Разработка и освоение рациональных технологий термической обработки и требований к сталям в производстве автомобильных деталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, доктор технических наук в форме науч. докл. Глинер, Роман Ефимович

  • Глинер, Роман Ефимович
  • доктор технических наук в форме науч. докл.доктор технических наук в форме науч. докл.
  • 1998, Нижний Новгород
  • Специальность ВАК РФ05.16.01
  • Количество страниц 92
Глинер, Роман Ефимович. Разработка и освоение рациональных технологий термической обработки и требований к сталям в производстве автомобильных деталей: дис. доктор технических наук в форме науч. докл.: 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов. Нижний Новгород. 1998. 92 с.

Оглавление диссертации доктор технических наук в форме науч. докл. Глинер, Роман Ефимович

Долговечность тяжелонагруженных деталей автомобиля в большинстве случаев определяется совокупностью свойств (качеством) стали, которые формируются в технологических процессах упрочняющей термической обработки. Традиционно наиболее эффективным видом термического упрочения автомобильных деталей считается химико-термическая обработка - цементация и нитроцементация. Как альтернатива химико-термической обработки, предложена (К.З. Шепеляковский) объёмно-поверхностная закалка, обеспечивающая требуемый уровень долговечности деталей с меньшими, по сравнению с цементацией и нитроцементацией, производственными затратами. Качество упрочнения деталей, как при химико-термической обработке, так и при объёмно-поверхностной закалке, во многом определяется свойствами сталей, которые нормируются техническими требованиями к прокату. Рациональность этих требований, также как и в целом выбор стали, соответствующий выбранному виду термообработки, в значительной мере влияет на уровень затрат, связанных со стоимостью металла и стоимостью применяемой термической обработки, и издержек, связанных устранением неблагоприятных последствий термической обработки (прежде всего коробления и деформаций деталей).

Крупногабаритные детали автомобиля, получаемые холодной штамповкой плоских заготовок, как правило, не подвергают термическому упрочнению из-за высоких затрат, связанных с его организацией и устранением неблагоприятных последствий. Исключением из этого правила является применение для некоторых деталей локальной (индукционной) термической обработки, характеризуемой сравнительно небольшими затратами. Долговечность деталей, не подвергаемых специальной упрочняющей термической обработке (к ним относятся детали кузовов, платформ, рам,) рпреде-ляется свойствами листовой стали, которые формируются при производстве проката и пластическом деформировании стали в процессе штамповки. Снижение затрат при изготовлении этих деталей достигается прежде всего рационализацией состава стали, требований к структуре и свойствам проката, выбором рациональных его видов.

В диссертации обобщаются результаты изысканий, проводившихся на Горьковском автомобильном заводе и преследовавших цель повышения • члговечности тяжелонагруженных автомобильных деталей на основе при-знения наукоёмких и экономически обоснованных технических решений.

Актуальность такого обобщения обуславливается необходимостью почтения эффективности производств, потребляющих и производящих в . . ¡ачительных объёмах стальной прокат.

Решение этой проблемы связывается с использованием достижений металловедения и проведением определённой политики в области качества, подразумевающей (ИСО 8402) «основные направления и цели предприятия ■ области качества». Для развивающегося в условиях становления отечест-чной рыночной экономики Акционерного общества «ГАЗ» эти направления и цели формулируются, как «удовлетворение запросов потребителя по приемлемой для него цене». Осуществление их основывается на реализации стратегических решений по совершенствованию качества во всех отраслях производства, включая технологию металлообработки. При этом особенностью стратегии совершенствования качества является совмещение инженерных решений, преследующих, по существу, разные цели: решений, направленных на удовлетворение запросов потребителей, и решений, направленных на снижение издержек производства. Выражением этой особенности выступает понятие рациональности (т.е. целесообразности и обоснованности) принимаемых решений.

Сталь является основным из применяемых в автостроении материалов, благодаря тому, что позволяет реализовывать требуемые свойства при относительно низких производственных затратах производителя (черная крупнотоннажная металлургия) и потребителя (массовое производство автомобилей). Поэтому совершенствованию качества стали отводится значительная роль в повышении эффективности производства автомобилей. Многоплановая работа по обеспечению качества автомобильных сталей базируется на испытаниях металла и на контроле режимов технологической обработки. Эффективность работы повышается, если, в отличие от стандартных приемо-сдаточных испытаний и производственного контроля, она приобретает системно-комплексный характер, выполняясь с применением наиболее эффективных теоретических и методологических подходов в анализе получаемой информации. Тем самым исследования, связанные с решениями частных металловедческих задач, приобретают значение установления закономерностей влияния на свойства стали различных факторов, обуславливая развитие металловедения. Особенно возрастает значение этой работы на предприятиях, в производстве которых применяются практически все современные виды обработки металла, а ежегодное потребление стального проката составляет сотни тысяч тонн, с использованием практически всех его видов, с марочным и размерным сортаментами, включающими сотни позиций. В полной мере это относится к производству автомобилей акционерным обществом «ГАЗ». Обобщение практики изучения качества стали в таких производствах необходимо для разработки научно обоснованного базиса политики в области качества стали. Практическая реализация данной политики приобретает значение важнейшего фактора повышения эффективности автомобилестроительной и металлургической отраслей, показателя их научно-технического прогресса.

1.2. Цель работы.

•Рационализация состава, улучшение структуры, свойств проката и изделий, получаемых из сталей, предназначенных для производства автомобильных деталей, на основе развития теории металловедения в области совершенствования методов исследований и технологии обработки сталей -цементации, закалки, поверхностного пластического деформирования, деформирования при листовой штамповке.

•Научное обоснование базисных положений политики в области качества сталей, обеспечивающей необходимую долговечность деталей автомобилей и исключение неоправданных затрат в их производстве.

1.3. Общая методика выполнения исследований

Осуществлению указанных целей способствовал выбор исходного состава изучавшегося металла, который соответствовал характерным для автомобильного производства стандартным и вновь разработанным (*) маркам стали: 08, 10, 15, 20, 25, 40, 45, А12, 54ПГГ, 58(55ПП), 60ПП*, 20Х, ЗОХ, 40Х, ЗОХМ, 35ХМ, 20ХГР, 27ХГР, 25ХГМ, 25ХНМ*, 20ХН2М, 18Х2Н4ВА, 08Ю, ЮР*, 08ЮП*, 08ЮПР*, ОЗХГЮ*, 08ГСЮТ*, 12ГС, 07ГБЮ*, 09Г2-ДФ* (сталь с «двухфазной» микроструктурой).

Объектами исследований являлись химический состав, структурное состояние (микро - и макроструктура, величина зерна, содержание углерода в твёрдом растворе), твёрдость и микротвёрдость, механические свойства, выявляемые в лабораторных испытаниях образцов (растяжение, изгиб, кручение, вытяжка) и натурных испытаниях деталей, технологические свойства (восприимчивость к закалке и науглероживанию, пластическая деформируемость при штамповке, шлифуемость, склонность к деформациям при термической обработке), режимы термической и пластической обработки стали в прокате, в заготовках и готовых деталях. Использовались, как традиционные для металловедения, так и вновь разработанные автором методики и аналитические модели, применение которых вызывалось необходимостью повышения достоверности и комплексности проводимых исследований.

При определении охлаждающей способности закалочных устройств, скоростей закалочного охлаждения цементуемых изделий и восприимчивости к закалке цементуемой стали в работе использовано стандартное испытание стали на прокаливаемость методом «торцевой закалки» по совершенствованной автором методике проводимых измерений. В построениях диаграмм прокаливаемое™ и расчётах скоростей охлаждения использовался компьютер.

Для изучения влияния поверхностного содержания углерода и температуры индукционного нагрева на структуру цементуемой стали использован метод комплексного послойного микроисследования, рентгенострукгурного и химического анализов и анализа микротвердости продуктов распада переохлаждённого аустенита. Анализ микротвёрдости проводился по разработанной автором методике, что позволяло изучать закономерности влияния режимов закалки (температура нагрева, скорость охлаждения) на однородность распределения углерода в аустените и продуктах его распада. Измерения микротвёрдости использованы также для оценки степени наклёпа при поверхностной пластической обработке.

Для изучения пластических деформаций листовой стали в лабораторных и производственных условиях применялись специально разработанные автором эффективные способ, разметки образцов окружностями малого диаметра.

1.4. Научная новизна работы.

1.4.1. В развитие теории химико-термической обработки стали автором разработана методология управления качеством цементации, основанная на прогнозировании результатов науглероживания с использованием прямых методов определения углеродного потенциала, вместо менее достоверных косвенных методов, использующих газовые анализы рабочей атмосферы: теоретически обоснована, экспериментально подтверждена и проверена на практике аналитическая модель науглероживания, в которой рабочим параметром принято значение углеродного потенциала, определяемое по образцам-свидетелям (стальная фольга). По аналогии с понятием «тонкого тела», используемым в теории теплопередачи, впервые определено понятие «диффузионно-тонкого тела». Теоретически обоснована математическая модель для расчётов скорости перехода углерода из рабочей среды в диффузионно-тонкое тело; на основе предложенных моделей автором разработан и проверен на практике алгоритм компьютерной программы, позволяющей управлять технологическим процессом науглероживания и научно обосновывать выбор рациональных значений основного его параметра - углеродного потенциала. Впервые определены понятия «эффективной концентрации углерода» и «показателя качества закалки», что позволило осуществить прогнозирование рациональных значений эффективной глубины цементации с помощью компьютера; теоретически обоснованы и внедрены в практику весовой и электромагнитный методы определения содержания углерода в фольговых пробах (вместо традиционного химического анализа) и способ микроисследования для количественных оценок поверхностного содержания углерода в цементованных изделиях (с целью повышения оперативности и снижения трудоёмкости контроля качества цементации);

1.4.2. Впервые научно обоснован выбор способов и режимов закалки цементуемой легированной (типа Сг-М-Мо) стали, обеспечивающих повышенную долговечность тяжелонагруженных деталей, по результатам уточнения автором ряда закономерностей: 0Г влияния скорости закалочного охлаждения (в интервале 15 до

150°С/с) на микроструктуру и механические свойства стали - Сто.г! Ц>, НРС, микротвёрдость Н\/. Комплексным изучением микроструктуры и микротвёрдости установлено, что при скорости охлаждении более 80°С/с формируется микроструктура малоуглеродистого мартенсита (Н\/ 460),в которой отсутствуют чёткие границы между отдельными кристаллитами. Снижение скорости до 40°С/с обусловливает образование, наряду с мартенситом, зёрен феррита и участков троостита (Н\/ 400). Дальнейшее снижение скорости (до 15°С/с) приводит к доминированию в микроструктуре перлитной составляющей (НУ 300), что следует рассматривать как микроструктурный признак существенного снижения прочности (Сть менее 500 МПа) сердцевины цементуемой стали. Характерно также, что повышение прочности, вызванное возрастанием скорости охлаждения, не сопровождается существенным снижением пластичности (V}/); влияния насыщения углеродом (до 1,4%) и температурно-временного режима нагрева (температура 780-920°С, продолжительность нагрева от 40 до 400 минут) на восприимчивость к закалке, характеризуемой критической скоростью (Укр) для стали различных марок (20ХН2М, 25ХГМ, 18Х2Н4ВА, 20ХГР, 25ХНМ ЗОХМ, 20Х, А12). Теоретическим анализом впервые установлены, что температура нагрева, используемого при торцевой закалке, не влияет на распределение скорости охлаждения по длине образца. Это даёт основание в экспериментах с использованием торцевой закалки, исключить данный фактор, как влияющий критическую скорость. Экспериментально показано, что в закалке после продолжительного высокотемпературного нагрева (применяемого для науглероживания) \/кр стали значительно ниже, чем в закалке с кратковременным нагревом (при повторной закалке). Подстуживание, используемое в практике непосредственной закалки, не влияет на \/кр, тогда как повышение температуры при повторном нагреве (до 900°С) приводит к заметному её снижению. Насыщение 0,9-1,0% следует считать наиболее благоприятным, с точки зрения обеспечения требуемой поверхностной твёрдости. (Влияние остаточного аустенита на твёрдость при насыщении до 1,0% заметно проявляется лишь на стали марки 18Х2Н4ВА); влияния насыщения углеродом (до 1,4%) и закалочной температуры глубинного индукционного нагрева (820-980°С, продолжительность 40 секунд) на структуру цементуемой стали (действительное зерно аустенита, количество остаточного аустенита, содержание углерода в мартенсите и его микротвёрдость) и твёрдость (НЯС). Обнаружено, что полная закалка сердцевины цементуемой стали происходит после нагрева до 870°С, при которой в зонах с насыщением более 1,0% сохраняется "цементитная сетка. В зоне с насыщением 1,2% последняя сохраняется до температуры 950°С. Выявлено, что степень науглероживания практически не влияет на размер действительных зёрен аустенита, существенный рост которых начинается с температуры 980°С. Характерно, что, как показал рентгеноструктурный анализ, именно при этой температуре завершается растворение углерода в аустените. Измерениями микротвёрдости установлено, что в данном (сравнительно кратковременном) нагреве не происходит полной гомогенизации аустенита в стали с содержанием углерода до 0,35-0,45%. Однородная микротвёрдость характерна только для зон с концентрацией углерода более 0,6-0,7%, что свидетельствует о завершении гомогенизации аустенита. Снижение твёрдости (Н!ЧС) по мере повышения температуры нагрева связано с влиянием остаточного аустенита. Обнаружено, что при закалке цементуемой стали образуется большее количество остаточного аустенита^ чем при закалке обычной стали.

