авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Пути повышения ресурса и работоспособности литых сталей в условиях низких климатических температур

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

АНДРЕЕВ Андрей Константинович

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА И РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЛИТЫХ СТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ТЕМПЕРАТУР

Специальность 05.16.01 – Металловедение и термическая обработка

металлов и сплавов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург – 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный

университет низкотемпературных и пищевых технологий»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Анастасиади Григорий Панеодович

доктор технических наук, профессор

Блинов Виктор Михайлович

доктор технических наук, профессор,

Пряхин Евгений Иванович

Ведущая организация: Институт физико-технических проблем Севера СО РАН

Защита состоится « » 2010 г. в часов на заседании диссертационного Совета Д 212.229.03 при ГОУ ВПО «Санкт – Петербургский государственный политехнический университет» по адресу 195251, Санкт – Петербург, ул. Политехническая, д.29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Санкт – Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан « » 2010 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д 212.229.03,

доктор технических наук, профессор Кондратьев С.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. С начала восьмидесятых годов прошлого века наблюдается интенсивный рост добывающих отраслей промышленности. За счет расширения имеющихся и освоения новых месторождений в труднодоступных северных и восточных районах страны в несколько раз увеличилась добыча полезных ископаемых, нефти и газа.

В связи с этим резко возросла потребность в горнодобывающей технике северного исполнения. Из-за нехватки такой техники, а в большинстве случаев просто из-за её отсутствия, в районах с низкими температурами в зимний период эксплуатировались машины в исполнении для более умеренного климата. Это вызвало снижение их производительности в среднем в 1,5 раза по сравнению с летним периодом, наработка на отказ уменьшалась в 2-3 раза, а фактический срок службы сокращался по сравнению с нормативами в 2-3,5 раза, что привело к потерям, которые исчислялись десятками миллиардов рублей.

Поэтому одной из важнейших научно-технических проблем, в рамках комплекса поставленных задач по освоению северных территорий страны, явилась необходимость разработки новых хладостойких материалов, технологий их изготовления и обработки позволяющих повысить работоспособность и ресурс техники, эксплуатируемой в условиях низких климатических температур.

Значительную долю общей массы машин занимают литые детали, например, в тракторах, бульдозерах, экскаваторах до 20-40%. При постановке задач исследований был проведен анализ производства машиностроительных заводов различных отраслей промышленности, который показал, что:

- более 70 % стальных отливок изготавливались из обычных углеродистых сталей марок 20-55Л, которые обладают низкой трещиностойкостью и не гарантируют эксплуатационную надежность деталей при низких температурах;



- в различных отраслях машиностроения ответственные литые детали необоснованно были отнесены к первой группе (ГОСТ 977-75) т.е. контроль качества осуществлялся только по химическому составу и размерам отливок;

- допускаемые отраслевыми техническими условиями высокие содержания серы и фосфора в стали не способствовали повышению культуры производства, совершенствованию технологии ее выплавки и модифицирования, что не позволяло обеспечить надежную работоспособность литых деталей в условиях низких климатических температур;

- выбор сталей для литых деталей часто осуществлялся без учета реальных условий, возникающих при эксплуатации техники, что приводило к неоправданному завышению массы машин, увеличению расхода запасных частей и снижало эффектив­ность использования техники;

Указанные недостатки делали неконкурентоспособными отечественную технику с продукцией ведущих иностранных машиностроительных фирм. Проведенные исследования показали, что более высокая работоспособность импортных деталей при низких температурах связана, в основном, с традиционно известным способом повышения механических свойств и хладостойкости - легированием стали никелем и молибденом. Однако высокая стоимость и дефицит указанных элементов делают экономически невозможным использование их для отливок массового назначения.

В связи с этим многие предприятия были вынуждены сами разрабатывать новые составы сталей, работать по собственным ТУ, ОСТам, по заключениям и рекомендациям НИИ и т.п.

Для исправления сложившейся ситуации требовалось создание теоретической базы позволяющей решать поставленные задачи в едином комплексе. Поэтому особо значимыми становятся задачи разработки составов низко- и рационально легированных хладостойких сталей и технологии их производства.

