ИССЛЕДОВАНИЕ  ОТЛИВОК  ИЗ  СТАЛИ  20ГЛ  НА  ПРЕДМЕТ  СООТВЕТСТВИЯ  ТЕХНИЧЕСКИМ  ТРЕБОВАНИЯМ  ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО  ТРАНСПОРТА

Павлов  Александр  Викторович

магистр  естественных  наук,  научный  сотрудник 
Восточно-Казахстанского  государственного  университета  им.  С.  Аманжолова, 
Республика  Казахстан,  г.  Усть-Каменогорск

Е-mail :  Alexandr_Pavlov_1988@mail.ru

Квеглис  Людмила  Иосифовна

д-р  физ.-мат.  наук  РФ  и  РК,  профессор  кафедры  физики, 
Сибирского  федерального  университета, 
РФ,  г.  Красноярск

Е-mail : 

Романова  Анастасия  Алексеевна

магистр  естественных  наук,  научный  сотрудник 
Восточно-Казахстанского  государственного  университета  им.  С.  Аманжолова, 
Республика  Казахстан,  г.  Усть-Каменогорск

Е-mail : 

Рахадилов  Бауыржан  Корабаевич

д-р  (PhD)  философии  по  специальности  «Техническая  физика»,  ведущий  научный 
сотрудник  Восточно-Казахстанского  регионального  технопарка  «Алтай», 
Республика  Казахстан,  г.  Усть-Каменогорск

Е-mail : 

" target="_blank">bor1988@mail.ru

Жилкашинова  Альмира  Михайловна

канд.  физ.-мат.  наук,  заведующая  лабораторией  энергосбережения  и  альтернативной  энергетики  национальной  научной  лаборатории  коллективного  пользования  ВКГУ  им.  С.  Аманжолова, 
Республика  Казахстан,  г.  Усть-Каменогорск,

Е-mail :  almira_1981@mail.ru

RESEARCH  OF  STEEL  CASTINGS  OF  20GL  FOR  RAIL  TRANSPORT  ON  CONFORMANCE  THE  TECHNICAL  REQUIREMENTS

Pavlov  Alexandr

master  of  Science,   Researcher  of  the  East  Kazakhstan  State  University  S.  Amanzholov, 
Republic  of  Kazakhstan,  Ust-Kamenogorsk

Kveglis  Lyudmila

doctor  of  Physical-Mathematical  Sciences,  Professor  of  the  Department  of  Physics,  Siberian  Federal  University  
Russia,  Krasnoyarsk

Romanova  Anastasiya

master  of  Science,  Researcher  of  the  East  Kazakhstan  State  University  S.  Amanzholov, 
Republic  of  Kazakhstan,  Ust-Kamenogorsk

Rahadilov  Bauirzhan

doctor   (PhD)  in  the  specialty  of  philosophy  “Technical  Physics”,  a  leading  researcher  of  the  East  Kazakhstan  regional  technology  park  “Altay”, 
Republic  of  Kazakhstan,  Ust-Kamenogorsk

Zhylkashynova  Almira

candidate  of  Physical  and   Mathematical  Sciences ,   Head  of  the  Laboratory   of  energy  saving  and  alternative  energy  a  national  scientific  laboratory  for  communities  EKSU   S.  Amanzholov, 
Republic  of  Kazakhstan,  Ust-Kamenogorsk

АННОТАЦИЯ

Статья  посвящена  изучению  процесса  выплавки  и  термической  обработки  деталей  для  железнодорожного  транспорта.  Данная  научная  работа  представляет  интерес  для  производителей,  которые  сталкиваются  с  проблемой  брака  при  выходе  продукции.  Исследовали  физические  и  механические  свойства,  химический  состав,  микроструктуру  и  фазовый  состав  стали.  Показано,  что  структурная  неоднородность  соединений  серы  ухудшает  механические  свойства  стали.

