Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка эффективной технологии производства круглого проката из специальных легированных сталей с гарантированной группой холодной осадки для автомобильного крепежа с увеличенными до 1,5-2 раз показателями надежности, долговечности, качественных характеристик, при импортозамещении, общем снижении затрат до 15%.

Номер контракта: 14.625.21.0032

Руководитель: Зайцев Александр Иванович

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

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
специальные легированные стали, круглый сортовой прокат, холодная осадка, автомобильный крепеж, комплексная технология производства, служебные свойства, технологические свойства, качественные характеристики, эксплуатационная надежность, дефекты поверхности, неметаллические включения, примеси, обезуглероживание, физико-химические модели, химический состав, структурное состояние.

Цель проекта:
1. Повышение эксплуатационной надежности, долговечности, снижение металлоемкости, стоимости крепежных и других ответственных изделий, производимых прогрессивными методами объемной холодной штамповки, для автомобилестроения, машиностроения и других отраслей промышленности и техники. 2. Разработка основ комплексной технологии производства круглого проката диаметром до 32 мм из специальных легированных (хромом, никелем, молибденом, серой и другими элементами) сталей (марок типа 38ХГНМ, 41Х1, 12ХН и других) с гарантированной группой холодной осадки 66 и 66Т для изготовления автомобильного крепежа и других ответственных изделий с увеличенными в 1,5-2 раза показателями надежности, долговечности, качественных характеристик при импортозамещении, общем снижении затрат до 15%.

Основные планируемые результаты проекта:
1) Лабораторный технологический регламент на выплавку, обработку жидкого металла и литье заготовок из специальных легированных сталей.
2) Экспериментальные образцы литых заготовок из специальных легированных сталей в количестве не менее 10 шт. со следующими характеристиками: масса образца – не менее 0,3 кг; форма образца – параллелепипед: ширина – 40 -70 мм, длина 50 – 180 мм, высота 3 – 20 мм; содержание коррозионно-активных неметаллических включений - не более 2 вкл./мм2.
3) Лабораторный технологический регламент получения круглого проката диаметром до 32 мм из специальных легированных (хромом, никелем, молибденом, серой и другими элементами) сталей (марок типа 38ХГНМ, 41Х1, 12ХН и других) с гарантированной группой холодной осадки 66 и 66Т.
4) Экспериментальные образцы круглого проката диаметром до 32 мм из специальных легированных (хромом, никелем, молибденом, серой и другими элементами) сталей (марок типа 38ХГНМ, 41Х1, 12ХН и других) с гарантированной группой холодной осадки 66 и 66Т и следующими характеристиками: временное сопротивление 350-1400 Н/мм2, предел текучести 300-1200 Н/мм2; относительное сужение 55-65%, относительное удлинение 10-25%; отсутствие зон полного обезуглероживания, глубина поверхностных дефектов, в том числе зон локального частичного обезуглероживания - не более 1% от величины диаметра (толщины).
5) Проект ТЗ на проведение ОТР: «Разработка и освоение промышленной технологии производства круглого проката диаметром до 32 мм из специальных легированных (хромом, никелем, молибденом, серой и другими элементами) сталей (марок типа 38ХГНМ, 41Х1, 12ХН и других) с гарантированной группой холодной осадки 66 и 66Т для изготовления автомобильного крепежа и других ответственных изделий с увеличенными до 1,5-2 раз показателями надежности, долговечности, качественных характеристик при импортозамещении, общем снижении затрат до 15%», включающие технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции круглого проката из специальных легированных сталей с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера – Открытое акционерное общество «Магнитогорский металлургический комбинат» (далее ОАО «ММК»).

