Влияние некоторых факторов на механические свойства стали St 52. 3

УДК 669.295

ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ ФАКТОРОВ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ St 52.3

О.М. Шаповалова, профессор, зав. лаборатории, И.А. Маркова, ст. научн.сотр., Т.И. Ивченко, ст.научн.сотр., Днепропетровский национальный университет

Аннотация. Изучено влияние различных факторов на комплекс механических свойств крупногабаритных полуфабрикатов из стали St 52.3. Установлена связь характеристик прочности, пластичности и работы удара с режимами нормализации и содержанием легирующих элементов и примесей. Даны рекомендации по повышению уровня и стабильности механических свойств.

Ключевые слова: механические свойства, легирующие элементы и примеси, термическая обработка, корреляция, качество стали.

Введение

Современное производство стальных изделий и полуфабрикатов является комплексом сложных технологических процессов от выплавки и обработки расплавов в жидком состоянии до завершающей термической обработки. Каждый из этапов оказывает влияние на формирование структуры и свойства стали. Степень влияния содержания легирующих элементов и примесей, температуры и времени термической обработки на каждую из механических характеристик может быть различной. Выявление основных факторов, определяющих свойства металла, позволит оптимизировать параметры технологических операций и повысить его качество без существенного изменения технологических процессов и материальных затрат.

Анализ публикаций

Влияние каждого из основных компонентов стали (С, Мп, Si) на ее свойства изучено достаточно хорошо [1, 2]. В последние годы большое внимание уделяется исследованию совместного воздействия легирующих элементов и примесей на характеристики стали [3, 4], это позволило установить ряд нетривиальных фактов и закономерностей.

Основным видом термической обработки низколегированных сталей является нормализация, рекомендуемые ее режимы для разных марок известны [1, 2]. Характеристики сталей зависят от многих взаимодействующих между собой факторов. Необходим системный подход к решению задачи повышения комплекса свойств. Работ, посвященных исследованию качества стали вдоль всей технологической цепочки, недостаточно.

Цель и постановка задачи

Целью и задачами данной работы являлось установление влияния химического состава и режимов термической обработки как факторов, оказывающих основное воздействие на механические свойства крупногабаритных поковок из стали St 52.3 (типа 17Г1С).

Исследование влияния химического состава и термической обработки на комплекс механических свойств стали St 52.3

Сталь St 52.3 (типа 17Г1С) широко применяется в машиностроении для изготовления валов, осей, крупногабаритных изделий ответственного назначения. К ней предъявляются достаточно высокие требования по комплексу механических свойств (табл. 1), особенно по значениям работы удара при комнатных и отрицательных температурах.

Таблица 1 Механические свойства стали St 52.3

Диаметр изделия, мм Механические свойства

00,2, МПа Ов, МПа 5, % КО ^-20° С

< 500 >275 >450 >18 >30

> 500 >265 >450 >18 >27

Нами проанализирован массив статистических данных одного из машиностроительных заводов Украины по механическим свойствам ста трех крупногабаритных промышленных поковок после термической обработки более чем по 20 режимам. Установлено, что у 39 % поковок механические

свойства не соответствовали требованиям ТУ в основном значения работы удара.

Традиционно для этих полуфабрикатов применяли нормализацию, варьируя температуру, время выдержки и скорость охлаждения. При получении механических свойств ниже необходимого уровня дополнительно использовали режимы:

- повторную нормализацию;

- повторную нормализацию с отпуском;

- закалку и отпуск с варьированием параметров каждой из операций;

- гомогенизацию с последующими закалкой и отпуском. Повторной термической обработкой удалось повысить значения характеристик механических свойств до требуемого уровня только для 8 % заготовок. Термическая обработка (нормализация) обеспечивала необходимый комплекс свойств для одних плавок, но не давала положительных результатов для других.

В табл. 2 представлены механические свойства поковок двух плавок. К одному из полуфабрикатов применяли только операцию нормализации, а второй подвергали повторной термообработке и даже перековывали на заготовку меньшего диаметра.

