Регистрация / Вход
Прислать материал

14.624.21.0010

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.624.21.0010
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П.Бардина"
Название доклада
Разработка основ комплексной технологии получения методами наплавки новых слоистых конструкционных металлических материалов с уникальным комплексом трудно сочетаемых свойств, обеспечивающих увеличение эффективности и ресурса безаварийной и безремонтной эксплуатации технических средств магистралей высокоскоростного железнодорожного транспорта, изделий нефтегазохимии до 3-5 раз, при общем снижении затрат, металлоемкости, улучшении экологии.
Докладчик
Родионова Ирина Гавриловна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целями настоящего проекта являются:
-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 (ССКМ), отличающихся недостижимым в монометаллах уникальным сочетанием показателей прочности, пластичности, коррозионной стойкости, износостойкости, качества соединения слоев и сварных соединений, долговечности, предназначенных для применения в изделиях нефтегазохимии и высокоскоростного транспорта, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, в том числе в агрессивных средах.
-Увеличение в 3-5 раз ресурса безаварийной и безремонтной эксплуатации (до 100 лет) в сложных природно-климатических условиях и широком температурном интервале от минус 60 до плюс 50 °С балластных корыт мостовых конструкций и других технических сооружений магистралей высокоскоростного железнодорожного транспорта, при снижении объема ремонтных работ – не менее чем на 30-40%, отрицательного воздействия на окружающую среду.
Для достижения поставленной цели необходимо было решение комплекса взаимосвязанных задач, которые обобщенно можно разделить на разработку научных и технологических основ получения исходных составляющих слоистых материалов - стали наплавленного слоя и металлической подложки (основного слоя), двухслойных и многослойных заготовок и их горячей прокатки для получения слоистых конструкционных материалов.
Актуальность и новизна исследования
Развитие скоростного железнодорожного движения в РФ диктует необходимость использования принципиально новых конструкций и материалов. Для обеспечения гарантированной безаварийной и безремонтной эксплуатации пролетных строений железнодорожных мостов перспективны металлоконструкции с металлическим балластным корытом, которое располагается на всем протяжении моста под железнодорожными путями и позволяет предупредить их разрушение под воздействием динамических нагрузок от высокоскоростного транспорта. Наиболее перспективными для изготовления балластного корыта могут стать слоистые конструкционные материалы с основным слоем из высокопрочной конструкционной стали и плакирующим слоем из многофункциональной стали с повышенной коррозионной стойкостью и износостойкостью, с высоким качеством соединения слоев, достигаемым при использовании для получения слоистых материалов метода наплавки. Их использование позволит создать надежные и экономичные конструкции различного назначения, в том числе для высокоскоростного железнодорожного движения с длительным сроком безаварийной эксплуатации – до 100 лет.
Новизна исследования заключается, в частности, в разработке и использовании для обеспечения наиболее высокого комплекса свойств каждого слоя и слоистого материала в целом оригинальных методов управления формированием структуры и свойств на всех этапах технологии с целью создания объемной системы выделений карбидных и других избыточных фаз, структурных составляющих, в том числе наноразмерных.
Описание исследования

Для решения задач данной работы потребовалось проведение теоретических и экспериментальных исследований с использованием целого комплекса методов как стандартных, так и разработанных в рамках данной работы. Особо следует отметить физико-химическое моделирование процессов, происходящих при наплавке, разработанные оригинальные методы повышения износостойкости конструкционных металлических материалов на базе принципов легирования, а также создание объемной системы выделений карбидных и других избыточных фаз, структурных составляющих, в том числе наноразмерных, физико-химические методы прогнозирования характеристик выделений избыточных фаз, структурных составляющих, в том числе наноразмерных, контролирующих реализацию различных механизмов упрочнения для одновременного достижения высоких показателей прочности и пластичности материала металлической подложки (основного слоя), типа, количества, размера и морфологии неметаллических включений, содержания и форм присутствия примесей при производстве материалов и многослойных композиций.

Разработанные физико-химические методы прогнозирования диффузионного образования хрупких прослоек предусматривают алгоритм действий, с помощью которых можно оценить диффузионную подвижность различных элементов при температурах технологических переделов, в том числе, проведение экспериментов, включающих выдержку образцов биметалла при соответствующих температурах в течение различного времени, исследование перераспределения элементов в переходной зоне биметаллических образцов с шагом 1 мкм на сканирующем электронном микроскопе JSM-6610LV фирмы «JEOL», расчет коэффициентов с использованием метода Мотано-Больцмана, анализ полученных данных с разработкой рекомендаций по оптимальному химическому составу стали плакирующего слоя и по технологическим режимам получения биметаллического проката, предупреждающие чрезмерное развитие диффузионных процессов. Наконец, для прогнозирования степени отрицательного влияния диффузионного образования хрупких прослоек на свойства стали необходимо использование физических методов, включая, в частности, определение показателей твердости или микротвердости по толщине биметаллического проката, металлографические исследования с определением структуры зоны с наиболее высоким значением микротвердости.

Разработанные методы прогнозирования возникновения внутренних напряжений из-за разницы линейного расширения материалов слоев основаны на сравнении ТКЛР сталей  основного и плакирующего слоев. Возникающие внутренние напряжения зависят от разницы ТКЛР, режимов нагрева двухслойных заготовок под прокатку и охлаждения готового проката. Разработаны пути предупреждения расслоений при нагреве и охлаждении биметаллических заготовок и листов.