1.4.3. Уточнены закономерности совокупного влияния температуры глубинного индукционного нагрева под закалку (в интервале 900-1080 X?) на величину аустенитного зерна, микроструктуру и вязкость (при тем-пературах+20 + -60 °С) малоуглеродистой нелегированной и БьМп - стали, что позволило автору научно обосновать выбор режимов закалки стали, применяемой для штампосварных автомобильных деталей. При этом установлено, что перегрев, вызывая заметный рост аустенитного зерна (средние поперечные размеры зерен вырастают с 7,8 до 20 мкм), не снижает уровень её вязкости и, следовательно, является допустимым в данной технологии.

1.4.4. На основании научного обобщения производственного опыта автор сформулировал совокупность условий (характер и уровень упрочнения, обеспечение одинаковой долговечности сопряжённых в работе деталей), обязательную при использовании индукционной термической обработки тяжелонагруженных автомобильных деталей, вместо дорогостоящей цементации. При этом: из анализа экспериментально установленных зависимостей между значениями твёрдости, фиксируемыми при торцевой закалке на различных расстояниях от водо-охлаждаемого торца, получена диаграмма для выбора норм по прокаливаемости стали при разных скоростях охлаждения (60-160°С/с) в процессе объёмно-поверхностной закалки; теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность замены измерений твёрдости микроисследованием закалённого торца (с определением глубины закалки по микроструктуре) при испытании сталей, предназначенных для объёмно-поверхностной закалки.

1.4.5. В развитии теории деформирования металлов автором разработана методология прогнозирования пластической деформируемости листового металла при штамповке, основанная на закономерностях изменения показателей предельной пластичности в зависимости от химического состава и режимов технологической обработки проката: теоретически обоснована и разработана методика построения «диаграмм штампуемости», по своему назначению аналогичных известным диаграммам предельных деформаций. В отличии от последних, предложенные диаграммы непосредственно отражают существующие закономерности влияния показателя жёсткости напряжённо-деформированного состояния (т) на показатели предельной пластичности; с целью повышения эффективности лабораторных оценок пластической деформируемости при штамповке автором разработаны и применены методы измерений предельной пластичности листовой стали в испытаниях на растяжение, вытяжку сферической лунки (проба по Эриксену) и изгиб. При этом для изгиба предложено использовать образцы, по форме отличные от стандартных, что позволяет более достоверно прогнозировать штампуемость металла. Для измерений деформаций разработаны и применены методы разметки испытываемых образцов окружностями малого диаметра с помощью самоклеющейся сетки и (или) отпечатков от вдавливания шарика (по принципу измерений твёрдости). Это позволяет определять деформации и коэффициент нормальной пластической анизотропии на любом участке образца, включая зону разрыва. Данные способы применены также для разметки заготовок при штамповке деталей, что позволяет сравнивать показатели предельной пластичности с параметрами пластического деформирования в технологических процессах штамповки. Автором разработана и применена научно обоснованная методика измерений равномерного относительного удлинения, пригодная для стандартизации. при изучении неоднородности и точности фиксирования величины пластических деформаций, возникающих при лабораторных испытаниях и штамповке листовой стали, получены аналитические выражения относительных ошибок, возникающих при количественных оценках деформаций. Это позволило установить закономерность, состоящую в том, что участку разрушения образцов во всех без исключений испытаниях растяжением соответствуют минимальные значения коэффициента нормальной пластической анизотропии (Я). Тем самым подтверждена роль Я, как синергети-ческой характеристики, контролирующей процесс самоорганизации свойств металла в сопротивлении исчерпанию запаса пластичности, вытекающей из полученной автором аналитической зависимости R=f(m).

1.4.6. Установлены количественные характеристики закономерности, определяющей уменьшение предельной пластичности листовой стали с возрастанием в ней содержания углерода и легирующих примесей, что позволило автору научно обосновать: нерациональность применения горячекатаной нелегированной стали с содержанием 0,10-0,20% углерода, не подвергаемой специальному упрочнению в изделиях; возможность замены БьМп - стали на нелегированную, для изготовления деталей, подвергаемых закалке с интенсивным водяным охлаждением; целесообразность ограничения легирования (БКМп) для повышения прочности стали в прокате.

1.4.7. В результате проведения испытаний листовой стали различных марок уточнены закономерности влияния интенсивности пластической деформации (интервал от 0,05 до 0,4) на удельную энергию предельной деформации малоуглеродистой листовой стали. Для решения данной задачи автором определено понятие «приведённой интенсивности деформаций» и разработана методика оценки этой характеристики с помощью планиметрирования площадей диаграмм растяжения. Показано, что в листовой штамповке значения приведённой интенсивности деформаций могут достигать величин, при которых исчерпывается запас вязкости стали. При этом использование более пластичного в исходном состоянии металла способствует сохранению ресурса вязкости, На основании этих выводов автором научно обоснованы границы допустимых интенсивностей деформаций стали при листовой штамповке.

1.5. Практическая значимость и промышленная реализация результатов работы.

Проведенные автором исследования обеспечили внедрение на Горь-ковском автомобильном заводе, представляющем крупнейший отечественный потребитель металла, рациональных способов и режимов цементации, закалки и пластической обработки, прогрессивных марок сталей, эффективных методов анализа и испытаний металла:

1.5.1.Использование разработанной автором методики контроля науглероживания, основанной на применении фольговых проб для определения углеродного потенциала, решило проблему обеспечения необходимого качества цементации. В совокупности с внедрением новой, разработанной с участием автора, технологии закалки это позволило полностью исключить случаи разрушения цементованных шестерён в эксплуатации. По результатам проведённых автором исследований качества цементации на Горьков-ском автозаводе выпущены стандарты «Химико-термическая обработка в автоматических печных линиях. Цементация» и «Лабораторные методы оценки науглероживающей способности атмосфер в печах для термической обработки стали».

1.5.2. Разработанные автором принципы рационализации требований к прокату легли в основу выпущенного в ОАО «ГАЗ» стандарта «Порядок разработки и оформления технических соглашений к договорам и контрактам на поставку металлопроката». Практическая реализация этих принципов ускоряет адаптирование отечественных автомобильных заводов с отечественными и зарубежными поставщиками проката в условиях становления рыночной экономики.

1.5.3. Предложенные автором характеристики листовой стали и методики выявления предельной деформируемости (патент №1235984) обеспечивают более достоверное прогнозирование её штампуемости и использованы в обосновании требований к прокату листовой стали при разработке отраслевого руководящего документа.

1.5.4. Эффективность внедрения технических решений, связанных с совершенствованием качества стали в результате проведённых автором исследований, характеризуется следующими данными.

Экономический эффект от применения нелегированной углеродистой стали, упрочняемой индукционной закалкой, вместо легированной цементуемой, составил 48 тыс. рублей (изготовление пальцев рулевых тяг, 1963г.); 96 тыс. рублей (изготовление шкворней поворотных кулаков, 1964г.); 730 тыс. рублей (изготовление ведомых шестерён ведущих мостов, 1965г.); 59 тыс. рублей (изготовление крестовин дифференциала, 1982 г.).

Экономический эффект от внедрения в 1982 году рекомендаций по оптимизации режимов закалки картеров мостов составил 190 тыс. рублей.

Экономический эффект от внедрение горячекалиброванной стали, вместо холоднотянутой составил 247 тыс. рублей (штамповка полуосей задних мостов, 1982 г.), 127 тыс. рублей ( штамповка блока шестерён коробок перемены передач, 1983 г.), 4,3 млрд. рублей (изготовление пружин передней подвески, 1997 г.)

Экономический эффект от внедрения в 1997 году горячекатаной, рулонной стали, вместо полосовой, при штамповке лонжеронов рам составил 2,3 млрд. рублей.

Внедрение в производство низколегированной листовойали новых марок (а. №№ 1419161, 1323594) позволило уменьшить потребление проката в 1991 г. на 2000 тонн.

Промышленное опробование микролегированной стали новых марок, (патенты РФ №№ 1654367, 1741459, 1775490), проводившееся в 1995-96 г.г. и подтвердившее эффективность применения этого проката, позволит на 10-15% снизить потребление листового проката в производстве вновь создаваемых моделей автомобилей ГАЗ.

1.6. На защиту выносятся:

• Результаты исследований, направленных на повышение качества цементации, применяемой для изготовления тяжелонагруженных деталей автомобиля.

• Результаты исследований по отработке состава, -структуры, видов и режимов упрочнения углеродистых сталей, применяемых для изготовления тяжелонагруженных автомобильных деталей. I

• Результаты исследований листовой стали, проводившиеся с целью совершенствования предъявляемых требований к прокату (состав, свойства), режимов деформирования при штамповке и упрочнения при закалке.

• Методология управления качеством науглероживания сталей, основанная на применении прямых методов контроля углеродного потенциала.

• Совокупность условий, обеспечивающих возможность изготовления тяжелонагруженных автомобильных деталей ответственного назначения из углеродистых сталей с упрочнением индукционной термообработкой, исключающей цементацию и использование легированных сталей.

• Научно обоснованные предложения по рационализации состава листовой стали повышенной прочности, предназначенной для производства деталей автомобиля.

• Методология оценки пластической деформируемости листовой стали при штамповке, основанная на анализе ресурса пластичности металла.

• Принципы совершенствования технических условий на поставку проката автомобильных сталей различного назначения.

• Базисные положения политики в области качества автомобильных сталей.

• Методика натурального выражения эффективности инженерных решений, связанных с совершенствованием качества автомобильных сталей.

1.7. Апробация.

Основные результаты диссертационной работы обсуждались на региональных, отраслевых, всесоюзных, международных конференциях, симпозиумах, семинарах и совещаниях, в том числе, на отраслевом семинаре

Автоматизация процессов химико-термической обработки» (Москва, 1967); региональном совещании «Прогрессивные методы термической обработки стали и сплавов» (Горький, 1968); межотраслевом семинаре «Теоретические и технологические вопросы закалочного охлаждения» (Москва, 1969); региональном семинаре по индукционным методам нагрева (Горький, 1970); региональном семинаре «Опыт применения контролируемых атмосфер при термообработке стали» (Горький, 1974); всесоюзном симпозиуме «Термическая и химико-термическая обработка в машиностроении» (Саратов, 1978); всесоюзной конференции «Новое в металловедении и термической обработке металлов» (Тольятти, 1979); региональном семинаре «Химико-термическая обработка на предприятиях машиностроения» (Горький, 1980); всесоюзной конференции «Основные направления повышения качества и служебных свойств металлопродукции из чёрных металлов» (Москва, 1989); межреспубликанской конференции « Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин» (Волгоград, 1989); региональной конференции «Современные достижения в теории и технологии пластической деформации металлов, термообработки и повышении долговечности изделий» (Горький, 1989); всесоюзной конференции «Текстуры и рекристаллизация в металлах и сплавах» (Свердловск, 1992); международной конференции «Листовой прокат для автомобильного производства» (Кошице, 1993); международной конференции «Чёрная металлургия России и стран СНГ в XXI веке» (Москва, 1994); международном семинаре «Современное металловедение для машиностроения» (Н. Новгород, 1996); международном семинаре «Разработка и применение микролегированной горячекатаной листовой и полосовой стали» (Москва, 1996); межрегиональной научно-технической конференции «Повышение качества и эффективности в машино - и приборостроении» (Н. Новгород, 1997).

