Отчётные материалы этапа № 2 «Теоретические и

Отчётные материалы этапа № 2 «Теоретические и экспериментальные
исследования» Соглашения с Министерством образования и науки
Российской Федерации о предоставлении субсидии от «23» июня 2014 г.
№14.574.21.0054, уникальный идентификационный номер
RFMEFI57414X0054, по теме «Разработка научных и технологических
аспектов производства бессвинцовистых экологически чистых
легкообрабатываемых сталей»
Получатель
субсидии:
Федеральное
государственное
бюджетное
образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Южно-Уральский
государственный
университет"
(национальный
исследовательский университет).
Индустриальный партнер: ООО «Завод Стройтехника»
В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении
субсидии от 23 июня 2014 года № 14.574.21.0054 по теме «Разработка
научных и технологических аспектов производства бессвинцовистых
экологически чистых легкообрабатываемых сталей» с Минобрнауки России в
рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по
приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса
России на 2014-2020 годы» на этапе № 2 в период с 01 января 2015 года по
30 июня 2015 года выполнялись следующие работы:
2.1. Проведение экспериментальных исследований
растворимости
легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в жидких и твёрдых сплавах
железа.
2.2.
Расчет
термодинамических
характеристик
бинарных
и
многокомпонентных систем сплавов, содержащих легкоплавкие и
легкоиспаряющиеся элементы, необходимых для прогнозирования качества и
обрабатываемости
сталей,
легированных
легкоплавкими
и
легкоиспаряющимися элементами.
2.3.
Изготовление
экспериментальных
образцов
бессвинцовистых
экологически чистых легкообрабатываемых сталей в виде слитков
(заготовок).
2.4. Разработка методики испытаний экспериментальных образцов
бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей
2.4. Испытания экспериментальных образцов бессвинцовистых экологически
чистых легкообрабатываемых сталей в виде слитков (заготовок) (химический
состав, механические свойства, загрязненность неметаллическими
включениями, величина аустенитного зерна, равномерность распределения
элементов по высоте слитка или заготовки, оценка макро- и микроструктуры,
обрабатываемость стали резанием).
2.5. Сравнительный анализ экологических характеристик загрязненности
атмосферы при легировании стали различными легкоплавкими и
легкоиспаряющимися добавками в сопоставлении с предельно допустимыми
уровнями их концентрации.
2.6. Разработка лабораторного технологического регламента производства
бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей с
введением легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в расплав.
При этом были получены следующие результаты:
В рамках работы выполнено патентное исследование и оформлен отчет
в соответствии с ГОСТ 15.011 по направлению «Легкообрабатываемые
коррозионностойкие стали». После проведения патентного поиска были
поданы заявки на изобретения на легкообрабатываемые коррозионностойкие
стали, легированные висмутом и кальцием типа АВЦ40Х13, АВЦ12Х18Н10,
АВЦ14Х17Н2.
Проведены
экспериментальные
исследования
растворимости
легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в жидких и твёрдых сплавах
железа.
Насыщение жидкого железа висмутом проводили через газовую фазу в
закрытом молибденовом контейнере с притертой крышкой, помещенном в
графитовый тигель с завинчивающейся крышкой. Опыты проводили в
атмосфере аргона в интервале температур 1550…1620 ºС с шагом 10 ºС.
Продолжительность эксперимента составляло 1 час.
Изучение растворимости висмута в сплавах железа с алюминием,
бором, кальцием, кобальтом, цирконием, медью, титаном, ванадием,
вольфрамом фосфором, цинком, оловом ниобием и рядом других элементов
проводилось при температуре 1560 ºС по методике аналогичной для
определения растворимости висмута в жидком железе.
По результатам экспериментальных опытов с помощью современных
средств термодинамического моделирования построены изотермические
разрезы диаграмм состояния трёхкомпонентных систем Fe–Bi–Al, Fe–Bi–B,
Fe–Bi–Ca, Fe–Bi–Ce, Fe–Bi–Co, Fe–Bi–Cu, Fe–Bi–Mo (см. рис.1), Fe–Bi–Nb,
Fe–Bi–P, Fe–Bi–Pb, Fe–Bi–S, Fe–Bi–Sb, Fe–Bi–Sn, Fe–Bi–Te, Fe–Bi–Ti, Fe–Bi–
V, Fe–Bi–W, Fe–Bi–Zn, Fe–Bi–Zr и др. (использован программный пакет
FactSage). Пример диаграммы представлен на рис. 1.
