Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка научных и технологических аспектов производства бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей

Номер контракта: 14.574.21.0054

Руководитель: Токовой Олег Кириллович

Должность: профессор кафедры "Физическая химия"

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет"(национальный исследовательский университет)

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
легкообрабатываемые стали, обрабатываемость стали резанием, альтернативные беcсвинцовистые стали, экологические аспекты производства стали, висмут, олово

Цель проекта:
1.1. Целью реализуемого проекта является разработка методик исследования растворимости и процессов, происходящих при введении легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в металлические расплавы, для создания новых бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей. 1.2. Реализация проекта направлена на решение проблемы, направленных на поиск составов и способов производства новых разновидностей бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей. Реализация проекта обеспечит получение новые экологически чистые легкообрабатываемые марки стали, которые используют для повышения производительности металлорежущих станков; для экономии режущего инструмента; для получения высокой чистоты поверхности; для повышения скорости резания; для механизации процесса уборки стружки без значительного увеличения количества использования легирующих элементов, а также использования специфического дорогостоящего оборудования. Разработанный комплекс решений, являющийся результатом проекта, возможно будет интегрировать практически в любое металлургическое предприятие без больших экономических затрат и в короткие сроки, поскольку технология получения стали не требует специфического дорогостоящего оборудования.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Основные результаты проекта.
1.1 Методика исследования растворимости легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в жидких и твёрдых сплавах железа.
1.2 Методика проведения рентгенотелевизионных исследований процесса введения легкоплавких 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: созданные бессвинцовистые экологически чистые легкообрабатываемые стали, легированные легкоплавкими легкоиспаряющимися элементами обеспечивают уровень качества не ниже требуемого действующим ГОСТ 1414-75 для свинецсодержащих сталей в отношении механических свойств и загрязненности неметаллическими 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 элементов). Уровень обрабатываемость резанием на 5–15 % выше применяемых в настоящее время свинецсодержащих сталей ГОСТ 1414-75. При производстве стали исключается испарение свинца (содержание свинца в рабочей зоне ниже ПДК 0,01 мг/м3) на всех стадиях выплавки, разливки и прокатного передела.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Созданные бессвинцовистые экологически чистые легкообрабатываемые стали, легированные легкоплавкими легкоиспаряющимися элементами обеспечивают уровень качества не ниже требуемого действующим ГОСТ 1414-75 для свинецсодержащих сталей в отношении механических свойств и загрязненности неметаллическими 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 элементов). Уровень обрабатываемость резанием на 5–15 % выше применяемых в настоящее время свинецсодержащих сталей ГОСТ 1414-75. При производстве стали исключается испарение свинца (содержание свинца в рабочей зоне ниже ПДК 0,01 мг/м3) на всех стадиях выплавки, разливки и прокатного передела
2. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик:
2.1. В проекте разработана уникальная методика изучения растворимости легкоиспаряющихся при высоких температурах металлов в металлических расплавах на основе железа, а также в твердых сплавах железа.
2.2. Получена новая информация о растворимости висмута в жидком и твердом железе, двойных и многокомпонентных сплавах на его основе.
2.3. Получены новые термодинамические характеристики для систем, содержащих легкоплавкие и легкоиспаряющиеся элементы, необходимые для прогнозирования качества и обрабатываемости сталей, легированных легкоплавкими и легкоиспаряющимися элементами.
2.4. Построены положения линий фазовых равновесий для малоизученных областей диаграмм состояния двойной системы Fe–Bi, а также тройных систем Fe–C–Bi и Fe–Me–Bi.
2.5. Разработана новая уникальная методика исследования поведения легкоплавких элементов (висмут, олово) в стальном расплаве с помощью рентгенотелевизионного оборудования.
2.6. Получена новая информация о процессе плавления легкоплавких элементов в металлическом расплаве.
2.7. Математическое моделирование поведения легкоплавких элементов в технологических процессах легирования стали.
2.8. Разработан новый класс бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых конструкционных и коррозионностойких марок стали.
2.9. Изучено влияния легкоплавких элементов на качество и служебные свойства бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей.
2.10. Получены экспериментальные лабораторные образцы бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей в виде слитков (заготовок)
2.11. Предложены рекомендации по промышленному производству бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей.

