Анатомия стали
Как получить более прочные, дешевые и устойчивые к враждебной среде сплавы
Мир начал обретать привычные очертания и скорости, когда во второй половине XIX века появились промышленные способы массово выплавлять сталь — основной каркасный элемент любой конструкции: от моста до корабля, от небоскребов до туннелей метро. Инженерные задачи требуют от металла разных свойств: сверхвысокой прочности, стойкости к воздействию внешней среды или, например, легкости в сварке или соединении с другими металлами. На рынке есть стали с этими свойствами. Однако в текущих условиях России нужно учиться производить их самостоятельно. И для решения этой задачи требуется серьезная научная работа. Вместе с «Уральской Сталью» рассказываем, как получить сталь с необходимыми характеристиками.
От чего зависят свойства стали
Состав
Идеально чистое железо — относительно мягкий металл. Однако даже небольшое количество углерода в составе (менее 2,14 процента) превращает его в прочную сталь.
Дело в том, что в чистом железе, как в любом другом металле, присутствуют дислокации. Это частичные сдвиги слоев атомов, которые могут скользить в металле буквально со скоростью звука. Именно дислокации делают железо мягким.
Углерод, находящийся в стали в виде твердого раствора, замедляет это движение и делает сталь прочнее железа. В то же время избыток углерода делает металл более хрупким. Аналогичным образом действуют некоторые другие легирующие добавки, например никель.
Структура
В производстве стали, как и в кулинарии, важен не только состав, но и способ «приготовления»: температура расплава, скорость охлаждения, механическая обработка — горячая или холодная. Все это влияет на фазовый состав и микроструктуру стали, во многом определяющую ее свойства.
В зависимости от температуры сталь может находиться в разных фазовых состояниях. Они отличаются друг от друга кристаллической решеткой, плотностью упаковки и способностью растворять в себе углерод. Например, при комнатной температуре железо находится в α-форме, в которой много углерода не растворить — всего 0,005 процента при 0 ℃. Углерод с железом при этом образуют относительно мягкий феррит. Выше 910 ℃ железо еще не расплавлено, но переходит в менее плотную γ-форму. В ней можно растворить больше углерода. Эта фаза стали называется «аустенит».
При охлаждении, в зависимости от скорости понижения температуры и количества углерода в составе, результат будет разным.
Избыток углерода может химически связаться с железом, образуя карбид железа, который кристаллизуется и создает твердый и хрупкий материал — слоистые структуры из мягкого феррита и твердого карбида. Если толщина слоев невелика, они упрочняют сталь, так как не дают слоям металла скользить.
Если охладить сталь резко, как происходит при закалке, образуется новая фаза — мартенсит. В таком случае ее решетка объемнее прежних, а при расширении образуется множество дефектов, которые тормозят сдвиги. Материал получится очень твердый и хрупкий, со множеством напряжений.
Легирующие добавки делают картину еще сложнее и разнообразнее. Они могут:
- стабилизировать нужную кристаллическую решетку;
- образовывать твердые карбиды с углеродом стали;
- нейтрализовывать вредные примеси, такие как сера или фосфор;
- образовывать защитный слой на поверхности;
- упрочнять сталь аналогично углероду.
Например, хром, ключевой компонент нержавеющей стали, реагирует с кислородом, образуя защитный слой из оксида хрома, который не дает атомам железа окисляться. А никель стабилизирует фазу аустенита, сохраняя ударную прочность металла и предотвращая хрупкость.
Термомеханическая обработка
Высший пилотаж — это управление структурой с помощью термомеханической обработки, такой как контролируемая прокатка, в том числе с ускоренным охлаждением, а также чередование нужных температурных режимов: отжига, нормализации, закалки с отпуском и так далее. Все это позволяет регулировать размер и форму зерен, распределение фаз и примесей, размер включений, напряжения в металле — и в результате получать необходимые для стали свойства.
Следует отметить, что различия в требованиях к механическим свойствам высокопрочных сталей разных производителей минимальные. В химическом составе могут быть нюансы: кто-то добавляет больше никеля, кто-то применяет легирование бором, другие ограничивают содержание марганца для лучшей свариваемости. Главные секреты кроются в технологиях выплавки и термообработки.
Дмитрий Иванов, начальник отдела УНВП «Уральской Стали»
Чего можно достичь с помощью термической и механической обработки:
- снизить количество примесей и сделать сталь более дешевой при сохранении прочности;
- повысить хладостойкость, сохраняя вязкие фазы;
- контролировать микроструктуру, размер зерен, распределение твердых включений.