Настоящая работа посвящена поиску путей решения указанных проблем. Полученные результаты, особенно актуальны сегодня, когда среди приоритетных направлений развития экономики России важнейшее место отводится освоению природных ресурсов северных регионов страны.

Цель работы. Целью работы является разработка научных принципов легирования литых хладостойких сталей различного уровня прочности и износостойкости; уточнение теоретических положений и практических рекомендаций по технологии изготовления, обработки и методам их испытаний, позволяющих повысить работоспособность и ресурс ответственных литых деталей и сварно-литых конструкций техники в северном исполнении.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- проведен научно-технический анализ и выявлено влияние конструкционных, технологических, эксплуатационных факторов на хладостойкость и трещиностойкость литых сталей и установлена связь их структурных особенностей с характеристиками разрушения;

- выполнены теоретические и экспериментальные исследования по влиянию раздельного и комплексного легирования, конечного раскисления, модифицирования и режима термической обработки на структуру, механические свойства, абразивную износостойкость и хладостойкость литых сталей; на основании проведенных исследований научно обоснованы технические требования к хладостойким сталям и технологические условия их производства необходимые для повышения эксплуатационной надежности отливок в экстремальных климатических условиях;

- определен необходимый для требуемой работоспособности уровень механических свойств, абразивной износостойкости и хладостойкости сталей для сварно-литых деталей рам большегрузных тракторов, опорных катков и зубьев ковшей мощных карьерных экскаваторов;

- проведены исследования по определению в диапазоне температур до минус 60 °С фактической хладостойкости ряда ответственных литых деталей горнодобывающей техники и разработаны требования к сталям, обеспечивающих их надежную работу в условиях низких климатических температур;

- разработаны рациональные составы литых хладостойких сталей различного уровня прочности, технология их производства, изготовлены промышленные партии отливок, оценены их технологические свойства и проведены натурные испытания у потребителей;

- для разработки нового надежного метода оценки сопротивления стали хрупкому разрушению исследовано влияние химического состава, термической обработки, размеров и качества поверхности образцов, прикладываемой нагрузки на скорость микропластической деформации в диапазоне температур от – 196 до +20 °С.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработаны научные принципы легирования литых хладостойких сталей с повышенной работоспособностью для деталей ответственного назначения техники, эксплуатирующейся в условиях низких климатических температур, включающие в себя вопросы оптимизации химического состава, технологии выплавки, обработки, методов их испытаний на стадии изготовления и эксплуатации;

- установлено влияние раздельного и комплексного легирования на механические свойства, хладостойкость и трещиностойкость литейных конструкционных сталей; на основании чего разработаны и оптимизированы составы сталей различного уровня прочности и износостойкости;

- определены оптимальные концентрации нитридообразующих элементов по температуре начала образования нитридов, а на основе анализа фазового равновесия в системе твердый раствор - легирующие элементы – условия, при которых в максимальной степени обеспечивается эффект дисперсионного твердения и измельчения зерна в малоперлитной ванадийсодержащей стали;

- обоснована необходимость создания и разработана методика исследования абразивной износостойкости сталей, в том числе при низких температурах, позволившая изучить влияние химического состава, механических свойств и режимов термической обработки на износостойкость среднеуглеродистых легированных литых сталей;

- для оценки склонности сталей к хрупкому разрушению предложена новая характеристика критической температуры хрупкости - Тк.р. (температура критической релаксации), которая определяется по положению максимума температурной зависимости скорости микропластической деформации;

- установлена зависимость между характеристиками трещиностойкости, хладостойкости и структурным состоянием различных литейных сталей, работающих в условиях Сибири и Крайнего Севера.

