Доклад Перспективы повышения литейно
advertisement
Доклад на заседании Подкомитета по вагоностроению Комитета НП «ОПЖТ» по грузовому подвижному составу 21 марта г.Москва Перспективы повышения литейно-механических свойств стали (с гарантированной хладостойкостью) для литых несущих деталей тележек грузовых вагонов. Я.Е. Рыдлевский (Зам. Главного инженера ОАО «НПК «Уралвагонзавод»), А.А. Филиппенков (Генеральный директор ЗАО «Научно-производственное предприятие ФАН») В последние годы на сети железных дорог России в области безопасности движения сложилась крайне неблагоприятная ситуация, обусловленная изломами боковых рам тележек грузовых вагонов. За период 2006-2013г.г. произошло 153 излома боковых рам, каждый из которых был сопряжен, как минимум, со сходом вагонов. Пик изломов приходится на зимний период, поскольку при температуре ниже минус 20ОС снижается пластичность материала детали и возрастает динамическая нагруженность вагона из-за повышения жесткости пути. Значительная часть результатов исследования разрушившихся боковых рам не соответствовали ОСТ 32.183 по показателю ударной вязкости KCV-60 . В связи с ростом случаев отказов литых несущих деталей тележек, особенно при низких температурах, увеличением интенсивности эксплуатации подвижного состава, а также дополнительным ужесточением технических требований и нормативов по безопасности, вводимых ОАО «РЖД», задача повышения сдаточных и технологических свойств стали становится наиболее актуальной и приоритетной как для Уралвагонзавода, так и для других предприятий отрасли. Реализовывать эту задачу необходимо в кратчайшее время в течение 2014-2015гг., т.к. серийно применяющаяся марка стали 20ГЛ давно морально устарела и не удовлетворяет возросшим требованиям. Для решения этой проблемы необходимо привлечь ведущие предприятия и научные организации, а также использовать огромный ресурс НП «ОПЖТ» для координации и реализации этой работы. В соответствии с пунктом 4.6.3 ГОСТ 32400-2013 (внедряется с 01.07.2014) материал и конструкция боковых рам и надрессорных балок должны обеспечить их эксплуатацию после возникновения трещины до очередного планового ремонта без перехода в предельное состояние (т.е. потери несущей способности) не менее, чем 23года. Получить такую живучесть на стали 20ГЛ весьма проблематично. В результате выполненных под руководством ЗАО «НПП ФАН» исследований и испытаний в опытно-промышленных условиях «Уралвагонзавода» для повышения комплекса литейно-технологических и механических свойств стали найдены новые эффективные технические решения по оптимизации состава, технологии модифицирования и термообработки стали 20ФТЛ, предложенной взамен серийно применяющейся 20ГЛ. Выбор ванадия, как ведущего легирующего элемента, обуславливался не только его относительной дешевизной и огромными ресурсами, но и благоприятными уникальными свойствами ванадия. Это, пожалуй, единственный легирующий элемент, который в количестве всего лишь 0,06-0,13% обеспечивает одновременное повышение не только механических, но и литейно-технологических свойств. Важнейшие технологические характеристики сталей с ванадием являются трещиноустойчивость против образования горячих трещин во время литья и улучшенная свариваемость стали, имеющая большое значение в связи с возросшим объемом сварочных работ при исправлении литейных дефектов. Одновременно, как показали исследования, за счет измельчения зерна ванадий уменьшает чувствительность стали к концентраторам напряжений, что важно для безопасной работы литых деталей. На сталь марки 20ФТЛ усовершенствованного состава (по результатам работ ЗАО «НПП ФАН» совместно с «Уралвагонзаводом» и ОАО «ВНИИЖТ») разработаны ТУ 3180-168-07518941-2007, согласованные с ОАО «РЖД». «Уралвагонзаводом» были проведены полные усталостные испытания опытной партии боковых рам из стали 20ФТЛ в аккредитованном испытательном центре УО ВНИИЖТ. При этом на боковых рамах не усиленной модификации по черт. 100.00.002-4 получено значение коэффициента запаса усталостной прочности выше нормативного (несмотря на то, что по производственным причинам опытные детали из стали 20ФТЛ не прошли оптимального режима термообработки и сталь не модифицировалась) По