при измельчении феррито-перлитных областей [5].
156
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ
К особенностям формирования зернистого бейнита можно отнести его возможность зарождения на этапе распада аустенита на первичный феррит, где путем цепной реакции наблюдается его переход в область промежуточных превращений при непрерывном охлаждении [6].
При нагреве образцов в области а + Fe3C происходит выделение Fe3C, после отпуска 600 °С наблюдается, что пластинчатый Fe3C выделяется в сферический и растет за счет уменьшения межфазной поверхности и понижения свободной энергии. Процесс коагуляции происходит путем переноса диффузии через твердый раствор, мелкие частицы растворяются, а более крупные растут, причем матричный раствор обедняется избыточным компонентом, что целесообразно использовать в качестве дополнительного приема при изотермическом отжиге [7-14].
Для низкоуглеродистых сталей рекомендовано применять средний отпуск 600 °С с выдержкой не менее 1 часа, применение высокого отпуска 680 °С при таком же времени выдержки приводит к охрупчиванию стали, в результате формирования мартенсита отпуска [9].
Методика экспериментального исследования
В соответствии с диаграммой изотермического распада переохлажденного аустенита (рис. 3) наибольший интерес представляют области со скоростями охлаждения от V1 до V2, ориентировочно 3 ^ 5 °С/сек, что подтверждает целесообразность выполнять термообработку образцов по режимам с управляемым охлаждением (таблица № 1). При этом охлаждать отливки следует до температуры 400 °С, затем внутренние слои разогревают тело отливки до температуры отпуска, что позволяет обходится без дополнительной термообработки.
Рис. 3. Диаграмма изотермических превращений переохлажденного аустенита стали 20 ГФЛ
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК
157
Объектом исследования является деталь «Балка надрессорная» с химическим составом стали 20ГФЛ (табл. 1). Регистрация скорости охлаждения образцов выполняется на установке Y-10 (рис. 5).
Режимы управляемой термообработки
Таблица 1
№ режима T, oC T, мин.
Т1 T2 T3 tl t2 t3 t4 t5 t6
1 400 600 900 10 240 1,9 В В В
2 400 600 860 10 300 1,7 В В В
Примечание: В - охлаждение на спокойном воздухе; режимы термообработки определяются в соответствии с методикой АСЛЗ.00.003-ОМ «Управляемая термообработка низкоуглеродистой стали» на образцах ударной вязкости [16].
Основные элементы установки Y-10 (рис. 4): 1 - персональный компьютер Acer Aspire 5520; 2 - измеритель температуры ТРМ 200 «ОВЕН» и коммутатором АС-4 «ОВЕН»; 3 - термопара ТХА (К) с диапазоном измерения -50... + 1100 °С; 4 - анемометр Mastech MS6252M USB c диапазоном измерения скорости ветра 0,8-30 м/с, влажности RH 0^100 %, температуры окружающей среды -10. + 60 °С. На рис. 5 указано расположение образца в печи: 1 - нормализационная печь, 2 - образец, 3 - термопара, 4 - камера регулируемого охлаждения, 5 - радиаторная решетка, 6 - блок управления. Спай термопары (рис. 4, поз. 3) фиксируется в отверстии образца 0 5 мм, глубиной не менее 10 мм (рис. 5, поз. 2).
Рис. 4. Установка Y-10
158
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ
Регулировка скорости потока воздуха производится с управляющего блока регулятором (рис. 5, поз. 6) в зависимости от заданной скорости охлаждения. Затем образец извлекается из печи и устанавливается на радиаторную решетку поз. 5, охладительной камеры поз. 4 (рис. 5), охлаждаясь до заданной температуры Т1 на рисунке 6. После отключения вентилятора охлаждающей камеры изделие благодаря высокой массе аккумулирует теплоту внутренних слоев за счет чего обеспечивается протекание произвольного самоотпуска.
Рис. 5. Схема загрузки образцов в печь
Таблица 2
Химический состав стали 20ГФЛ (ГОСТ 32400)
Массовая доля содержания элементов, % вес.