ABSTRACT

The  paper  studies  the  process  of  melting  and  heat  treatment  of  parts  for  railway  transport.  This  scientific  work  is  of  interest  to  manufacturers  who  are  faced  with  the  problem  of  marriage  at  the  exit  of  products.  The  physical  and  mechanical  properties,  chemical  composition,  microstructure  and  phase  composition  of  the  steel.  It  is  shown  that  the  structural  heterogeneity  of  sulfur  affects  the  mechanical  properties  of  the  steel.

Ключевые  слова:   балка  надрессорная;  рама  боковая;  ударная  вязкость;  нормализация;  литейные  дефекты;  сульфид;  хладностойкость.

Keywords:   bolster  beam;  frame  side;  index  of  toughness;  normalization;  casting  defect;  sulfide;  cold  resistance.

Настоящая  работа  посвящена  исследованию  процесса  выплавки  и  термической  обработки  изделий  для  железнодорожного  транспорта  (балка  надрессорная  и  рама  боковая),  выпускаемых  на  АО  «Востокмашзавод»,  Казахстан,  г.  Усть-Каменогорск.  Согласно  международным  требованиям,  для  получения  сертификата  на  выпуск  годной  продукции,  по  стандартной  методике,  разработанной  научно-инновационным  центром  «Вагоны»,  г.  Санкт-Петербург,  вышеуказанные  детали  подвергались  статическим,  динамическим,  физико-механическим  и  иным  испытаниям.  По  результатам  испытаний  установлено  несоответствие  требованиям  ГОСТ  32400-2013  [1]  по  следующим  показателям:  ударная  вязкость,  предел  текучести,  временное  сопротивление,  относительное  удлинение,  сужение.  Работа  по  установлению  причин  несоответствия  проводилась  совместно  с  Восточно-Казахстанским  государственным  университетом,  в  рамках  г/б  проекта  №  118  «Исследование  влияния  химического  состава,  термической  обработки,  модифицирования  и  микролегирования,  на  ударную  вязкость  стали  20ГЛ  при  низких  температурах  для  отливок  железнодорожного  транспорта,  и  разработка  методики  неразрушающего  контроля  ударной  вязкости». 

Методика  проведения  анализа.  Статические  испытания  на  растяжение  проводили  при  комнатной  температуре  на  машине  одноосного  статического  нагружения  «WAW-600C»  с  записью  диаграмм  растяжения  в  соответствии  с  ГОСТ  1497  [2].  Испытания  проводились  на  цилиндрических  образцах  диаметром  10  мм  одноосным  статическим  растяжением  до  разрыва  с  измерением  физического  предела  текучести,  временного  сопротивления,  относительного  равномерного  удлинения  и  сужения.  Испытательное  оборудование  и  средства  измерений  соответствовали  ГОСТ  1497  [2].

Испытания  на  ударную  вязкость  проводили  на  образцах  типа  11  (V-образный  концентратор,  ГОСТ  9454  [3])  на  маятниковом  копре  IMPACTP-300  с  автоматической  системой  управления.  Для  испытания  на  ударную  вязкость  образцы  и  щипцы  охлаждали  в  термостате  до  температуры  от  минус  66ºС  до  минус  64  ºС,  согласно  ГОСТ  9454,  и  выдерживали  не  менее  15  минут.  Время  от  момента  извлечения  из  термостата  до  испытания  образцов  не  превышало  5  секунд,  измерение  производили  секундомером  по  ТУ25-1894.003  [8].

Исследование  фазового  состава  микроструктуры  и  балла  зерна  проводили  на  оптическом  микроскопе,  модель  «4xc-v»  с  цифровой  камерой,  подключенной  к  компьютеру.  Фотографии  микроструктуры  образцов,  полученные  при  увеличениях  ×100  и  ×500  анализировали  методом  сравнения  с  эталонами  микроструктуры  в  соответствии  с  требованиями  ГОСТ  5639  [4]  и  ГОСТ  32400-2013. 

