Method for obtaining an analog of damascus steel with geometrically distributed inclusions through the use of a carbon fiber catalys

Full Text

Введение

Дамасская сталь благодаря своим механическим свойствам и уникальному декоративному виду традиционно ассоциируется с изготовлением холодного оружия. Она часто демонстрируется в музеях, посвященных оружию и декоративно-прикладному искусству. Исторические образцы оружия из дамасской стали широко представлены в экспозициях музеев Российской Федерации, например в Государственном историко-культурном музее-заповеднике «Московский кремль» или в Государственном Эрмитаже. Масса сохранившихся образцов демонстрируется в музеях по всему миру, например на рис. 1 представлен образец из Нью-Йоркского Метрополитен-музея.

 

Рис. 1. Узор дамасской стали на лезвии сабли

Fig. 1. Damascus steel pattern on a saber blade

 

В наше время восстановлена историческая технология изготовления дамасской стали, и она дополнена такими современными методами, как электродуговая или аргоновая сварка [1]. Полученные стали находят применение в основном благодаря декоративным свойствам их структуры (рис. 2).

 

Рис. 2. Узоры дамасской стали

Fig. 2. Damascus steel patterns

 

По поводу эксплуатационных свойств дамасской стали в источниках встречаются противоположные мнения [1‒5]. Однако современные исследования и разработки позволяют рассматривать дамасскую сталь как перспективный материал для использования в конструкционных узлах, где требуются высокие прочность, гибкость и устойчивость к динамическим нагрузкам. В рамках данного исследования была поставлена задача получения многослойных структур стали с геометрически распределенными включениями фуллеренов, углеродных нанотрубок и графитообразного углеволокна вместо графита. Рассматриваются потенциальные области применения такой дамасской стали в качестве конструкционного материала для металлопроката, а также преимущества, которыми она обладает в сравнении с традиционными сталями.

В серии экспериментов использовались стальные многослойные пакеты, состоящие из оболочки, выполненной из профилированной стальной трубы 25×25×1,5 мм, внутрь которой помещались многослойные стальные пакеты, состоящие из стальных полос 0,5×20×200 мм или полос из стальных сеток с различно подготовленной вуалью из углеволокна и флюсом (рис. 3). В качестве промежуточного слоя между стальными полосами использовалась вуаль из углеволокна и изготовленный из той же вуали углеволокнистый катализатор с нанесенным металлическим слоем железа и никеля (рис. 4).

 

Рис. 3. Стальная полоса, полоса из сетки и вуаль из углеволокна

Fig. 3. Steel strip, mesh strip and carbon fiber veil

 

Рис. 4. Углеволокнистый катализатор

Fig. 4. Carbon fiber catalyst

 

После размещения пакета внутри трубы она герметично заваривалась с помощью электродуговой сварки. Далее стальные многослойные пакеты нагревались в кузнечном горне до температуры выше 1000 °С (рис. 5) и расковывались пневматическим молотом (рис. 6).

 

Рис. 5. Стальные многослойные пакеты, помещенные в кузнечный горн

Fig. 5. Steel multilayer packages placed in a forging crucible

 

Риc. 6. Стальные многослойные пакеты после ковки

Fig. 6. Steel multilayer packages after forging

 

После остывания раскованные образцы разрезались и из них извлекались полосы стали, полученные из стальных пакетов. Из исследованных образцов наибольший интерес представляют образцы, изготовленные из стальной сетки и углеволокнистого катализатора. На рис. 7 представлен геометрический узор, который можно описать как иероглифический, причем контрастирование поверхности в данном случае выполнено не с помощью травления, а за счет эффекта побежалости.

 

Рис. 7. Иероглифический узор

Fig. 7. Hieroglyphic pattern

 

В структуре стали обнаружены включения остатков углеволокнистого катализатора в виде цилиндров углеволокна, вплавленных в металл (рис. 8). В отличие от углерода, обычно присутствующего в стали в виде аморфных бесформенных включений, в данном случае наблюдаются одинаковые по диаметру включения с примерно одним диапазоном длины.

