Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка основ комплексной технологии получения методами наплавки новых слоистых конструкционных металлических материалов с уникальным комплексом трудно сочетаемых свойств, обеспечивающих увеличение эффективности и ресурса безаварийной и безремонтной эксплуатации технических средств магистралей высокоскоростного железнодорожного транспорта, изделий нефтегазохимии до 3-5 раз, при общем снижении затрат, металлоемкости, улучшении экологии.

Докладчик: Родионова Ирина Гавриловна

Должность: Заместитель директора ЦФМК, Заместитель директора ЦФМК, заместитель директора

Цель проекта:
Быстрое развитие скоростного и высокоскоростного железнодорожного движения в РФ требует создания надежных транспортных систем на основе использования принципиально новых материалов с прорывным повышением показателей коррозионной стойкости, износостойкости, эксплуатационной надежности, долговечности, механических и других служебных свойств, качественных характеристик. Одним из таких важнейших направлений является обеспечение гарантированной безаварийной и безремонтной эксплуатации пролетных строений железнодорожных мостов, сооружаемых в настоящее время с использованием наиболее прогрессивных металлоконструкций с балластным корытом. Пролетные строения выполняются как в обычном, так и в северном исполнении и устанавливаются как на прямых, так и на кривых с радиусом от 600 м и более участках пути и могут использоваться в районах с расчетной сейсмичностью 7 - 9 баллов. В то же время, достаточно сложная конструкция требует постоянного мониторинга (периодические экспертизы и контроль различными методами) состояния работоспособности и дальнейшей выдачи заключений о техническом состоянии. Это вызвано тем, что в процессе эксплуатации в различных климатических зонах конструкции подвергаются одновременному воздействию двух основных видов разрушения, а именно абразивному износу (вследствие трения щебня) и коррозионному воздействию окружающей среды. Для защиты от коррозии и повышения срока эксплуатации в настоящее время используют защитные лакокрасочные покрытия на основе разных импортных и отечественных материалов с гарантированным сроком эксплуатации от 4-х до 15 лет. Технология их нанесения является предельно сложной, трудоемкой, требует тщательной подготовки или металлизации поверхности и, как правило, производится в два или три приема с промежуточными просушками и соблюдением жестких требований к температуре окружающей среды, металлу защищаемой конструкции, относительной влажности воздуха и обезжиренной поверхности. Еще бóльшую проблему представляет защита сварных соединений, околошовной зоны, а также вертикальных стен конструкций. Рассматриваемые покрытия, как правило, предназначены для эксплуатации в климатических зонах с температурой окружающего воздуха не ниже минус 30 °С, что далеко не перекрывает природно-климатические зоны РФ. В настоящее время для указанных целей в России применяется более 50 разных наименований защитных покрытий с толщиной слоя от 100 мкм до 6-8 мм. При этом наиболее часто используемыми являются дорогостоящие лакокрасочные изделия иностранного производства, такие как SIKA, Amercoat, WILCKENS и т.п. Не менее значимые дополнительные затраты связаны с необходимостью проведения большого объема дорожно-строительных работ и остановки движения транспорта, что связано с низки сроком безаварийной эксплуатации изделий с указанными покрытиями в рассматриваемых условиях эксплуатации. Наиболее перспективным решением проблемы повышения эксплуатационной надежности конструкций пролетных строений железнодорожных мостов является использование двухслойных сталей с основным слоем из высокопрочной конструкционной стали и плакирующим слоем из многофункциональной стали с повышенной коррозионной стойкостью и износостойкостью. Однако в настоящее время для этих целей опробовано только использование двухслойных сталей с основным слоем из стали марки 09Г2С и плакирующим слоем из стали марки 08Х18Н10Т, которые, с одной стороны уступают по прочности сталям остальной конструкции, а с другой - являются слишком дорогостоящими, а следовательно, неоправданными с экономической точки зрения. Таким образом, быстрое развитие скоростного и высокоскоростного железнодорожного движения в РФ требует использования современных материалов и создания надежных конструкций с длительным сроком безаварийной эксплуатации до 100 лет, при условии минимальных временных и материальных