Изготовление и оценка качества отливок быстро изнашиваемых деталей из высокомарганцовистых сталей

Н.В. Шаров, А.В. Платонов, В.А. Чумаков, ООО «ОМЗ - Литейное производство» (Санкт-Петербург)

При постоянно повышающихся требованиях заказчиков по износостойкости и ударной вязкости для отливок из стали 110Г13Л возникает необходимость совершенствования технологии изготовления продукции при минимальных затратах. С целью получения конкурентоспособного литья постоянно приходится стремиться к балансу качества и себестоимости. К числу основных факторов получения качественной продукции из стали 110Г13Л (табл. 1) относится технология выплавки и последующей термической обработки.

Несмотря на то, что уровень прочностных и пластических свойств [1], а также износостойкость высокомарганцевой стали в значительной мере определяются ее химическим составом, ГОСТами и техническими условиями различных поставщиков допускаются весьма широкие колебания пределов содержания в металле даже основных элементов: С, Мn, Si, S, P, что явно не оправдано.

Для повышения износостойкости [2] отливок из стали 110Г13Л допускается микролегирование ее титаном (до 0,05%), ванадием (до 0,30%), молибденом (до 0.20%). При микролегировании ванадием повышение прочностных свойств, как правило, не сопровождается снижением хладостойкости. Вместе с тем, износостойкость стали возрастает до 30%. Установлено, что добавка 2% ванадия в сталь 110Г13Л приводит к пятикратному повышению ее сопротивления износа при сохранении ударной вязкости.

Особое внимание хотелось бы уделить содержанию в стали хрома. Легирование хромом (до 1,5%) [2] повышает прочностные свойства и износостойкость стали. Пластичность и вязкость при этом несколько снижаются, но остаются на уровне, превышающем характеристики обычной высокомарганцевистой стали, и обеспечивают нормальную эксплуатацию изделий с повышением износостойкости в среднем на 15–20% [3]. То есть, при легировании стали 110Г13Л хромом до 1,0% (в пределах требований ГОСТа) требуемые показатели по износостойкости можно значительно увеличить.

Основной проблемой получения качественного литья остаётся выбор технологии выплавки и химического состава для отливок с различными условиями эксплуатации.

Качественно проведенная термическая обработка также относится к ключевым факторам успеха при изготовлении литья из стали 110Г13Л. Термическая обработка регламентирована ГОСТ 977-88 – аустенизация при температуре 1050–1100°С с охлаждением в воде. Следует отметить, что столбчатая и дендридная структуры (литая структура) полностью не устраняются [2], и отрицательно сказываются на ударной вязкости стали, устойчивости ее против абразивного изнашивания и динамических нагрузок.

028 1

Оценка качества отливок в производственных условиях

Произведённое ООО «ОМЗ - ЛП» литьё из стали 110Г13Л применяется для экскаваторов с объёмом ковша от 5 до 32 м3, а также для горно-обогатительного оборудования. Продукция из стали марки 110Г13Л занимает значительную долю от всей продукции ООО «ОМЗ - ЛП».

В основном предприятие изготавливает продукцию из стали 110Г13Л с химическим составом по ТУ 108.11.549-87, который полностью соответствует ГОСТ 977-88 (см. табл. 1). Для отливок горно-рудной промышленности, а также с высокими требованиями по ударной вязкости на ООО «ОМЗ ЛП» используется сталь 110Г13Л с химическим составом по ТУ 05764417-002-93. Выплавка стали производится по действующей на ООО «ОМЗ - ЛП» технической документации. Для продукции с высокими требованиями по износостойкости или ударной вязкости производится микролегирование стали титаном, вводятся ограничения по содержанию кремния, углерода, фосфора (табл. 2).

028 2

Оценка механических свойств для высокомарганцовистой стали на ООО «ОМЗ - ЛП» производится по значению ударной вязкости (KCU), требования к которой задаются Заказчиком и указываются в чертеже. Обычно требуется KCU195 Дж/см2. Помимо ударной вязкости контролируется твёрдость по HB, которая должна соответствовать 170–217. Фактический химический состав стали 110Г13Л и значения ударной вязкости, твёрдости ведены в табл. 3.

028 3

Во всех плавках отмечается достаточно низкое содержание фосфора (в среднем 0.036%), при котором его влияние на свойства стали после термической обработки нивелируется. Было исследовано влияние различных показателей Мn/С, P+0,4С, Si на KCU (рис. 1).

а)

Рис. 1 Взаимосвязь различных показателей с величиной ударной вязкости KCU

б)

Рис. 1 Взаимосвязь различных показателей с величиной ударной вязкости KCU

в)

Рис. 1 Взаимосвязь различных показателей с величиной ударной вязкости KCU

Рис. 1 Взаимосвязь различных показателей с величиной ударной вязкости KCU

Зависимость показателя Mn/С для стали 110Г13Л утверждает, что с его ростом происходит увеличение ударной вязкости (см. рис. 1а). Известно, что данное соотношение желательно иметь не менее 10 [1]. Максимальные показатели ударной вязкости достигаются при соотношении Mn/С в интервале от 12 до 13.