С Si Mn P S Cr Ni Cu к Al
0,17-0,25 0,3-0,5 0,9-1,4 О o' VI IA О о 4^ < 0,3 < 0,3 < 0,6 0,09-0,13 0,04-0,06
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК
159
Результаты и обсуждения
После испытаний на ударную вязкость рекомендуется рассчитывать степень деформации ферритно-перлитных областей fj,, fH на участке развития роста трещины и ее долома. По 3-м отрезкам, проведенным перпендикулярно к траектории движения трещины по 5 полям зрения оценивается среднее значение степени деформации:
f, = d ~ f х 100% и fn = d" ~ df" х 100%, (1)
ф аф п dп (1)
где dfj,, dfn - расстояние деформированной ферритной и перлитной области;
dф, dn - угловой диаметр перлитной ферритной и перлитной области после термообработки.
Огносительное распределение деформированных долей феррито-перлитных областей Of, ПТ рассчитывается по формуле:
Of =
Z Nf
Z (ЫфТ + Nnf)
(100%; ПТ =
Z Nnfj
Z + Nnf)
; 100%,
(2)
где X^f - общее число деформированных областей феррита;
XNnf - общее число деформированных областей перлита;
X ^ф£ + Nnfj) - общее число деформированных феррито-перлитных областей.
Расчет среднего углового диаметра деформированной феррито-перлитной области dсрТ рассчитывается по формуле:
d,.f
Z Lf
Ef ’
(3)
где XLfj - общая длина хорд деформированной зоны, мкм;
XNfф+п - общее количество феррито-перлитных областей деформированной зоны.
Доли феррита и перлита имеют различное распределение, где расстояние деформированной области феррита dfф и перлита dfH вычисляется по формулам, мкм:
df = _^еЕ_ ф Of
,, ^
и df = - р
1,5 -
100
1,5 -
ПТ’
100
(4)
Выводы
1. При снижении температуры термообработки с 940 °С до 860 °С со временем выдержки в печи 60 мин и последующим охлаждением
160
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ
со скоростью 3,5 °С/сек, отпуск 600 °С, 30 мин, отмечено повышение ударной вязкости с 16,7 до 38,5 Дж/см2, что является следствием переноса - метастабильного состояния в интервал более низких температур. При этом наблюдается измельчение зерен с 9 до 10 балла по ГОСТ 5639, увеличение степени деформации феррито-перлитных составляющих в 2 раза, выделение нижнего бейнита до 3 % и снижение доли феррита с 61 до 53 %.
2. Увеличение скорости охлаждения до 4 ^ 4,5 °С/сек после термообработки по режимам 860 °С и 940 °С, снижение времени выдержки с 60 мин до 30 мин, обеспечивает значение ударной вязкости KCV-60 не менее 28,2 Дж/см2.
3. Увеличение времени выдержки до 60 мин, при температуре 940 °С с охлаждением 6 °С/сек (скорость потока воздуха 8 м/с) охрупчивет сталь и приводит к недопустимо низким значениям ударной вязкости 11,1 Дж/см2.
4. Скорость охлаждения 5,5 °С/сек (скорость потока воздуха 8 м/с) при термообработке по режиму 860 °С, 30 мин, с последующим отпуском 600 °С, 30 мин, повышает ударную вязкость до 35,8 Дж/см2 в результате выделения нижнего бейнита сформировавшегося в области температур 306-554 °С, и имеющий скорость фронта превращения 50 мкм/сек.
5. При термообработке 940 °С, изменение времени выдержки с 30 до 60 мин, скорость охлаждения 6 °С/сек (скорость потока воздуха 8 м/с), отмечено снижение ударной вязкости до 11,1 Дж/см2 из-за выделения доли
Список литературы:
1. Сергеенко О.А. Конструктивно. Изломов боковых рам пока не избежать [Электронный ресурс] / О.А. Сергеенко // Гудок. - Режим доступа: http://www.tdrzd.ru/press_centre/about_us?rid=750&oo=n&fnid=68&newWin= 0&apage=1&nm=91246 (дата обращения: 14.03.2015).