затрат на диагностику состояния и возможный последующий ремонт. Поэтому проблема разработки и использования принципиально новых материалов является открытой и весьма актуальной. Цели реализуемых ПНИ: 1. Разработка высокоэффективных, экономичных (при общем снижении металлоемкости и затрат на производство не менее чем на 30%) способов получения методами наплавки новых слоистых конструкционных металлических материалов, отличающихся недостижимым в монометаллах уникальным сочетанием показателей прочности, пластичности, коррозионной стойкости, износостойкости, качества соединения слоев и сварных соединений, долговечности (увеличенными в совокупности не менее чем в 1,5 раза), предназначенных для применения в изделиях нефтегазохимии и высокоскоростного транспорта, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, в том числе, в агрессивных средах. 2 Увеличение в 3-5 раз ресурса безаварийной и безремонтной эксплуатации (до 100 лет) в сложных природно-климатических условиях и широком температурном интервале от минус 60 до плюс 50 °С балластных корыт мостовых конструкций и других технических сооружений магистралей высокоскоростного железнодорожного транспорта, при снижении объема ремонтных работ – не менее чем на 30-40%, отрицательного воздействия на окружающую среду. Реализация проекта позволит создать принципиально новые слоистые металлические материалы на основании многолетнего накопленного опыта и современных технических возможностей с сочетанием высоких показателей прочности, коррозионной стойкости, износостойкости при экономичных и производительных способах их производства, а в дальнейшем - освоить эффективные технологии производства таких материалов в промышленных объемах. Это позволит решить проблему импортозамещения (отказаться от материалов, применяемых для защиты от коррозионного воздействия и абразивного износа) и существенно расширить области применения слоистых материалов нового поколения в различных отраслях промышленности за счет получения качественно нового сочетания служебных свойств композита и его стоимости.

Основные планируемые результаты проекта:
Планируемые результаты проекта сводятся к следующему.
Обоснование и выбор системы легирования, материала металлической подложки конструкционного металлического материала. Установление возможностей и механизмов упрочнения для стали металлической подложки выбранного состава, обеспечивающих полный комплекс требуемых свойств. Все теоретические исследования будут проведены на основании сформулированных и разработанных термодинамических, физико-химических принципов выбора фазового состава, структурного состояния металлической подложки, прогнозирования различных диффузионных процессов в металле слоев и в переходной зоне для обеспечения необходимых показателей прочности, хладостойкости, повышения эксплуатационных характеристик, высокого качества соединения слоев и т.д. Планируется, что выбор перспективного направления обеспечения требуемого комплекса свойств за счет наноструктурирования, формирования выделений избыточных фаз оптимальной морфологии позволит обеспечить прорывной комплекс свойств стали металлической подложки создаваемого композита. Будут получены экспериментальные образцы металлической подложки опытных составов (в рамках выбранного диапазона легирования) и проведены всесторонние исследования и масштабные испытания для подтверждения правильности и эффективности выбранного направления решения задачи.
Всесторонняя оценка, обоснование и выбор системы легирования наплавляемого материала, отвечающего за обеспечение требований по коррозионной стойкости и износостойкости при заданном уровне механических свойств и технологии получения слоистого металлического материала. Будет определена возможность химической и технологической совместимости с материалом металлической подложки и установлена возможность образования бездефектного качественного соединения. Создание новых систем экономного легирования для наплавляемого слоя должно позволить осуществить дальнейшее наноструктурирование наплавленного слоя в процессе температурно-деформационной обработки слоистого композита, что обеспечит достижение необходимой износостойкости. Планируется, что полученные результаты позволят достичь не только значительного увеличения (в 3-5 раз) срока безаварийной и безремонтной эксплуатации мостостроительных конструкций, но и многократно снизить расходы на их изготовление, при оптимизации соответствующих технологий наплавки.
