УДК 621.73.002.6:658.562
ПОВЫШЕНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ОДНОРОДНОСТИ И СТАБИЛЬНОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК В КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЯХ МАШИНОСТРОЕНИЯ*
© Руцкий Дмитрий Владимирович, канд. техн. наук; Зюбан Николай Александрович, д-р техн. наук, проф., Волгоградский государственный технический университет. Россия, 400131, г. Волгоград, пр. Ленина, 28. E-mail: tecmat@vstu.ru
Титов Константин Евгеньевич, канд. техн. наук
ЗАО «Волгоградский металлургический завод «Красный Октябрь». Россия, 400007, г. Волгоград, пр. Ленина, 110. Статья поступила 13.04.2009 г.
Приведены результаты исследования макроструктуры, химической неоднородности и уровня механических характеристик по длине и сечению гребных валов, изготовленных из слитков массой 39,5 т. Установлены оптимальные технологические параметры разливки крупных кузнечных слитков, являющихся заготовкой для получения изделий машиностроения. Получена максимальная однородность по углероду в слитках и поковках, обеспечивающая минимальную неоднородность показателей механических характеристик металла по длине и сечению готовых изделий.
Ключевые слова: поковка; химическая неоднородность; ликвация; уровень механических характеристик; слиток; разливка; кристаллизация.
Повышенные требования к современным транспортным средствам отечественного машиностроения увеличивают необходимость получения крупногабаритных кованых заготовок высокого качества, изготовляемых из крупных и сверхкрупных кузнечных слитков из конструкционных сталей.
По литературным данным [1-3], с увеличением массы в слитке существенно возрастает химическая и физическая неоднородность. В работах [4-8] показано, что значительное развитие зональной ликвации слитка почти полностью наследуется получаемым из него изделием, что приводит к снижению сдаточных характеристик.
Объемная химическая неоднородность выражается в основном в наличии области отрицательной ликвации в нижней трети слитка, а также в повышенном содержании ликватов в верхней части осевой зоны [2, 4, 6, 9]. Неоднородность химического состава металла наблюдается как по высоте, так и по сечению слитка. Физическая неоднородность проявляется в виде усадочной раковины, зоны осевой рыхлости и зоны дугообразных трещин [4, 5]. Недостаточная проработка осевых объемов металла при ковке может привести к отбраковке готового изделия на стадии ультразвукового контроля. Дефекты, формирующиеся в процессе кристаллизации, трудно устранимы в процессе ковки крупногабаритных изделий. При этом поковка наследует ликвационные дефекты исходного слитка, что может служить причиной ее преждевременного разрушения.
В данной работе рассматриваются результаты исследования структуры, химической неоднородности и изменения уровня механических характеристик по длине и сечению гребного вала, изготовленного по ГОСТ 8536-79, полученного из слитка стали 35 массой 39,5 т (рис. 1, а).
Вал изготовляли из слитка свободной ковкой в интервале температур 1200-800 °С, максимальная величина укова не превышала 6,0. После предварительной
механической обработки и окончательной термообработки (закалка: от 860 °С, выравнивание 8-10 ч, выдержка 1,5-2,0 ч, охлаждение в воде при 30-40 °С в течение 16-20 мин; отпуск при 640 °С, выравнивание 12 ч, выдержка 3 ч, охлаждение на воздухе) из поковки были вырезаны четыре макродиска I-IV (рис. 1, б). Диск I соответствует донной части слитка, диск IV вырезан из его подприбыльной части.
Для определения химического состава стали от каждого макродиска отбирали по три образца: на расстоянии R (периферия), VR и по центру вала (рис. 1, в). Химический анализ проводили фотоэлектрическим спектральным методом на приборе ARC-Met 930 по ГОСТ 18895; точность определения содержания элементов не превышает 0,0005%. На каждом образце прожигалось по три отпечатка, при этом с помощью компьютера составляли калибровочные графики по каждому элементу, входящему в состав стали, и по ним с помощью уравнений регрессии находили содержание элементов в металле.
Изменение механических характеристик оценивали по свойствам, полученным на тангенциальных разрывных (ГОСТ 1497-84, Тип III) и ударных образцах (ГОСТ 9454-78, Тип III, № 4), вырезанных по 6 шт. из каждого диска (см. рис. 1, в). Погрешность определения механических характеристик не превышает 5%.
С целью выявления макроструктуры перед вырезкой образцов для определения механических характеристик и химического состава диски подвергали электролитическому травлению в 20%-ном водном растворе серной кислоты. Разная окраска осей ден-дритов и межосных участков контрастно выявляет дендритную структуру. Макродиски с выявленной макроструктурой сканировали с разрешением 900 dpi и цветностью 256 оттенков серого. Макроструктура на всех дисках однородная, без пор и несплошностей.
Результаты исследования показали, что на диске I (донная часть слитка) выявлена внеосевая ликвация в виде кольцевой зоны повышенной травимости
'Работа выполнена в рамках проекта № 2.1.2/283 Министерства образования РФ «Исследование фундаментальных процессов формирования структуры и свойств сверхкрупных металлоизделий в различных условиях кристаллизации больших масс металла».