Результаты диссертации апробировались также изданием информационных карт на новые разработки, включенных в государственный и региональные банки данных, а также методических и служебных материалов, выпущенных значительными тиражами под названиями:

Влияние режима нагрева при закалке на прокаливаемость зубьев шестерён - Технический листок Волго-Вятского ЦБТИ, Горький, 1967, №125 (2009), 4 (Автор Глинер P.E.)

Исследование деформацииали 20ХНМ при цементации и закалке -Технический листок Волго-Вятского ЦБТИ, Горький, 1967, № 341(2561), 6 (Авторы Глинер P.E., Лебедева Г.В.).

Способ контроля цементацииали - Информационный листок Горьков-ского межотраслевого центра научно-технической информации и пропаганды, Горький, 1975, № 529-75, 4 (Авторы Глинер P.E., Гудова Н.И.)

Комбинированный лабораторный анализ цементационной атмосферы -Информационный листок Горьковского межотраслевого центра научно-технической информации и пропаганды, 1977, №677-77, 4 (Авторы Глинер P.E., Тюлин A.A.)

Приспособление для отбора газовых проб из термических печей - Информационный листок Горьковского межотраслевого центра научно-технической информации и пропаганды, Горький, 1979, №59-79, 4 (Глинер P.E., Уфаева М.В.).

Применение электромагнитных методов для контроля углеродного потенциала газовыхед - Информационный листок Горьковского межотраслевого центра научно-технической информации и пропаганды, Горький, 1979, № 112-79, 4 (Авторы Жигун А.П., Скобло A.B., Глинер P.E., Патеев В.А.).

Определение предельной пластичности листовойали - Информационный листок Горьковского межотраслевого центра научно-технической информации и пропаганды, Горький, 1988, №113-88, .4 (Авторы Глинер P.E., Майоров М.А.).

Построение диаграмм штампуемости листового металла - Информационный листок Горьковского межотраслевого центра научно-технической информации и пропаганды, Горький, 1988, №114-88, 4 (Авторы Глинер P.E., Майоров М.А.).

Определение запаса пластичности листовойали в технологическом процессе вытяжки - Информационный листок Горьковского межотраслевого центра научно-технической информации и пропаганды, Горький, 1988, №114-88, 4 (Авторы Глинер P.E., Майоров М.А.).

Методика определения запаса пластичности горячекатаной листовойали в технологических процессах штамповки - В руководящем документе: Применение горячекатаных листовыхалей в автомобилестроении (РД 37.012.013-88), М., Министерство автомобильной промышленности, 1988,49-68, (Авторы Глинер P.E., Майоров М.А.).

Химико-термическая обработка в автоматических печных линиях. Стандарт ПО «ГАЗ» (СТП 37.102.0821-79), Горький, 1979, 19(Авторы Глинер P.E., Гурашев В.Н., Макарова H.A.).

Лабораторные методы оценки науглероживающейособности атмосфер в печах для термической обработкиали. Методические указания производственного объединения «ГАЗ», Горький, 1979, 12 (Авторы Глинер P.E., Гурашев В.Н., Полторыгина М.А.).

Порядок разработки и оформления технических условий к договорам и контрактам на поставку металлопроката. Стандарт открытого акционерного общества «ГАЗ», Н. Новгород, 1997,7 (Автор Глинер P.E.).

Глинер P.E. Определение штампуемости листовойали. - Н. Новгород, ОАО «ГАЗ», 1993, 44 (Методический материал, автор Глинер P.E.).

Листовой прокат автомобильнойали - Н. Новгород, ОАО «ГАЗ», 1994, 26 (Информационный материал, автор Глинер P.E.).

Публикация. Основные научные результаты диссертации содержатся в 82 публикациях: монографии, статьях в научно-технических журналах, сборниках трудов научных конференций и выпускавшихся отраслевыми системами научно-технической информации, описаниях к авторским свидетельствам и патентам.

2.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. ИЗУЧЕНИЕ КАЧЕСТВА СТАЛИ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ, КАК ФАКТОР РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ

2.1.1. Совершенствование качества цементуемой стали

Приоритетные показатели упрочнения стали цементацией [4,5-8,31,36,82]

Теоретическим анализом (Л.С. Мороз, С.С. Шураков) и производственной практикой выработаны и научно обоснованы оптимальные показатели качества цементации. Оптимальное содержание углерода на поверхности соответствует интервалу 0.8-1,0%. Мелкоигольчатый мартенсит в сочетании с определённым (не снижающим твёрдость) количеством остаточного аустенита и карбиды, в количествах, не образующих грубых скоплений и сетку - оптимальная микроструктура поверхности. Ей соответствует твёрдость НТО 58-63. Оптимальной считается твёрдость сердцевины НТО 3545, достигается нормированием прокаливаемости стали и обеспечением определённых условий закалки при цементации. Нижняя граница этой твёрдости связывается с доминированием в микроструктуре малоуглеродистого мартенсита, и обеспечивает (Л.С. Мороз, С.С. Шураков) предотвращение пластических деформаций, способных вызывать трещины в цементованном слое. Верхняя граница обеспечивает благоприятные (сжимающие) остаточные напряжения после закалки и сопротивление распространению трещин в сердцевине.

Для прогнозирования долговечности цементованной стали значимым показателем является эффективная глубина цементации, характеризуемая толщиной поверхностного слоя, твёрдость которого не опускается ниже определённого значения. (Это обеспечивает требуемое сопротивление стали разрушению в условиях нагружения с поверхностной концентрации рабочих напряжений - при изгибе, контактных нагрузках).

Таким образом, совершенствование качества цементованной стали предполагает установление закономерностей в системе «состав-режим обработки-структ ура-свойства», характеризуемой следующими параметрами:

Состав Исходное (в прокате) содержание углерода и легирующих примесей. «Профиль науглероживания».

Режимы обработки Гемпературно-временные режимы науглероживания, нагрева и охлаждения при закалке, отпуска после закалки.

Структура Микрообъёмные соотношения мартенсита, продуктов диффузионного распада переохлаждённого аустенита, остаточного аустенита и феррита. Присутствие и характер карбидов. Размеры кристаллитов (зёрен), образующих структуру.

Свойства Сопротивления износу, пластическим деформациям, образованию и распространению трещин. Твёрдость, как комплексный показатель качества упрочнения.

Разработка алгоритма и программы компьютерного прогнозирования результатов науглероживания [14,18, 21,23, 27, 30, 36] Исходной задачей обеспечения качества цементации является управление процессом науглероживания. В принципе её решения должны основываться на оценках науглероживающей способности рабочей атмосферы и содержания углерода в поверхностных слоях цементуемой стали. Для управление процессом в реальном производстве наиболее рациональной представляется модель науглероживания, использующая, как наиболее значимые, следующие (А.А. Попов) параметры:

Сп (%) - максимальное насыщение стали углеродом, достигаемое в контролируемой атмосфере (углеродный потенциал рабочей среды); т - продолжительность науглероживания; а (см/с) - коэффициент поглощения, характеризующий интенсивность взаимодействия металла с рабочей средой; О (см2/с) - коэффициент диффузии; СцСх (%) - исходное содержание углерода.

При этом содержание углерода в зоне, отстоящей от поверхности на расстоянии х, может быть рассчитана по уравнению:

Ог+Их) // V \ л хА+ь[Бг\

1 -erf

2jDr) в котором erf обозначает интеграл вероятности, h = a/D.

На основе этой модели разработана программа расчётов на ПЭВМ, позволяющая по задаваемым значениям Сп и т, с учётом известных Сисх, a, D, рассчитать зависимость Суг= f(x,z). Программа, предназначена также для решения обратной задачи: по опытной зависимости Сх,Т = f(x, т) рассчитывать коэффициенты а и D.

Совершенствование методов контроля углеродного потенциала [21,26, 27, 30, 31]

Результаты контроля углеродного потенциала, определяемые по газовому составу рабочей среды (косвенный метод), отличаются от определяемых «прямым» методом - по насыщению углеродом образца , подвергнутого науглероживанию в контролируемой атмосфере (рис. 1). Однако, содержание углерода в таком образце (в виде тонкой проволоки или ленты) может рассматриваться как потенциал, если за время науглероживания по всей его толщине (8) установится одинаковая концентрация углерода, близкая к Сп. При этом, по аналогии с понятиями «тонкого тела» и «массивного тела», применяемых в теории теплопередачи, целесообразно ввести понятия «диффузионно-тонкого» и «диффузионно-массивного» тел. Критерием для разделения их является условие: В/ -а5/2С< 0,25. (В/'-критерий подобия).

Для определения значений а и О, характеризующих науглероживание диффузионно-тонкого тела, проводили эксперименты по выдержке с фиксированием продолжительности (т) тонких (5=0,1 мм) образцов стали марки 08кп в атмосфере, содержащей СЩ и СО при температуре 920°С. Значение а вычисляли, используя уравнение, по структуре и назначению аналогичное применяемому в расчётах нагрева тонких тел:

От = а (КПред - Кисх) т Р (2), где <3Т - количество углерода, продиффундирующего в образец за время т, Кпред и Кисх - соответственно предельная и исходная концентрация углерода в образце (выраженные в единицах удельного веса), ? - активная поверхность образца.

Уравнение (2) легко преобразуется в уравнение для расчётов а: г 2£((-Спред~Си^т (3)

Чт- £

Коэффициент диффузии рассчитывали по формуле, полученной видоизменением известной (А.А. Попов): = (0,04 + 0,08- Ст)-е кт (4)

На рис. 2 представлены полученные в расчётах данные, из которых следует, что образцы толщиной 0,1 мм после 10 минут выдержки в рабочей среде могут рассматриваться как диффузионно-тонкие.

На основании проведённого анализа в качестве пробных образцов предложено использовать ленту толщиной 0,1 мм (фольга) из высокоуглеродистой стали марки 13Х (содержащей 1,3% углерода).

Для оперативного контроля разработаны ускоренные весовой и электромагнитный методы определения углерода в фольге. Весовой метод по точности превосходит химический, но применение его ограничено нагревом под закалку или науглероживанием, когда температура и состав среды на всех стадиях процесса постоянны. Наиболее оперативным является электромагнитный метод. Точность его может быть повышена за счёт многократного использования одного и того же образца-датчика в каждом из контролируемых рабочих мест рабочего пространства. Этот метод целесообразно применить в системах автоматического регулирования углеродного потенциала.

Прямой контроль углеродного потенциала, в отличие от косвенного, не требует использования индивидуально устанавливаемых регрессионных моделей, связывающих результаты науглероживания с составом рабочей среды, с учётом условий науглероживания (массоёмкость атмосферы, степень засаженности рабочего пространства, характер перемещения- в нём атмосферы, масса обрабатываемых деталей и т.п.), зависящих как от конструктивных особенностей рабочего оборудования, так и от особенностей его эксплуатации. С применением прямого контроля прогнозирование результатов науглероживания осуществляется по модели, выражаемой уравнением (1), общей для всех вариантов рабочей среды (включая жидкие среды и твёрдые смеси).

Определение параметров, обеспечивающих достижение требуемой глубины науглероживания при оптимальном насыщении [21, 26, 30, 31, 37]

Расчёты коэффициентов диффузии углерода по результатам науглероживания «массивных» тел, с применением «послойного» определения углерода в поверхностных слоях, характеризуются недостаточной точностью из-за (М.А. Криштал) допущений, принимаемых при подборе расчётных уравнений, характеризующих кинетику диффузионного процесса. Кроме того, точность фиксирования температуры, времени, содержания углерода в последовательно снимаемых слоях-«стружках» (послойный анализ), ограниченная условиями проведения экспериментов, служат (М.Е. Блантер) существенными источниками ошибок при изучении закономерностей диффузии. Поэтому определяемые значения О и а (а в нашей модели определяется через Л) мало приемлемы в обсуждениях физико-химических механизмов науглероживания и влияния различных факторов на результаты науглероживания. Полученные значения й и а можно считать полезными лишь в той мере, в какой они позволяют приблизиться в инженерных расчётах к реальным результатам науглероживания. В этом аспекте й и а следует рассматривать лишь как эмпирические показатели, обслуживающие выбранную модель науглероживания.

