Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание нового поколения штампуемых наноструктурированных сталей с пределом текучести 1200-1700 МПа, технологий их деформационной обработки и нанесения износостойких покрытий в обеспечение изготовления сельскохозяйственной техники с повышенным сроком эксплуатации

Номер контракта: 14.579.21.0003

Руководитель: Хлусова Елена Игоревна

Должность: Заместитель начальника НПК-3

Организация: федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт"
Организация докладчика: Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
сельскохозяйственные машины, стали с пределом текучести 1200-1700 мпа, горячая прокатка, горячая штамповка, термическая обработка, срок эксплуатации, штамповая оснастка, износостойкие покрытия, опытно-промышленное производство.

Цель проекта:
1. Проект направлен на создание нового поколения высокопрочных износостойких сталей и технологии их изготовления и обработки. Для роста производства сельскохозяйственной продукции в РФ и сокращение импорта необходима современная сельскохозяйственная техника, имеющая ресурс в 3-8 раз выше по сравнению с производимой промышленностью в настоящее время. Закупки сельхозмашин зарубежного производства (комбайны, трактора и др.), а также приобретение импортных запасных деталей из износостойких материалов, годовая потребность в которых оценивается: в лемехах – 7 млн шт., в полевых досках – 3 млн, в отвалах – 2,4 млн шт., существенно повышают себестоимость сельхозпродукции. От использования сверхдорогой импортной техники или некачественных отечественных аналогов наша страна несет экономические потери, исчисляемые несколькими миллиардами долларов в год. На сегодняшний день производство высокопрочных износостойких материалов для сельскохозяйственного машиностроения в РФ переживает кризис, так как разработанные более 30 лет назад стали указанного назначения не удовлетворяют современным требованиям ни по качеству, ни по ресурсу эксплуатации. За прошедшие десятилетия конструкция и материалы рабочих органов отечественных почвообрабатывающих машин остались практически неизменными, хотя нагрузки на них выросли не менее чем в 4 раза, поэтому устаревшая отечественная техника требует постоянного дорогостоящего ремонта. Серьезное отставание РФ в данной сфере привело к повышению доли импортной продукции на рынке сельскохозяйственной техники. Ресурс высоконагруженных деталей пахотных агрегатов зарубежного производства более чем двукратно превышает отечественные аналоги. Существует серьезная научно-техническая проблема, связанная с низким уровнем сельскохозяйственных агрегатов в целом и тяжелонагруженных деталей, эксплуатирующихся при высоких ударно-абразивных нагрузках, без которых невозможна разработка новых сельскохозяйственных технологий и конкурентоспособных сельхозмашин. Принципиальным решением проблемы является использование новых материалов, в том числе наноструктурированных, т.е. создание нового поколения сталей с пределом текучести свыше 1200 МПа и технологий их производства, включая технологии нанесения износостойких покрытий различными методами, которые позволят увеличить срок эксплуатации в 5 и более раз по сравнению с существующими аналогами. Поэтому материаловедческое направление новых разработок (новые стали, твердосплавные покрытия, металлургические технологии изготовления и обработки изделий) для ответственных деталей сельскохозяйственных и других типов машин является наиболее перспективным и важным. 2.Цель реализуемого проекта - разработка высокопрочных сталей с пределом текучести 1200-1700 МПа и технологий их производства для повышения срока эксплуатации высоконагруженных деталей почвообрабатывающих, посевных кормоуборочных, овощеуборочных и других сельхозмашин более чем в 5 раз за счет управления структурообразующими процессами при горячей деформации, оптимизации формы конечных изделий и нанесения износостойких покрытий.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Практические результаты. Разработаны химические составы новых износостойких сталей с пределом текучести 1200, 1500 и 1700 МПа для листового проката толщиной 6…18 мм, отличающиеся сбалансированным содержанием легирующих и микролегирующих элементов и патентной новизной.