Таблица 2 Механические свойства крупногабаритных поковок из стали St 52.3

Обработка давлением Термическая обработка Механические свойства

С0,2 МПа Св, МПа 5, % V, % КО -и20° С

Плавка 1

Свободная ковка 0>500 мм Нормализация 340 530 24 46 6, 8, 5

Закалка + отпуск 370 610 21 40 7, 7, 7

Дополнительный отпуск 330 530 29 64 16, 12, 18

Переков на 0<500 мм Нормализация 310 540 26 62 8, 6, 9

Гомогенизация, закалка + отпуск 350 600 22 52 20, 22, 11

Плавка 2

Свободная ковка 0>500 мм Нормализация 285 490 30 75 120, 140, 170

Таблица 3 Коэффициенты парной корреляции механических свойств стали и режимов нормализации

Режимы нормализации Механические свойства

Св, С0,2 5, % V КО -У.20о С

Коэ< )фициенты корреляции

Температура -0,40 -0,17 0,35 0,35 -0,05

Время 0,24 0,07 -0,17 0,12 0,16

Таблица 4 Коэффициенты парной корреляции механических свойств стали и концентрации

легирующих элементов и примесей

Свойство Лещ рующие элементы и примеси

С Si Мп Р S Сг № А1

Коэффициенты корреляции

Св, 0,66 0,36 0,42 -0,05 -0,28 0,06 -0,11 -0,16

Ев 0,34 0,21 0,34 -0,03 -0,24 0,08 0,03 0,07

5 -0,41 -0,42 -0,24 -0,09 0,25 0,04 0,13 0,22

Как видно из приведенных данных, для поковки плавки 1 ни один из режимов повторной термической обработки не дал положительных результатов. Даже повторная ковка с последующей термической обработкой не обеспечили требуемый уровень значений работы удара. Металл же плавки 2 после нормализации имел необходимые свойства. В табл. 3 представлены коэффициенты парной корреляции механических свойств с температурой и временем нормализации.

Следовательно, повышение температуры нормализации способствовало снижению предела прочности (коэффициент корреляции равнялся минус 0,40), возрастанию относительного удлинения и относительного сужения (коэффициенты корреляции имели одинаковые значения, равные 0,35). Это могло быть связано с ростом аустенит-ного зерна при повышении температуры и с формированием более грубой структуры при охлаждении. Увеличение длительности выдержки способствовало повышению предела прочности (коэффициент корреляции 0,24) и относительного сужения (коэффициент корреляции 0,12), вызывая при этом снижение относительного удлинения (коэффициент корреляции равнялся минус 0,17).

V -0,26 -0,42 -0,02 0,07 0,11 -0,04 0,03 0,14

180-^20° С -0,29 -0,15 0,16 -0,30 -0,10 -0,08 0,21 0,30

Коэффициент корреляции работы удара с темпе-

ратурой нормализации составлял всего минус 0,05, а со временем - 0,16, т.е. изменение температуры нормализации практически не влияло на значения работы удара, а увеличение времени выдержки несколько повышало их. Следовательно, режимы нормализации в большей степени влияли на прочность и пластические характеристики и в меньшей - на работу удара.

Для оценки влияния химического состава на механические свойства вычисляли коэффициенты парной корреляции характеристик прочности, пластичности и ударной вязкости с концентрациями легирующих элементов и основных примесей. Значения их приведены в табл. 4.