Обоснование и выбор способа получения слоистого металлического материала. Будут проанализированы возможные способы получения слоистых металлических материалов наплавкой и выбрана оптимальная технология получения, которая должна обеспечить высокую прочность соединения слоев с учетом возможного образования хрупких прослоек и возникновения напряжений из-за разности коэффициентов линейного расширения материалов, входящих в композицию. Для создаваемых новых слоистых материалов будет разработана сквозная технология их производства, которая должна обеспечивать необходимую конструктивную прочность и технологичность, а также гарантировать высокую свариваемость. Потребуется создать условия для дополнительного рафинирования наплавляемого слоя от вредных примесей и неметаллических включений для значительного повышения ее коррозионной стойкости.
Получение образцов слоистого металлического материала наплавкой и проведение всесторонних исследований композита, исходя из специфических свойств каждого и их реакций на технологические параметры возможного промышленного передела. Испытанию будут подвергнуты не только полученные наплавкой образцы слоистых материалов, но также образцы их сварных соединений, что позволит оценить их свариваемость и технологичность при изготовлении сварных конструкций. В работе потребуется проведение исследований, связанных с обоснованием и выбором сварочных материалов и разработкой технологий и рекомендаций по сварке различными способами.
Планируется провести обработку и всесторонний анализ результатов испытаний для оценки комплекса свойств, технологических особенностей производства и оценки возможного промышленного освоения технологии.
В результате выполнения проекта должны быть получены принципиально новые слоистые материалы, подтверждены их качественные характеристики и определена возможность создания надежных сварных конструкций сооружений высокоскоростного транспорта и других отраслей.
Будет проведено сопоставление полученных характеристик новых слоистых материалов с материалами, применяемыми в различных отраслях промышленности, в том числе, за рубежом, и определена возможность их применения и использования взамен устаревших и не отвечающих современным требованиям материалов.
Возможно, потребуется проведение дополнительных и специфических испытаний, таких как усталостная прочность, склонность к наводораживанию, текучесть при повышенных температурах и т.д. для расширения областей их применения.
В результате ПНИ будут разработаны следующие лабораторные технологические регламенты для получения экспериментальных образцов:
- Лабораторный технологический регламент получения металла наплавленного слоя;
- Лабораторный технологический регламент получения металлической подложки в виде заготовок и проката основного слоя для последующего наплавления слоя металла;
- Лабораторный технологический регламент получения методом наплавки двухслойных и многослойных конструкционных металлических материалов в виде заготовок, обеспечивающий предельно высокую прочность, сплошность соединения слоев;
- Лабораторный технологический регламент горячей прокатки двухслойных и многослойных заготовок.
На экспериментальных образцах сталей, полученных в соответствии с разработанными технологическими регламентами, будут проведены исследовательские испытания с целью подтверждения достижения запланированных показателей. Это позволит разработать рекомендации по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики.
Принципиальная новизна применявшихся методик и решений заключается в разработке и использовании методов физико-химического прогнозирования характеристик выделений избыточных фаз, структурных составляющих, в том числе, наноразмерных, диффузионного образования хрупких прослоек, возникновения внутренних напряжений, а также типа, количества, размера и морфологии неметаллических включений, содержания и форм присутствия примесей при производстве материалов слоев и многослойных композиций. Эти методы имеют и самостоятельное научное значение и могут быть использованы в дальнейшем, в том числе, для разработки новых сталей. Кроме того, именно на их основе можно выбрать адекватные методы экспериментальных исследований и испытаний, разработать требования к химическому составу разрабатываемых слоистых материалов и к способам их получения.
Анализ работ в области создания слоистых конструкционных металлических материалов, отличающихся недостижимым в монометаллах уникальным сочетанием показателей прочности, пластичности, коррозионной стойкости, износостойкости, качества соединения слоев и сварных соединений, показал, что материалы с заявленным комплексом показателей основного и плакирующего слоев и слоистого материала в целом в настоящее время не производятся. Представленная в литературе информация касается коррозионностойких слоистых материалов с более низкой прочностью основного слоя и с более низкой износостойкостью плакирующего слоя. Комплекс методов, предусмотренных для решения задач данной работы, ее направленность на увеличение эффективности и ресурса безаварийной и безремонтной эксплуатации технических средств магистралей высокоскоростного железнодорожного транспорта, изделий нефтегазохимии, а также комплекс заявленных показателей разрабатываемых материалов свидетельствует, что планируемые результаты ПНИ, а также подходы к их достижению превышают уровень мировых аналогов.
Полученные на данный момент результаты свидетельствуют о правильности выбранного направления исследований для достижения целей ПНИ. Получение экспериментальных образцов металла наплавленного слоя, металлической подложки в виде заготовок и проката основного слоя, двухслойных и многослойных конструкционных металлических материалов в виде заготовок и их исследовательские испытания будут проведены в рамках следующих этапов работы. По результатам испытаний будут уточнены требования к оптимальным параметрам химического состава и технологии, технологическим параметрам получения, которые в дальнейшем могут быть использованы для освоения промышленных технологий производства высококачественных слоистых материалов.
Использование современных методов теоретического и экспериментального исследования, положительный опыт предыдущих работ участников проекта по разработке новых видов высококачественных сталей свидетельствуют о том, что возможные риски являются минимальными.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Выполнение работы даст возможность создать принципиально новые слоистые металлические материалы, обладающие повышенным ресурсом эксплуатации (в 3-5 раз) в сложных природно-климатических условиях и широком температурном интервале от минус 60 до плюс 50 °С при снижении материальных и энергетических затрат на производство и эксплуатацию на 25-30%, объема ремонтных работ – не менее чем на 30-40%, отрицательного воздействия на окружающую среду.
Результаты выполненных исследований будут востребованы крупнейшими предприятиями металлургического комплекса, в том числе, ОАО «Северсталь», ЗАО «ВМЗ «Красный Октябрь», а также индустриальным партнером ООО «Битруб-Интернэшнл» за счет возможности освоения производства и увеличения объемов продаж новых видов продукции, основываясь на разработанных в результате проведения ПНИ лабораторных регламентах и предложениях для промышленного производства, использовании результатов ПНИ в реальном секторе экономики.
Освоение производства новых видов слоистых металлических материалов найдет применение на основных предприятиях, специализирующихся на изготовлении конструкций для создания магистралей высокоскоростного транспорта, а именно: ЗАО «Вострсибтранспроект» (около 7000 т в год), ООО «Мостострой-12» (около 300 т в год), ООО «Тюменьстальмост» (около 25000 т в год), ОАО «Курганстальмост» (около 15000 т в год), ОАО «Мостотрест» (около 10000 т) и т.д.
Следует отметить, что новые слоистые металлические материалы найдут применение не только для технических сооружений магистралей железнодорожного транспорта, но и для объектов нефтегазохимической отрасли. Это связано с тем, что при создании объектов нефтегазохимии за последние 30 лет не произошло существенного обновления материального исполнения оборудования. Разрабатываемый новый слоистый материал может быть применен для изготовления нефтегазохимического оборудования на машиностроительных предприятиях РФ, к примеру, взамен двухслойной стали марки 09Г2С+08Х13, широко применяемой для изготовления теплообменных аппаратов в объемах не менее 3000 т в год.
Разрабатываемый новый слоистый материал обладает высокой степенью новизны и патентоспособности на мировом уровне.

Текущие результаты проекта:
В настоящее время получены следующие основные результаты.
Проведенный анализ литературных данных (64 источника, из них 31 опубликован не ранее 2009 года) и патентных исследований показал недостаточный уровень технологических и эксплуатационных свойств современных слоистых материалов, используемых в нефтегазохимии и технических средствах магистралей высокоскоростного железнодорожного транспорта, применяемых в РФ. В связи с этим установлена перспективность и эффективность создания новых слоистых конструкционных металлических материалов. Показано, что наиболее перспективными направлениями разработки коррозионностойких сталей с повышенной износостойкостью, которые могут быть использованы для плакирующего слоя новых слоистых материалов, являются мартенситно-аустенитные хромомарганцевые стали. Их прочность и износостойкость достигается за счет высоких механических свойств мартенситной фазы и, в некоторых случаях, за счет дисперсионного упрочнения. Кроме того, присутствие в стали остаточного аустенита, обладающего повышенной вязкостью, является важным фактором повышения надежности таких сталей.
