Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка научных и технологических аспектов производства бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей

Докладчик: Токовой Олег Кириллович

Должность: профессор кафедры "Физическая химия", профессор кафедры "Физическая химия"

Цель проекта:
1. В последние годы все отчетливее проявляется тенденция ограничения применения свинца и ряда других легкоплавких элементов для легирования стали с целью повышения эффективности ее механической обработки при последующем переделе. С одной стороны, это обусловлено низким и в то же время нестабильным усвоением, а также неравномерным распределением отмеченных легирующих компонентов в теле слитка, что затрудняет гарантированное получение требуемых свойств металла от плавки к плавке и требует реализации сложных технических решений на производстве. С другой стороны, в настоящее время все чаще заостряется внимание на экологических проблемах и неблагоприятных санитарно-гигиенических условиях труда, которыми сопровождается процесс производства автоматных сталей. Идея равноценной замены легирующих элементов, представляющих собой угрозу для окружающей среды, безусловно, заслуживает самого пристального внимания. Однако для производителя на сегодняшний день первостепенный практический интерес представляют себестоимость и технологичность новых материалов, которые в том числе определяются усвоением главных легирующих элементов и равномерностью их распределения по сечению слитка. В связи со всем изложенным весьма актуальной задачей является проведение исследований, направленных на анализ данных аспектов производства сталей описываемого типа, а также исследований, направленных на поиск составов и способов производства новых разновидностей легкообрабатываемых сталей. 2. Разработка методик исследования растворимости и процессов, происходящих при введении легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в металлические расплавы, для создания новых бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Основные результаты
1.1 Методика исследования растворимости легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в жидких и твёрдых сплавах железа.
1.2 Методика проведения рентгенотелевизионных исследований процесса введения легко-плавких и легкоиспаряющихся элементов в металлический расплав на основе железа.
1.3 Термодинамические характеристики для систем, содержащих легкоплавкие и легкоиспаряющиеся элементы, необходимые для прогнозирования качества и обрабатываемости сталей, легированных легкоплавкими и легкоиспаряющимися элементами.
1.4 Математическая модель и программа моделирования поведения легкоплавких и легкоиспаряющихся легирующих добавок при введении в расплав.
1.5 Экспериментальные лабораторные образцы бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей в виде слитков (заготовок).
1.6 Лабораторный технологический регламент производства бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей с введением легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в расплав.
1.7 Предложения и рекомендации по промышленному производству бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей.
1.8 Проект ТЗ на проведение ОТР по теме «Разработка технологии производства бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей».
2. Основные характеристики планируемых результатов (в целом и/или отдельных элементов), планируемой научной (научно-технической, инновационной) продукции.
2.1 Технические решения и методика экспериментального исследования растворимости легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в сплавах железа должны включать в себя:
2.1.1 Разработку и создание установки, обеспечивающей возможность насыщения металла исследуемым легкоплавким и легкоиспаряющимся элементом через инертную газовую фазу в закрытом молибденовом контейнере, установленном в микропечи высокого давления (до 6 МПа) с молибденовым нагревателем;
2.1.2 Возможность поддержания скорости нагрева (1 °C/мин), температуры (до 1700 °C, с точностью до 1 °C) и длительности выдержки (до 24 ч) с помощью программатора;
2.1.3 Определение растворимости висмута в твердом и жидком железе и его сплавах в интервале 1500–1700 °C с точностью до 0,001 мас. % через насыщение образцов паровым и контактным способами с последующим быстрым охлаждением (в течение 5–10 мин) и проведением атомно-эмиссионного анализа.
2.2 Технические решения и методика изучения поведения легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов при их введении в расплав с помощью рентгенотелевизионного оборудования должны:
2.2.1 Создать установку, состоящую из высокотемпературной печи с графитовым нагревателем и контролируемой атмосферой, рентгеновского аппарата для просвечивания материала, преобразователя рентгеновского излучения в видимый диапазон и высокочувствительной монохромной цифровой телевизионной камеры, с дополнительным устройством роторного типа для подачи шариков массой 0,5–15 г и диаметром 1–10 мм;
2.2.2 Обеспечить возможность оценки качества полученных слитков (химический анализ по высоте и сечению, оценка характера и формы неметаллических включений по ГОСТ 1778-70, контроль макро- и микроструктуры по ГОСТ 10243-62 и 5639-82), в том числе с использованием растрового электронного микроскопа;
2.2.3 Обеспечить определение характера и температурновременных характеристик процессов расплавления и испарения легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов при введении в металлический расплав на основе железа.
