Разработка состава аустенитной коррозионно-стойкой стали с улучшенной обрабатываемостью резанием для систем выпуска отработанных газов автомобилей

Главная страница
Контакты

    Главная страница



Разработка состава аустенитной коррозионно-стойкой стали с улучшенной обрабатываемостью резанием для систем выпуска отработанных газов автомобилей



страница1/7
Дата11.01.2017
Размер1.85 Mb.
ТипАвтореферат диссертации


  1   2   3   4   5   6   7
На правах рукописи

Сахаров Владимир Вячеславович



Разработка состава аустенитной коррозионно-стойкой

стали с улучшенной обрабатываемостью резанием для систем выпуска отработанных газов автомобилей

Специальность 05.02.01 Материаловедение ( машиностроение)

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара 2006 г.

Работа выполнена в

Самарском государственном техническом университете


Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

МУРАТОВ Владимир Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

КЕНИС Михаил Семёнович

кандидат технических наук, доцент

Резников Лев Аронович

Ведущая организация: ОАО «МЕЧЕЛ»

Защита состоится «___»______________2006 г. в ауд. _____ на заседании диссертационного совета Д 212.217.02 в Самарском государственном техническом университете по адресу: 443010, г. Самара, ул. Галактионовская, д. 141.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета.

Автореферат разослан «___»_________ 2006 г.


Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просьба направлять по адресу: 443100, г.Самара, ул.Молодогвардейская, 244, Главный корпус, учёному секретарю диссертационного совета Д212.217.02

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.217.02 д.т.н. Денисенко А.Ф.

Введение
Актуальность работы. Непрерывное повышение требований к качеству современных машин и агрегатов, их долговечности и надежности вызывает необходимость широкого применения прогрессивных конструкционных материалов, обладающих высокими специальными эксплуатационными свойствами (коррозионной стойкостью, жаропрочностью, износостойкостью и другими). Для обеспечения таких свойств материалы легируются различными элементами и при этом, как правило, характеризуются низкими показателями обрабатываемости резанием.

Различные детали автомобильной системы выпуска отработанных газов эксплуатируются в сложных температурно-коррозионных условиях. Их поверхность подвергается газовой коррозии при температурах 200-600˚ С, а продукты сгорания топлива вместе с находящейся в них влагой при охлаждении создают агрессивную коррозионную среду-конденсат, в котором содержатся различные разбавленные кислоты и другие вредные примеси, что приводит к коррозионному, химическому разъеданию деталей. Кроме того, детали выпускной системы подвергаются атмосферной коррозии, а также абразивному изнашиванию под действием частиц грязи, пыли, химической коррозии от находящейся на дорогах соли. Применяемое в настоящее время высокооктановое топливо, помимо повышения температуры выхлопных газов, в еще большей мере увеличивает их коррозионную активность. В связи с такими условиями работы, детали системы выпуска отработанных газов являются наименее долговечными в автомобиле.

В автомобилестроении передовых стран применяются различные меры для соблюдения все более ужесточающихся обязательных условий по борьбе с загрязнениями воздушной атмосферы выхлопными газами. Для таких деталей систем выпуска отработанных газов, как каталитические преобразователи, выхлопные трубы, глушители широко применяют коррозионно-стойкие стали и сплавы. Наибольшее применение в этих случаях находят нержавеющие стали аустенитного класса.

Высокая вязкость, низкая теплопроводность, склонность к наклепу в процессе механической обработки таких сталей вызывают значительные трудности при их обработке резанием: повышенные силы резания, интенсивное изнашивание режущего инструмента, сложности в достижении низкой шероховатости обработанных поверхностей. Все это, а также сливная, трудно удаляемая из рабочей зоны стружка, образующаяся при резании, делают практически невозможным обработку коррозионно-стойких сталей аустенитного класса традиционного химического состава в условиях автоматизированного массового производства. Это сдерживает расширение номенклатуры деталей автомобиля, изготавливаемых из нержавеющих сталей и имеющих достаточный ресурс эксплуатации в сложных условиях контакта с выхлопными газами.

Мировой опыт показывает, что улучшить обрабатываемость высоколегированных специальных сталей и сплавов возможно путем формирования в структуре материала неметаллических и (или) упрочняющих включений определенного состава и морфологии. Это достигается регулированием химического состава материала и подбором методов и режимов его обработки. Проблема улучшения обрабатываемости резанием нержавеющих сталей, применяемых для систем выпуска выхлопных газов автомобилей, усложняется тем, что изменения в химическом составе и режимах обработки не должны приводить к снижению коррозионной стойкости материала и ухудшению его свариваемости, так как соединение деталей таких систем осуществляется сваркой.

Актуальность темы диссертационного исследования обусловлена необходимостью обеспечения обработки резанием коррозионно-стойких сталей аустенитного класса на автоматических станках в условиях массового производства.



Цель работы. Разработать коррозионно-стойкую сталь аустенитного класса, пригодную для обработки резанием на автоматических станках в условиях массового производства с технологическими и эксплуатационными свойствами, обеспечивающими ее применение для деталей систем выпуска выхлопных газов автомобилей.

Для достижения данной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1.Обобщить и систематизировать имеющиеся в литературе сведения об особенностях структуры и свойств коррозионно-стойких сталей, определяющих их обрабатываемость резанием.

2.Исследовать влияние изменения химического состава и дополнительного микролегирования на структуру (прежде всего состав и морфологию неметаллических включений) коррозионно-стойких сталей и оценить влияние изменения структуры на обрабатываемость резанием.

3.Отработать в условиях металлургического предприятия технологию получения проката коррозионно-стойких сталей рекомендуемого состава с улучшенной обрабатываемостью резанием.

4.Исследовать коррозионную стойкость нержавеющих сталей рекомендуемого состава при коррозионных воздействиях, характерных для деталей систем выпуска выхлопных газов автомобилей.

5.Исследовать влияние изменения химического состава и структуры сталей на свариваемость; отработать условия сварки, обеспечивающие получение качественных соединений.

6.На основании полученных данных об эксплуатационных и технологических особенностях свойств коррозионно-стойких сталей рекомендуемого состава разработать технические условия на поставку стали высокой обрабатываемости резанием.

7. Наладить в условиях ОАО “АвтоВАЗ” производство деталей систем выпуска выхлопных газов автомобилей из коррозионностойких сталей аустенитного класса на автоматических станках.

Научная новизна. Изучено влияние изменений химического состава и микролегирования на особенности формирования микроструктуры, эксплуатационных и технологических свойств коррозионно-стойких сталей аустенитного класса. Установлены закономерности управления структурным состоянием, обеспечивающие их высокую обрабатываемость резанием. Разработаны научные основы технологии получения проката и деталей систем выпуска выхлопных газов автомобилей из сталей нового состава.

Практическая полезность. В результате проведенных исследований разработаны составы коррозионно-стойких сталей аустенитного класса, позволяющие изготавливать детали систем выпуска выхлопных газов автомобилей на автоматических станках. Отработана технология получения проката из рекомендуемых сталей, а также режимы сварки деталей.

Основные положения , выносимые на защиту:

1.Основные закономерности формирования состава и морфологии неметаллических включений в коррозионно-стойких сталях аустенитного класса при изменении химического состава (повышенное содержание серы), дополнительном микролегировании (селеном, теллуром, селеном и теллуром), модифицировании кальцием.

2.Установленные особенности влияния состава и микроструктуры коррозионно-стойких сталей на эксплуатационные (механические, коррозионные) и технологические (литейные характеристики, деформируемость при прокатке, обрабатываемость резанием, свариваемость) свойства.

3.Разработанные составы коррозионно-стойких сталей, обеспечивающие их улучшение обрабатываемости резанием.

4.Научно обоснованные технологические разработки, обеспечивающие изготовление из предлагаемых коррозионно-стойких сталей деталей систем выпуска выхлопных газов автомобилей .