Установлено, что для создаваемого нового слоистого материала необходимо обеспечить повышение прочностных характеристик стали основного слоя до уровня временного сопротивления не менее 1000 Н/мм2 вместо 600 Н/мм2 для используемых в настоящее время материалов. Показано, что это может быть достигнуто за счет дополнительного легирования и микролегирования с целью обеспечения возможности реализации различных механизмов упрочнения, в том числе, за счет выделения избыточных фаз оптимальной морфологии. На базе разработанных физико-химических методов управления выделениями избыточных фаз, структурными составляющими, в том числе, наноразмерными, разработаны и обоснованы эффективные технологические приемы достижения требуемых свойств и технологичности в процессе производства, в том числе, свариваемости стали металлической подложки - диапазон содержания основных и легирующих элементов, а также технологических параметров их получения.
Также разработаны экономные системы легирования материала наплавленного слоя с целью обеспечения высоких показателей технологических и служебных свойств, включая коррозионную стойкость и износостойкость. Показано, что уникальные показатели износостойкости аустенитно-мартенситных сталей достигаются за счет превращения остаточного аустенита в мартенсит деформации под нагрузкой. При этом процессе не только упрочняются нагруженные участки, но и поглощается часть механической энергии воздействия контртела. Кроме того, присутствующие и в мартенситной и в аустенитной структуре дисперсные частицы карбонитридов ниобия и хрома оказывают противодействие частицам абразива. Достижение уникального комплекса свойств наплавленного слоя (коррозионная стойкость, износостойкость, прочность) будет осуществлено благодаря комплексному подходу к созданию сквозной технологии производства слоистых материалов с использованием новых методов управления выделением избыточных фаз и структурными превращениями.
Проведенный анализ возможных способов получения слоистых металлических материалов показал, что оптимальным вариантом решения задачи является получение слоистого металлического материала и его свойств в процессе производства методом электрошлаковой наплавки с последующей прокаткой и термообработкой, как самого высокопроизводительного и экологически приемлемого способа производства. Только при данном способе возможно получать металл в наплавленном слое с высокими значениями плотности, физической и химической однородности, изотропности свойств, отличающийся высоким уровнем чистоты по примесям и мелкодисперсным строением, при гарантированном качестве соединения слоев.
Проведен анализ физико-химических процессов, протекающих при выбранном способе производства слоистых металлических материалов. Установлено и показано, что основными процессами являются:
- поглощение шлаком газов из атмосферы и выделение из шлака в атмосферу испаряющихся компонентов шлаковой композиции, газообразных продуктов реакции шлака с металлом (фторидов, сернистых соединений и др.);
- взаимодействие нагретого твердого наплавляемого металла (электрода в виде сортового или плоского проката) с газовой атмосферой, формирующейся над поверхностью шлаковой ванны из воздуха и продуктов реакций в шлаке;
- взаимодействие расплава металла, стекающего с поверхности плавящегося электрода, со шлаком;
- взаимодействие электродных капель металла со шлаком;
- растворение электродных капель в расплаве металлической ванны;
- взаимодействие поверхности металлической ванны со шлаком.
Методами физико-химического моделирования процессов при наплавке показано, что повышение основности шлака приводит к более полной десульфурации стали, а также снижает выделение из шлака в атмосферу испаряющихся компонентов шлака, в том числе, фторидов. Высокоосновный флюс марки АНФ-29 является наиболее благоприятным для ЭШН с точки зрения обеспечения десульфурации и формирования качественной поверхности наплавленного слоя, а также с точки зрения экологии.
В результате проведенных исследований определены условия химической совместимости материалов соединяемых слоев, а также особенностей процессов, протекающих при соединении материалов. Установлена принципиальная возможность получения и определены условия создания бездефектного соединения сталей металлической подложки и наплавленного слоя выбранных химических составов, в том числе, отсутствие холодных и горячих трещин.
