УДК

АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ОТЛИВОК КОРПУСОВ ИЗ СТАЛИ 30 ГСЛ ПО КОЭРЦИТИВНОЙ СИЛЕ

 

Телятников В. В.,    аспирант

(Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенка)

 

Выполнен анализ качества литых изделий для железнодорожного транспорта на примере корпуса ПМКП – 110, статистически определены его дефекты. Показана возможность выявления скрытых дефектов и отклонений структуры метала по коэрцитивной силе.

 

При изготовлении литых деталей, которые используются для железнодорожного транспорта, имеют место дефекты. Кроме того они отличаются неоднородностью формируемой структуры метала и свойств, что может привести к выходу их из строя в процессе эксплуатации. Существуют следующие методы контроля качества: визуальный осмотр и оценка твердости, которые не обеспечивают стабильность свойств всей детали. Поэтому целесообразно выяснить возможные отклонения в структуре и свойствах при использовании неразрушающего контроля.

Известно, что магнитный метод оценки по коэрцитивной силе (магнитный метод), чувствителен к наличию пор , раковин, неоднородности структуры и уровню напряжений. Исходя из этого, целью работы являлось установить связь между дефектами в структуре и свойствами материала детали с показаниями коэрцитивной силы и определить браковочную норму при сдаточных испытаниях.

Статистические исследования такой связи проведены на детали корпуса поглотителя механических колебаний ПМКП – 110. Для решения поставленной задачи, был проанализирован характер дефектов встречающихся при производстве такой отливки: газовые и песчаные раковины, недоливы, перекосы, спаи, горячие трещины, шлаковые раковины, вскипы, неслитины, коробления, пригары, холодные трещины, отклонение в химическом составе и механических свойствах, корольки, усадочные раковины, ужимины.

Важным является установление изменений свойств или формируемых дефектов по показателю коэрцитивной силы. Согласно ГОСТ 22253, и соответственно регламенту приемки деталей отделом технического контроля предприятия ООО «Украинская литейная компания» установлены четкие требования к детали ПМКП-110.

Детали относится к аппарату автосцепки. Эти изделия различаются  по своим характеристикам в зависимости от того, на каком объекте они будут эксплуатироваться. Их изготавливают литьем из стали 30 ГСЛ (таблица 1)

Таблица 1 Химический состав ПМКП – 110

 

Содержание элементов %

Марка стали

C

Mn

Si

Cr

Ni

Cu

S

P

Статистический анализ исследуемых отливок

0,25-0,35

1,2 – 1,6

0,2- 0,5

Не более 0,3

Не более

0,30

0,04

С учетом допустимых отклонений по ГОСТ 977-88

0,23- 0,37

1,08- 1,83

0,15- 0,65

Не более 0,4

Не более 0,45

Не более 0,4

-

0,05

Согласно приведенным данным корпуса, изготавливаемые из этой стали по химическому составу полностью соответствуют действующей нормативно- технической документации.

В результате совместной работы ряда научных организаций и предприятий разработан ОСТ 32.175 – 2001, который предусматривает разделение поглощающих аппаратов по основным техническим показателям на 4 класса: Т0, Т1, Т2, Т3.

 Наиболее широкое применение получают аппараты класса Т1, предназначенные для установки на вагоны общего пользования.

В процессе работы на такой поглощающий аппарат воздействуют тепловые и механические нагрузки, а так же активно – коррозионная среда.

Его устанавливают в верхней части колесной пары вагона. Поглотитель механических колебаний компенсирует удар при сцепке вагонов так, что его рабочая часть из -за сил трения, воздействующих на стенки нагревается . Также  из-за неравномерности нагрева температура в различных сечениях может существенно отличаться, что приводит к тепловым напряжениям и деформациям. Это усугубляется тем, что детали поглощающих аппаратов еще и работают в различных погодных условиях (от -60° до +50° С).

Максимальное давление на рабочие стенки поглотителя механических колебаний в процессе эксплуатации достигает 4000Н/мм² и выше. При этом они дополнительно подвергаются вибрационным нагрузкам.

 В процессе изменения погодных условий и тепловых режимов ПМКП также подвергаются воздействию коррозии.

Масса аппарата в сборе, составляет 135кг, а корпуса - 69кг.

