Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка способов получения методами наплавки новых экономичных, высокопрочных, свариваемых слоистых конструкционных металлических материалов для изделий нефтегазохимии и высокоскоростного транспорта, работающих в экстремальных условиях эксплуатации

Номер контракта: 14.575.21.0092

Руководитель: Беляков Андрей Николаевич

Должность: ведущий научный сотрудник

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
высокопрочные низколегированные стали, термомеханическая обработка, нержавеющие стали, электрошлаковая наплавка

Цель проекта:
В настоящее время железнодорожные и автомобильные цистерны для широкого класса грузов изготавливаются из стали 09Г2С, а также биметаллического листа ВСтЗсп5 + 12Х18Н10Т. Предел прочности данных материалов не превышает 550МПа, а величина ударной вязкости 40Дж/см2. Совершенствование конструкций цистерн идет по пути уменьшения их веса. В настоящее время основной выигрыш в весе может дать уменьшение веса котла цистерн за счет уменьшения толщины стенок, для этого необходимо повысить прочность стали, из которых изготавливается котел.Это требует применения свариваемых сталей с пределом прочности близким к 1000 МПа. С другой стороны, к котлам новых цистерн предъявляются требования по коррозионной стойкости, что важно для транспортировки продуктов нефтехимии и пищевых продуктов. Для того чтобы удовлетворить этим требованиям применяют нержавеющие стали, имеющие низкий предел текучести. Разрешить противоречие между прочностными и коррозионными свойствами позволяет применение биметалла, в котором основной лист должен обладать высокой прочностью, а поверхность будет представлять собой лист из нержавеющей стали. Производимый в настоящее время пакетной прокаткой такой биметаллический лист согласно ГОСТ10885-85 не позволяет уменьшить толщину стенок котлов цистерн, поскольку он обеспечивает прочность связи плакирующего и основного слоя (сопротивление срезу) менее 300 МПа. Для уменьшения веса котлов железнодорожных цистерн необходима разработка новой технологии изготовления биметаллических листов. Это возможно сделать с использованием следующих подходов: 1. Переход от пакетной прокатки к электрошлаковой наплавке позволяющий увеличить сопротивление срезу места соединения основного и плакирующего слоя до 350 МПа и выше и получать листы с разными толщинами. 2. Замена материала основного листа со стали 09Г2С на современные высокопрочные стали, получаемые термомеханической обработкой, типа S700MC (0.1C-2Mn-0.6Si-0.5Mo-0.2Ti-0.2V-0.1Nb). 3. Разработка термомеханической обработки, позволяющей получать высокие свойства в основном и плакирующем материале, а также повышающей сопротивление срезу переходного слоя. Для получения высокопрочного листа необходимо сочетание всех трех подходов. В рамках данной работы проводится разработка способа получения двухслойного листа методом наплавки и разработка технологии термомеханической обработки, что должно обеспечить получение листа биметалла с основным слоем из стали типа S700MC, который должен иметь предел прочности не менее 1000 МПа, величину ударной вязкости KCU при температуре -60°С не менее 100 Дж/см2, относительное удлинение не менее 12-18%, углеродный эквивалент не более 0,4 и высокую стойкость против локальной коррозии, с плакирующим слоем из стали типа 316LN c пределом прочности не менее 600 МПа, относительное удлинение не менее 14%, величина ударной вязкости KCU при температуре -60°С не менее 100 Дж/см2; прочность соединения основного и плакирующего слоев должна быть не менее 460 МПа, а сплошность соответствовать 0 классу по результатам УЗК. В настоящее время биметалл с такими свойствами не производится. Его получение требует решения трех задач. 1. Достижение свойств в материале основного слоя за счет оптимизации режима термомеханической обработки и химического состава стали. 2. Получение свойств в материале наплавленного слоя, принимая во внимание тот факт, что это аустенитная сталь с литой структурой, для которой требуется разработать режимы ее термомеханической обработки. 3. Повышение свойств соединения двух металлов, полученного методом электрошлаковой наплавки. Целью данного проекта является 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.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения проекта были получены следующие результаты:
- проведен аналитический обзор научно-технической, нормативной, методической литера-туры, проведены патентные исследования;
- проведено моделирование равновесного фазового состава сталей типа S700MC и 316LN c различным содержанием легирующих элементов; Определены оптимальные системы легирования и режимы ТМО сталей типа S700MC и 316LN;
- разработаны программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов металла наплавленного слоя и металлической подложки (основного слоя) и параметров технологии производства;