Реализация результатов. В результате проведенной работы разработаны и приняты технические условия ТУ 14-134-295-91 на производство в условиях ОАО “МЕЧЕЛ” горячекалиброванных прутков из коррозионно-стойкой стали высокой обрабатываемости резанием. На ОАО ”АвтоВАЗ” внедрено изготовление из разработанной стали деталей систем выпуска выхлопных газов на станках-автоматах.

Апробация работы. Основные результаты исследований представлялись в виде докладов на международной научно-технической конференции “ Актуальные проблемы фундаментальных наук” (28 октября- 3 ноября 1991 года, г. Москва), III Общероссийской научной конференции

“Новейшие технологические решения и оборудование” (19-21 апреля 2005 года, г. Кисловодск), международной научно-технической конференции

“Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов” (20- 22 сентября 2005года, г. Санкт - Петербург), IV научной конференции с международным участием “Успехи современного естествознания” (27-29 сентября 2005 года, г. Сочи), международной научно-технической конференции “ Высокие технологии в машиностроении” (19-21 октября 2005 года, г. Самара).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи, 7 тезисов докладов.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 120 наименований. Диссертация изложена на 146 страницах и содержит 77 рисунков и 22 таблицы.
Содержание работы.
В первой главе проводится обзор и анализ имеющихся в литературе сведений, раскрывающих материаловедческий аспект проблемы улучшения

обрабатываемости резанием коррозионно-стойких сталей. Выявлены известные особенности структурно-фазового состояния коррозионно-стойких сталей и закономерности их формирования. Коррозионно-стойкие стали традиционно разделяют на два основных класса : хромистые, имеющие после нормализации ферритную, мартенсито-ферритную (феррита более 10%) или мартенситную структуру, и хромоникелевые, имеющие после закалки аустенитную, аустенитно-мартенситную или аустенитно-ферритную (феррита более 10%) структуру. Стали аустенитного класса ( исследованию которых посвящена данная работа) склонны к упрочнению в процессе холодной пластической деформации за счет наклепа и протекания мартенситного превращения. Кроме того, в зависимости от температурно-временных условий обработки в этих сталях могут происходить следующие фазовые превращения: выделение избыточных карбидных фаз и σ-фазы при нагреве в интервале 450-900С; образование в аустенитной основе δ- феррита при высокотемпературном нагреве; образование α- фазы мартенситного типа при охлаждении или холодной пластической деформации.

Проанализированы особенности обработки резанием коррозионно-стойких сталей и параметры структуры, определяющие их обрабатываемость , а также выявлены наиболее эффективные методы управления их составом, структурой и свойствами. На обрабатываемость нержавеющих сталей, кроме углерода, наибольшее негативное влияние оказывают алюминий, титан, кремний, а меньшее - молибден, кобальт, марганец, хром, вольфрам. Практически никакого влияния на обрабатываемость не оказывают никель, ниобий и бор. В тоже время, известны сернистая автоматная сталь, содержащая низкий процент углерода и 0,035 -0,33 % серы; свинцовистая автоматная сталь с содержанием 0,1-0,25% свинца; комбинированная автоматная сталь содержащая присадки серы, свинца, селена.

Прочность аустенитных сталей в процессе резания возрастает как за счет собственно наклепа, так и за счет мартенситного превращения, проходящего в зоне резания и в стружке при пластической деформации. Поэтому перед режущим инструментом при обработке аустенитных сталей возникают твердые слои, снижающие стойкость инструмента. Образующаяся стружка, имеющая, в основном, структуру мартенсита, также изнашивает переднюю поверхность инструмента. Кроме того, малая теплопроводность коррозионно-стойких сталей приводит к повышенной температуре в зоне контакта с инструментом, и, следовательно, активизации явлений адгезии и диффузии. Большинство коррозионно-стойких сталей имеют способность сохранять исходную прочность и твердость при повышенных температурах, что приводит к высоким удельным нагрузкам на контактные поверхности инструмента в процессе резания. Неблагоприятным фактором, определяющим низкую обрабатываемость резанием коррозионно-стойких сталей, является также их большая истирающая способность, обусловленная наличием в них кроме фазы твердого раствора включений второй фазы – интерметаллидной или карбидной. Эти твердые частицы действуют на рабочие поверхности инструмента подобно абразиву, приводя к увеличенному износу.

