Исследование влияния химического состава стали 20ГЛ на механические свойства отливок “Тяговый
хомут” и “Корпус автосцепки”, изготавливаемых
на ОАО ’’БСЗ’’
Кульбовский И. К., Солдатов В. Г. (БГТУ, г. Брянск, РФ)
В настоящее время на ОАО ’’Бежицкий сталелитейный завод ’’ для изготовления отливок ’’Тяговый хомут ’’ и ’’Корпус автосцепки ’’ выплавляют сталь 20ГЛ. Плавку ведут в мартеновских печах с основной футеровкой. Механические свойства этих отливок при существующей технологии плавки и термической обработке удовлетворяют требованиям существующего ГОСТа 22703-91 по первой категории сложности. Она предусматривает самые низкие механические свойства, которые допускаются на сталь 20ГЛ.
МПС ужесточило с 2000 г. требования к литым деталям железнодорожного транспорта в направлении повышения механических свойств и перехода к их изготовлению из стали второй категории по ГОСТ 22703-91, которая предусматривает более высокие механические свойства.
Для решения поставленной задачи было проведено исследование. Провели математическую обработку большого массива промышленных плавок, выполненных в 1999 году в ФСЛ цехе №1 ОАО ’’БСЗ’’. Было обработано 500 мартеновских плавок для отливок ’’Тяговый хомут’’ и ’’Корпус автосцепки’’ с целью выявления математической зависимости предела прочности sВ, предела текучести sТ, относительного удлинения d, относительного сужения j и ударной вязкости KCU-60 от химического состава. Исследуемая функция включала 9 параметров, соответствующих их действительному содержанию в каждой плавке (C, Mn, Si, S, Cr, Ni, Cu, Ti, Al) в стали 20ГЛ в пределах, установленных ГОСТ.
Проведенные расчеты на компьютере показали следующие зависимости :
sВ=-1+61,1C+19,95Mn+20,6Si-141,45S+30,4Cr+9,27Ni+12,02Cu-208,43Ti-5,52Al (кгс/мм2);
sТ=19,68+80,38C+14,96Mn+19,37Si-135,5S+22,52Cr+7,02Ni+4,8Cu-58,11Ti-6,95Al (кгс/мм2);
d=22,46-21,26С+3,88Мn+0,64Si-85,19S-8,34Cr-8,24Ni-0,89Cu+163,4Ti-2,79Al (%);
j=46,82-21,26C+3,88Mn+3,42Si-522,83S-10,55Cr-18,49Ni+3,5Cu+428,3Ti+25,19Al (%);
KCU-60=4,83+6,72C+1,56Mn+0,36Si-94,34S-1,84Cr-2,65Ni+2,83Cu-109,9Ti+7,7Al (кгм/мм2);
Из анализа полученных линейных уравнений выявлено, что наиболее значимыми являются коэффициенты при Mn, С и Si – основных химических элементах стали. Элементы С, Mn и Si повышают прочностные свойства стали sВ, sТ и KCU-60, а пластические свойства d и j понижают. Также из уравнений видно положительное влияние Cr и Al. Хром попадает в сталь из шихты, а Al вводят в ковш при раскислении стали.
Из 500 плавок было выбрано 304 плавки с близким содержанием углерода 0,19-0,21%, в среднем 0,20%, и сгруппировано в 4 группы плавок:
1. Плавки с низким содержанием Si(0,20-0,33%) и Mn(0,90-1,14%);
2. С низким содержанием Si(0,23-0,33%) и повышенным Mn(1,2-1,38%);
3. С высоким содержанием Si(0,34-0,49%) и пониженным Mn(0,90-1,14%);
4. С высоким содержанием Si(0,34-0,54%) и Mn(1,20-1,40%).
Для 4 группы плавок характерны высокие прочностные свойства, КСU-60, среднее значение относительного сужения j=34,5% и пониженное относительного удлинения d=15,4% , но удовлетворяющее требованиям ГОСТ.
Разброс прочностных свойств от 1 к 4 группам составляет для sТ=46,6-54,0 кгс/мм2, для sВ=65,1-69,9 кгс/мм2. Для пластичности и вязкости разброс свойств совсем небольшой, для d=16,5-15,4 %, для j=32,2-34,5 %, для КСU-60 4,4-4,7 кгм/см2.Следовательно понижается только d, но незначительно, а остальные свойства с увеличением содержания Si и Mn растут.
Для надежной работы отливок железнодорожного транспорта неоходимо обеспечить оптимальное сочетание в стали 20ГЛ механических свойств. Это связано с тем, что существует определенная кореляционная связь между ними. Механические свойства стали зависят от ее химического состава, термической обработки, условий проведения плавки и режимов заливки формы.[1]
Увеличение содержания углерода С в стали повышает ее прочность, но снижает пластичность и вязкость, и повышает порог хладостойкости, поэтому нежелательным является верхний предел его содержания в марке 20ГЛ. Марганец при его содержании до 1,2% повышает все механические свойства стали, но снижает ее пластичность и вязкость. При его содержании >1% возрастает горячеломкость стали. Минимальный объем усадочных раковин фиксируется при 1,2% Mn.Кремний при его содержании до 0,4% повышает прочность стали, снижает порог ее хладноломкости и практически не снижает ее пластичность и вязкость. Он повышает литейные свойства стали и тем самым способствует получению более плотных отливок.
Результаты исследования показывают, что механические свойства стали 20ГЛ после термической обработки, включающей закалку и отпуск, в наибольшей степени удовлетворяют ГОСТ 22703-91 по второй категории свойств для следующего химического состава: 0,20% С, 1,20% Mn, 0,40% Si, 0,025% S, 0,12% Cr, 0,15% Ni, 0,25%Cu, 0,001% Ti, 0,02% Al.
1. Машиностроение. Энциклопедия. Стали. Чугуны. Т. II-2/Г.Г. Мухин, А.И. Беляков, Н.Н. Александров и др. : под общ. ред. О.А. Банных и Н.Н. Александров. 2000. 784 с., ил.