Регистрация / Вход
Прислать материал

14.624.21.0001

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.624.21.0001
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П.Бардина"
Название доклада
Разработка нового поколения сталей для оборудования, сооружений и конструкций различного назначения в Арктике и Антарктике с повышенным (до 3-5 раз) ресурсом эксплуатации, обеспечиваемым уникальным сочетанием и стабильностью механических свойств, коррозионной стойкости, других технологических и служебных характеристик, при общем снижении металлоемкости до 15%
Докладчик
Родионова Ирина Гавриловна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели исследования:
1. Разработка, на базе оригинальных методов управления формированием фазовой, наноструктурной составляющих нового поколения сталей, легированных азотом, для оборудования, сооружений и конструкций различного назначения в Арктике и Антарктике с повышенным (до 3-5 раз) ресурсом эксплуатации, обеспечиваемым уникальным сочетанием и стабильностью механических свойств, коррозионной стойкости, других технологических и служебных характеристик, при общем снижении металлоемкости до 15%, импортозамещение, укрепление конкурентоспособных позиций отечественных производителей на мировом рынке.
2. Разработка сталей, нового типа, легированных азотом, отличающихся уникальным комплексом свойств: высокой прочностью и пластичностью (σв= 800-1000 МПа, δ>25%, KCU-100> 1,5 МДж/м2) и устойчивой микроструктурой в интервале температур от минус 100 до плюс 100оС; высокой стойкостью к различным видам коррозии в морской воде и в биоактивных средах; высокой устойчивостью к длительным циклическим и ударным нагружениям; свариваемостью.

Для достижения поставленной цели необходимо было решение комплекса взаимосвязанных задач, которые обобщенно можно разделить на разработку научных и технологических основ получения новых высокопрочных пластичных легированных азотом сталей, коррозионностойких в морской воде и в биоактивных средах, а также азотистых сталей с высокой удельной прочностью, пластичностью, износостойкостью.
Актуальность и новизна исследования
Активное расширение деятельности России при освоении арктического шельфа и других природных зон с экстремальными условиями эксплуатации требует разработки сталей с уникальным сочетанием механических свойств, коррозионной стойкости, износостойкости, обеспечивающим повышенную эксплуатационную надежность оборудования и конструкций различного назначения.
Анализ мирового опыта свидетельствует, что перспективными для этих целей являются коррозионностойкие хромистые стали мартенситного и/или мартенситно-аустенитного класса с низким содержанием углерода, дополнительно легированные азотом, а также карбонитридообразующими элементами, а также новые ферритные стали, легированные алюминием, которые имеют низкую плотность. Коррозионная стойкость таких сталей обеспечивается повышенным содержанием алюминия, который, так же как и хром, образует стойкие защитные пленки на металлической поверхности.
Сказанным определяется актуальность проведения работ, направленных на разработку новых хромистых сталей мартенситного и/или мартенситно-аустенитного классов, а также сталей ферритного класса, легированных алюминием.
Новизна исследования заключается, в частности, в разработке и использовании для обеспечения наиболее высокого комплекса свойств разрабатываемых сталей оригинальных методов управления формированием структуры и свойств с целью создания объемной системы выделений карбонитридных и других избыточных фаз, структурных составляющих, в том числе наноразмерных и элементов субструктуры.
Описание исследования

На базе анализа мирового опыта, информации, представленной в научно-технической, методической и патентной литературе, результатов теоретического исследования, были выбраны диапазоны химического состава разрабатываемых сталей для проведения экспериментальных исследований. С использованием методов математического планирования эксперимента было намечено получение восьми вариантов хромистых сталей содержащих 14-16% хрома, легированных дополнительно 2-5% никеля, 1-2% молибдена, 0,1-0,2% азота, микролегированных  разным количеством титана, ниобия и ванадия, а также восьми вариантов сталей, легированных 5-9% алюминия, 1-5% хрома, около 1% и микролегирующие добавки (титан, ниобий и ванадий). Для получения экспериментальных образцов проката указанных сталей были разработаны проекты лабораторных технологических регламентов. Исследования проводили на сталях лабораторной выплавки. Горячекатаный прокат, полученный по разным температурным режимам, подвергали термической обработке (нормализации, закалке с отпуском и др.)   

Основными методами исследования являлись:

– Микроструктурные исследования с использованием оптической (Axiovert 40MAT CarlZeiss) и электронной микроскопии (на просвечивающем JEM200CX и сканирующем JEOL JSM-6610LV электронных микроскопах).

– микрорентгеноспектральный анализ химического состава неметаллических включений

– Рентгеноструктурный анализ фазового состава на дифрактометре ДРОН-3 на FeKα излучении.

– Расчеты температурно-концентрационных областей существования основных и избыточных фаз в исследуемых сталях с помощью усовершенствованной версии термодинамической компьютерной модели фазового состава сталей, разработанной во ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина». Модель позволяет при заданных общих концентрациях компонентов, температуре и давлении определить, какие из возможных в рассматриваемой системе фаз находятся в равновесии, рассчитать их количество и химический состав.  Для рассматриваемых в работе сталей в интервале температур 600–1300 °С анализировали «конкуренцию» аустенита; феррита; карбонитридов, содержащих Nb, V, Ti; AlN; MnS и цементита.

– Определение механических характеристик при испытаниях на растяжение по ГОСТ 11701–84 на испытательной машине INSTRON–1185. Испытания на ударный изгиб проводили по ГОСТ 9454-78 при температуре -100°С на маятниковом копре ПСВ-30.