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Основы комплексной технологии производства круглого проката диаметром до 32 мм из специальных легированных (хромом, никелем, молибденом, серой и другими элементами) сталей с гарантированной группой холодной осадки 66 и 66Т и высоким комплексом технологических служебных свойств: временное сопротивление до 1200-1400 МПа; предел текучести до 1000-1200 МПа; относительное удлинение до 10-15 %; относительное сужение – более 55-60 %, твердость — 30-35 HRC, качественных характеристик: отсутствие зон полного обезуглероживания; поверхностных дефектов глубиной более 1 % от диаметра, высокая степень однородности состава, структуры и свойств по объему металла. Это позволит изготавливать крепежные и другие ответственные изделия с принципиально улучшенными в 1,5-2 раза показателями эксплуатационной надежности, долговечности, при снижении металлоемкости, затрат на производство до 15%, в том числе, за счет исключения необходимости проведения специальной термической обработки проката перед производством изделий методами объемной холодной штамповки.
Разработка основ технологии производства круглого поката из специальных легированных сталей с принципиально улучшенными показателями служебных свойств, качественных характеристик будет базироваться на ряде новых, не использовавшихся ранее, подходов:
- получение необходимого структурного состояния, комплекса свойств, качественных характеристик металла путем разработки и использования оригинальных физико-химических методов прогнозирования и эффективных технологических приемов управления процессами формирования неметаллических включений, фазовых выделений, структурных составляющих, содержанием и формами присутствия примесей на всех стадиях производства круглого проката из специальных легированных сталей;
- обеспечения повышения стойкости к различным видам коррозионного и коррозионно-механического разрушения, хладостойкости, надежности, долговечности стали за счет предупреждения образования определенных неблагоприятных типов неметаллических включений, фазовых выделений, форм присутствия примесей, получения заданного и однородного по объему состава и структурного состояния металла;
- обеспечения высоких показателей способности стали к холодной осадке, не только за счет повышения качества поверхности, снижения количества дефектов, но и получения определенного структурного состояния металла;
- исключения необходимости проведения специальной термической обработки перед изготовлением изделий методами холодной объемной штамповки за счет получения стабильных и однородных по поперечному сечению проката показателей состава, структурного состояния, технологических, служебных свойств стали.

