Соглашение №14.625.21.0008

Соглашение №14.625.21.0008
<Номер постера>
Федеральная целевая программа
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического
комплекса России на 2014—2020 годы»
Индустрия наносистем
Тема: Разработка основ комплексной технологии производства проката новых многофазных наноструктурированных автолистовых сталей с
улучшенным комплексом трудно сочетаемых служебных свойств, качественных характеристик, при снижении затрат
Соглашение №14.625.21.0008 на период 2014 - 2016 гг.
Руководитель проекта: Зайцев Александр Иванович
Получатель субсидии: Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина»
Цели и задачи проекта
Цели проекта: 1. Разработка, на основе управления формированием фазового состава, наноструктурного состояния, новых многофазных автолистовых сталей с комплексом стабильных и увеличенных до 3-х раз
показателей прочности (временное сопротивление до 2000 МПа), пластичности (относительное удлинение до 40%), других служебных свойств, для изготовления элементов транспортных средств и других объектов
техники.
2. Обеспечение снижения энергетических и материальных затрат на 5-7%, металлоемкости изделий на 15-20%, повышение безопасности и ресурса эксплуатации изделий в 2-3 раза.
Установление закономерностей влияния химического, фазового состава, структурного состояния, включая наноструктурную составляющую, неметаллические включения, химическую и структурную неоднородности,
технологических параметров обработки металла на получаемый комплекс свойств, качественных характеристик проката из многофазных автолистовых сталей.
Основные задачи ПНИ: 1. Установление закономерностей влияния химического, фазового состава, структурного состояния, включая наноструктурную составляющую, неметаллические включения, химическую и
структурную неоднородности, - технологических параметров обработки металла на получаемый комплекс свойств, качественных характеристик проката из многофазных автолистовых сталей.
2. Разработка адекватных физико-химических методов прогнозирования и эффективных технологических приемов управления неметаллическими включениями, шлаковым режимом при обработке жидкой стали,
обеспечивающих максимально высокую степень усвоения легирующих, микролегирующих компонентов, чистоты стали по примесям, неметаллическим включениям.
3. Разработка адекватных принципов прогнозирования и эффективных технологических приемов управления фазовым составом, структурным, наноструктурным состоянием по ходу обработки твердой стали с
определением оптимальных параметров горячей, холодной прокатки, термической обработки разрабатываемых сталей.
4. Установление закономерностей взаимного влияния технологических параметров и процессов, происходящих на разных этапах производства проката. Определение допустимых интервалов значений параметров
химического состава и сквозной технологии производства горячекатаного, холоднокатаного, в том числе термообработанного листового проката из многофазных наноструктурированных автолистовых сталей.
5. Получение экспериментальных образцов проката из многофазных наноструктурированных автолистовых сталей и подтверждение достижения запланированных технических характеристик.
Актуальность: Динамично развивающееся автомобилестроение диктует необходимость снижения массы, металлоемкости, расхода топлива, отрицательного воздействия на окружающую среду, затрат на производство,
напротив, улучшение дизайна, безопасности эксплуатации автотранспортных средств. Это определяет быстрое кратное увеличение требований к комплексу трудно сочетаемых показателей прочности, пластичности,
коррозионной стойкости других служебных свойств составляющим более 60% массы автомобиля, автолистовых сталей. Такие стали также необходимы для ряда других отраслей машиностроения, транспорта,
строительства, горнодобывающей и других отраслей промышленности. Наиболее перспективным направлением решения сформулированной проблемы является разработка и использование прогрессивных многофазных
высокопрочных сталей. Однако, производимые, как в России, так и за рубежом стали такого типа, не обладают достаточным уровнем и стабильностью указанного комплекса служебных свойств, прежде всего, из-за
сложности и высокой наукоёмкости создания технологий их производства. Поэтому, одной из важных для экономики страны задач, особенно в условиях сложившейся геополитической ситуации, является разработка,
новых многофазных автолистовых сталей с комплексом стабильных и увеличенных до 3-х раз показателей технологических служебных свойств, эксплуатационной надежности, при снижении затрат, металлоемкости для
изготовления элементов транспортных средств и других новых объектов техники.
