ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА КРЕМНИСТОЙ СТАЛИ НА ЕЁ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

05.16.09 Материаловедение (по отраслям) (технические науки) DOI: 10.25712^Ш2072-8921.2020.03.015 УДК 621.793.79

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА КРЕМНИСТОЙ СТАЛИ НА ЕЁ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Е. А. Письменный, А. М. Марков, Д. А. Габец

При конструировании и изготовлении стальных изделий, работающих в условиях ударно-фрикционного износа, особое внимание уделяется не только конструкции изделия, но и таким свойствам, как ударная вязкость и твердость материала, из которого это изделие изготовлено. Для обеспечения высоких показателей ударной вязкости и износостойкости, помимо химического состава стали, необходимо учитывать способ термической обработки, при котором полученная сталь будет иметь наилучшее сочетание прочности и ударной вязкости. В статье предложен состав стали, полученной путем переплава стального лома. Исследованы зависимости влияния содержания углерода на твердость и ударную вязкость при различных режимах термической обработки. Определены режимы термической обработки полученной стали, обеспечивающие высокие показатели ударной вязкости и стойкости в условиях ударно-фрикционного износа. Результатом работы является получение оптимального режима термической обработки стали 50СЛ, обеспечивающего уровень ударной вязкости 85-92 Дж/см2 при твердости 250±20 НВ.

Ключевые слова: закалка, сталь, ударная вязкость, легирование, термическая обработка, твердость стали, прочность.

Целью настоящего исследования является определение оптимального химического состава исходной шихты и конечного продукта в виде стали для производства деталей сельскохозяйственного и железнодорожного назначения. Помимо химического состава надо также определить способ термической обработки, при котором полученная сталь будет иметь наилучшее сочетание прочности и ударной вязкости, необходимые для работы в условиях ударно-фрикционного износа [16]. По данным нормативно-технической документации, такие стали должны иметь твердость в диапазоне 180-240 НВ и ударную вязкость не менее 49 Дж/см2. С учетом минимальной себестоимости изготовления и схожести технико-эксплуатационных свойств детали, полученные из вторичного сырья, способны иметь конкурентные преимущества в сравнении с деталями, получаемыми из проката и первичного сырья (руды).

Для проведения исследований экспериментальную сталь выплавляли в дуговой печи с основной футеровкой, емкостью 150 кг. Раскисление стали алюминием, а также ее модифицирование проводились в ковше. Элементный анализ полученной стали определяли на стационарном эмиссионном спектрометре АРГОН-5СФ по ГОСТ 18895-97. Содержание углерода подтверждали химическим методом по ГОСТ 22536.1-88.

В качестве основного материала шихты использовался стальной лом из бывших в употреблении литых деталей грузового вагона из марок сталей 20ГЛ, 20ГФЛ, 20ГТЛ - рама боковая, балка надрессорная, автосцепка, хомут тяговый, корпус буксы и др., а также

стальной лом из бывших в употреблении пружин (марки стали: 55С2, 60С2, 55С2А, 60С2А, 60С2ХА, 60С2ХФА, 65С2ВА) в различных пропорциях. По результатам экспресс-анализа получаемый в печи расплав доводился до требуемой марки стали путем дополнительного легирования, при этом степень дополнительного легирования оставляли возможно минимальной. Степень легирования углеродом изменяли в пределах от 0,05 до 0,5 с шагом 0,05 масс. %, степень легирования кремнием при этом удерживали на уровне 1,78±0,087 масс. %. Степень легирования остальными элементами удерживали на следующем уровне: Мп - 0,526±0,047, Сг -0,201 ±0,010, N - 0,086±0,011, А1 -0,115±0,006, Си - 0,10±0,017 масс. %. Содержание серы и фосфора не превышало допустимых значений. Также была выплавлена аналогичная сталь, отличающаяся тем, что содержание меди в ней составило на уровне 0,35±0,063 масс. % [7-10].