Один из ведущих производителей стали в России, комбинат «Уральская Сталь» в Новотроицке в Оренбургской области, обладает мощнейшим термическим отделением, которое позволяет выпускать до 30 тысяч тонн листовой стали в месяц. Нагревательные роликовые печи, закалочная машина для длинных листов стали и закалочный пресс для коротких, листоправильные машины, которые устраняют неровности металла, а также холодильник с воздушным охлаждением позволяют влиять на микроструктуру стали, достигая намеченных свойств.
Исследования и разработка новых видов стали
В основе инноваций лежит запрос промышленных отраслей, которым требуется сталь с определенными свойствами, например стойкостью к износу, экстремальным условиям, низким температурам и так далее. Однако процесс внедрения нововведений в производство может занимать десятки лет. Чтобы получить сертификат, сталь проходит ряд проверок и испытаний — она должна гарантированно соответствовать техническим нормам и стандартам. Требования к безопасности здесь не менее строгие, чем в фармацевтике.
Часть новых видов стали можно испытывать прямо на производстве, если технологи хорошо представляют себе желаемый результат. Они подбирают состав, режимы выплавки, прокатки и другие характеристики. Но одна плавка на производстве — это 120 тонн жидкой стали. Запускать ее имеет смысл, только если действительно уверен в успехе, а для экспериментов это слишком дорогое удовольствие.
«Уральская Сталь» сотрудничает с исследовательскими лабораториями ЦНИИчермет им. И. П. Бардина, МИСИСа, МГТУ им. Г. И. Носова, у которых имеется опытное производство, то есть все, что нужно для выплавки, термообработки, а также тестирования результатов, но в небольшом объеме.
Современная разработка включает в себя и передовые технологии.
На первом этапе происходит математическое моделирование структуры: расчет времени и температуры нагрева, охлаждения, моделирование кристаллизации и тому подобное.
Затем наступает черед физической имитации процессов. Ключевая задача на этом этапе — максимально точно воспроизвести термические условия и деформационные процессы, которые материал пройдет на производстве. Необходимо собрать информацию о возможных сложностях и подобрать оптимальные режимы.
Следующий этап происходит в лаборатории, где можно изготовить образец небольшого размера и оценить его свойства. Важно также проанализировать микроструктуру стали — этим занимаются металлографы. Структуры могут быть настолько сложными, что обычных оптических наблюдений недостаточно, и нужно прибегать к сканирующей электронной микроскопии и дифракционной рентгеновской микроскопии. Металлографы могут определить плотность границ зерен, их размер и распределение — все это влияет на прочность стали.
Результат тщательно оценивают, проводя механические испытания. Разработка испытаний для конкретного вида стали — отдельная задача. Нужно продумать, каким именно нагрузкам и в каких условиях она будет подвергаться. И только когда образцы протестированы, а также собрана вся информация о критических параметрах, запускается пробная плавка на производстве.
Тяжелые машины и высокие нагрузки
Представьте ковш экскаватора или кузов тяжелого БелАЗа, перевозящего руду. Они регулярно подвергаются механическому воздействию — трению и ударам. На поверхности структура металла деформируется, накапливаются дефекты, происходит упрочнение и изменение его структуры.
Со временем металл становится хрупким, изнашивается и начинает крошиться. Между тем высокая твердость поверхности — это главное требование к износостойкой стали. Вот с помощью чего этого можно добиться:
- твердые карбиды железа в пластичной матрице из стали, особенно эффективны мелкодисперсные структуры;
- мартенсит — самая твердая фаза стали, образующаяся при закалке.
Для рамы грузовика больше подойдет высокопрочная сталь с большой ударной вязкостью, которая снизит вес и вынесет большую нагрузку. Она также должна свариваться без потери качества под нагревом горелки. Такое сочетание могут обеспечить:
- железо с большим процентом легирования никелем; во время охлаждения образуются интерметаллидные соединения железа с никелем, которые упрочняют сталь;
- легирующие элементы, такие как хром, молибден и ванадий, сохраняющие прочность при отпуске стали;
- аустенитные и многофазные стали с большим содержанием никеля, который стабилизирует фазу аустенита, имеющего высокую вязкость.
