Механические свойства стали 110гізл

Получение изделий с высокой долговечностью и повышенной износостойкостью - одна из основных задач, поставленных перед черной металлургией сегодня. Поэтому большое значение приобретают исследования по созданию новых сплавов и разработке новых прогрессивных методов обработки сплавов и легирования. Одним из направлений повышения эффективности литейного производства и конкурентоспособности получаемых отливок является улучшение их качества при снижении себестоимости. Это требует разработки новых и усовершенствования известных технологий, позволяющих получать более стабильные результаты, обеспечивающие получение отливок с заданными свойствами. Однако использование данных методов не позволяет обеспечить необходимое качества отливок, по размерно-геометрической точности, чистоте поверхности и структурной однородности. Задачей данной работы было попытаться выявить природу большой ударной вязкости стали 110Г13Л. Несмотря на большое число работ, посвященных стали, нет еще единой теории самоупрочнения ее при ударном нагружении. По мнению ряда авторов, большую роль в упрочнении стали 110Г13Л играет измельчение блоков и микронапряжения. Высокая вязкость аустенита наряду с достаточной прочностью и износоустойчивостью делает сталь 110ГЗЛ незаменимым материалом для деталей, работающих на износ и удар одновременно. Из стали 110Г13Л изготавливают черпаки экскаваторов, траки гусениц тракторов, трамвайные крестовины, детали камнедробилок и другие детали. В этих деталях трение сопровождается ударами и большими давлениями. При абразивном износе, когда давление и, следовательно, наклеп отсутствуют, сталь 110Г13Л не имеет существенных преимуществ в отношении износоустойчивости перед другими сталями такой же твердости.

В зависимости от состава и методов обработки, сталь Гадфильда имеет различные физические и механические свойства. В работе Давыдова Н.Г. описываются механические свойства стали 110Г13Л. Мы считаем, что изучение свойства стали помогут нам узнать как можно больше о ее природе для дальнейшего улучшения механических и физических качеств. Ударная вязкость – является одной из важнейших характеристик надежности отливок из высокомарганцевой стали. Однако существенным недостатком у.д. как критерия для оценки способности стали сопротивляться разрушению при ударных или значительных статических нагрузках является отсутствие её исходной величины, минимально достаточной для суждения о пригодности отливок к эксплуатации при положительной и особенно отрицательной температурах.

Данная работа представляет собой более подробное описание механических свойств стали 110Г13Л, которое сделано на основе теоретического анализа работ по данной проблеме и некоторых результатов собственных экспериментальных исследований.

Рис. 1. Микроструктура стали 110Г13Л

В работе применена методика испытаний на металлографию из стали 110Г13Л после исследуемых видов термообработки. Полученные в различных условиях поверхности испытываются при разнообразных сочетаниях удара и трения, при действии статического нагружения.

Изучению превращений и их особенностей в сплавах системы Fe-Mn посвящено большое число работ. Наиболее значительными являются работы И.Н. Богачева с сотрудниками (г. Свердловск), Л.И. Лысака и Б.И. Николина (г. Киев), О.Г. Соколова (г. Ленинград), А.П. Гуляева, И.Я. Георгиевой (г. Москва) и Н. Шумана (г. Росток, ГДР). В сплавах содержащих 10-14,5% Мn, из аустенита образуется как ферромагнитный α-мартенсит (ОЦК), так и парамагнитный ε-мартенсит (ГПУ).

В 1929 г. при рентгенографическом исследовании кристаллической структуры железомарганцевых сплавов, содержащих от 11,8% до 29,3% Мn, кроме α, Шмидт обнаружил еще одну мартенситную фазу с гексагональной плотно упакованной решеткой, которую обазначил ε-фазой или ε-мартенситом. Он же показал, что с увеличением содержания марганца в гетерогенной области наблюдается непрерывное изменение параметров кристаллической и отношение осей с/а ε-мартенсита практически не зависит от содержания марганца и равно 1,604 (для идеальной ГПУ решетки с/а=1,633). Это позволило Шмидту утверждать, что новая фаза представляет собой твердый раствор и образуется из аустенита по сдвиговому механизму без изменения концентрации марганца в твердом растворе.

В сплавах с 10-20% Мn при комнатной температуре существуют одновременно три фазы: α, ε и γ, что противоречит правилу Гиббса, по которому в системе, находящейся в равновесии, число фаз не должно превышать двух, но для нестабильных фаз правило Гиббса неприменимо

Модель фазового превращения γ→ε→α была разработана А Венейблсом, применительно к коррозионно-стойким сталям, в которых эти фазовые переходы протекают при деформации. Согласно этой схеме, в процессе первого сдвига происходит смещение каждой второй плоскости (111) γ в направлении [211] γ на расстояние . Второй сдвиг заключается в смещении плоскостей (112) γ в направлении [110] γ, что приводит к переходу ГПУ решетки в ОЦК, в соотношениями Курдюмова-Закса.

