14.575.21.0092

Целью проекта:
Разработка высокоэффективных, экономичных (при общем снижении металлоемкости и затрат на производство
не менее чем на 30%) способов получения методами наплавки новых слоистых
конструкционных металлических материалов, отличающихся недостижимым в
монометаллах уникальным сочетанием показателей прочности, пластичности,
коррозионной стойкости, износостойкости, качества соединения слоев и сварных соединений, долговечности (увеличенными в совокупности не менее
чем в 1,5 раза), предназначенных для применения в изделиях нефтегазохимии и высокоскоростного транспорта, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, в том числе в агрессивных средах.
Задачи проекта:
1. Оптимизация химического состава материала подложки (основного слоя) и разработка режимов термомеханической обработки с целью достижения высоких механических и физических свойств.
2. Разработка режимов термомеханической обработки для аустенитной коррозионностойкой стали, используемой в качестве материала для наплавляемого слоя.
3. Улучшение свойств зоны сплавляемого биметалла, полученного методом электрошлаковой наплавки.
4. Разработка способа получения двухслойного листа методом электрошлаковой наплавки с требуемой прочностью соединения основного слоя и плакирующего слоя.

В настоящее время железнодорожные и автомобильные цистерны для широкого класса грузов изготавливаются из стали 09Г2С, а также биметаллического листа ВСтЗсп5 + 12Х18Н10Т. Предел прочности данных материалов не превышает 550МПа, а величина ударной вязкости 40 Дж/см2. Совершенствование конструкций цистерн идет по пути уменьшения их веса. Основной выигрыш в весе может дать уменьшение веса котла цистерн за счет уменьшения толщины стенок, для этого необходимо повысить прочность стали, из которых изготавливается котел. С другой стороны, к котлам новых цистерн предъявляются требования по коррозионной стойкости, что важно для транспортировки продуктов нефтехимии и пищевых продуктов. Разрешить противоречие между прочностными и коррозионными свойствами позволяет применение биметалла, в котором основной слой должен обладать высокой прочностью, а поверхность коррозионной стойкостью в большинстве сред. Производимый в настоящее время пакетной прокаткой такой биметаллический лист согласно ГОСТ10885-85 не позволяет уменьшить толщину стенок котлов цистерн, поскольку он обеспечивает прочность связи плакирующего и основного слоя (сопротивление срезу) менее 300 МПа. Для уменьшения веса котлов железнодорожных цистерн необходима разработка новой технологии изготовления биметаллических листов. В рамках данной работы проводится разработка способа получения двухслойного листа методом наплавки и разработка технологии термомеханической обработки, что должно обеспечить получение листа биметалла с основным слоем из стали типа S700MC и с плакирующим слоем из стали типа 316LN с уникальным и недостижимым в монометаллах сочетанием физических, механических и эксплуатационных свойств.

По результатам моделирование фазового состава стали S700MC, используемой в качестве основного слоя биметаллического материала, с использованием программы Thermocalc был разработан оптимальный химический состав. Выбраны оптимальные режимы термомеханических обработок для сталей, используемых в качестве основного и плакирующего слоев в биметаллическом материале, с целью обеспечения минимального размера структурных элементов, что бы получить максимальное зернограничное упрочнение по закону Холла-Петча. Термомеханическая обработка для стали S700MC, используемой в качестве основного слоя, включает гомогенизационный отжиг при температуре 1150°С в течение 1 часа, горячую ковку при данной температуре (1150°С), закалку при температуре 1100°С в течение 30 минут с последующим охлаждением в масле, отпуск при температуре 600°С в течение 1 часа и последующую прокатку при температуре отпуска до истинной степени деформации 1,5, с охлаждением на воздухе. Обработка для стали 316LN, используемой в качестве наплавляемого слоя, включает  гомогенизационный отжиг при температуре 1100°С в течение 1 часа, горячую ковку при данной температуре (1100°С) и последующую прокатку при температуре 600°С до истинной степени деформации 1,2, с охлаждением на воздухе. По результатам исследования микроструктуры и механических свойств исследуемых сталей был разработан режим термомеханической обработки для биметалла. Экспериментальный образцы биметаллического материала из сталей S700MC и 316LN были получены методом электрошлаковой наплавки и последующей ТМО, включающей нормализационный отжиг при температуре 1100°С в течение 1 часа, горячую осадку при данной температуре (1100°С) и последующую прокатку при температуре 600°С до истинных степеней деформации 1.5 для основного слоя и 1.2 для наплавленного.