2.3 Экспериментальные образцы не менее чем 5 бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей, реализованные в слитках (заготовках), должны:
2.3.1 Содержать легкоплавкие и легкоиспаряющиеся добавки (висмут, кальций, олово), обеспечивающие улучшенную обрабатываемость стали резанием.
2.3.2 Сохранять уровень механических свойств в соответствии с ГОСТ 1414-75.
2.3.3 Обеспечивать уровень качества не ниже требуемого действующим ГОСТ 1414-75 для свинецсодержащих сталей в отношении механических свойств и загрязненности не-металлическими включениями при более низком содержании азота (на 0,001-0,002%) в готовом прокате, более мелком аустенитном зерне (6–7 балл), лучшей равномерности распределения легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов по высоте и сечению слитка или заготовки (отсутствии нижней положительной ликвации), лучших характеристиках макроструктуры (отсутствии макровключений легкоплавких и легкоиспаряющихся эле-ментов).
2.3.4 Обеспечивать обрабатываемость резанием на 5–15 % выше применяемых в настоящее время свинецсодержащих сталей ГОСТ 1414-75.
2.3.5 Исключать испарение свинца (содержание свинца в рабочей зоне ниже ПДК 0,01 мг/м3) на всех стадиях выплавки, разливки и прокатного передела.
2.4 Лабораторный технологический регламент производства бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей должен содержать подробное описание: технологии введения легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в ходе выплавки стали, способов разливки, методов контроля качества в отношении макроструктуры, равномерности распределения, величины аустенитного зерна, механических свойств, содержания газов, загрязненности неметаллическими включениями и обрабатываемости резанием.
2.5 Предложения и рекомендации по промышленному производству бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей должны включать в себя.
2.5.1 Сравнительные экологические характеристики загрязненности атмосферы при легировании стали различными легкоплавкими и легкоиспаряющимися добавками в со-поставлении с предельно допустимыми уровнями их концентрации.
2.5.2 Оценку обрабатываемости резанием сравнительно с применяемыми в настоящее время свинецсодержащими марками ГОСТ 1414-75;
2.5.3 Области применения предлагаемых видов легкообрабатываемых сталей с учётом требуемого качества готовых изделий.

3. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик и решений.

Оценку элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик и решений в работе провести в сравнении действующими ГОСТами, имеющимися экспериментальными и теоретическими данными по данной тематике и другое.

4. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
Легкообрабатываемые стали применяются при обработке на станках автоматах в автомобильной промышленности. Производят данные стали за рубежом в основном в странах с развитым автомобилестроением: Японии, США, страны Евросоюза, Китае и ряде других. Потребление автоматных марок стали только в Японии составляло 1 млн. тонн в год, в том числе до 60 % свинецсодержащих.
В Российской Федерации потребность в легкообрабатываемых сталях только у ОАО «АВТОВАЗ» составляет от 20 до 40 тыс. тонн металлопроката в год.
Перечень публикаций некоторых зарубежных научных разработок по данному направлению за последние годы представлен ниже:
4.1. Zhuang Li, Di Wu. Effect of Free-cutting Additives on Machining Characteristics of Austenitic Stainless Steels. Journal of Materials Science & Technology, Volume 26, Issue 9, 2010, Pages 839–844. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S100503021060134X
IF 1.198 DOI 10.1016/S1005-0302(10)60134-X
4.2. Yongjin Kim, Hyunmin Kim, Minju Kang, Kiho Rhee, Sang Yong Shin, Сorrelation of Microstructure, Chip-Forming Properties, and Dynamic Torsional Properties in Free-Machining Steels. Metallurgical and Materials Transactions A. October 2013, Volume 44, Issue 10, pp 4613-4625. http://link.springer.com/article/10.1007/s11661-013-1828-2 IF 1.627 DOI 10.1007/s11661-013-1828-2
4.3. Ryutaro TANAKA, Akira HOSOKAWA, Tatsuaki FURUMOTO, Takashi UEDAWear Characteristics of Ceramic Tools When Turning BN Free-Machining Steel. Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing. Vol. 7 (2013) No. 3 pp. 474-484. https://www.jstage.jst.go.jp/article/jamdsm/7/3/7_474/_article. DOI: 10.1299/jamdsm.7.474. IF 0.49
4.4. Yong Jun Zhang, Jing Tao Han, Hui Feng Wang. Graphitization Kinetic of Hypoeutectoid Graphitized Free Cutting Steel. Applied Mechanics and Materials, 143-144, pp 508-511. http://www.scientific.net/AMM.143-144.508. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.143-144.508.
