Преимущества экономного легирования

/Rusmet.ru, Владимир Отрощенко/ По данным из статьи «Энергетика бессервисных систем» (И.А. Кравец и др.//Проблемы трибологии.–2002.–№2.– С. 12-14), в США в 2000 году на ремонт промышленного оборудования было потрачено более $50 млрд. По Украине подобные сведения отсутствуют, однако не вызывает сомнений, что затраты на эти же цели весьма велики. В условиях, когда предприятия располагают ограниченными денежными средствами, следует внедрять разработки, дающие наибольший экономический эффект. Примером здесь может быть, скажем, опыт Великобритании, где в начале 2000-х годов за счет использования научных достижений, направленных на уменьшение ремонтных затрат, был получен экономический эффект в пределах 230 млн. ф. ст. плюс еще более 100 млн. ф. ст. как результат исключения потерь, связанных с поломками оборудования.
Обычно детали ответственного назначения изготавливают из сталей и чугунов, содержащих дорогие легирующие элементы – Ni, W, Co и др., а после их износа для восстановления используют аналогичные по составу наплавочные материалы. Повышение долговечности деталей и инструментов достигается также применением технологий упрочнения с большими энергозатратами. Однако есть альтернативный путь решения проблемы повышения долговечности. На кафедре «Материаловедение» Мариупольского ПГТУ проф., д-ром техн. наук Л.С. Малиновым создано и развивается альтернативное перспективное научное направление по созданию экономнолегированных сталей, чугунов, наплавочных материалов и упрочняющих технологий, обеспечивающих получение метастабильной (неустойчивой) структуры.Если обратиться к классическому металловедению, то можно найти много способов закалки металлов и сплавов. Классика метода: сунуть раскаленную докрасна откованную/отлитую заготовку в воду. Впоследствии для закалки ответственных деталей оружия, паровых машин, первых прокатных, металлургических и горнодобывающих агрегатов стали применять различные масла: подсолнечное, оливковое, пальмовое, хлопковое, чуть позже – минеральные. В проточную или отстоянную воду стали добавлять различные соли и щелочи, чтобы улучшить прокаливаемость и уменьшить время охлаждения металлической детали.
Несколько лет назад ученые-металловеды из ПГТУ открыли, разработали и технически применили процесс «самозакалки сталей и чугунов при нагружении —СЗН». Как говорит автор идеи и руководитель научной работы проф. Леонид Малинов, «этот принцип заключается в том, что в сплавах получают метастабильный аустенит, превращающийся при охлаждении на воздухе или/и при нагружении в процессе испытаний механических свойств и эксплуатации в мартенсит. Обычно на их развитие расходуется значительная часть энергии внешнего воздействия и, соответственно, ее меньшая доля идет на разрушение. Принцип самозакалки позволяет создавать сплавы различных структурных классов, не содержащие дорогих легирующих элементов, или иметь их в значительно меньших количествах, чем в применяемых материалах, обеспечить хорошую технологичность (прокаливаемость, обрабатываемость резанием, свариваемость, не склонность к образованию трещин и короблению, повышенное сопротивление разупрочнению при отпуске и др.), а также высокие эксплуатационные свойства».Как дополняет сказанное отцом его сын, к.т.н. Владимир Малинов, «на кафедре уже разработаны рецепты безникелевых аустенитных сталей с эффектом СЗН, которые имеют двукратно более высокие прочностные характеристики, чем широко известная в промышленности «нержавейка» 12Х18Н10Т. Отличительной их особенностью являются хорошие литейные свойства, технологичность при прокатке, ковке и сварке. По износостойкости в условиях кавитации и абразивного воздействия они в несколько раз превосходят известную хромоникелевую сталь. Разработанные на принципе СЗН упрочняющие технологии применимы к широко используемым промышленным сталям и чугунам. Это сокращает расход материалов и денег на выпуск сменно-запасных деталей и инструмента, повышает производительность действующего оборудования, а в ряде случаев даже улучшает экологию. Внедрение новых сплавов и упрочняющих технологий может осуществляться без каких-либо капитальных затрат на действующем оборудовании и небольшой корректировке применяемых в производстве режимов термообработки».Многолетние системные НИОКР из ПГТУ доказали, что можно получать метастабильную структуру аустенита в сталях для разных применений. Исходя из них разработаны стали, чугуны и наплавочные материалы различных структурных классов и назначения, не содержащие дефицитных элементов легирования. Как правило, они превосходят применяемые в промышленности аналогичные более дорогие материалы. Основным легирующим элементом в них является относительно дешевый марганец. Они могут найти широкое применение для различного рода клапанов, крепежа и других высокопрочных деталей, работающих в коррозионной среде.
Огромное число деталей оборудования ГМК, в частности, землеройного и дробильного с высокой ударной нагрузкой, до сих пор делают из стали Гартфилда, созданной еще в ХIХ веке. В ней содержится 13% Mn, и оттого ее выплавка экологически вредна (окислы марганца очень токсичны). Ученые ПГТУ создали оригинальные рецепты износостойких сталей со значительно меньшим содержанием Mn, чем в уже известных сталях. Детали агрегатов для дробления кокса и известняка, ролики и звенья цепей чугуноразливочной машины из экономно легированных марганцем сталей по рецептам ПГТУ значительно превосходят серийные по долговечности со стандартным содержанием Mn. При этом, сокращается не только его расход, но и время термообработки стальной отливки.
Большие возможности открывает использование эффекта СЗН при использовании разработанных в ПГТУ техпроцессов упрочнения сталей и чугунов, широко применяемых в промышленности. Новые мариупольские стали уже внедрены в производство на трех меткомбинатах Донбасса, из них изготавливают колосники грохота и ножи съема агломерата, ролики МНЛЗ, била коксовой дробилки и многие другие сменно-запасные детали. Ну, и к тому же на берегах Азова также созданы малоуглеродистые самозакаливающиеся при охлаждении стали для инструмента горячего деформирования — штампов, валков, пуансонов. Этот диапазон сплавов предназначен для работы при температурах до 500-550°С с такими преимуществами как хорошая технологичность, повышенная окалиностойкость, высокое сопротивление термической усталости, получение высокой поверхностной твердости и износостойкости при повышенной вязкости сердцевины.
Разработанный в Приазовском ГТУ экономнолегированный чугун внедрен в ОАО «ММК им. Ильича» и на ОАО «Красный котельщик» (Таганрог). Эксплуатационная долговечность деталей из чугуна возросла в 2,5-3 раз в сравнении с ранее применявшейся сталью 110Г13Л. Использование таких самоупрочняющихся чугунов и сталей вполне может обеспечить серьезную экономию весьма дефицитных и дорогих металлов типа никеля, молибдена, ванадия на более дешевые легирующие – марганец, алюминий. Детали арматуры термопечей из экономнолегированной жаростойкой стали 35Х23Г3СФЛ, использованные на ОАО «Азовмаш», снизили себестоимость их изготовления на $350-500 в сравнении с использованием стали с никелем.
Широкое внедрение в промышленности экономно-легированных материалов, принципа СЗН, а также получение макронеоднородной структуры в сталях-сплавах может дать огромный финансовый эффект. Однако с началом кризиса в 2008 году, этот процесс, наоборот, притормозился.