нашему опыту в настоящее время марка 20ФТЛ является наиболее перспективной и конкурентоспособной сталью в сравнении с рекомендуемыми стандартом и др. сталями для решения проблем по снижению брака на предприятиях, повышения надежности работы литых деталей в вагоностроении и особенно для надежного обеспечения показателя КСV-60˚С существенно более 20Дж/см2. Переход на марку 20ФТЛ необходим для улучшения показателей, обеспечивающих безотказную работу не только в межремонтный период, но и в течение гарантийного срока эксплуатации. Такими более объективными показателями надежности работы деталей из новой стали являются две характеристики: живучесть деталей с начальной усталостной трещиной при длине меньше порога чувствительности применяемых средств диагностики и устойчивость стали против деформационного старения. «Уралвагонзавод» имеет большой опыт производства сталей с ванадием. Акты использования, заверенные гл. инженером ГУП «ПО Уралвагонзавод» подтверждают, что стали данной группы обладают хорошими техническими характеристиками (жидкотекучестью, трещиноустойчивостью, свариваемостью), имеют высокие показатели хладостойкости. Литые детали из стали 20ФТЛ серийно производились на Уралвагонзаводе по ТУ 3-331-85 в течение почти 15 лет. Однако в 2000-ом году по конъюнктурным соображениям сталь 20ФТЛ не была включена в перечень разрешенных марок, предусмотренном отраслевым стандартом ОСТ 32.183-2001. В 2007году на совещании в «РЖД» старший вице-президент В.А. Гапанович из-за резкого увеличения случаев отказов и увеличением брака почти в 2 раза при переходе с ванадий-содержащей марки 20ФТЛ на сталь 20ГЛ для рам и балок тележек грузовых вагонов назвал эту ситуацию «технической диверсией» против «Уралвагонзавода». При выборе марки стали для литых деталей ответственного назначения, помимо обеспечения требований по сдаточным показателям и показателям надежности (определяемых при типовых испытаниях), необходимо в первую очередь обеспечить повышение технологических свойств, прежде всего трещиноустойчивости против образования горячих трещин (при отливке) и свариваемости, имеющей важное значение для ремонтопригодности и исключения случаев преждевременного разрушения детали в эксплуатации. Установлено, что сталь 20ГЛ при содержании более 1,2% Mn не удовлетворяет двум последним показателям. Кроме этого, сталь 20ФТЛ является практически нестареющей, т.е. сохраняет структуру и механические свойства в процессе назначенного срока эксплуатации благодаря связыванию остаточного вредного азота в стали в мелкодисперсные нитриды ванадия и титана. По экономичности сталь 20ФТЛ практически не уступает марке 20ГЛ в связи с уменьшением содержания в ней верхнего предела марганца на 0,2%. Дополнительным и очень важным аргументом в пользу применения стали 20ФТЛ для литых деталей ответственного назначения (для их безопасной работы в межремонтный период эксплуатации) является «живучесть», т.е. продолжительность развития трещины от зарождения до излома детали. Как показали исследования, ванадий при содержании около 0,1% за счет измельчения зерна уменьшает чувствительность стали к концентраторам напряжений при знакопеременных нагрузках. «Живучесть» исследовалась на специальных модельных отливках (воспроизводящих основные размеры поддерживающих балочек автосцепки), учитывающих технологические факторы по критериям подобия. При этом «живучесть» стали 20ФТЛ оказалась на 30% выше, чем стали 20ГЛ. Это объясняется также тем, что комплексное легирование стали всегда эффективнее, чем легирование одним марганцем, что неоднократно отмечалось в технических заключениях при массовом внедрении на разных предприятиях России разработанных под руководством А.А.