Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка основ комплексной технологии производства проката новых многофазных наноструктурированных автолистовых сталей с улучшенным комплексом трудно сочетаемых служебных свойств, качественных характеристик, при снижении затрат

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:
Динамично развивающееся отечественное и мировое автомобилестроение диктует необходимость снижения массы, металлоемкости, расхода топлива, отрицательного воздействия на окружающую среду, затрат на производство, напротив, улучшение дизайна, безопасности эксплуатации автотранспортных средств. Это определяет быстрое кратное увеличение требований к комплексу трудно сочетаемых показателей прочности, пластичности, коррозионной стойкости других служебных свойств автолистовых сталей, составляющих более 60% массы автомобиля. Такие стали также необходимы для других отраслей промышленности: машиностроения, транспорта, строительства, горнодобывающей и и т.п. Наиболее перспективным направлением решения сформулированной проблемы является разработка и использование прогрессивных многофазных высокопрочных сталей. Однако производимые как в России, так и за рубежом стали такого типа, не обладают достаточным уровнем и стабильностью комплекса служебных свойств, прежде всего, из-за сложности и высокой наукоёмкости создания технологии их производства. Для достижения прогресса в этом направлении осуществляется интеграция крупнейших мировых производителей стали для автомобилестроения: JFE Steel Сorporation (Япония), Thyssen Krupp Stahl AG (Германия), SSAB (Швеция), United States Steel Corporation (США) и др. - в рамках различных инициативных программ, координируемых Комитетом по применению сталей в автомобильной промышленности (AUTOCO) Международного института чугуна и стали (International Iron and Steel Institute, IISI). Россия в этих программах не участвует, несмотря на приоритет отечественной научной школы в разработке рассматриваемых сталей и технологий их производства, которые могут быть реализованы на существующем на отечественных предприятиях оборудовании. Таким образом, важнейшей для экономики страны, особенно в условиях сложившейся геополитической ситуации, является задача разработки на основе управления формированием фазового состава, наноструктурного состояния новых многофазных автолистовых сталей с комплексом стабильных и увеличенных до 3-х раз показателей прочности (временное сопротивление – до 2000 МПа), пластичности (относительное удлинение до 40%), других служебных свойств, для изготовления элементов транспортных средств и других объектов техники. Обеспечение снижения энергетических и материальных затрат на 5-7%, металлоемкости изделий на 15-20%, повышение безопасности и ресурса эксплуатации изделий в 2-3 раза.

Основные планируемые результаты проекта:
Установлена перспективность использования процессов формирования комплексного фазового и структурного состояния, включая наноразмерные объекты, для одновременного существенного увеличения до 1,5-3 раза трудно сочетаемых показателей прочности, пластичности, коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности и других технологических, служебных свойств прогрессивных листовых автомобильных сталей, при снижении затрат до 20% на производство готовых изделий.
Для определения оптимальных режимов их реализации разработан оригинальный комплексный подход, включающий методы физико-химического моделирования и прогнозирования явлений и превращений в жидком и твердом состояниях, детальное исследование фазового состава, структурного состояния, неметаллических включений, выделений избыточных фаз с использованием современных методов электронной микроскопии, испытаний комплекса свойств металла.
Установлены закономерности влияния состава, структурного состояния, включая выделения избыточных фаз, неметаллические включения, технологических параметров обработки металла на получаемый комплекс свойств, качественных характеристик проката. Однозначно показано, что для достижения высокого комплекса свойств, кроме получения определенного фазового состава и структурного состояния, необходимо обеспечить формирование объемной системы наноразмерных выделений избыточных фаз.
На основании результатов выполненных исследований, а также моделирования процессов происходящих при обработке металла разработаны перспективные составы сталей с пластичностью, наведенной превращением (ПНП) систем легирования С-Mn-Si, С-Mn-Al, C-Mn-Si-Al, и микролегирования Ti-Nb-V; двухфазных феррито-мартенситных сталей (ФМС) систем легирования С-Mn-Cr, С-Mn-Cr-Mo микролегированные Ti-Nb-V. Установлено, что повышение содержания Mn, Si, Al позволяет значительно повысить прочность, при сохранении пластичности, путем стабилизации аустенита и увеличения доли остаточного аустенита в получаемом прокате.