Ориентировки кристаллических решеток ε- и γ-фаз при мартенситном γ→ε превращении теоретически рассчитаны Нишияма, подтверждены на моно- и поликристаллических образцах железомарганцовых сплавов рентгенографически И. Парром, Л.И. Лысаковым, Б.И. Николиным и при электронно-микроскопическом исследовании на просет тонких фольг сплава Г20.

В сплавах с 12,6% Mn γ→ε и ε→α прямые превращения не различаются по температуре, но в сплавах с содержанием марганца больше 12,6% как при нагреве, так и при охлаждении происходят два мартенситных превращения, протекающихс противоположными объёмными эффектами, и в сплаве с 13,75% Mn можно определить температуры начала γ→ε (165^оС) и ε→α (150^оС).

Марганец в количестве 9,0—15,0% (пределы, обычно, допускаемые при выплавке стали 110Г13Л) менее заметно влияет на свойства стали, чем углерод В некоторых работах приводятся данные о повышении износостойкости марганцевой стали 110Г13Л в эксплуатационных условиях при уменьшении концентрации марганца до 9,0—11,0% (эта сталь содержала до 1,0% Сr и до 0,5% Ni).

Ниобийсодержащая высокомарганцевая сталь Гадфильда с различным содержанием углерода показала благоприятное влияние повышенной концентрации углерода (до 2,0%) на эту сталь.

Остальные элементы — серу, фосфор, кремний — в целях улучшения износостойкости необходимо поддерживать на минимально возможном уровне.

Из исследований профессора Ю. А. Шульте, а также из работ, проведенных на Иркутском заводе тяжелого машиностроения (ИЗТМ) им. В. В. Куйбышева, видно, что снижение содержания фосфора в стали 110Г13Л до 0,06% и ниже против обычных 0,11—0,12%, существенно повышает. [2]

Механическая полировка (окисью хрома) и химическое травление в азотно-спиртовом реактиве. Съемка на металлографическом микроскопе Neophot-21 с помощью цифрового фотоаппарата (х167). Средний размер зерна аустенита составляет порядка около 99,23 мкм. При этом в литейном цехе Норильского комбината для контроля макроструктуры металла зубьев ковшей карьерных экскаваторов и других ответственных деталей принята пятибалльная шкала

балл 1 — зерно мелкое; транскристаллизация отсутствует; макроструктура хорошая (а);

балл 2 — зерно в основном мелкое и среднее; отдельные крупные зерна занимают в центральной части излома образца не более 20—25% площади; транскристаллизации не наблюдается; макроструктура удовлетворительная (б);

балл 3 — зерно среднее и крупное; наблюдается транскристаллизация, крупнозернистость и транскристаллизация занимают не более 50% площади излома образца: макроструктура предельно допустимая (в);

балл 4 —зерно весьма крупное; явно выражено транскристаллическое строение металла; крупнозернистость и транскристаллизация занимают свыше 50% площади излома образца; микроструктура образца явно неудовлетворительная (г);

балл 5 — технологический прилив (образец) поражен сквозной транскристаллизацией; макроструктура отливки явно неудовлетворительная (д).

Как известно, с уменьшением величины микро- и макрозерна высокамарганцевой стали резко улучшаются ее механические свойства, хладостойкость, возрастает трещиноустойчивость и износостойкость. Размер аустенитного зерна отливок можно оценивать по ГОСТ 5639—65 (баллы 1—5 шкалы 3). Микрозерно высокомарганцевой стали должно быть мелким, но допускается и среднее (баллы 2—4). Границы зерен не должны быть утолщенными и слишком резкими.[2]

Ударная вязкость образцов, измерение которых проводились на маятниковом копре, составляет 21,0.

По данным же эксплуатаци отливок из стали 110Г13Л в условиях Норильска, для деталей, работающих в режиме ударно-абразивного износа, минимальная величина у.в. должна составлять при положительной температуре не менее 150 Дж/см² [15(кгс·м)/см²], а при –40^оС не ниже 80 Дж/см² [8(кгс·м)/см²]. Если же отливки предназначаются к эксплуатации в условиях преимущественного истирания, то величину у.в. при указанных температурах можно допустить более низкую: 80 и 50 Дж/см² [8 и 5 (кгс·м)/см²] соответствено. Мы считаем, что нужно принять у.в. при положительной температуре 120-220 Дж/см² [16-22(кгс·м)/см²].