Последнее  исследование  проводили  в  г.  Красноярск  на  сканирующем  электронном  микроскопе  с  микроанализатором  Hitachi  ТМ3000.  Исследовали  образцы  стали  с  изломом  и  гладкой  поверхностью  во  вторичных  электронах  и  в  лучах  характеристического  рентгеновского  излучения.

Результаты  исследований  и  их  обсуждение.

Деталь  «балка  надрессорная»  была  подвержена  двойной  термообработке:  нормализация  при  900  °С  и  высокий  отпуск  665  °С  согласно  ГОСТ  32400-2013.  Режим  нормализации:  нагрев  до  700  °С  за  2  ч  40  мин,  затем  плавный  нагрев  до  900  °С  за  1  ч  и  выдержка  4  ч,  с  последующим  охлаждением  на  воздухе.  Режим  отпуска:  нагрев  до  665  °С  за  2  ч  50  мин,  выдержка  3  ч  с  последующим  охлаждением  на  воздухе. 

Таблица  1. 

Статическое  испытание  образцов  на  растяжение

Нормализация  вызывает  значительное  упрочнение  и  соответствующее  снижение  пластичности  и  вязкости.  Высокий  отпуск  после  нормализации  значительно  снижает  склонность  стали  к  хрупкости,  т.  е.  существенно  повышает  хладноломкость  (вязкость  при  отрицательных  температурах).

Испытания  на  растяжение  проводили  после  первой  и  второй  термообработки  (ТО1,  ТО2)  см.  таблицу  1,  рисунок  1. 

Из  таблицы  1,  рисунок  1  видно,  что  после  второй  нормализации  значения  предела  текучести  увеличилось  на  155  МПа,  временного  сопротивления  на  153  МПа,  относительное  удлинение  и  сужение  значительно  не  изменилось.  Таким  образом,  двойная  термическая  обработка  в  виде  нормализации  с  высоким  отпуском  улучшает  механические  свойства  стали.

Испытание  на  ударную  вязкость  (таблица  2),  является  основным,  в  связи  с  нестабильностью  данного  параметра,  так  как  ударная  вязкость  зависит  от  многих  факторов:  химического  состава,  микроструктуры,  термообработки,  литейных  дефектов  и  т.  п.

Рисунок  1.  Диаграммы  растяжения  образцов  из  стали  20ГЛ.  а  —  после  первой  термообработки,  б  —  после  второй  термообработки

По  данным  исследований  НИЦ  «Вагоны»  ударная  вязкость  образца  исследуемой  детали,  вырезанного  из  тела  отливки  ближе  к  наклонной  плоскости,  толщина  стенки  около  20  мм,  составляла  8,3  Дж/см².  Как  уже  было  отмечено  выше,  на  физико-механические  свойства  металла  влияют  внутренние  литейные  дефекты,  с  целью  уменьшения  влияния  литейных  дефектов,  образец  для  повторного  испытания  был  вырезан  с  зоны  А,  ближе  к  подпятнику,  где  толщина  металла  составляла  около  30  мм. 

Таблица  2.

Динамическое  испытание  образцов  на  ударную  вязкость

Таким  образом,  мы  видим  положительный  результат,  не  значительное  увеличение  значения  ударной  вязкости  после  второй  термообработки.  Однако  необходимо  отметить  нестабильность  показаний  в  зависимости  от  сечения  детали.

Результаты  металлографического  исследования  на  оптическом  микроскопе  после  первой  термообработки  (ТО1)  представлены  на  рисунке  2.

Рисунок  2.  Микроструктура  стали  20ГЛ  после  первой  термической  обработки

Микроструктура  однородная,  феррито-перлитная,  с  равномерным  распределением  структурных  составляющих,  балл  зерна  по  шкале  ГОСТ  5639  –  8,  что  является  допустимым  по  ГОСТ  32400-2013  (не  ниже  8-го).  Показатель  твёрдости  измеренный  методом  Бринелля  по  ГОСТ  9012  [5]  составляет  152  ед.

Результаты  металлографического  исследования  после  второй  термообработки  (ТО2)  представлены  на  рисунке  3.

