Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0003

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0003
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей"
Название доклада
Создание нового поколения штампуемых наноструктурированных сталей с пределом текучести 1200-1700 МПа, технологий их деформационной обработки и нанесения износостойких покрытий в обеспечение изготовления сельскохозяйственной техники с повышенным сроком эксплуатации
Докладчик
Хлусова Елена Игоревна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель реализуемого проекта - разработка высокопрочных сталей с пределом текучести 1200-1700 МПа и технологий их производства для повышения срока эксплуатации высоконагруженных деталей почвообрабатывающих, посевных кормоуборочных, овощеуборочных и других сельхозмашин более чем в 5 раз за счет управления структурообразующими процессами при горячей деформации, оптимизации формы конечных изделий и нанесения износостойких покрытий.

Задачи работы:
- на основании исследования фазовых превращений разработать химический состав экономнолегированных сталей с пределом текучести 1200, 1500 и 1700 МПа с преимущественно мартенситной структурой;
- на основании исследования процессов рекристаллизации в аустените разработать режимы горячей пластической деформации (прокатки и штамповки в штампах) листового проката толщиной до 18 мм;
- на основании исследования состояния карбидной фазы, изменения структуры и механических свойств при отпуске разработать режимы упрочняющей термической обработки листового проката толщиной 6-18 мм и штампованных деталей;
- разработать режимы нанесения износостойких покрытий методами лазерной и плазменной наплавки на разработанные стали;
- разработать техническую и технологическую документацию на производство листового проката из новых высокопрочных сталей и штампованных деталей из него, включая нанесение износостойких покрытий;
- изготовить опытные партии листового проката и штампованных деталей, оценить их работоспособность в условиях абразивного изнашивания.
Актуальность и новизна исследования
Для качественной почвообработки и получения высокого урожая необходим большой парк техники, имеющий более высокий ресурс по сравнению с производимым промышленностью в настоящее время. Закупки зарубежных сельхозмашин и приобретение запасных деталей из износостойких материалов к ним существенно повышают себестоимость сельхозпродукции, что делает актуальной задачу их импортозамещения.
В зависимости от типа и уплотненности почв наблюдается низкая линейная износостойкость деталей, преждевременное затупление лезвий рабочих органов, большое количество поломок и деформаций, связанных с низкой прочностью, пластичносью и пр.
Проведенные исследования позволили обеспечить повышение свойств новых износостойких сталей и их надежную эксплуатацию в различных почвах при абразивном воздействии. Принципиальным является использование ресурсосберегающих технологий двухстадийной штамповки с паузами для прохождения статической рекристаллизации при изготовлении из разработанных сталей различных элементов сельскохозяйственной техники с повышенной износостойкостью.
Анализ полученных карт структурообразующих процессов позволяет определить температуры и степени деформации, при которых в ходе горячей деформации возможно получить наиболее мелкодисперсную превращенную структуру, что имеет практическую и научную ценность для уточнения режимов горячей прокатки и горячей штамповки. Установленные закономерности изменения равномерного удлинения разработанных сталей в зависимости от режимов предшествующей горячей пластической деформации и отпуска позволяют на практике использовать эту характеристику для оценки способности стали к локализации деформации при эксплуатации на каменистых почвах.
Описание исследования

Используя современное исследовательское и испытательное оборудование (Gleeble-3800) удалось установить температурно-деформационные условия протекания рекристаллизационных процессов в аустените среднеуглеродистой стали, что позволило регламентировать режимы изготовления листового проката и штампованных деталей с целью эффективного измельчения зерна аустенита и блоков мартенсита.

Методом дифференциальной дилатометрии установлены температурные интервалы образования промежуточных карбидов при отпуске среднелегированных микролегированных сталей Mn-Cr-Ni-Cu-Mo композиции легирования. Состав промежуточных карбидов был расшифрован методом одиночных рефлексов, который показал, что преобладающими частицами после низкотемпературного отпуска в разработанных сталях являются частицы Fe2.5C и ɛ-карбидов с моноклинной и гексагональной плотноупакованными решетками соответственно.

