ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И МОДИФИЦИРОВАНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ 20ГЛ

 

Кульбовский И.К., Иващенков Ю.М. (БГТУ, г. Брянск, РФ)

 

In work exploration of dependences between mechanical properties of steel 20ГЛ and its chemical compound is lead. Have defined mathematical dependences and the equations of regress with use of program Excel.

 

На структурообразование стали и формирование ее механических и эксплутационных свойств оказывают влияние множество факторов, параметров и процессов как внешних, так и внутренних, происходящих на макро- и микро- уровнях. Одним из важнейших факторов является химический состав.

Влияние элементов на механические свойства литого технического железа после нормализации и отпуска представлено на рис. 1 [1].

Представленные материалы показывают, что самыми эффективными легирующими элементами, повышающими предел прочности феррита, являются: углерод, фосфор, бериллий, медь (при содержании до 1,75-2,0%), а также кремний и марганец (более 2%); значительное увеличение предела прочности дают молибден (более 1,0%) и бор (более 0,05%).

По этим исследованиям [1] для достижения получения сочетаний механических свойств литых конструкционных малоуглеродистых, хорошо сваривающихся сталей содержание легирующих добавок в них должно быть следующим (в %): 0,12-0,18 С; 0,2-0,6 Si; 1,2-2,0 Мn; 0,8-2,0 Ni; 1,0-1,5 Сг;    0,6-1,5 Сu; 0,2-0,4 Мо; 0,2-0,4 W; менее 0,1 А1; 0,1-0,2 V; 0,05-0,1 Nb:            0,05-0,1 Ti; 0,05-0,1 Zr; 0,15-0,20 Се; 0,003-0,005 В; не более 0,03 Р и менее    0,03 S.

Приведенные данные относятся к раздельному влиянию каждого элемента.

Анализ показал, что нет однозначного мнения о комплексном влиянии различных элементов состава стали на формирование структуры и свойств отливок. Это касается как легирующих элементов, так и сопутствующих постоянно содержащихся в стали элементов – C, Mn, Si, S, P, Al, Ca. Особенно важно знать их оптимальное сочетание для комплексного повышения свойств стальных отливок. Важное влияние оказывают на свойства стали микропримеси, вносимые как при раскислении, так и при микролегировании и модифицировании стали. В последнее время все больше уделяется внимания применению этих технологических процессов для повышения свойств стали, однако пока нет достоверных данных для промышленного их применения, что может служить задачей проведения таких исследований.

Для технических сплавов представляется необходимым исследование комплексного влияния элементов.

Среди химических элементов, входящих в состав стали 20ГЛ и имеющих относительно широкий интервал варьирования в рамках ГОСТ и ТУ, а также оказывающих значительное влияние на микроструктуру и свойства стали, были выбраны С, Mn, Al, Si и Cа вводимый в виде СaSi, и модификатор КЦеЖ содержащий Се проявляющий сильное нитридообразующее действие.

Свойства стали 20ГЛ после нормализации должно быть по ТУ завода и ГОСТ 22703 – 91 следующие: σ_т = 290-370 МПа, σ_в = 490-520МПа, δ = ³ 18%, ψ = ³ 25%.

Рисунок 1- Влияние добавок различных элементов на механические свойства технического железа. Содержание легирующего элемента Е, %: а – до 0,6; б – до 3,0; в – до 5,0

 

Сталь 20ГЛ по ТУ завода должна иметь следующий химический состав (табл. 1).

При составлении плана ДФЭ 2^5-2 изменение содержания С, Mn, Al от нижнего (-1) к верхнему (+1) уровню принимали в соответствии с требованиями ТУ на химический состав стали 20ГЛ (табл. 1), изменение содержания CaSi – по заводскому техпроцессу.

 

Таблица 1-Химический состав стали 20ГЛ по ТУ завода

Химический состав, % по массе
C	Mn	Si	S*	P*	Cr	Ni	Cu	Al	Ti
			Не более
0,17-0,25	0,90-1,40	0,20-0,60	0,040	0,040	0,30	0,30	0,30	0,02-0,04	0,002-0,01

* - по требованиям ТУ ∑ (P+S) £ 0,06

 

Для исследования комплексного влияния элементов на сталь 20ГЛ были произведены лабораторные плавки в индукционной электропечи ЛПЗ – 67 с кислым тиглем в ЦЗЛ ООО «ПК «БСЗ» (табл. 3) с применением математического метода планирования эксперимента (плана ДФЭ 2^5-2), позволяющим достигать желаемого результата при проведении минимального количества опытов.