Присутствие легирующих примесей в цементуемой стали влияет на процессы образования карбидов и термодинамическую активность углерода. Поэтому в легированной стали следует ожидать увеличение или уменьшение значений коэффициента диффузии углерода. Установлено, что при насыщении углерода, не превышающем 1,0%, параметры науглероживания (коэффициенты а и О, содержание углерода на поверхности, глубина) для различных марок нелегированной и легированной стали в расчётах можно принимать одинаковыми, пренебрегая влиянием легирования. На результаты науглероживания, наряду с температурно-временным фактором, решающее влияние оказывает углеродный потенциал. В исследованиях реальных технологических процессов науглероживания (рабочая температура 900-940°С), проанализированных с использованием компьютерных расчётов, получены следующие значения для коэффициентов а и О, а также рекомендации по значениям углеродного потенциала, обеспечивающие оптимальную (0,8-1,0%) поверхностную концентрацию (табл.1 и 2):

В табл.3 представлены сравнительные данные результатов экспериментов и компьютерных расчетов, проводившихся для выявления параметров науглероживания, характеризующих различные его режимы.

Как показывает практика, достаточно большие, но сравнительно кратковременные (не превышающие 10-15% от рабочей продолжительности) случайные отклонения от рабочих значений углеродного потенциала существенно не отражаются на конечных результатах науглероживания

Прогнозирование эффективной толщины цементованного слоя

Эффективная толщина чаще всего определяется как протяжённость поверхностной зоны с твёрдостью не ниже НРС 50. Эта характеристика упрочнения зависит от степени науглероживания, легирования и режимов закалки. Для прогнозирования её в компьютерных расчётах использованы дополнительные показатели: эффективная концентрация углерода (Сэф) - минимальная концентрация, обеспечивающая достижение твёрдости НЯС50; степень закалки (К) - комплексная характеристика, отражающая степень легирования и условия закалки, численно равная отношению значения фактической твердости (НШСф) участков, примыкающих к цементованному слою, к значению «теоретической» твёрдости (НЯСт), характеризующей закаливаемость (А.П. Гуляев) стали с содержанием углерода Сисх, т.е. К= НЛСф/НЯСт

По результатам анализов получено выражение Сзф=1,2 - К, позволяющее рассчитывать эффективную толщину цементованного слоя, используя экспериментальные данные по твердости и компьютерные расчёты - табл. 4. (Данные относятся к экспериментам и расчетам при Сисх=0,22%)

Совершенствование методики оценок степени науглероживания с использованием микроисследования [15,23,31,36]

В практике цементации основным лабораторным методом оценки науглероживания является микроисследование, с выявлением на отожженных образцах цементованной стали протяжённости участков заэвтектоидного и эвтектоидного насыщения и границы окончания науглероживания. Изучалась возможность численных оценок в данном анализе. Установлено, что в цементованном слое легированной стали различных марок протяжённость зоны с эвтектоидным насыщением (Хэ) ограничена содержанием углерода 0,55-0,85%. На границе окончания науглероживания, определяющей его общую глубину (Хн), содержание углерода в расчётах можно принимать равным Сисх+0,05%. Соответственно предложены критерии полуколичественной оценки степени науглероживания реального изделия:

•в случаях, когда протяжённость заэвтектоидной зоны не превышает 0,05 мм, содержание углерода на поверхности принимается 0,80-0,85%;

•при незначительной протяжённости эвтектоидной зоны поверхностное содержание углерода можно принимать 0,55% как признак недостаточного насыщения.

Поверхностная концентрация определяет соотношение между общей глубиной науглероживания и протяжённостью зоны эвтектоидного насыщения (рис. 3). Однако, с учётом влияния исходного содержание углерода и точности проводимых измерений^ в микроисследовании целесообразно ограничиваться полуколичественными оценками поверхностной концентрации, принимая, что при оптимальной концентрации (0,8-1,0%), численное значение Хэ/Хн ограничивается значениями 0,4-0,6 для стали с исходным содержанием углерода 0,20-0,30%

Изучение микроструктуры и механических свойств цементованной легированной стали с целью выявления рациональных режимов закалки

5-8, 10]

Возможность повышения долговечности Сг-1ЧьМо-стали (стандартная марка 20ХН2М) за счёт совершенствования режимов её цементации изучалась при разработке новой технологии закалки деталей, выполняющих функцию ведущих шестерён главной пары мостов грузовых автомобилей ГАЗ (рис. 4).

Первоначальной технологией предусматривалась закалка шестерён в цементационном агрегате, проводимая непосредственно после науглероживания (1,5-1,8 мм), как наиболее экономичная. Этот способ, при котором в горячее масло одновременно погружается большая • масса металла, не обеспечивал стабильного качества упрочнения. В результате имели место многочисленные случаи поверхностного разрушения зубьев ведущих шестерён после непродолжительной работы (рис. 4). Проведённый анализ показал, что для повышения долговечности необходимо увеличить глубину упрочнения зубьев (рис. 5).

Из возможных технических решений этой задачи, таких как увеличение глубины науглероживания, повышение исходного содержания углерода и легирующих примесей в стали, совершенствование закалки, последнее являлось наиболее рациональным. Вместо закалки в цементационном агрегате разработан способ, предусматривающий глубинный индукционный нагрев и индивидуальное охлаждение детали потоком масла.

Предварительно проводились исследования для обоснования нового способа закалки, основное внимание в которых уделено изучению влияния скорости охлаждения и температуры нагрева при закалке на структуру и механические показатели цементованной стали. При этом основной проблемой являлась оценка скоростей охлаждения при различных вариантах закалки (включая закалку в цементационном агрегате). Использовался известный (М.Е. Блантер, А.П. Гуляев) косвенный способ, основанный на применении торцевой закалки - рис. 6. Для повышения достоверности в оценке скоростей охлаждения разработана методика компьютерного анализа, с использованием полученного обработкой известных (М.Е. Блантер) экспериментальных данных выражения для зависимости скорости охлаждения (V, град/с) от расстояния (1, мм) до охлаждаемого водой торца: У = 512,8 I."1'38 (5)

Установлено, что применяемое при закалке легированной стали минеральное масло позволяет регулировать скорость охлаждения в достаточно широких пределах, если использовать для охлаждения регулируемый по интенсивности поток (рис. 7). Увеличение скорости с 10 до 50°С/с приводит к существенному возрастанию прочностных показателей (рис. 8). Оптимальной является скорость 40-50°С/с, обеспечивающая уровень упрочнения, исключающий пластические деформации при механическом нагруже-нии зубьев в условиях их работы.

Изучением микроструктуры и микротвёрдости (рис. 8, 9) установлено, что при охлаждении со скоростью более 80°С/с в сердцевине формируется микроструктура малоуглеродистого мартенсита ((-IV 460),в которой отсутствуют чёткие границы между отдельными кристаллитами. Снижение скорости до 40°С/с обусловливает образование, наряду с мартенситом, изолированных зёрен феррита и участков троостита (Н\/ 400). Дальнейшее снижение скорости (до 15°С/с) приводит к доминированию в микроструктуре перлита (Н\/ 300), что является признаком существенного снижения прочности (аь менее 500 МПа) сердцевины цементуемой стали. Характерно, что повышение прочности, вызванное возрастанием скорости охлаждения, не сопровождается существенным снижением пластичности (v)/).

Для изучения влияния температуры глубинного индукционного нагрева под закалку на структуру цементованной стали освоена комплексная методика, предусматривающая параллельное проведение «послойных» (рис.10) металлографического, рентгеноструктурного (определение количества ау-стенита и углерода в твёрдом растворе), химического анализов и измерений микротвёрдости (рис.11-17).

Установлено, что полная закалка сердцевины происходит после нагрева до 870°С. При этом в зонах с насыщением углеродом более 1,0% сохраняется цементитная сетка. Структурно свободный цементит в зоне с содержанием углерода 1,2% сохраняется при нагреве до температуры 950°С.

Степень науглероживания практически не влияет на размер действительного зерна аустенита. Заметный рост зерна начинается с нагревов выше 980°С. При этом размеры зерна приближаются, но не превышают, фиксируемые в закалке, проводимой непосредственно после науглероживания. При закалке с температур 820°С и 870°С, образуется «скрытокристаллический» мартенсит. Чёткая игольчатость проявляется при закалке с температур 920°С и выше, когда насыщение углеродом превышает 1,0%, что приводит к заметному количеству остаточного аустенита. Фиксируемое микройсследованием изменение «игольчатости» мартенсита при повышении температуры закалки до 920-950°С не связано с величиной действительного зерна аустенита, и является следствием возрастания скоплений остаточного аустенита в результате перехода углерода в твёрдый раствор.

При повышенном насыщении стали углеродом переход его в твёрдый раствор завершается только в нагреве до 980°С. Концентрации углерода в твёрдом растворе возрастает с повышением температуры по линейному закону. При этом в стали с содержанием углерода до 0,35-0,45% полной гомогенизации не происходит при нагреве до 980°С. Однородная микротвёрдость характерна для зон с концентрацией углерода более 0,6-0,7%, что свидетельствует об отсутствии в аустените обогащенных углеродом микрообъёмов. Снижение твёрдости по мере повышения температуры нагрева связано с влиянием остаточного аустенита (рис.16). Характерно, что количество остаточного аустенита в цементованной стали выше, чем наблюдаемое при закалке обычной стали. Это можно связать с тем, что, в дополнение к внутренним «тепловым» напряжениям, которые инициируют (А.П. Гуляев) мартенситное превращение в обычной стали, закалка цементованной стали сопровождается напряжениями, обусловленными разновременным протеканием фазовых превращений в различных сечениях диффузионного слоя. В этих условиях процесс превращения переохлаждаемого аустенита в мартенсит имеет свои особенности, характеризуясь повышенным количеством остаточного аустенита, как в зоне диффузионного насыщения, так и вне его (см. рис.16).

Изучение структуры цементованной стали, показало, что при насыщении углеродом, не превышающем 1,0%, температурный интервал глубинного индукционного нагрева под закалку (870-920°С) обеспечивает оптимальную микроструктуру стали и на основании этого может быть принят в качестве оптимального.

Как показали проведённые механические испытания (рис. 18), применение индукционной термической обработки цементуемой стали марки 20ХН2М обеспечило повышение её прочности на 60% и вязкости на 35%, по отношению к аналогичным показателям, достигаемым при. непосредственной закалке. Внедрение новой технологии упрочнения ведущих шестерён полностью исключило случаи разрушения зубьев при работе деталей.

Исследование твёрдости цементованной стали для выявления рациональных режимов науглероживания и закалки [19, 20]

Восприимчивость стали к закалке характеризуется критической скоростью закалки (Укр). Для изучения зависимости этого показателя от насыщения углеродом и режимов закалки применена методика, использующая в совокупности торцевую закалку образцов, науглероженных в твёрдом карбюризаторе (до 1,4%), с нагревом по различным температурно-временным режимам (температура 780-920°С, продолжительность нагрева от 40 до 400 минут),и послойный химический анализ. Предварительно проводилось теоретическое исследование влияния температуры нагрева на скорость охлаждения в торцевой закалке, с использованием графоаналитического анализа дифференциального уравнения теплопроводности. Установлено, что распределение скорости охлаждения по длине образца, независимо от температуры закалки, можно представить уравнением (5). Это даёт основание в экспериментах с использованием торцевой закалки исключить температуру закалки как фактор, влияющий на критическую скорость. Получены диаграммы, по типу, представленных на рис. 19-21, и определены значения \/кр для науглероженной стали различных марок (20ХН2М, 18Х2Н4ВА, 25ХГМ, 20ХГР, 25ХНМ ЗОХМ, 20Х, А12). Установлено, что в закалке после продолжительного высокотемпературного нагрева (применяемого для науглероживания) \/кр стали значительно ниже, чем в закалке с кратковременным нагревом (при повторной закалке). Подстуживание, используемое в практике непосредственной закалки, не влияет на \/кр, тогда как повышение температуры при повторном нагреве (до 900°С) приводит к заметному её снижению. Насыщение 0,9-1,0% следует считать наиболее благоприятным, с точки зрения обеспечения требуемой поверхностной твёрдости. Аналогично влияет режим нагрева на Х/ф при закалке сердцевины цементованной стали. Влияние остаточного аустенита на твёрдость при концентрации углерода до 1,0% проявляется лишь на стали марки 18Х2Н4ВА. При концентрации до 0,8% твёрдость НИС 61 достигается на этой стали при закалке после продолжительного нагрева без специального подстуживания, что опровергает сложившееся мнение об абсолютной не'технологичности высоконикелевой стали при цементации. Для всех остальных марок концентрацию 0,91,0% следует считать наиболее благоприятной, обеспечивающей высокую поверхностную твёрдость в реальных условиях закалки цементованной стали.