2732
/
Таблица 1. Химический состав (%) в различных зонах поковки
240
\
HS
4330
105
Зона вала Сечение вала Углерод Сера Фосфор
Периферия 0,39 0,018 0,014
Диск IV ЙЯ 0,41 0,019 0,015
Центр 0,50 0,020 0,016
Периферия 0,41 0,018 0,014
Диск III ЙЯ 0,41 0,019 0,014
Центр 0,42 0,020 0,015
Периферия 0,39 0,019 0,014
Диск II ЙЯ 0,39 0,019 0,014
Центр 0,37 0,016 0,013
Периферия 0,40 0,019 0,014
Диск I ЙЯ 0,30 0,013 0,012
Центр 0,25 0,012 0,010
Ковшовая проба 0,39 0,018 0,013
8640
Рис. 1. Схема исследования металла гребного вала:
а — общий вид слитка; б — схема порезки гребного вала на диски; в — схема порезки дисков на образцы для определения качественных характеристик металла (У — ударные; Р — разрывные образцы); ■ — места отбора проб для определения химического состава стали
шириной 70-90 мм. Точечная ликвация расположена недалеко от боковой поверхности (рис. 2, а). На диске II (середина слитка) внеосевая ликвация проявляется в виде области шириной 90-110 мм (рис. 2, б). Диск III (верхняя часть слитка) имеет развитую пятнистую ликвацию по всему диску (рис. 2, в). Для диска IV (верхняя часть слитка — бурт вала) на серном отпечатке по всей поверхности на расстоянии 90 мм от края наблюдается пятнистая ликвация балла 1 (рис. 2, г).
Увеличение степени пораженности диска пятнистой ликвацией на диске IV, соответствующего под-прибыльной части слитка, свидетельствует о наследовании изделием ликвационных кристаллизационных дефектов слитка.
При исследовании химического состава (табл. 1) определяли содержание ликвирующих элементов (углерода, серы и фосфора) по сечениям поковки, расположенным в начале, середине и конце заготовки (см. рис. 1, б); также оценивали влияние содержания этих элементов на качественные характеристики металла.
Из приведенных данных видно, что содержание углерода в осевой зоне донной части слитка на 36% меньше содержания углерода в ковшовой пробе, а в верхней части слитка значение этого параметра больше на 28%. В периферийной зоне по всей длине поковки содержание углерода, серы и фосфора в металле практически одинаковое и не отличается от пла-вочного. Подобное неравномерное распределение ликвирующих элементов наблюдается в крупных слитках, из которых получают крупные поковки. В работах
Рис. 2. Макроструктура поперечных сечений гребного вала, соответствующих донной (а, диск I), средней (б, диск II) и верхней (в, г -диски III и IV соответственно) частям слитка
а
б
в
Таблица 2. Изменение механических характеристик по длине и сечению вала
Зона Предел прочности Предел текучести Относительное Относительное Ударная вязкость
вала ств, Н/мм2 стт, Н/мм2 удлинение 8, % сужение % КСи, МДж/м2
Диск IV Периферия 430 296 32 60 100
ЙЯ 450 300 27 60 98
Центр 550 392 18 40 39
Среднее / Разброс 476 / 120 330 / 96 26 / 14 60 / 20 79 / 61
Диск III Периферия 441 294 30 65 98
ЙЯ 440 294 25 55 50
Центр 490 310 26 60 49
Среднее / Разброс 457 / 49 299 / 16 27 / 4 60 / 5 65 / 49
Диск II Периферия 440 300 23 50 98
ЙЯ 452 310 24 55 55
Центр 408 280 27 60 50
Среднее / Разброс 433 / 44 296 / 30 25 / 4 55 / 10 68 / 48
Диск I Периферия 450 305 28 60 98
ЙЯ 388 260 30 65 100
Центр 340 235 36 75 200
Среднее / Разброс 392 / 110 268 / 70 31 / 8 67 / 15 133 / 102
ТУ / Разброс по ТУ >450 / <50 >250 / <20 >23 / <10 >33 / <10 >50 / <30
[5-9] показано, что химическая неоднородность в теле слитка не устраняется во время обработки давлением и последующей термической обработки и полностью наследуется изготовляемым из слитка изделием. Гомогенизационный отжиг для данного вида изделий не применяется, так как для гарантированного выравнивания химического состава его продолжительность составляет до 7 сут, что увеличивает срок выполнения заказа и повышает трудо- и энергозатраты. Оценка микроструктуры показала, что по всей длине и сечению вала она представляет собой сорбит.
Определение механических характеристик гребного вала проводили на поперечных дисках, вырезанных в четырех зонах по длине поковки (см. рис. 1, б, в).
Из данных табл. 2 видно, что уровень механических характеристик гребного вала соответствует требованием ТУ, но их разброс превышает указанные требования.
Прочностные характеристики неравномерны как по длине, так и по сечению вала. Разница значений предела текучести на диске I (нижняя часть слитка) достигает 70 Н/мм2. Ударная вязкость изменяется от половины радиуса поковки до ее оси практически в два раза. Причина такого разброса механических характеристик — неравномерное распределение углерода по сечению слитка, о чем свидетельствует сопоставление распределения механических характеристик в различных частях гребного вала и содержания в них углерода (см. табл. 1 и 2).
Содержание углерода в периферийных слоях поковки, соответствующей донной части слитка (диск I), составляет 0,40%, а в центре снижается до 0,25%; содержание серы и фосфора изменяется аналогичным об
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.