Показатель P+0,4С характеризует влияние фосфора, которое желательно иметь не более 0,5% [1]. Зависимость данного показателя для стали 110Г13Л (металл ООО «ОМЗ - ЛП») утверждает, что с его ростом происходит снижение ударной вязкости (см. рис. 1б). Общеизвестно, что при P+0,4С более 0,5% сталь 110Г13Л склонна к образованию трещин. Плавок с таким показателями на ООО «ОМЗ - ЛП» не было.

Зависимость ударной вязкости от содержания в стали кремния показывает, что при увеличении содержания последнего свойства снижаются (см. рис. 1в). Причем максимальные показатели ударной вязкости достигаются при содержании кремния до 0,5%.

При этом, следует отметить, что вариация химического состава влияет на линейную усадку стали, а это представляет проблему для литейщиков при разработке технологии. В своё время специалистами «ОМЗ - ЛП» на основе литературных и статистических данных определена зависимость линейной усадки высокомарганцовистой стали от изменения химического состава. Так увеличение содержания углерода в стали в пределах 0,9–1,3% уменьшает линейную усадку с 3% до 2,2%. Повышение содержания кремния с 0,4 до 1,0% в среднем приводит к уменьшению усадки на 0,6%. Увеличение содержания марганца от 11,5 до 14,5% приводит к росту линейной усадки на 0.8%. Повышение содержания фосфора в стали также сопровождается увеличением усадки. Линейная усадка стали с содержанием в ней вышеперечисленных элементов соответствующих ГОСТу 977-88 для марки 110Г13Л, колеблется в пределах 2.2–3.0%.

028 7

В настоящее время на ООО «ОМЗ - ЛП» изготавливаются два комплекта броней конусных дробилок по заказу одного из ГОКов. Химический состав и механические свойства первых трёх плавок этих броней представлены в табл. 4.

На 2012–2013 гг. запланированы научно-исследовательские работы на стали 110Г13Л с целью определения оптимальной технологии изготовления отливок, удовлетворяющих требованиям Заказчиков по износостойкости и механическим свойствам.

Следует отметить, что в настоящее время отдельные Заказчики при заключении договоров не предъявляют определённых требований по механическим свойствам, ударной вязкости, а также условиям эксплуатации. Основой оценки качества литья принимается фактическая износостойкость изделия в процессе работы соответствующего оборудования (количество отработанного времени или объём выработки до выхода оборудования из строя). В таких случаях оценить качество отливок и, тем более, внести какие-либо изменения в технологию при недостаточной износостойкости представляет серьёзную проблему, так как от процесса заливки первой партии до выхода изделий из строя при эксплуатации проходит много времени. В связи с этим назрела необходимость разработки критериев оценки износостойкости при изготовлении отливок высокомарганцовистых сталей в зависимости от условий их эксплуатации.

Специалистами ООО «ОМЗ - ЛП» разработан и используется следующий ряд технологических решений для обеспечения качества и конкурентоспособности отливок из стали марки 110Г13Л:

1. Проведена проработка и заливка отливки «Звено гусеничное» без прибылей. Данная технология на ООО «ОМЗ ЛП» «не прижилась» ввиду значительных объёмов работ по доведению отливки до годности (рис. 2).

028 8

2. Внедрено и активно используется программное обеспечение MagmaSoft, предназначенного для анализа литейных процессов на основе методов математического моделирования. Цели использования ПО MagmaSoft – повышение качества выпускаемых отливок и успешное освоение новой продукции.

Компьютерное моделирование литейной технологии при помощи данного пакета выполняет важную функцию диагностики эскизного варианта технологии – особенно ответственную в условиях, когда существенно возрастает сложность решаемых задач (повышение требований к качеству литья со стороны заказчиков, использование новых материалов, процессов, увеличение количества разовых отливок при отсутствии опытной партии).

С помощью данного программного обеспечения осуществляется моделирование заполнения полости формы, кристаллизации отливки, образования усадочной пористости, возникновения и развития напряжений и деформаций.

3. При получении отклонений по химическому составу отливок «Звено гусеничное» (С>1,25%, Mn/С<10) сдача продукции производится по результатам поломки под прессом в специальной оснастке одной отливки от плавки (рис. 3). Отливки считаются годными при получении фактического усилия разрушения более 500 или 600 тс.

4. Для отливок «Стенка передняя», «Козырек», и др., подверженных короблению, на основании статистических данных по результатам разметки производится корректировка модельных комплектов с целью нивелирования поводок при термической обработке.

5. Для исключения коробления разработана специальная оснастка для посадки проблемных отливок на аустенизацию (рис. 4).

6. Каждая плавка контролируется на излом литой структуры по технологической инструкции ООО «ОМЗ - ЛП». Для этого предусмотрена заливка специальной пробы (рис. 5), а критерием оценки служит балл излома.

Различают три балла излома: №1, №2 и №3; причем баллы №1 и №2 считаются удовлетворительными, а отливки, получившие балл №3 бракуются (рис. 6).