3. Результаты соответствуют мировому уровню исследований в данной области и отчасти опережают их. Такой вывод позволяет сделать анализ литературы по теме исследования и в частности данные работ:
3.1. 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
3.2. 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
3.3. 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
3.4. 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.
3.5. 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.
4. В ходе наших работ исследование растворимости висмута будет проводиться с ис-пользованием 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.
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.
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 олова в стали будут контролировать 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.
Следующий этап экспериментальной части. Эксперименты будут проведены в производственных условиях: выплавка, разливка и легирование стали висмутом, оловом, кальцием в ЭСПЦ № 3 ООО "Златоустовский электрометаллургический завод".
Планируемые потребители легкообрабатываемой стали: ООО «Завод Стройтехника» (индустриальный партнер), ОАО «АВТОВАЗ», ОАО «КамАЗ» и другие предприятия автомобильной промышленности.
Предметом исследования являются экологически чистые 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 18 кг и 0,5 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..5000 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.
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".
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. Полученные результаты ПНИ могут найти применение в инновационной продукции машиностроительной промышленности, а также предприятий оборонно-промышленного комплекса, выпускающих колесную технику специального назначения.
2. Практическое внедрение результаты проекта получат при производстве строительной техники выпускаемой индустриальным партнером – ООО «Завод Стройтехника». Также полученные результаты проекта могут быть использованы при изготовлении автомобильной техники выпускаемой на ОАО «Автомобильный завод «УРАЛ», ОАО «ГАЗ», ОАО «УАЗ», ОАО «БАЗ», ОАО «АВТОВАЗ». Годовая потребность только ОАО "АВТОВАЗ" составляет 20-40 тыс. тонн готового проката.
3. Полученные результаты ПНИ оказывают влияние на развитие:
сектора производства строительной техники и машиностроении (автомобилестроении, тракторостроении, специальном машиностроении);
теории легирования стали легкоплавкими и легкоиспаряющимися элементами;
технологии производства легкообрабатываемых марок стали;
4. Полученные результаты исследований позволят расширить круг сотрудничества с другими странами, полученные новые результаты по проекту позволят развить систему демонстрации и популяризации науки РФ и обеспечить развитие материально-технической и информационной инфраструктуры.

Текущие результаты проекта:
1. Проведены экспериментальные исследования растворимости висмута в жидких и твёрдых сплавах железа.
2. Рассчитаны термодинамические характеристики бинарных и многокомпонентных систем сплавов, содержащих висмут, олово и кальций.
3. Изготовлены экспериментальные образцы бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей в виде слитков и заготовок.
4. Разработана методика испытаний экспериментальных образцов бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей.
5. Проведены испытания экспериментальных образцов бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей.
6. Проведен сравнительный анализ экологических характеристик загрязненности атмосферы при легировании стали висмутом, оловом и кальцием в сопоставлении с ПДК.
7. Разработан лабораторный технологический регламента производства бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей с висмутом, оловом и кальцием.
8. Проведена закупка и создание необходимого технологического и контрольно-измерительного оборудования для изготовления и испытаний, экспериментальных образцов бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей в виде слитков (заготовок).
9. Проведена обобщающая оценка результатов ПНИ.
10. Проведена проверка результатов ПНИ на соответствие требованиям ТЗ.
11. Проведена оценка результативности ПНИ и эффективности результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем.
12. Разработаны предложения и рекомендации по реализации (коммерциализации) результатов ПНИ, вовлечению их в хозяйственный оборот.
13. Разработан проект ТЗ на проведение ОТР по теме «Разработка технологии производства бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей».
14. Приняли участие в 3 конференциях с докладом об экологических и качественных составляющих производства бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей».