Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка основ комплексной технологии производства новых высокопрочных сталей для изготовления ответственных деталей и узлов транспортной, строительной, горнодобывающей и других видов техники прогрессивными методами горячей штамповки, обеспечивающих увеличение эффективности и ресурса эксплуатации до 3 раз при общем снижении затрат и металлоемкости до 20%

Докладчик: Зайцев Александр Иванович

Должность: директор Центра физической химии, материаловедения, биметаллов и специальных видов коррозии, директор Центра физической химии, материаловедения, биметаллов и специальных видов коррозии, директор Центра физической химии, материаловедения, биметаллов и специальных видов коррозии, Директор Центра физической химии, материаловедения, биметаллов и специальных видов коррозии , директор

Цель проекта:
Создание новых высокоэффективных объектов транспортной, инженерной, грузоподъемной, горнодобывающей, и других видов техники неизбежно приводит к увеличению нагрузок на рабочие узлы и детали. Это, при законодательном требовании снижения материальных, энергетических затрат, металлоемкости изделий, делает необходимым прорывное повышение прочностных характеристик, коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности сталей, используемых для их изготовления. Повышение прочности стали, как правило, приводит к катастрофическому снижению пластичности, что осложняет или делает не возможным изготовление деталей сложной формы. Наиболее эффективным в техническом и экономическом отношении путем решения сформулированной проблемы является использование методов горячей штамповки совмещенных с закалкой, что позволяет из относительно мало прочных сталей в едином производительном процессе получать высокопрочные изделия и детали. Однако, существующие в настоящее время в России и за рубежом стали не позволяют достигать высокого комплекса показателей коррозионной стойкости, прочностных и других служебных свойств готовых изделий. Поэтому одной из важных для экономики страны задач, требующей безотлагательного решения является разработка комплексной технологии производства горячекатаного, холоднокатаного и холоднокатаного покрытого проката из новых высокопрочных сталей и изготовления прогрессивными методами горячей штамповки ответственных деталей транспортной, строительной, горнодобывающей и других видов техники с уникальным сочетанием увеличенных до 3 раз показателей прочностных характеристик (временное сопротивление – до 2200 Н/мм2, предел текучести – до 1900 Н/мм2), хладостойкости (ударная вязкость KCU-60°C - более 98 Дж/см2), коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности, при высокой пластичности, технологичности, свариваемости, снижении массы, металлоемкости, общих затрат на производство до 20%.

