Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка основ комплексной технологии производства проката новых многофазных наноструктурированных автолистовых сталей с улучшенным комплексом трудно сочетаемых служебных свойств, качественных характеристик, при снижении затрат

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
многофазные стали, стали с комплексной фазовой структурой, наноструктурирование, высокая прочность, двухфазные стали; стали с эффектом высокой пластичности, высокая пластичность, высокая прочность, прогрессивные высокопрочные автолистовые стали, новые типы термической обработки, феррито-мартенситная структура, автолистовые стали, фазовые превращения, физико-химические модели, металлургические технологии, ковшовая обработка, непрерывная разливка, прокатка.

Цель проекта:
1 Разработка, на основе управления формированием фазового состава, наноструктурного состояния, новых многофазных автолистовых сталей с комплексом стабильных и увеличенных до 3-х раз показателей прочности (временное сопротивление – до 2000 МПа), пластичности (относительное удлинение до 40%), других служебных свойств, для изготовления элементов транспортных средств и других объектов техники. 2 Обеспечение снижения энергетических и материальных затрат на 5-7%, металлоемкости изделий на 15-20%, повышение безопасности и ресурса эксплуатации изделий в 2-3 раза.

Основные планируемые результаты проекта:
1) Экспериментальные образцы:
а) горячекатаного листового проката многофазных наноструктурированных автолистовых сталей в количестве не менее 10 штук со следующими характеристиками: толщина 3,0 – 10,0 мм; ширина не менее 50 мм; масса одного образца не менее 0,3 кг; временное сопротивление 600-2000 МПа; предел текучести 600-1500 МПа; относительное удлинение 12 - 40%; предел выносливости 600 - 1300 МПа; способность к раздаче отверстия не менее 40 %; термическое упрочнение при сушке не менее 40 МПа; отношение предела текучести к временному сопротивлению 0,50-0,70; максимальная разница между минимальным и максимальным значением предела текучести для одного класса прочности не более 50 МПа; увеличение ресурса эксплуатации изделий и оборудования не менее чем в 2-3 раза; стойкость стали против локальной коррозии – стойкая; размер зерна феррита по ГОСТ 5639 не менее 10 балла; содержание неметаллических включений по ГОСТ 1778 не более 2 балла.
б) холоднокатаного и холоднокатаного термообработанного листового проката многофазных наноструктурированных автолистовых сталей в количестве не менее 10 штук каждого типа со следующими характеристиками: толщина 0,8 – 3,0 мм; ширина не менее 50 мм; масса одного образца не менее 0,1 кг; временное сопротивление 600-2000 МПа; предел текучести 600-1500 МПа; относительное удлинение: 12 - 40%; предел выносливости: 600 - 1300 МПа; коэффициент пластической анизотропии: не менее 0,5; способность к раздаче отверстия: не менее 40 %; термическое упрочнение при сушке: не менее 40 МПа; отношение предела текучести к временному сопротивлению: 0,50-0,70; максимальная разница между минимальным и максимальным значением предела текучести для одного класса прочности – не более 50 МПа; увеличение ресурса эксплуатации изделий и оборудования – не менее чем в 2-3 раза; стойкость стали к локальной коррозии – стойкая; размер зерна феррита по ГОСТ 5639- не менее 10 балла; содержание неметаллических включений по ГОСТ 1778 – не более 2 балла.
2) Лабораторный технологический регламент на выплавку, обработку, получение литой заготовки многофазных наноструктурированных автолистовых и сталей близкого химического состава.
3) Лабораторный технологический регламент на термодеформационную обработку многофазных наноструктурированных автолистовых сталей.
4) Лабораторный технологический регламент на холодную прокатку и термообработку многофазных наноструктурированных автолистовых сталей.
5) Экспериментальные образцы металла после выплавки и обработки расплава многофазных наноструктурированных сталей в количестве не менее 20 шт. со следующими характеристиками: масса одного образца – не менее 0,1 кг.; форма образца – цилиндрическая или коническая, диаметр – 15-35 мм; высота 10-50 мм.
6) Экспериментальные образцы металла от литой заготовки многофазных наноструктурированных автолистовых и сталей близкого химического состава в количестве не менее 10 шт. со следующими характеристиками: масса одного образца не менее 1 кг; форма образца параллелепипед, размер (20-30) х (80-350) х (20-30) мм; образцы должны отбираться большим размером перпендикулярно широким граням по центру, от краев и по ширине заготовки.