На основании изучения литературных данных и результатов испытания образцов на у.в. большого числа плавок Давыдова Н.Г. предлагается следующая эмпирическая формула для приближенного определения у.д. стали в зависимости от ряда факторов:

α_н=36-3,3[C]³-400[P]²-0.4Б²-0,08·(ΣMnO, FeO)²+25[Ti]²+0,2(t-20)

где [C]-концентарция углерода в металле, %; [P]-содержание в металле фосфора,%; Б-балл зерна металла отливки по пятибальной системе согласно Давыдову Н.Г. и Дахно Г.Д.; ΣMnO, FeO-суммарное содержание в шлаке перед выпуском плавки закиси железа и закисимарганца, %; [Ti]-остаочная концентрация в стали титана, %; t-температура испытания образцов, ^оС. Эта формула имеет смысл при следующих условиях: содержание углерода в метале ограничено пределами 0,9-1,5%; концентрация фосфора в стали должна быть не выше 0,15%; суммарное содержание FeO и MnO в шлаке не превышает 10%; сотаточная концентрация титана в металле составляет не более 0,15-0,,2%; испытания образцов на удар производят при температурах 20^оС и от 0 до -50^оС; карбиды в структуре металла отсутсвуют; засоренность стали неметаллическими включениями незначительна.

Средняя величина отклонения у.д., вычисленной по предлагаемой формуле, от фактически полученной при испытании 273 плавок стали составила при 20^оС около 23%, а при -40^оС-около 28%. Эта формула применима только при определенных условиях концентрации компонентов в сплаве, поэтому мы считаем что ее можно применять только для приближенного подсчета у.д. [1]

Микротвердость, измеренная с помощью микротвердомера ПМТ-3, составляет 2684 МПа.

Прибор ПМТ-3 используют для испытания материалов на твердость вдавливанием под нагрузкой от 2 до 200 Г. В качестве вдавливаемого инструмента (индентора) в них применена алмазная пирамида с квадратным основанием и углом при вершине между противоположными гранями 136 . При испытании измеряют длину диагонали отпечатка и подсчитывают число твердости как частное от деления приложенной нагрузки на поверхность полученного отпечатка. Прибор ПМТ-3 обладает совершенным осветительным устройством, которое позволяет рассматривать поверхность предмета эпиобъективом в «светлом поле» и в «темном поле». Для этого поворачивают держатель зеркала вокруг оси от одного упора до другого. Тогда попеременно в ход лучей включаются пластинки для светлого или для темного поля.Общее увеличение микроскопа на приборе ПМТ-3 при визуальных наблюдениях и измерениях 40-кратным эпиобъективом ОЭ-6 с апертурой А=0,65 (фокусное расстояние F=6,16) винтовым окуляром 15-кратным микроскопом АМ9-3 равно 485-487.

Резкость изображения можно повысить, изменяя отверстие диафрагмы, однако это возможно лишь при рассмотрении объекта в светлом поле.Для центровки оптической оси микроскопа, которая состоит в совмещении оси оптической системы с осью индентора, к прибору проложен дополнительный 8-кратный эпиобъектив ОЭ-23 (фокусное расстояние F=23,17, апертура А=0,17), с помощью которого линейное поле зрения микроскопа увеличивается до 1,5 мм вместо 0,2мм (для основного рабочего эпиобъектива ОЭ-6), что позволяет легче отыскивать отпечаток пирамиды на поверхности исследуемого образца. Максимальный ход предметного столика 10 - 12мм. Измерение окулярным микрометром на приборе ПМТ-3 можно вести с точностью  0,5 деления шкалы или с учетом масштаба увеличения с точностью до 0,15мкм.

Исходная твердость высокомарганцевой стали зависит, главным образом, от содержания в ней углерода и остаточных карбидов и составляет после термической обработки НВ 179—230. При эксплуатации отливок под воздействием динамических или значительных удельных статических нагрузок происходит упрочнение (наклеп) их рабочих поверхностей, в результате чего твердость металла повышается до НВ 500 и более. Следовательно, в этом случае твердость является мерилом восприимчивости стали к поверхностному упрочнению. С повышением твердости металла отливок их износостойкость улучшается.