Рисунок  3.  Микроструктура  стали  20ГЛ  после  первой  термической  обработки

Микроструктура  однородная,  феррито-перлитная,  с  выделением  перлита  в  виде  перлитной  сетки,  балл  зерна  уменьшился  до  9-го,  что  так  же  является  хорошим  показателем.  Твердость  по  Бринеллю  возросла  на  11  единиц  и  составляет  163  ед.,  по  сравнению  с  ТО1,  вследствие  выделения  перлитной  фазы.

Для  выявления  причин  несоответствия  отливок  техническим  требованиям  было  проведено  исследование  образцов  на  рентгеновском  микроанализаторе  Hitachi  ТМ3000.  На  рисунке  4  приведены  фотографии  излома  образца  стали  20ГЛ,  полученные  с  растрового  электронного  микроскопа  ТМ3000.  В  ходе  исследования  выявлено  неравномерное  распределение  по  объему  образца  марганца  и  ассоциированной  с  ним  серы.  Сера  является  вредной  примесью,  снижающей  механическую  прочность  и  свариваемость  стали,  а  также  ухудшающей  ее  электротехнические,  антикоррозионные  и  другие  свойства.  Отрицательное  влияние  серы  на  свойства  стали  обычно  сказывается  уже  при  содержании  0,01—0,015  %  [6].  Таким  образом,  технологические  приемы  плавки  должны  способствовать  глубокой  десульфурации  в  восстановительном  периодах.

Рисунок  4.  Картирование  изображения  в  лучах  характеристического  рентгеновского  излучения  серы  (слева)  и  марганца  (справа)

Как  показано  в  работе  [7],  при  кристаллизации  стали  включения  сульфида  железа,  сульфида  марганца  и  оксисульфидов  выделяются  в  жидком  виде.  Неметаллические  включения  в  виде  тонких  пленок  располагаются  на  границе  зерен  литого  металла,  занимая  большую  площадь.  При  температуре  более  1000  °С  (температура  красного  каления)  эти  включения  находятся  в  жидком  или  пластичном  состоянии,  что  приводит  к  повышению  жидкотекучести,  но  вместе  с  тем  вызывает  красноломкость  стали  [10].  Так  же  были  обнаружены  капсулы  размером  порядка  десятых  долей  миллиметра  и  менее,  содержащие  марганец  и  серу.  Капсула  представляет  собой  гладкую  полость,  на  дне  которой  находится  частица  сульфида  марганца  (см.  рис.  5).

Рисунок  5.  Капсула,  в  которой  находится  частица  сульфида  марганца

В  таких  полостях  происходит  концентрация  напряжений  при  механическом  ударе,  что  приводит  к  дальнейшему  образованию  микротрещин.

Поскольку  сульфиды  находятся  в  межзеренных  областях  они  влияют  так  же  на  процессы  структурно-фазовых  превращений,  это  необходимо  учитывать  и  стремиться  к  наилучшему  десульфурированию  при  плавке.  При  достаточном  раскислении  стали  алюминием  получают  плотные  отливки.  Получение  отливки,  лишенной  пористости,  не  означает,  что  сталь  была  раскислена  в  оптимальных  условиях.  Чтобы  избежать  вредных  сульфидов,  необходим  избыток  алюминия  по  сравнению  с  количеством,  обеспечивающим  плотные  отливки.  Образующееся  при  термообработке  стали  мелкое  зерно  перлита,  получаемое  после  присадки  алюминия,  существенно  повышает  показатели  ударной  вязкости  стали  при  низких  температурах.  Правильно  выбранный  режим  термической  обработки  позволяет  получить  оптимальную  структуру  стали,  обеспечивающую  наивыгоднейшее  сочетание  механических  показателей,  в  том  числе  наивысшую  хладностойкость.

Далее  был  проведен  микроанализ  шлифованной  поверхности  образца  на  растровом  электронном  микроскопе  с  системой  микроанализа  INCA  Energy  рисунок  6. 

