#сталь

Ученые Пермского Политеха предложили эффективный способ улучшения макроструктуры мартенситно-стареющих сталей с помощью гибридной наплавки и дополнительной термической обработки. Технология улучшает однородность, плотность, пластичность и прочность материала, что повышает качество и долговечность изделий.

Ремонт предварительно напряженных стальных конструкций довольно сложная задача. Особенно, если они подвергаются постоянной ударной нагрузке, как это происходит с дорожкой качения и корпусом струнного рельса. Белорусские инженеры компании ЗАО «Струнные технологии» нашли простой и надежный способ восстановления предварительно напряженной конструкции.

В нефтедобывающей, химической, металлургической и других отраслях часто применяется сталь 14Х17Н2. Ее используют при изготовлении компрессоров, лопаток турбин, валов, крепежных элементов, подшипников в машиностроении, ответственных деталей в химическом оборудовании. Изделия из этой стали работают в агрессивных средах и часто выходят из строя из-за коррозии, вызванной сероводородом. Особенно страдают детали, которые постоянно подвергаются нагрузке, например, штанговые глубинные насосы для добычи нефти. Ученые Пермского Политеха и специалисты компании «ЭЛКАМ-нефтемаш» разработали новый режим термической обработки, который позволит значительно повысить стойкость материала к разрушению даже в таких суровых условиях эксплуатации.

В отраслях промышленности при производстве ответственных изделий, например, в деталях аэрокосмической техники или компонентах ядерных реакторов, широко используют мартенситностареющие стали. Свое название они получили из-за мартенсита в составе — особой структуры, которая образуется в результате перестроения атомов внутри металла после нагрева и последующего охлаждения. Она придает сплавам высокую прочность, пластичность и ударную вязкость. При всех положительных качествах такого материала, важно контролировать его трещиностойкость, чтобы не допустить разрушения состоящих из него конструкций. Ученые Пермского Политеха исследовали, как температура закалки металла влияет на его конечные характеристики, и разработали рекомендации для повышения устойчивости к образованию трещин.

Гибка металла обычно используется в строительстве для создания каркасов зданий и мостов, трубопроводов, кровельных материалов крыш и отделке фасадов. В автомобильной промышленности так производят, например, выхлопные трубы и компоненты подвески, а в аэрокосмической отрасли — крылья и части фюзеляжей. Холодная гибка листов — это относительно экономичный процесс, при котором материалу под давлением придают определенную форму без применения высоких температур. Однако если некорректно задать условия процесса, то можно получить деталь с плохими прочностными характеристиками. Ученые Пермского Политеха предложили модель для оптимизации холодной гибки металлических листов. Она позволит прогнозировать изменения в структуре материала и поможет подобрать наилучшие режимы изготовления изделий.

Стальные трубы используют в бурении скважин для добычи нефти, газа и воды. Этот важный элемент оборудования также служит для защиты стенок скважины от обрушения. При этом сталь должна быть прочной, пластичной, устойчивой к коррозии, иметь высокую ударную вязкость (то есть обладать большим запасом прочности) — это нужно, чтобы изделия оставались работоспособными как можно дольше. Существующие марки стали либо не обладают необходимыми сочетаниями этих показателей, либо слишком сложны и экономически не выгодны в производстве. Ученые Пермского Политеха предложили способ термической обработки низкоуглеродистой мартенситной стали, который обеспечивает лучшее сочетание ее механических свойств.

В ракетной технике, космонавтике и авиационной промышленности для изготовления деталей используют мартенситно-стареющие стали — сплавы железа с высокой прочностью. Для упрощения изготовления все чаще применяется аддитивная 3D-печать. Этот способ значительно сокращает отходы и время производства. В процессе послойной наплавки металлы подвергаются сложному термическому воздействию, в результате которого материал может менять свои характеристики, что неблагоприятно скажется на готовом изделии. Ученые Пермского Политеха провели эксперимент и определили, насколько стратегия нанесения слоев в процессе 3D-печати влияет на химический состав и свойства мартенситно-стареющей стали.

Сейчас для добычи нефти активно используют штанговые скважинные насосные установки, которые эксплуатируются в агрессивных средах под высоким давлением. Цилиндр и поршень в них подвержены износу, поэтому для повышения прочности проводят ионно-плазменное азотирование. Ученые Пермского Политеха внесли корректировки в технологический процесс изготовления оборудования. Это позволит значительно снизить затраты на ремонт скважины и замену насоса для нефтедобывающих компаний.

Для получения нефти в России все чаще используют высокоэффективные тонкостенные штанговые глубинные насосы. Они повышают производительность добычи примерно на 25 процентов, поскольку имеют больший объем рабочей камеры за счет тонкой высоконагруженной стенки. Однако такие насосы пока недостаточно надежны из-за повышенных неравномерных нагрузок. Уязвимой частью становятся места деталей, где концентрируется наибольшее напряжение. К ним, например, относится резьба штока — металлического прутка, который передает возвратно-поступательное движение, создаваемое двигателем, на рабочие органы насоса. Деталь может разрушиться и прийти в негодность из-за неравномерного распределения напряжения. Ученые Пермского Политеха предложили использовать в изготовлении соединительных концов насосных штоков сталь 40Х, которая прошла индукционную термическую обработку при высоких температурах — это повысит ее твердость и устойчивость к нагрузкам.

