Комплексно-легована цементувальна сталь з мінімальними поводками при термічній обробці - Автореферат

Високі вимоги до механічних, технологічних і експлуатаційних характеристик цементувальних сталей визначають широку гаму легуючих елементів і технологій виплавлення та зміцнення. Існуюча теорія комплексного легування, на жаль, трохи односторонньо розглядає питання застосування сталей різних композицій для тих чи інших умов експлуатації, не приділяючи достатньої уваги питанням їх технологічності, а саме вони визначають собівартість виробництва. На даному етапі розвитку машинобудування зросла потреба в сталях, які здатні, при відносно малих габаритах і складності профілів деталей, витримувати великі навантаження. Особливе місце серед них займає питання короблення деталей зубчастих передач у процесі хіміко-термічної обробки, тому що їх деформація викликає необхідність проведення додаткових фінішних операцій,. що вимагає значних матеріальних затрат, при цьому знімається значна частина найбільш зміцненого зносостійкого шару. Тільки знаючи заздалегідь механізм руйнування сталі, можна в достатній мірі пристосувати її структуру до протидії цьому руйнуванню, використовуючи комплексне легування і відповідні зміцнюючи технології.Велика кількість змінних величин, яка повязує питання комплексного легування, через структуроутворення, з фізико-механічними, експлуатаційними і технологічними властивостями не дозволяє на даному етапі створення повної і всеосяжної теорії комплексного легування, яка б дала можливість, на основі теоретичних і емпіричних залежностей, вибирати оптимальний комплекс легуючих елементів, необхідних для одержання заданих характеристик сплаву. Крім того, для вирішення даної проблеми необхідно цілком позбутися однобокого підходу до основ теорії комплексного легування, коли відокремлено розглядається вплив введення одного легуючого елементу, чи комплексу на певні властивості сплаву. У другому розділі для визначення оптимального співвідношення легуючих елементів у сталі, яке забезпечує одночасне досягнення високих механічних властивостей, зносостійкості, мінімальних залишкових деформацій, одержуваних у процесі хіміко-термічної обробки, задовільної оброблюваності різанням цементуємості використаний комплекс сучасних методик, що відповідають поставленим у роботі задачам. Це дало можливість встановити взаємозвязок між хімічним складом і формою карбідних включень титану та ніобію, а також визначити характер впливу комплексного легування церієм на морфологію неметалевих включень. Встановлено, що комплексне легування титаном, ніобієм, та церієм стримує ріст аустенітного зерна при температурі цементації 930°С для сталі 15ХГНБТЧ до 60...80 мкм.Встановлено, що сталь 12ХН3А, має недостатній рівень фізико-механічних і технологічних властивостей, якого вимагають умови роботи і виготовлення шестерень редукторів гідромеханічних передач. Доведено, що комплексне легування титаном, ніобієм і церієм дає можливість отримати фізико-механічні властивості вищі ніж у сталі 12ХН3А. Для визначених оптимальних концентрацій титану, ніобію та церію уточнена математична модель, що безпосередньо повязує властивості і хімічний склад сталей. Вперше виведена характеристика (коефіцієнт деформованості сталі - Ro), яка дозволяє кількісно оцінити схильність сталі до короблення в процесі хіміко-термічної обробки і встановлено, що її величина знаходиться в прямій залежності від функції, що характеризує схильність сталі до росту аустенітного зерна. Комплексне легування титаном і ніобієм, які утворюють карбідну фазу, стійку до високих температур, знижує схильність сталі до росту аустенітного зерна.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Встановлено, що сталь 12ХН3А, має недостатній рівень фізико-механічних і технологічних властивостей, якого вимагають умови роботи і виготовлення шестерень редукторів гідромеханічних передач.

2. Доведено, що комплексне легування титаном, ніобієм і церієм дає можливість отримати фізико-механічні властивості вищі ніж у сталі 12ХН3А. При цьому зберігається достатній рівень технологічних властивостей, а зміцнення відбувається за рахунок отримання більш дисперсної структури. У роботі вперше встановлено, що в комплексних карбідах вміст ніобію повинен в два рази перевищувати вміст титану. При цьому частинки карбідної фази мають максимально дисперговану глобулярну форму.

3. З метою вдосконалення існуючих математичних моделей вперше встановлена залежність між розмірами, концентрацією та відстанню між включеннями карбідної та карбонітридної фаз. Виведене рівняння дає можливість звязати концентрацію легуючого елемента через структуру сталі з її властивостями. Для визначених оптимальних концентрацій титану, ніобію та церію уточнена математична модель, що безпосередньо повязує властивості і хімічний склад сталей.

4. Вперше виведена характеристика (коефіцієнт деформованості сталі - Ro), яка дозволяє кількісно оцінити схильність сталі до короблення в процесі хіміко-термічної обробки і встановлено, що її величина знаходиться в прямій залежності від функції, що характеризує схильність сталі до росту аустенітного зерна.