2. Чертовских Е.О. Структурные особенности литых деталей / Е.О. Чертовских, Г.А. Околович, А.В. Габец // Ползуновский вестник. - 2015. - № 1. -С. 35.
3. Габец А.В. Регулируемый изотермический отжиг термической обработкой / А.В. Габец, Е.О. Чертовских // Методика № АСЛЗ.00.0005-ОМ. -Барнаул, 2015. - 14 с.
4. ГОСТ 32400-2013 Рама боковая и балка надрессорная тележек железнодорожных грузовых вагонов. Технические условия.
5. Ковалев А.И. Исследование химического состава, механических свойств и металлографических характеристик образцов детали «Рама боковая» черт. 100.00.002-4 из стали 20ГЛ / А.И. Ковалев, Д.Л. Вайнштейн, А.Ю. Раш-ковский / Металлтест, ФГУП ЦНИИЧермет им. Бардина. - М., 2011. - 32 с.
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК
161
6. Чертовских Е.О. Изотермические превращения переохлажденного аустенита стали 20ГФЛ / Е.О.Чертовских, Г.А. Околович, А.В. Габец, Б.В. Борщ // Железнодорожный транспорт на современном этапе развития: сб. тр. молодых ученых ОАО ВНИИЖТ. - М.: Интекст, 2013. - С. 259.
7. Свищенко В.В. Образование мезоферрита и зернистогобейнита в низкоуглеродистой низколегированной стали / В.В. Свищенко, Д.П. Чепрасов,
0. В. Антонюк // МиТОМ. - 2004. - № 8. - С. 7-11.
8. Ahaneku I.E., Kamal A.R., Ogunjirin O.A. Effects of Heat Treatment jn the Properties of Mild Steel Using Different Quenchants [Электронный ресурс] /
1. E. Ahaneku, A.R. Kamal, O.A Ogunjirin // Frontiers in Science. - 2012. -№ 2 (6). - P. 153-158. - Режим доступа: http://journal.sapub.org.
9. Adetunji O.R., Kuye S.I., Alao M.J., Eng B.M. Microstructures of mild steel spring after heat treatment [Электронный ресурс] / O.R. Adetunji, S.I. Kuye, M.J. Alao, B.M. Eng // The pacific journal of science and technology. - 2013. -№ 2. - P. 11-13. - Режим доступа: http://www.akamaluniversity.us/PJST.htm.
10. Лахтин Ю.М. Материаловедение: учебник для вузов / Ю.М. Лахтин,
B. П. Леонтьева. - М.: Альянс, 2011. - 448 с.
11. Кун Д. Влияние температуры аустенитизации на образование твердого бейнита / Д. Кун, Ц. Лю, Л. Юань/ Д. Кун, Ц. Лю, Л. Юань // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2014. - № 8. - С. 44-48.
12. Коновалов А.В. Расчетное определение температурных зависимостей теплофизических свойств структурных составляющих низколегированной стали по ее химическому составу / А.В. Коновалов, А.С. Куркин // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2013. - Т. 79, № 9. -
C. 41-45.
13. Чертовских Е.О. Исследование влияния кальциевого модификатора при изготовлении детали «Рама боковая» / Г.А. Околович, А.В. Габец, Е.О. Чертовских // Обработка металлов. - 2013. - № 4. - С. 50-53.
14. Кутьин А.Б. Структура, свойства и разрушение конструкционных сталей / А.Б. Кутьин, В.В. Забильский. - Екатеринбург: УрО РАН, 2006. -369 с.
15. Попелюх П.А. Повышение надежности деталей машин с помощью изотермической закалки / П.А. Попелюх, А.И. Попелюх // Обработка металлов, 2012. - № 4 (57). - С. 79-82.
16. Габец А.В. Управляемая термообработка низкоуглеродистой стали / А.В. Габец, Е.О. Чертовских // Методика АСЛЗ.00.003-ОМ. - Барнаул, 2014. -13 с.
