Разработка технологического процесса производства нового класса конструкционных материалов листового сортамента с субмикрокристаллической и наноразмерной структурой, полученных на основе рядовых сталей и сплавов методом прокатки

Это направление связано с проведением комплекса исследований по созданию промышленной технологии производства нового класса конструкционных листовых материалов и изделий из них со стабильной многослойной наноразмерной структурой, полученных на основе промышленно выпускаемые металлов и сплавов методом прокатки. Работы ведутся совместно с МГТУ им. Баумана и ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей».

Современные требования техники ставят задачу освоения промышленного производства нового класса материалов (в достаточно широких объемах при умеренной стоимости заготовок), сохраняющих свойства в процессе последующей эксплуатации или обработке при повышенных температурах, холодной или теплой деформации.

Новизна процесса заключена в том, что предложен впервые метод получения массивных нано структурированных листовых заготовок на основе металла одного вида. Предложенная технология базируется на широко освоенных промышленностью процессах прокатки и потому достаточно проста и воспроизводима для специалистов в области обработки металлов давлением. В основу технологии легла идея о совместной горячей деформации многослойной заготовки в таком температурном интервале, в котором составляющие исходной композиции имеют разные кристаллографические модификации.

Схема технологического процесса прокатки:

Предложенный технологический процесс опробован на натурном прокатном оборудовании в условиях реального промышленного процесса. Прокатка производилась на лабораторном прокатном стане дуо/кварто с опорными валками диаметром 350 мм в МГТУ им. Баумана и промышленном стане дуо с валками диаметром 600 мм на Опытном производстве ЦНИИ КМ «Прометей» (г. Гатчина Ленинградской обл.). Исследования структуры и механических характеристик материалов полученных образцов проводились в МГТУ им. Баумана и ЦНИИ КМ «Прометей» (г. Санкт-Петербург) на образцах, полученных из первичных заготовок, состоящих из чередующихся между собой слоев различных комбинаций, например, сталей 08Х18+08Х18Н10, У8+08Х18Н10, 40Х13+08Х18Н10 и др. Результаты исследований подтвердили, что предложенный метод позволяет получать тонколистовые конструкционные материалы с высокими характеристиками непосредственно прокаткой рядовых сталей без легирования и специальной термообработки. Установлено повышение предела прочности до 2-х раз, ударной вязкости – в 2-3 раза, снижение модуля упругости – до 1,5 раз.

Ниже показаны микроструктуры образцов исследуемых композиций, полученных на разных стадиях (с первого по третий) технологического цикла. Видно, что в многослойном материале формируется ламинарная структура, которая характеризуется параллельным расположением слоев толщины в поперечном сечении заготовки.

Продукция, предлагаемая к производству по новой технологии, относится к классу конструкционных тонколистовых композиционных материалов с наноразмерными и субмикрокристаллическими слоями из промышленного состава сплавов на основе железа (например, стали 08Х18Н10, У7, 08Х18, 30ХГСА, 4Х5МФ1С и др.). За счет формирования наноструктуры и многослойной композиции материалы этого класса будут обладать повышенными значениями конструкционной прочности в сочетании с высокими служебными характеристиками. В зависимости от разнообразия назначений и характера условий эксплуатации варианты служебных характеристик изделий из них могут формироваться «под заказ» путем выбора материалов слоев, создающих композицию.

Предложенный процесс может быть использован при производстве следующих видов товарной продукции:

• Листы и ленты из композиционного материала, коррозионно-стойкие, повышенной прочности, для использования в качестве заготовок, сохраняющих свойства при последующей деформации в холодном и горячем состоянии.
• Режущий инструмент из композиционного листового материала – полотна отрезных дисков, ленточных пил. Такой инструмент, используемый в металло- и деревообрабатывающей промышленностях, стройиндустрии, благодаря повышенной прочности полотна позволит на 20-30% снизить отходы при резе за счет уменьшения толщины полотна и повысить производительность путем использования форсированных режимов резания.
• Листовые пружины и торсионы, мембраны из композиционного листового материала, коррозионно-стойкие с повышенными прочностными характеристиками, и, важно, модулем упругости, в 1,5 меньшим характерного для сталей в обычном состоянии, имеющие высокую несущую способность при их эксплуатации пружин в агрессивных средах. Пружины всякого рода широко используются в транспортном машиностроении и других отраслях промышленности. Зачастую они определяют грузоподъемность и рабочий ресурс машин и оборудования.
• Изделия из листов из композиционного листового материала с высокими прочностными характеристиками для использования в самых различных конструкциях в том числе, подверженных агрессивным воздействиям (коррозия, легкие удары и пр.) окружающей среды (атмосферы, воды, растворов различных химикатов, продуктов нефтехимии и др.). Они могут использоваться, например, в качестве легкой защитной брони транспортных машин, заменяя вставки из специальных сталей, что позволит снизить вес корпуса машины на 20-30% и соответственно увеличить полезную нагрузку. Из них можно гнуть (например, в штампах) гнутые профили облегченные, повышенной прочности.

В дальнейшем развитии технологии могут рассматриваться другие виды продукции: листовые материалы со специальными свойствами для атомной энергетики, с новыми электромагнитными свойствами для электротехнической промышленности, прочие возможные применения материалов с уникальными свойствами.