ПОВЫШЕНИЕ СВОЙСТВ СТАЛЕЙ ДЛЯ ВАГОННЫХ ОТЛИВОК

 

Сильман Г. И.  (БГИТА, Брянск, РФ)

 

Марганцевая сталь 20ГЛ, микролегированная ванадием или титаном, ши­роко используется для изготовления ответственных вагонных отливок Существенное повышение свойств стали в отливках может быть обеспечено как с помощью термической обработки, так и за счет комплексного воздействия на жидкий металл (раскисления, модифицирования, микролегирования).

Результаты проведенных исследований показывают, что на свойства стали 20ГТЛ очень сильно влияет термоциклическая обработка при рациональных режимах охлаждения, обеспечивающая значительное измельчение структуры. В качестве термоциклической обработки использовали многократную нормализацию от 920⁰С при скорости охлаждения 50 К/мин. Количество циклов варьировали от одного до пяти. При использованной скорости охлаждения перлитная сетка в структуре всех образцов полностью отсутствовала. Структура стали состояла из феррита, перлита и зернистого бейнита. Особенно сильное измельчение структуры достигается после второго и третьего циклов обработки. Дальнейшее увеличение числа циклов малоэффективно. Двойная нормализация со скоростью охлаждения 15 К/мин в сопоставлении с обычной (оди­нарной) нормализацией при той же скорости охлаждения повы­шает весь комплекс механических свойств стали, особенно пластичность и ударную вязкость. Двойную термообработку можно рекомендовать для улучшения свойств стали в тех случаях, когда обычная нормализация не обеспечивает уровень свойств, требуемый техническими условиями. При небольших скоростях охлаждения (4 и 10 К/мин.) перлитная сетка в структуре стали сохраняется. Исчезает эта сетка при 20-23 К/мин.

Измельчение первичной и вторичной структуры стали обеспечивает­ся также модифицированием и микролегированием. В качестве модификатора использован силикокальций. Микролегирование производилось титаном или ванадием. Микролегирование повышает механические свойства стали, что особенно заметно по сочетанию ,  и KCU моди­фицированных сталей, причем сталь 20ГТЛ оптимизированного состава по механическим свойствам не уступает стали 20ГФЛ.

Сопоставление свойств сталей 20ГЛ, 20ГТЛ и 20ГФЛ проведено также путем статистической обработки результатов механических свойств более 100 производственных плавок каждой марки стали после двух видов термообработки – нормализации и термоулучшения. Нормализация проводилась от 920-940⁰С, термоулучшение состояло из закалки в воде от 920-940⁰С и отпуска при 620-640⁰С для стали 20ГЛ и 660-680⁰С для сталей 20ГТЛ и 20ГФЛ. Микролегированные стали обладают более высокой прочностью, чем сталь 20ГЛ. Термоулучшение существенно повышает прочностные свойства всех сталей по сравнению с нормализованным состоянием. Особенно характерно это для стали 20ГФЛ.

Более сложным и зависящим от химического состава стали является влияние термообработки на ударную вязкость. Отрицательно по сравнению с нормализацией влияет на KCU стали 20ГФЛ термоулучшение. Объясняется это процессами карбидного и карбонитридного старения стали при отпуске. В стали 20ГТЛ основной эффект создается структурой зернистого сорбита, что приводит к повышению KCU при отрицательных  температурах (по сравнению с другими исследованными сталями).

В нормализованном состоянии наилучшее сочетание свойств достигается в стали 20ГТЛ. Учитывая также меньшую стоимость и дефицитность титана по сравнению с ванадием, следует рекомендовать для нормализуемых отливок использовать сталь 20ГТЛ. Для обеспечения наиболее высокой прочности целесообразно микролегировать сталь ванадием (сталь 20ГФЛ) или сочетать ванадий с ти­таном (сталь 20ГФТЛ) и подвергать отливки термоулучшению. Дальнейшее повышение прочностных свойств может быть обеспечено снижением темпе­ратуры отпуска до 580-600⁰С и увеличением прокаливаемости стали за счет ее комплексного легирования.

В связи с тем, что литые детали транспортных машин (в том числе и железнодорожных вагонов) работают в условиях усталостного нагружения с большим количеством ударов, в наиболее полной мере оценить эксплуатационную надежность этих деталей можно по результатам ударно-усталостных испытаний, имитирующих такие условия. Эта характеристика является наиболее чувствительной ко всем видам технологического воздействия на металл. Микролегирование стали ванадием или титаном обеспечивает примерно одинаковый уровень ударно-усталостной прочности, превышающий эту характеристику стали 20ГЛ в 2 и более раз (без модифицирования).

Модифицирование оказывает особенно сильное влияние на ударно-усталостную прочность стали 20ГЛ, повышая ее в 1,7 раза. Характерно также сближение свойств сталей 20ГЛ, 20ГТЛ и 20ГФЛ после модифицирования, однако и в этом случае микролегированная сталь имеет ударно-усталостную прочность почти в 1,5 раза выше, чем сталь 20ГЛ.

Результаты испытаний показали целесообразность совместного микролегирования и модифицирования стали, причем для микролегирования  предпочтительнее использовать титан, оказывающий сильное и стабильное влияние на ударно-усталостную прочность стали и являющийся по сравнению с ванадием значительно более дешевым легирующим элементом.