Практическая значимость работы:

- разработаны высокопрочные стали для ответственных деталей техники в северном исполнении, в частности, для опорных катков и зубьев ковшей мощных карьерных экскаваторов и хладостойкая, малоперлитная, экономнолегированная сталь для сварно-литых конструкций;

- разработана и рекомендована технология выплавки, раскисления и модифицирования хладостойких сталей с гарантированной ударной вязкостью при температуре минус 60°С;

- разработана установка для проведения ускоренных испытаний абразивной износостойкости сталей для рабочего оборудования горнодобывающей техники, в том числе, при низких температурах;

- предложены рекомендации по выбору материалов для изготовления зубьев ковшей экскаваторов в зависимости от твердости добываемых пород;

- предложен новый надежный и экономичный метод оценки критической температуры хрупкости по пику температурной зависимости микропластической деформации. Этот метод был использован при разработке литых хладостойких сталей и оценке надежности сталей, включенных в ГОСТ;

Результаты работы легли в основу разработки Государственного Стандарта «Отливки из хладостойкой и износостойкой стали», внедрение которого позволило обеспечить отечественную технику в северном исполнении высококачественными отливками из хладостойких сталей.

На защиту выносятся: разработка научных принципов легирования литых хладостойких сталей различного уровня прочности и износостойкости; уточнение теоретических положений и практических рекомендаций по технологии изготовления, обработки и методам их испытаний, позволяющих повысить работоспособность и ресурс ответственных литых деталей и сварно-литых конструкций техники в северном исполнении.

Достоверность научных положений и полученных результатов обоснована:

- общепринятыми исходными положениями;

- применением апробированных методов исследований и обработки результатов;

- соответствием результатов исследований, полученных автором, с результатами других исследователей в этой области;

- практической реализацией полученных результатов.

Личный вклад автора состоит в том, что, являясь ответственным исполнителем проводимых работ, участвовал:

- в постановке задач исследований, формулировке основных положений, определяющих научную новизну и её практическую значимость;

- в непосредственном руководстве и в проведении всех этапов исследований, обработки результатов экспериментов и практической реализации полученных результатов;





Апробация работы: Материалы, составляющие основное содержание работы, докладывались и обсуждались на более, чем 20 международных и всесоюзных конференциях и семинарах, в том числе: «Химия, технология и применение ванадиевых соединений», Свердловск, 1982г.,г. Чусовой (Пермская обл.), 1987г.; У Всесоюзной научной конференции «Современным проблемы электрометаллургии стали», Челябинск, 1984г.; всесоюзной научно- технической конференции «Неметаллические включения и газы в литейных сплавах»,Запорожье, ЗМИ, 1988г.; научно-технических конференциях «Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий», Запорожье, 1983, 1989г.г.; совещании рабочей группы № 4 Научно-технического совета ГКНТ СССР Ленинград 1982,1983,1985г.г.; всесоюзных научно-технических конференциях «Прочность и разрушение сталей при низких температурах», СПб, 1987, 1988, 1990г.г.; международных научно технических конференциях «Актуальные проблемы прочности материалов и конструкций при низких и криогенных температурах» СПб, 1995, 1997, 1998, 2000, 2002г.г.; международных научно-технических конференциях «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов», СПб, 2003, 2004, 2006, 2007, 2008, 2009 г.г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано 35 научных работах, в том числе в двух монографиях.

Объем и структура работы: диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и основных выводов. Основное содержание работы и выводы изложены на 258 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 122 рисунка и 47 таблиц, 327 наименований библиографического указателя.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, исходя из проблем повышения работоспособности и ресурса техники, эксплуатируемой в условиях низких климатических температур. Сформулирована цель исследований и поставлены основные задачи необходимые для её решения. Показана научная новизна результатов работы и их практическая ценность.

Глава 1. Проблемы создания литых деталей для техники в хладостойком исполнении. В практике эксплуатации современной техники хорошо известна опасность хрупкого разрушения деталей машин и механизмов при понижении температуры. Чаще всего хрупкие разрушения являются результатом воздействия ряда факторов. Однако, точная классификация причин поломок часто затруднена сложностью получения достоверной информации. Тем не менее, установлено, что в большинстве случаев основной причиной является хладноломкость сталей.

Исследованиями, проведенными сотрудниками ИФТПС ЯФ СО РАН (г. Якутск), было показано, что число хрупких разрушений литых деталей промышленных тракторов, в холодное время года увеличивалось в 2-4 раза. Заметный рост разрушений отливок происходил уже в температурном интервале от – 25 °С до - 35 °С. Например, количество поломок деталей ходовой части экскаваторов увеличивалось с 4-5% (в летний период) до 20 % (при – 35 °С), а ковша и других рабочих органов - с 8% до 45%, соответственно.

