СТАЛЬ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Сталь используют в любой промышленной сфере – от легкой до космической. Качество стали влияет на долговечность, прочность и изнашиваемость конструкций, машин и оборудования.

Стальные изделия подвергаются высоким и низким температурам, агрессивным химическим средам, высоким нагрузкам и прочим воздействиям в зависимости от области применения.

В идеале, прежде, чем выбрать материал для стали, специалисты изучают условия работы и факторы, которые будут влиять на надежность изделия – морская вода, воздух, пар, растворы солей, почва и т.д. От этого зависит надежность и работа конструкций, машин и оборудования.

Например, при выборе сталей и сплавов для газовых турбинных двигателей и сопл ракет нужно учитывать влияние больших температур, растрескивание, щелевую коррозию, изнашивание металла под напряжением, воздействие водорода.

Часто инженеры-разработчики пропускают этот пункт и подбирают материалы, которые использовались в предыдущих или похожих изделиях. Такой подход имеет недостатки:

a) стальные изделия и оборудование не совершенствуются со временем и в итоге отстают по качеству от более продвинутого «собрата»;

b) повторяются все ошибки и недочеты, которые выявились во время эксплуатации предыдущей серии конструкций и оборудования.

10 вопросов, на которые должен ответить инженер-проектировщик перед тем, как выбрать материал для стали:

1. Насколько необходимо использовать именно данный материал?
   
   
2. Превосходит ли материал требования?
   
   
3. Насколько экономически выгодно использовать материал?
   
   
4. Существует ли материал лучше этого?
   
   
5. Можно ли сделать сталь дешевле, используя другой метод производства?
   
   
6. Можно ли использовать в производстве стандартный материал?
   
   
7. Можно ли применить более дешевый способ механической обработки?
   
   
8. Сколько рабочей силы и финансовых затрат потребуется, чтобы произвести сталь в промышленности?
   
   
9. Можно ли снизить стоимость и при этом не потерять качество?
   
   
10. Отказались бы вы покупать материал на собственные деньги, потому что он стоит слишком дорого?
    
    

И для военных, и для гражданских объектов разработчики должны знать и учитывать требования к прочности, вязкости разрушения, устойчивости к коррозии и сопротивлению износу. Конструктор должен гарантировать соответствие изделия стандартам и убедиться, что эти стандарты гарантируют долгосрочную работу изделия.

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ И ВИДЫ ОТКАЗОВ

Самые частые разрушения – коррозия, трещины и усталостный износ.

Коррозия – разрушение материала при контакте с окружающей средой. Коррозия имеет классификацию. Подробнее о видах коррозии читайте в «Блоге «ЛипецкТехноЛит» » в статье «Виды коррозии металла».

Любой металл подвержен разрушению, но если правильно подобрать материал для конструкций и оборудования, можно долго сохранять его первозданный вид. Изучите список самых стойких материалов:

1. Сталь с покрытием. Предел прочности при растяжении 560- 860 Мпа. Покрытия повышают прочность низкоуглеродистых, среднеуглеродистых и низколегированных сталей.

2. Нержавеющие стали.

• Аустенитная. Предел прочности 480- 830 Мпа. Сталь немагнитная, подвергается холодной обработке. Хорошо ведет себя при высоких и низких температурах. Например, сталь 12X18H10T (FISI 321) выдерживает до 7000 °С.
  
  
• Ферритная. Предел прочности 480 Мпа. Термической обработке не подвергается, магнитная.
  
  
• Мартенситная. Предел прочности 480- 1240 Мпа. Сталь термически обрабатывают. Если сделать это неправильно – изделия и конструкции будут подвержены коррозии под напряжением. Магнитная.
  
  
• Дисперсионно-твердеющая. Предел прочности 930 Мпа. Сталь можно подвергать термической обработке. Она более пластичная, чем мартенситная.

3. Сплавы на никелевой основе.

• Ni-Cu. Предел прочности при растяжении 480 – 550 Мпа. Подвергается холодной обработке.
  
  
• Ni-Cu-Al. Прочность 900 Мпа. Хорошо переносит низкие температуры.
  
  
• Титановые сплавы. Предел прочности 930 — 1400 Мпа. Практически не подвержены коррозии и деформации. Долговечны, но стоят дорого.
  
  
• Супер-сплавы. Прочность 1000 – 2000 Мпа. Хорошо переносят высокие и низкие температуры и влияние окружающей среды. Используются, в основном, для аэрокосмической промышленности.
  
