Ученые Пермского Политеха предложили упрочнить сталь с помощью азота и деформаций⁠⁠

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.

Статья с результатами опубликована в журнале «Metal Science and Heat Treatment», 2024 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» и при финансовой поддержке Правительства Пермского края в рамках научного проекта №С 26/513.

Хромоникелевые стали активно применяются в производственной сфере. Например, из стали марки 08Х18Н10Т-Ш изготавливают сварную аппаратуру, нержавеющие трубы, детали для химической промышленности, контактирующие с агрессивными жидкостями, цистерны, холодильные камеры и многое другое.

На производстве для повышения прочности стали часто применяют методы пластической деформации. Когда под давлением или температурой меняют ее форму и размеры. Для этого изделие сгибают, растягивают, скручивают и сжимают с помощью специальных станков и оборудования. Даже незначительное приложение силы влияет на его характеристики.

Например, радиальная ковка – один из перспективных методов пластической деформации, когда на металл оказывают давление две или более наковальни. Перемещаясь по кругу, они формируют деталь нужных очертаний. Так можно повысить прочность изделия и сформировать деталь нужных размеров.

При эксплуатации хромоникелевых сталей в условиях высоких нагрузок их поверхность сильно изнашивается. Ученые Пермского Политеха разработали способ комплексной обработки, который включает в себя два процесса: радиальную ковку стали 08Х18Н10Т-Ш и насыщение изделия азотом для упрочнения – ионно-плазменное азотирование. Ранее такие комплексные работы не проводились.

– Сочетание этих технологий увеличивает проникновение азота в структуру металла, тем самым повышая характеристики поверхности. За счет формирования на поверхности стали азотированного слоя повышается прочность изделия, стойкость к коррозии и сопротивляемость к образованию микротрещин, – объясняет кандидат технических наук, доцент кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ Ольга Силина.

С помощью радиальной ковки ученые изготовили стальные образцы, деформированные на 40 и 90%, и далее проводили с ними эксперименты азотирования при разной температуре и времени воздействия. Исследования показали, что повышенная степень деформации и температура насыщения азотом 460-520°С дает более толстый азотный слой. Так, у стали, кованной на 40%, толщина упрочняющего слоя больше в 2 раза, а на 90% более чем в 3.

Ученые ПНИПУ доказали, что использование радиальной ковки перед азотированием стали ускоряет формирование упрочняющего слоя азота и обеспечивает более твердую поверхность изделия. Такой способ комплексной обработки позволит изготавливать промышленные детали из хромоникелевых сплавов с высоким уровнем прочности и надежности.