Исследование термических деформаций и шлифуемости для выявления рациональных режимов цементации [9,11]

Изучалось совокупное влияние различных факторов на проявление деформации при цементации и закалке. Установлено, что доминирующими факторами является глубина цементации и применение повторной закалки. Меньшее влияние оказывают разноплавочность, режимы предварительных термической и механической обработок. Науглероживание без непосредственной закалки (с замедленным охлаждением после науглероживания) сопровождается незначительными деформациями. Это позволяет сохранять класс точности шестерён, упрочняемых закалкой с повторного нагрева, на уровне, достигаемом механической обработкой (рис. 22).

Основной проблемой шлифования цементованной стали является исключение, прижогов и трещин на шлифуемой поверхности. Разработана методика лабораторного испытания цементованной стали на склонность к образованию прижогов и трещин, с учетом режимов цементации и шлифования (сталь марки 20ХН2М). Установлено, что допустимые на практике колебания режима отпуска и насыщения оказывают влияние на склонность цементованной стали к прижогам и растрескиванию при шлифовании, сопоставимое с влиянием режимов шлифования. Наиболее неблагоприятное для шлифовки структурное состояние возникает в процессе обработки холодом, используемой для обеспечения твёрдости при пересыщении стали углеродом. Учитывая реальные возможности контроля за режимами шлифования и неизбежные (допустимые) в реальной технологии отклонения от заданных режимов науглероживания и отпуска, наиболее радикальной мерой предотвращения трещин при шлифовке цементованной стали является совершенствование режимов шлифования.

Приоритетные испытания проката цементуемой стали ■ [35, 37, 76, 77, 80]

Для цементуемой стали наиболее значимыми из определяемых в прокате являются требования по прокаливаемости и зернистой наследственности. Характерно, что колебания химического состава, приводящие к отклонениям от марочного, в полтора-два раза превышающие допускаемые стандартами, при удовлетворительных прокаливаемости и зернистости не отражаются на качестве упрочнения. При этом следует также учитывать, что (А.П. Гуляев) легирование конструкционной стали всеми (за исключением никеля) элементами, превышающее необходимое для обеспечения требуемых прокаливаемости и зернистости, приводит к снижению надёжности металла (долговечности в экстремальных условиях эксплуатации), т.е. нецелесообразно во всех аспектах.

Традиционно принятые, сравнительно трудоёмкие испытания на растяжение целесообразны лишь для проката, предназначенного для холодной объёмной штамповки. Для оценки технологичности в остальных видах обработки и прочностных качеств стали достаточно ограничиться испытанием ударной вязкости и твёрдости образцов, термически обработанных (закалка + отпуск) по режимам, принятым в технологии цементации.

К микроисследованию поставляемого проката целесообразно прибегать в случаях, когда требуется дополнительная информация по качеству стали, в частности, при возникновении проблем с обрабатываемостью при холодной механической обработке проката (резание, объёмная штамповка), или возникает необходимость выявления локальных загрязнений металла.

В условиях массового производства контроль сортового проката потребителем эффективен лишь при использовании автоматизированного нераз-рушающего контроля, позволяющего контролировать каждый пруток. Выборочный контроль отдельных прутков малоэффективен.

Наиболее эффективным контролем качества проката является предварительное опробование металла от каждой поступающей его партии с наблюдением по всему технологическому процессу изготовления изделий. 2.1.2 .Совершенствование качества углеродистой стали за счёт применения объёмно-поверхностной закалки с индукционным нагревом Совокупность условий, определяющих возможность применения индукционной закалки, вместо цементации [2,3, 13, 28, 31, 32]

В автомобильном производстве с индукционной термической обработкой (ИТО) связывается использование наиболее рациональных технологических процессов упрочнения стали: скоростной индукционный нагрев, сопровождаемый интенсивным охлаждением, упрощает достижение наиболее благоприятных твёрдости и микроструктуры закалённой стали; возможность точного дозирования охлаждением позволяет в максимальной степени использовать эффект самоотпуска для предотвращения закалочных трещин; индивидуальность нагрева и охлаждения благоприятствует стабильности качества упрочнения стали. Всё это, вместе с возможностью варьирования в широких пределах глубиной и локальностью закалки, а также с возможностью замены легированной стали на нелегированную с повышенным содержанием углерода, создаёт реальные предпосылки для конкуренции индукционной закалки с цементацией.

В случаях деталей сравнительно простой конфигурации, упрочнение которых преследует цель повышения поверхностной твердости, такая альтернатива не вызывает необходимости в углублённых исследованиях. Однако, когда отказ от цементации, вызываемый экономическими соображениями, предполагается на деталях, упрочнение которых должно обеспечивать надёжное сопротивление различным видам повреждений (см. раздел 2.1.1.), возникает необходимость в обеспечении определённых условий внедрения индукционной термической обработки, вместо цементации. Обобщение опыта позволяет сформулировать следующие условия.

Необходимым условием является обеспечение объёмно-поверхностного характера упрочнения деталей, за счёт выбора состава стали и технологии термической обработки. При этом должно обеспечиваться одно из двух достаточных условий:

• повышенная (по сравнению с цементованными деталями) долговечность. (Показано (К.З. Шепеляковский, А.А. Кузнецов), что сама по себе объёмно-поверхностная закалка позволяет «достигать рекордно высоких служебных свойств, широкого .круга деталей». Долговечность может быть также повышена за счёт применения дополнительного поверхностного пластического деформирования);

• сохранение одинаковой долговечности сопряжённых в работе деталей.

Практическая реализация совокупности этих необходимого и достаточных условий требует изучения качества стали и особенностей её упрочнения в применении к конкретным деталям.

Исследование углеродистой стали с целью внедрения рациональной технологии упрочнения пальцев рулевых тяг [2,3]

Первое из сформулированных достаточных условий реализовано на пальцах рулевых тяг. Являясь тяжело нагруженными, пальцы рулевых тяг относятся к категории деталей, особо ответственных за безаварийную эксплуатацию автомобилей. Переход с цементации (сталь марки 18ХНТ) на индукционную закалку потребовал изысканий технических решений по обеспечению сопротивления износу, пластической деформации, разрушению под воздействием концентраторов напряжений (резьба) и усталостному разрушению. Необходимое условие замены цементации ИТО обеспечивалось в новой технологии последовательным применением термического улучшения (закалка с отпуском) и поверхностной закалкой с индукционным нагревом. Разработка такой технологии потребовала изучения прочностных качеств среднеуглеродистой нелегированной стали с сорбито-ферритной микроструктурой, характерной для нелегированной стали, закалённой в масло. (Применение в качестве закалочной среды масла необходимо для предотвращения закалочных трещин). В проведённых исследованиях закаливаемости и натурных испытаниях (рис. 23-27) установлено, что на стали, содержащей не менее 0,45% углерода, обеспечивает твердость после поверхностной закалки выше, чем достигаемая цементацией, и более высокие прочностные показатели пальцев при статическом нагружении, чем достигаемые на Cr-Ni-Ti-стали. Но последняя превосходит углеродистую сталь в испытании пальцев на циклическую долговечность. Установлено, что достаточно простое по технологическому исполнению (используется оборудование для накатки резьбы) пластическое упрочнение обкаткой обеспечивает уровень долговечности углеродистой стали выше, чем цементуемой стали При этом упрочняющий эффект контролируется металлографически - измерением микротвёрдости

Исследование углеродистой стали с целью выявления рациональных режимов объёмно-поверхностной закалки зубчатых колёс [13, 16, 31, 32]

Рассматриваемое ниже техническое решение является примером реализации второго из сформулированных достаточного условия внедрения ИТО, вместо цементации. Зубья ведомой шестерни главной пары автомобильных мостов, в работе сопряжёны с зубьями ведущих (см. рис. 4) шестерён. Поскольку в данной тяжелонагруженной паре шестерён количество «ведомых» зубьев в несколько раз превышает число «ведущих», a priory поверхностная долговечность последних значительно ниже. Это обуславливает возможность замены на ведомых шестернях цементации индукционной термической обработкой. При этом целесообразно использовать высокоуглеродистую сталь «регламентируемой» (К.З. Шепеляковский) прокаливаемое™, что позволяет реализовать эффект объёмно-поверхностного упрочнения в закалке с глубинным индукционным нагревом.

Исследовалось сопротивление разрушению при статическом и динамическом изгибе углеродистой стали марки 58 (55ПП) подвергнутой объёмно-поверхностной закалке с индукционным нагревом. Установлено, что в данных испытаниях углеродистая сталь не уступает цементованной Cr-Ni-Mo-стали (рис. 28). Это.позволило заменить цементуемую сталь марки 20ХН2М на сталь 58 (55ПП) для ведомых шестерён мостов грузовых автомобилей «ГАЗ». Изучение конструктивной прочности стали проводилось с выявлением приоритетных показателей качества её закалки. Исследована зависимость эффективной глубины объёмно-поверхностной закалки (расстояние от поверхности до твёрдости HRC 50) от исходной (в прокате) прокаливаемое™ стали, выявляемой в стандартном испытании проката методом торцевой закалки. В качестве показателей прокаливаемости в прокате принимали (как принято в его аттестации) твёрдость на расстоянии 3 мм от закалённого торца (HRC3), а также дополнительные , вновь разработанные показатели, выявляемые микроисследованием - расстояние от охлаждаемого торца до границ окончания мартенситной и лолумартенситной микроструктуры. Проведённым анализом показано, что выбор стали по показателю HRC3 необходимо связывать со скоростью охлаждения в реальной закалке рис. 29). При этом в объёмно-поверхностной закалке отсутствует необходимость обеспечения одинаковой глубины упрочнения по всему профилю зубьев. Наиболее рациональный характер упрочнения соответствует эффективной его глубине, составляющей 0,2-0,8 высоты зуба (рис.30).

Установлено, что нелегированная сталь, закалённая с применением индукционного нагрева, более склонна к снижению твёрдости при отпуске, чем легированная, прошедшая цементацию. Обеспечение режимом отпуска характерной для цементованной стали твёрдости НТО 60-63, на стали 58(55ПП) приводит к пониженному запасу вязкости. В связи с этим решалась задача определения рациональных значений поверхностной твёрдости зубьев ведомых шестерён, подвергаемых объёмно-поверхностной закалке. Для оценки влияния отпуска на прочность и вязкость проводили испытания на кручение, так как при этой схеме нагружения в наибольшей степени выявляется пластичность металла. Кручению подвергали образцы из стали 58(55ПП), подвергнутые объёмно-поверхностной закалке и отпуску на различную температуру. Наряду с выявлением традиционных характеристик прочности и пластичности; измерением площадей под диаграммами кручения оценивали предельную энергию разрушения (вязкость). Установлено, что наиболее высокие прочностные свойства получаются после отпуска, при котором твёрдость понижается до значений НТО 57-59. (Непосредственно после закалки достигается твёрдость НТО 61 и выше). Прирост прочности составляет 16-18% относительно уровня, достигаемого закалкой. Пластичность и вязкость возрастают вдвое. Проведённые натурные испытания показали, что ведомые шестерни из стали 58(55ПП) с поверхностной твёрдостью НТО 57-59, достигаемой за счёт оптимизации режима отпуска, не уступают по долговечности работающих с ними в паре цементованным ведущим шестерням, обладающим твёрдостью НТО 60-62.

Установлено, что значения показателя НТОз коррелируют с глубиной торцевой закалки, выявляемой по микроструктуре. Для повышения достоверности прогнозирования результатов объёмно-поверхностного упрочнения в испытании торцевой закалкой стали (пониженной прокаливаемости) измерения твёрдости целесообразно заменить микроисследованием закалённого торца, с определением глубины закалки по микроструктуре. Этот показатель должен являться основным при аттестации качества стали, а в механических испытаниях проката, также как и в случае цементуемой стали, достаточно ограничиться определением ударной вязкости.