7) Методика выявления и определения количества фазовых и структурных составляющих в экспериментальных образцах горячекатаного, холоднокатаного и холоднокатаного термообработанного листового проката многофазных наноструктурированных автолистовых сталей, предназначенная для установления взаимосвязи между фазовым составом, структурным состоянием и комплексом служебных свойств стали и определения оптимальных показателей фазового состава и структурного состояния стали и обеспечивающая выполнение следующих основных параметров: максимальное содержание фазовой, структурной составляющей - 100%; определение содержания фазовой, структурной составляющей с точностью ± 0,5%; должна быть предусмотрена возможность изменения содержания фазовой, структурной составляющей в диапазоне от 0 до 100%.
8) Методика проведения испытаний стойкости экспериментальных образцов горячекатаного, холоднокатаного и холоднокатаного термообработанного листового проката многофазных наноструктурированных автолистовых сталей против локальной коррозии, предназначенная для получения адекватных сравнительных (различающихся более чем на 10 %) данных по скорости локальной коррозии в атмосферных условиях для сталей различного фазового состава и структурного состояния и обеспечивающая выполнение следующих основных параметров: минимальное значение потенциала при потенциодинамических испытаниях не менее минус 1 В; регулирование потенциала при потенциодинамических испытаниях с точностью ±0,001В; возможность изменения потенциала при потенциодинамических испытаниях в диапазоне не менее минус 1,0 до + 0,3 В.
9) Методика проведения испытаний стойкости экспериментальных образцов горячекатаного, холоднокатаного и холоднокатаного термообработанного листового проката многофазных наноструктурированных автолистовых сталей против общей коррозии, предназначенная для получения адекватных сравнительных (различающихся более чем на 5 %) данных по скорости общей коррозии в атмосферных условиях для сталей различного фазового состава и структурного состояния и обеспечивающая выполнение следующих основных параметров: максимальное значение массы испытываемого образца – 150,0 г; определение значения массы испытываемого образца с точностью ± 0,005 г; должна быть предусмотрена возможность изменения массы испытываемого образца в диапазоне от 0,5 до 150,0 г. минимальное значение прироста массы образца после 30-ти циклов испытаний – 0,005 г; определение значения прироста массы образца после 30-ти циклов испытаний с точностью ± 0,005 г; должна быть предусмотрена возможность изменения прироста массы образца после 30-ти циклов испытаний в диапазоне от 0,005 до 3,0 г.
10) Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей, и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.
11) Проект технического задания на проведение ОТР по теме: «Разработка эффективных промышленных технологий производства новых многофазных наноструктурированных автолистовых сталей с высоким и стабильным комплексом служебных свойств, качественных характеристик при снижении затрат».

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Основы промышленных технологий производства горячекатаного, холоднокатаного, в том числе термообработанного листового проката из новых многофазных автолистовых сталей с комплексом стабильных и увеличенных до 3-х раз показателей прочности (временное сопротивление – до 2000 МПа), пластичности (относительное удлинение до 40%), других служебных свойств, для изготовления элементов транспортных средств и других объектов техники.
Достижение предельно высокого и стабильного комплекса свойств, разрабатываемых многофазных наноструктурированных автолистовых сталей, впервые в мировой практике, будет осуществлено, не только традиционным путем получения определенного фазового состава и соотношения структурных составляющих, но и, прежде всего, за счет формирования объемной системы наноразмерных выделений избыточных фаз, контролирующей реализацию ряда дополнительных механизмов упрочнения стали. Это дополнительно создаст условия для использования более экономичной системы легирования стали, расширения сырьевой базы.
Таким образом, реализация указанного оригинального подхода позволит, не только достичь комплекса предельно высоких (увеличенных не менее чем в 1,5-3 раза) и стабильных трудно сочетаемых показателей прочности, пластичности, эксплуатационной надежности, качественных характеристик получаемого проката, опережающего мировой уровень, но и существенно снизит затраты на производство. В пользу сделанного заключения свидетельствует, в том числе, сопоставление показателей основных механических свойств разрабатываемого горячекатаного, холоднокатаного, в том числе термообработанного проката (предел текучести - 600-1500 МПа, временное сопротивление - 600-2000 МПа, относительное удлинение - 12-40%, предел выносливости - 600-1300 МПа, разброс прочностных свойств для 1 класса прочности - 40-50 МПа) с характеристиками лучших зарубежных (предел текучести – 450-750 МПа, временное сопротивление - 700-1100 МПа, относительное удлинение ≤15%, предел выносливости - 400-800, разброс прочностных свойств для 1 класса прочности ≥ 100 МПа) и отечественных аналогов (предел текучести – 300-450 МПа, временное сопротивление - 500-650 МПа, относительное удлинение ≤12%, предел выносливости - 300-400, разброс прочностных свойств для 1 класса прочности ≥ 100 МПа). Повышение прочности, предела выносливости приведет к снижению металлоемкости на 15-20%. За счет дополнительного повышения коррозионной стойкости стали, отсутствия требований по ограничению содержанию примесей будет обеспечено увеличение ресурса эксплуатации изделий в 2-3 раза, снижение затрат на производство на 5-7%.