- проведена экспериментальная отливка сталей типа S700MC и 316LN, а так же определѐн фазовый состав данных сталей;
- проведены экспериментальные исследования и разработаны эффективные технологических приемы управления выделениями избыточных фаз, структурными составляющими, в том числе наноразмерными, контролирующими реализацию различных механизмов упрочнения и одновременного достижения высоких показателей прочности и пластичности металлической подложки (основного слоя);
- исследовано влияние систем легирования и режимов ТМО на свойства сталей типа s700mc и 316ln;
- выполнено исследование и разработаны оригинальные методы повышения износостойкости конструкционных металлических материалов, на базе принципов легирования, а также структурных составляющих;
- разработана экономная система легирования, обеспечивающая высокие показатели технологических и служебных свойств металла наплавленного слоя, включая коррозионную стойкость, износостойкость, прочность, хладостойкость, свариваемость, совместимость с материалом основного слоя;
- определены оптимальные системы легирования, технологические параметры производства металлической подложки (основного слоя), обеспечивающих получение высокого и стабильного уровня технологических, служебных свойств, включая прочность, пластичность, хладостойкость, свариваемость, совместимость с материалом наплавляемого слоя;
- разработан лабораторный технологический регламент получения экспериментальных образцов металла наплавленного слоя и металлической подложки (основного слоя).
На последующих этапах выполнения проекта планируется получение экспериментальных образцов металла наплавленного слоя и заготовок металлической подложки (основного слоя), затем получение экспериментальных заготовок двухслойных конструкционных металлических материалов. Полученные в ходе выполнения проекта результаты откроют новые возможности и перспективы развития металлургии в области новых слоистых конструкционных металлических материалов, используемых при низких температурах.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Традиционными способами производства биметалла являются пакетная прокатка, сварка взрывом, ленточная наплавка, литейный способ, которые имеют существенные недостатки: низкую прочность сцепления слоев; наличие зон несплошностей; высокую себестоимость и низкую производительность. Наплавка предусматривает нанесение расплавленного металла на оплавленную металлическую поверхность с последующей его кристаллизацией для создания слоя с заданными свойствами и геометрическими параметрами. Наплавку применяют для восстановления изношенных деталей, а также при изготовлении новых деталей с целью получения поверхностных слоев, обладающих повышенными твердостью, износостойкостью, жаропрочностью, кислотостойкостью или другими свойствами. Она позволяет значительно увеличить срок службы деталей и намного сократить расход, дефицитных материалов при их изготовлении. Покрытия, полученные наплавкой, характеризуются отсутствием пор, высокими значениями модуля 29 упругости и прочности на разрыв. Прочность соединения этих покрытий с основой соизмерима с прочностью основного материала. Способы наплавки делят на группы в зависимости от видов применяемых источников тепла, характера легирования и способа защиты формируемого покрытия от влияния кислорода и азота воздуха. Наибольшее распространение при нанесении покрытий получили способы электродуговой наплавки: под флюсом, в среде защитных газов и вибродуговая наплавка. Задача, решаемая при наплавке покрытий – получить покрытие без пор, необходимой толщины, прочно соединенное с поверхностью детали, нужного химического состава с заданной структурой. Одним из эффективных методов создания биметаллических изделий является электрошлаковая наплавка (ЭШН). Технологические особенности и преимущества ЭШН дают возможность поставить ее в один ряд с самыми распространенными способами наплавки, а разнообразие форм применения дает возможность использовать ЭШН в тех случаях, когда другие способы использовать трудно или невозможно. Современные способы ЭШН, впервые разработанные еще в СССР, позволяют с высокой производительностью обеспечить высококачественный литой наплавленный металл, обладающий повышенными служебными свойствами, что обусловило их массовое внедрение в промышленность. Заложенные известными учеными в области металлургии сварки и наплавки специальных сталей и сплавов И. К. Ноходней, Б. И. Медоваром, Ю. В. Латашом, Д. А. Дудко, И. Н. Сущук-Слюсаренко, W. Е. Duckworth, G. Hoyle, R. А. Beall, D. J. Salt научные основы теории электрошлакового процесса способствовали интенсивному развитию ЭШН. Выполненные Д. А. Дудко, Г. В. Ксендзыком, В. А. Быстровым, Ю. М. Кусковым, А. Я. Шварцером, D. Houl, U. Dakuort, A. Dilawary, D. Rawson и др. глубокие исследования в области разработки материалов и технологий для упрочнения и