В энергетическом балансе процесса резания 90% и более приходится на работу пластической деформации материала обрабатываемой детали. От пластической деформации зависят тепловой режим и контактные нагрузки на рабочих поверхностях инструмента, и следовательно, интенсивность и характер их износа. Используя дислокационный механизм пластической деформации, рассмотрены процесс деформации и разрушений обрабатываемого металла в процессе стружкообразования; проанализированы известные взаимосвязи параметров микроструктуры сталей и данных процессов.

Анализ литературных данных показал, что улучшить обрабатываемость резанием высоколегированных сталей и сплавов возможно путем формирования в их структуре неметаллических и (или) упрочняющих включений определенного состава и морфологии. Это достигается регулированием химического состава сталей и подбором методов и режимов их обработки. Однако рекомендации в рамках этого подхода для коррозионно-стойких сталей аустенитного класса носят разрозненный характер. Не установлены общие закономерности влияния изменения химического состава сталей на вид и морфологию неметаллических включений. Не выявлены особенности влияния неметаллических включений ( их состава, количества, распределения в структуре) на обрабатываемость сталей резанием. Вопросы улучшения обрабатываемости резанием коррозионно-стойких сталей, применяемых для систем выпуска выхлопных газов автомобилей, усложняются тем, что изменения в химическом составе и режимах обработки не должны приводить к снижению коррозионной стойкости сталей и ухудшению их свариваемости, так как соединение деталей таких систем осуществляется сваркой.

В заключительном разделе главы сформулированы цель и задачи исследований.
Во второй главе приводятся сведения о материалах, технологическом и исследовательском оборудовании и методах исследований, используемых в работе.

Объектами исследования являлись состав, структура и методы обработки коррозионно-стойких сталей, используемых при изготовлении системы выпуска отработанных газов автомобилей ВАЗ.

Сталь 12Х18Н9Т (традиционно используемая на ОАО «АвтоВАЗ») выбрана в качестве базовой, химический состав которой, с целью улучшения обрабатываемости резанием, подвергался изменениям (введение дополнительного количества серы, повышение содержания никеля) и микролегированию (введение селена, селена и теллура). В ряде случаев применялось модифицирование кальцием.

Изложены особенности проведения лабораторных плавок и последующей прокатки слитков на экспериментальном прокатном стане.

Опытно-промышленные плавки выполнялись на Челябинском металлургическом комбинате в 10-12 тонной дуговой электросталеплавильной печи с основной футеровкой. Прокатный передел опытно-промышленных плавок проводили в прокатном цехе №1 Челябинского металлургического комбината на стане “800” и стане “300”.

Изложены методические особенности выполненных макроструктурных исследований проката коррозионно-стойких сталей традиционного и предлагаемого химического состава.

Микроскопические исследования проводились в первую очередь для изучения аустенитной структуры стали и присутствующих неметаллических включений. Применялись световые микроскопы марок “ Epitip-2”,” Neophot-2”, “Polivarmet” ( фирма “ Reichert”, Австрия).

Для количественной оценки микроструктуры сталей использован телевизионный сканирующий микроскоп “ Классимат”. При оценке объемного содержания структурных составляющих использовался метод полей ( метод Глаголева).

Неметаллические включения в стали исследовались на рентгеноспектральном микроанализаторе “Камебакс” c получением изображения во вторичных и отраженных электронах, а также в характеристическом рентгеновском излучении. Кроме того, анализировалось распределение интенсивностей рентгеновских линий одного или более элементов вдоль линии на образце; проводился экспресс анализ качественного состава фаз на энергетической приставке “Kevex” ( получали микроспектрограммы).

В работе проводились измерение твердости по Бринеллю, испытания на растяжение с определением предела прочности σВ и текучести σ0,2 , относительного удлинения δ и сужения φ.

