Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка основ комплексной технологии производства новых высокопрочных сталей для изготовления ответственных деталей и узлов транспортной, строительной, горнодобывающей и других видов техники прогрессивными методами горячей штамповки, обеспечивающих увеличение эффективности и ресурса эксплуатации до 3 раз при общем снижении затрат и металлоемкости до 20%

Номер контракта: 14.579.21.0005

Руководитель: Зайцев Александр Иванович

Должность: директор Центра физической химии, материаловедения, биметаллов и специальных видов коррозии (ЦФМК)

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
экономнолегированные хорошо свариваемые высокопрочные стали, горячая штамповка, обработка жидкого, твердого металла, прочность, пластичность, коррозионная стойкость, хладостойкость, физико-химические модели, наноструктурная составляющая, комплексная технология, тяжело нагруженные элементы техники, эксплуатационная надежность, горячекатаный, холоднокатаный, холоднокатаный покрытый прокат.

Цель проекта:
1. Повышение надежности, ресурса эксплуатации, снижение массы, металлоемкости, стоимости ответственных деталей транспортной, строительной, горнодобывающей и других видов техники, эксплуатируемой, в том числе, в сложных природно-климатических условиях. Создание принципиально новых высокоэффективных объектов техники 2. Разработка основ комплексной технологии производства горячекатаного, холоднокатаного и холоднокатаного покрытого проката из новых высокопрочных сталей и изготовления прогрессивными методами горячей штамповки ответственных деталей транспортной, строительной, горнодобывающей и других видов техники с уникальным сочетанием увеличенных до 3 раз показателей прочностных характеристик (временное сопротивление – до 2200 Н/мм2, предел текучести – до 1900 Н/мм2), хладостойкости (ударная вязкость KCU-60°C - более 98 Дж/см2), коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности, при высокой пластичности, технологичности, свариваемости, снижении массы, металлоемкости, общих затрат на производство до 20%.

Основные планируемые результаты проекта:
1) Лабораторный технологический регламент на выплавку и горячую прокатку сталей закаливаемых при штамповке.
2) Экспериментальные образцы горячекатаного проката из сталей, закаливаемых при штамповке в количестве не менее 10 шт. со следующими характеристиками: масса образца не менее 0,8 кг; толщина проката 3-18 мм; относительное удлинение (при 900оС) - более 40 %, (при 20 оС) - более 5 %; ударная вязкость KCU-60°C - более 98 Дж/см2; содержание неметаллических включений – не более балла 1,5 по ГОСТ 1778-70; содержание коррозионно-активных неметаллических включений не более 2 вкл./мм2; стойкость стали против локальной коррозии – стойкая..
3) Лабораторный технологический регламент на холодную прокатку, термическую обработку, сталей, закаливаемых при штамповке.
4) Лабораторный технологический регламент на холодную прокатку, термическую обработку с нанесением покрытий, сталей, закаливаемых при штамповкеэ
5) Экспериментальные образцы холоднокатаного, в том числе покрытого проката, в количестве не менее 10 шт. каждого типа со следующими характеристиками: масса образца не менее 0,5 кг; толщина проката 0,5-6 мм; относительное удлинение (при 900 оС) - более 40 %, (при 20 оС) - более 5 %; ударная вязкость KCU-60°C - более 98 Дж/см2; содержание неметаллических включений – не более балла 1,5 по ГОСТ 1778-70; стойкость стали против локальной коррозии – стойкая.
6) Лабораторный технологический регламент на изготовление изделий из горячекатаного проката методами горячей штамповки.
7) Лабораторный технологический регламент на изготовление изделий из холоднокатаного и холоднокатаного покрытого проката методами горячей штамповки.
8) Экспериментальные образцы изделий из горячекатаного, холоднокатаного и холоднокатаного покрытого проката, полученные методами горячей штамповки в количестве не менее 30 шт. (не менее 10 шт. из проката каждого типа) со следующими характеристиками: масса образца не менее 0,5 кг; толщина проката 0,5-6 мм; временное сопротивление не менее 2200 Н/мм2; предел текучести не менее 1900 Н/мм2; относительное удлинение (при 900 оС) - более 40 %, (при 20 оС) - более 5 %; ударная вязкость KCU-60°C - более 98 Дж/см2; содержание неметаллических включений – не более балла 1,5 по ГОСТ 1778-70; стойкость стали против локальной коррозии – стойкая; снижение массы и металлоемкости изделий на (15-20)%; увеличение ресурса эксплуатации изделий в (2-3) раза.
9) Проект технического задания на проведение ОТР по теме: «Разработка промышленных технологий производства горячекатаных и холоднокатаных высокопрочных сталей для изготовления ответственных деталей транспортной, строительной, горнодобывающей и других видов техники прогрессивными методами горячей штамповки, обеспечивающих увеличение эффективности и ресурса эксплуатации до 3 раз при общем снижении затрат и металлоемкости до 20%».