 

Рис. 8. Углеволокно, вплавленное в металл. Микроскопия места разрыва

Fig. 8. Carbon fiber fused into metal. Microscopy of the fracture site

 

На рис. 9 представлен шлиф поперечного разреза образца стали, протравленный лимонной кислотой для повышения контрастности изображения. На микроскопическом срезе выявлены углеволокнистые включения, расположенные преимущественно параллельно относительно плоскости проката и сохранившие фрагменты волокна по всей его длине. Данная ориентация волокон может эффективно противодействовать деформациям в направлении, перпендикулярном плоскости проката, повышая сопротивление изгибу и ударным нагрузкам.

 

Риc. 9. Поперечный разрез стального образца при увеличении 10 и 40 крат

Fig. 9. Cross section of a steel specimen at 10× and 40× magnification

 

Граница зон сплавления углеродистой стали с углеволокнистым никелевым катализатором представлена на рис. 10. Катализатор под воздействием прокалки и ковки преобразовывается в никелевый сплав с включением фрагментов углеволокна.

 

Рис. 10. Граница зон углеродистой стали и никелевого сплава с фрагментами углеволокна при увеличении 100, 250 и 500 крат

Fig. 10. Zone boundary of carbon steel and nickel alloy with carbon fiber fragments at magnifications of 100, 250 and 500×

 

Рис. 11. РФА вплавленного в металл фрагмента углеволокна

Fig. 11. XRF of a carbon fiber fragment fused into metal

 

При рентгенофлуоресцентном анализе (РФА) вплавленного в металл фрагмента углеволокна на графике были обнаружены пики [6], соответствующие углеродным нанотрубкам (см. рис. 10). Таким образом, в данном образце многослойной стали углерод присутствует не только в виде графита, но и в виде углеродных нанотрубок, находящихся в составе углеволокна, из которого был изготовлен углеволокнистый катализатор.

В результате исследования было установлено, что добавление металлического никеля и железа на поверхность вуали из углеволокна (углеволокнистый катализатор) в совокупности с добавлением стальных частей в многослойные пакеты после сварки ковкой позволяет получить образцы многослойной стали, визуально сходной с дамасской сталью. Хотя данный метод является более технологически сложным, он требует меньших трудозатрат по сравнению с традиционной технологией производства дамасской стали, что открывает перспективы для его более широкого применения в строительстве.

Сочетание методов изготовления углеволокнистого катализатора с нанесенными металлами и металлообработки может привести к созданию новых видов многослойных сталей с уникальными механическими и декоративными свойствами. Такие инновации способны значительно расширить области применения многослойной стали в производстве высокотехнологичных материалов, например серийного металлопроката для возведения несущих металлоконструкций с уникальными гибкостью, прочностью и с повышенной сейсмостойкостью.

Для более глубокого и комплексного понимания эксплуатационного потенциала разрабатываемой многослойной стали представляется необходимым проведение дополнительных исследований. В первую очередь, особое значение имеет исследование режимов термической обработки, включающее варьирование температуры нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения. Это позволит определить параметры, обеспечивающие оптимальные сочетания твердости и пластичности. Наряду с этим целесообразно изучение влияния различных охлаждающих сред, применяющихся при закалке (вода, масло, воздух, полимерные растворы), на микроструктуру и фазовый состав многослойной стали. Такие данные станут основой для разработки практических рекомендаций по термической обработке в промышленных условиях.

Следующим приоритетным направлением выступает оценка коррозионной стойкости металлопроката, полученного с применением рассматриваемой стали. Коррозия углеволокнистого железно-никелевого материала представляет собой важный аспект, требующий особого внимания в рамках его экспериментального и практического применения. Этот перспективный материал, обладая потенциально уникальными свойствами, благодаря комбинации свойств железа, никеля и углеволокна, предполагает множество преимуществ во многих направлениях практического применения, однако его коррозионная стойкость может сильно повлиять на долговечность и эксплуатационный потенциал.