Разработана технология производства исходных заготовок износостойких сталей и штампованных деталей из них: технология прокатки листового проката сталей, технология горячей штамповки деталей и упрочняющая термическая обработка штампованных деталей, а также технология нанесения износостойких покрытий лазерным и плазменным способами для повышения эксплуатационного ресурса быстроизнашиваемых деталей сельскохозяйственной техники.
Экспериментальные результаты. Проведены исследования фазовых превращений в новых сталях, результаты которых показали, что критическая скорость закалки на мартенсит для среднеуглеродистой среднелегированной стали Б1200 составляет примерно 2-3 °С/с, для стали Б1500 – 1-2°С/с, для стали Б1700 мартенсит образуется во всём исследованном диапазоне скоростей охлаждения от 0,2 до 50°С/с, а температура начала мартенситного превращения с повышением легирования стали снижается от 380 до 270оС. При охлаждении заготовок после штамповки, когда нагрев осуществляется до более высоких температур, а охлаждение – в массивном штампе, т.е. с достаточно низкой скоростью охлаждения, γ→α-превращение аустенита, деформированного на 30%, протекает в бейнитной области для сталей Б1200 и Б1500 и в мартенсито-бейнитной области для стали Б1700.
Структура закаленной стали представлена преимущественно реечным мартенситом с шириной рейки 100-200 нм и плотностью дислокаций около 5×1014 м-2, пластинчатым мартенситом с областями размером ~1 мкм и небольшой долей двойникового мартенсита (5-20%), которая несколько увеличивается при повышении легирования стали. После отпуска при 300°С плотность дислокаций изменяется мало, внутри реек обнаружены дисперсные карбиды размером 7 – 43 нм с объемной плотностью до 13×1020 м-3. Анализ дифференциальных кривых, полученных методом математической обработки дилатограммы после нагрева до 700оС со скоростью 0,05о/с, позволяет заключить, что образование промежуточных карбидов в исследованных сталях начинается при температурах ниже 150оС, завершение их образования в стали Б1200 происходит при 200оС, а в сталях Б1500 и Б1700 – при 250оС. Область выделения межреечного цементита в стали Б1200 составляет 220-450оС, а в более легированных сталях – 250-480оС. Превращение остаточного аустенита, приводящее к образованию карбидов цементита, охрупчивающих сталь, с повышением уровня легирования сдвигается в область более высоких температур, которые составляют: для стали Б1200 - 260-335оС, Б1500 - 275-395оС, а для стали Б1700 - 280-405оС.
Выполнены исследования кинетики рекристаллизационных процессов аустенита в диапазоне температур, степеней и скоростей деформации, характерных для горячей прокатки и штамповки новых сталей. Для формирования мелкозернистого аустенита в процессе прокатки необходимо использовать обжатия порядка 25% на начальной стадии прокатки, а на последующих стадиях использовать более низкую степень деформации с большей скоростью деформации для ее накопления. Установлено, что при штамповке наиболее дисперсную структуру и твердость имеют образцы, обработанные при температуре 950-1050°С. Повышение температуры штамповки обусловливает укрупнение аустенитного зерна, которое может наследоваться при последующей термической обработке.
Проведены исследования по влиянию различных режимов отпуска на структуру и механические свойства новой стали. Установлено, что наиболее высокие механические характеристики (сочетание требуемого предела текучести и ударной вязкости не ниже 25-30 Дж/см2 при испытании образцов с круглым надрезом) формируются после отпуска при температуре 200 - 250°С для стали марок Б1500 и Б1700, а для стали Б1200 – при температуре 250 - 300°С.
Результаты испытаний на износостойкость образцов листового проката без покрытий показали, что коэффициент относительной износостойкости (в сравнении с эталоном из стали 45) для стали Б1200 составляет 1,23-1,27; для стали Б1500 – 1,36-1,54; для стали Б1700 – 1,52-1,81.
Образцы с лазерной наплавкой обеспечивают коэффициент относительной износостойкости до 4,6, а образцы с плазменной наплавкой до 5,5.