2.1.3. Совершенствование качества листовой стали, применяемой для штамповки автомобильных деталей [1,79,80]

Совершенствование качества «автолиста» - листовой стали, применяемой в автомобильном производстве, основывается на изучении зависимости технологических и эксплуатационных (проявляемых в работе автомобильных деталей) свойств металла от его состава, качественных показателей в прокате, режимов штамповки, термической обработки, используемой в производстве штампуемых деталей. Фактически объектом совершенствования являются марочный состав, показатели свойств, методы испытаний, режимы пластической и термической обработки. При этом выбор рациональных решений может рассматриваться в аспектах улучшения штам-пуемости, либо повышения прочностных показателей стали. Решение этих задач, преследующих разные цели, предполагает использование различных концептуальных подходов. ^

Разработка рациональной методологи определения деформируемости стали при штамповке автомобильных деталей [1, 34, 38, 41, 43-47, 55-57, 60, 61, 63-69, 71-73, 75-77,80]

Оценка пластической деформируемости (штампуемости) листовой автомобильной стали включает в себя комплекс исследований, проводимых в производственных и лабораторных условиях. Последние играют доминирующую роль, поскольку в максимальной степени поддаются стандартизации. При всём многообразии этих испытаний существует проблема достоверного прогнозирования результатов штамповки. Её решение должно основываться на показателях качества металла, пригодных (Г.А. Смирнов-Аляев) для инженерных расчётов штампуемости. В наибольшей степени этому условию удовлетворяют показатели предельной пластичности (В.А. Скудное). В разработанной автором методологии (рис. 31) определения штампуемости, основанной на выявлении этих показателей, количественная оценка деформированного состояния производится по численному значению главных деформаций 81, ег5 Бз и интенсивности деформации 8|. Прогнозирование штампуемости сводится к сопоставлению £|, возникающих в технологическом процессе, и предельных деформаций, выдерживаемых металлом без разрушения. Используются две характеристики (Г.А. Смир-нов-Аляев): «предельно прочная» пластичность Ер, численно равная интенсивности деформации в момент разрушения, и «предельно устойчивая» пластичность Еу, численно равная интенсивности деформации в момент потери устойчивости.

Кроме природы металла, на эти показатели влияет жёсткость напряженно-деформированного состояния (НДС), которая в случае листовой штамповки характеризуется показателями т и П, выражаемыми через главные деформации, как (Г.А. Смирнов-Аляев, В.П. Чикидовский):

В оценках предельной пластичности при одноосном растяжении полезным является также легко получаемое выражение показателя П через главные деформации:

2г0 +

1 + т

Характеристики пластичности и показатели НДС связаны эмпирическими зависимостями (Г.А. Смирнов-Аляев, В.П. Чикидовский): в которых ер и Бу-это значения, соответственно, Ер и Еу, при одноосном растяжении, когда т=0 (или, что одно и то же, П=1).

Разработка рациональных методов определения предельной пластичности листовой стали

По разработанной автором методике значения Ер определяются при испытании растяжением образцов, размечаемых по рабочей длине сеткой окружностей малого диаметра. Это позволяет оценивать деформации на любых участках испытываемого образца, включая примыкающие к разрыву. Наиболее просто разметка осуществляется нанесением самоклеющейся измерительной сетки (СИС). В отсутствии СИС образцы стали толщиной более 1 мм размечаются продольным рядом круглых отпечатков, образуемых вдавливанием металлического шарика на стандартном твердомере. В качестве Ер выступает деформация Si, рассчитываемая по эллипсам, образовавшимся из окружностей, попавших в сечение разрыва (рис. 32).

Определение Еу основывается на том., что, как это следует из анализа выражений Еру= f(m), при т, большем некоторого критического, (ГПкр), характеристики Ер и Еу отождествляются. Отсюда следует, что, если использовать испытание, в котором m>mKP, (например, в испытании по Эриксену), то в месте разрушения будет выполняться условие ер= sy. Таким образом, выявление Еу сводится к стандартному испытанию на вытяжку сферической лунки с определением предельной интенсивности (£]) в момент разрыва (рис. 33). Как показал анализ, при данном испытании интенсивность деформации в момент разрыва металла численно совпадает с главной растягивающей деформацией. Таким образом, получается, что Еу-8р8-|.При невозможности непосредственного определения еу используется установленная автором корреляция £i = 0,058 (IE) - 0,0943 (IE - глубина вытяжки, мм).

Для выявления предельной пластичности толстолистовой стали могут использоваться испытания на изгиб. Характерно, что условия деформирования при стандартных испытаниях изгибом (ГОСТ 14019) отличаются от условий реальной штамповки и характеризуются низкой достоверностью. Автором разработан метод испытания толстолистовой стали, легко поддающийся стандартизации, исключающий этот недостаток и позволяющий выявлять предельную пластичность металла при изгибе (рис. 34). Исследование деформаций при испытании изгибом по стандартной методике показало, что в рабочей зоне возникают деформации растяжения и сжатия. При

Ер = (1,6-0,6 П) Sp

1, 43-46, 49, 54-56, 59, 60, 62, 63, 66-68, 71, 72] этом интенсивность деформации, достигая достаточно высокого уровня, не вызывает разрывов металла. В испытаниях того же металла на образцах, в которых отношение ширины к «рабочей толщине» соответствует 5:1, сжимающие деформации практически отсутствуют (£г =0)- Разрывы происходят при значениях интенсивности деформаций, меньших, чем в стандартных испытаниях, и таким образом подтверждается неудовлетворительная штампуемость металла. Аналогично испытаниям на растяжение и вытяжку, предельная пластичность стали в изгибе оценивается по деформациям малых окружностей или (в отсутствии средств для их нанесения) используя полученную автором в испытаниях зависимость e-i= -0,0015 аи +0.64 аи (аи - угол изгиба). Наиболее эффективно применение данного способа для определения штампуемое™ проката, имеющего поверхностные дефекты.

Численные значения величин ЕУ) р являются характеристиками качества данного (марка, партия, плавка) металла.

Прогнозированиг-результатов штамповки по диаграммам штампуемости [1, 53, 55-57, 63, 64, 66, 69, 73, 75, 80]

Для прогнозирования результатов штамповки разработан экспериментально-расчётный метод компьютерного построения диаграмм штампуемости (ДШ) - рис. 35. В отличие от традиционных в анализах листовой штамповки диаграмм предельных деформаций, построение которых требует проведения серии трудоёмких лабораторных испытаний, для получения ДШ достаточно двух стандартных испытаний - на растяжение и вытяжку: после определения в них ер и sy, задаваясь рядом значений m в выражениях Ep,y=f(m), расчётным путём получают координаты ДШ (рис. 36). Характерную для диаграмм величину Em¡n следует рассматривать, как основной показатель технологической пластичности листовой стали. Установлено, что на Em¡n существеннее влияет £у, чем ер. Отсюда следует, что в аттестации качества каждой конкретной партии металла достаточно ограничиться оценкой величины Sy, полагая £р постоянной для данной марки стали.

Одной только оценки предельной пластичности металла недостаточно для прогнозирования результатов штамповки, так как возникающее в ней напряжённо-деформированное состояние зависит не только от механического воздействия на металл и технологических факторов, но и от исходных (в прокате) свойств металла, характеризующих особенности его поведения на различных стадиях пластического деформирования. Увеличение коэффициента пластического деформирования R приводит к изменению жёсткости напряжённо-деформированного состояния - показатель m смещается от соответствующей ДШ, т.е. происходит увеличение запаса пластичности.

Фактически коэффициент R фиксирует определённые соотношения между главными деформациями, возникающими при штамповке. При этом, как легко показать, параметры деформирования связаны с R соотношениями:

1 7з 1 1+л

Задаваясь конкретными значениями Я, получаем:

0,50 0,75 1,00 1, т 0,20 0,09 0 -0,

1,50 -0,

Реальная интенсивность деформации в штамповке зависит от значений предела текучести ат и показателя деформационного упрочнения П. Механизм этого влияния можно связать с темпом развития локализации деформации, который тем меньше, чем ниже значения от и выше значения п. Поэтому при одинаковой, например, глубине вытяжки фактический уровень деформаций получается тем ниже, чем ниже ат и выше показатель п. Влияние стт проявляется на начальных стадиях пластического деформирования, влияние п - на стадии устойчивых деформаций.

Проявлением деформационного упрочнения выступает наблюдаемая взаимосвязь п и относительного равномерного 5Р, определяемого в стандартном испытании на растяжение (ГОСТ 1497). Это позволяет использовать 8р в аттестационных испытаниях для выявления склонности стали к деформационному упрочнению, не прибегая к сравнительно трудоёмкому определению П. Автором предложена методика определения численных значения 5р, которые предельно приближаются к ординате точки перегиба на кривой распределения деформаций в стандартном испытании на растяжение (рис.37). Характерно, что выявляемые таким образом значения 5р превосходят на 25-30% значения показателя упрочнения п и существенно ниже значений показателя предельно устойчивой пластичности 8У. Последний, является фундаментальной характеристикой металла, разделяющей (Г.А. Смирнов-Аляев) области вязкого и хрупкого разрушений в результате пластического деформирования. Для инженерной оценки штампуемости листового металла эта характеристика неправомочна, так как сопровождающее достижение £у утонение металла недопустимо по условиям эксплуатации штампуемых деталей. То обстоятельство, что значения 5р превышают п, позволяет рассматривать её более предпочтительней в инженерных прогнозах штампуемости (поскольку в большей мере учитывают потенциальный запас пластичности металла). Существенное значение это обстоятельство приобретает в связи с внедрением в практику листовой штамповки компьютерного моделирования формообразования.

Проводилась оценка корреляции равномерного удлинения с полным относительным удлинением, определяемым после разрыва образца (рис. 38).

Корреляционные зависимости между полным (64) и равномерным (8р) удлинениями изучались в анализах стали, предназначенной для кузовных деталей толщиной 0,8-1,0 мм. Полное удлинение определялось по показаниям тензометра при расчётной длине 80 мм, равномерное - по методике ГАЗа, с использованием самоклеющейся сетки и расчётной длины 14 мм.

Как видно(см. рис 38), уравнения регрессии, полученные в анализах листовой стали различных производств, могут существенно отличаться коэффициентами и статистической надёжностью корреляций. (Т.е. соотношения величин полного и равномерного удлинений существенно отличны для металла различного производства). Это означает, что полное и равномерное удлинения не могут рассматриваться как взаимозаменяемые показатели. При этом, с точки зрения оценки штампуемости, равномерное удлинение является более значимой характеристикой. (В отсутствии СИС для определение И, Бр, а также деформаций в зоне разрыва образцов, подвергаемых растяжению, может использоваться и традиционно применяемая разметка образцов механически наносимыми рисками).

Таким образом, в рассматриваемой концепции штампуемости проявляется взаимосвязь предельной деформируемости, характеризуемой ДШ, и показателей Р, 0Т и П (5р), ставших уже традиционными в аттестации качества стали: от последних зависиткакой мере при штамповке деталей исчерпывается ресурс пластичности, определяемый диаграммой штампуемости. В этом проявляется роль показателей анизотропии, упрочнения и предела текучести, как синергетических характеристик, обеспечивающих при штамповке самоорганизацию процесса деформирования в направлении сохранения запаса пластичности металла.

Для сопоставления реальных деформаций, возникающих при штамповке, с показателями предельной пластичности ер, у, образцы в лабораторных испытаниях и заготовки под штамповку размечаются идентичными окружностями. Фактические значения деформаций зависят от выбора базы их измерений (чем меньше диаметр измерительных окружностей, тем выше значения деформаций). В аспектах максимальной достоверности измерений предельной пластичности и уменьшения влияния на результаты измерений неоднородности деформирования, характерной для участков, примыкающих к разрыву, исходный диаметр должен быть предельно минимальным. Однако с уменьшением базы увеличивается погрешность определения деформаций.

Анализ возможных относительных ошибок при определении деформаций и коэффициента анизотропии приводит к следующим выражениям:

А/• (е£ +1) ; ак(£1+£2)-&£2+£2-А£1 (8) е /0 ■ £• ехр(г) Л {е + £2)'-£ где £0у\ £ - соответственно исходный и конечный линейные размеры делительной сетки, А£ -абсолютная погрешность, связанная с точностью линейных измерений.

Как показали оценки, проведённые по соотношениям (8), наиболее предпочтительными при анализах штампуемости являются значения диаметров 1,5-2,5 мм.

Полученные соотношения использованы для анализа неоднородности деформаций при испытаниях на растяжение образцов промышленных партий листовой стали различной прочности и пластичности. В испытаниях проводили раздельное (в зонах устойчивой деформации и разрыва) определение деформаций 81, 82 и коэффициентов пластической анизотропии (Чу и Р?р. Установлено, что колебания всех показателей, за исключением (Чу, находятся в пределах вычисленных ошибок. Колебания Р?у, выходящие из пределов ошибок, можно связать с неоднородностью пластического деформирования металла. Во всех, без исключений, испытаниях минимальные значения коэффициента анизотропии фиксируются в местах разрывов (величина Рр). Это означает, что в условиях неоднородности пластического деформирования разрушение листового металла локализуется на участках, характеризуемых минимальным значением К. Характерным является существование линейной корреляционной зависимости между значениями коэффициентов анизотропии в зонах разрыва и устойчивой деформации.

