Введение в управление качеством металла


Р. Е. Глинер, В. И. Астащенко










ВВЕДЕНИЕ В УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ МЕТАЛЛА

Учебное пособие



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 669.017:658.562
ББК 34.2
    Г54




Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Э. Р. Галимов; доктор технических наук, профессор Ф. А. Шамсутдинов





    Глинер, Р. Е.

Г54 Введение в управление качеством металла : учебное пособие / Р. Е. Глинер, В. И. Астащенко. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 276 с. : ил., табл.
         ISBN978-5-9729-1091-5

   Рассмотрены вопросы управления качеством металла, в том числе и с применением современных информационных технологий. Даны принципы стандартизации управления качеством металла. Изложена практика применения статистико-математического анализа качества металла.
   Для студентов технических направлений: 15.00.00 «Машиностроение», 22.03.02 «Металлургия», 27.03.02 «Управление качеством», 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов». Может быть использовано специалистами в области прикладного материаловедения, работающими на предприятиях, связанных с производством металла или переработкой его в готовые изделия.


                                                         УДК 669.017:658.562

                                                              ББК 34.2











ISBN 978-5-9729-1091-5

           © Глинер Р. Е., Астащенко В. И., 2022
           © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                                  © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие.......................................................5
1. Общие вопросы концепции качества металла.......................7
  1.1. Содержание понятия «качество металла»......................7
  1.2. Показатели качестваметаллопродукции........................8
  1.3. Содержание понятия контроля качества металла...............9
  1.4. Содержание понятия дефектности металла....................10
  1.5. Содержание понятия «испытание металла»....................11
  1.6. Практика контроля состава и структуры металла.............13
2. Управление качеством металла в процессе его производства (на примере производства стали)..................................27
  2.1. Общие сведения по производству стали......................27
  2.2. Обеспечение качества в производстве стали.................31
  2.3. Природадефектности слитков................................32
  2.4. Эффективные способы исключения дефектности слитков........35
  2.5. Вопросы дефектности сортового проката.....................36
  2.6. Дефекты металла в крупногабаритных поковках...............37
  2.7. Дефектность листового проката.............................39
  2.8. Вопросы идентификации дефектов в металле..................43
3. Управление качеством металла в процессе переработки металлопроката и отливок..................................47
  3.1. Политикауправления качеством применяемого металла.........47
  3.2. Системауправления качеством в переработке металла.........49
  3.3. Роль термической обработки в управлении качеством металла......67
  3.4. Упрочняющая термическая обработка сплавов на основе железа.....69
  3.5. Разупрочняющая термическая обработка сталей...............75
  3.6. Закалка и отпуск (старение) сплавов на основе цветных металлов.77
4. Вопросы выбора металла (марки) характерного назначения........80
  4.1. Конструкционная сталь, упрочняемая термической обработкой......80
  4.2. Сталь для работы в коррозионно-активных средах............96
  4.3. Жаростойкая и жаропрочная сталь...........................99
  4.4. Сталь для инструмента и штампов..........................102
  4.5. Сталь улучшенной механической обрабатываемости...........105
5. Характерное использование цветных металлов...................112
  5.1. Магний и алюминий........................................113
  5.2. Титан и медь.............................................116
  5.3. Никель и сплавы в подшипниках скольжения.................133

3

6. Стандартизация качества металлов...............................139
  6.1. Основное назначение стандартов по управлению качеством металла...............................................139
  6.2. Принципы стандартизации управления качеством металла.......140
  6.3. Стандартизация качества стали..............................146
  6.4. Стандартизация качествачугуна..............................152
  6.5. Стандартизация качества металлов, используемых при выплавке стали и чугуна.....................................160
  6.6. Стандартизация качества сплавов на основе цветных металлов.162
  6.7. Примеры применения стандартов по управлению качеством метала..................................166
  6.8. Практика применения специальных технических условий в управлении качеством металла..................................174
  6.9. Содержание сертификации и аудита качества металла................................................176
7. Применение статистико-математических анализов в оценках качества металла........................................180
  7.1. Некоторые понятия из теории вероятностей...................180
  7.2. Некоторые анализы из математической статистики.............192
  7.3. Установление зависимости между двумя переменными величинами ... 205
  7.4. Практика применения статистико-математического анализа качества металла........................................211
Заключение........................................................224
Контрольные вопросы...............................................229
Список рекомендуемой литературы...................................232
Приложения........................................................235
  П. 1. Практическая работа со стандартами качества металла.......235
  П. 2. Нормы стандартных механических свойств....................238
  П. 3. Дефекты поверхности проката (выборка из ГОСТ 21014).......242
  П. 4. Отечественные стандарты по управлению качеством...........247
  П. 5. Статистические методы управления качеством продукции. Термины и определения (выборка из ГОСТ 15895)...................252
  П. 6. Дополнительный материал по математическому анализу качества металла........................................262
  П. 7. Методика комплексной оценки степени загрязнённости стали неметаллическими включениями (на примере DIN 50602).......267

