Interfax-Russia.ru – Красноярские исследователи определили наилучший состав самой "экстремальной" стали.
Ученые Института цветных металлов и материаловедения Сибирского федерального университета (СФУ, г. Красноярск) смогли повысить ударную вязкость стали Гадфильда, подобрав оптимальный химический состав материала. До сих пор чтобы достичь свойств, за которые так ценится эта "суперсталь" — низкой теплопроводности, высокой ударной вязкости и хорошей износостойкости — специалистам приходилось подвергать ее многократной термообработке, а также использовать взрывной и электрофизический методы, которые считаются небезопасными для рабочих.
"Известно, что свойства материала напрямую зависят от его химического состава. Мы можем управлять им с помощью введения легирующих (связывающих — ИФ) добавок. Если удастся найти нужное соотношение, можно значительно увеличить эксплуатационные показатели материала", — сообщил один из авторов исследования, старший научный сотрудник лаборатории физикохимии металлургических процессов и материалов СФУ Александр Косович.
Так, по его словам, специалисты проанализировали данные по диапазону основных элементов (углерода и марганца) стали Гадфильда и подобрали для нее оптимальный химический состав с учетом требований к величине ударной вязкости этого материала. В дальнейшем, используя методы математической статистики, ученые подтвердили, что уточненный химический состав можно успешно применять даже в самых экстремальных условиях.
Как в свою очередь уточнили в пресс-службе вуза, используя новую методику, специалисты получили линейку литых заготовок, которые имели разный состав из-за разных пропорций легирующих добавок, а затем, подвергли их термообработке в режиме, который обычно применяется на производстве. После этого они вырезали из стали образцы для определения ударной вязкости и проверили свойства каждого из них.
"Изучив 28 образцов — в частности, их ударную вязкость, мы оценили влияние взаимодействия добавок и скорректировали их значения под заданные параметры с помощью особых методик анализа данных. Благодаря технологически верным операциям приготовления расплава, серы и фосфора в составе образцов было очень мало, ими можно пренебречь. Железо, марганец и хром волновали в большей степени", — рассказал старший научный сотрудник лаборатории физикохимии металлургических процессов и материалов СФУ.
При этом, по его словам, полученная в результате экспериментов и расчетов система может быть преобразована и дальше.
"В ней можно гибко варьировать количество магния, чтобы синтезировать более экономные составы высокомарганцевых сталей. А вот с кремнием следует быть осторожнее — при увеличении содержания этого элемента свойства стали снижаются", — объяснил специалист.
Ученый также сообщил, что исследование уже получило продолжение в контексте комбинированного легирования стали комплексом элементов Cr (хром), Mo (Молибден), Ni (Никель), подана заявка на патент.
Сталь Гадфильда (по ГОСТу — 110Г13Л) в 1882 году изобрел английский металлург Роберт Гадфильд, в честь которого она и получила свое название. Она явилась первой легированной сталью массового производства. Материал имеет отличную износостойкость при ударах, высоком давлении и перепадах температуры. Также для нее характерна высокая пластичность. Благодаря этому сталь Гадфильда используется в агрессивных средах и экстремальных условиях, в том числе для изготовления деталей горного, дробильного и размольного оборудования; сердечников для прокатки труб; гусеничных траков и ряда других устройств, где требуется повышенная устойчивость к абразивному истиранию и ударному разрушению.
Ранее группа исследователей Института цветных металлов и материаловедения СФУ изготовила опытную партию сверхпрочной проволоки из алюминиево-циркониевых сплавов. При ее производстве специалисты использовали метод совмещенного литья и прокатки-прессования (СЛиПП).
"Мы исследовали закономерности влияния химического состава, деформационных и температурно-скоростных параметров процесса совмещенного литья и прокатки-прессования (СЛиПП), волочения и термической обработки на микроструктуру и свойства полуфабрикатов из новых алюминиево-циркониевых сплавов", — сообщил доцент кафедры инженерного бакалавриата CDIO и кафедры обработки металлов давлением Института цветных металлов и материаловедения СФУ Вадим Беспалов.
В частности, ученые выяснили, что цирконий в небольшом количестве существенно повышает прочность проводников при нагреве. Это происходит за счет полного растворения этого металла в твердом растворе алюминия при быстрой кристаллизации расплава и выделения дисперсной фазы Al3Zr в результате последующего отжига полуфабрикатов. При этом эффект сохраняется при нагревании до 230 градусов Цельсия. Кроме того, как оказалось, особенность сплавов данной системы в сочетании с рациональным режимом деформационно-термической обработки способом СЛиПП позволяет получить хорошую электропроводность и улучшить пластические свойства полуфабрикатов.
"В ходе исследования получены данные по реологическим свойствам сплавов Al-Zr, разработана компьютерная модель процесса СЛиПП, позволяющая рассчитать рациональные параметры обработки металла и энергосиловые условия изготовления проводниковых полуфабрикатов, получена опытная партия прутков и проволоки с заданным комплексом эксплуатационных свойств по рассчитанным в модели режимам и определены важные для дальнейших исследований закономерности формоизменения металла в очаге деформации", — подытожил Беспалов.
Также в ходе исследований специалисты изучили совместное влияние условий СЛиПП, волочения и двухступенчатого отжига на структуру и свойства полуфабрикатов электротехнического назначения из сплавов алюминия с содержанием 0,1-0,3 % циркония. В итоге была изготовлена опытная партия проволоки с "гармоничным" сочетанием механических свойств и электропроводности.
Тем временем, коллектив ученых Алтайского государственного аграрного университета (АГАУ, г. Барнаул) разработал конструкцию составного электрода для ручной дуговой сварки деталей из разнородных сталей и новый способ электросварки.
Как пояснили в пресс-службе вуза, электрод состоит из двух компонентов — двух стержней. Первый — стальной стержень, выполнен из металла с обмазкой близкими по химическому составу и механическим свойствам с металлом одной из свариваемых деталей. Второй стержень электрода размещен параллельно первому и соприкасается с ним по всей длине смежной стороны. Он выполнен из металла с обмазкой близкими по химическому составу и механическими свойствами металлу второй детали.
Электроды скреплены друг с другом медными скобами, а смежные поверхности стальных стержней освобождены от обмазки на одну четвертую их диаметра на протяжении всей длины электрода.
Таким образом, химический состав каждой части электрода соответствует или близок к химическому составу соединяемой сваркой стали, а при сварке происходит плавление и смешивание в сварном шве его частей с образованием нового сварочного материала — стали с усредненным химическим составом.
Отмечается, что новый способ сварки деталей уже опробовали в мастерских АГАУ.
Как отмечают в университете, до сих пор электросварка деталей из нержавеющей и конструкционной сталей считалась невозможной из-за хрупкости сварного шва. Поэтому емкости из нержавеющей стали, используемые в пищевой промышленности, как правило, соединяли с трубопроводами для подачи или удаления жидкости из конструкционной стали или цветных металлов обычным хомутом. Последний, к сожалению, не гарантировал прочность такого соединения, а технология требовала дополнительных финансовых затрат.