Наблюдения, свидетельствуют о том, что чем мельче было зерно металла зубьев ковшей карьерных экскаваторов ЭКГ-8, тем быстрее происходил наклеп их рабочих поверхностей. При этом начальная твердость стали не зависит от величины аустенитного зерна. Контроль стали 110Г13Л на твердость осуществляют в производственных условиях главным образом для оценки правильности проведения термической обработки отливок (полноты растворения карбидов).Основным видом брака высокомарганцевых отливок являются горячие и холодные трещины и обычно они составляют свыше 77% от общего количества брака. Трещины в отливках из стали 110Г13Л могут иметь форму надрывов, они могут быть сквозными и несквозными, различной глубины, формы и протяженности.[2]

Мы считаем, на трещинообразование высокомарганцевой стали значительное влияние оказывают самые разнообразные факторы: химический состав (особенно содержание фосфора, углерода и кремния), степень раскисленности, температура и скорость разливки по формам, количество, природа, форма и характер расположения неметаллических включений, условия кристаллизации, величина аустенитного зерна, температура отливок в момент их выбивки из форм, режим термической обработки и др.

А.Г. Ковалев и И.П. Волчок указывают, что значительная часть таких отливок, как брони конусных дробилок, била молотковых дробилок и зубья ковшей экскаваторов, в сложных условиях абразивного изнашивания, динамических и статических нагрузок выходила из строя преждевременно из-за появления трещин и, как правило, в начальный период эксплуатации. При этом источниками зарождения трещин служили остаточные карбиды, фосфидная эвтектика, окислы марганца и различные литейные дефекты (газовые, усадочные и шлаковые раковины и спаи). Чем выше температура разливки стали по формам, тем большее время металл находится в жидком состоянии, что ведет к увеличению количества микропор на границах его зерен. По этим причинам межзеренные границы высокомарганцевой стали часто являться плоскостями наибольшей слабины, на которых и происходит зарождение трещин.

Н.Г. Давыдов полагает, трещины на отливках могут появиться при преждевременной их выбивке из форм из-за резкого перепада температур отливок и окружающей среды. В этом случае в отливках возникают большие внутренние напряжения (из-за низкой теплопроводности высокомарганцевой стали и значительного линейного расширения). Р.3. Кац предлагает производить выбивку высокомарганцевых отливок из форм только после того, как температура наиболее нагретых сечений понизится до 400° С. Определение оптимальной продолжительности выдержки в форме сердечников железнодорожных крестовин с целью их выбивки при температуре 400° С позволило снизить брак по трещинам более чем в три раза.

По данным В.П. Тункова, отливки из высоко-марганцевой стали следует выбивать при температуре не выше 450° С. Опыты, проведенные М. М. Нюренбергом и др. на Иркутском заводе, показали, что при выбивке отливок дренажных черпаков массой 2780 кг со стенкой толщиной 40—160 мм через 15 ч после заливки на всех отливках образуются холодные трещины. При выбивке через 30 ч трещин не образуется вообще. На основании исследований и производственных наблюдений Н.Г. Давыдовым было установлено, что для отливок из стали 110Г13Л простой и средней сложности продолжительность их выдержки в форме с момента заливки и до начала выбивки ориентировочно можно определять из следующего выражения (в часах):

τ= (2,5+ 0,075 δ) к,

где δ— преобладающая толщина стенки отливки, мм; к — коэффициент, учитывающий температуру заливаемого в форму металла (при температуре заливки 1400°С к=1; при 1400—1450°С к=1,1; при 1445—1465° С к = 1,15; при температуре 1465° С к= 1,25). В среднем время остывания высокомарганпевых отливок должно быть в 2—2,5 раза больше по сравнению с отливками из углеродистых сталей примерно равной массы, степени сложности и толщины. Проанализировав имеющиеся работы по исследованию влияния различных факторов на трещинообразование высокомарганцевой стали, Н.Г. Давыдов выяснил что до сих пор пока еще не разработано общепринятой надежной и достаточно простой методики для оценки ее трещиноустойчивсти.

В настоящее время не существует единой методики испытания высокомарганцевой стали на износостойкость, что объясняется как многообразием видов ее износа, так и относительно малым количеством соответствующих исследований. Проведя исследования, изучив литературу по стали 110Г13Л, мы заметили, что, хотя и проводились довольно обширные исследования и имеются уже значимые результаты, что механические свойства стали можно улучшить за счет изменения температуры закалки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Волынова Т.Ф. Высокомарганцовистые стали и сплавы. М., Металлургия, 1988. 341 с.

2. Давыдов Н.Г. Высокомарганцевая сталь. М., Металлургия, 1979. 163 с.

3. Соколов О.Г., Кацов К. Б. Железомарганцевые сплавы. Киев: Наукова думка, 1982. 212 с.