4

    ПРЕДИСЛОВИЕ



    Вторая половина и особенно конец XX века ознаменовались перспективой применения новейших нано- и композиционных материалов. Но и при этом в полной мере сохранилась актуальность использования металла, как традиционного материала конструкционного и инструментального назначения, оказывающая решающее воздействие на уровень развития производительных сил общества. Достаточно сказать, что современной промышленностью ежегодно производится и перерабатывается более 1 млрд тонн металлических материалов, производимых в виде сплавов различного состава, затвердевающих с образованием кристаллического строения, свойства которых обусловливают их незаменимость в ближайшие десятилетия.
    Как основу современных индустрий следует, прежде всего, выделить сталь и чугун. Промышленная потребность в стали и чугуне связана, прежде всего, с их технологичностью. Это качество, наряду со сравнительно низкой исходной стоимостью (обусловленной масштабами и высокой степенью рационализации металлургического производства), делает в ближайшем будущем безальтернативным выбор стали и чугуна как материалов для массового производства изделий конструкционного и инструментального назначения.
    В ряде случаев безальтернативным оказывается и выбор в качестве материала сплавов на основе цветных металлов (меди, алюминия, титана, никеля и др.), позволяющий использовать их служебные свойства, недостающие сталям и чугунам (электропроводность, антифрикционные качества, удельная прочность, жаропрочность), что в принципе оправдывает удорожание производства изделий.
    Однако необходимым условием продолжения широкого использования металла является снижение затрат на его производство и переработку и совершенствование его качества. К этому побуждает также базисная основа развития современной экономики - конкуренция между производителями, в данном случае производителями металла и изделий, из него изготавливаемых.
    Эффективность решений задач по совершенствованию качества определяется профессионализмом специалистов по управлению качеством металла, востребованным широким кругом современных предприятий, научно-прикладных и консалтинговых учреждений, которые по направлению своей деятельности связаны с производством или переработкой металла, а также подразделениями, обеспечивающими металлом конкретные производства.
    При этом качество как понятие, обусловливающее работоспособность металла в готовых изделиях и технологичность в обработке, выступает приоритетным стимулирующим фактором развития прикладного металловедения. В этом аспекте само понятие прикладного металловедения можно определить как техническую науку, изучающую рациональные способы управления качеством металла на различных стадиях его производства.

5

   Цель настоящего пособия - подготовка базового материала для учебной дисциплины «Управление качеством металлов», завершающей подготовку магистров по направлению «Металлургия».
   Представить общую концепцию управления качеством металла, предназначенного для изготовления деталей конструкций и инструмента, и методы его оценки как одна из основных проблем, решаемых в производстве и переработке металла - цель данной дисциплины.
   Представляемое пособие предполагается использовать, прежде всего, при проведении учебных семинаров и самостоятельного изучения магистрантами вопросов управления качеством металла, в том числе и с применением современных информационных технологий.
   Можно также полагать, что, выходя за рамки своего основного назначения, пособие может быть полезным заводским специалистам различного профиля (конструкторам, технологам, специалистам по контролю качества и снабжению, специалистам по консалтингу), связанным с производством металла и переработкой его в готовые изделия.
   Работая над пособием, авторы использовали материалы известных учебников, научных монографий и публикаций (указанных в перечне рекомендованной литературы). Но при этом посчитали также необходимым представить и своё видение рассматриваемых вопросов, а также использовать результаты собственной научно-исследовательской и преподавательской практики. Этим, ориентируясь на свой практический инженерный и преподавательский опыт, авторы преследовали цель приблизить содержание пособия к запросам предполагаемого круга читателей.
   Поэтому, представляя свою работу в рамках учебного пособия, авторы считают возможным рассматривать её и как монографию, в ряде аспектов приоритетную среди литературы, посвящённой качеству металла.
   Настоящее пособие является вторым изданием вышедшего ранее в двух частях пособия «Основы качества металла» [39], существенно переработанного, дополненного и повторно отредактированного.
   Данная работа выполнена автором пособия профессором Нижегородского государственного технического университета Р. Е. Глинером в соавторстве с профессором Набережночелнинского института Казанского (Приволжского) федерального универитета В. И. Астащенко.