Многие марки таких высокопрочных и износостойких сталей производились за рубежом, поэтому сейчас российские компании, потеряв к ним доступ, вкладываются в разработку собственных продуктов. У «Уральской Стали» это высокопрочная свариваемая сталь WeldUS и износостойкая сталь HardUS. Сочетание химического состава и режимов закалки позволяет снизить количество легирующих добавок, а значит, и стоимость продукции. Кроме того, эту сталь разработали, соединив нормы европейского стандарта с дополнительными требованиями, предъявляемыми к высокопрочной стали экспертами БелАЗа.
Мосты и экстремальная погода
Сталь для опор и мостов должна быть очень прочной: выдерживать накопившееся напряжение, быть устойчивой к ударным нагрузкам и воздействию любой погоды и не ржаветь. А в нашей стране еще и выдерживать температуры с разбросом почти в сотню градусов, от 50 до −70 ℃. Задача инженеров — не только построить надежное и прочное сооружение, но и по возможности облегчить вес конструкции и максимально продлить срок эксплуатации.
При сооружении мостов в России используют низколегированные стали с добавками хрома, никеля и меди с относительно небольшим содержанием углерода — до 0,15 процента. Термическая обработка позволяет улучшить их механические свойства. Такие стали несколько дороже обычных конструкционных, зато надежнее и долговечнее, а также обладают достаточной хладостойкостью. И все же их требуется красить для защиты от коррозии, что сказывается на стоимости обслуживания моста.
Конечно, существует высоколегированная нержавеющая сталь, в которой может содержаться до 20 процентов хрома, а также никель, молибден, ванадий и вольфрам. Это долговечная сталь, которой не страшна коррозия — но и стоит она значительно дороже. А значит, мост обойдется недешево.
Наконец, третий вариант — это атмосферостойкие стали, образующие Сложная смесь оксидов железа и хрома.
Для мостов «Уральская Сталь» производит атмосферостойкую сталь 14ХГНДЦ. Буквы в названии шифруют процент углерода, виды легирующих добавок и применимость в качестве конструкционного материала. На ее поверхности образуется патина. Она не позволяет кислороду разрушать поверхность и проникать в глубину, поэтому сталь не нуждается в окраске. Таким образом, стоимость жизненного цикла конструкции сокращается на 30 процентов, а срок увеличивается в 1,5 раза. В этой стали фосфора нет — это нехрупкий «кортен» для мостов.
В 2022 году в эксплуатацию через реку Амур был введен мост, построенный из такой стали. Его длина составляет более километра. Вес конструкции превышает 3 тысячи тонн. Хладостойкость стали 14ХГНДЦ выше по сравнению с импортными аналогами, поэтому она подходит для наших суровых условий.
Однако есть условия, где защитная патина не справится, — в соленой морской атмосфере. На поверхности из морского воздуха оседает влага и соль. Ионы хлора проникают под ржавчину, а ионы натрия остаются снаружи. Защитная пленка в результате разрушается и отслаивается. Для этих условий была разработана сталь 06ГН3МД с 3 процентами никеля, который защищает от проникновения ионов хлора в глубину.
Биметалл: дополнительная защита
Для агрессивных сред, таких как морская вода, химические реакторы и коксовые камеры, где сталь находится в контакте с едкими веществами, высокой температурой и давлением, нужна дополнительная защита. Обеспечить ее может нержавеющая сталь. Однако из-за большого процента легирующих примесей она обходится дорого.
Более дешевый, но не уступающий по качеству аналог — биметаллические пакеты, в которых соединены два металла. Часто их получают с помощью плакирования: на этапе проката соединяются два металлических листа, которые после горячей деформации становятся единым целым. Такой пакет обладает преимуществами обоих видов стали.
«Уральская Сталь» производит биметаллический прокат из низколегированной стали, которую соединяют с нержавейкой. Особенность этой стали заключается в том, что сила сцепления металлов в 2,5 раза превосходит требования ГОСТ 10885. Она применяется в нефтяной, химической и атомной промышленности, а еще подойдет для защитных поясов ледоколов.
Криогенная сталь и водородная энергетика
Будущее энергетики связано со сжиженным природным газом (СПГ) и водородом. Для хранения и перемещения каждого из этих веществ нужна инфраструктура, в которой важное место занимает сталь. Например, для хранения жидкого газа требуется сталь, стойкая к хладноломкости и сохраняющая свои вязкие свойства в условиях чрезвычайно низких температур: −163 ℃ для СПГ, −196 ℃ для азота и −253 ℃ для жидкого водорода.