– Коррозионные испытания по электрохимическим и химическим методам, в  том числе на стойкость против питтинговой коррозии по ГОСТ 9.912-89  с определением базиса питтингостойкости  ΔЕпо = Епо – Екор (Епо – потенциал питтингообразования, Екор – потенциал свободной коррозии). Для оценки коррозионной стойкости сталей, которые при испытаниях в рассмотренных средах не подвергаются пассивации, а корродируют в активном состоянии, проводили испытания по методике, заключающейся в потенциостатической выдержке образцов в модельной коррозионной среде при постоянном потенциале (-300 мВ).  Критерием оценки служила плотность тока, установившегося после выдержки в течение 60 мин. Для оценки скорости общей коррозии в морской воде использовали методику испытаний в специальной установке, имитирующей непрерывную циркуляцию имитата морской воды, в которую были погружены экспериментальные образцы.

С помощью указанного комплекса методов были получены результаты, которые после их обработки методами статистического анализа позволили сформулировать уточненные требования к химическому составу, структурному состоянию, технологическим параметрам получения сталей с наиболее высоким комплексом свойств и ресурсом эксплуатации.

Результаты исследования

К основным результатам исследования в соответствии с требованиями ТЗ, полученными к настоящему моменту, относятся

- теоретическое исследование путей создания новых высокопрочных пластичных легированных азотом сталей, коррозионностойких в морской воде и в биоактивных средах, а также экспериментальных образцов азотистых сталей с высокой удельной прочностью, пластичностью, износостойкостью

- лабораторные технологические регламенты на получение экспериментальных образцов новых сталей,

- экспериментальные образцы новых сталей,

- результаты экспериментальных исследований новых сталей,

К основным результатам экспериментальных исследований,  важным не только для решения задач данной работы, но и имеющим самостоятельное научное значение, можно отнести следующие результаты.

Показано, что ключевыми условиями обеспечения высокого комплекса механических свойств и коррозионной стойкости хромистых сталей является формирование дисперсной двухфазной мартенситно-аустенитной структуры с содержанием аустенита 20-30% и субмикронными, а также наноразмерными выделениями комплексного карбонитрида титана, ниобия и ванадия. Для формирования в структуре аустенита требуется повышенное содержание элементов, снижающих температурный интервал мартенситного превращения: никеля (около 5%), азота (около 0,2%) и молибдена (около 2%). Дисперсность структуры хромистых сталей повышается при увеличении мольной доли комплексного карбонитрида титана и ниобия и при снижении температуры нагрева при термической обработке.  Наиболее высокие значения прочности и коррозионной стойкости хромистых сталей получены после термической обработки по режимам, когда заключительной операцией является отпуск при 400оС.  Это связано с образованием на дислокациях в мартенсите сегрегаций или предвыделений избыточных фаз, которые при повышении температуры или продолжительности отпуска  трансформируются в наноразмерные выделения карбонитрида, обогащенного ванадием.

К повышению прочности сталей, легированных алюминием, приводит формирование при горячей прокатке дислокационной ячеистой субструктуры, развитой в большей степени с понижением температуры конца прокатки. При этом размер ферритного зерна на прочностные характеристики не влияет. Более высокий комплекс механических свойств и коррозионной стойкости получен на стали, содержащей около 5% алюминия и 5% хрома в состоянии после горячей прокатки.

Анализ полученных результатов в сопоставления с результатами подобных работ, ведущихся в других странах мира, показал актуальность проводимой работы и получаемых результатов, поскольку последние находят свое подтверждение в аналогичных зарубежных работах последнего времени. Более того, часть результатов, таких как, например, упрочнение ферритных сталей легированных алюминием за счет формирования субструктуры при неизменном размере зерна, являются уникальными и превышают уровень аналогичных работ, проводимых за рубежом.

Практическая значимость исследования
Разработаны рекомендации по использованию полученных результатов в реальном секторе экономики. Следует отметить, что при разработке в рамках ПНИ лабораторных технологических регламентов учтены возможности технологии и оборудования отечественных металлургических предприятий (ПАО «Северсталь», ОАО «ММК», ПАО «МЕЧЕЛ», АО «ВМЗ «Красный Октябрь» и др.). Это позволит при разработке промышленных технологий производства разрабатываемых сталей взять за основу указанные технологические регламенты.
Результаты, полученные в рамках ПНИ, окажут весьма позитивное влияние на развитие различных областей науки, техники и технологии в России. В первую очередь, это связано с имеющим место отставанием качественных характеристик выпускаемых отечественных коррозионностойких сталей от зарубежных, а также ограниченностью их сортамента. Это вынуждает отечественных потребителей использовать стали зарубежного производства, отличающиеся высокой стоимостью и не всегда обеспечивающие требуемый уровень свойств. Проведение рассматриваемых ПНИ является важным шагом на пути освоения на отечественных предприятиях инновационной металлопродукции в виде качественно новых коррозионностойких сталей с уникальным комплексом свойств и повышенным ресурсом эксплуатации, в том числе, в экстремальных условиях, характерных для Арктики и Антарктики. В дальнейшем это приведет к обеспечению отечественных потребителей высококачественной металлопродукцией, импортозамещению, повышению конкурентоспособности отечественных коррозионностойких сталей на мировом рынке, авторитета российской научной школы.