Національна металургійна академія України
(науковий напрям: Матеріалознавство, гірництво та металургія)
Улучшение структуры и Повышение свойств литых феррито-перлитных сталей для транспортного машиностроения
Ключевые слова: литые сталИ, азот, карбонитридное упрочнение, придел текучисти, балл зерна
ВВЕДЕНИЕ. Основной задачей в области грузового вагоностроения сегодня является повышение пробега вагонов до первого планового ремонта с 100-120 до 500 тыс. км. При этом гарантированный срок службы литых элементов тележек и вагона в целом должен составлять не менее 16 лет до планового ремонта при полном ресурсе – до 32 лет [1].
Эффективным направлением обеспечения этих требований, кроме новых конструктивных решений, является повышение в 1,2-1,3 раза прочностных характеристик металла литых элементов вагона и в первую очередь величины предела текучести до ³380МПа при сохранении остальных механических свойств не ниже нормативных величин по действующим стандартам. Наиболее простым решением этой задачи является увеличение степени легирования стали элементами, образующими с железом растворы замещения – кремнием, марганцем, хромом и никелем. Применение последнего связано с существенным удорожанием стали и необходимостью импортных закупок. Повышение же концентрации только кремния и марганца, сплавы которых относительно недороги и широко доступны в Украине, без дополнительных мер ограничено из-за снижения пластичности и особенно ударной вязкости стали, а также ухудшения свариваемости. Как правило, содержание кремния в этих сталях не должно превышать 0,4-0,6% при его соотношении с марганцем не более 1:2 [2]. Сегодня для измельчения зерна и подавления его роста при нагревах, в том числе при сварке, применяют модифицирование стали путем ее микролегирования азотом и элементами, обладающими повышенным к нему сродством. В подавляющем большинстве случаев это ванадий [3], реже ниобий [4]. Недостатком такого решения, кроме очень высокой стоимости микролегирующих элементов, является относительно низкая термодинамическая прочность нитридов этих элементов, диссоциация которых происходит при нагреве под термическую обработку и в околошовной зоне при сварке, что снижает эффект измельчения зерна.
Работами НМетАУ и ИЧМ НАНУ применительно к производству проката широкого размерного сортамента показана эффективность замены в сталях модифицированных карбонитридами дорогостоящих ванадия и тем более ниобия относительно дешевыми и менее дефицитными нитридообразующими элементами – титаном и алюминием [5]. При этом установлена возможность достижения требуемых свойств горячекатаного проката при легировании стали с карбонитридным упрочнением только кремнием и марганцем, без использования хрома и никеля.
|
Адаптация этих принципов микролегирования применительно к литью для вагоностроения позволяет оценить возможности обеспечения требований к литым элементам грузовых вагонов нового поколения.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. В настоящее время для литых деталей тележек двухосных грузовых вагонов колеи 1520 мм (рама боковая и балка надрессорная) по ОСТ 32.183–2001 используются сталь 20ГЛ и ее модификации 20ГФЛ, 20ГТЛ и 20ХГНФТЛ. Для получения максимальной прочности литых деталей тележек грузовых вагонов сталь 20ГЛ легируют хромом и никелем, которые увеличивают твердорастворное упрочнение феррита, а также ванадием и титаном, карбиды которых приводят к дисперсионному упрочнению. При этом регламентируемая величина предела текучести литой стали 20ХГНФТЛ (sт³373МПа) все же остается несколько ниже, установленной в новых рекомендациях [1]. Кроме этого ее применение ограничено очень жестокими требованиями по содержанию фосфора и серы (≤ 0,020% каждого), что определяет необходимость удлинения как окислительного, так и восстановительного периодов плавки, практически полного удаления фосфористого шлака перед рафинированием, увеличения расхода раскислителей, извести и флюсов и ряда других технологических мероприятий.
В работе [6] рассмотрена возможность повышения свойств литого металла путем легирования азотом в сочетании с титаном или алюминием. Однако выбранный уровень концентраций этих элементов (до 0,025%; 0,15; ³0,1 соответственно) вызывает существенное снижение пластичности металла и склонность стали к трещинообразованию в процессе изготовления и эксплуатации литья. Поэтому нами выполнены исследования, направленные на оптимизацию состава литой стали 20ГЛ, комплексно модифицированной нитридами титана и алюминия.
Опытные плавки проводили в индукционной печи ИСТ-0,06 с кислой футеровкой. С целью приближения к условиям промышленного производства в качестве шихты использовали материалы, применяемые при выплавке стали 20ГЛ в дуговых печах (отходы стали 20ГЛ дуговой выплавки; ферросилиций ФС65; ферросиликомарганец МнС17; ферротитан ФТи35; алюмокальцевая проволока).