Коррозионные испытания в нейтральном солевом тумане выполнены в камере солевого тумана SC 1000 ( фирма “ Weiss Technic”, Германия). Выполнены также коррозионные испытания сталей для системы выпуска автомобилей в жидкой среде, имитирующей конденсат отработавших газов и в конденсирующихся парах этой среды. Стойкость сталей к межкристаллитной коррозии оценивалась согласно ГОСТ 6032- 2003 по методу АМУ.

Оценку обрабатываемости резанием сталей лабораторных плавок с микролегированием селеном, теллуром и силикокальцием выполняли в лаборатории механической обработки УЛИР ОАО АВТОВАЗ при несвободном точении твердосплавными и быстрорежущими резцами, а также сверлении инструментом из быстрорежущей стали. При этом оценивалась величина износа инструмента в процессе обработки. Обрабатываемость резанием стали А10Х16Н15Т опытно-промышленных партий оценивалась по стойкости режущего инструмента, выраженной в количестве обработанных деталей, по величине износа и форме образующейся при резании стружки, при условии получения годных деталей. Переработку стали проводили на станке TRAUB TNS 42 по технологии производства промышленных деталей.

Оценка свариваемости проводилась в лабораторных условиях с использованием полуавтомата для сварки в среде СО2 фирмы “Kempi”.

В последнем разделе главы изложены используемые в работе методы статистической обработки результатов количественного металлографического анализа и результатов оценки обрабатываемости сталей резанием.



В третьей главе исследованы возможности улучшения обрабатываемости резанием коррозионно-стойких сталей путем формирования неметаллических включений определенного состава и морфологии.

Такими включениями могут являться халькогениды , которые попадая в зону стружкообразования, улучшают условия процесса резания. Халькогениды можно получить микролегированием стали селеном или теллуром. При этом целесообразно стремиться к глобулярной форме включений. С целью нахождения наиболее оптимального подхода к микролегированию в работе исследовано три его варианта: микролегирование селеном ( вариант “Se”) ; микролегирование селеном и теллуром ( вариант “ Se + Te”); микролегирование селеном, теллуром и силикокальцием (вариант “Se + Te + SiCa”), причем модифицирование силикокальцием предполагало именно глобуляризацию включений.

Химический состав исследованных вариантов показан в таблице 1.

Введение любых из перечисленных сочетаний микролегирующих элементов не повлияло на структуру матрицы: во всех случаях аустенит был с зерном не крупнее 6 балла по ГОСТ 5639-82.Характерная микроструктура всех вариантов стали – аустенит с присутствующими двойниками и резко выраженной травимостью по строчечным скоплениям включений, содержащих титан. При этом состав и морфология включений изменялись при микролегировании существенно.

На первом этапе выполнены комплексные исследования неметаллических включений в базовой стали марки 12Х18Н10Т.

Установлено, что основными включениями в этой стали являются нитриды. Частицы нитридов могут иметь разнообразную окраску: от золотисто-розовой до темно-серой и разную геометрическую форму. Присутствие в стали углерода приводит к образованию, наряду с нитридами, карбонитридов. Анализ показал, что крупные единичные нитриды образуются в массе жидкого металла, а значительные количества мелких включений концентрируются в междуосных участках. После деформации они образуют строчки нитридных включений . Нитрид титана встречается и в чистом виде, но часто содержит в своем составе хром и железо.

Очень часто нитриды и карбонитриды титана осаждаются на имеющихся в жидкой стали частицах типа MgOAl2O3 или Al2O3 . В свою очередь, к нитридам часто примыкают сульфиды, кристаллизующиеся вокруг нитридов. Иногда нитриды (карбонитриды) являются составной частью сложных включений: в центре частицы корунда или магнезиальной шпинели, вокруг которого кристаллизуется нитрид титана, к последнему примыкает сульфид, и все это окружено карбонитридной оболочкой. При пластической деформации пластичный сульфид вытягивается в направлении течения металла.