Основные планируемые результаты проекта:
Показано, что благодаря штамповке при повышенных температурах, получаемой мартенситной микроструктуре, уменьшенному упругому последействию, из листового проката могут быть изготовлены более тонкие и более сложные детали с высокой удельной прочностью, геометрической точностью, увеличенной эффективностью и ресурсом эксплуатации, при снижении затрат, металлоемкости. Особенность явлений и превращений при горячей штамповке определяется совмещением пластической деформации и закалки после получения аустенитной структуры стали при нагреве, что блокирует протекание перераспределения атомов компонентов, рекристаллизации.
Разработаны принципы создания химического состава и эффективной сквозной технологии производства, которые обеспечивают одновременное получение высоких показателей горячей пластичности, закаливаемости и прокаливаемости стали. Впервые, однозначно показано, что для достижения прорывного увеличения комплекса свойств металла готовых изделий, необходимо, кроме обычно применяемого структурного упорядочения, использовать другие механизмов упрочнения, контролируемые выделениями избыточных фаз. Для этого необходима высокая степень стабилизации аустенита, обеспечивающая протекание мартенситного превращения при достаточно низких скоростях охлаждения при одновременном формирование объемной системы наноразмерных выделений избыточных фаз.
На основании сформулированных принципов и оригинальных методов стабилизации аустенита разработаны требования к составу, сквозной технологии производства проката сталей закаливаемых при штамповке для получения необходимого структурного состояния и увеличенных до 3 раз показателей комплекса свойств металла готовых изделий.
Однозначно установлено определяющее влияние неметаллических включений, выделений избыточных фаз на коррозионную стойкость, прокаливаемость, горячую пластичность, прочность стали. Ранее, возможность такого влияния, как правило, игнорировали. Разработаны три типа перспективных составов сталей систем легирования С-Mn-Cr-Ni-Mo и микролегирования Ti-Nb-V.
Разработаны оригинальные физико-химические методы прогнозирования и эффективные технологические приемы управления характеристиками неметаллических включений, выделений избыточных фаз, структурных составляющих, форм присутствия примесей при обработке стали. С их использованием, а также дополнительно найденных данных о термодинамических, физико-химических параметрах, впервые, определены условия и режимы обработки стали, исключающие образование неблагоприятных типов неметаллических включений, и, напротив, стимулирующие формирование наноразмерных выделений избыточных фаз, которые контролируют достижение увеличенных до 3 раз показателей коррозионной стойкости, прочности (временное сопротивление – до 2200 Н/мм2), ударной вязкости (KCU-60°C - более 98 Дж/см2) и других служебных свойств металла готовых изделий, при снижении затрат, массы, металлоемкости до 20%.
Таким образом, выполненные разработки и полученные результаты свидетельствуют о правильности выбранного направления исследований, гарантированной возможности достижения поставленной цели проекта по созданию комплексной технологии производства проката новых экономнолегированных высокопрочных сталей и изготовления прогрессивными методами горячей штамповки ответственных узлов и деталей с комплексом увеличенных до 3 раз показателей прочности (временное сопротивление до 2200 Н/мм2), коррозионной стойкости, хладостойкости, эксплуатационной надежности, других служебных свойств для различных видов техники, в том числе эксплуатируемых в сложных природно-климатических условиях, при снижении массы, металлоемкости, общих затрат на производство до 20%. Возможные риски являются минимальными, что обеспечивается рядом новых научных, технологических решений, не имеющих аналогов в мире. Прежде всего, они состоят, в использовании, кроме традиционно применяемого подхода закалки, как правило, средне- и высокоуглеродистых сталей, на мартенситную структуру, дополнительных механизмов упрочнения стали, контролируемых объемными системами наноразмерных выделений избыточных фаз. При этом, для стабилизации аустенита будут использованы разработанные оригинальные системы легирования при снижении содержания углерода (не более 0,3%, низкоуглеродистый мартенсит), что, кроме повышения прочности, обеспечит хорошую технологичность, свариваемость стали. Не менее оригинальными являются методы увеличения закаливаемости, прокаливаемости, горячей пластичности, хладостойкости, коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности стали, основанные на управлении неметаллическими включениями, выделениями избыточных фаз, содержанием и формами присутствия примесей. Именно, использование указанных подходов позволит достичь показателей технологических, служебных свойств, качественных характеристик металла готовых изделий до 3 раз превышающих характеристики лучших мировых аналогов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты выполненных исследований, будут иметь большое значение для развития, как фундаментальных, так и прикладных областей науки, многих отраслей техники, промышленности. Получаемые фундаментальные знания найдут широкое использование во многих российских и зарубежных университетах, научных центрах, в том числе МГУ им. М.В.Ломоносова, ИМЕТ РАН, НИТУ МИСиС, МВТУ им Н.Э. Баумана, ЦНИИ КМ «Прометей» ФТИ НАН Б, Уханьский университет науки и технологии, Arcelor Mitteal и др., для разработки новых высокопрочных закаливаемых при штамповке сталей. Результаты моделирования и расчетов металлургических процессов, а также экспериментальных исследований будут использованы в образовательном процессе, в том числе, для чтения лекций по химической термодинамике материалов, физической химии металлургических процессов, материаловедению в МГУ им. М.В. Ломоносова, ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», для курсов повышения квалификации специалистов ОАО «Северсталь», ОАО «ММК».
Разработанные технологии будут использованы в условиях индустриального партнера - ОАО «Северсталь», на других предприятиях металлургического комплекса РФ для производства проката новых закаливаемых при штамповке сталей, который будет использоваться на предприятиях автомобилестроения, машиностроения, в том числе, ОАО «КАМАЗ», ОАО «УАЗ», группа компаний «ИНСАЮР», ОАО «Кран», Концерн «Тракторные заводы», новые сборочные заводы, для изготовления ответственных деталей различных объектов техники, в том числе эксплуатируемой в сложных природно-климатических условиях, с повышенным в 2-3 раза сроком службы при снижении массы, металлоемкости, общих затрат на производство до 20%. Суммарная потребность в разрабатываемых сталях в настоящее время составляет не менее 50-70 тысяч тонн (2 млрд. руб.) в год, быстро возрастает и к 2017-2019 г.г. составит не менее 200-250 тысяч тонн (более 7 млрд. руб.) в год. За счет повышения комплекса свойств и экономичности стали возможно дополнительное расширение сферы потребления до 350 тысяч тонн в год. Разрабатываемые технологии и стали обладают высокой патентоспособностью и конкурентоспособность на внутреннем и мировом рынках. Возможно получение большого объема заказов от зарубежных потребителей до 200-250 тысяч тонн в год.