Для относительного удлинения значимыми были коэффициенты парной корреляции с кремнием, углеродом, серой, марганцем, алюминием. При этом повышение содержания элементов-упрочни-телей вызывало снижение относительного удлинения, а повышение концентрации серы и алюминия оказывало положительное влияние. Как показано в работе [4], такое влияние серы обусловлено ее взаимодействием с другими элементами, в частности с марганцем. На относительное сужение, как наиболее структурно чувствительную характеристику, существенно влияли только углерод и кремний, повышение содержания которых вызывало снижение относительного сужения. Работа удара оказалась чувствительной к изменению концентраций большего числа компонентов, это - алюминий, фосфор, углерод, молибден, никель, марганец, кремний. Наибольшее влияние на нее оказывали алюминий, фосфор, углерод. Увеличение концентрации фосфора и углерода вызывало снижение значений работы удара, а увеличение содержания алюминия способство -вало их повышению. Положительное влияние алюминия обусловлено его высокой раскисли-тельной способностью, выведением кислорода из расплава стали. При введении недостаточного количества этого элемента (А1) сталь получается недораскисленной и имеет повышенную концентрацию кислорода в составе оксидов железа и др. Как известно, примеси внедрения (кислород и азот) в малых количествах слабо влияют на многие свойства, но значительно снижают значения работы удара и резко уменьшают хладноломкость. Именно это могло быть причиной снижения величины работы удара при удовлетворительных значениях остальных механических характеристик. Кроме того, алюминий способствует увеличению протяженности межфазных границ. Он вызывает формирование наследственно мелкозернистой структуры вследствие образования по границам зерен множества мельчайших частиц оксидов и нитридов алюминия.

Анализ химического состава плавок 1 и 2 показал, что в первой плавке концентрация алюминия была крайне низкой (0,005 %), но именно этот элемент имел с работой удара наибольший положительный коэффициент корреляции. Содержание фосфора, углерода и кремния находились почти на верхнем пределе (0,034, 0,21, 0,50 % соответственно) что обусловило уменьшение значений работы удара. Металл плавки 2 содержал достаточное количество алюминия (0,03 %), а углерода, кремния и фосфора (0,19, 0,10 и 0,029 % соответственно) - меньше, чем плавки 1. Таким образом, установлено, что в данном случае преимущественное влияние на снижение величины работы удара ниже требуемого уровня оказывал химический состав.

Выводы

Для выяснения причин недостаточного уровня механических свойств стали необходим анализ всех основных факторов, влияющих на каждую из характеристик и выявление определяющего из них.

Установлено, что на уровень механических свойств крупногабаритных поковок из стали St 52.3 оказывали влияние как режимы термической обработки, так и химический состав. На характеристики прочности и пластичности воздействие указанных факторов было сравнимым, а на работу удара преимущественно влиял химический состав, особенно содержание алюминия.

Авторами установлено, что обеспечить и стабилизировать необходимую концентрацию алюминия, снизить содержание вредных примесей возможно путем обработки стали в ковше новыми технологическими добавками марок ДТ [3-5]. Апробирование с положительным эффектом и внедрение на семи металлургических заводах Украины и России при обработке в ковше 32 марок сталей мартеновского и конвертерного способов производства доказало прогрессивность данного направления повышения качества стали.

Литература

1. Гуляев А.П. Металловедение. - М: Металлур-

гия, 1986. - 646 с.

2. Большаков В.1., Береза О.Ю, Харченко В.1.

Прикладне матерiалознавство. - Д., 1999. -350 с.

3. Шаповалова О.М., Носова Т.В. Порiвняльний

анал1з комплексного впливу титану з компонентами низьколеговано! стал1 07ЮТ на властивосп мщносл i пластичносп //

Вюник Академи митно! служби Укра!ни. -Д. - 2005. - № 2. - С.67-73.

4. Шаповалова О.М., Носова Т.В., Васильев С.Ю.

Взаимное влияние компонентов на свойства конструкционных сталей, обработанных технологическими добавками из отходов // Строительство, материаловедение. - Д.: ПГАСИА, 1997. - С.95.

5. Шаповалова О.М., Ивченко Т.И., Маркова И.А.

Внедрение сырьевых композитов из конвер-

сионных отходов для обработки сталей и сплавов // Конверсия и экология. Тезисы докл. межд. конференции. - Лесное, 1997. -С.109-110.

Рецензент:

Статья поступила в редакцию 19 июля 2006 г.