4.5. Reynolds, P, Block, V., Essel, I., Klocke, F. Alternatives to lead as a machinability enhancer in free cutting steels. Steel Research International. Volume 78, Issue 12, December 2007, Pages 908-914. http://www.scopus.com/record/display.url?eid=2-s2.0-38049159796&origin=resultslist&sort=plff&src=s&st1=freecutting+steel&st2=freemachining+steel&id=3284EA49C56AEFF2DEF8508EA04CB0F8.aqHV0EoE4xlIF3hgVWgA%3a70&sot=b&sdt=b&cutting+steel%29+OR+TITLE%28freemachining+steel%29%29&relpos=79&relpos=79&citeCnt=4&searchTerm=
%28TITLE%28freecutting+steel%29+OR+TITLE%28freemachining+steel%29%29# IF 0.49.
5. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
В ходе наших работ исследование растворимости висмута будет проводиться с использованием микропечи , которая разработана и изготовлена на кафедре физической химии и позволяет проводить эксперименты при температурах до 2000 °C и давлениях до 60 атм в атмосфере инертного газа. Установка включает в себя программатор температуры и систему, позволяющую поддерживать в печи атмосферу
заданного состава.
Все опытные данные по растворимости в жидких сплавах будут получены методом насыщения металла через газовую фазу в закрытом молибденовом контейнере, установленном в микропечи. Для исследования будут использованы карбонильное железо, сплавы на его основе и чистый висмут. В контейнер планируется помещать молибденовый тигель с висмутом над корундовым тиглем с железом или его сплавом. Контейнер будет закрываться притертой крышкой и помещаться в печь. После вакуумирования и напуска инертного газа (гелия) программатор с постоянной скоростью нагрева выведет печь на заданную температуру и будет поддерживать ее в течение необходимого времени.
Определение растворимости висмута в твердом железе и сплавах будет выполняться через насыщение образцов контактным способом в закрытом контейнере. Для этого две пластины толщиной до 1 мм из карбонильного железа или изучаемых сплавов будут вертикально установлены в алундовый тигель и залиты висмутом так, чтобы легкоплавкий металл полностью покрывал эти пластины. При этой
температуре будет производиться выдержка в течение 24 часов. По окончании этого срока последует быстрое охлаждение. Определение концентрации растворенных в железе элементов будет проводиться методами атомно-эмиссионного анализа. Основная часть экспериментов будет посвящена изучению собственно растворимости висмута в железе и его сплавах. При этом будет изучена растворимость как в твердом металле, так и в металлических расплавах, из интервала температур 1400…2000 °С с шагом 25 °С. Результаты проделанных экспериментальных и теоретических работ позволят в конечном итоге уточнить, а в ряде случаев и определить положение линий фазовых равновесий для малоизученных областей диаграмм состояния двойных систем Fe–Bi, а также тройных систем Fe–Me–Bi. Таким образом,
результатом работы станут помимо прочего еще и фазовые диаграммы ряда двойных и тройных систем на основе железа с участием висмута. Также в работе будет исследовано поведение легирующих элементов, на примере висмута, олова а в металлическом расплаве.
Для реализации предлагаемой методики будет использована высокотемпературная установка с рентгенотелевизионной системой наблюдения. Установка включает высокотемпературную печь с контролируемой атмосферой, рентгеновский аппарат для просвечивания материалов, преобразователь рентгеновского излучения в видимый диапазон и высокочувствительную монохромную телевизионную камеру.