Конструктивный ход аппарата составляет, 110+10мм, а его энергоемкость, кДж, не менее:

а) номинальная 70

б) максимальная 90

 

Габаритные размеры, мм:

а) длина 570+12

б) ширина 320 ± 3

в) высота 230 ± 3

Срок эксплуатации до капитального ремонта составляет 16 лет, а общий срок службы - 24 года.

Гарантийный срок службы составляет 8 лет

Аппарат, поглощающий ПМКП-110 состоит из:

- Корпуса

-  Двух неподвижных пластин, каждая из которых включает помимо пластины и два металлокерамических элемента

 -  Двух подвижных пластин ;

 -  Двух клиньев;

 -  Конуса нажимного;

 -  Пластины опорной;

 -  Четырех полимерных элементов;

 -  Четырех пластинных прокладок;

 -  Болта стяжного с гайкой;

 -  Опорного элемента.

При выплавке стали 30 ГСЛ для изготовления корпуса, в завалку на дно тигля укладывают шихту: сталь углеродистую; возврат собственного производства; при необходимости для корректировки вводят ферросилиций; перед самым расплавлением вводят ферромарганец из расчета получения его в готовой стали в пределах заданного химического состава, ближе к верхнему пределу для печи с кислой футеровкой, и на среднюю концентрацию для печи с нейтральной футеровкой, (с учетом остаточного содержания его в шихте).

Шихту плотно укладывают, обеспечивая максимальное заполнение объема тигля при отсутствии заклинивания между кусками.

Расплавление шихты производится при максимальной мощности установки «EGES», и не должно превышать 45-60мин., (при плавке метала в однотонной печи).

Во время плавки следует обеспечить равномерный нагрев и оседание расплавляющейся шихты, не допуская зависания и образования "мостов", для чего своевременно производят осадку шихты стальным ломом. Если вся металлическая шихта завалки не может быть сразу загружена в печь, то её остатки дополнительно вводят по мере расплавления и оседания.

После полного расплавления шихты отбирают пробу для экспресс-анализа на определение химического состава.

Отбор проб для экспресс-анализа производили согласно временной технологической инструкции действующей на предприятии на подготовку образцов для химического анализа. Охлаждение и подготовка проб для проведения анализа не должно превышать 10 минут.

Проведение экспресс-анализа проводят в течение 10-15 минут.

По результатам, производят корректировку химического состава введением под шлак чугуна и ферросплавов, согласно табл. 2. После корректировки химсостава производили заливку метала, в формы в соответствии с техническими требованиями и техники безопасности.

В ООО «Украинская литейная компания», для заливки метала в формы используют, ковши заливочные: барабанные, чайниковые ручные с траверсой, стопорные для заливки кранами, емкостью до 1000 кг. Отливки после кристаллизации подвергали обрубке, очистке, термообработке и  испытаниям на соответствие требованиям по механическим свойствам и твердости (табл. 3).

Таблица 2 Корректировка химического состава плавки

стали 30 ГСЛ

№ П/П

Требуемое изменение химического состава.

Наименование вводимого материала.

На 1 тонну жидкого металла.

1

2

3

4

1

Увеличение углерода на 0,1%

Возврат СЧ-15,СЧ-20

29 кг

2

Увеличение кремния на 0,1%

Ферросилиций ФС 45

2,3 кг

3

Увеличение кремния на 0,1%

Ферросилиций ФС 75

1,35 кг

4

Увеличение марганца на 0,1%

Ферромарганец ФМn78 (увеличивает углерод на 0,01%)

1,5 кг

5

Увеличение марганца на 0,1 %

Ферромарганец ФМn95

1,2 кг

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3 Механические свойства отливок корпусов

Предел текучести σт, (МПа)

Временное сопротивление σв, (МПа)

Относительное удлинение

δ, (%)

Относительное сужение

Ψ, (%)

Ударная вязкость KCU, Дж/ см² при температуре

-60 °C

490

657

10

20

29,4

 

Для отливки корпуса ПМКП согласно ГОСТ 22253 уровень твердости регламентируется в пределах 207 – 255 НВ.

Для проверки соответствия требованиям настоящего стандарта предприятие-изготовитель, долж­но проводить приемно- сдаточные испы­тания.

При приемо-сдаточных испытаниях контролируют:

 - внешний вид;

 - основные размеры ПМКП, корпусов, горловин и оснований корпусов;

 - механические свойства и химический состав стали;

- глубину цементованного (нитроцементованного) слоя клиньев;

 - твердость головки корпусов, клиньев, конусов и шайб;

 - вид излома стали;

 - устойчивость;

 - работоспособность аппаратов.