Филиппенкова сталей марок 20ФЛ, 20Г1ФЛ и 20ФТЛ, которые были включены в ГОСТ 977-75 и ГОСТ 21357-87, ОСТ 32.183. В большинстве официальных технических заключений по случаям разрушения боковых рам при эксплуатации вагонов в качестве основной причины изломов отмечается некачественное литье, обусловленное наличием недопускаемых литейных дефектов в трещиноопасных зонах. В условиях массового производства, а также при текущем обслуживании Т0-3, эти дефекты часто не идентифицируются при неразрушающем контроле не только по причине несовершенства средств диагностики, но и из-за «человеческого фактора». Так, например, по сделанным «ВНИИЖТ» экспертным заключениям, начиная с 2006г. аварийные отказы в значительном количестве не были предупреждены из-за не выявленных при ТО-3 начальных усталостных трещин с размером меньшим порога чувствительности средств диагностики. При этом продолжительность развития трещин во внутреннем углу буксового проема боковой рамы из стали 20ГЛ с длиной, равной пороговому размеру, составляет не более восьми месяцев, что существенно меньше межремонтного периода эксплуатации. Это свидетельствует, в частности, о недостаточной «живучести» деталей из стали 20ГЛ, которая формально удовлетворяет требованиям по коэффициенту запаса усталостной прочности. В декабре 2008г. В.А.Гапановичем было утверждено техническое решение (копия прилагается), предусматривающее внесение изменений в ОСТ 32.183 в части применения низколегированной стали марки 20ФТЛ (по ТУ 3180-168-07518941-2007) для изготовления боковых рам и надрессорных балок тележек грузовых вагонов с проведением в срок до 01.05.2009г. сертификации боковой рамы (черт. 578.00.019-0). Однако оно не было выполнено и не учтено при разработке ГОСТ 32400-2013. Учитывая общеотраслевую значимость рассматриваемой проблемы, считаем необходимым продолжить работу по оптимизации технологии производства и внедрения унифицированной стали марки 20ФТЛ как на «Уралвагонзаводе», так и на других предприятиях отрасли для изготовления несущих деталей тележек на базе марки 20ФТЛ по ТУ 3180-168-07518941-2007 с учетом новых современных требований. Новый стандарт открывает возможности для решительных действий по внедрению наиболее конкурентноспособной стали 20ФТЛ с гарантируемой хладостойкостью, обеспечивающей лучшее соотношение показателей цена/качество, в т.ч. за счет лучшей ремонтопригодности (свариваемости), большей трещиноустойчивости при литье и повышенной живучести (на 30% по сравнению со сталью 20ГЛ). Дополнительным ресурсом повышения уровня и стабильности хладостойкости является внедрение разработанной ЗАО «НПП ФАН» и предприятием НПФ «Эталон» инновационной технологии производства и модифицирования стали 20ФТЛ с использованием вместо стандартного ферротитана азот-титан-содержащего сплава, полученного самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (метод СВС). Механизмом модифицирования при данном методе является инокулирование, т.е. введение в расплав центров кристаллизации. Данная технология уже опробирована в опытно-промышленных условиях «Уралвагонзавода» с положительными результатами. На серийной стали получено измельчение первичного зерна на 2-3 балла и увеличение KCV-60 на 20%. Эти работы вызвали большой интерес, в том числе у зарубежных литейщиков, во время проведения в прошлом году при поддержке «Уралвагонзавода» XI съезда литейщиков России и Международной выставки «Литье 2013» у нас в Екатеринбурге. На съезде литейщиков на комитете «Стальное литье» Российской ассоциации литейщиков (председатель комитета А.А.Филиппенков) «НПП ФАН» и «Уралвагонзаводом» планировалось сообща обсудить с заводами-изготовителями вагонов вопрос о перспективности перехода на унифицированную сталь 20ФТЛ. К сожалению, несмотря приглашения, на этот съезд не приехали литейщики с заводовизготовителей литых деталей вагонов. Для решения задачи перехода на унифицированную сталь 20ФТЛ предприятиям отрасли необходимо объединить усилия, и Подкомитет по вагоностроению НП «ОПЖТ» может и должен стать координатором этой работы с учетом опыта и возможностей всех предприятий. В случае одобрения наших предложений, а также учитывая отраслевую остроту и значимость задач, решаемых за счет перехода на сталь 20ФТЛ, для окончательной отработки технологии производства литых деталей (включая СВС-модифицирование, оптимизацию режима термообработки и т.д.) необходимо провести более широкие промышленные испытания с участием ЗАО «НПП ФАН» и привлечением ВНИИЖТ. Для этого Подкомитету по вагоностроению запланировать выполнение в 2014-2015г.г. НИР по оптимизации технологии производства литых деталей и внедрению стали 20ФТЛ с модифицированием на предприятиях отрасли. Приложение 1