Анализ построенных сечений позволяет сделать выводы о том, как
влияют легирующие элементы расплава на основе железа на растворимость в
нём висмута. В преобладающем большинстве случаев они заметно
увеличивают растворимость висмута в этом расплаве.
В ходе работ осуществлено моделирование фазовых равновесий для
бессвинцовистых
экологически
чистых
легкообрабатываемых
конструкционных
висмуткальцийсодержащих
сталей.
Результаты
моделирования представлены в виде графиков логарифмических
зависимостей масс фаз от температуры для интервалов температур 100–
1700°С (рис. 2).
Рисунок 1 – Диаграмма состояния системы Fe-Bi-Mo. Изотермический разрез
для Т=1560 ºС
Рисунок 2 – Логарифмическая зависимость масс фаз от температуры для
сплава АВЦ20ХГНМ
На первом этапе исследования были проведены лабораторные опыты.
Предметом исследования являются легкообрабатываемые конструкционные
стали, легированные висмутом и кальцием, АВЦ20ХГНМ, АВЦ19ХГН,
АВЦ40Х,
АВЦ40ХГНМ;
АВЦ38ХГМ,
АВЦ12ХН,
АВЦ35Г2
легкообрабатываемые конструкционные стали, легированные оловом:
АО40ХГНМ, АО40Х, АО30ХМ; АО38ХГМ, АО19ХГН, АО20ХГНМ,
легкообрабатываемые коррозионностойкие стали, легированные висмутом и
кальцием: АВЦ12Х18Н10, АВЦ40Х13, АВЦ14Х17Н2 в виде передельной
заготовки, сортовые прутки диаметром 20 мм и слитки массой 17 кг (круг 50
мм). Выплавка стали проводилась в индукционной печи, массой 80 кг,
легирование висмутом, оловом и кальцием проводилась в процессе разливки
сверху с помощью дозирующего устройства (рис. 3).
Рисунок 3 – Установка для подачи легирующих элементов
В рамках работы оценили равномерность распределения легкоплавких
элементов (висмут, олово, кальций) по высоте осевой зоны и в поперечных
сечениях слитка и качество макроструктуры по сечению и высоте слитков
(рис. 4).
Определены качественные характеристики кованой конструкционной и
коррозионностойкой марок стали: механические свойства; химический
состав стали; величина аустенитного зерна в соответствии с ГОСТ 5639 – 82;
загрязненность стали неметаллическими включениями (ГОСТ 1778-70) по
максимальному и среднему баллу; характер и форма распределения
металлических и неметаллических включений; качество поверхности металла
изучали после ковки его в передельной квадратной заготовке, со стороной 20
мм2; качество макроструктуры оценивали по шкалам ГОСТ 10243 – 62 в
пробах из передельной квадратной заготовки со стороной 20 мм;
равномерность распределения висмута, кальция и олова в кв. 20 мм в пробах
литер А, Б, У в зоне ½ радиуса; оценка на стойкость коррозионностойкой
стали к межкристаллитной коррозии (ГОСТ 6032-89); оценка свариваемости
коррозионностойкой стали (ГОСТ 23870-79).
Рисунок 4 – Макроструктура литых слитков массой 18 кг
Для конструкционных сталей легированных оловом определена
ударная вязкость (KCU) при разных температурах испытания (ГОСТ 945478).
Промышленные эксперименты проведены в производственных
условиях: выплавка, разливка и легирование стали висмутом, оловом,
кальцием в ЭСПЦ № 3 ООО "Златоустовский электрометаллургический
завод", оценка обрабатываемости металла резанием – в механических цехах
ОАО "АВТОВАЗ" при изготовлении серийных деталей.
Предметом
исследования
являются
легкообрабатываемые
конструкционные стали, легированные висмутом и кальцием, АВЦ19ХГН,
АВЦ40Х, АВЦ40ХГНМ; легкообрабатываемые конструкционные стали,
легированные
оловом:
АО40ХГНМ,
АО40Х,
АО30ХМ;
легкообрабатываемые коррозионностойкие стали, легированные висмутом и
кальцием: АВЦ12Х18Н10, АВЦ40Х13, АВЦ14Х17Н2 в виде передельной
заготовки, сортовые прутки диаметром 80 мм и слитки массой 500 кг (круг
345 мм).