Работа будет выполнена на кафедре «Теория металлургических процессов» института материаловедения и металлургии ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».
Предметом исследования будут стали конструкционных марок типа 40Х и ряд других, которые будут помещать в корундовый тигель, установленный в графитовой подставке. Непосредственно в дно тигля упирается горячий спай термопары, запрессованный в вольфрамовую таблетку для улучшения контакта с ячейкой. Сверху в корундовый тигель вставлено устройство для направления легирующих. Оно состоит из
корундовой трубки прикрепленной к металлическому кольцу. Конструкция для подачи висмутовых шариков имеет роторный тип. Барабан поворачивается на некоторый угол, освобождая шарик, который падает в расплав. Во время проведения экспериментов применяется
цифровая система наблюдения и записи рентгенотелевизионных изображений с размером элемента изображения 0.1273 мм с 256 градациями серого и частотой до 30 кадров в секунду. За время проведения работ будет проведена серия плавок по введению висмутовых и оловянных шариков. По окончании технологических операций слитки подвергнут оценке качества (проведут химический анализ, оценку характера и формы неметаллических включений, осуществят контроль по макро- и микроструктуре). Содержание висмута и оловав стали будут онтролировать по высоте и сечению слитка на атомно-эмиссионном спектрометре Perkin-Elmer Optima 2100 DV.
Состав неметаллических включений изучат при увеличении 100..2 000 с помощью растрового электронного микроскопа.
На основании экспериментальных данных будут определены кинетические характеристики процесса плавления и выдан ряд технологических рекомендаций.
Лабораторные, полупромышленные и эксперименты будут проведены в производственных условиях: выплавка, разливка и легирование стали висмутом, оловом, кальцием в ЭСПО № 1 ООО "Златоустовский электрометаллургический завод" (получено согласие о сотрудничестве) или ОАО «Металлургический завод им. А. К. Серова» (г. Серов) или ОАО «Челябинский металлургический комбинат», обработка металла резанием – в механических цехах ОАО "АВТОВАЗ" при изготовлении серийных деталей. Планируемые потребители легкообрабатываемой стали: ОАО «АВТОВАЗ» (получено согласие о сотрудничестве), ОАО «КамАЗ» и другие предприятия автомобильной промышленности.
Предметом исследования являются легкообрабатываемые конструкционные стали, легированные висмутом и кальцием АВЦ40Х, АВЦ19ХГН, АВЦ20ХГНМ, АВЦ40ХГНМ, АВЦ12ХН, АВЦ30ХМ, АВЦ35Г2, АВЦ14, АВЦ13Г2; легкообрабатываемые конструкционные стали, легированные оловом: АО40Х, АО19ХГН, АО20ХГНМ, АО40ХГНМ, АО12ХН, АО30ХМ, АО35Г2, АО14, АО13Г2; легкообрабатываемые коррозионностойкие стали, легированные висмутом: АВ08Х18Н10Т, АВ40Х13, АВ14Х17Н2 в виде передельной заготовки, сортовые прутки диаметром 20 – 40 мм и слитки массой от 1 до 2,8 т.
Оценку качества стали произведут по химическому составу, макроструктуре, величине аустенитного зерна, механическим свойствам, содержанию газов и загрязненности стали неметаллическими включениями. Содержание азота в стали определяют на приборе TN – 7514 системы ВНИИЧермет, кислорода на анализаторе ЕАО 202 фирмы Бальцерс. Качество поверхности металла изучат после прокатки его на стане 1150 в передельной квадратной заготовке. Загрязненность металла неметаллическими включениями оценивают по ГОСТ 1778 – 70 по максимальному и среднему баллу. Состав неметаллических включений изучат при увеличении 100..5 000 с помощью растрового электронного микроскопа. Величину аустенитного зерна определяют в прутках сечением кр. 20 – 40 мм по ГОСТ 5639 – 82.
Качество макроструктуры оценивают по ГОСТ 10243 – 62 в пробах из передельной квадратной заготовки со стороной 85 – 100 мм, 200 – 220 мм, на трех уровнях высоты слитка (А, Б, У) и сортовых прутках круг 20 – 40 мм.
