Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0005

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0005
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 производства новых высокопрочных сталей для изготовления ответственных деталей и узлов транспортной, строительной, горнодобывающей и других видов техники прогрессивными методами горячей штамповки, обеспечивающих увеличение эффективности и ресурса эксплуатации до 3 раз при общем снижении затрат и металлоемкости до 20%
Докладчик
Зайцев Александр Иванович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка основ комплексной технологии производства горячекатаного, холоднокатаного и холоднокатаного покрытого проката из новых высокопрочных сталей и изготовления прогрессивными методами горячей штамповки ответственных деталей транспортной, строительной, горнодобывающей и других видов техники с уникальным сочетанием увеличенных до 3 раз показателей прочностных характеристик (временное сопротивление – до 2200 Н/мм2, предел текучести – до 1900 Н/мм2), хладостойкости (ударная вязкость KCU-60°C - более 98 Дж/см2), коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности, при высокой пластичности, технологичности, свариваемости, снижении массы, металлоемкости, общих затрат на производство до 20%.
Основные задачи:
- Одновременное обеспечение высоких показателей закаливаемости, прокаливаемости, горячей пластичности, свариваемости и других свойств стали при реализации дополнительных механизмов упрочнения, снижении содержания углерода, легирующих компонентов за счет получения дисперсной, однородной микроструктуры, объемной наноструктуры.
- Получение необходимых характеристик структурного состояния стали перед горячей штамповкой, обеспечивающих достижение уникального комплекса свойств металла изделий.
- Обеспечение оптимального содержания и форм существования примесей, неметаллических включений для достижения высоких показателей коррозионной стойкости, хладостойкости.
- Определение оптимальных параметров химического состава, комплексных технологий производства разных видов проката и изготовления изделий для достижения увеличенного до 3 раз комплекса свойств металла, при снижении затрат.
Актуальность и новизна исследования
Повышение эффективности функционирования объектов транспортной, грузоподъемной, горнодобывающей, и других видов техники требует многократного повышения прочности применяемых сталей, что приводит к падению пластичности и невозможности изготовления изделий сложной формы. Перспективным путем решения поставленной задачи является использование методов горячей штамповки совмещенных с закалкой металла, что позволяет из относительно мало прочных сталей в едином производительном процессе получать высокопрочные изделия. Использование такого подхода, кроме возможности создания новых технических средств, позволяет существенно снизить стоимость, металлоемкость, увеличить комплекс свойств, надежность, ресурс работы изделий, особенно, в сложных природно-климатических условиях России, однако в настоящее время сдерживается ограниченностью круга разработанных и используемых для этих целей сталей.
Новизна: В отличие от обычно используемой в мире закалки средне и высокоуглеродистых сталей, на мартенситную структуру:
- прорывное повышение свойств достигается за счет формирования объемной наносистемы, получения определенной дисперсности и однородности структурны;
- увеличение хладостойкости, коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности - за счет управления неметаллическими включениями, фазовыми выделениями, формами присутствия примесей;
- повышение технологичности, свариваемости за счет использования оригинальных схем стабилизации аустенита при снижении содержания углерода;
- снижение массы, металлоемкости, затрат за счет повышения комплекса свойств, при экономичной системе легирования.
Описание исследования

Разработаны оригинальные принципы создания химического состава сталей и эффективных технологий производства горячекатаного, холоднокатаного, в том числе, покрытого проката и изготовления методам горячей штамповки изделий. Они основаны на использовании, кроме обычно применяемой закалки на мартенсит, других механизмов прорывного повышения до 3 раз комплекса свойств металла изделий, которые контролируются формированием системы, в том числе, наноразмерных фазовых выделений. Впервые показано, что при реализации этого прогрессивного направления для всех видов проката важным является не получение определенного комплекса механических свойств, а обеспечение высокой степени чистоты по примесям, неметаллическим включениям (≤1,5 балла по ГОСТ 1778-70, коррозионно-активных ≤2 вкл./мм2), определенного состояния твердого раствора, дисперсности  (номер зерна 10-11 по ГОСТ 5639-82) при высокой однородности микроструктуры стали.  Для их достижения на базе новой теории металлургических шлаков, современной теории подрешеток разработаны оригинальные,  методы термодинамического, физико-химического прогнозирования,  характеристик (тип, количество, размер, морфология, распределение по объему металла) неметаллических включений, выделений избыточных фаз, в том числе наноразмерных, форм присутствия примесей. С их использованием создан ряд  эффективных технологических приемов, в том числе, существенного снижения содержания примесей, неметаллических включений за счет использования определенных шлакового режима, схемы присадки материалов. Принципиальное повышение однородности состава, структуры и свойств металла достигнуто путем управления процессами обратного перераспределения компонентов при горячей прокатке, рекристаллизации и выделения избыточных фаз при отжиге, которые ранее практически не учитывали и не использовали.