Влияние предельной пластичности на штампуемость стали

1,68,73]

Холоднокатаная сталь. Различие в механических показателях холоднокатаной стали (марка 08Ю, толщиной 0,7 и 1,2 мм) в состояниях непосредственно после прокатки (сталь, не прошедшая отжиг), и после отжига (в лабораторных условиях) характеризуется данными, приведёнными в табл.5:

Фактические значения показателя пластичности,характерные для промышленных партий холоднокатаной стали толщиной .0,8-1,2 мм марки 08Ю, представлены в табл. 6.

Проанализировано напряжённо-деформированное состояние, возникающее в стали толщиной 0,9 мм при штамповке одной из деталей кузова. (Анализ проводился в связи с повышенным браком из-за разрывов металла, имевшим место при штамповке - рис.39). Измерения деформаций (СИС) производили в местах разрывов и заметного утонения металла, а также, для сравнения, на участках, располагавшихся в непосредственной близости от этих мест, но не имевших признаков утонении и разрывов металла. Результаты анализа представлены в табл. 7:

Как видно, для обеспечения бездефектной штамповки необходимо использовать сталь с показателем £у>0,60. Фактически, как следует из данных табл. 6, этому условию удовлетворяет менее 10% применяемой стали, что делает штамповку данной детали без корректировки режимов проблематичной. Следует однако заметить, что в проводившихся определениях 8У не учитывалось влияние одноосного растяжения, которое в реальной штамповке может предшествовать двухосному. В испытаниях по Эриксену образцов, часть из которых предварительно подвергалась одноосному растяжению (81=0,12), установлено, что значения Еу для этой части образцов на 20% превышают уровень этого показателя при вытяжке без предварительного растяжения. Таким образом, фактический интервал предельной пластичности рассматриваемого металла в реальной штамповке может смещаться к более высоким значениям 6У (рис. 40).

Проводились наблюдения за штамповкой - табл.8, рис. 41.

Как видно, штамповавшийся металл нестабилен по механическим свойствам. С другой стороны, отсутствует прямая связь между результатами штамповки (% брака) и механическими свойствами металла. Последнее находит объяснение, как совокупное проявление следующих факторов:

1) Штамповка проходила в условиях, когда максимальные деформации приближаются к предельно допустимым для используемого металла. Колебания механических свойств металла в одной и той же партии, не выявлявшиеся в лабораторных испытаниях, неизбежно влияют на результаты штамповки.

2) Для исключения колебания параметров деформирования при штамповке каждой партии необходимо контролировать их и регулировать, с учётом колебаний толщины и механических свойств металла - задача практически неразрешимая:

Из этого следует, что основная роль в определении штампуемости должна отводиться лабораторным испытаниям, режимы деформирования в которых контролируются и регулируются достаточно просто.

Горячекатаная сталь. При штамповке стали толщиной более 1,5 мм, разметку заготовок для оценки деформаций целесообразно производить вдавливанием стального шарика. В случаях, когда штамповка сопровождается появлением поверхностных надиров, для оценки интенсивности деформаций целесообразно применять метод (Г.А. Смирнов-Аляев, В.П. Чи-кидовский), основанный на зависимости твёрдости от интенсивности деформации. (Последняя устанавливается в результате измерений твёрдости в различных зонах образца, изготовленного из металла штампуемой партии и подвергнутого стандартному испытанию на растяжение). Поскольку в данном методе не определяется показатель НДС, для оценки запаса пластичности выявляемая интенсивность деформации сопоставляется со значением Емин на диаграмме штампуемости.

Проводился сравнительный анализ влияния содержания углерода в горячекатаной стали стандартных марок на показатели предельной пластичности и стандартные механические показатели, традиционно применяемые для оценки штампуемости - табл. 9. (Данные относятся к наиболее распространённому горячекатаному автолисту стали нелегированных марок, не проходящей специальной термической обработки. Структура и механические свойства этого проката формируются под влиянием температурных и деформационных режимов прокатки).

Как видно, влияние содержания углерода на показатели предельной пластичности проявляется в большей мере, чем на традиционные показатели штампуемости. Характерно, что при увеличении углерода с 0,05 до 0,20% прочность возрастает на 10-15%, тогда как предельная пластичность снижается на 25-30%. Из этого следует, что применение стали марок 10 и 15, преследующее цель повышения конструктивной прочности стали, неоп-равдано- прочность металла возрастает несущественно, а технологическая пластичность существенно снижается.

Наиболее металлоёмкими холодноштампуемыми деталями грузовых автомобилей ГАЗ являются диски колёс, лонжероны рам и кожуха картеров мостов.

На рис. 42 представлены данные анализа штампуемости колёсных дисков, полученные с использованием разметки отпечатками шарика.

Данные по максимальным деформациям е-рО.Зб, 82=0,06, £¡=0,45, т=0,62, зафиксированных в штамповке лонжеронов (рис 43), анализировали совместно с показателями предельной пластичности и результатами штамповки металла различных производственных партий (табл. 10).

Как видно из табл.1 о, для удовлетворительной штамповки лонжеронов необходимо использовать сталь с показателем £у >0,45.

Для кожухов мостов грузовых автомобилей ГАЗ, выполняющих роль конструкций, воспринимающих вес автомобиля, применяется горячекатаная сталь марки 12ГС (толщиной 6-8 мм). При штамповке кожухов наблюдаются разрывы металла. Дефект (рис. 44) возникает в операции гибки на кромках, формируемых при вырубке заготовок. Проводилась оценка предельной деформируемости стали для кожухов, с учётом наклёпа металла, возникающего при вырубке, по специально разработанной методике. Установлено, что наклёпанное состояние металла, возникающее в процессе вырубки, ограничивает допустимые деформации в последующей штамповке значениями £1=0,05-0,10. Оптимальной технологической мерой по предотвращению разрывов является введение локальной термической обработки вырубленных кромок заготовок для снятия наклёпа.

Рациональная система показателей штампуемости листовой стали, определяемых в лабораторных испытаниях [1, 63, 64, 66, 67, 72, 73, 75-77]

Используемые в аттестации проката показатели штампуемости должны, с одной стороны, быть в максимальной степени прогнозируемыми в его производстве, с другой стороны, быть в максимальной степени достоверными в прогнозировании результатов штамповки. Доминирующая в практике аттестации листовой стали система стандартных показателей не объясняет в ряде случаев результаты штамповки, что свидетельствует о недостаточной её достоверности. Разработана система показателей качества стали, выявляемых в лабораторных испытаниях, легко поддающихся стандартизации, учитывающая особенности деформирования металла при штамповке (табл.11).

Указанные нормы относятся к стали, предназначенной для штамповки, характеризуемой высокой интенсивностью деформаций. В различных видах штамповки роль каждого из этих показателей может проявляться по-разному. Так, в частности, при гибке толстого листа, когда локальность деформирования (по контуру гибки) сохраняется с начала и до конца операции, роль показателей Со,2 и 8Р существенно ограничивается. Следует особо выделить роль испытаний на вытяжку сферической лунки (проба по Эриксену), поскольку в современной практике аттестации листовой стали (в зарубежной, в особенности) наблюдается тенденция к их исключению. Учитывая, что в предлагаемой системе эти испытания фактически заменяет трудоёмкое построение диаграмм предельных деформаций при аттестации качества листа, приоритетность их не вызывает сомнений.

Следует также заметить, что прогнозирование, ориентированное на статистические зависимости результатов штамповки от комплексных показателей, составленных в виде определённых сочетаний различных характеристик, выявляемых в лабораторных испытаниях (в частности Сто.2, 5Р), в принципе не могут играть значительную роль в аттестации качества проката, вследствие ограниченной их общности.

В настоящей работе не ставилась задача связать предлагаемые показатели пластичности с показателями структуры. Последние (микроструктура прежде всего), также как измерения твёрдости и микротвёрдости, необходимы для оценки однородности свойств листовой стали.

Предлагаемая система показателей и методики их выявления не противопоставляются применяемым на современных металлургических предприятиях для аттестации листового проката с использованием автоматизированных механических испытаний. Последние решают задачу оценки качества в каждой партии выпускаемого металла перед отгрузкой её потребителю. Проведение входного контроля металла потребителем не вызывается необходимостью в условиях рыночной экономики. Для разрешения эпизодически возникающих у потребителя вопросов по качеству проката на каждом современном автомобильном предприятии необходимо иметь рациональную для него систему оценки качества, адаптированную с испытаниями, проводимыми на заводах-поставщиках.

2.1.4. Выбор рациональных марочного состава, механических свойств и режимов упрочнения листовой стали повышенной прочности

17, 34, 39, 40, 48, 50, 58, 65, 70]

Повышение прочности стали в деталях, получаемых листовой штамповкой, является одним из основных направлений экономии проката в автомобильном производстве. Реально эта задача решается одним из трёх способов: 1) применением проката повышенной прочности; 2) рациональным использованием деформационного упрочнения стали, вызываемого штамповкой; 3) термическим упрочнением штампованных деталей. Наиболее широкое распространение получило первое направление, благодаря применению специальных марок мало - и микролегированной низкоуглеродистой стали. В первоначально созданных марках, положивших начало этому направлению, прочность стали на 40-50% превышала показатели стали, прокат которой предполагалось использовать с меньшей толщиной. Такое возрастание прочности сопровождается существенным снижением пластичности и ухудшением штампуемости, что ограничивает применение стали. Учитывая, что возможности уменьшения толщины связаны условием сохранения жёсткости конструкции штампуемых деталей, оптимальным вариантом представляется металл, превышающий по прочности сталь традиционных марок 08кп, 08Ю, не более чем на 20-30%, но максимально приближающийся к ним по пластичности. Этими свойствами обладают созданные при участии автора марки малоуглеродистой стали, комплексно микролегированные AL, Ti, В, Р, которые нашли применение в автомобилестроении. Рациональное легирование упрощает производство и удешевляет стоимость поставляемого проката. Дополнительным техническим требованием к прокату этих марок, наряду с нормировани^нижнего значения предела текучести, должно стать регламентирование верхнего предела этого показателя.

Использование упрочнения стали в процессе штамповки и закалки готовых деталей вызывает необходимость проведения оценок долговечности стали с учётом вязкости, которая может оцениваться (А.П. Гуляев). по площадям диаграмм растяжения. (С. позиций синергетики этим (B.C. Иванова) оценивается способность металла к самоорганизации в сопротивлении разрушению)

Исследовано влияние пластической деформации на вязкость листовой стали толщиной 2,2-3,5 мм марок 08, 35, 40, 09Г2, характеризуемых различными показателями прочности и пластичности - рис. 45- Вязкость оценивалась в испытаниях растяжением, измерениями площадей (S) под соответствующими диаграммами. Испытания производили в два этапа: предварительным растяжением, с фиксированием удлинения Si, и окончательным, с фиксированием площади S. Результаты измерений S, проводившиеся по каждому образцу, нормировались относительно площади его сечения (F) в исходном состоянии, как SH = S/F. От каждой партии стали проводили также испытания образцов по обычной методике для выявления стандартного удлинения

§4 и площади S0, характеризующих пластичность и вязкость стали в состоянии поставки. Во всех испытаниях рабочая длина образца сохранялась постоянной, начальная расчётная длина составляла 80 мм. Результаты измерений подвергали компьютерной обработке с выявлением зависимости ресурса вязкости от «приведённых» интенсивностей пластической деформации.

Из полученных данных можно сделать вывод, что применение более пластичного в исходном состоянии металла способствует сохранению ресурса вязкости.

В реальной штамповке толстолистовой стали, когда схема деформирования соответствует плоскому напряжённому состоянию (изгиб), значения показателя е в поверхностных волокнах приближаются к 100%. Это означает, что на данных участках деталей ресурс вязкости практически исчерпан, и металл теряет способность сопротивляться распространению трещин. Характерным примером последствий катастрофического снижения вязкости стали являлись случаи разрушения штампованных кожухов мостов грузовых автомобилей ГАЗ. Разрушения происходили при наездах автомобиля на дорожные препятствия и подтвердились в специальных испытаниях. Для исключения случаев разрушений введена операция местной (с индукционным нагревом) закалки наиболее нагруженных участков кожухов. При этом решалась также задача повышения прочности стали, что позволило применить прокат меньшей толщины. Лабораторные испытания кожухов (на копре с «падающей бабой») показали, что введение закалки значительно повышает сопротивление кожухов ударным нагрузкам.