6

    1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КОНЦЕПЦИИ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛА



1.1. СОДЕРЖАНИЕ ПОНЯТИЯ «КАЧЕСТВО МЕТАЛЛА»

   В широком смысле под качеством понимается степень соответствия производимой продукции требованиям потребителя (потребительским свойствам). Качество тем выше, чем выше это соответствие.
   В полной мере это относится и к качеству металла. При этом потребительские свойства металла фактически должны обеспечить два его качества: работоспособность в готовых изделиях и технологичность в обработке - механической, термической, покрытии и т.д.
   Работоспособность оценивается по безотказности работы металла. Это качество металла, проявляемое в готовом изделии. Оно определяет выбор металла, как материала в каждом конкретном случае применения по назначению конкретным его потребителем. Работоспособность не должна зависеть от выбора производителя и технологии переработки металла в готовое изделие.
   Технологичность оценивается прежде всего затратами на отдельных этапах его производства (себестоимостью), которые зависят от ряда факторов, в том числе и выбора конкретного металла для данного изделия: вида, свойства, производителя, стоимости в поставках. Это качество, зависящее от конкретных условий на каждом этапе переработки металла в готовое изделие.
   Потребительские свойства металла находит отражение в технических требованиях к качеству, фиксируемых в нормативной технической документации, разрабатываемой на производимую продукцию, стандартах, чертежах, технологических инструкциях, заказах на поставку металлоизделий. Характерно, что металлоизделия одного и того же назначения, но изготовленные на разных предприятиях, или даже на одном, но в разное время, могут существенно отличаться по степени соответствия установленным требованиям. В этом проявляется влияние исходных материалов, стабильности применяемой технологии и принятой системой её контроля.
   В связи с этим возникает задача системного управления качеством, которое подразумевает направленные действия по обеспечению и совершенствованию необходимого уровня качества на всех этапах производства и переработки металла: выплавке, разливке, затвердевании, механической обработке, термической обработке.
   Обеспечение качества подразумевает совокупность планируемых и систематически проводимых мероприятий, необходимых для создания уверенности в том, что продукция удовлетворяет потребительским свойствам.
   Совершенствование качества металла предполагает:
      •    совершенствование технических требований к качеству на основе изучения потребительских требований и общей потребности рынка в производимой продукции;


7

      •     повышение квалификации рабочих и инженерно-технических работников, участвующих в получении изделий, стимулирование их эффективной работы по совершенствованию качества;
      •     совершенствование технологических решений по признакам, пред-ставленнымвтабл. 1.1.


Таблица 1.1

Показатели сове           ршенства технологических решений                    
Анализируемый признак                          Примечание                     
                          Ручной труд по объективным или субъективным         
   Степень механизации    причинам может допустить получение продукции        
     и автоматизации      с отклонениями в качестве; машина строго выполняет  
                          заданную программу                                  
                          Оценивается тем, в какой степени принимаемые решения
   Степень оптимизации    являются наукоёмкими (подтверждаются специально     
используемых технических  проведённым теоретическим или экспериментальным     
         решений          анализом)                                           
Степень общей затратности Затратность - главная характеристика технологичности
   и ресурсосбережения    как составляющей понятия качества                   

1.2. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛОПРОДУКЦИИ

   Управление качеством основывается на использовании двух конкретных понятий: показателя качества и уровня качества.
    Показатель качества - это количественная характеристика свойств, выражаемая в определённых единицах измерения. Для металла, например, это единицы измерения твёрдости, прочности, пластичности, содержания отдельных химических элементов.
   Уровень качества - это относительная характеристика свойств, основанная на сравнении значений показателей качества оцениваемого металла со значениями соответствующих показателей другого произведённого металла или идентичного, но из другой произведённой партии.
   В зависимости от многообразия сравниваемых свойств различают показатели качества различного ранга (табл. 1.2).