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Основы промышленных технологий производства горячекатаного, холоднокатаного, в том числе покрытого, проката из новых высокопрочных сталей для изготовления ответственных деталей транспортной, строительной, горнодобывающей и других видов техники прогрессивными методами горячей штамповки с уникальным сочетанием увеличенных до 3 раз показателей прочностных характеристик (временное сопротивление – не менее 2200 Н/мм2), коррозионной стойкости, хладостойкости, других служебных свойств, при общем снижении затрат и металлоемкости до 20%.
В отличие от используемого а настоящее время в мире подхода, направленного на закалку после аустенизации, как правило, средне- и высокоуглеродистых сталей, на мартенситную структуру, уникальный комплекс свойств металла готовых изделий будет достигнут путем разработки и использования ряда принципиально новых научных, технических и технологических решений:
- значительное повышение прочностных характеристик, при сохранении пластичности металла изделий за счет формирования объемной системы наноразмерных выделений избыточных фаз, получения заданных показателей дисперсности и однородности структуры исходного проката, обеспечивающих в достаточной степени стабилизацию аустенита перед штамповкой с одновременной закалкой и получение мелкодисперсной мартенситной структуры;
- увеличение хладостойкости, коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности - за счет предотвращения образования определенных неблагоприятных типов неметаллических включений, управления формами присутствия примесей;
- повышение технологичности, свариваемости – за счет использования оригинальной системы легирования, обеспечивающей стабилизацию аустенита при снижении содержания углерода – низкоуглеродистый мартенсит;
- снижение массы, металлоемкости, общих затрат на производство – за счет повышения прочности, коррозионной стойкости, использования более экономичной системы легирования, уменьшения поперечного сечения изделий, отсортировки по дефектам металла.
Разрабатываемые горячекатаные, холоднокатаные, в том числе покрытые, стали позволят достичь в металле изделий, получаемых методами горячей штамповки, увеличенный до 3 раз комплекс служебных свойств, по сравнению с характеристиками лучших зарубежных и отечественных аналогов (последовательно указаны в скобках): временное сопротивление - не менее 2200 (1300-1500, 900-1100) Н/мм2; предел текучести не менее 1900 (1100-1300, 700-900) Н/мм2; относительное удлинение (при 900 оС) - более 40 (25-30, 20-25)%, (при 20 оС) - более 5 (3-4, 2-3) %; ударная вязкость KCU-60°C - более 98 (30, 30) Дж/см2; стойкость стали против локальной коррозии – стойкая (не стойкая, не стойкая); свариваемость – удовлетворительная (отсутствует или ограничена, отсутствует или ограничена).
Достижение заявленных результатов проекта основано на разработке и использовании оригинальных физико-химических методов прогнозирования и эффективных технологических приемов управления структурным состоянием и комплексом свойств металла на всех стадиях производства горячекатаного, холоднокатаного, в том числе покрытого, проката, аустенизации стали и последующей штамповки, совмещенной с закалкой. В том числе на стадии выплавки и обработки жидкого металла управление процессами формирования и эволюции неметаллических включений обеспечит достижение общего низкого содержания неметаллических включений - не более балла 1,5 