2. Результаты разработок позволят одновременно усилить конкурентные позиции отечественных производителей, повысить урожайность в сельском хозяйстве, снизить себестоимость производства сельскохозяйственной и целого ряда других видов продукции и в целом получить значительный экономический эффект.


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечным продуктом проекта является:
- Листовой прокат из стали марки Б1200 (предел текучести не менее 1200 МПа, временное сопротивление не менее 1350 МПа, относительное удлинение не менее 8%, ударная вязкость не менее KCU+20 30 Дж/см2, коэффициент относительной износостойкости не менее 1,2 по отношению к стали 45);
- Листовой прокат из стали марки Б1500 (предел текучести не менее 1500 МПа, временное сопротивление не менее 1650 МПа, относительное удлинение не менее 8%, ударная вязкость не менее KCU+20 25 Дж/см2, коэффициент относительной износостойкости не менее 1,35 по отношению к стали 45);
- Листовой прокат из стали марки Б1700 (предел текучести не менее 1700 МПа, временное сопротивление не менее 1850 МПа, относительное удлинение не менее 7%, ударная вязкость не менее KCU+20 20 Дж/см2, коэффициент относительной износостойкости не менее 1,5 по отношению к стали 45);
- Покрытие, нанесенной плазменной технологией (толщиной 1,2-3,6 мм, твердость не менее 58 HRC, коэффициент относительной износостойкости не менее 3,3 по отношению к стали 45, адгезионная прочность сцепления с основным металлом не менее 20 МПа);
- Покрытие, нанесенной лазерной технологией (толщиной 0,8-5,0 мм, твердость не менее 56 HRC, коэффициент относительной износостойкости не менее 3,5 по отношению к стали 45, адгезионная прочность сцепления с основным металлом не менее 20 МПа);

Выполнение проекта обеспечит возможность изготовления из новых высокопрочных конструкционных сталей высоконагруженных быстроизнашиваемых деталей сельскохозяйственной техники с повышенным более чем в 5 раз по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами сроком эксплуатации, позволит повысить эксплуатационные характеристики и конкурентоспособность отечественных деталей почвообрабатывающих машин по отношению к зарубежным аналогам.

2. Новизна разработки заключается в создании нового поколения износостойких сталей с пределом текучести 1200-1700 МПа, эксплуатирующихся в условиях специфического абразивного изнашивания, технологии изготовления штампованных деталей с острой режущей кромкой, минимизирующей дорогостоящую механическую обработку, и технологии нанесения износостойких покрытий лазерным и плазменным способом в обеспечение повышения более, чем в 5 раз ресурса эксплуатации рабочих органов почвообрабатывающих сельхозмашин.
Разработана новая методика определения адгезионной прочности покрытий, полученных лазерной наплавкой, а также исследовано влияние режимов лазерной наплавки на структуру и химический состав переходной зоны «сталь-покрытие».

3. Разработка соответствует мировому уровню с точки зрения химического состава и механических свойств новых износостойких сталей для сельскохозяйственной техники с элементами наноструктуры, получения деталей штамповкой и технологий плазменной и лазерной наплавки износостойких покрытий специальными порошковыми материалами. По сравнению с зарубежными аналогами разработанные стали характеризуются сравнимым уровнем прочности и твердости, пластичности и вязкости при сохранении низкого уровня легирования.
В ведущих зарубежных компаниях (Vogel und Noot, Kvernelаnd и др.) заготовку детали вырезают из термообработанного листа, штампуют или получают из отливки. Режущую кромку затачивают фрезеровкой, иногда вальцовкой или в специальной штамповой оснастке. На острую кромку детали различными способами (преимущественно плазменными) наносится износостойкое покрытие. Решением проблем, связанных с сокращением потерь металла при фрезеровании и повышением ресурса работы деталей, является разработка новых технологий штамповки, обеспечивающих утонение режущих кромок в процессе самой штамповки с формированием в них элементов наноструктуры за счет образования упрочняющих вторичных фаз, закрепляющих дислокационную структуру, что способствует повышению прочности и износостойкости.
Применение в настоящем проекте для получения покрытий порошковых материалов, содержащих W, V, Mo и Cr, способствует повышению твердости до 65 HRC.