Для введения в сталь требуемых содержаний азота использовали азотсодержащую лигатуру (АЛК), изготовленную на базе стандартного ферромарганца ФМн78 [7]. Количество присаживаемой азотсодержащей лигатуры варьировали в пределах от 0,83 до 7,5 кг/т (0,05-0,45 кг/плавку). Содержание титана, который совместно с азотом является одной из основных упрочняющих добавок, во всех опытных плавках, по сравнению со стандартной сталью 20ГЛ, было повышено и большинстве случаев изменялось в пределах 0,008-0,025%. В ряде плавок в исследовательских целях верхний предел был увеличен до 0,07-0,11%, принятый в работе [6]. Отметим, что действующей нормативно-технической документацией при выплавке стали 20ГЛ для транспортного машиностроения допускается
|
присадка раскислителей и модификаторов без ограничения их вида и остаточных содержаний. Концентрацию остальных легирующих элементов, углерода и примесей поддерживали в пределах требований стандартов на сталь 20ГЛ. Только в двух плавках для получения статистических зависимостей несколько повысили содержание кремния до 0,72%.
Для получения сопоставимых результатов, кроме опытной была выплавлена и испытана плавка стандартной стали 20ГЛ, без присадки азотсодержащей лигатуры и ферротитана.
Завалку, которая полностью состояла из отходов стали 20ГЛ, осуществляли в несколько приемов по мере проплавления и оседания загруженной шихты.
После полного расплавления завалки и выдержки для прогрева расплава отбирали пробу для анализа металла и последовательно присаживали в печь требуемые количества ферросиликомарганца и ферросилиция. После небольшой выдержки для полного усвоения легирующих осуществляли замер температуры термопарой погружения. Температуру выпуска, которая составляла ~1650оС, регулировали путем выдержки металла при включенной печи из расчета скорости его нагрева ~10 оС/мин. Выпуск плавки осуществляли в предварительно прогретый ковш с кислой футеровкой.
С целью улучшения усвоения титана и азота конечное раскисление металла осуществляли в два приема. Непосредственно перед выпуском на дно ковша давали половину требуемого количества алюмокальциевой проволоки. Затем после заполнения ~1/3 ковша под струю присаживали остальной алюминий, ферротитан и азотсодержащую лигатуру. Разливку металла осуществляли в 3 стандартных пробных бруска (ГОСТ 977-88), которые подвергали термической обработке: нормализация при 920-950оС или закалке с последующим высоким отпуском. Результаты выполненных исследований обобщены в таблице.
Учитывая, что при термической обработке в проходных промышленных печах на структуру и свойства металла в значительной, а иногда и в большей степени влияют не химический и фазовый состав стали, а условия нагрева и охлаждения большой массы изделий, с целью более обоснованных выводов о роли карбонитридного упрочнения, нормализацию образцов всех опытных плавок и закалку части из них осуществляли параллельно в цеховых и лабораторных условиях.
Из рис.1 и таблицы видно, что, независимо от расхода азотсодержащей лигатуры и химического состава стали по базовым элементам и модификаторам, во всех плавках относительно быстрое охлаждение заготовок обеспечивает более мелкое зерно и, соответственно, увеличение уровня предела текучести. При одинаковом же размере зерна модифицированная нитридами титана и алюминия сталь 20ГЛ существенно превосходит обычную и практически обладает требуемым уровнем
sт ³380МПа даже после термической обработки в промышленных условиях. Этот вывод подтверждается результатами обработки данных серийных и
|
Химический состав и результаты испытаний серийной стали 20ГЛ модифицированной нитридами титана и алюминия
Серия | Кол-во | Расход АЛК, кг/т | Хим. состав, % мас. | Мех. свойства | Мех. свойства | |||||||||
C | Si | Mn | Ti∙104 | Al∙104 | sт, | sв, | KCU-60, | Балл зерна | sт, | sв, | KCU-60, | |||
I | 1 | 0,83 | 0,19 | 0,53 | 1,33 | 46 | 72 | 410 380 | 610 580 | 55-63 31-37 | 9,10 8,9 | 560 460 | 740 650 | 44-53 53-55 |
II | 11 | 1,25 | 0,17-0,22 | 0,33-0,78 | 1,18-1,50 | 8-24 | 19-52 | 405-460 360-440 | 580-660 560-640 | 27-67 25-63 | 8,9,10 8,9,(7)2) | 520-580 440-530 | 680-690 620-700 | 40-65 31-56 |
III | 1 | 2,5 | 0,20 | 0,42 | 1,35 | 60 | 60 | 410 370 | 610 610 | 37-50 36-41 | 9,10 8 | 650 520 | 750 730 | 37-37 22-28 |
IV | 5 | 5,0 | 0,21-0,24 | 0,35-0,45 | 1,30-1,44 | 22-31 | 21-60 | 415-470 390-440 | 610-660 590-630 | 19-51 25-50 | 10,9 9,8,(7) | 495-540 480-510 | 660-690 600-660 | 45-59 27-55 |
V | 1 | 7,5 | 0,20 | 0,47 | 1,36 | 110 | 60 | 440 380 | 640 610 | 19-31 19-35 | 9,10,8 8,9 | 630 540 | 760 710 | 25-37 19-22 |
VI | 1 | - | 0,22 | 0,38 | 1,29 | 2 | 23 | 390 370 | 600 580 | 35-36 12-14 | 8,9 7,8 | 520 460 | 660 640 | 26 32 |
Пром. плавки | 2314 | - | 0,17-0,24 | 0,20-0,60 | 1,05-1,50 | ≤4 | 10-82 | - . 305-400 | - . 490-660 | - . 10-105 | - . 7,8,9,(6) | - . 400-530 | - . 550-700 | - . 25-100 |
Требования | 0,17-0,25 | 0,30-0,50 | 1,10-1,40 | - | 20-60 3) | ³343 | ³490 | ³24,5 | ³8 3) |
1) в числителе – после термической обработки в лабораторных условиях, в знаменателе – в цеховых;
2) в скобках балл наблюдаемый в отдельных образцах;
3) требования введенные РЖД с 1.01.2007г
|
опытных плавок в функции от содержания базовых элементов – кремния и углерода, приведенных на рис.2. В связи с относительно малым количеством опы-тных плавок их обработку проводи-ли только для двух групп по содер-жанию углерода.