по ГОСТ 1778-70, так и, особенно, их неблагоприятных типов. Управление выделениями избыточных фаз при горячей прокатке стали, термообработки холоднокатаного проката обеспечит формирование определенной дисперсности и высокой однородности микроструктуры стали, заданного состояния твердого раствора. Это при аустенизации стали, как предотвратит рост зерна аустенита и приведет к получению мелкодисперсной мартенситной структуры металла, так и обеспечит формирование объемной системы наноразмерных карбонитридных и других фазовых выделений и, соответственно, дополнительное упрочнение стали.
Наличие большого научного задела, коллектива высококвалифицированных исполнителей, необходимого исследовательского, технологического, контрольного и измерительного оборудования, тесная связь с Индустриальным партнером – ПАО «Северсталь», другими производственными и научными организациями позволяет оценить риски не достижения поставленной цели и неполучения запланированных результатов, как минимальные.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты выполненных исследований, будут иметь большое значение для развития, как фундаментальных, так и прикладных областей науки. Установленные закономерности, получаемые фундаментальные знания найдут широкое использование в ведущих университетах, научных центрах России, в том числе НИТУ МИСиС, МВТУ им Н.Э. Баумана, ЦНИИ КМ «Прометей», МГУ им. М.В.Ломоносова, ИМЕТ РАН, КИАЭ, и др., для разработки новых сталей, закаливаемых при штамповке, других металлических материалов, а также эффективных технологий их производства. Результаты исследования, моделирования и расчета металлургических процессов, а также экспериментальных исследований будут использованы в образовательном процессе, в том числе, для чтения лекций по химической термодинамике материалов, физической химии металлургических процессов, физике конденсированного состояния, материаловедению и другим дисциплинам в ЦНИИчермет им. И.П. Бардина, МГУ им. М.В. Ломоносова, а также на предприятиях отечественного металлургического комплекса.
Разработанные технологии будут использованы в условиях индустриального партнера - ПАО «Северсталь» и на других предприятиях металлургического комплекса РФ для производства листового проката из новых закаливаемых при горячей штамповке сталей. Производимый прокат будет использован на отечественных предприятиях автомобилестроения, машиностроения и других отраслей промышленности, в том числе, ОАО «КамАЗ», группа компаний «ИНСАЮР», ОАО «Уралвагонзавод», концерн «Тракторные заводы», новые автосборочные заводы, для изготовления ответственных деталей различных объектов техники, в том числе эксплуатируемой в сложных природно-климатических условиях, с повышенным в 2-3 раза комплексом свойств, при снижении массы, металлоемкости, общих затрат на производство до 20%.
Суммарная потребность в разрабатываемых сталях в настоящее время составляет не менее 50 тысяч тонн в год, быстро возрастает и к 2017-2020 гг. составит не менее 90-100 тысяч тонн в год. За счет принципиального повышения комплекса свойств и экономичности стали, возможно дополнительное расширение сферы потребления до 150 тысяч тонн в год.
Разрабатываемые технологии и стали по сочетанию прочностных, пластических свойств, коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности, хладостойкости обладают новизной, не только в РФ, но и за рубежом. Потому возможны поставки зарубежным потребителям, продажа лицензий.