Рисунок  6.  Микрофотография  поверхности  образца  (с  лева),  спектральный  микроанализ  поверхности  (справа)

Известно,  что  сталь  содержащая  пленочные  межкристаллитные  сульфидные  включения  2-города  (межкристаллитные  сульфиды  в  форме  цепочек  или  скоплений  мелких  шаровидных  сульфидов  либо  в  форме  мелких  пленок),  обладает  самыми  низкими  механическими  свойствами  [9],  поэтому  целесообразным  является  получение  в  стали  сульфидных  включений  1-го  (сульфиды  шаровидной  формы  беспорядочно  распределенные  в  металлической  матрице)  или  3-его  типа  (многогранные  сульфиды  обычно  довольно  массивные  и  часто  связанные  свключениями  окиси  алюминия),  что  обеспечит  оптимальное  сочетание  прочностных  и  вязких  свойств  стали.  Для  этого  необходимо  в  литой  стали  иметь  остаточное  содержание  алюминия  не  менее  0,03  %  [11],  что  позволит  получить  плотные  отливки  с  3-м  типом  сульфидов.  Однако  не  следует  слишком  увеличивать  верхний  предел  содержания  алюминия,  т.  к.  это  может  привести  кдополнительному  загрязнению  стали  мелкими  дисперсными  включениями  глинозема  Al₂O₃.

Выводы: 

1.  На  результаты  физико-механических  испытанийв  значительной  степени  влияют  литейные  дефекты,  место  отбора  образца,  сечение  детали.

2.  Из  всех  технологических  факторов  в  процессе  выплавки  стали  наибольшее  влияние  на  ее  свойства,  в  том  числе  ударную  вязкость,  оказывают  процессы  конечного  раскисления,  определяющие  природу  и  характер  распределения  неметаллических  включений.

3.  Оптимальным  режимом  термообработки  является  двойная  нормализация  с  отпуском.

4.  Исследование  структуры  и  механических  свойств  стали  20  ГЛ  показали,  что  структурные  неоднородности,  обусловленные  наличием  соединений  серы  (MnS  и  FeS)  ухудшают  механические  свойства  стали.

Список  литературы:

1. ГОСТ  32400-20013  Рама  боковая  и  балка  надрессорная  литые  тележек  железнодорожных  грузовых  вагонов.
2. ГОСТ  1497-87  Металлы.  Методы  испытаний  на  растяжение.
3. ГОСТ  9454  Металлы.  Метод  испытания  на  ударный  изгиб  при  пониженных,  комнатной  и  повышенных  температурах.
4. ГОСТ  5639-82  Стали  и  сплавы.  Методы  выявления  и  определения  величины  зерна.

5. ГОСТ  9012  Металлы.  Метод  измерения  твердости  по  Бринеллю.

6. Лямкин  С.Э.,  Немцев  И.В.,  Ахметжанов  Б.К.,  Квеглис  Л.И.  «Влияние  соединений  серы  на  ударную  вязкость  марганцовистых  сталей»,  материалы  международной  научно-практической  конференции  «Наука,  образование,  общество:  модернизация  и  инновации».  г.  Барнаул.  2014.  —  176  с.
7. Перевязко  А.Г.,  Лисниченко  Л.Н.,  Никитин  В.И.  и  др.  Влияние  химического  состава  на  механические  свойства  сталей  20ГЛ  и  20ГФЛ.  Литейное  производство.  —  1979.  —  №  12.  —  с.  8—9. 
8. ТУ  25-1894.003-90.Секундомеры  (НД  АО  Востокмашзавод).
9. Эген  Ж.В.,  Альтман  П.,  Де  Си  А.  Раскисление,  формасульфидных  включений  и  свойства  литой  стали.  «30  Международный  конгресс  литейщиков».  М.:  Машиностроение,  1967.
10. Lemaitre  A,  CarlsonJ.  Boundary  lubrication  with  a  glassy  interface.  PHYSICAL  REVIEWE.  2004.  -  69,  061611.