Новизна: 1. Достижение предельно высокого и стабильного комплекса свойств разрабатываемых многофазных автолистовых сталей, не только традиционным путем получения определенного фазового состава и
соотношения содержаний структурных составляющих, но и, прежде всего, за счет формирования объемной системы наноразмерных выделений избыточных фаз
2. Впервые при разработке таких типов сталей предполагается использование комплексного подхода к анализу процессов, происходящих на всех этапах обработки металла, что позволит не только достичь предельно
высокого и стабильного комплекса свойств, но и существенного снижения затрат на производство, а, в результате - расширения сферы использования сталей
3. Создание, на базе достижения предельно высокого комплекса трудно сочетаемых показателей прочности, пластичности, коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности и других служебных свойств стали,
основ для разработки принципиально новых объектов техники.
Ожидаемые результаты проекта
В ходе выполнения ПНИ должны быть получены следующие научно-технические результаты:
1 Экспериментальные образцы горячекатаного, холоднокатаного и холоднокатаного термообработанного листового проката многофазных
наноструктурированных автолистовых сталей.
2 Лабораторный технологический регламент на выплавку, обработку, получение литой заготовки многофазных наноструктурированных
автолистовых и сталей близкого химического состава.
3 Лабораторный технологический регламент на термодеформационную обработку многофазных наноструктурированных автолистовых сталей.
4 Лабораторный технологический регламент на холодную прокатку и термообработку многофазных наноструктурированных автолистовых сталей.
5 Экспериментальные образцы металла после выплавки и обработки расплава многофазных наноструктурированных сталей.
6 Экспериментальные образцы металла от литой заготовки многофазных наноструктурированных автолистовых и сталей близкого химического
состава.
7 Методика выявления и определения количества фазовых и структурных составляющих в экспериментальных образцах горячекатаного,
холоднокатаного и холоднокатаного термообработанного листового проката многофазных наноструктурированных автолистовых сталей.
8 Методика проведения испытаний стойкости экспериментальных образцов горячекатаного, холоднокатаного и холоднокатаного
термообработанного листового проката многофазных наноструктурированных автолистовых сталей против локальной коррозии.
9 Методика проведения испытаний стойкости экспериментальных образцов горячекатаного, холоднокатаного и холоднокатаного
термообработанного листового проката многофазных наноструктурированных автолистовых сталей против общей коррозии.
10 Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и
особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.
11 Проект технического задания на проведение ОТР по теме: «Разработка эффективных промышленных технологий производства новых
многофазных наноструктурированных автолистовых сталей с высоким и стабильным комплексом служебных свойств, качественных характеристик
при снижении затрат».
Сопоставление основных служебных свойств
разрабатываемых многофазных автолистовых сталей с
лучшими отечественными и зарубежными аналогами
Лучший
зарубежный
аналог
Лучший
российский
аналог
Разрабаты
ваемые
стали
Предел текучести, МПа
380 – 700
300-450
600-1500
Временное сопротивление,
МПа
590 – 980
500-650
600-2000
>10
>12
12-40
400-600
300-400
600-1300
100
100
40-50
отсутствует
отсутствует
стойкая
Технические характеристики
Относительное удлинение, %
Предел выносливости, МПа
Разброс прочностных свойств
для 1 класса прочности
Стойкость стали к локальной
коррозии
Перспективы практического использования
Полученные результаты послужат основой для разработки эффективных промышленных технологий и освоения производства на ОАО «ММК», ПАО «Северсталь», ОАО «НЛМК» и других металлургических
предприятиях новых многофазных автолистовых сталей. Они будут использованы на отечественных и новых сборочных предприятиях автомобилестроения, машиностроения, строительной индустрии, в том числе Концерн
«Тракторные заводы», ОАО «КАМАЗ», ОАО «УАЗ», ОАО «Кран», ОАО «АВТОВАЗ», для изготовления прогрессивными энерго- и ресурсосберегающими методами штамповки, гибки изделий, деталей и узлов транспортных
средств, строительных, машиностроительных конструкций, других объектов техники.