5. Комплексне легування титаном і ніобієм, які утворюють карбідну фазу, стійку до високих температур, знижує схильність сталі до росту аустенітного зерна. Зменшення деформації деталей в процесі гартування, виготовлених із сталі 15ХГНБТЧ, дозволило знизити в десять разів кількість браку в порівнянні з серійною сталлю 12ХН3А.

6. При дослідженні характеру руйнування деталей в роботі вперше дана відповідь на спірне серед дослідників питання про місце утворення первинної мікротріщини при пітингу. Встановлено, що в залежності від режимів навантаження і фізико-механічних властивостей випробовуваних матеріалів, вона може мати як поверхневий, так і підповерхневий характер.

7. На основі результатів проведених досліджень розроблений оптимальний склад комплексно-легованої сталі 15ХГНБТЧ. Ресурс роботи деталей, виготовлених з цієї сталі, підвищився в 1,3-1,6 рази, в порівнянні зі сталлю 12ХН3А.

8. Високі технологічні властивості сталі 15ХГНБТЧ дозволили розробити промислову технологію виготовлення шестерень для редукторів гідромеханічних передач на Львівському автобусному заводі. Відповідна технологія була розроблена у співпраці з Фізико-механічним інститутом НАН України і інженерними службами заводу ЛАЗ.

Впровадження у виробництво розробленої сталі 15ХГНБТЧ забезпечило зниження ціни на сталь до 12.602.350 крб. за тонну (замість 16.640.650 крб.- ціна сталі 12ХН3А) при потребі 130 тон сталі на рік економічний ефект склав 524.149.000 крб., в цінах 1994 року (або 75 660 тис. грн.).

1. Влияние низкотемпературной термомеханической обработки на кристаллоструктурное состояние, износостойкость и контактную усталость сталей / Котречко О.О., Опальчук А.С., Семеновський А.Е. и др. - Физико-химическая механика материалов. - 1984. - №2. - С.53-56. Здобувачем проведено випробування на контактну втому дослідних сталей та металографічні дослідження.

2. Влияние РЗМ на физико-механические свойства стали при термомеханической обработке / Котречко А.А., Опальчук А.С., Семеновський А.Е. и др. - Физико-химическая механика материалов. - 1987. - №1. - С.95-99.

Здобувач розробляв склад дослідних плавок, проводив плавки сталі та мікроструктурний аналіз.

3. Опальчук А.С., Семеновський О.Е., Хруник Р.А. Влияние легирования на износостойкость литой стали - Физико-химическая механика материалов. - 1995. -№3. - С.103-106. Здобувач проводив випробування на зносостійкість та металографічні дослідження.

4. Семеновський О.Є. Шляхи вирішення проблеми короблення деталей в процесі термічної обробки. - Збірник наукових праць НАУ. “Механізація сільськогосподарського виробництва” Т.5-К.:1999.-С.360-363. Проведений аналіз та систематизація існуючих методів зменшення короблення деталей при термічній обробці.

5. Семеновський О.Є. Розробка критерію кількісної оцінки схильності сталі до короблення в процесі хіміко-термічної обробки. - Збірник наукових праць НАУ. “Механізація сільськогосподарського виробництва” Т.9-К.:2000. - С.152-155. Проведені дослідження рівня короблення деталей із різних марок сталей в процесі хіміко-термічної обробки. На основі математичної обробки результатів виведений критерій кількісної оцінки схильності сталі до короблення.

6. Семеновський О.Є. Утворення та ріст тріщин під час контактної втоми сталей.-Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2000. -№4. -С.120-121.

Здобувачем досліджений процес руйнування поверхні зубів шестерень. Встановлені закономірності утворення та росту тріщин при пітингу.

7. Семеновський О.Є. Вплив комплексного легування на розмір та форму карбідної фази та неметалевих включень. Металознавство та обробка металів.-К.:2000. -№4. -С.66-68. На основі результатів досліджень електронної мікроскопії та рентгеноспектрального аналізу встановлені оптимальні межі легування для титану, ніобію та церію.

8. А.с. 1409678 СССР. Сталь / Хруник Р.А., Кокотайло И.В., Семеновський А.Е. и др. - Физико-механический институт г. Львов. Заявлено 04.01.87. № 4171874. 15.03.88. Здобувач розробляв хімічний склад, проводив випробування механічних властивостей.

9. А.с. 1447912 СССР. Сталь / Хруник Р.А., Кацов К.Б., Семеновський А.Е. и др. - Физико-механический институт г. Львов. Заявлено 24.02.87. № 4226458. 01.09.88. Здобувач розробляв хімічний склад, проводив випробування механічних властивостей.

10. А.с. 1626711 СССР. Сталь / Хруник Р.А., Семеновський А.Е., Кацов К.Б., и др. - Физико-механический институт г. Львов. Заявлено 19.07.89. № 4721814. 08.10.90. Здобувач розробляв хімічний склад, проводив випробування механічних властивостей.

11. Пат. 1152 (Україна) С22С38/50 Сталь / Хрунік Р.А., Кацов К.Б., Семеновський О.Є. та ін. - Державний реєстр винаходів України. 15.06.1993 р. Здобувач розробляв хімічний склад, проводив випробування механічних властивостей.