Текущие результаты проекта:
- Установлены основные закономерности изменения характеристик неметаллических включений, фазовых выделений, ключевые процессы при обработке металла, контролирующие структурное состояние и свойства горячекатаных сталей для горячей штамповки. Показано, что для достижения требуемого содержания неметаллических включений (≤1,5 балла по ГОСТ 1778, коррозионно-активных ≤2 вкл./мм2) необходимо обеспечить эффективное модифицирование и удаление продуктов рафинирования стали, что достигается при использовании установленных оптимальных параметров (последовательность, дробность) присадки материалов, шлакового режима. Напротив, при горячей прокатке – необходимо создать условия для формирования субмикронных и наноразмерных выделений, обеспечивающих получение определенной дисперсности структуры (номер зерна 10-11 по ГОСТ 5639) и дисперсионное твердение. Установлено, что путем управлением формированием карбонитридных выделений при горячей прокатке можно дополнительно существенно повысить однородность состава, структуры и свойств по объему металла, таким образом, нивелируя недостатки непрерывно литого слитка. При этом ключевым технологическим параметром, контролирующим обратной перераспределение элементов является температура начала прокатки в чистовой группе клетей, оптимальное значение которой составляет 950-1000°C для низкоуглеродистых сталей и возрастает при увеличении содержания углерода.
- Установлены оптимальные параметры химического состава борсодержащих и сконструированных по принципу низкоуглеродистых мартенситных сталей легированных Si-Mn-Cr-Ni и микролегированных Si-Mn-Cr-Ni с содержанием углерода от 0,08-0,11 до 0,27-0,30%, а также сквозной технологии получения горячекатаного проката, для изготовления методом горячей штамповки изделий разных категорий прочности (временное сопротивление до 2200 МПа).
- На основании результатов исследовательских испытаний и дополнительно выполненных исследований полученных 14 экспериментальных образцов горячекатаного проката разного состава показано, что увеличение содержания углерода в стали с 0,08 до 0,30% приводит к закономерному повышению оптимальных значений температуры конца прокатки с 820-840°С до 830-870°С, при снижении температуры смотки с 560-600 °С до 540-560°С. Это обеспечивает достижение на разработанных химических составах требований технического задания к механическим свойствам горячекатаного проката: относительное удлинение (при 900 оС) - более 40 %, (при 20 оС) - более 5 %; ударная вязкость KCU-60°C более 98 Дж/см2, при получении в металле готовых изделий всех классов прочности, включая временное сопротивление – более 2200 Н/мм2; предел текучести - более 1900 Н/мм2, уникального комплекса увеличенных до 3 раз показателей служебных свойств, по сравнению с лучшими зарубежными и отечественными аналогами.
- Установлены закономерности влияния процессов рекристаллизации, фазовой перекристаллизации, образования и растворения карбонитридных и других типов выделений при непрерывном, в том числе с нанесением покрытий, и в колпаковых печах отжиге на получаемый комплекс свойств и структурное состояние холоднокатаного проката. Установлены преимущества и оптимальный диапазон температур 600-650 оС и других параметров отжига в колпаковых печах, а также алюмокремниевых покрытий для разработанных двух типов борсодерджащих и построенных по принципу низкоуглеродистых мартенситных сталей, закаливаемых при штамповке. Установлена возможность совмещения в едином цикле процессов рекристаллизации, аустенизации, штамповки и закалки холоднокатаного проката с получением увеличенного до 3 раз комплекса свойств металла готовых изделий для всех классов прочности.
- По результатам исследовательских испытаний и дополнительно выполненных исследований полученных 20 экспериментальных образцов холоднокатаного, в том числе покрытого проката (по 10 шт. каждого типа) с содержанием углерода от 0,08 до 0,30% подтверждено достижение на разработанных химических составах требований технического задания к механическим свойствам: относительное удлинение (при 900 оС) - более 40 %, (при 20 оС) - более 5 %; ударная вязкость KCU-60°C - более 98 Дж/см2 и получение для металла готовых изделий всех классов прочности, включая временное сопротивление – более 2200 Н/мм2; предел текучести - более 1900 Н/мм2, увеличенных до 3 раз показателей служебных свойств по сравнению с лучшими зарубежными и отечественными аналогами. Показаны преимущества использования холоднокатаного не отожжённого проката для изготовления изделий методами горячей штамповки, что сопряжено с дополнительным снижением затрат.
- По результатам исследований и разработок в 2015 г. опубликовано 2 статьи в научных журналах, индексируемых в базе данных Scopus или в базе данных "Сеть науки" (WEB of Science), подана 1 патентная заявка. Для проведения исследований использовали УНУ «Молекулярный пучок», были привлечены внебюджетные средства в размере более 15,0 млн. руб. Доля исследователей в возрасте до 39 лет в общей численности исследователей - участников проекта составила 51,4%, превышая требования ТЗ – 35,4%, а средний возраст участников проекта 45,1 лет, превышая требования ТЗ – 46 лет.
- Выполненные разработки и полученные результаты имеют большое значение для многих отраслей науки, техники и свидетельствуют о правильности выбранного направления исследований и возможности достижения требований технического задания к разрабатываемым горячекатаным, холоднокатаным, в том числе покрытым, сталям, закаливаемым при штамповке.
- Разрабатываемые горячекатаные, холоднокатаные, в том числе покрытые, стали, закаливаемые при штамповке, а также технологии их производства обладают высокой степенью новизны на мировом уровне, а используемые принципы их создания не имеют аналогов в мире.