В настоящее время потребность отечественных отраслей техники и промышленности в разрабатываемых прогрессивных многофазных автолистовых сталях составляет не менее 30-50 тысяч тонн в год, непрерывно
возрастает и к 2018-2020 г.г. увеличится более чем в 2 раза. Повышение, в результате выполнения работы, экономичности сталей существенного расширит область их применения и дополнительно увеличит объем
потребления в 1,3-1,7 раза. Следует отметить, что разрабатываемые многофазные наноструктурированные автолистовые стали существенно превосходят существующие лучшие зарубежные аналоги по уровню и
стабильности комплекса служебных свойств, при снижении затрат на производство. Поэтому, как сами стали, так и технология их производства характеризуются высоким уровнем патентоспособности и
конкурентоспособности на мировом рынке. Возможна продажа лицензий и получение большого объема заказов от зарубежных потребителей.
Индустриальный партнер ОАО «ММК» заинтересован в разработке и освоении технологий производства новых многофазных наноструктурированных автолистовых сталей, что приведет к повышению доли
высокотехнологической продукции, эффективности производства, созданию новых рабочих мест, повышению конкурентоспособных позиций на мировом рынке и ряду других социально значимых эффектов.
Результаты исследовательской работы, полученные в 2015 г.
Результаты исследовательских испытаний технологических, служебных
Установлены оптимальные значения технологических параметров выплавки, ковшовой обработки, непрерывной разливки,
свойств, неметаллических включений в экспериментальных образцах
термодеформационной обработки многофазных наноструктурированных автолистовых сталей, обеспечивающих: максимально высокую
горячекатаного листового проката многофазных наноструктурированых
степень усвоения легирующих, микролегирующих компонентов, необходимую чистоту стали по вредным примесям, неметаллическим
автолистовых сталей
включениям; высокий уровень химической и структурной однородности, других характеристик металла непрерывнолитой заготовки;
необходимый фазовый состав, структурное состояние, характеристики выделений избыточных фаз, наноструктурной составляющей.
Классс
Разработан ряд оригинальных приемов реализации, практически отсутствующей на настоящее время, сталеплавильной технологии
σт ,
σв ,
σ R,
BH,
Балл
№
δ5, %
σт/σв
λ,%
тойпроизводства разрабатываемых сталей с содержанием Si, Al до 1-2 %, в том числе: раскисления стали алюминием, двух схем его образца
МПа
МПа
МПа
МПа
зерна
кости
отдачи на легирование, поддержания шлакового режима с отношением концентраций СаО/Al2O3 в пределах 1,2-1,4, оптимальной
скорости вытягивания слитка 0,5 – 0,7 м/мин, температуры металла в промежуточном ковше на 15-25 °C выше температуры ликвидус.
1
370
605
24
42
0,61
1
10
Как показали результаты исследовательских испытаний полученных экспериментальных образцов металла после выплавки и
2
340
652
23
45
0,52
1
10
обработки расплава (32 шт.) , а также от литой заготовки (16 шт.), использование разработанных приемов и параметров позволяет
3
466
783
16
52
0,60
1
10
достичь показателей степени усвоения легирующих, микролегирующих компонентов, чистоты стали по вредным примесям (азот ≤
0,01%, водород ≤ 0,0004%), неметаллическим включениям (не более 2,0 балла по ГОСТ 1778-70), а также химической и структурной
4
485
798
17
47
0,61
1
10
однородности металла литой заготовки, превышающих требования ТЗ и значения соответствующих характеристик для обычных
5
422
699
41
40
0,60
1
10
низколегированных сталей.