В этом случае требуется, чтобы в металле сохранилась возможность скольжения слоев. Для этого необходимо:
- минимизировать количество углерода, который, упрочняя металл, делает его менее пластичным;
- использовать примеси, стабилизирующие вязкий феррит и не дающие появиться твердым хрупким карбидам железа, — это прежде всего никель, а также марганец;
- использовать аустенитные нержавеющие стали, в которых никель и марганец предотвращают переход в хрупкую мартенситную фазу;
- получить мелкозернистую структуру с небольшим количеством примесей на границах зерен; этому также способствует никель.
Однако аустенитные стали с никелем стоят дорого. Поэтому «Уральская Сталь» разработала ферритные криогенные стали 0Н6 и 0Н6ДМБ. В них 6 процентов никеля, при этом 0Н6ДМБ — конкурент стали 0Н9 с 9 процентами никеля, что позволяет сэкономить на стоимости. Эти стали сохраняют необходимую вязкость и пластичность вплоть до −196 ℃ и позволяют изготавливать листы разной толщины, более дешевые и превосходящие аустенитную нержавейку по прочности.
Сталь для водородной энергетики — это вызов будущего. Во-первых, отрасль только находится на этапе формирования. Во-вторых, есть и технические сложности: жидкий водород хранится при крайне низкой температуре, а газ удержать в трубах очень тяжело. Небольшие атомы водорода легко проникают в трещины и дефекты трубопроводов, создавая напряжение и риск разрушения конструкции. При определенных условиях (повышенная температура и давление) водород реагирует с углеродом в стали, приводя к коррозии. На больших расстояниях «сбежать» из трубы могут до 40 процентов водорода. Чтобы этого не происходило, требуется однородная микрозернистая сталь, которая и после сварки не потеряет свои свойства.
В 2023 году «Уральская Сталь» произвела и испытала первую партию труб для метан-водородных смесей. Эта сталь получила нужные сертификаты и серебряную медаль на «Металл-Экспо» в 2023 году.
***
Физика и химия сталей изучена, кажется, вдоль и поперек, однако это не значит, что инновациям не осталось места. Одно из наиболее перспективных направлений — еще более виртуозное управление микроструктурой стали. Примером могут быть трип-стали, которые структурно «запрограммированы» менять фазу под нагрузкой: метастабильный за счет примесей аустенит переходит в более твердый мартенсит в пластичной ферритной матрице. Они обладают равной прочностью по сравнению с обычной углеродистой сталью, но при этом в 2–3 раза пластичнее.
Развитие методов моделирования и успехи в создании искусственного интеллекта означают намного более точное моделирование поведения стали на этапе разработки и даже поиск новых сплавов с помощью ИИ. Но это пока скорее теоретическая область.
А вот на этапе производства ИИ уже внедряется крупными металлургическими компаниями. Его используют для создания двойников производственных процессов, операционной аналитики и мониторинга производственных процессов. Системы машинного зрения уже сейчас помогают, например:
- контролировать количество и качество сырья в машинах и на конвейерах;
- отслеживать соблюдение техники безопасности;
- искать дефекты и считывать маркировку.
Кроме того, рекомендательные сервисы предлагают различные решения — от оптимизации ферросплавов до загрузки тяжелых агрегатов на производстве, а также помогают планировать ремонт и техобслуживание. Все это позволяет экономить ресурсы.
Несмотря на существенные затраты, инновации окупаются. Компания «Уральская Сталь» вкладывается в новые разработки, не уступая ведущим производителям стали в России. Образно выражаясь, каждый рубль, потраченный на этапе инженерных изысканий, экономит 10 рублей на стадии проектирования, 100 рублей — на этапе строительства и 1000 рублей — во время эксплуатации.
Компания работает с вузами как для исследований, так и для подготовки новых кадров. В Новотроицке, где находится металлургический комбинат «Уральской Стали», открыт филиал МИСИС. У студентов есть возможность не просто участвовать в образовательных программах, но и напрямую влиять на производство, изучая кейсы и предлагая свои решения для производственных задач. В цифровом мире металлургия остается актуальной и предлагает молодежи возможность непосредственного применения своих идей.
Реклама: ООО «Уральская Сталь», ИНН 6732185689, erid: LjN8JzjH8
Тест о том, что животные тоже умеют строить
Животные — опытные архитекторы, которые научились строить сложные конструкции задолго до появления человека. Да что там говорить: люди активно используют биомиметику, то есть пытаются воссоздать удачные инженерные решения природы. В этом тесте вам нужно угадать, что создали животные, а что — дело рук человека. Вперед!