Химический состав стали корпусов и стержней проверяли от каждой плавки на пробах, отбираемых по ГОСТ 7565. Допускается проверять окончательный химический состав стали путем анализа стружки и спектрального анализа на пробах от брусков, вырезанных для механических испытаний или непосредственно из деталей.

По принятой технологии, результаты анализа распространяются на все детали одной плавки.

Механические свойства стали корпусов, горловин, оснований корпусов и стержней проверяли от каждой плавки на образцах, вырезанных из пробных брусков, по ГОСТ 977.

Допускается проверять механические свойства и на образцах, вырезанных из предварительно выбранной детали, а  результаты проверки также распространяются на все детали данной плавки, прошедшие термическую об­работку.

При испытаниях контролировали: размеры корпусов аппаратов и их деталей, указанные на рабочих чер­тежах.

Анализировали визуально наличие дефектов в рабочей части корпусов.

Размеры аппаратов и их деталей проверяли шаблонами и универсальным измерительным инстру­ментом.

При проверке партии отливок ПМКП были произведены поперечные и продольные измерения коэрцитивной силы (прибор КРМ-Ц-К2М), различных зон, в том числе и пораженных дефектами. Результаты измерений приведены в табл. 4. Статистическая обработка экспериментальных данных позволяет выявить степень однородности метала, отливок, оценить отклонения и предложить браковочные нормы качества каждого изделия. Это позволит сократить количество брака, который за 2012 год составил 16,7%, повысить надежность деталей, в эксплуатации, обеспечить контроль качества каждой детали.

 

 

 

 

Таблица 4 Поперечные и продольные замеры коэрцитивной силы на детали ПМКП - 110 (сталь 30ГСЛ-Б)

№ отливки и уровень твердости

НВ

Поперечные измерения

ПМКП - 110

Продольные измерения

ПМКП - 110

1

2

3

4

5

 

Торцевая часть

Боковая часть

Торцевая часть

Боковая часть

41241

НВ= 255

2,0

2,0

1,8

1,9

1,9

2,4

1,9

2,1

2,2

1,8

1,9

1,9

2,0

1,9

2,0

2,0

Среднее значение

2

2

1,9

2,0

41115

НВ= 229

2,0

1,9

1,7

2,3

1,9

1,8

1,8

2,0

3,2

2,2

1,8

2,0

2,4

2,0

2,0

2,2

Среднее значение

2,4

2,0

1,8

2,13

41163 НВ=241

1,9

1,6

2,2

2,2

1,7

1,6

2,1

2,3

1,8

1,5

1,9

2,1

1,8

1,6

2,1

2,0

Среднее значение

1,8

1,6

2,1

2,2

Анализ экспериментальных данных показано что наибольшие отклонения в качестве отливок характерные для поперечных измерений коэрцитивной силы. Они составляют 10-20%. Такие отклонения имеют место как на торцевой части корпуса, так и боковой.

Нестабильность свойств металла характерна и для измерений в долевом направлении установки преобразователя и составляет от 5 до 10%. Для стабильной работы корпуса. Отклонения в показаниях коэрцитивной силы, не должны превышать 5%. Оптимальным показателем однородности свойств является коэрцитивная сила на уровне Нс=2А/см. Из анализа (табл. 4) видно, что, несмотря на то, что по уровню твердости рассматриваемые изделия соответствуют требованиям, однако их структура существенно изменяется не только от отливки к отливке, но и в пределах одной (см. отливку №4111), где показания коэрцитивной силы изменяются в два раза. Кроме того имеет место анизотропия свойств. Изменения свойств в одной отливке могут быть связаны не только с неоднородностью структуры металла, но и ликвацией компонентов, уровнем напряжений и наличием дефектов. Это и предстоит установить. В дальнейших исследованиях путем детального анализа зон с отклонениями по коэрцитивной силе.

Телятников В. В.

У науковій статті зроблено аналіз випробувань поглиначів механічних коливань (ПМКП - 110) з вуглецевої сталі у виробництві, що буде використаний у корегуванні параметрів технологічного процесу їх виробництва.

Teliatnykov V.

The paper describes the analysis of the tests in the production of mechanical vibration absorbers (ПМКП - 110), carbon steel, which is used to adjust the parameters of the process of production.