По ряду показателей служебных свойств, качественных характеристик разрабатываемый круглый прокат из специальных легированных сталей сопоставим с лучшими мировыми аналогами: гарантированная группа холодной осадки - 66 и 66Т; отсутствие зон полного обезуглероживания; поверхностных дефектов глубиной более 1 % от диаметра; а по ряду величин ключевых трудно сочетаемых свойств - временного сопротивления, предела текучести, относительного удлинения и относительного сужения - до 1400 Н/мм2, 1200 Н/мм2, 25 % и 65 %, соответственно, имеет место существенное превосходство над характеристиками лучших мировых аналогов - 1200 Н/мм2, 1000 Н/мм2, 20% и 55-60%, соответственно. Кроме того, такая важная, особенно, для эксплуатации в сложных природно-климатических условиях служебная характеристика проката, как стойкость против локальной коррозии, для лучших зарубежных аналогов соответствует категории – удовлетворительно стойкий, отечественных аналогов - не стойкий, в то время, как разрабатываемый прокат будет соответствовать категории – стойкий. Дополнительное, не мало важное преимущество разрабатываемого проката состоит в получении более однородного по объему металла состава, структуры и свойств, повышающее технологичность проката.
С целью достижения указанного высокого комплекса свойств, качественных параметров, впервые, будет проведено детальное систематическое исследование влияния на их показатели характеристик неметаллических включений, фазовых выделений, содержания и форм присутствия примесей. Для этого будет использован оригинальный комплексный подход. Он включает адекватные методы термодинамического, физико-химического прогнозирования условий образования и стабильности неметаллических включений, фазовых выделений, форм присутствия примесей, определение их типа, количества, размера, морфологии, распределения по объему металла методами оптической и электронной микроскопии, локального рентгеноспектрального анализа, комплексные испытания коррозионной стойкости, механических и других служебных свойств, качественных характеристик проката. На основании полученных результатов, впервые, будут установлены неблагоприятные типы неметаллических включений, фазовых выделений, форм присутствия примесей, приводящие к возникновению дефектов металла, снижению технологических, служебных свойств, включая способность к холодной осадке, сформулированы требования к допустимому их содержанию. И, напротив, будет установлены благоприятные параметры структурного состояния металла, обеспечивающие получение высокого комплекса технологических, служебных свойств, качественных характеристик проката. Выполненное исследование и анализ процессов, протекающих на всех стадиях производства проката, позволит разработать эффективные технологические приемы и оптимальные диапазоны значений параметров их реализации, а также химического состава стали для достижения запланированных показателей комплекса свойств и качества круглого проката из специальных легированных сталей. При этом высокие показатели способности стали к холодной осадке будут обеспечены не только за счет повышения качества поверхности и снижения количества дефектов, но и получения определенного структурного состояния стали.
Имеющийся большой научный задел, высокая квалификация коллектива исполнителей, наличие необходимой материально-технической базы, включающей современное исследовательское оборудование, многолетнее сотрудничество с Индустриальным партнером – ОАО «ММК», другими металлургическими предприятиями и научно-исследовательскими организациями позволяет оценить риски не достижения поставленной цели и не получения 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 нового поколения сортового проката из специальных легированных и других типов сталей, 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 во ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», МГУ им. М.В.Ломоносова, а также на предприятиях отечественного металлургического комплекса.
Достижение запланированных результатов ПНИЭР обеспечит формирование научно-технического задела, необходимого для последующего создания и промышленного освоения производства, в условиях Индустриального партнера - ОАО «ММК» и других предприятий отечественного металлургического комплекса, в том числе ПАО «Северсталь», ОАО «ОЭМК», круглого горячекатаного проката из специальных легированных сталей, который по уровню качественных характеристик и служебных свойств будет не уступать, а по ряду позиций существенно опережать, лучшие зарубежные аналоги. Суммарная потребность в разрабатываемом прокате, в настоящее время, составляет не менее 30 - 40 тысяч тонн в год, быстро возрастает и к 2018-2020 гг. составит не менее 100-120 тысяч тонн в год. Этому будет способствовать повышение уровня и стабильности комплекса технологических, служебных свойств, качественных характеристик проката, адаптированных, именно, к сложным природно-климатическим условиям России. Только на металлургическом переделе за счет снижения затрат на производство в результате уменьшения или полного исключения отсортировки проката по показателям холодной осадки, дефектам металла, использования более экономной системы легирования, технологии обработки металла, при существующем объеме потребления, достигаемый экономический эффект превысит 150-200 млн. рублей в год. Изготавливаемые из разработанного проката эффективными и производительными методами холодной объемной штамповки высокопрочные крепежные и другие ответственные изделия будут обладать, кроме, соответствующим мировому уровню, высоким комплексом механических свойств, принципиально улучшенными в 1,5-2 раза показателями эксплуатационной надежности, долговечности, при снижении металлоемкости, затрат на производство до 15%. За счет получения стабильных и однородных по поперечному сечению проката показателей состава, структурного состояния, технологических, служебных свойств стали, будут созданы условия для исключения необходимости проведения специальной термической обработки перед изготовлением изделий методами холодной объемной штамповки. Это даст дополнительную экономию энергетических и материальных ресурсов.
Производимые крепежные и другие ответственные изделия из разработанного проката будут использованы на предприятиях отечественного автомобилестроения, машиностроения, в том числе, ОАО «АВТОВАЗ», ОАО «КАМАЗ», ОАО «УАЗ», Группа «ГАЗ», ОАО «БАЗ», ОАО «Тракторные заводы», ОАО «Уралвагонзавод», новых автосборочных заводах, а также на других предприятиях по производству различных объектов промышленной и бытовой техники, строительной индустрии. Отказ от использования дорогостоящей импортной металлопродукции приведет к существенному экономическому эффекту, достигающему до 5 – 7 млрд. рублей в год. Дополнительно будет достигнут значительный технический и экономический эффект за счет замены мало прочных на высокопрочные, надежные крепежные и другие ответственные изделия в отечественном автомобилестроении, машиностроении, транспорте, строительной индустрии и других отраслях техники и промышленности. Использование инновационной металлопродукции приведет к повышению эксплуатационной надежности, долговечности, снижению металлоемкости, затрат, позволит создать принципиально новые объекты техники. Важно, что реализация, как разрабатываемой технологии производства круглого горячекатаного проката из специальных легированных сталей, так и изготовления из него крепежных и других ответственных изделий может быть осуществлена на существующем оборудовании, что не требует дополнительных капитальных затрат.
Разрабатываемый круглый прокат из специальных легированных сталей по сочетанию качественных характеристик, технологических, служебных свойств обладает преимуществами по сравнению с лучшими зарубежными аналогами. Поэтому, как прокат, так и технологии его производства обладают высоким уровнем патентоспособности и конкурентоспособности на мировом рынке, возможно получение большого объема заказов от зарубежных потребителей, продажа лицензий.