С использованием полученных результатов созданы принципы создания сталей с высокими (увеличенных не менее чем в 1,5-3 раза) и стабильными трудно сочетаемыми показателями прочности (σт - 600÷1500 МПа, σв - 600÷2000 МПа ), пластичности (δ до 40%), эксплуатационной надежности (σR - 600÷1300 МПа), способности к раздаче отверстия не менее 40 %.
Выполненные разработки и полученные результаты свидетельствуют о правильности выбранного направления исследований и гарантированной возможности достижения цели работы. Возможные риски являются минимальными, что обеспечивается использованием ряда новых научных, технологических решений, не имеющих аналогов в мире. Они состоят в использовании вклада наноструктурной составляющей в получаемый комплекс свойств проката из прогрессивных высокопрочных наноструктурированных сталей в дополнение к обычно используемому механизму за счет комплексного фазового структурного состояния. Использование такого подхода позволит достичь комплекса показателей технологических, служебных свойств, качественных характеристик, разрабатываемых прогрессивных наноструктурированных сталей, в целом, не менее чем в 1,5-2 раза превышающем лучшие мировые аналоги.

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, ThyssenKrupp, VoestAlpine, ArcelorMittal и др., для разработки новых прогрессивных высокопрочных наноструктурированых сталей, других металлических материалов и технологий их производства.
Разработанные технологии будут использованы в условиях индустриального партнера - ООО «ММК», и на других предприятиях металлургического комплекса РФ ОАО «Северсталь», ОАО «НЛМК», ОАО «ОМК» для производства инновационной металлопродукции и последующего изготовления изделий на предприятиях автомобилестроения, машиностроения, в том числе, ОАО «КАМАЗ», ОАО «УАЗ», ОАО «Кран», Концерн «Тракторные заводы», а также крупнейшие мировые автоконцерны организовавшие собственные производства на территории России.
В настоящее время потребность в разрабатываемых сталях составляет не менее 20-30 тысяч тонн в год. При этом строительство новых автомобильных и машиностроительных предприятий на территории России, быстрое увеличение объема производства автотранспортных средств, предполагает постоянный рост потребности в разрабатываемых сталях к 2017-2019 г.г. составит не менее 50-80 тысяч тонн в год. Разрабатываемые технологии обладают высокой степенью новизны и патентоспособности не только в России, но и за рубежом. Возможно получение зарубежных заказов в объеме 50-60 тысяч тонн, продажа лицензий.

Текущие результаты проекта:
На основании выполненных, на текущий момент времени, работ получены следующие основные результаты.
На базе выполненного анализа современной литературы, результатов патентных исследований показана эффективность использования в автомобилестроении, машиностроении и других отраслях промышленности многофазных наноструктурированных автолистовых сталей, обладающих уникальным комплексом высоких и стабильных трудно сочетаемых показателей прочности, пластичности, эксплуатационной надежности, качественных характеристик.
Впервые установлено, что дальнейшее существенное не менее чем в 1,5 – 3 раза повышение комплекса свойств многофазных наноструктурированных автолистовых сталей может быть достигнуто при дополнительном, к обычно используемому подходу получения определенного фазового, структурного состояния металла, формировании объемной структуры наноразмерных выделений избыточных фаз. Для определения оптимальных условий и режимов одновременной реализации указанных процессов разработан оригинальный комплексный подход, включающий методы физико-химического моделирования и прогнозирования явлений и превращений в жидком и твердом состояниях, детальное исследование фазового состава, структурного состояния, неметаллических включений, выделений избыточных фаз с использованием современных методов электронной микроскопии, локального рентгеноспектрального анализа, испытаний комплекса свойств металла.