В производстве трубопроводной арматуры для улучшения характеристик металлических изделий применяют метод ионно-плазменного азотирования. Он формирует на поверхности изделия защитный слой, который усиливает сопротивляемость к образованию микротрещин, повышает прочность и стойкость к коррозии. Этот способ экологически безопасен, прост в управлении, а еще универсален для упрочнения всех видов сталей и сплавов. Но в России активное использование ионного азотирования в промышленности началось относительно недавно. Производить нужное оборудование стали также намного позже, чем в других странах. Тем не менее, отечественные установки уже существуют. Ученые Пермского Политеха впервые провели сравнительные исследования модифицированных слоев, полученных с помощью европейского и российского оборудования.

При переработке титаномагнетитовых шлаков выделяют пятиокись ванадия. Этот продукт используют для получения феррованадия — сплава, который улучшает прочность и вязкость сталей. В процессе переработки шлаков также извлекается и марганец, но его содержание в сплаве не должно превышать 0,5 процента. Избыток приводит к ухудшению механических свойств получаемых сталей. Для соблюдения норм, пятиокись ванадия промывают реагентными растворами, но не все они приводят к нужному результату. Ученые Пермского Политеха сравнили различные реагенты и выявили простой и наиболее эффективный способ очистки пятиокиси ванадия от соединений марганца. Полученные результаты позволяют получать ванадийсодержащие стали повышенного качества.

Во многих научных трудах отмечается, что технологический процесс горячего цинкования как вида антикоррозионной защиты способен негативно влиять на прочностные характеристики металлического изделия. Белорусские инженеры исследовали возможные причины возникновения повреждений внутренней структуры стальных элементов в результате такой обработки.

Среди технологических операций резания сверление играет особую роль. Это самый распространенный и экономически выгодный метод получения отверстий различных размеров. При этом для создания отверстий с соотношением глубины к диаметру более 10 единиц требуется специальное оборудование, режущий инструмент и особая технология. Ученые ПНИПУ создали динамическую математическую модель для управления системой обработки сверлением. Ранее этот процесс рассматривался только в «статике» и без учета податливости технологической системы. Разработка позволит получать точные и качественные технологические отверстия для различных промышленных деталей.

Исследователи НИЯУ МИФИ в составе международного коллектива провели масштабную работу по исследованию сталей, дисперсно-упрочненных оксидами (ДУО). Эти материалы обладают большим потенциалом для использования в новых ядерных и термоядерных реакторах.

Ученые лаборатории окисления и пассивации металлов и сплавов ИФХЭ РАН завершили систематическое исследование ингибирования стали пирокатехином. Измерения проводились методом электрохимической импедансной спектроскопии. Выяснилось, что ингибирующее действие пирокатехина в основном связано с образованием прочных адсорбционных пленок на поверхности стали, которые защищают металл даже при его переносе в раствор без ингибитора. Оптимальная концентрация, обеспечивающая длительный защитный эффект, согласно результатам этих экспериментов, составляла пять граммов на литр пирокатехина.

В машиностроении для обработки металла производители используют методы холодной деформации, когда под воздействием силы изменяется структура материала и возрастает прочность. Хромоникелевые стали, из которых производят, например, нержавеющие трубы, цистерны и сварную аппаратуру, обладают уникальными свойствами, но в процессе эксплуатации в агрессивных средах и при повышенных нагрузках поверхности изделий изнашиваются. Ученые Пермского Политеха разработали способ комплексной обработки, которая сочетает холодную деформацию и последующее насыщение материала азотом. Такая технология позволяет быстро повысить уровень прочности и твердости поверхности стали и ее сердцевины.

Исследователи НИТУ МИСИС разработали эффективный метод изготовления быстрорежущей стали, из которой создают износостойкие инструменты для механической обработки металла. Они выдерживают высокую скорость вращения и сохраняют твердость даже при раскаливании до красноты. Предложенная технология позволит значительно сократить производственные циклы и получить более долговечный материал.

Коррозия приводит ежегодно к миллиардным убыткам, «съедает» несколько процентов мирового ВВП, поэтому разработка ингибиторов коррозии — веществ, замедляющих или предотвращающих ее течение — остается в фокусе внимания многих научных групп. Особенно серьезную опасность для стали представляют кислые среды, в частности, нефть. В ближайшее время поиском идеальной молекулы, для защиты стали от коррозии займется нейросеть. Пока международные научные группы, в состав которых входят российские ученые из НИЯУ МИФИ, занимаются предварительными исследованиями, призванным и накопить информацию для нейросети.

Развитие современной промышленности предъявляет все большие требования к уровню свойств материалов. Для изготовления изделий различного назначения, таких как силовые кронштейны, завихрители воздуха в автомобилях, все чаще применяют сплавы из высоколегированных сталей и специальных конструкционных сплавов. Применение слоистых материалов может повысить их эксплуатационные характеристики, однако, их получение обычно сложное и дорогое. 3D-наплавка – наиболее доступный и менее затратный способ получения слоистых металлических конструкций. Ученые Пермского Политеха предложили технологию изготовления изделий, когда кроме 3D-наплавки одновременно создается химический состав материала и его структуры. Исследование позволит формировать конечные свойства изделия, которые до этого были недостижимы.

Устойчивость стали к трещинам — главное требование в машиностроительной отрасли, поскольку от качества сплава зависит долговечность изготавливаемых деталей, таких как, вал двигателя на ведущие колеса, пружины для подвески и подшипники. Ученые Пермского Политеха провели ряд экспериментов и предложили методику исследования изменения строения и свойств сталей в процессе их разрушения, результаты применения которой в дальнейшем позволят повысить сопротивление сталей хрупкому разрушению.