Методами оптической и просвечивающей металлографии, а также сканирующей электронной микроскопии показано, что получение высоких прочностных характеристик (предел текучести более 1700 МПа, временное сопротивление более 2000 МПа), твердости (до 57 HRC), износостойкости (до 2 раз выше по сравнению со сталью 45 без покрытия и до 5 раз с износостойкими покрытиями),  ударной вязкости не менее 20-30  Дж/см2, а также удовлетворительной пластичности, включая относительное равномерное удлинение до 4,2%,  обеспечивается за счет формирования после разработанного режима двухстадийной штамповки в сочетании с упрочняющей термической обработкой мелкодисперсной карбидной фазы промежуточного и цементитного типа высокой объемной плотности внутри вязкой матрицы α-фазы – реечного и высокотемпературного мартенсита.

Для исследования превращения остаточного аустенита при отпуске применен метод дифракции нейтронов с использованием импульсного ядерного реактора ИБР-2 Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна). По результатам исследований подтверждается уменьшение доли остаточного аустенита при увеличении температуры отпуска, что свидетельствует о его превращении, заключающемся в образовании a–фазы и карбидов, и подтверждается ростом относительной амплитуды дифракционных пиков (200)a и выявлением отчетливых пиков цементита (Fe3C).

Результаты исследования

На основе теоретических и экспериментальных работ разработан и опробован химический состав новых отечественных износостойких микролегированных сталей Mn-Cr-Ni-Cu-Mo композиции легирования с содержанием углерода 0,30-0,45%, обеспечивающий после упрочняющей термической обработки предел текучести не менее 1200, 1500 и 1700 МПа. Суммарное содержание основных легирующих элементов (до ~5 масс.%) позволяет сократить расходы на использование дорогостоящих шихтовых материалов при изготовлении разработанных марок сталей, в сравнении с широко используемыми легированными конструкционными сталями отечественного или импортного производства. Так, содержание никеля не превышает 0,80%, а молибдена не более 0,45%. Известные аналоги, обеспечивающие близкий к полученному комплекс механических свойств, легированы 2-3% Ni, до 1%Mo или имеют более высокое количество Cr, Mn или Si.

Испытания в натурных условиях Московской, Тульской, Владимирской области и Ставропольского края опытных партий деталей (стрельчатые лапы культиваторов, лемехи плугов, долота, ножи грядообразователей) показали их превосходство по характеристикам работоспособности и ресурсу в сравнении с широко используемыми отечественными аналогами от 30 до 70% и импортными аналогами от 18 до 36%. Значительно уменьшились поломки и деформации рабочих органов. Использование современных материалов позволяет уменьшить металлоемкость агрегатов, увеличить скорость обработки, глубину вспашки, сократить количество межсервисных интервалов.

Практическая значимость исследования
Результаты проведенных исследований вносят существенный вклад в понимание закономерностей формирования структуры и свойств высокопрочных износостойких сталей экономного легирования, которые обеспечивают повышение ресурса их эксплуатации в условиях супесчаных и суглинистых почв с высокой плотностью (до 5 МПа). Результаты могут быть успешно использованы при создании практически всех новых типов сталей, детали из которых эксплуатируются в особо жестких условиях.
Разработана необходимая технологическая документация на выплавку и изготовление новых сталей в опытно-промышленных условиях, термическую обработку листового проката, а также изготовление штампованных заготовок и штампованных деталей с износостойкими покрытиями, нанесенными лазерной и плазменной наплавкой.
Детали рабочих органов почвообрабатывающей техники из новых износостойких сталей с пределом текучести 1200-1700 МПа с твердосплавной наплавкой, произведенные по технологической документации, разработанной в ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» совместно с ФГБНУ ВИМ обеспечивают качественное выполнение технологического процесса обработки почвы и имеют преимущество перед серийными импортными дорогостоящими аналогами по износостойкости до 70%. Экономическая эффективность использования импортозамещающих наплавленных ножей взамен серийных по показателю «цена-качество» составляет до 40-50% от цены комплекта импортных деталей.
Внедрение результатов разработок может быть рекомендовано металлургическим, обрабатывающим, ремонтно-техническим предприятиям для изготовления листового проката, штампованных деталей из новых высокопрочных износостойких сталей, а также проведения их термической обработки. Результаты исследований могут быть использованы в различных отраслях, таких как дорожное, лесное и коммунальное хозяйство, горнодобывающая промышленность и др.