На базе полученных с использованием разработанного комплексного подхода результатов установлены требования к химическому, фазовому составам, структурному состоянию, структурной и химической однородности металла, типу, количеству, размеру и морфологии, неметаллических включений, выделений избыточных фаз, структурных составляющих, содержанию и формам присутствия примесей, обеспечивающих наиболее высокий и стабильный комплекс технологических, служебных (временное сопротивление на до 2000 МПа, относительное удлинение до 40%) свойств разрабатываемых сталей. Впервые однозначно показано определяющее влияние содержания и форм присутствия примесей, неметаллических включений, на показатели коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности, ряда других служебных свойств стали. Установлена перспективность использования для разработки сталей с пластичностью, наведенной превращением (ПНП) разработаны систем легирования С-Mn-Si, С-Mn-Al, C-Mn-Si-Al и микролегирования Ti-Nb-V; для феррито-мартенситных сталей (ФМС) систем легирования - С-Mn-Cr, С-Mn-Cr-Mo и микролегирования Ti-Nb-V, отличающихся от существующих аналогов более высоким содержанием микролегирующих элементов. Дополнительное повышение концентраций Mn, Si, Al позволяет значительно повысить прочность, при сохранении пластичности за счет стабилизации аустенита и увеличения доли остаточного аустенита в получаемом прокате. Увеличение доли мартенситной составляющей в ФМС при равномерном распределении по объему металла приводит к эффективному повышению прочности стали.
Для определения оптимальных условий и режимов обработки для получения необходимых параметров состава, структурного состояния выполнены исследования процессов на всех этапах обработки металла, а также разработаны методы физико-химического прогнозирования принципы управления типом, количеством, размером и морфологией неметаллических включений, выделений избыточных фаз, шлаковым режимом, температурно-скоростным режимом непрерывной разливки стали. Однозначно установлена взаимосвязанность процессов, происходящих при обработке стали, и необходимость корректировки параметров последующего передела по результатам выполнения предыдущего, в том числе шлакового режима в промежуточном ковше, кристаллизаторе установки непрерывной разливки стали, а также параметров нагрева заготовок в зависимости от режима ковшовой обработки стали. Показана определяющая роль ансамбля выделений избыточных фаз, в том числе наноразмерных, в формировании структурного состояния и комплекса свойств горячекатаного и холоднокатаного проката. При этом он может оказывать существенное влияние на кинетику протекающих структурных и фазовых превращений.
На основании полученных результатов и установленных закономерностей определены оптимальные концентрационные интервалы легирующих и микролегирующих элементов (масс.%): 0,1-0,4 С; 1,0-3,0 Mn; 0,1-3,0 Si, 0,5-2,0 Al; 0,1-1,0 Cr; 0,01-0,15 Nb и/или V, и/или Ti, а также требования к технологии получения горячекатаного, холоднокатаного, в том числе с покрытием проката с комплексом стабильных и увеличенных до 3-х раз показателей прочности (временное сопротивление – до 2000 МПа), пластичности (относительное удлинение до 40%), других служебных свойств, для изготовления элементов транспортных средств и других объектов техники. .
С использованием термодинамических методов анализа окисления и восстановления легирующих элементов в зависимости от параметров атмосферы и прогнозирования процессов взаимодействия разрабатываемых сталей с наносимыми защитными покрытиями установлено, что высокое содержание таких элементов как Mn, Si, Cr ухудшает адгезию цинкового покрытия за счет снижения смачиваемости на поверхности стали в результате образования оксидной пленки на основе указанных легирующих элементов.
Полученные результаты исследовательских испытаний характеристик (тип, количество, размер, морфология) неметаллических включений, выделений избыточных фаз в соответствии с разработанной Программой и методиками подтвердили адекватность разработанных методов и подходов
Индустриальным партнером – ОАО «ММК» за внебюджетные средства, произведены экспериментальные плавки, прокатка высокопрочных сталей близкого к разрабатываемым сталям химического состава, изготовлены образцы и проведено их испытание. Полученные результаты, позволили определить приоритетные направления дальнейших исследований, обосновать необходимость разработки новых прогрессивных высокопрочных наноструктурированых сталей.
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) – 0 (требование ТЗ – не менее 0);
- 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 – 52,3 % (требование ТЗ – не менее 34,2%);
- Объем привлеченных внебюджетных средств – 10,8 млн. руб. (требование ТЗ – не менее 10,8 млн. руб.);
- Средний возраст исследователей – участников проекта – 45 лет, (требование ТЗ – не более 47 лет);
- Использование при выполнении ПНИ уникальных научных установок – 1 единица (требование ТЗ – не менее 1 единицы).