Для достижения запланированного высокого комплекса свойств проката из многофазных автолистовых сталей будет использован оригинальный комплексный подход к анализу процессов, происходящих на всех этапах обработки (переделах) металла от выплавки, ковшовой обработки стали до получения готового проката. Он включает адекватные методы физико-химического моделирования и прогнозирования явлений и превращений в жидком и твердом металле, детальное исследование фазового состава, структурного состояния стали, неметаллических включений, выделений избыточных фаз с использованием оригинальных методик оптической и электронной микроскопии, локального рентгеноспектрального анализа, комплексное испытание коррозионной стойкости, механических и других служебных свойств. Дополнительно для прогнозирования формирования фазового состава и структурного состояния стали при деформации и последующем охлаждении, а также в процессе охлаждения после отжига будет использован метод построения термокинетических диаграмм полиморфного превращения аустенита при охлаждении.
С использование описанного подхода будут установлены неблагоприятные типы неметаллических включений, выделений избыточных фаз, фазовых, структурных составляющих, снижающих показатели комплекса свойств качественных характеристик производимого проката из многофазных наноструктурированных автолистовых сталей. И, напротив, будет найдены оптимальные показатели структурного состояния, включая наноразмерные выделения избыточных фаз, металла, обеспечивающие достижение запланированного комплекса свойств.
Полученные результаты послужат основой для разработки эффективных технологических приемов на всех этапах производства проката и определения оптимальных диапазонов значений параметров их реализации, а также химического состава стали для достижения необходимого структурного, наноструктурного состояния, обеспечивающего получение предельно высокого, превосходящего лучшие существующие аналоги, и стабильного комплекса свойств разрабатываемых сталей.
Наличие большого научного задела, коллектива высококвалифицированных исполнителей, необходимого исследовательского, технологического, контрольного и измерительного оборудования, тесная связь с Индустриальным партнером – ОАО «ММК», 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, техники, промышленности. Получаемые фундаментальные знания и установленные закономерности найдут широкое применение 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 прогрессивных многофазных автолистовых и других типов сталей и эффективных технологий их производства. Результаты теоретических и 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.
Полученные результаты послужат основой для разработки эффективных промышленных технологий и освоения производства на ОАО «ММК», ПАО «Северсталь», ОАО «НЛМК» и других металлургических предприятиях новых многофазных автолистовых сталей. Они будут использованы на отечественных и новых сборочных предприятиях автомобилестроения, машиностроения, строительной индустрии, в том числе Концерн «Тракторные заводы», ОАО «КАМАЗ», ОАО «УАЗ», ОАО «Кран», ОАО «АВТОВАЗ», для изготовления прогрессивными энерго- и ресурсосберегающими методами штамповки, гибки изделий, деталей и узлов транспортных средств, строительных, машиностроительных конструкций, других объектов техники.
В настоящее время потребность отечественных отраслей техники и промышленности в разрабатываемых прогрессивных многофазных автолистовых сталях составляет не менее 30-50 тысяч тонн в год, непрерывно возрастает и к 2018-2020 гг. увеличится более чем в 2 раза. Повышение, в результате выполнения работы, экономичности сталей существенного расширит область их применения и дополнительно увеличит объем потребления в 1,3-1,7 раза. Следует отметить, что разрабатываемые многофазные наноструктурированные автолистовые стали существенно превосходят существующие лучшие зарубежные аналоги по уровню и стабильности комплекса служебных свойств, при снижении затрат на производство. Поэтому, как сами стали, так и технология их производства характеризуются высоким уровнем патентоспособности и конкурентоспособности на мировом рынке. Возможна продажа лицензий и получение большого объема заказов от зарубежных потребителей.
Индустриальный партнер ОАО «ММК» заинтересован в разработке и освоении технологий производства новых многофазных наноструктурированных автолистовых сталей, что приведет к повышению доли высокотехнологической продукции, эффективности производства, созданию новых рабочих мест, повышению конкурентоспособных позиций на мировом рынке и ряду других социально значимых эффектов.