 

Таблица 2 - План ДФЭ 2^5-2 для оптимизации состава стали 20 ГЛ

Факторы плана	Содержание элементов и количества вводимых в сталь материалов, %					Исследуемые свойства
	С	Mn	КЦеЖ	CaSi	Al	sТ, sв, d, y
Основной уровень (Хi0)	0,20	1,15	0,135	0,085	0,06
Интервал варьирования (DХi0)	0,05	0,35	0,115	0,065	0,04
Верхний уровень (+1)	0,25	1,50	0,25	0,15	0,10
Нижний уровень (-1)	0,15	0,80	0,02	0,02	0,02
Код факторов (Хi)	Х1	Х2	Х3	Х4  (Х1 Х2 Х3)	Х5 (Х2 Х3)

 

Изменение содержания модификатора КЦеЖ в плане (табл. 2) является объектом исследования, направленного на поиск оптимального его количества, обеспечивающего повышение свойств стали 20ГЛ, поэтому его принимали на основании предварительных опытно-промышленных исследований.

Задача состояла в разработке методики, позволяющей выбирать оптимальное сочетание их содержания, обеспечивающего свойства стали 20ГЛ, находящиеся не ниже требований ТУ.

Математическая зависимость получаемая преобразованием плана ДФЭ 2^5-2 имеет вид:

,                  (1)

По экспериментальным данным (табл. 3) вывели уравнения регрессии, показывающие совокупное влияние всех элементов на предел текучести (σ_т), предел прочности (σ_в), относительное удлинение (δ) и относительное сужение (ψ) стали 20ГЛ.

                   (2)

                                 (3)

                     (4)

                      (5)

 

Таблица 3- Данные результатов лабораторных плавок стали 20ГЛ в индукционных электропечах ЛПЗ – 67 ЦЗЛ ООО «ПК«БСЗ» в 2004 г

Для наглядного восприятия расчетов построили графические зависимости (рис. 2 – 4).

В уравнениях (2) – (5) свободный член после знака равенства показывает значение переменных факторов на уровне «0». Коэффициенты при переменных факторах указывает на силу их влияния на свойства, и знак – на направленность их влияния.

Из уравнений вытекает:

1. Углерод имеет наибольшую силу влияния на все свойства, и при его увеличении от нижнего (-1; 0,15%) до верхнего (+1; 0,25%) уровня он снижает d, ψ и увеличивает s_т, σ_в. Углерод существенно повышает порог хладноломкости, что объясняется увеличением доли перлитной составляющей в структуре стали, цементитные включения которой препятствуют пластическому течению металла и при низких температурах являются концентратами напряжений и местами зарождения трещин. Поэтому нежелательным является верхний предел его содержания в марке 20ГЛ.

2. Марганец при его увеличении от нижнего (-1; 0,8%) до верхнего          (+1; 1,5%) уровня повышает s_т, σ_в и снижает d, ψ; лигатура КЦеЖ при увеличении от нижнего к верхнему уровню повышают все свойства, а CaSi снижает при этом все свойства стали.

Влияние марганца на пластичность имеет экстремальный характер. Увеличение содержания Мn до 1,1 % приводит к увеличению относительного удлинения, относительного сужения стали, затем к снижению этих свойств.

3. Алюминий в значительной мере определяет остаточное содержания кислорода в стали и благодаря этому влияет на характер, форму и расположение выделений оксидов в структуре.

4. При вводе силикокальция образуются легкоплавкие включения железо-марганцовых силикатов с кальцием. Вводимый вслед за этим алюминий воздействует в основном на эти неметаллические включения, вытесняя из их состава железо, марганец и кремний.

Рисунок 2- Зависимость значения σ_т от содержания КЦеж и С при содержании в %: Mn=0,8; Al=0,035; CaSi=0,02

Рисунок 3- Зависимость значения δ от содержания КЦеЖ и С при содержании в %: Mn=0,8; Al=0,035; CaSi=0,02

Рисунок 4- Поправочные коэффициенты для расчета влияния CaSi, Al, Mn на σ_т химических элементов на механические свойства стали 20ГЛ для отливок железнодорожного транспорта

Литература

1. Степанов С.А., Гуляев Б.Б. Влияние легирующих добавок на механические свойства малоуглеродистой стали// Основы образования литейных сплавов. Труды XIV совещания по теории литейных процессов. – М.: «Наука», 1970. -С.228.