Для всех вариантов полученных сталей определены следующие режимы термической обработки:

1. Нагрев образцов до 910 °С, выдержка 90 минут, охлаждение с печью (режим № 1);

2. Нагрев образцов до 950 °С, выдержка 90 минут, охлаждение на спокойном воздухе (режим № 2);

3. Нагрев образцов до 860 °С, выдержка 90 минут, охлаждение в масле, отпуск при 280 °С в течение 1,5 ч (режим № 3);

4. Нагрев образцов до 910 °С, выдержка 90 мин, охлаждение в масле, отпуск при 280 °С в течение 1,5 ч (режим № 4).

Режимы термической обработки были выбраны исходя из экономических соображений и в результате анализа литературных источников [1-3, 6-10]. Термическую обработку проводили в камерных печах типа СНОЛ, оборудованных ПИД-конроллерами.

Эксперименты по определению ударной вязкости проводились в соответствии с ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах (с Изменениями № 1, 2)», на образцах типа 1 (размеры образцов 10х10х55 мм с концентраторами и-образной формы глубиной 2 мм). Испытания были выполнены на маятниковом копре Ме^осотс максимальной энергией удара 300 Дж. Образцы для испытаний вырезались на электроэрозионном станке Sodick AG400L. Для определения каждого значения использовалось не менее трех образцов, получен-

ные результаты усреднялись. Определение твердости производили на твердомере ТШ-2М по методу Бринелля не менее 5 раз, полученные результаты усреднялись.

Зависимость ударной вязкости от степени легирования некоторыми элементами показана на рисунках 1-4. Приведенные на этих рисунках графики являются результатом математической обработки экспериментальных данных по оптимизации химического состава стали в программном пакете «Statisticav 6.0» [11-14]. Целевой функцией при обработке данных была выбрана ударная вязкость. В качестве ограничивающей функции - твердость. При этом за оптимум целевой функции было взято максимально возможное значение КСи, а оптимальное значение твердости должно было находиться в интервале 180240 НВ [15-17].

Рисунок 1 - Влияние углерода на ударную вязкость стали при различных режимах термообработки. Содержание меди - 0,35 масс. %

Рисунок 2 - Влияние углерода на твердость стали при различных режимах термообработки.

Содержание меди - 0,35 масс. %

Содержание углерода, масс. %

Рисунок 3 - Влияние углерода на ударную вязкость стали при различных режимах термообработки. Содержание меди - 0,10 масс. %

Рисунок 4 - Влияние углерода на твердость стали при различных режимах термообработки.

Содержание меди - 0,10 масс. %

Как видно из приведенных на рисунках 14 графиков, повышение содержания меди до 0,35 масс. %, повышает ударную вязкость на 5-7 % в диапазоне концентраций углерода от 0,1 до 0,45 масс. %. Твердость при этом снижается на 3-5 %. Согласно проведенным на основе экспериментальных данных расчетам в программном комплексе «Statisticav 6.0», оптимальный состав стали для достижения максимального значения КСи при интервале твердости 180-240 НВ должен соответствовать: 0,37±0,05 масс. % углерода, 0,3±0,03 масс. % меди, 1,5±0,2 масс. % кремния, марганец - на уровне 0,5 масс. %, хром и никель - не более 0,2 и 0,055 масс. % соответственно. Сера и фосфор - соответственно не более 0,035 масс. % по каждому из элементов.

Исходя из полученных результатов можно сделать вывод, что оптимальным режимом термической обработки стали 50СЛ будет режим № 3 - нагрев в печи до 860 °С, выдержка при этой температуре 90 минут, охлаждение в масле, отпуск при 280 °С в течение 1,5 ч. При этом режиме обеспечивается уровень ударной вязкости 85-92 Дж/см2 при твердости 250±20 НВ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гуляев, А. П. Металловедение : учебник / А. П. Гуляев. - М. : Металлургия, 1977. - 647 с.

2. Великоцкий, Р. Е., Лащинина, С. В. Влияние химического состава на механические свойства стали 10хснд // Вестник КузГТУ. - 2004. - № 4. -URL : https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-himicheskogo-sostava-na-iriehanicheskie-svoystva-stali-Ohsnd (дата обращения: 02.09.2020).

3. Луценко, В. А., Голубенко, Т. Н., Луцен-ко О. В., Козачек, А. С., Глазунова, Н. А. Влияние химического состава на механические свойства легированной стали // Литьё и металлургия. -2018. - № 1 (90). - URL : https://cyberleninka.ru/ article/n/vliyanie-himicheskogo-sostava-na-mehanicheskie-svoystva-legirovannoy-stali (дата обращения: 02.09.2020).