Текущие результаты проекта:
Установлены оптимальные значения технологических параметров выплавки, ковшовой обработки, непрерывной разливки и последующей термодеформационной обработки многофазных наноструктурированных автолистовых сталей, обеспечивающих:
- максимально высокую степень усвоения легирующих, микролегирующих компонентов, необходимую чистоту стали по вредным примесям, неметаллическим включениям;
- высокий уровень химической и структурной однородности, других характеристик металла непрерывнолитой заготовки;
- необходимый фазовый состав, структурное состояние, характеристики выделений избыточных фаз, наноструктурной составляющей.
Для создания, практически отсутствующей на настоящее время, сталеплавильной технология производства разработанных сталей с высоким содержанием до нескольких масс. % химически активных элементов, прежде всего, Si, Al, разработан ряд оригинальных приемов управления характеристиками неметаллических включений, путем целенаправленного выбора параметров присадки ингредиентов, шлакового режима, в том числе, двух схем отдачи алюминий содержащих материалов. Показана высокая эффективность использования раскисления стали Al, покровного шлака с отношением концентраций СаО/Al2O3 в пределах 1,2-1,4. Оптимальные значения скорости вытягивания слитка от 0,5 м/мин до 0,7 м/мин; превышения температуры металла в промежуточном ковше над температурой ликвидус 15-25 °C.
По разработанному, в соответствии с установленными закономерностями и параметрами, лабораторному технологическому регламенту на выплавку, обработку расплава, получение литой заготовки было изготовлено 32 экспериментальных образца металла после выплавки и обработки расплава многофазных наноструктурированных автолистовых сталей, в том числе 16 из проб металла, отобранных по расплавлению компонентов стали и 16 из проб металла, отобранных перед выпуском металла в изложницу, а также 16 экспериментальных образцов металла от литой заготовки многофазных наноструктурированных автолистовых и сталей близкого химического состава.
Как показали результаты исследовательских испытаний экспериментальных образцов металла после выплавки и обработки расплава, а также от литой заготовки, использование разработанных приемов и параметров позволяет достичь показателей степени усвоения легирующих, микролегирующих компонентов, чистоты стали по вредным примесям (азот ≤ 0,01%, водород ≤ 0,0004%), неметаллическим включениям (не более 2,0 балла по ГОСТ 1778-70), а также химической и структурной однородности металла литой заготовки, превышающих требования ТЗ и значения соответствующих характеристик для обычных низколегированных сталей.
Для достижения принципиального повышения (в 1,5 – 3 раза) комплекса свойств, разрабатываемых многофазных наноструктурированных автолистовых сталей, в дополнение к обычно применяемому методу получения определенного структурно-фазового состояния, использован оригинальный подход формирования объемной системы наноразмерных выделений избыточных фаз, контролирующей реализацию ряда дополнительных механизмов упрочнения и улучшения характеристик проката. Исходя из этих принципов разработаны перспективные составы - сталей систем легирования С-Mn-Сr-Si, C-Mn-Cr-Mo, С-Mn-Si-Al, C-Mn-Si-Cr-Ni, и микролегирования Ti-Nb-V. Впервые, установлено, что повышение содержаний Mn, Si, Cr, Ni, Al позволяет значительно (до 1,5-2 раза по сравнению с лучшими аналогами) повысить прочность, при сохранении пластичности и увеличенных до 3 раз показателях других служебных свойств. Установлено, что увеличение содержания углерода с 0,10 до 0,30% при дополнительном легировании Si или Al до 1,5 %, а также Сr, Ni приводит к повышению оптимальных значений температуры конца прокатки с 840-870°С до 880-920°С. Изменение значения температуры окончания ускоренного охлаждения в диапазоне от 400 до 200 оС приводит к повышению прочности стали за счет формирования мелкодисперсных структур. В зависимости от химического состава стали при снижении температуры происходит изменение образующихся структур в последовательности: феррит полигональный или квазиполигональный + бейнит, бейнит + ферритный бейнит + остаточный аустенит, бейнит + мартенсит + остаточный аустенит. Последующее проведение аустенитизации стали с ускоренным охлаждением и последующей низкотемпературной термической обработкой после высокотемпературной смотки позволяет повысить прочностные свойств за счет увеличения доли мартенсита до уровня - более 90% с небольшим содержанием остаточного аустенита, обеспечивающего повышение пластичности проката. Микролегирование стали позволяет повысить прочностные характеристики путем измельчения структуры и дисперсионного твердения за счет формирования карбонитридных выделений Nb, V, Ti размером 5 - 20 нм в α-фазе и 50 - 200 нм в γ-фазе. По результатам выполненных исследований установлены оптимальные типы структурных состояний металла для получения горячекатаного проката многофазных автолистовых сталей разных классов прочности, а именно: временное сопротивление 600 - 1000 МПа - феррит (10 и более балл зерна по ГОСТ 5639) + бейнит + остаточный аустенит; временное сопротивление 1000 – 1500 МПа - бейнит + мартенсит + остаточный аустенит; временное сопротивление 1500 - 2000 МПа - мартенсит или отпущенный мартенсит + остаточный аустенит.