4. Для достижения поставленных в работе результатов необходимо было решить ряд научно-технических задач:
1. Создание нового поколения износостойких штампуемых сталей с пределом текучести 1200-1700 МПа на основе исследования структурообразования в процессе горячей пластической деформации при прокатке, термообработке и штамповке.
В настоящее время в РФ изделия, узлы, детали, оборудование, подверженные интенсивному износу, как правило, изготавливают из обычных высокопрочных сталей, например, 45, 65Г, Л93. Однако они не обладают достаточно высокими показателями прочности, твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Наиболее перспективными способом достижения перечисленных эксплуатационных характеристик являются среднеуглеродистые стали кремний-марганцевой композиции легирования (содержание Si и Mn не более 1.5%), которые могут дополнительно содержать хром, никель, молибден (каждый не более 1%), с возможностью микролегирования ниобием, бором или титаном. Важным технологическим достоинством этих сталей, которые легко прокатываются или штампуются при высоких температурах, является и то, что в нормализованном состоянии с умеренной прочностью они легко поддаются механической обработке.
2. Разработка технологии производства новых сталей, включающей:
- технологию выплавки среднеуглеродистых конструкционных сталей, микролегированных ниобием, бором или титаном;
- технологию прокатки листового проката на реверсивном стане;
- технологию термической обработки листового проката.
Технология выплавки определяет последовательность введения легирующих элементов, раскисляющих элементов и микролегирующих добавок для получения стали с высоким металлургическим качеством по содержанию вредных примесей, неметаллических включений и газов.
Технология прокатки обеспечивает создание мелкозернистой структуры благодаря выверенным режимам и сбалансированному химическому составу, позволяющим реализовать протекание процессов статической рекристаллизации в междеформационных паузах при дробной прокатке.
Такие материалы обычно используются в закаленном (мартенситном) состоянии и легко обеспечивают требуемую прочность, но сохранение приемлемого уровня пластичности и вязкости может быть гарантировано лишь при тщательном выборе режимов закалки и последующего отпуска. Режимы низкого отпуска позволяют сохранить требуемые прочностные характеристики без снижения вязко-пластических свойств. Окончательная упрочняющая термообработка может проводиться на маломасштабных деталях, ранее полученных штамповкой и резанием из легкообрабатываемых заготовок.
3. Разработка технологии изготовления штампованных деталей, включающей:
-разработку технологических режимов горячей штамповки сталей;
-разработку упрочняющей термической обработки штампованных деталей.
-разработку и изготовление новых штамповых оснасток с целью оптимизации конструкций тяжело-нагруженных деталей.
Режимы горячей штамповки выбраны таким образом, чтобы способствовать протеканию статической рекристаллизации до выемки детали из штампа, что формирует исходную перед термической обработкой мелкозернистую структуру, наследуемую конечной структурой термообработанной детали.
Данное технологическое решение является также наиболее эффективным способом утонения режущей кромки деталей рабочих органов почвообрабатывающих машин, что позволяет исключить трудоемкую и затратную процедуру фрезерования.
4. Разработка технологий нанесения износостойких покрытий методами лазерного и плазменного напыления на основе исследований влияния состава покрытий и режимов обработки на эксплуатационную стойкость деталей.
Повышение твердости покрытий до значений 65 HRC при лазерной наплавке обеспечивается за счет выбора состава порошкового материала, мощности излучения лазера и скорости сканирования.
При плазменной наплавке твердость покрытий обеспечивается до значений 64 HRC за счет использования специально разработанной технологии плазменно-порошковой дуговой наплавки в среде сжатого воздуха.
5. Повышение ресурса деталей более, чем в 5 раз при натурных испытаниях в полевых условиях будет достигнуто в результате реализованных технологий получения штампованных деталей с износостойким покрытием.
6. Разработка технической и технологической документации на производство деталей почвообрабатывающих, посевных кормоуборочных, овощеуборочных и других сельхозмашин осуществляется как применительно к лабораторному оборудованию, так и к оборудованию Индустриального партнера.

Основным риском при выполнении проекта является получение отклонений от заявленных показателей конечных свойств разрабатываемых материалов и технологий. Способом минимизации таких рисков является: использование имеющегося научного задела; непрерывная корректировка заданий с учетом полученных результатов и анализа отечественного и зарубежного опыта на текущий период времени; учет технологических возможностей оборудования, максимальное его использование, проведение его модернизации и дооснащения в необходимых масштабах.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Областью применения полученных результатов является сельскохозяйственное машиностроение, а именно износостойкие детали рабочих органов почвообрабатывающих, посевных кормоуборочных, овощеуборочных и других сельхозмашин. Кроме того, результаты ПНИ будут способствовать развитию смежных отраслей: механизация лесного хозяйства, механизация коммунального хозяйства, дорожного машиностроения, строительной отрасли и др.

2. Результаты, полученные по завершению проекта, будут внедрены на ОАО Ремонтно-техническом предприятии "Петровское" (Ставропольский край, Петровский район, г. Светлоград.), которое является Индустриальным Партнером по проекту. Кроме того, рассматриваются другие предприятия, заинтересованные во внедрении новых износостойких материалов и технологий производства штампованных деталей сельскохозяйственного назначения.

