Связь технологических параметров изготовления стальных отливок с их эксплуатационными характеристиками

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Связь технологических параметров изготовления стальных отливок с их эксплуатационными характеристиками

Ю.М. Иващенков

Рассмотрен вопрос о возможности прогнозирования и управления качеством отливок железнодорожного транспорта ответственного назначения из стали 20ГЛ путем выявления взаимосвязи технологических параметров их изготовления с механическими и эксплуатационными характеристиками.

Ключевые слова: отливка; сталь 20 ГЛ; химический состав; механические свойства; технологические параметры.

отливка качество железнодорожный сталь

В настоящее время остро ставится вопрос о повышении безопасности эксплуатации стальных отливок ответственного назначения, предназначенных для деталей, выход из строя которых из-за низкого их качества вызывает крупные материальные потери, а также представляет опасность для жизни и здоровья людей. К основным отливкам деталей железнодорожного транспорта относятся боковая рама и надрессорная балка.

Основным видом повреждения этих деталей при эксплуатации является развитие трещин усталости. Главные факторы, способствующие изломам: несоответствие химического состава и механических свойств стали ГОСТу и ТУ; нарушения и недостатки технологии выплавки и раскисления стали, приводящие к повышенному её загрязнению неметаллическими включениями и газами; нарушения и несовершенство литейной технологии и разливки стали, приводящие к образованию литейных дефектов.

Недостаточная усталостная долговечность боковых рам в эксплуатации объясняется несоответствием уровня и количества циклов номинальных рабочих напряжений в наиболее опасных зонах данных деталей. Раннему появлению трещин часто способствует также наличие литейных дефектов.

Процесс постепенного снижения прочности материала вследствие накопления и развития в нем трещин под действием циклических нагрузок называют усталостью, а разрушение в результате этого процесса - усталостным. Свойство материала противостоять усталости называют сопротивлением усталости, характеризуемым значением предела выносливости (-1), которое зависит от химического состава, структуры и свойств материала, условий и характеристик нагружения, свойств среды, размеров детали и длительности эксплуатации.

Усталостная прочность металлов значительно резче, чем многие другие механические свойства, реагирует на изменение некоторых условий испытания или эксплуатации. К этим условиям можно отнести такие внешние факторы, как температура и скорость (частота) приложения нагрузки, характер напряженного состояния, свойства окружающей среды. Чрезвычайно важную роль играют также характеристики самих деталей: их размеры, форма и состояние поверхности (наличие концентраторов напряжений). При прочих равных условиях усталостная прочность определяется химическим составом и внутренней структурой металла, которые зависят от технологии его производства.

К основным видам технологических параметров производства стали относятся параметры выплавки, дегазации, раскисления и разливки жидкого металла. В настоящее время развиваются различные способы воздействия на расплав с целью получения стали с пониженным количеством неметаллических включений (НМВ) правильной формы и плотноупакованной мелкозернистой структурой. Только отливки из такой стали, при отсутствии в них литейных дефектов, могут обеспечить надёжность и долговечность работы деталей в условиях усталостного износа. Перспективными методами с этой точки зрения являются микролегирование и модифицирование стального расплава.

В литературе [1] приведены зависимости (1-3) между пределом выносливости (у-1) и механическими свойствами, определенными при статических испытаниях.

Данные зависимости нуждаются в корректировке для стали 20ГЛ с учетом особенностей ее производства и микростроения (наличие пор, мелких усадочных и газовых раковин, засоров, НМВ, микроликвационных зон). Необходимо также определить возможности использования в зависимостях других механических свойств, в частности ударной вязкости при отрицательных температурах, так как отливки эксплуатируются в условиях Севера. Желательно получить нелинейные зависимости для нахождения оптимальных пределов варьирования механических свойств стали с целью получения максимальных значений эксплуатационных характеристик.

На практике для реальных деталей более важным показателем, чем предел выносливости (у-1) их материала, является количество циклов нагружения, которое способна выдержать деталь при эксплуатации без разрушения. Поэтому для характеристики эксплуатационной стойкости боковых рам будем пользоваться коэффициентом запаса сопротивления усталости (n), который учитывает количество циклов нагружения, форму, геометрию детали и все составляющие усталостного износа.

