| Аннотация |
Арктический регион имеет стратегическое значение для обеспечения геополитических и геоэкономических позиций Российской Федерации в мире, и для внутреннего развития. Условием развития данного региона и сохранения превосходства в нем является разработка технических и технологических решений для машиностроения позволяющих создать новую наукоемкую продукцию.
Конструирование изделий (от создания материала до обработки заготовок) имеет ключевое значение для различных отраслей промышленности Российской Федерации для эксплуатации в экстремальных условиях Арктики и Крайнего Севера. Новые легированные высокопрочные износостойкие стали могут обеспечить необходимую износостойкость в данных условиях.
Сегодня выбор конструкции, марки стали и технологических параметров обработки деталей осуществляется либо полуэмпирическими способом, либо на основе устаревших стандартов. Более того, одни и те же изделия и марки стали могут применяться и в нормальных условиях, и в экстремальных, что приводит к выходу из строя дорогостоящего оборудования и значительному увеличению металлопотребления. Например, известная сталь
Гадфильда (11–14,5% Mn, 0,9–1,3% С), склонная к деформационному упрочнению, успешно применяется для скальных пород, но имеет пониженную износостойкость.
Таким образом, задачей настоящего проекта является создание научно-обоснованной методологической и методический базы выбора материалов, конструктивного исполнения изделий, работающих в условиях ударных нагрузок и повышенного трения, и технологии производства в зависимости от меняющихся условий эксплуатации.
Целесообразно создание комплексного инструмента, основанного на управлении всеми факторами жизненного цикла изделий из стали, определяющими работоспособность на основании моделирования механики технологических процессов создания изделий из данного материала для условий крайнего Севера и Арктики.
В настоящее время большинство публикаций, описывающих проблему работоспособности и надежности коронок и зубьев ковшей экскаваторов, посвящены проблемам процесса резания мерзлых грунтов, расчетам формы и размеров режущих частей, проблемам экскавации различных типов грунтов. Работ, посвященных решению проблемы металлургического качества металла коронок и зубьев значительно меньше, и проблемы их металлургического качества освещены недостаточно. Особенно это касается проблем надежности и долговечности коронок и зубьев, изготовленных из среднеуглеродистых (⁓0,3%) Si- Mn- Cr- Mo сталей.
Практико-ориентированность результатов проекта обеспечивается возможностью реализации предлагаемого к разработке подхода в виде формализованной методики для использования в условиях промышленных предприятий, производящих различные изделия (например: коронки зубьев экскаваторов, буры, дробилки, подвижные части шредеров и другие), работающие в экстремальных условиях. Данный подход является универсальным, поэтому возможно его дальнейшее внедрение и реализация в других областях, требующих подобных свойств материалов и изделий (пластичность и способность к упрочнению), например, проектов по освоению иных пространств с экстремальными условиями (внеземных).
Научная новизна обуславливается созданием отсутствующей методологической и методической базы для выбора конструкции и материалов деталей для условий Арктики, и Крайнего Севера и отсутствием исследований в области повышения металлургического качества металла применяемых в горнодобывающей промышленности. Данный подход позволит подобрать систему легирования для конкретного изделия на основе комплексных математических моделей и физического моделирования процесса технологии изготовления деталей. Подход является междисциплинарным и охватывает весь жизненный цикл детали от отливки до разрушения при эксплуатации.
Основные результаты:
1. Модели основных технологических процессов на всех стадиях производства.
2. Результаты исследования качества изготовления деталей из высокопрочных износостойких сталей и выявление причин преждевременного выхода из строя. Разработка критериев оценки структурных составляющих, отвечающих за работоспособность.
3. Результаты экспериментального определения ликвации в сталях, проведенного на лабораторных и промышленных образцах.
4. Термодинамическая модель рафинирования стального расплава от вредных примесей позволит рассчитывать активность кислорода в расплаве в присутствии различных раскислителей и модификаторов (кремний, марганец, алюминий, барий, церий, лантан), а также другие формы существования кислорода. Будет учтена возможность образования оксидов стехиометрического состава, растворов типа Me2O3, а также образование жидких включений переменного состава. Кроме того, будет учтено взаимодействие активных элементов с серой для прогнозирования формирования сульфидов.
5. Модель затвердевания позволит рассчитывать междендритные расстояния второго порядка, определяющие дисперсность структуры на всех последующих переделах. Модель будет основана на статистической обработке массива эмпирических данных, полученных в результате серий экспериментов по получению отливок разного химического состава, закристаллизованных в контролируемых условиях с разными скоростями охлаждения, проводимых в ходе проекта, и позволит в дальнейшем учитывать влияние скорости охлаждения отливки и ее химического состава, присутствие модификаторов на дисперсность литой структуры. С использованием моделей Шейла, Онака и Броуди-Флемингса будет смоделировано распределение химических элементов по сечению дендритов, и определенно сопряженное с этим образование включений ликвационной природы.
6. Модель взаимодействия деталей из высокопрочных легированных износостойких сталей с разными типами грунтов и породы, для оптимизации геометрии изделий.
7. Методика выбора оптимальной технологии механической обработки для повышения износостойкости изделий из легированной стали.
Интегральные результаты:
Методика выбора упрочняющей механической обработки для легированных высокопрочных литейных сталей для заданных условий эксплуатации, основанная на взаимосвязанных моделях технологических процессов выплавки, разливки и термообработки.
|