Установлены особенности процессов, протекающих при соединении материалов выбранным для решения задачи способом, в том числе, закономерности изменения состава наплавляемых материалов. Показано, что в области зоны сплавления металлической подложки и наплавляемого металла возникают сложные диффузионные процессы, стремящиеся привести к минимуму свободную энергию всей разнолегированной системы сплавов, в которых участвуют атомы различных элементов. Определяющее значение для свойств и работоспособности получаемых слоистых металлических материалов имеет перемещение углерода через зону сплавления. Перемещение углерода приводит к образованию в углеродистой стали обезуглероженной бесперлитной зоны, выполняющей роль металлической подложки, и примыкающей к ней науглероженной зоны, которая в зависимости от состава этой части и условий наплавки может быть мартенситной, мартенситно-аустенитной, аустенитно-карбидной.
Разработанные оригинальные физико-химические методы прогнозирования характеристик выделений избыточных фаз, структурных составляющих, в том числе, наноразмерных, были использованы для разработки рекомендаций по химическому составу и технологическим параметрам получения металла основного слоя с целью достижения высоких показателей прочности и пластичности материала металлической подложки (основного слоя). Показано, что наибольшего измельчения структуры можно достичь путем создания условий для формирования в процессе горячей прокатки выделений избыточных фаз субмикронных размеров, в основном, 0,1-0,6 мкм. Их образование приводит к торможению процессов рекристаллизации горячекатаного проката, к соответствующему измельчению зерна аустенита, наследуемого в конечной структуре. Показано, что к таким частицам относятся не только традиционно используемые для этих целей выделения карбонитрида ниобия, но и сульфида марганца, что требует определенного содержания серы в стали: 0,005-0,015%. Очевидно, что в случае реализации механизма упрочнения, связанного с формированием частиц сульфида марганца, содержание в стали ниобия может быть уменьшено.
Особый интерес вызывают результаты разработки и использования оригинальных физико-химических методов прогнозирования типа, количества, размера и морфологии неметаллических включений, содержания и форм присутствия примесей при производстве материалов слоев и многослойных композиций. Применительно к сталям основного слоя разработаны технологические приемы, направленные на снижение загрязненности стали неметаллическими включениями при раскислении стали алюминием, касающиеся оптимизации масс присадок, вводимых для раскисления, а также для формирования покровного шлака. Для повышения комплекса свойств показана возможность управления формами присутствия такой важной примеси как фосфор в сталях, легированных марганцем и кремнием, то есть, в сталях, которые могут быть использованы для основного слоя. В сталях с повышенным содержанием марганца возможно образование его сегрегаций на границах аустенитных зерен с последующим формированием на них сегрегаций фосфора. Этот процесс приводит к охрупчиванию стали, а также к снижению прочности (из-за снижения концентрации фосфора в теле зерна). Установлено, что предупредить указанный процесс можно, ограничив содержание в стали марганца – не более 1,3%, а также оптимизировав режимы высокотемпературного нагрева, в том числе, под прокатку.
Полученные в рамках выполнения данного этапа результаты будут использованы для разработки лабораторных технологических регламентов на получение экспериментальных образцов каждого из слоев и слоистого материала в целом.
За счет привлечения внебюджетных средств индустриальный партнер ООО «Битруб-Интернешнл» осуществил производство слоистых металлических материалов со слоями из сталей с различным содержанием примесей, произвел отбор проб для исследований влияния примесей на показатели качества соединения слоев. Результаты исследования предоставленных проб позволили установить тип примесей, которые могут влиять на эксплуатационные свойства, и выявили необходимость создания условий для максимального снижения их содержания при создании новых слоистых материалов.
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 Соглашения – не менее 1);
- Число патентных заявок, поданных по результатам исследований и разработок - 0 (требование Соглашения – 0);
- Доля исследователей в возрасте до 39 лет в общей численности исследователей - участников проекта – не менее 34,2% (требование Соглашения – не менее 34,2%);
- Объем привлеченных внебюджетных средств – 1,625 млн руб. (требование Соглашения – не менее 1,625 млн руб.);
- Средний возраст исследователей – участников проекта – не более 47 лет, (требование Соглашения – не более 47 лет);
- Использование при выполнении ПНИ уникальных научных установок – 1 единица (требование Соглашения – не менее 1 единицы).