восстановления с помощью электрошлаковой наплавки металлургического инструмента и других изделий поставили ЭШН в ряд технологических процессов, конкурирующих как по производительности, так и по качеству наплавленного металла с дуговой наплавкой. Вместе с тем возможности каждого способа наплавки, особенно с использованием кристаллизаторов, сравнительно ограничены минимально допустимой толщиной слоя наплавленного металла. Востребованы новые технологии ЭШН, однако объем публикаций как отечественных, так и зарубежных авторов в области разработки новых процессов электрошлаковой наплавки невелик. Это объясняется сложностью формирования структуры и свойств наплавленного металла в тонком слое, а также необходимостью разработки новых специализированных для электрошлакового процесса наплавочных материалов. В этой связи разработка нового материала и создание технологического процесса ЭШН, позволяющего получить качественный наплавленный металл представляет актуальную задачу.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Реализация разработанного способа получения методами наплавки свариваемых слоистых конструкционных металлических материалов позволит расширить спектр выпускаемой продукции за счет производства новых стальных полуфабрикатов, отличающихся улучшенными характеристиками ударной вязкости при пониженных температурах и коррозионной стойкости.
В случае успеха при разработке стали S700MC с модифицированным химическим составом и режимов ТМО, которые обеспечивают сочетание предела прочности 1000 МПа с величиной KCU при температуре -60 °С около 100 Дж/см2 будет разработана технология получения уникального свариваемого листа высокопрочной и высоковязкой стали, что далеко выходит за рамки проекта. Эта сталь сможет найти практическое применение как конструкционный материал в транспортном машиностроении и судостроении, в первую очередь для машин и судов, эксплуатируемых в условиях Арктики. Прочность листов этой стали будет существенно выше листов высокопрочных аустенитных сталей при сравнимых величинах ударной вязкости, что сделает ее перспективным кандидатом для замены аустенитных сталей, стоимость которых будет минимум в 10-раз выше, в тех условиях эксплуатации, которые не требуют высокой коррозионной стойкости. Создание на основе стали типа S700MC c модифицированным составом и ТМО биметалла позволит заменить аустенитные стали.
Также эта работа будет иметь большое научное значение. Достижение требований технического задания для стали типа S700MC величиной KCU при температуре -60 °С около 100 Дж/см2 потребует разработки принципиально новых подходов к ТМО этих сталей, что внесет существенный вклад в физическую металлургию низкоуглеродистых высокопрочных сталей.
Прогнозные предположения о развитии объекта исследования: разрабатываемые свариваемые слоистые конструкционные металлические материалы и способ их получения могут быть использованы также для производства полуфабрикатов для изготовления элементов конструкций различного назначения, включая объекты инфраструктуры, транспорт и 4 судостроение, рассчитанные для применения в условиях крайнего севера. Кроме того, полученные результаты по влиянию химического состава и режимов термомеханической обработки на структуру и свойства низколегированных высокопрочных и аустенитных коррозионно-стойких сталей представляют самостоятельный научный интерес, и будут использованы как при последующей разработке новых сталей, отличающихся повышенной ударной вязкостью и коррозионной стойкостью, так и в образовательном процессе подготовки бакалавров и магистров по материаловедческим специальностям.

Текущие результаты проекта:
На данном этапе выполнения проекта были разработаны лабораторные технологические регламенты получения экспериментальных образцов металла наплавленного слоя и заготовок металлической подложки для последующего наплавления слоя металла.
Получены экспериментальные образцы металла наплавленного слоя из стали 316LN методом прокатки. Прокатку проводили на реверсивном 2-х валковом прокатном стане при различных температурах, в интервале 20 - 700°С, суммарная истинная степень деформации составила 3. На основании разработанных программы и методик исследовательских испытаний экспериментальных образцов были подготовлены образцы для механических испытаний на растяжение. Статические испытания на растяжение проводили на универсальной машине Instron 5882. По результатам испытаний образцов при комнатной температуре оценивали предел текучести, предел прочности и относительное удлинение. Прокатка при комнатной температуре приводит с существенному увеличению прочностных характеристик, предел текучести достигает 1680 МПа у образцов, подвергнутых прокатке до истинной степени деформации 3. По результатам проделанных работ был разработан технологический регламент получения экспериментальных образцов металла наплавленного слоя из стали 316LN.