Проводилось сравнительное исследование влияния пластического деформирования и закалки на показатели прочности и вязкости стали. (Толщина - 6,5 мм).

Образцы для испытаний растяжением вырезали из закалённых кожухов. Часть образцов подвергали испытанию в закалённом состоянии, часть - после нормализации и часть - после пластического деформирования с предварительной нормализацией. В предварительном деформировании образцы подвергали растяжению до уровня 81= 0,15^0,20. Испытания проводили на образцах стали двух марок: 12ГС, применяемой для картеров, и 15, рассматриваемой как альтернативное решение по выбору стали для этих деталей. Результаты испытаний представлены в табл. 12.

Как видно, закалённая малоуглеродистая сталь значительно превосходит сталь, упрочненную деформированием, как по прочности, так и по вязкости. При закалке с применением интенсивного охлаждения, обеспечивающего одинаковое структурное состояние (троостосорбит с незначительным количеством феррита) нелегированной (марка 15) и легированной (марка 12ГС) стали, последняя не имеет преимуществ по механическим показателям. Это означает, что изготовление кожухов мостов рациональнее производить из нелегированной стали как менее дорогостоящей, но более технологичной в штамповке и сварке.

Характерно, что в испытаниях на циклическую долговечность картеров, изготавливаемых из стали толщиной 6,5 мм, разрушения инициируются реактивными сварочными напряжениями, возникающими в зоне приварки к прошедшим закалку картерам сопряжённых деталей. Проведённые испытания показали, что картера изготавливаемые из стали 15, обладают более высокой циклической долговечностью, чем картера, изготовленные из стали 12ГС. Оценку восприимчивости к термическому упрочнению различных партий стали для картеров целесообразно производить закалкой образцов проката с использованием в качестве закалочной среды водного раствора каустической соды (известной закалочной средой).

Режим нагрева в технологии закалки кожухов не предусматривает специального выравнивания температуры нагрева, что позволяет повысить производительность, но допускает местные перегревы. С целью оценки последствий перегревов исследовали влияние температуры закалки на микроструктуру и вязкость стали 12ГС. Для сравнения исследования проводили также на стали, не содержащей в качестве легирующих примесей Мп и 81, но микролегированной бором (марка ЮР). Термообработку образцов (ударные испытания на изгиб) осуществляли в специальном индукторе, с записью температурных диаграмм нагрева и охлаждения. Это позволило воспроизвести режимы закалки кожухов с учетом допускаемого перегрева. Температура нагрева образцов составляла в разных вариантах 900-1080°С, скорость охлаждения составляла 1100-1260 град/с. Испытания проводились при температурах +20, -40 и -60°С.

Установлено, что перегрев при закалке малоуглеродистой стали, вызывая заметный рост зерна, с 7,8 до 20 мкм (средние поперечные размеры аустенитного зерна), не снижает уровень её вязкости и, следовательно, является допустимым в данной технологии. Опыт эксплуатации автомобилей подтверждает этот вывод.

2.1.5. Выбор рациональных технических требований к прокату автомобильной стали [32, 35-37, 49, 53, 75-80]

Повышение эффективности применения стали прежде всего предполагает разработку рациональных требований к поставляемому прокату: технические условия поставки проката должны основываться на установлении рационального компромисса между требованиями обеспечения потребительских свойств металла и экономической целесообразностью ужесточения требований. Решение этой проблемы зависит от совершенства партнёрских отношений «поставщик-потребитель» и документов, регламентирующих свойства поставляемого проката. Доминировавшая при плановой экономике жёсткая зависимость потребителей от производителей металла не способствовала достижению компромиссов. Содержание ГОСТов, создававшихся в этих условиях (и ещё действующих в настоящее, время), как правило, диктовалось производителем металла и во многом не учитывало технико-экономические интересы конкретных потребителей. В отсутствии обоснованных норм и показателей качества, стандарты зачастую содержат второстепенные требования, что не способствует проведению работ по совершенствованию качества. Из этого следует, что традиционная широкая унификация технических требований к прокату, с ориентацией на использование отраслевых стандартов, нецелесообразна. Потребитель в полной мере должен использовать право заключать с поставщиком проката специальные технические соглашения, которые в лаконичной форме, не допускающей различные толкования, должны регламентировать:

• нормы на приоритетные показатели качества проката, определяющие основные потребительские свойства металла;

• нормы по размерным отклонениям;

• указания о допустимых дефектах металла, неизбежных в его производстве;

• методы оценки в цеховых и лабораторных условиях фактического уровня качества и дефектности металла.

За стандартами остаётся роль информативного материала, в котором обозначены марки стали и характерные требования, рекомендуемые для нормирования качества проката. По основному объёму используемой автомобильной стали в регламентировании качества достаточно ограничиться отдельными, наиболее значимыми, требованиями стандартов. По мере целесообразности, определяемой потребителем, рекомендуемые стандартами нормы могут быть ужесточены или смягчены. Наиболее общими для сталей различного назначения являются требования по металлургическому качеству проката: металлургические дефекты недопустимы, если вызывают замечания в механических и термических переделах проката (разрывы в штамповке, ухудшение обрабатываемости, закалочные трещины, чрезмерные остаточные деформации после обработки).

За потребителем закрепляется также право разрабатывать нестандартные показатели и испытания.

2.2. ФОРМИРОВАНИЕ НАУЧНО ОБОСНОВАННОГО БАЗИСА ПОЛИТИКИ

В ОБЛАСТИ КАЧЕСТВА СТАЛЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ

АВТОМОБИЛЕЙ

Нахождение рациональных решений задач, направленных на совершенствование качества автомобильных сталей,предполагает:

1. Учёт условий работы автомобильной стали в готовых изделиях и особенностей её технологической обработки в массовом производстве.

2. Металловедческие подходы в определении и выборе способов технологического воздействия на металл для достижения требуемых свойств.

3. Обеспечение экономической эффективности производства.

4. Накопленный производственный опыт в выборе принимаемых решений по оптимизации.

Обобщением данных аспектов представляется совокупность следующих положений.

• Качество автомобильной стали - это (ГОСТ 15467) совокупность присущих ей свойств, обусловливающая пригодность металла удовлетворять определённой совокупности требований, которые реализуются через его свойства - особенности (ГОСТ 15467), проявляемые при производстве и дальнейшем использовании металла по назначению (при изготовлении изделий и их работе).

• Доминирующие требования к качеству автомобильной стали, с широким разнообразием свойств, производимой современной металлургией относятся к технологическим свойствам: к механической обрабатываемости давлением и резанием, к упрочняемости в термической и холодной механической обработках, к возможности применения наиболее рациональной технологической обработки. При этом приоритетной целью управления качеством металла является (М.А. Штремель) повышение однородности свойств.

• Свойства формируются направленным воздействием на состав и структуру в процессе металлургического производства стали и проката и в последующих технологических переделах, связанных с изготовлением деталей.

• Проявление свойств стали зависит не только от природы металла, но и от реальных условий его применения и технологической обработки. Эти условия необходимо учитывать при прогнозировании поведения стали, наряду с природными характеристиками, определяемыми составом и структурой.

• Природа стали позволяет при одном и том же составе направленно формировать требуемую структуру и, соответственно, свойства, за счёт варьирования видами и режимами термической обработки.

• Научную основу совершенствования качества стали составляет изучение связей состав режимы обработки <-> структура ^ свойства». В отдельных случаях свойства стали и режимы обработки или состав связаны простыми и легко выявляемыми зависимостями. При усложнении этих связей, управление качеством стали должно основываться на зависимостях свойств от характерных параметров микроструктуры, с выявлением технологических факторов или показателей состава, влияющих на э™ параметры.

• Обеспечение качества стали основывается на анализах, проводимых в лабораторных и цеховых условиях. Объектами анализов могут быть: состав, структура, свойства металла в прокате, заготовках, готовых изделиях; режимы пластического деформирования металла в формообразующей обработке; температурно-временные режимы и состав рабочей среды при термической обработке.

• Совершенствование качества предполагает выделение приоритетных (наиболее значимых) его показателей во всех проводимых анализах. В роли приоритетных должны выступать надёжно контролируемые и регулируемые показатели состава, структуры/механических свойств, технологических режимов. Приоритетные показатели должны также быть приемлемыми в качестве параметров теоретических моделей, описывающих поведение металла и проходящие в нём процессы в условиях реального применения и в реальной технологической обработке.

• Понятие «качество» автомобильной стали содержит экономические аспекты, предполагая обеспечение требуемых свойств при минимальных затратах в металлургическом производстве и в дальнейших технологических переделах. Рационализация приоритетных показателей качества и параметров технологии основывается на установлении разумного компромисса между целесообразностью ужесточения норм и режимов и экономической целесообразностью ужесточения - рис. 46. Решения по выбору приоритетных показателей качества носят индивидуальный характер в конкретных производствах, в зависимости от производимой продукции, используемых технологических процессов, накопленного производственного опыта, экономических условий функционирования данного производства, профессионализма специалистов.

При выборе рациональных решений по совершенствованию качества целесообразно разделение сталей по характерным видам технологической обработки. Соответственно, должны формироваться определённые подходы в совершенствовании качества сталей, предназначенных для цементации, термического улучшения, закалки с объёмно-поверхностным характером упрочнения, обработки резанием, сварки, листовой штамповки, холодной объёмной штамповки и т.д.

В настоящей работе рассмотрены примеры практической реализации обосновываемой политики в области качества углеродистых и легированных сталей, для которых определяющими качество являются цементация, закалка, листовая штамповка. (В производстве Горьковского автомобильного завода в применении именно этих сталей чаще всего возникают проблемы совершенствования качества). При этом рассмотренная концепция рационализации качества является общей для любых других сталей, применяемых в производстве автомобильных деталей.

2.3. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕШЕНИЙ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ

КАЧЕСТВА СТАЛИ

28, 43, 81]

Большинство разрабатываемых решений по совершенствованию качества стали относятся к изготовлению конкретных деталей. Целесообразность применения аналогичных решений в других условиях (тиражирование на вновь создаваемых деталях, в других производствах) в значительной мере определяется тем, насколько убедительна и показательна оценка эффективности в уже реализованных проектах.

Учитывая особенности ценообразования в условиях рыночных отношений, а также номинационные, колебания денежных знаков, оценки эффективности в абсолютных денежных выражениях имеют ограниченное значение, поскольку относятся к определённому времени и к определённому производству. Поскольку при формировании себестоимости доминирующая роль отводится энергетическим, материальным и трудовым затратам в производстве, наиболее показательными являются оценки, основанные на анализах относительных изменений этих показателей. В оценках эффективности применения стального проката естественным является анализ изменений объёмов его использования.

Для расчёта эффективности рассматривавшихся выше решений, автором разработана методика, по которой, вместо традиционно используемых стоимостных показателей, в количественном выражении эффективности используется экономия проката, нормированная по объёму его потребления при изготовлении конкретных деталей - табл. 13.

Очевидно, что в оценках эффективности не имеет значение, имеет место фактическая экономия проката (как в рассмотренных случаях применения более тонкого листа с использованием стали повышенной прочности) или условная, т.е. полученная за счёт применения менее дорогостоящего проката или снижения затрат в термической обработке, но без реальной экономии проката. При этом, с одной стороны, появляется возможность сравнивать различные технические решения, в том числе и внедряемые на различных предприятиях, не ограничиваясь временными рамками, с другой стороны, при необходимости сохраняется возможность и денежных оценок. Последние уже будут относится к конкретному производству и времени. В частности, общая экономия проката от решений, внедренных с 1963 по 1998 год, представленных в табл. 13, составила 17230 тонн (в год). Принимая стоимость одной тонны проката 3500 рублей (усреднённый уровень цен на начало 1998 года), получаем, что денежное выражение экономического эффекта от внедрённых ранее технических решений, в 1998 году превысит 60 млн. рублей.

В этом видится большое преимущество предлагаемого показателя - относительной экономии проката, нормированной по объёму его потребления (рассчитываемой, исходя из стоимостных показателей) в экономических анализах, связанных с совершенствование качества и повышением эффективности использования стали в автомобильном производстве.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Металловедение и термическая обработка металлов», 05.16.01 шифр ВАК

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.