Созданы методики испытаний стойкости разрабатываемых сталей против общей и локальной коррозии. Установлено значительное влияние структурного состояния стали (объемной доли мартенсита, бейнита, феррита) на интенсивность развития коррозионных процессов. Испытания стойкости сталей против локальной (питтинговой) коррозии, основаны на потенциодинамической поляризации образцов в течение 1300 с. от потенциала E = -1000 мВ со скоростью 1 мВ/с в электролите специального состава
(ph = 5) и определении максимальной достигаемой плотности тока [мА/см2], что обеспечивает получение адекватных сравнительных (различающихся более чем на 10 %) данных по скорости локальной коррозии в атмосферных условиях для сталей различного фазового состава и структурного состояния.
Испытания стойкости сталей против общей коррозии базируются на методе переменного погружения, а именно, погружении образца на 10 мин. в электролит с последующим пребыванием в течение 50 мин. в атмосфере воздуха. В качестве электролита использован водный раствор, содержащий ионы Mg2+ , Cl-, с водородным показателем – 5. Определение потери массы образца производится после 30 циклов погружения. При этом обеспечено получение адекватных сравнительных (различающихся более чем на 5 %) данных по скорости общей коррозии в атмосферных условиях для сталей различного фазового состава и структурного состояния. Установлено, что результаты испытаний по разработанным методикам хорошо согласуются с результатами испытаний по ГОСТ 9.911-89, при значительном сокращении временных и трудовых затрат, повышении точности, воспроизводимости, производительности измерений.
Создана комплексная методика выявления и определения количества фазовых и структурных составляющих в разрабатываемых сталях. Определение структурных составляющих, а также содержания остаточного аустенита производится методами оптической микроскопии после травления металлографического шлифа в растворах 4%HNO3 + (Na2S2O3 и K2S2O5) с различным соотношением компонентов в определенной последовательности. Определение содержания разных структурных составляющих производится с использованием металлографических методов секущих. Количества выделений избыточных фаз разных типов и дисперсности определяется по результатам исследований с использованием сканирующей, просвечивающей электронной микроскопии, локального рентгеноспектрального анализа. По результатам выполненных контрольных экспериментов показано, что использование такого алгоритма и методических приемов позволяет в полном диапазоне составов от 0 до 100% определять содержание всех фазовых и структурных составляющих с точностью ± 0,5%.
По результатам исследовательских испытаний и дополнительно выполненных исследований полученных 20 экспериментальных образцов горячекатаного листового проката из многофазных наноструктурированных автолистовых сталей разработанных 7 составов установлено достижение требований технического задания к механическим и другим служебным свойствам экспериментальных образцов, а также к технологии их производства. Исследование структурного и фазового состава экспериментальных образов горячекатаного листового проката из многофазных наноструктурированных автолистовых сталей подтвердило, что для получения разных уровней прочностных свойств оптимальными являются следующие структурные состояния: временное сопротивление 600 - 1000 МПа - феррит (10 и более балл по ГОСТ 5639) + бейнит + остаточный аустенит; временное сопротивление 1000 - 1500 бейнит + мартенсит + остаточный аустенит; временное сопротивление 1500 - 2000 МПа мартенсит или отпущенный мартенсит + остаточный аустенит.
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 4,1 млн. руб. Доля исследователей в возрасте до 39 лет в общей численности исследователей - участников проекта составила 55,2%, превышая требования ТЗ – 34,4%, а средний возраст участников проекта 43,3 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 многофазным наноструктурированным автолистовым сталям.
Разрабатываемые многофазные наноструктурированные автолистовые стали, а также технологии их производства обладают высокой степенью новизны на мировом уровне, а используемые принципы их создания не имеют аналогов в мире.