Сварщики вуза создают самоупрочняющиеся и износостойкие покрытия

11:35, 3 декабря 2019

Разработки повлияли на процессы крупных производств

Юрий Коробов с коллегами разработали технологию высокоскоростного газотермического нанесения покрытия. Фото: Анастасия Кеда / 66.RU.

Что общего у порошковой проволоки и айкидо, почему у уральских покрытий нет конкурентов и как металлокерамические композиты помогли нефтяникам, рассказал герой совместного проекта УрФУ и портала 66.RU «Человек наук» Юрий Коробов. Профессор кафедры технологии сварочного производства УрФУ, главный научный сотрудник института физики металлов и заслуженный изобретатель РФ пояснил, какие разработки в лаборатории сделали недавно и как они повлияли на процессы крупных производств.

В начале нулевых была сформирована научная группа (костяк — человек двадцать), где сегодня работают и вчерашние студенты, и те, кто учил Юрия Коробова. Одни разрабатывают и изготавливают новые материалы, другие исследуют их свойства и тестируют образцы. Благодаря новшествам, которые они привнесли в сварку, металлургические предприятия страны увеличивают обороты производства и конкурируют с зарубежными компаниями.

Превращение вредного воздействия в положительный эффект

Основа каждого направления исследований — практическое применение результатов. Например, сварочные материалы в виде порошковых проволок. У таких проволок толщина оболочки составляет 0,1 мм, а внутри — порошок. Одно их применение — это соединения высокопрочных сталей, которые плохо свариваются и дают трещины.

Такие стали используют в производстве транспортной техники, в авиации и судостроении. Скажем, у двигателя десятки показателей надежности, в том числе износостойкость узлов. Покрытие, которое получается из нашей проволоки, увеличивает износостойкость его коленчатого вала, помогает удешевить ремонт и избежать аварийных ситуаций.

Благодаря нашему покрытию из стали, можно делать более тонкие, но устойчивые к нагрузкам детали.

У стали есть несколько состояний, самое прочное и твердое из них — мартенсит. Перевести сталь в это состояние можно двумя способами. Первый и всем известный — нагреть ее до 800 °С, а потом быстро охладить — так она закалится и станет прочной.

Есть и второй способ — подвергнуть сталь сильной нагрузке. Если в стали есть такой компонент, как нестабильный или метастабильный аустенит (менее прочное состояние. — Прим. ред.), при сильном нагружении он без всякого нагрева преобразуется в мартенсит.

Мы разработали класс проволок со структурой этого метастабильного аустенита. Из-за него происходит ряд эффектов при преобразовании одной структуры стали в другую. Если мы нагрузим деталь, сваренную такой проволокой, сталь станет прочнее, в ней снизится напряжение. Вредное воздействие мы преобразуем в положительный эффект. Это как в айкидо: мастера айкидо ведь не сопротивляются, а используют энергию внешнего воздействия.

Этот подход в 50-х разработали наши предшественники из Института физики металлов УрО РАН и УрФУ — академик Садовский, профессора Богачев и Разиков. Сейчас мы знаем о метастабильном аустените больше, чем другие, потому что стоим на плечах этих гигантов. Наши экономнолегированные порошковые проволоки повысили ресурс одних деталей в пять раз, других — на 40%, в зависимости от исходной базы сравнения и уровня нагрузок.

Покрытие, которое не плавится при температуре до 1 000 °С

В мире 98% стали проходит через машины непрерывного литья заготовок. «Сердце» такой машины — кристаллизатор. Он похож на колодец, стенки которого сделаны из медных плит и снаружи интенсивно охлаждаются. Снизу ставится пластина — затравка. В этот колодец и заливают жидкий металл.

В кристаллизаторе больное место как раз стенки — быстро изнашиваются, и тогда, чтобы их заменить, надо машину останавливать с большими затратами.

К началу нулевых базовым вариантом упрочнения стенок стало нанесение гальванических твердых покрытий. Ресурс повысили до 800 плавок — раз в пять. В мире всего несколько компаний владели вот этой технологией.

Мы с коллегами разработали технологию высокоскоростного газотермического нанесения покрытия и такое сочетание скорости и температуры его нагрева и охлаждения, что покрытие сохраняет твердость до 1 000 °С.

В сравнении с гальванопокрытиями ресурс стенок повысили в 6–12 раз. Производство таких стенок наладили в компании «Машпром» и успешно опробовали на всех металлургических предприятиях России. С 2012 года эффективность применения составила 7,3 млрд рублей.

Термическое напыление, которое помогло нефтяникам

У сварки есть родственные технологии — термическое напыление, например. При сварке мы детали расплавляем и соединяем. При термическом напылении деталь оставляем в твердом состоянии, наносим на нее расплавленный материал и получаем покрытие, которое выдерживает большие нагрузки. Так вот, мы занимаемся порошками, которые составляют металломатричные композиты.

Что это такое? Есть некая пластичная матрица — основа, в которой содержатся твердые частицы. Матрица отвечает за то, чтобы деталь хорошо сопротивлялась внешним механическим нагрузкам. Твердые составляющие отвечают за износостойкость покрытия.

Наши композиты используются, например, для покрытий роторов забойных двигателей (вал длиной 5–6 метров с винтом по всей поверхности, используют для подъема нефти из скважины. — Прим. ред.). За счет композитов роторы стали гораздо более износостойкими.

До этого момента роторы с износостойким покрытием поставляли из-за рубежа: США, Канады, Саудовской Аравии. Теперь можно наносить наше покрытие. У компании «Уральский институт сварки-Металлургия» по этому направлению больше десятка заказчиков в России. Внедрение нашей разработки помогло ей увеличить объем продаж в 1,5 раза за год.

По материалам 66.RU