Чтобы выяснить причины сложившейся ситуации нами был проведен анализ номенклатуры используемых сталей для отливок и технологии их производства на ряде машиностроительных и сталелитейных заводах: Чебоксарский завод промышленных тракторов (ЧЗПТ), Кировский (КЗ) и Ижорский (ИЗ) заводы, Уралвагонзавод (УВЗ), Люблинский литейно-механический завод (ЛЛМЗ), Бежицкий сталелитейный завод (БСЗ) и др., который позволил выяснить следующие основные причины низкой работоспособности литых деталей в суровых климатических условиях:

- более 70 % стальных отливок изготавливались из сталей марок 20-55Л, которые обладают низкой хладостойкостью и не гарантируют надежную работоспособность деталей при низких температурах;

- допускаемые отраслевыми техническими условиями высокие содержания серы и фосфора в стали 0,03-0,05% каждого элемента, а их суммарное содержание 0,07-0,09%;

- низкое содержание остаточного алюминия в расплаве (менее 0,030 %) и низкая основность шлака восстановительного периода (1,2-1,5), при высоком содержании FеО (2,5-4,5%) делают неэффективной модифицирования стали лигатурами содержащими ЩЗМ и РЗМ;

- в различных отраслях машиностроения ответственные литые детали необоснованно были отнесены к первой группе (ГОСТ 977-75) т.е. контроль качества осуществлялся только по химическому составу и размерам отливок;

- отсутствие действующего единого нормативного документа на отливки из хладостойких и износостойких сталей.

Указанные недостатки производства объясняют высокий разброс значений ударной вязкости ( 5 – 100 Дж/см2 ) при минус 60 °С, который наблюдался в сталях контролируемых плавок. При этом практически 100 % проконтролированных плавок на ЧЗПТ, КЗ, РВЗ не соответствовали требованиям по ударной вязкости при минус 60 °С на остальных предприятиях этот показатель был равен 15-80 %.

Ещё одной из важнейших причин низкого ресурса техники в северном исполнении являлось то, что при выборе материалов часто наблюдалось несоответствие структуры, механических свойств и хладостойкости сталей условиям эксплуатации литых деталей в суровых климатических зонах.

Примером этому может служить использование сталей 20Л и проката из стали 09Г2С для изготовления несущих сварно-литых рам тракторов «Кировец». Кроме того, стендовые испытания показали, что в отдельных сечениях литых деталей напряжения могут достигать 250 МПа, т.е. превышать предел текучести стали 20Л, равный 220 МПа. Следовательно, уже при первых циклах нагружения возможно пластическое течение металла в микрообъемах, что является недопустимым. Последнее подтверждает анализ 186 случаев наработки на отказ рам тракторов. При нормативе 8000 мото - часов - 9% отказов произошло при крайне малом количестве наработки трактора - менее 50м/ч; 36% < 500; 24% < 1000; 18% < 1500 м/час.

Несоответствие выбора стали реальным условиям работы литых деталей наблюдалось и у импортной техники. В частности, это относится к опорным каткам японских экскаваторов 204М и 201МSS с вместимостью ковша 20 м3 и 16 м3 соответственно, фирмы «Сумитомо-Марион». Средняя наработка на отказ одного опорного катка экскаватора 204М составляла 1904 мото-часа вместо 5000 м/час, гарантированных изготовителем.

Исследования металла катков, имевших типичный характер разрушений, показали, что их невысокая работоспособность, связана, прежде всего, с низким уровнем прочностных свойств и хладостойкости.

Анализ опыта эксплуатации карьерных экскаваторов отечественного производства показывает, что одной из проблем резкого снижения эффективности работы с понижением температуры, является повышенный расход зубьев ковшей. Абразивный износ зубьев в интервале температур от - 30 до - 45оС увеличивается почти в 2 раза.

В отечественной практике зубья ковша изготавливаются, в основном, из стали 110Г13Л. Марганцевый аустенит хорошо наклёпывается при высоких удельных давлениях. После деформации его твердость может достигать 50 - 55 НRС.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.