На основании сформулированных подходов и оригинальных методов стабилизации аустенита разработано два наиболее перспективных закаливаемых при штамповке типа: борсодержащих и построенных по принципу низкоуглеродистых мартенситных сталей, легированных Si-Mn-Cr-Ni и микролегированных Ti-Nb-V с содержанием углерода 0,08-0,30%. Показано закономерное возрастание прочности, получаемых методами горячей штамповки изделий до 2200 МПа, оптимальной температуры окончания прокатки с 820-840°С до 840-870°С, и напротив, снижения, температуры смотки с 560-600°С до 540-560°С при повышении содержания углерода.

Разработана оригинальная методика лабораторного моделирования и двухступенчатая схема рекристаллизационного отжига холоднокатаного проката в колпаковых печах. Установлено закономерное повышение оптимальной температуры отжига с 610ºС до 670ºС при увеличении содержания углерода в стали. Впервые достоверно показано определяющее влияние на дисперсность получаемой при отжиге микроструктуры и свойства проката наноразмерных карбонитридных выделений и возможность их стабилизации при отложении на поверхности цементита.  Найдены режимы нанесения и доказана устойчивость алюмокремниевых покрытий в процессе горячей штамповки разработанных сталей.

Установлено закономерное уменьшение оптимальных значений температуры и продолжительности аустенизации перед горячей штамповкой разработанных сталей при увеличении содержания углерода из-за снижения положения критических точек, увеличения скорости протекания процессов превращения ферритно-перлитной смеси в аустенит и усреднения состава по объему его зерен.

Прочностные характеристики получаемых изделий закономерно уменьшается при переходе от горячекатаного к холоднокатаному и покрытому прокату из-за снижения дисперсности микроструктуры и коалесценции наноразмерных фазовых  выделений при отжиге и нанесении покрытия. Впервые показана высокая перспективность совмещения рекристаллизационного отжига, аустенизации и горячей штамповки в одном процессе.

Однозначно показана ключевая роль деформации, предшествующей закалке, в формировании объемной системы наноразмерных фазовых выделений при горячей штамповке, вносящей дополнительный значительный (до 350 МПа) вклад в прочностные характеристики металла изделий.

Показано, что корректировка параметров последующего передела металла, в зависимости от полученного химического состава стали и результатов выполнения предыдущего этапа сквозной технологии производства, позволяет, не только повысить комплекс свойств металла готовых изделий, но и существенно снизить затраты.

Результаты исследования

На основании результатов, выполненных в соответствии с разработанными оригинальными принципами, большого объема поисковых и прикладных исследований на металле более 400 промышленных и лабораторных плавок разработаны лабораторные технологические регламенты  на выплавку, горячую прокатку, холодную прокатку, термическую обработку, в том числе с нанесением покрытий сталей, закаливаемых при штамповке, изготовления изделий из горячекатаного, холоднокатаного, холоднокатаного покрытого проката методами горячей штамповки. Согласно результатам исследований и испытаний экспериментальных образцов горячекатаного, холоднокатаного, в том числе покрытого проката из сталей, закаливаемых при штамповке, экспериментальных образцов изделий из указанных видов проката, полученных методами горячей штамповки, во всех случаях достигнут высокий уровень качественных характеристик металла. Он характеризуется низким содержанием примесей: азота, серы – менее 0,01%, фосфора – менее 0,03%, водорода – менее 0,0004%, неметаллических включений – не более балла 1,5 по ГОСТ 1778-70, коррозионно-активных – не более 2 вкл./мм2. Для экспериментальных образцов всех видов проката, кроме того получены установленные оптимальные показатели дисперсности  микроструктуры  (номер зерна 10-11 по ГОСТ 5639-82) высокие  показатели комплекса свойств: относительное удлинение (при 900 оС) - более  40 %, (при 20 оС) - более  5 %; ударная вязкость KCU-60°C  более 98 Дж/см2, стойкость стали против локальной коррозии – стойкая, существенно до 2-3 раз превышающие характеристики существующих аналогов, особенно, по хладостойкости, коррозионной стойкости. Это позволило на экспериментальных образцах полученных методами горячей штамповки изделий из всех видов проката, кроме указанных выше, достичь следующих характеристик: временное сопротивление – более 2200 Н/мм2, предел текучести – более 1900 Н/мм2, снижение массы и металлоёмкости – на 15-20%, увеличения ресурса эксплуатации  - в 2-3 раза.