  
• Цветные металлы. Основной недостаток — высокая коррозийная стойкость при недостатке общей прочности. Обычно цветные металлы укрепляют большим количеством крепежа. Прочность разная. Например, у кремнистой бронзы 480 – 550 Мпа, а у алюминия и его сплавов 90 – 400 Мпа.
  
  

Проектировщики должны учитывать антикоррозийные методы при выборе материала, чтобы сделать сталь в промышленности прочнее и долговечнее.

ИЗ ЧЕГО ДЕЛАЮТ СТАЛЬ

Без стали не обходится ни одно современное производство. При выборе материалов для производства стали важно учитывать, какие нагрузки будет испытывать стальное изделие. Рассмотрим на нескольких примерах.

1. Стали для горнодобывающей техники в условиях Севера и Сибири.

Основной износ имеют детали, которые чаще других контактируют с горными породами – трак, ковш, зуб экскаватора и т.д. В зависимости от грунта срок службы зубьев ковша от 3 дней до 6 месяцев. И это при общем сроке списания машины 10 лет. Затраты на их замену составляют 25 – 30 % от годовой стоимости запасных частей машины.

Для повышения прочности стали в таких условиях нужно использовать технологии, которые:

• создают равномерную мелкозернистую структуру, предупреждающую пики локальных напряжений;
• уменьшают количество и размеры неметаллических включений;
• сводят к минимуму вредные примеси, которые образуют разделение на структурных неоднородностях.

Например, при производстве стали для зубьев экскаватора на первом этапе нужно закалить сталь с высоким отпуском, а режущую часть зуба дополнительно укрепить газопламенной закалкой. Это дает вязкую сердцевину в силовой части зуба и практически исключает хрупкое разрушение.

2. Метастабильная аустенитная сталь для топливных баков, работающих на сжиженных газах.

Стабильные аустенитные стали на Cr-Ni основе не меняют фазовый состав в процессе низкотемпературной деформации. Однако обладают низким значением предела текучести при комнатной температуре. Поэтому использование такой высоколегированной и дорогостоящей стали не оправдано для конструкций, которые не требуют стабильной структуры, размеров и магнитной проницаемости. Вместе с тем, существует ряд деталей и узлов, которые работают при криогенных температурах и требуют высокой удельной прочности, но требования к структуре не так существенны.

Для транспортных топливных баков метастабильную аустенитную сталь упрочняют дисперсионным твердением и легированием азотом и ванадием. Такой метод увеличивает уровень предела текучести при комнатной температуре. Деформационное мартенситное превращение повышает характеристики относительного удлинения и ударной вязкости при криогенных температурах.

3. Высокопрочные мартенситностареющие стали для авиакосмической техники.

Задача авиастроительной промышленности – уменьшить массу изделия и повысить эксплуатационную надежность и долговечность. В структуре стали для авиакосмической техники содержится легированный мартенсит и интерметаллид, а также 30 % остаточного аустенита. Сталь закаливают при температуре 10000 °С, обрабатывают холодом при -700 °С и затем старят при температуре 5200 °С в течение пяти часов. После такой обработки сталь можно использовать в температурном диапазоне 720 – 20 K.

4. Литейная сталь для режущего инструмента мясо-измельчительных комплексов.

Ножи и решетки мясо-измельчительного оборудования быстро выходят из строя и требуют замены. На основании исследований и анализа сталь для режущего инструмента в пищевой промышленности после термической обработки должна обладать следующими показателями:

Химический состав стали для режущего инструмента мясо-измельчительного оборудования

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Материалы и технологии, которые проектировщик выбрал для изготовления стальных изделий, обязательно должны учитывать возможности определенного производства.

Нельзя рекомендовать даже самую эффективную технологию, если она не освоена и не отработана на производстве.

Инженер-конструктор оценивает стоимость и доступность материала. Сырье для производства стали должно быть дешевым (насколько это возможно). В стоимость закладывают изготовление деталей и стойкость в период эксплуатации. Также нужно учитывать – легко ли достать составляющие для производства стали. Например, кобальт, вольфрам и никель дефицитные и их использование в качестве легирующих добавок в сталях практически исключено. Исключения составляют случаи, когда без этих металлов нельзя добиться определенных свойств – быстрорежущие, жаропрочные стали и сплавы.

Чтобы выпустить прочную сталь в промышленности конструктор-проектировщик учитывает опыт изготовления и эксплуатации изделий конкретного профиля, технологию производства и контроля и не забывает экономическую сторону.

Разработчик должен четко представлять причины использования выбранного материала, возможности его замены, технологические особенности производства и методы контроля готовых изделий.