С помощью указанного комплекса методов были получены результаты, которые позволили разработать лабораторные технологические регламенты получения исходных составляющих, слоистых заготовок и собственно слоистых конструкционных материалов. Кроме того полученные результаты имеют и самостоятельной научное значение. Так например, установлено, что на диффузию углерода и элементов замещения оказывают влияние разные характеристики химического состава и структурного состояния стали плакирующего слоя. Повышение содержания никеля и формирование мартенситной структуры в стали плакирующего слоя положительно влияет на подавление диффузии углерода. В то же время это приводит к формированию при высоких температурах большего количества аустенита и способствует более интенсивной диффузии элементов замещения из плакирующего слоя в основной, имеющий при указанных температурах также структуру аустенита. Напротив, диффузионные процессы элементов замещения из стали плакирующего слоя с низким содержанием никеля, имеющей при нагреве под прокатку или под закалку (нормализацию) двухфазную аустенитно-ферритную структуру, получают существенно меньшее развитие, так как должны сопровождаться фазовым превращением.

Результаты исследования

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

- теоретическое исследование путей создания новых высокоэффективных, экономичных слоистых конструкционных металлических материалов, обладающих высокими показателями технологических и служебных свойств, для перспективных применений в изделиях нефтегазохимии и высокоскоростного транспорта, работающих в экстремальных условиях эксплуатации,

- лабораторные технологические регламенты получения металла наплавленного слоя, металлической подложки, получения методом наплавки двухслойных и многослойных конструкционных металлических материалов в виде заготовок, обеспечивающий предельно высокую прочность, сплошность соединения слоев, и горячей прокатки двухслойных и многослойных заготовок,

- экспериментальные образцы металла наплавленного слоя, основного слоя, двухслойных и многослойных конструкционных металлических материалов в виде заготовок и проката слоистых конструкционных металлических материалов, по всем показателям соответствующие требованиям ТЗ.

- результаты экспериментальных исследований.

К основным результатам экспериментальных исследований, важным для решения задач данной работы и имеющим самостоятельное научное значение относятся следующие результаты:

Показано, что высокоосновный флюс с повышенной термодинамической активностью СаО способствует эффективной десульфурации стали наплавленного слоя, формированию качественной поверхности, а также снижает выделение из шлака в атмосферу испаряющихся компонентов шлака.

Установлена наиболее эффективная композиция сталей для слоистых материалов метод их получения – электрошлаковая наплавка. Для наплавленного слоя выбрана коррозионностойкая хромо-марганцевая сталь, имеющая высокие показатели технологических и служебных свойств, включая коррозионную стойкость, износостойкость, прочность, хладостойкость, свариваемость, совместимость с материалом основного слоя. Для металлической подложки выбраны свариваемые низколегированные и легированные стали, содержащие также микролегирующие элементы. Разработаны эффективные технологические приемы управления выделениями избыточных фаз, структурными составляющими, контролирующими реализацию механизмов упрочнения и достижение высоких показателей прочности и пластичности.

По результатам экспериментальных исследований наплавочных процессов установлено, что при обеспечении глубины проплавления основного слоя на уровне 0,5-1 мм происходит минимальное разбавление основных легирующих элементов. Данное условие реализуется при наплавке с силой тока на уровне 1800-2000 А.

Преимущества технологий наплавки заключаются в обеспечении более высокого качества соединения слоев, чистоты наплавленного слоя по примесям и неметаллическим включениям, в возможности дополнительного легирования в процессе наплавки стали наплавленного слоя с использованием недорогих доступных материалов. В рамках данной работы были использованы принципиально новые стали наплавленного слоя и металлической подложки, обеспечивающие уникальный комплекс технологических и служебных свойств, полностью соответствующих требованиям ТЗ. Это свидетельствует, что результаты данной работы превышают результаты аналогичных работ, превышающих мировой уровень. 

Практическая значимость исследования
Выполнение работы даст возможность создать принципиально новые слоистые металлические материалы, обладающие повышенным ресурсом эксплуатации (в 3-5 раз) в сложных природно-климатических условиях и широком температурном интервале от минус 60 до плюс 50 °С при снижении материальных и энергетических затрат на производство и эксплуатацию на 25-30 %, объема ремонтных работ не менее чем на 30-40 %, отрицательного воздействия на окружающую среду. Разрабатываемый новый слоистый материал обладает высокой степенью новизны и патентоспособности на мировом уровне.
Результаты данных ПНИ будут востребованы крупнейшими предприятиями металлургического комплекса, в том числе, ОАО «Северсталь», ЗАО «ВМЗ «Красный Октябрь», а также индустриальным партнером ООО «БитрубИнтернэшнл» за счет возможности освоения производства и увеличения объемов продаж новых видов продукции, основываясь на разработанных в результате проведения ПНИ лабораторных регламентах и предложениях по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики.
Освоение производства новых видов слоистых металлических материалов найдет применение на основных предприятиях, специализирующихся на изготовлении конструкций для создания магистралей высокоскоростного транспорта, а именно: ЗАО «Востсибтранспроект» (около 7000 т в год), ООО «Мостострой-12» (около 300 т в год), ООО «Тюменьстальмост» (около 25000 т в год), ОАО «Курганстальмост» (около 15000 т в год), ОАО «Мостотрест» (около 10000 т) и т.д.
Разрабатываемый новый слоистый материал, а также технологические принципы получения обладают высокой степенью новизны и патентоспособности на мировом уровне.