6
455
671
28
63
0,68
1
10
Разработаны составы сталей систем легирования С-Mn-Сr-Si, C-Mn-Cr-Mo, С-Mn-Si-Al, C-Mn-Si-Cr-Ni, и микролегирования Ti-Nb-V,
7
698
998
25
605
46
0,70
1
10
обеспечивающие повышение в 1,5 – 3 раза комплекса их механических и других служебных свойств по сравнению с лучшими
8
707
920
18
54
0,77
69
1
10
мировыми аналогами. Установлено, что увеличение содержания углерода с 0,10 до 0,30% при дополнительном легировании Si или Al
9
870
1210
12
68
0,72
1
до 1,5 %, а также Сr, Ni приводит к повышению оптимальных значений температуры конца прокатки с 840-870°С до 880-920°С.
10
890
1290
11
48
0,69
1
Изменение значения температуры окончания ускоренного охлаждения в диапазоне от 400 до 200 °С приводит к повышению прочности
стали за счет формирования мелкодисперсных структур. При этом для получения разных уровней прочностных свойств оптимальными
11
670
974
22
44
0,69
1
11
являются следующие структурные состояния: временное сопротивление 600 - 1000 МПа - феррит (10 и более балл по ГОСТ 5639) +
12
762
1137
19
876
56
0,67
50
1
бейнит + остаточный аустенит; временное сопротивление 1000 - 1500 бейнит + мартенсит + остаточный аустенит; временное
13
1262 1895
12
81
0,67
1
сопротивление 1500 - 2000 МПа мартенсит или отпущенный мартенсит + остаточный аустенит.
14
1231 1864
11
54
0,66
1
Последующая термическая обработка стали, включающая аустенизацию, ускоренное охлаждение и низкотемпературный отпуск
15
806
1253
17
73
0,64
1
приводит к повышению прочностных характеристик за счет увеличения содержания мартенсита вплоть до более 90% и с сохранением
16
1114 1641
15
57
0,68
1
небольшого содержания аустенита, обеспечивающего достаточно высокую пластичность проката. Формирования карбонитридных
выделений Nb, V, Ti размером 5-20 нм в -фазе и 50-200 нм в -фазе приводит к повышению прочностных характеристик в результате
17
1250 1852
13
1220
75
0,67
47
1
измельчения структуры и дисперсионного твердения.
18
1515 2106
12
1345
96
0,72
40
1
Разработаны оригинальные методики испытаний стойкости многофазных автолистовых сталей против общей и локальной
19
714
1097
19
52
0,65
1
коррозии, которые обеспечивают получение адекватных сравнительных, различающихся более чем на 5, 10% данных по скорости
20
1017 1462
14
47
0,70
1
общей и локальной коррозии в атмосферных условиях для сталей различного фазового состава и структурного состояния.
600600600Разработана комплексная методика выявления и определения количества фазовых и структурных составляющих, позволяющая
ТЗ
12-40
>40
0,5-0,7
>40
≤1
>10
1500 2000
1300
определять в полном диапазоне составов от 0 до 100% содержание всех фазовых и структурных составляющих с точностью ± 0,5%.
По результатам исследовательских испытаний и дополнительно выполненных исследований полученных 20 экспериментальных образцов горячекатаного листового проката из многофазных наноструктурированных
автолистовых сталей разработанных 7 составов установлено достижение требований технического задания к их механическим и другим служебным свойствам, а также к технологии их производства. Содержание
неметаллических включений для всех образцов менее 1 балла (требования ТЗ менее 2 балла). Для получения разных классов прочности проката подтверждены установленные ранее оптимальные структурные состояния
стали.
По результатам исследований и разработок в 2015 г. опубликовано 2 статьи в научных журналах, индексируемых в базе данных Scopus или в базе данных "Сеть науки" (WEB of Science), подана 1 патентная заявка.
Для проведения исследований использовали УНУ «Молекулярный пучок», были привлечены внебюджетные средства в размере более 19,0 млн. руб. Доля исследователей в возрасте до 39 лет в общей численности
исследователей - участников проекта составила 55,2%, превышая требования ТЗ – 34,4%, а средний возраст участников проекта 43,3 лет, превышая требования ТЗ – 46 лет.
Партнеры проекта
Индустриальный партнер - ОАО «ММК» - одно из крупнейших предприятий металлургического комплекса России
Внебюджетные средства – 19 млн. руб.
Соглашение №14.625.21.0008
<Номер постера>