028 9

Сравнение отливок, произведённых в ООО «ОМЗ - ЛП» с другими поставщиками на примере экскаваторного литья из стали 110Г13Л

Для сравнения выбраны однотипные отливки «Зуб ковша» и «Звено гусеничное» из стали 110Г13Л, изготовленные на ООО «ОМЗ - ЛП» и на других предприятиях-поставщиках экскаваторного литья.

Процесс сравнения происходит по следующим этапам:

1. Визуальный осмотр поверхности.

При визуальном осмотре на отливках, изготовленных другими предприятиями, выявлены следующие дефекты поверхности: зарезы и дефекты усадочного характера на отливке «Зуб ковша», пригар на обеих отливках. На отливках ООО «ОМЗ - ЛП» никаких поверхностных дефектов не обнаружено (рис. 7).

028 10

028 11

Рис. 7 Поверхность отливок производства ООО «ОМЗ  ЛП» (а) и отливок других поставщиков (б) при визуальном осмотре

2. Ультразвуковой контроль (УЗК).

На рис. 8 представлены эскизы мест проведения УЗК. Фиксации подлежали дефекты эквивалентной площадью от 10 мм2. По результатам УЗК в отливках ООО «ОМЗ - ЛП» дефектов не обнаружено.

В отливках других предприятий обнаружены недопустимые индикации:

- отливка «Зуб ковша» – усадочная раковина размером 110M20 мм на глубине 88 мм;

- отливка «Звено гусеничное» – недопустимые индикации в 5 проушинах.

3. Испытания химического состава, структуры и свойств

Табл. 5 Сравнительные данные химического состава стали отливок, их механических и прочностных характеристик

В табл. 5 представлены результаты исследования химического состава и свойств отливок «Зуб ковша» и «Звено гусеничное». Следует отметить, что по химическому составу отливки ООО «ОМЗ - ЛП» имеют более низкое содержание хрома и фосфора и более высокое содержание марганца по сравнению с продукцией других предприятий.

По свойствам следует отметить, что прочностные и пластические свойства стали ООО «ОМЗ ЛП» выше, чем у других предприятий.

Значение ударной вязкости отливок ООО «ОМЗ - ЛП» как при нормальной температуре, так и при –60°С, выше, чем у аналогов других поставщиков (за исключением испытания «Зуба ковша» при 20°C).

Касаясь структуры сталей после термической обработки, необходимо отметить более крупное зерно аустенита в отливках других предприятий.

4. Испытание отливок нагрузкой

Приведены результаты испытания однотипных траков поломкой под прессом с определением усилия их разрушения. Регистрировались усилия, при которых образовывались трещины и произошло полное разрушение изделия (табл. 6).

028 13

По результатам испытания обе отливки удовлетворяют требованиям поломки на ООО «ОМЗ - ЛП» (не менее 600 тс). Однако усилие разрушения отливки, изготовленной на ООО «ОМЗ ЛП» – выше.

Рис. 8 Карта контроля исследуемых отливок: а) «Звено гусеничное»; б) «Зуб ковша»

Результаты проведённых сравнительных исследований и испытаний позволили сделать ряд выводов:

Химический состав стали 110Г13Л оказывает существенное влияние на её свойства:

- для повышения ударной вязкости отношение Mn/С желательно иметь в пределах 12–13 единиц;

- при содержании в стали углерода в интервале 0,9–1,1%, а фосфора не более 0,50–0,55%, влияние последнего на ударную вязкость минимизируется;

- максимальные показатели ударной вязкости стали достигаются при содержании кремния до 0,5%;

- для повышения износостойкости стали необходимо легирование стали хромом (порядка 1%) и микролегирование титаном (до 0,05%).

1. Свойства стали 110Г13Л напрямую зависят от литой структуры после затвердевания. качество литья по структуре целесообразно оценивать испытанием на излом.

2. При отклонениях по химическому составу отливок «Звено гусеничное» (С>1,25%, Mn/С<10) оценка качества стали возможна по результатам поломки отливок под прессом в специальной оснастке.

3. Сравнение однотипной продукции из стали 110Г13Л, изготовленной в ООО «ОМЗ - ЛП» и другими предприятиями показало, что качество литья «ОМЗ - ЛП» не уступает, а по многим показателям и превосходит отливки заводовконкурентов.

4. Для изготовления качественной отливки из высокомарганцовистой стали необходимы чёткое понимание условий эксплуатации, а также разработка конкретных требований по износостойкости и/или механическим свойствам литья после термической обработки, которые было бы возможно оценить до отправки продукции заказчику.


 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Высокомарганцовистая сталь. Давыдов Н.Г.  М.: Металлургия, 1979.  176 с.

2. Литейные хладостойкие стали. Солнцев Ю.П., Андреев А.К., Гречин Р.И. – М.: Ме таллургия, 1991. – 176 с.

3. Влияние химического состава на свойства высокомарганцовистой стали в отлив ках броней конусных дробилок. Зимокос Г.Н., Адаменко Л.А., Иванова Л.Х./Металлур гическая и горнорудная промышленность. №4/2011 – 4 с.

 

Журнал "Горная Промышленность" №3 2012, стр.28