Регистрация / Вход
Прислать материал

14.625.21.0032

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.625.21.0032
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П.Бардина"
Название доклада
Разработка эффективной технологии производства круглого проката из специальных легированных сталей с гарантированной группой холодной осадки для автомобильного крепежа с увеличенными до 1,5-2 раз показателями надежности, долговечности, качественных характеристик, при импортозамещении, общем снижении затрат до 15%.
Докладчик
Зайцев Александр Иванович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка основ комплексной технологии производства круглого проката диаметром до 32 мм из специальных легированных (хромом, никелем, молибденом, серой и другими элементами) сталей (марок типа 38ХНГМ, 41Х1, 12ХН и других) с гарантированной группой холодной осадки 66 и 66Т для изготовления автомобильного крепежа и других ответственных изделий с увеличенными в 1,5-2 раза показателями надежности, долговечности, качественных характеристик при импортозамещении, общем снижении затрат до 15%
Основные задачи:
- определение ключевых факторов и параметров состава, структурного состояния, свойств, технологии производства, качественных характеристик, включая дефекты металла, контролирующих способность круглого проката из специальных легированных сталей к холодной осадке;
- разработка методов и эффективных технологических приемов на всех этапах комплексной технологии производства круглого проката из специальных легированных сталей, обеспечивающих одновременного достижение высоких качественных характеристик, прочности, способности к холодной осадке, других служебных свойств;
- существенное повышение коррозионной стойкости, хладостойкости, эксплуатационной надежности за счет получения заданного структурного состояния, содержания и форм присутствия примесей, неметаллических включений;
- определение оптимальных параметров состава, комплексной технологий производства круглого проката из специальных легированных сталей с гарантированной группой холодной осадки 66 и 66Т для изготовления высокопрочных крепежных изделий с увеличенными в 1,5-2 раза показателями надежности, долговечности, при снижении затрат.
Актуальность и новизна исследования
Создание новых объектов техники в транспорте, строительстве, других отраслях промышленности требует использования высокопрочных крепежных и других типов изделий, изготавливаемых из круглого проката из специальных легированных сталей методами холодной объемной штамповки. Из-за низкого уровня свойств, качества отечественного проката в РФ производство высокопрочных изделий составляет менее 18% от общего объема, по сравнению с 90-95% в развитых странах. Для покрытия внутренней потребностей до 90% таких изделий импортируется, что приводит к большому экономическому до 5 – 7 млрд. рублей в год и техническому ущербу, связанному с не достаточной коррозионной стойкостью, хадостойкостью, эксплуатационной надежностью импортной металлопродукция в сложных природно-климатических условиях России. Поэтому актуальной задачей является разработка эффективной технологии производства высококачественного проката для изготовления высокопрочных изделий адаптированных к условиям эксплуатации в РФ.
Новизна:
- использование оригинального комплексного подхода для одновременного достижения высоких показателей прочности, качества, способности к холодной осадке круглого проката, а также эксплуатационной надежности, долговечности получаемых изделий;
- повышение коррозионной стойкости, хладостойкости, эксплуатационной надежности, долговечности за счет предупреждения образования определенных типов неметаллических включений, форм присутствия примесей, получения определенной микроструктуры металла;
- возможность исключения специальной термообработки перед изготовлением изделий за счет получения стабильных и однородных по поперечному сечению проката показателей состава, структуры, свойств стали.
Описание исследования

С помощью разработанного оригинального комплексного подхода, включающего термодинамические, физико-химические методы прогнозирования характеристик фазового состава, структурного состояния металла, детальное их (в том числе, дефектов) изучение  методами оптической, электронной микроскопии, локального рентгеноспектрального анализа, комплексные испытания механических и других служебных свойств, выполнено исследование факторов и параметров, контролирующих способность круглого проката из специальных легированных сталей (12ХН, 38ХГНМ, 35ХГСА, 30Г1Р, 40Х, 35ХГСА и других марок) к холодной осадке. Это, впервые,  позволило достоверно установить определяющее влияние на способность круглого проката к холодной осадке структурного состояния стали и, особенно, присутствия дефектов.