По результатам усталостных испытаний боковых рам, изготовленных в ООО «Промышленная компания «Бежицкий сталелитейный завод» (г. Брянск) в период с 1998 по 2007 г., при помощи статистического анализа и существующей методики [2] получены зависимости коэффициента n от комплекса механических свойств (4) стали 20ГЛ и от каждого свойства в отдельности.

Согласно техническим требованиям на отливку «Боковая рама» после нормализации, сталь 20ГЛ должна обладать следующими механическими свойствами при статических испытаниях: ут = 290…370 МПа; ув = 490…520 МПа; д ? 18%; ш ? 25%;

KCU-60 ? 0,25 кгс/мм2.

По формулам (5-8) построены графические зависимости, анализ которых проводили с учетом ограничений на механические свойства. Были определены оптимальные пределы варьирования для механических свойств стали, обеспечивающих получение максимальных значений коэффициента n:

ут = 330…360 МПа; ув = 500…530 МПа; д = 27…29 %;

ш = 35…45 %; KCU-60 = 2,5 кгс/мм2 и более.

В проведенных ранее работах 3 определены оптимальные сочетания химического состава (таблица) и механических свойств стали 20ГЛ. Выбраны направления повышения и стабилизации этих свойств. Качество металла определяется в основном условиями его финишной обработки. Применение легирования для данной стали нецелесообразно, так как это нарушает баланс прочностных и пластических свойств в сторону увеличения прочности, а данная сталь должна обладать достаточным уровнем пластичности во избежание хрупкого разрушения. Поэтому лучшим методом воздействия на жидкий металл, не изменяющим оптимальный химический состав, измельчающим зерно и улучшающим распределение неметаллических включений, является модифицирование активными элементами. В условиях реального производства основной проблемой является стабильность получения заданных химического состава, структуры и механических свойств. Модифицирование позволяет повысить эту стабильность. Проведены работы по использованию модификатора с редкоземельными металлами (РЗМ). Данная технология дает возможность избавляться от сульфидных включений в виде пленок и цепочек по границам зерен и получать неметаллические включения глобулярной формы, рассредоточенные по всему объему металла. Это позволяет получать отливки с более высокими и стабильными механическими свойствами.

В настоящее время ведутся работы по исследованию влияния модификатора с барием на качество отливок.

Таблица

Оптимальный химический состав стали 20ГЛ

Задачу повышения эксплуатационных свойств литых стальных деталей ответственного назначения для подвижного состава железных дорог можно решать путем: выбора оптимального химического состава стали 20ГЛ с целью обеспечения стабильно высоких её механических свойств; применения новых легирующих элементов в составе стали; совершенствования технологий выплавки, разливки и модифицирования жидкой стали, уменьшающего уровень загрязненности стали газами и НМВ, улучшающего её микроструктуру; совершенствования литейной технологии, снижающего уровень образования литейных дефектов отливок (усадочной и газовой рыхлоты и пористости, дефектов по вине неудовлетворительной жидкотекучести, земляных раковин, трещин).

Технология производства жидкой стали для отливок железнодорожного транспорта обрабатывается с учетом взаимосвязи и оптимизации химического состава, структуры, механических свойств и эксплуатационных характеристик.

Список литературы

Тылкин, М.А. Справочник термиста ремонтной службы / М.А. Тылкин. - М.: Металлургия, 1981 - С. 63.

Методика испытаний на усталость. Надрессорные балки и боковые рамы литые двухосных тележек грузовых вагонов колеи 1520 мм / ООО «ПК «БСЗ» - Брянск, 2000.

Кульбовский, И.К. Повышение механических свойств низколегированной стали для ответственных отливок железнодорожного транспорта / И.К. Кульбовский, В.Г. Солдатов, М.С. Мануев // Заготовительные производства в машиностроении. - 2006. - № 4.- С. 3-6.

Размещено на Allbest.ru