Определение обрабатываемости резанием экспериментальных марок стали, изготовленных на ООО "ЗЭМЗ", ОАО «МЗ им. А. К. Серова», ОАО «ЧМК» в круге 34 – 40 мм, в сравнении с обрабатываемостью серийной свинецсодержащей в аналогичных прутках произведут в производственных условиях ОАО "АВТОВАЗ". Оценку обрабатываемости резанием определят поэтапно, в зависимости от времени
выплавки и поступления стали на ОАО "АВТОВАЗ". В работе будут проведены полные сравнительные экологические исследования загрязненности атмосферы при легировании стали висмутом, свинцом, оловом, кальцием сопоставлении с предельно допустимой
концентрацией (ПДК) в электросталеплавильных и прокатных цехах ООО "Златоустовский электрометаллургический завод", ОАО «МЗ им. А. К. Серова», ОАО «ЧМК». При этом будет проведено сопоставление загрязнение среды при разном способе введения висмута, олова,
кальция в сталь.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Легкообрабатываемые стали применяются при обработке на станках автоматах в машиностроении, в том числе в автомобильной промышленности. В настоящее время в мире производится большое количество металлопроката из легкообрабатываемых марок стали, в том числе легированных свинцом. Потребление автоматных марок стали в Японии составляет 1 млн т в год, в том числе до 60 % свинецсодержащих. В некоторых странах Евросоюза введен запрет на производство стали, легированной свинцом. В Российской Федерации
потребность в автоматных сталях только у ОАО «АВТОВАЗ» составляет от 20 до 40 тыс. тонн металлопроката в год. Поэтому назрела необходимость получения нового класса автоматных сталей без свинца.
2. Возможные потребители ожидаемых результатов. Производители стали: ОАО «Челябинский металлургический комбинат», ОАО «Златоустовский электрометаллургический завод» (получено согласие о сотрудничестве), ОАО «Металлургический завод
им. А. К. Серова» (г. Серов); Потребители стали: машиностроительные заводы: "ОАО «АВТОВАЗ» (получено согласие о
сотрудничестве), ОАО "Стройтехника (индустриальный партнер), ОАО «КамАЗ» и другие предприятия автомобильной промышленности.
3. В ходе работ будет разработан новый класс бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей, не содержащих легирующие элементы, представляющие собой угрозу для окружающей среды. Однако для производителя на сегодняшний день перво-степенный практический интерес представляют себестоимость и технологичность новых материалов, которые в том числе определяются в том числе определяются усвоением главных легирующих элементов и равномерностью их распределения по сечению слитка.
Работа направлена на оценку или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечении развития материально-технической и информационной инфраструктуры.

Текущие результаты проекта:
1. Выполнен аналитический обзора (подготовлен первый вариант обзора).
2. Проводится патентное исследование и оформляется отчет в соответствии с ГОСТ 15.011 по направлению «Легкообрабатываемые стали различных классов».
3. Проводятся теоретические исследования изучения процесса введения легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в металлический расплав на основе железа.
4. Разработана программа и методика экспериментальных исследований процесса введения легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в металлический расплав на основе железа (первый вариант).
5. Дорабатывается эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец установки для исследования процесса введения легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в металлический расплав на основе железа.
6. Получен экспериментальный образец и подготавливается акт получения экспериментального образца на установке для исследования процесса введения легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в металлический расплав на основе железа.
7. Проведены экспериментальные исследования процесса введения легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов (в виде висмутовых и оловянных шариков) в металлический расплав на основе железа.
8. Проведены теоретические исследования растворимости висмута в жидких и твёрдых сплавах на основе железе.
9. Дорабатывается эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец установки для исследования растворимости легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в жидких и твёрдых сплавах железа.
10. Разработана программа и методика экспериментальных исследований экспериментального образца установки для исследования растворимости висмута в жидких и твёрдых сплавах железа (первый вариант).
11. Получен экспериментальный образец и подготавливается акт получения экспериментального образца на установке для исследования растворимости легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в жидких и твёрдых сплавах железа.
12. Разработана математическая модель (первый вариант) и написана программа для моделирования поведения легкоплавких и легкоиспаряющихся легирующих добавок при введении в расплав на языке программирования С++ (подготовлены электронная версия и пакет документов для регистрации программы).