В ходе работ разработана методика испытаний экспериментальных
образцов бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых
сталей. Определены качественные характеристики литой конструкционной и
коррозионностойкой марок стали: оценили равномерность распределения
легкоплавких элементов (висмут, олово, кальций) и серы по высоте осевой
зоны и в поперечных сечениях слитка, получили фотографии
макроструктуры сечения слитков по высоте каждой плавки.
Определены качественные характеристики кованой конструкционной и
коррозионностойкой марок стали: механические свойства (временное
сопротивление, предел текучести, относительное удлинение, ударная
вязкость, твердость) в продольном и поперечном сечении; химический состав
стали (углерод, кремний, марганец, сера, фосфор, хром, молибден, никель,
висмут, кальций, олово, алюминий, медь, водород, азот, кислород); величина
аустенитного зерна в соответствии с ГОСТ 5639 – 82 (получены фотографии
микроструктуры); загрязненность стали неметаллическими включениями
(ГОСТ 1778-70) по максимальному и среднему баллу; проведен
ультразвуковой контроль на наличие или отсутствие макровключений
висмута по всей кованной заготовки; характер и форма распределения
металлических и неметаллических включений; качество поверхности металла
изучали после ковки его в передельной квадратной заготовке, со стороной 80
мм2 (оценку качества проводить по 4 категориям: 1 – практически не требует
зачистки поверхности; 2 – частичная чистка поверхности; 3 – сплошная
зачистка; 4 – брак по поверхности); качество макроструктуры оценивали по
шкалам ГОСТ 10243 – 62 в пробах из передельной квадратной заготовки со
стороной 80 мм; равномерность распределения висмута, кальция и олова в
кв. 80 мм в пробах литер А, Б, У в зоне ½ радиуса; влияние висмута и олова
на прокаливаемость стали; оценка на стойкость коррозионностойкой стали к
межкристаллитной коррозии (ГОСТ 6032-89); оценка свариваемости
коррозионностойкой стали (ГОСТ 23870-79).
Для конструкционных сталей легированных оловом определена
ударная вязкость (KCU) при разных температурах испытания (ГОСТ 945478). При каждой температуре испытано три образца (15 образцов на плавку).
Верхняя температура - комнатная, нижняя - такая, чтобы дойти до области,
где разрушение становится хрупким (минус 100 - минус 120°С). Отпуск
520°С и выдержка не менее 24 часов.
Определение обрабатываемости резанием экспериментальных марок
стали, изготовленных на ООО "ЗЭМЗ" 30-40 мм, в сравнении с
обрабатываемостью серийной свинецсодержащей в аналогичных прутках
произведена в производственных условиях ОАО "АВТОВАЗ". Оценку
обрабатываемости резанием определяли поэтапно, в зависимости от времени
выплавки и поступления стали на ОАО "АВТОВАЗ".
В работе проведены полные сравнительные экологические
исследования загрязненности атмосферы при легировании стали висмутом,
оловом, кальцием сопоставлении с предельно допустимой концентрацией
(ПДК) в электросталеплавильных и прокатных цехах ООО «Златоустовский
электрометаллургический завод».
Разработан лабораторный технологический регламент производства
бессвинцовистых экологически чистых легкообрабатываемых сталей с
введением легкоплавких и легкоиспаряющихся элементов в расплав.
В рамках проекта принимали очное участие на международной научнотехнической конференции «Технологии и оборудование для внепечной
обработки и непрерывной разливки стали» (г. Москва, 21-22 апреля 2015 г.).
Произведена покупка за счет средств индустриального партнера:
термодат-16Е5 (модель 16Е5/1УВ/1В/1А/2Р/1Т/485/2М), конвертер –
RS485/USB (модель СК201), листа нержавеющего из стали 12Х18Н10Т (4 )
для установки для исследования растворимости висмута в жидких и твёрдых
сплавах железа. А также произведена разработка и электромонтаж системы
управления установки для исследования растворимости висмута в жидких и
твёрдых сплавах железа
Комиссия Минобрнауки России признала обязательства
Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.
по