Для принципиального снижения количества дефектов, достижения необходимых качественных характеристик стали, гарантировано обеспечивающих группу холодной осадки 66 и 66Т, разработаны  оригинальные физико-химические методы прогнозирования неметаллических включений, форм присутствия примесей, шлакового режима. Они базируются на оригинальных принципах представления термодинамических свойств комплексных оксидных и других типов фаз в рамках современной концепции  субрегулярных растворов и новой теории металлургических шлаков. Это, впервые с единых позиций позволило адекватно прогнозировать, не только характеристики неметаллических включений с учетом взаимодействия металла со шлаком и футеровкой, но и важнейшие физико-химические характеристики (вязкость, поверхностное натяжение, ассимилирующую способность) шлака. Параллельно выполняли детальное экспериментальное исследование  характеристик неметаллических включений с использованием оригинальной методики автоматического сканирования и их идентификации  в рамках электронной микроскопии локального рентгеноспектрального анализа. Сопоставление полученных результаты позволило, как доказать адекватность теоретических представлений так и разработать эффективные технологические приемы снижения содержания неметаллических включений.

С целью определения условий предотвращения образования дефектов, получения однородного по объему состава и структурного состояния металла непрерывно литой заготовки, НЛЗ разработаны и использованы оригинальные методы управления процессами кристаллизации, на основе математического моделирования кинетики кристаллизации с учетом использования электромагнитного перемешивания. Параллельно выполненные экспериментальные исследования закономерностей распределения разных компонентов стали, дефектов по объему металла с помощью оригинальных металлографических методик, впервые, позволили разработать эффективные технологические приемы принципиального повышения качества металла НЛЗ. 

При анализе процессов обезуглероживания поверхности при нагреве, горячей прокатке НЛЗ, впервые, выполнен адекватный учет влияния на интенсивность его протекания селективного окисления компонентов стали. Это, в частности, позволило установить, что с повышением температуры глубина обезуглероженного слоя уменьшается и найти оптимальные режимы нагрева НЛЗ. 

При разработке системы классивикации дефектов НЛЗ и круглого проката из специальных легированных сталей, кроме обычно применяемых металлографических методов, широко использованы оригинальные методики электронной микроскопии и локального рентгеноспектрального анализа для определения состава металлической матрицы, фазовых и структурных составляющих в области локализации дефекта. Это, впервые, позволило не только достоверно определить типы дефектов, но и однозначно установить причины их происхождения.

На базе термодинамических методов расчета стабильных и метастабильных равновесий  с использованием представления термодинамических свойств фаз комплексного состава в рамках современной теории подрешеток, а также анализа термокинетических диаграмм разработаны оригинальные принципы прогнозирования структурного состояния круглого проката из специальных легированных сталей. Они, впервые, позволили адекватно определять оптимальные режимы горячей прокатки, сфероидизирующего отжига для получения благоприятной микроструктуры проката для обеспечения групп холодной осадки 66 и 66Т.

Для определения ключевых термодинамических, физико-химических величин необходимых для адекватной трактовки процессов обработки жидкой и твердой стали использован ряд оригинальных методик в рамках кнудсеновской масс-спектрометрии на УНУ «Молекулярный пучок».

Результаты исследования

Выполненный с использованием разработанных оригинальных методов и подходов  большой объем исследований на металле более 70 промышленных и лабораторных плавок позволили получить ряд принципиально важных для многих отраслей науки и техники результатов:

Впервые достоверно установлено, что достаточным условием получения положительных результатов испытаний на холодную осадку по группе 66Т ГОСТ (10702-78) является одновременное получение благоприятной микроструктуры и отсутствие поверхностных дефектов глубиной более 100 мкм. Благоприятной является микроструктура с определенными показателями дисперсности (номер зерна 8-11 по ГОСТ 5639–82), а также доли (не менее 60%) перлита и глобулярного цементита. При полном отсутствии поверхностных дефектов круглый прокат может выдерживать испытания на холодную осадку по группе 66  ГОСТ (10702-78) даже при неблагоприятной микроструктуре стали.