Текущие результаты проекта:
- На основании результатов детального исследования проб металла от производимого в условиях Индустриального партнера ОАО «ММК» круглого проката из специальных легированных сталей установлено, что большинство дефектов металла, приводящих к неудовлетворительным данным по испытаниям проката на холодную осадку, имеет не сталеплавильное, как считалось ранее, а прокатное происхождение. В том числе, с режимом нагрева заготовок и горячей пластической деформации связано образование таких дефектов, как трещины, неметаллические включения, вкатанная окалина, зоны полного или частичного обезуглероживания, плены. При этом получаемый комплекс механических свойств удовлетворяет предъявляемым требованиям.
- Однозначно установлено, что, кроме дефектов металла, которые, как считалось ранее, являются основной причиной, к неудовлетворительным показателям по холодной осадке может приводить неблагоприятный тип и/или неоднородность структуры стали, в том числе, присутствие твердых (прочных) структурных составляющих и выделений избыточных фаз.
- На базе исследования процессов, происходящих на всех этапах обработки стали установлены технологические параметры, контролирующие возможность образования дефектов, комплекс свойств, включая способность к холодной осадке, проката. Наиболее важными являются: окисленность металлического полупродукта и шлака на выпуске в сталеразливочный ковш, режим отдачи материалов на рафинирование, легирование, доведение химического состава стали, шлаковый режим, газонасыщенность металла, температурно-скоростные параметры непрерывного литья заготовок, их нагрева и температурно-деформационной обработки.
- С целью определения оптимальных значений установленных ключевых технологических параметров разработаны оригинальные физико-химические методы прогнозирования характеристик неметаллических включений, форм присутствия примесей, состава и характеристик шлака, процессов кристаллизации стали, ее селективного окисления, в том числе обезуглероживания, при нагреве заготовок, горячей прокатке, формирования структурного состояния круглого проката из специальных легированных сталей.
- Показана целесообразность, по возможности, использования предварительного углеродного раскисления металла. Установлено, что для формирования благоприятных, легко удаляемых жидкоподвижных силикатных включений соотношение масс марганца и кремния, отдаваемых на раскисление металла, должно быть не менее 2-3. Для снижения степени газонасыщенности металла и предотвращения возможности образования газовых пузырей, целесообразно, ограничить содержание водорода и азота - не более 0,0004 – 0,0006% и 0,004 - 0,008% соответственно, при получении содержания углерода ближе к нижнему пределу марочного состава.
- Показано, что температурно-скоростной режим непрерывной разливки оказывает существенное влияние на процессы кристаллизации стали и возникновение дефектов металла непрерывнолитых заготовок и круглого горячекатаного проката. Для снижения числа дефектов необходимо поддерживать температуру металла в промежуточном ковше в диапазоне на 20-35оС выше температуры ликвидуса, при этом не допускается увеличение более чем на 0,2 м/мин. и снижение более чем на 0,4 м/мин. скорости вытягивания слитка от оптимального значения.
- Установлена целесообразность использования в промежуточном ковше двухслойного шлакового покрытия с нижним ассимилирующим слоем.
- Установлено, что интенсивность формирования дефектов разных типов может иметь противоположную зависимость от параметров режима нагрева заготовки и горячей прокатки стали. В том числе, формирование обезуглероженных зон происходит наиболее интенсивно при относительно невысоких температурах – до 800 – 900оС, в то время, как скорость диффузионного окисления металла, приводящего к образованию таких дефектов как неметаллические включения, вкатанная окалина, трещины, растет с увеличением температуры и особенно ускоряется при температурах более 1150 - 1200 оС.
- На основании характеристик внешнего вида и результатов определения методами локального рентгеноспектрального анализа состава структурных составляющих в области локализации дефектов поверхности круглого горячекатаного проката из специальных легированных марок стали прокатного и сталеплавильного происхождения, разработка система их классификации по типу и причинам образования.
- Разработаны принципы прогнозирования структурного состояния круглого проката из специальных легированных сталей на базе анализа фактически имеющего место при выплавке химического состава стали, режимов нагрева и температурно- деформационной обработки заготовок.
- Для проведения исследований были привлечены внебюджетные средства в размере 7,0 млн. руб. Доля исследователей в возрасте до 39 лет в общей численности исследователей - участников проекта составила 52%, превышая требования ТЗ – 35,5%, а средний возраст участников проекта 43 года, 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 сталям и технологиям изготовления из них сварных конструкций.