Достигнутый уровень прочностных характеристик изделий значительно превышает аналогичные показатели  лучших существующих аналогов, которые составляют около 1600 и 1300 МПа соответственно. Их сопоставление свидетельствует о возможности снижения массы и металлоемкости изделий на величину не менее 20%. Оценка показателя увеличения ресурса эксплуатации изделий получаемых методом горячей штамповки из разработанных сталей произведена на базе анализа показателей их  стойкости против локальной коррозии, которая определяется величиной плотности тока коррозии.  Показано, что ее значения 0,81 – 2,74 мА/см2, установленные для полученных экспериментальных образцов изделий  существенно в среднем в 3-5 раз ниже показателей 5 – 9 мА/см2 для существующих аналогов. Представленные данные свидетельствует о достижении  существенного увеличения  ресурса эксплуатации изделий, превышающего запланированный показатель - в 2 - 3 раза. Таким образом, достигнуто существенное до 3 раз превышение показателей комплекса  свойств лучших существующих аналогов.

Разработаны основы промышленных технологий производства горячекатаного, холоднокатаного, в том числе, покрытого проката для изготовления методами горячей штамповки изделий с улучшенным до 3 раз комплексом свойств, при снижении затрат.

Получен ряд принципиально новых результатов по закономерностям протекания процессов и явлений при обработке жидкой и твердой стали имеющих большое значение для многих областей мировой науки и техники.

Практическая значимость исследования
Результаты выполнения ПНИ, после экспериментальной проверки и корректировки в промышленных условиях, а также согласования с конкретными режимами горячей штамповки послужит основой для создания эффективных сквозных промышленных технологий и освоения производства горячекатаных и холоднокатаных, в том числе, покрытых сталей, закаливаемых при штамповке, в условиях Индустриального партнера – ПАО «Северсталь» и на других предприятиях отечественного металлургического комплекса. Производимый горячекатаный, холоднокатаный, в том числе, покрытый прокат будет использоваться на предприятиях машиностроения, автомобилестроения, других отраслей промышленности, в том числе, ОАО «Уралвагонзавод», ОАО «КАМАЗ», Концерн «Тракторные заводы», ОАО «УАЗ», группа компаний «ИНСАЮР», ОАО «АВТОВАЗ», новые сборочные заводы, для изготовления методами горячей штамповки ответственных деталей и узлов различных объектов транспортной, строительной, горнодобывающей и других видов техники, в том числе эксплуатируемой в сложных природно-климатических условиях, с повышенным в 2-3 раза комплексом свойств, при снижении массы, металлоемкости, общих затрат на производство до 20%.
Суммарная потребность в разрабатываемых сталях в настоящее время составляет не менее 20-30 тысяч тонн в год, быстро возрастает и к 2019-2020 гг. составит не менее 50-70 тысяч тонн в год. За счет повышения комплекса свойств и экономичности стали, возможно, дополнительное расширение сферы потребления до 100 тысяч тонн в год. Разрабатываемые технологии и стали по сочетанию высоких показателей прочностных, пластических свойств, хладостойкости, коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности, обладают высокой патентоспособностью и конкурентоспособность на внутреннем и мировом рынках. Возможно получение большого объема заказов от зарубежных потребителей до 100 - 150 тысяч тонн в год, продажа лицензий.