Ученые-металлурги определили наилучший состав самой "экстремальной" стали

Сталь Гадфильда считается одним из самых интересных материалов в металлургии. Она используется в очень сложных условиях, так как имеет отличную износостойкость при ударах, высоком давлении и перепадах температуры. Чтобы повысить ударную вязкость стали Гадфильда ученые Сибирского федерального университета (СФУ) определили ее оптимальный химический состав. Они проанализировали влияние легирующих добавок — марганца, кремния и хрома — на свойства стали, затем с помощью инструментов математической статистики и прогнозирования выяснили, какая пропорция этих элементов в составе сплава улучшит его эксплуатационные свойства.

Сталь Гадфильда применяют для изготовления деталей горного, дробильного и размольного оборудования; гусеничных траков и всех устройств, где требуется повышенная устойчивость к абразивному истиранию и ударному разрушению.

Чтобы достичь свойств, за которые так ценится эта «суперсталь», — низкой теплопроводности, высокой ударной вязкости и высокой износостойкости, — требуется многократная термообработка. Упрочнение материала также достигается взрывным или электрофизическим методом. Эти методы (особенно, взрывной) несут высокие риски для рабочих. Гораздо более простым решением может стать оптимизация химического состава стали.

«Известно, что свойства материала напрямую зависят от его химического состава. Мы можем управлять им с помощью введения легирующих добавок — если удастся найти нужное соотношение, можно значительно увеличить эксплуатационные показатели материала. Мы определили оптимальный химический состав стали 110Г13Л (стали Гадфильда), учитывая требования к величине ударной вязкости, проанализировали данные по диапазону основных элементов (углерода и марганца). Методы математической статистики подтвердили, что уточненный химический состав (Fe–1,1C–12,87Mn–0,6Si–0,4Cr) будет действительно хорош для применения в экстремальных условиях», — сообщил соавтор исследования, старший научный сотрудник лаборатории физикохимии металлургических процессов и материалов СФУ Александр Косович.

Ученые Института цветных металлов СФУ в производственных условиях выплавили сталь Гадфильда и получили линейку литых заготовок, которые имели разный состав из-за разных пропорций легирующих добавок. Далее была проведена термообработка заготовок в режиме, который обычно применяется на производстве. Вырезав образцы для определения ударной вязкости, ученые провели статистический анализ результатов и установили наиболее подходящий химический состав, который обеспечит готовым изделиям длительный срок службы и максимальную «выносливость».

«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. Полученная в результате экспериментов и расчетов система Fe–1,1C– 12,87Mn–0,6Si–0,4Cr имеет потенциал для дальнейшего преобразования. 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», — продолжил Александр Косович.

Ученый сообщил, что это исследование уже получило продолжение в контексте комбинированного легирования стали комплексом элементов Cr, Mo, Ni, в результате чего была подана заявка на патент.

Важный научный вклад в работы по «упрочнению» стали Гадфильда внесли ученые — специалисты по черной металлургии из СФУ — заведующий кафедрой литейного производства Сергей Беляев и молодой ученый Института цветных металлов Станислав Арапов.

Работа выполнена на базе лаборатории низкоуглеродной металлургии и энергетики в рамках государственного задания СФУ, организации-участника НОЦ «Енисейская Сибирь», в рамках национального проекта «Наука и университеты». Исследование опубликовано в одном из ведущих международных научных журналов.