Текущие результаты проекта:
На основании выполненных, на текущий момент времени, работ получены следующие основные результаты.
По результатам анализа современной литературы, патентных исследований установлена высокая перспективность разработки и использования новых высокопрочных сталей для изготовления ответственных деталей и узлов транспортной, строительной, горнодобывающей и других видов техники прогрессивными методами горячей штамповки.
Показано, что благодаря штамповке при повышенных температурах, получаемой мартенситной микроструктуре, уменьшенному упругому последействию, из относительно мало прочного листового проката могут быть изготовлены более тонкие и более сложные детали с высокой удельной прочностью, геометрической точностью, увеличенной эффективностью и ресурсом эксплуатации при снижении затрат и металлоемкости.
Показано, что ключевая особенность явлений и превращений при горячей штамповке обусловлена совмещением процессов пластической деформации и закалки после аустенизации стали и состоит в блокировании возможности перераспределения атомов компонентов, протекания рекристаллизации после деформации металла.
Разработаны принципы создания химического состава и сквозной технологии производства проката высокопрочных хорошо свариваемых сталей, которые обеспечивают одновременное получение высоких показателей их горячей пластичности, закаливаемости и прокаливаемости. Впервые, однозначно показано, что для достижения прорывного увеличения комплекса свойств металла готовых изделий, необходимо, кроме обычно применяемого структурного упорядочения, использовать другие механизмов упрочнения, контролируемые выделениями избыточных фаз. Для этого аустенит должен быть стабилизирован в достаточной степени, чтобы мартенситное превращение происходило при достаточно низких скоростях охлаждения, обеспечивающих одновременное формирование объемной системы наноразмерных выделений избыточных фаз и достижение необходимого комплекса свойств металла.
На основании сформулированного оригинального подхода разработаны требования к составу, характеристикам структурного состояния, неметаллических включений, выделений избыточных фаз, форм присутствия примесей для прорывного увеличения до 3 раз комплекса свойств металла готовых изделий. Однозначно установлено определяющее влияние неметаллических включений, выделений избыточных фаз на коррозионную стойкость, прокаливаемость, горячую пластичность, прочность стали. Ранее, возможность такого влияния, как правило, игнорировали. Разработаны перспективные составы сталей систем легирования С-Mn-Cr-Ni-Mo и микролегирования Ti-Nb-V, а именно: С-Mn-Cr-В-Ti-Nb-V, С-Mn-Mo-Nb, C-Mn-Cr-Ni-Ti-Nb-V.
Разработаны оригинальные физико-химические методы прогнозирования и эффективные технологические приемы управления характеристиками неметаллических включений, выделений избыточных фаз, структурных составляющих, форм присутствия примесей при обработке стали. С их использованием, впервые, определены условия и режимы обработки металла, исключению образования неблагоприятных типов неметаллических включений, и, напротив, стимулирующих формирование наноразмерных выделений избыточных фаз, контролирующих достижение увеличенного до 3 раз комплекса служебных свойств стали, при снижении затрат.
С использованием оригинальных расчетных и экспериментальных методов выполнено определение ряда фундаментальных термодинамических, физико-химических, кинетических параметров необходимых для адекватной трактовки процессов, происходящих на всех этапах обработки сталей закаливаемых при штамповке.
Индустриальным партнером – ОАО «Северсталь» за внебюджетные средства произведена модернизация оборудования, технологическая подготовка производства и проведены экспериментальные плавки сталей с определением допустимых содержаний неметаллических включений, примесных элементов и отработкой технологических приемов их достижения. Изготовлены образцы горячекатаного и холоднокатаного проката и проведено их испытание. Полученные результаты, в том числе, подтвердили адекватность поставленной задачи ограничения содержания определенных типов неметаллических включений, необходимости контроля содержания и, прежде всего, форм присутствия примесей.
Достигнуты следующие значения индикаторов и показателей результативности реализации проекта:
- Число публикаций по результатам исследований и разработок в научных журналах, индексируемых в базе данных Scopus или в базе данных "Сеть науки" (WEB of Science) – 1 (требование ТЗ – не менее 1);
- Число патентных заявок, поданных по результатам исследований и разработок - 0 (требование ТЗ – не менее 0);
- Доля исследователей в возрасте до 39 лет в общей численности исследователей - участников проекта - 51,4% (требование ТЗ – не менее 34,2%);
- Средний возраст исследователей – участников проекта - 44 года, (требование ТЗ – не более 47 лет);
- Использование при выполнении ПНИ уникальных научных установок – 1 единица (требование ТЗ – не менее 1 единицы).