4. NACE MR 0175/IS0 15156-1:2009. Petroleum and natural gas industries - Materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production - Part 1 : General principles for selection of cracking-resistant materials.

5. Шаповалов, Э. Т., Родионова И. Г., Зайцев А. И. [и др.] Факторы, определяющие коррозионную стойкость и другие потребительские свойства холоднокатаного 160 проката. Металлургические аспекты повышения комплекса свойств //

Проблемы черной металлургии и материаловедения. - 2009. - № 3. - С. 68-76.

6. Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов / И. И. Новиков. - М. : Металлургия, 1978. - 390 с.

7. Гольдштейн, Я. Е., Мизин, В. Г. Модифицирование и микролегирование чугунов и стали. -М. : «Металлургия», 1986.

8. Комаров, О. С., Розенберг, Е. В., Урбано-вич, Н. И. Особенности модифицирования различных типов железоуглеродистых сплавов // Литье и металлургия. - 2015. - № 2 (79). - С. 24-28.

9. Мануев, М. С. Исследование микролегирования, модифицирования и термической обработки на ударную вязкость стали 20ГЛ при низких температурах для отливок железнодорожного транспорта : дисс... канд. техн. наук : 05.02.01 / Мануев Максим Сергеевич. - Брянск, 2006. - 181 с.

10.Крылова, С. Е. Оптимизация состава и режимов термической обработки среднелегированной стали для условий сложного износа: дисс... канд. техн. наук: 05.16.01 / Крылова Светлана Евгеньевна. - Орск, 2009. - 199 с.

11. Большаков, В. И., Юшкевич, О. П. Разработка методов расчета весовых коэффициентов влияния элементов химического состава на качество стали // Металознавство та термiчна обробка металiв : Науков. та шформ. журн., ПДАБтаА. -Дн-вськ. - 2013. - № 1. - С. 14-27.

12. Большаков, В. И., Юшкевич, О. П. Разработка методов расчета обобщенных показателей отдельных сталей // Металознавство та термiчна обробка металiв : Науков. та шформ. журн., ПДАБтаА. -Дн-вськ. - 2013. - № 2-3. - С. 21-35.

13. Информационно-математическое обеспечение оценки влияния химического состава на свойства готового проката / Э. В. Приходько, Д. Н. Тогобицкая, А. С. Козачек [и др.] // Системные технологии. Региональный межвуз. сб. науч. работ. Днепропетровск, 2010. - С. 33-39.

14. Системный подход к выбору оптимального элементного состава стали, обеспечивающего требуемый уровень механических свойств /

Д. Н. Тогобицкая, В. П. Пиптюк, И. Н. Логозинский [и др.] // Системные технологии. Региональный межвуз. сб. науч. работ. - Днепропетровск, 2015. -С. 91-97.

15. Письменный, Е. А., Габец, А. В., Марков, А. М., Габец, Д. А. Разработка и расчет на прочность новой конструкции фрикционного клина узла гашения колебания тележки грузового вагона // Инженерный вестник Дона. - 2020. - № 5. -http://www. ivdon. ru/ru/magazine/archive/N5y2020/6485.

16. Структура и свойства конструкционных сталей после термической обработки в бейнитной области температур / В. М. Счастливцев, Ю. В. Калетина, М. А. Смирнов и др. // Деформация и разрушение металлов. - 2011. - № 4. -С. 1-9.

17.Габец, А. В. Современные технологии изготовления крупногабаритных деталей железнодорожного транспорта / А. В. Габец, А. М. Марков, Е. О. Чертовских, Д. А. Габец. - Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2016. - 126 с.

Письменный Евгений Александрович,

аспирант ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», 656038, Российская Федерация, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, e-mail: pysmennyi. eug@gmail. com.

Марков Андрей Михайлович, доктор техн. наук, профессор кафедры ТМ ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», 656038, Российская Федерация, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, e-mail: andmarkov@inbox.ru.

Габец Денис Александрович, инженер НИС ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», 656038, Российская Федерация, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, e-mail: gabets22@mail.ru.