..
Таблица 1.2

Ранжирование показателей качества

   Ранг                          Содержание понятия                      
 Единичный  Показатель качества продукции, характеризующий               
            одно из ее свойств (например, прочность)                     
Комплексный Показатель качества продукции, в совокупности                
            характеризующий несколько ее свойств (например, штампуемость)

8

Окончание таблицы 1.2

    Ранг                             Содержание понятия                        
             Показатель, по которому принимается решение по качеству           
Определяющий продукции и регламентируемый технической документацией (твёрдость)
  Базовый    Значение показателя качества, принятое за основу при оценке уровня
             качества (например, прочность или твёрдость)                      
Номинальный  Регламентированное значение показателя, от которого отсчитывается 
             допустимое отклонение                                             

1.3. СОДЕРЖАНИЕ ПОНЯТИЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛА

    Контроль - это проверка соответствия производимой продукции установленным техническим требованиям качества. Различные виды контроля классифицируются по ряду признаков (табл. 1.3).


Таблица 1.3

Классификация видов контроля качества металла

Классификационный      Отличительная              Примеры, относящиеся        
     признак        особенность контроля         к термической обработке      
                      Контроль готовой             Изделия, прошедшие         
                         продукции                термическую обработку       
                     Контроль исходных      Металл, используемый в изделиях,  
                         материалов         проходящих термическую обработку  
 Объект контроля                              Температурно-временной режим    
                    Контроль технологии           термической обработки       
                                                Печные газовые атмосферы;     
                  Контроль технологических  расплавы солей; закалочные среды  
                     сред и материалов     (водные растворы, закалочное масло)
                                                       Температура            
                       Непрерывный 1)       Энергетические параметры нагрева  
                                              Твёрдость поверхности деталей   
                        Сплошной 2)             ответственного назначения     
По повторяемости                                    Глубина насыщения         
    контроля          Периодический 3)           по образцам-свидетелям,      
                                                 поверхностная твёрдость      
                                              Твёрдость сердцевины изделий,   
                         Летучий 4)              упрочняемых термической      
                                                       обработкой             
  Использование          Невозможно                        -«-                
  объекта после                                   Твёрдость поверхности       
   проведения             Возможно            Электромагнитное тестирование   
    контроля           (неразрушающий                прокаливаемости          
                         контроль)               обрабатываемых деталей       
                         Ручной 5)                                            
     Уровень        Механизированный 6)      Поверхностная твёрдость деталей  
   механизации       Автоматический 7)              Состав атмосферы          
                        Активный 8)                                           

9

Окончание таблицы 1.3

Классификационный     Отличительная          Примеры, относящиеся      
     признак      особенность контроля      к термической обработке    
                                           Размеры и форма изделий,    
                        Геометрия       прошедших термическую обработку
     Природа      Механические свойства    Прочность, пластичность,    
   проверяемых                                твердость, вязкость      
    признаков      Физические свойства     Электрические, магнитные    
   (по методу                                      Плотность           
   проведения      Химические свойства         Химический состав       
   испытаний)                               Сопротивление коррозии     
                                                Макроструктура         
                        Структура               Микроструктура         
                       Входной 9)                                      
                                               Металлопродукция        
     Стадия         Операционный 10)       Технологические материалы   
производственного                          Термически обрабатываемые   
    процесса          Приёмочный п)                 изделия            
 (по назначению)                          Металлопродукция, прошедшая  
                   Аттестационный 12)    термообработку, перед выдачей 
                                         её в дальнейшее производство  

    Примечание
    1)    информация об объекте поступает непрерывно; 2) контроль каждой единицы продукции в партии; 3) контроль производится через определённые интервалы времени; 4) контроль производится в случайные моменты времени; 5) с использованием ручных средств; 6) с использованием механизированных средств; 7) осуществляемый без участия оператора измерительными приборами, встроенными в технологическое оборудование (система КИП); 8) автоматический, предусматривающий автоматическое управление технологическим процессом; 9) осуществляется потребителем; 10) проводимый во время или после выполнения определённой операции; 11) по результатам которого принимается решение о пригодности поставки продукции потребителю; 12) осуществляется специально уполномоченными лицами.