Кроме описанных выше включений, в образцах стали обнаружены группы мелких пластичных включений переменного состава – сульфидов , в основном на базе железа или титана. Отмечено наличие в стали самостоятельных включений Al2О3 . Встречаются и единичные простые или сложные включения кремния SiO (FeO, MnO) глобулярной или угловатой формы с примесью окислов железа и хрома – типа 2СаОAl2О3· SiO2. В центре прокатанных заготовок установлено наличие полос неметаллических включений, содержащих продукты раскисления.

Введение в базовую сталь селена приводит к образованию значительного количества пластичных включений селенидов. Селен вступает в соединение не только с железом, но и другими компонентами стали, образуя при этом сложные селениды, которые взаимодействуя с сульфидами, образуют легированные сульфидоселениды ( Рисунок 1, Рисунок 2).

По размерам селениды можно условно разделить на две группы:

- имеющие размеры ℓ = 6 – 12 мкм и b = 1 – 1,5 мкм;

- имеющие размеры ℓ=18 – 38 мкм и b ≈ 2 мкм.

Сульфидоселениды кристаллизуются как самостоятельно, так и на базе окислов или оксинитридов (оксикарбидов) титана. В стали сохранились единичные включения округлых силикатных включений, глинозема. В сульфидных включениях обнаружена медь.

Аналогично формированию сульфидов, в процессе кристаллизации селен выделяется на растущих нитридах или карбонитридах титана переменного состава, образуя селенид или карбоселенид. Следует отметить, что при введении в состав стали селена строчечность нитридных и карбонитридных включений резко уменьшилась. Расположены эти включения, в основном, по центру заготовки.

Таблица 1 - Химический состав исследуемых сталей


Вариант

Содержание элементов, %




С

Si

Mn

Cr

Ni

Ti

S

P

Se

Te

12Х18Н10Т

(ГОСТ 5632-72)



 0,12

 0,8

 2,0

17,0 – 19,0

9,0 - 11,0

5"С" – 0,8

 0,02

 0,035

-

-

12Х18Н10Т

(базовая)



0,098 –

0,11


0,56 –

0,73


1,37 – 1,4

17,34 –

17,51


10,5 – 10,66

0,4 – 0,51

0,011

0,014

-

-

"Se"

0,098 –

0,11


0,56 – 0,71

1,36 – 1,4

17,05 –

17,51


9,99 – 10,5

0,4 – 0,49

0,011

0,014

0,17

-

"Se + Te"

0,098 –

0,12


0,56 – 0,68

1,32 – 1,4

17,07 –

17,51


10,45 – 10,5

0,4 – 0,5

0,011

0,014

0,08

0,03

"Se + Te + SiCa"

0,098 –

0,12


0,56 – 0,7

1,33 – 1,4

17,05 –

17,51


10,38 – 10,5

0,4 – 0,52

0,011

0,014

0,07

0,03

Известно, что теллур нерастворим в стали в твердом состоянии, и поэтому он концентрируется в поверхностях раздела между фазами, например, неметаллическое включение – матрица. Самостоятельных включений теллуридов не обнаружено.





а

б в


Каталог: sites -> science.samgtu.ru -> files -> disertac -> d23
disertac -> Ситема автоматического управления динамической разгрузкой шпиндельного узла многооперационного координатно-расточного станка
disertac -> Разработка методов получения сложных эфиров диоксановых спиртов из отходов производства изопрена
disertac -> Самораспространяющийся высокотемпературный синтез модифицирующих лигатур и композиционных сплавов в расплаве алюминия с применением флюсов 01. 04. 17 Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва
disertac -> Повышение надежности защиты от перенапряжений систем электроснабжения нефтяной промышленности в районах с высоким удельным сопротивлением грунтов
d23 -> Разработка состава аустенитной коррозионно-стойкой стали с улучшенной обрабатываемостью резанием для систем выпуска отработанных газов автомобилей
  1   2   3   4   5   6   7

  • Введение Актуальность работы.
  • Практическая полезность.
  • Основные положения , выносимые на защиту
  • Реализация результатов.
  • Публикации.
  • Содержание работы. В первой главе