Для получения экспериментальных образцов использовали следующее оборудования: оборудование для электрошлаковой наплавки; станок линейный прецизионный электроискровой погружной проволочно-вырезной AQ300L фирмы Sodick; электрическая муфельная печь NaberthermN 321; гидравлический пресс DEVR4000 с усилием 400 кН, реверсивный 2 валковый прокатный стан HANKOOK M-TECH. Микроструктурные исследования проводили с использованием растрового электронного микроскопа Quanta Nova Nanosem 450 и Quanta 600 3D, а также просвечивающего электронного микроскопа Jeol JEM-2100. Исследование механических свойств на одноосное растяжение проводили с использованием универсальной напольной электромеханической испытательной машине Instron 5882. Трибологические испытания проводили на автоматизированной машине трения High-Temperature Tribometr. 

В результате выполнения проекта были разработаны оптимальные режимы наплавки, обеспечивающие получение уникального сочетания физико-механических свойств, необходимый химический состав, а также высокую прочность и сплошность соединения слоев двухслойных металлических материалов. Выбрана последующая деформационно-термическая обработка с целью ограничения диффузионного образования хрупких прослоек и предотвращения возникновения внутренних напряжений из-за разницы линейного расширения материалов слоев, а также получения требуемого комплекса физических и механических свойств. На основании разработанного лабораторного технологического регламента получены методом наплавки экспериментальные образцы заготовок конструкционных металлических материалов, состоящие из стали типа S700MC, используемой в качестве металлической подложки, и стали типа 316LN, используемой в качестве металла наплавленного слоя. По разработанным программе и методикам были проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов и параметров технологии производства. Результаты исследовательских испытаний показали, что полученные методом наплавки и последующей деформационно-термической обработки экспериментальные образцы двухслойных заготовок демонстрируют высокую прочность и сплоншость соединения слоев, а также оптимальное сочетание физических и механических свойств. Полученные, при выполнении задач четвертого этапа, результаты лягут в основу исследований и выполнения задач, поставленных на последнем этапе Соглашения.
Экспериментальные образцы двухслойных металлических материалов были получены методом электрошлаковой наплавки и подвергнуты деформационно-термической обработке, включающей нормализационный отжиг при температуре 1100°С в течение 1 часа, горячую осадку при данной температуре и последующую горячую прокатку при температуре 600°С до истинных степеней деформации 1.5 для основного слоя и 1.2 для наплавленного. По результатам исследовательских испытаний экспериментальных образцов можно сделать вывод, что полученные образцы имеют высокие показатели сплошности соединения слоев, прочности соединения слоев, которая достигает 695 МПа, высокие показатели прочности и пластичности основного слоя, предел прочности достигает 1040 МПа, а относительное удлинение 14%, ударная вязкость KCU основного слоя при температуре минус 60°С достигает 162 Дж/см², высокие механически характеристики в свою очередь сочетаются хорошими эксплуатационными свойствами, фактор износа не превышает 31,078 х 10^-5 (мм³/(H·м)), и физическими свойства – высокая коррозионная стойкость несущего слоя.
В настоящее время биметаллические конструкционные материалы с таким сочетанием физических, механических и эксплуатационных свойств не производятся. Сопоставление полученных данных с аналогичными результатами работ, определяющими мировой уровень, на сегодняшний день невозможно, поскольку работа в рамках выполнения Соглашения о предоставлении субсидии еще не выполнена в полном объеме.

Реализация разработанных способов получения методами наплавки свариваемых слоистых конструкционных металлических материалов позволит расширить спектр выпускаемой продукции за счет производства новых стальных полуфабрикатов, отличающихся улучшенными характеристиками ударной вязкости при пониженных температурах и коррозионной стойкости. разрабатываемые свариваемые слоистые конструкционные металлические материалы и способ их получения могут быть использованы также для производства полуфабрикатов для изготовления элементов конструкций различного назначения, включая объекты инфраструктуры, транспорт и судостроение, рассчитанные для применения в условиях крайнего севера. Кроме того, полученные результаты по влиянию химического состава и режимов термомеханической обработки на структуру и свойства низколегированных высокопрочных и аустенитных коррозионно-стойких сталей представляют самостоятельный научный интерес, и будут использованы как при последующей разработке новых сталей, отличающихся повышенной ударной вязкостью и коррозионной стойкостью, так и в образовательном процессе подготовки бакалавров и магистров по материаловедческим специальностям.