1.4. СОДЕРЖАНИЕ ПОНЯТИЯ ДЕФЕКТНОСТИ МЕТАЛЛА

    Дефектом называется каждое отдельное несоответствие производимой продукции установленным требованиям.
    Характерными дефектами металла являются несоответствие химического состава требуемому составу, нарушение сплошности (трещины, раковины и др.), отклонение структуры, механических свойств от заданных. К дефектам металла принято относить чрезмерную деформацию при термической обработке и отклонения размеров в продукции металлургического производства (слитки, полуфабрикаты после прокатки, волочения, прессования и т. п.), выводящие её за пределы установленных геометрических допусков. Характерно также, что дефектность металла как производимой продукции практически всегда связана с нарушениями технологического процесса производства или обработки металла.


10

    С учётом разнородности и различного влияния на служебные и технологические свойствадефекты классифицируются так, как представлено табл. 1.4.


Таблица 1.4

Классификация дефектности металла

Классификациионные     Дополнительные                                      
     признаки             признаки                   Примечание            
 Степень влияния      Малозначительные          Не оказывают влияния       
на потребительские      Значительные       Оказывают существенное влияние  
 свойства металла       Критические       Невозможно использование металла 
   Возможность                            В ряде случаев устранение дефекта
    устранения           Устранимые            считается экономически      
     дефекта            Неустранимые                неоправданным          
   Возможность             Явные            В принципе выявление дефектов  
    выявления             Скрытые             должно предусматриваться     
     дефектов                              технологией. Но в ряде случаев  
 Технологическое           Литьё             выявление дефекта считается   
  происхождение    Механическая обработка   экономически не оправданным,   
     дефектов              Сварка          принимая, что дефекты являются  
                   Термическая обработка          малозначительными        

1.5. СОДЕРЖАНИЕ ПОНЯТИЯ «ИСПЫТАНИЕ МЕТАЛЛА»

    Контроль качества, как проверка соответствия, осуществляется через испытание металла.
    Испытание - это экспериментальное определение количественных (качественных) характеристик свойств, которые проявляются в результате соответствующего воздействия на металл (механического, физического, химического). Испытания, проводимые с целью контроля, включают в себя следующие основные этапы: 1) отбор пробы для проведения испытания; 2) подготовка образца для испытания; 3) непосредственное испытание (образца); 4) представление результата испытания - оценки характеристики металлопродукции заданным требованиям.
    Проба - это часть металлопродукции, отобранная для проведения испытаний. Образец - часть пробы, непосредственно подвергаемая испытанию. Заготовка - часть пробы, предназначенная для изготовления образцов, в тех случаях, когда проба не может использоваться как образец.
    Непосредственные испытания производятся по методикам, при разработке которых учитывается вид контроля (табл. 1.3) и вид дефекта (табл. 1.4).
    Методика испытания - это обязательный к выполнению организационнораспорядительный документ, который включает в себя компоненты, представленные на рис. 1.1.


11

Методика проведения испытаний

ных правил

Выбор метода испытаний и определён-

Средства и условия испытаний

применения данного вида испытаний

Алгоритмы выполнения операций по определению одной или нескольких взаимосвязанных характеристик свойств

Форма представления данных

Форма оценки точности и воспроизводимости испытаний

Рис. 1.1. К содержанию понятия методики проведения испытания

   Следует разделять понятия точности испытания и его воспроизводимости.
   Точность - это свойство испытаний, определяемое близостью результатов испытаний к действительным значениям характеристик объекта в определённых условиях испытаний.
   Воспроизводимость - это свойство испытаний, определяемое близостью результатов повторных или параллельных испытаний. Точность зависит от методики испытания (метод, средства, алгоритм проведения). На воспроизводимость, кроме этих факторов, в значительной мере влияют объект и назначение контроля. Если объектом является, например, партия металлопродукции, подвергаемая выборочному контролю, то испытания поставщиком и потребителем в принципе проводятся на различных образцах данной партии. В этом случае неоднородность изделий может существенно, иногда решающим образом, влиять на воспроизводимость результатов. Очевидно, что в этом случае на результаты контроля влияет количество отобранных проб. Обычно оно должно составлять не менее двух-трёх.
   Точное соблюдение методики не исключает случайных результатов-ошибок. Поэтому в случае, когда при проведении контроля одно из нескольких выполненных испытаний показывает неудовлетворительный результат, целесообразно контроль повторить. При этом количество испытаний увеличивается не менее чем в два раза.

12