3. Результаты предлагаемой НИР могут быть использованы для проведения опытно-конструкторских и опытно-технологических, в том числе внедренческих, работ, направленных на создание отечественного конкурентоспособного опытно-промыщленного производства износостойких деталей с повышенными эксплуатационными характеристиками в различных отраслях (сельское, дорожное, лесное и коммунальное хозяйство, сельхозмашиностроение и др.).
Учитывая, что потребность в деталях для почвообрабатывающих машин (долото, лемех, нож, лапа культиватора и др.) составляет более 7 млн. шт. деталей в год, перспективы коммерциализации разработки весьма существенны. В рамках ПНИ планируется разработка рекомендаций по внедрению разработанных материалов и технологических процессов изготовления и упрочнения ответственных нагруженных деталей сельхозмашин в отечественной промышленности, для малых и средних предприятий.
По экспертным оценкам, рынок сельскохозяйственной техники весьма стабилен, а парк машин значительно изношен и будет в ближайшие годы наращиваться для обеспечения национальной безопасности при снабжении населения продовольствием. В этой связи проблема импортозамещения, на которую и направлен настоящий проект, является особенной актуальной. Структура потребления износостойких деталей рабочих органов сельскохозяйственных машин будет изменена в сторону увеличения доли продукции отечественного производства.

4. Полученные новые научные знания в области создания новых марок износостойких сталей и технологических особенностей их обработки, твердосплавных покрытий и способов их нанесения могут быть использованы при решении ряда научно-практических задач, поставленных технологической платформой, по разработке нового поколения материалов с повышенными служебными свойствами и изучению теоретических основ их совершенствования, в частности, в триботехнике. Развитие исследований в рамках международного сотрудничества целесообразно для стран, заинтересованных в развитии сельского хозяйства (Китай, Индия, Бразилия, Аргентина, Белоруссия и др.).

Текущие результаты проекта:
К концу 2015 года получены следующие результаты:

1) Изготовлены экспериментальные плавки и образцы листового проката из новых сталей с пределом текучести 1200, 1500 и 1700 МПа. С положительными результатами выполнены исследовательские испытания экспериментальных образцов листового проката, которые показали соответствие требованиям, предъявленным техническим заданием, в частности, по прочностным характеристикам, характеристикам пластичности и ударной вязкости.
2) В соответствии с полученными данными по результатам испытаний и исследований опытных образцов листового проката разработан патент и подана заявка на изобретение №2015125002 от 24.06.2015г.
3) Изготовлены экспериментальные образцы износостойких покрытий, полученных плазменной и лазерной наплавкой. С положительными результатами выполнены исследовательские испытания экспериментальных образцов покрытий, которые полностью соответствуют предъявляемым требованиям, в том числе по твердости и прочности сцепления с основным металлом.
4) С положительными результатами выполнены стендовые испытания на износостойкость листового проката и покрытий, полученных плазменной и лазерной наплавкой.
5) Разработана упрочняющая термическая обработка новых сталей (закалка от температуры 900оС и отпуск при температурах 150-350оС в зависимости от марки стали) на основе изучения фазовых превращений при непрерывном охлаждении и карбидных превращений при нагреве под отпуск, исследования влияния режимов закалки и низкого отпуска на твердость и комплекс механических свойств листового проката толщиной 6-18 мм, а также на изменение структуры и характера разрушения образцов из разработанных сталей после закалки и низкого отпуска. Полученные данные позволили разработать режимы термической обработки разработанных сталей Б1200, Б1500 и Б1700 для внесения в технологические инструкции на изготовление штампованных заготовок.
6) Разработан комплект необходимой технической и технологической документации: технические условия на поставку сталей, комплект технологической документации на изготовление штампованных деталей, комплект технологической документации на нанесение износостойких покрытий, предусматривающий возможность изготовления новых высокопрочных сталей и изделий из них на широком спектре технологического оборудования, применяемого на отечественных предприятиях.
7) Изготовлены экспериментальные образцы штампованных заготовок и деталей из них. Завершается проведение исследовательских испытаний штампованных заготовок и деталей с нанесенным износостойким покрытием.
8) В рамках участия в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИ, представлено пять докладов по тематике проекта на различных российских и зарубежных конференциях и семинарах. Получен Диплом 2-ой степени с вручением серебряной медали в Конкурсе «Лучший инновационный проект и лучшая научно-техническая разработка года» в номинации «Лучший инновационный проект в области материалов и химических продуктов» в рамках Петербургской технической ярмарки.