Аналогичные зависимости имеют место и в отношении марганца. Поэтому для обеспечения необходимого уровня прочности промышленного литья, наряду с комплексным модифицированием стали титаном, алюминием и азотом рекомендовано сузить допустимые интервалы концентраций базовых элементов, повысив нижний предел по углероду до 0,20%, по кремнию до 0,40%, и по марганцу до 1,2%.
В отличии от базовых элементов влияние титана на механические свойства стали 20ГЛ имеет экстремальный характер (рис.3), что согласуется
Рис.3 Влияние концентрации титана на предел текучести и ударную вязкость стали 20ГЛ с КНУ
с изменением количества и размера образующихся карбонитридов титана (рис.4). С увеличением его содержания до 0,015% растет доля мелких карбонитридов, регулирующих размер первичного зерна, а затем она начинает падать, что и снижает как дисперсионное, так и зернограничное упрочнение.
|
Соответственно для достаточно надежного обеспечения требуемого уровня механических свойств промышленного литья рекомендовано содержание титана в стали с КНУ в пределах 0,013-0,035% (заштрихованная область на рис.3)
Экстремальный характер наблюдается также в части расхода АЛК с оптимумом в области 2-3,7кг/т стали, как для нормализованной (рис.5), так и закаленной с последующим высоким отпуском (рис.6)
|
Как следует из приведенных на рисунках значений коэффициентов корреляции и их ошибок величина отношения R/sr для всех экспериментальных зависимостей превышает 3, что отвечает уровню доверительной вероятности полученных данных a³0,95 и является достаточно высоким показателем для многофакторных исследований. Это позволяет утверждать о высокой статистической надежности полученных данных и прогнозировать их воспроизводимость при выплавке стали 20ГЛ с КНУ в промышленных печах.
Заключение. Модифицирование феррито-перлитной стали 20ГЛ титаном, алюминием и азотом в сочетании с суженными пределами концентрации базовых элементов (кремния, марганца и углерода) обеспечивает уровень требований к литым элементам грузовых вагонов нового поколения.
Полученные результаты имеют высокую статистическую надежность и приняты к промышленному освоению.
Литература
1. Рекомендации участников Международной конференции «Развитие транспортного машиностроения в России» «Желдормашиностроение – 2004», экспериментальное кольцо ВНИИЖТ (г. Щербинка) 29-30 июня 2004г. – М.: АНО «Центр содействия развитию транспортной науки», 2004.-23с.
2. Новые низколегированные кремнистые стали для металлических конструкций / , , и др. //АО «Центральный научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований черной металлургии». М.– 1994 – 26с.
3. , , Кирчу сталей с карбонитридным упрочнением – это коренное повышение надёжности и долговечности железнодорожных путей и подвижного состава // Металл и литьё Украины. – 2004. – №№1-2 - С.39-42.
4. Упрочнение конструкционных сталей нитридами / , , и др. – М.: Металлургия, 1970 – 200с.
5. Разработка состава и технологии производства экономичных конструкционных сталей с карбонитридным упрочнением / , , и др. // Сучасні проблеми металургії, наукові труди НМетАУ, Т.3.-Дніпропетровськ: «Системні Технології», 2001. – С. 232-241.
6. , , Ершов титаном стали, содержащей азот и серу // Изв. вузов. Чёрная металлургия. – 1976. - №2. – С.64-67.
7. Пат. України № 000 «Спосіб одержання азотвмістної лігатури» /
Б. О. Ніжегородов, М. В. Ігнатов, інович та ін. Надрук. 15.10.2001,
бюл. №9.