Для получения благоприятных жидкоподвижных силикатных включений  при предварительном раскислении стали Mn и Si отношение масс их присадок должно составлять 4-9 в зависимости от содержания кислорода. Показано, что предпочтительным является раскисление стали алюминием. Оптимальный состав шлака сталеразливочного ковша соответствует соотношению концентраций   (CaO+MgO)/(SiO2) = 2,0-2,2 при содержаниях MgO - 7-10%, Al2O3 - 5-20%, CaO - 40-60%, SiO2 = 20-30%, CaF2 - 10-15%, FeO+MnO – не более 0,5-1%. В промежуточном ковше и кристаллизаторе установки непрерывной разливки стали целесообразно использовать шлаки CaO-SiO2-Al2O3 с основностью х(CaO)/х(SiO2)=1,1-1,35, а содержание CaF2 или Na3AlF6 ограничить величиной 5-7% в пересчете на фтор. Эффективность разработанных приемов подтверждена при проведении 20 плавок сталей марок 38ХГНМ, 12ХН, 30Г1Р, 40Х. Достигнуто снижение общего содержания кислорода с 0,0045 до 0,0018%, азота, водорода в 1,5-2 раза.

Для обеспечения однородного состава и структуры металла НЛЗ сечением 150х150 мм оптимальная величина силы тока при электромагнитном перемешивании составляет 200-300 А, частота 3-4 Гц при скорости вытягивания слитка 2-2,2 м/мин. Основными дефектами НЛЗ являются поверхностные газовые пузыри и трещины, для предупреждения образования которых необходимо повысить скорость вытягивания слитка на 0,2-0,4 м/мин, плавления шлакообразующей смеси, а также снизить амплитуду качания кристаллизатора до 7-8 мм.

Увеличение скорости нагрева заготовок, как правило, приводит к снижению степени обезуглероживания. Путем использования ускоренного (10-20оС/с) охлаждения после прокатки можно существенно повысить способность круглого проката к холодной осадке после термообработки. Оптимальной для сфероидизирующего отжига является температура на 20-30оС ниже критической точки А1.

Разработан лабораторный технологический регламент на выплавку, обработку жидкого металла и литье заготовок из специальных легированных сталей. Результаты испытаний экспериментальных образцов литых заготовок свидетельствуют о достижении заданных показателей химического состава, низкого содержания неметаллических включений, в том числе, коррозионно-активных (не более 2 вкл./мм2), неблагоприятных примесей ([H]<0,0004%, [N]<0,005%), высокой степени химической и структурной однородности, качественных характеристик литого металла (дефекты макроструктуры менее 1 балла по ГОСТ 10243-75), поверхности  с большим запасом превосходящие требования ТЗ, а также соответствующие показателям лучших мировых аналогов.

Практическая значимость исследования
Достижение запланированных результатов ПНИЭР обеспечит формирование научно-технического задела, необходимого для последующего промышленного освоения производства, в условиях Индустриального партнера ОАО «ММК» и других предприятий отечественного металлургического комплекса, в том числе ПАО «Северсталь», АО «ОЭМК», круглого горячекатаного проката из специальных легированных сталей. Суммарная потребность в разрабатываемом прокате, в настоящее время, составляет не менее 30 - 40 тысяч тонн в год, и к 2019-2020 гг. составит не менее 100-120 тысяч тонн в год. Этому будет способствовать повышение уровня и стабильности комплекса технологических, служебных свойств, качественных характеристик проката. За счет снижения затрат на производство в результате уменьшения отсортировки проката по качественным характеристикам, использования более экономной технологии обработки металла, будет достигнут значительный экономический эффект до 150-200 млн. рублей в год. Изготавливаемые из разработанного проката высокопрочные крепежные изделия будут обладать, кроме соответствующим мировому уровню, высоким комплексом механических свойств: временное сопротивление до 1200-1400 МПа; относительное удлинение до 10-15 %; относительное сужение – более 55-60 %, улучшенными в 1,5-2 раза показателями эксплуатационной надежности долговечности.
Производимые крепежные и другие ответственные изделия из разработанного проката будут использованы на предприятиях отечественного автомобилестроения, машиностроения, строительной индустрии, в том числе ОАО «АВТОВАЗ», ПАО «КАМАЗ», Группа «ГАЗ», ПАО «БАЗ», Концерн «Тракторные заводы», АО «Уралвагонзавод», новые сборочные заводы. Отказ от использования дорогостоящей импортной металлопродукции приведет к существенному экономическому эффекту, достигающему до 5 – 7 млрд. рублей в год. Не менее значимый эффект будет получен за счет увеличения эксплуатационной надежности, долговечности изделий адаптированных к природно-климатическим условиям России. Следует отметить, что разрабатываемый прокат и технологии обладают высокой патентоспособностью и конкурентоспособностью на мировом рынке. Возможно получение большого объема заказов от зарубежных потребителей, продажа лицензий.