Важнейший шаг в оценке коррозионной стойкости заключается в проведении испытаний, которые позволят выявить ‒ как различные параметры, такие как термическая обработка, микроструктура и компоненты, входящие в состав материала, скажутся на его способности противостоять коррозии. Оценка коррозионной стойкости требует обязательного применения современных методов анализа, позволяющих оценить степень повреждения поверхности и объем потерь металла. Проведение электрохимических испытаний, направленных на оценку анодных и катодных реакций в образцах разрабатываемой многослойной стали, позволит более точно оценить поведение нового материала в коррозионной среде. Особое внимание следует уделить выбору агрессивных сред, таких как кислоты или щелочи, поскольку их воздействие способно выявить слабые места материала. Возможные варианты коррозионных реагентов – растворы соляной, серной кислот, сероводорода, гидроксида натрия, аммиака, хлорида натрия. Сравнительный анализ методов испытаний также будет способствовать более детальному пониманию того, как различные режимы охлаждения и обработки повлияют на коррозионные свойства конечного продукта.

Высокая температура во время обработки многослойных сталей, полученных с применением углеволокнистого катализатора, может привести к образованию разнообразных фаз и микроструктур, которые будут по-разному реагировать на агрессивные среды. Поэтому исследование различных режимов термической обработки, как упоминалось выше, должно включать и их влияние на коррозионную стойкость.

В конечном итоге полученные результаты помогут создать стратегию для увеличения коррозионной стойкости углеволокнистого железо-никелевого материала, что значительно расширит его область применения, включая аэрокосмическое машиностроение, автомобилестроение и строительство. Это, в свою очередь, будет способствовать более рациональному использованию производственных ресурсов, повышению безопасности эксплуатации.

Кроме того, в целях обеспечения успешной интеграции материала в производственные процессы необходимо исследовать его технологические свойства, в частности свариваемость. Оценка свариваемости должна как минимум включать в себя:

• ▪ анализ применимости различных технологий сварки (дуговая, TIG, MIG, лазерная и др.);
• ▪ исследование склонности к образованию дефектов в сварном шве;
• ▪ изучение микроструктурных изменений в зоне термического влияния;
• ▪ механические испытания сварных соединений на прочность, ударную вязкость, твердость и усталостную прочность.

Выводы. Проведение вышеперечисленных исследований позволит лучше понять, как ведет себя многослойная сталь и изделия из нее в разных условиях эксплуатации, что, возможно, станет основой для разработки новых рекомендаций в области материаловедения. Полученные результаты позволят существенно расширить возможности применения исследуемой многослойной стали в критически важных отраслях промышленного строительства, предъявляющих повышенные требования к механической прочности, устойчивости к коррозии и надежности сварных соединений.

Еще одна перспектива развития исследования ‒ это совмещение данной технологии с технологией детонационного напыления металлических порошков [7], суть которого заключается в ускорении порошковых частиц до сверхзвуковых скоростей, что вызывает их интенсивную диффузию в приповерхностном слое металлической матрицы, в данном случае стальной сетки с углеволокнистым катализатором. Сверхзвуковые скорости обеспечивают высокое диффузионное проникновение частиц в металл матрицы, что позволит нанести покрытия, которые не подходят или неудобны для нанесения электрохимическим способом легирующих элементов, например титана, молибдена, алюминия, тантала и бериллия.

About the authors

Dmitry V. Leshchenko

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: Ld@samgtu.ru
ORCID iD: 0000-0002-6974-1267

Technical Director of the Institute for Design and Survey, Senior Lecturer of the Gas Processing, Hydrogen and Special Technologies Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

Nikolay M. Maximov

Samara State Technical University

Email: maximovnm@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5546-9274

Doctor of Chemical Sciences, Associate Professor, Professor of the Chemical Technology of Oil and Gas Processing Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

Konstantin P. Yakunin

Samara State Technical University

Email: konst1982@gmail.com
ORCID iD: 0009-0001-9920-9220

PhD in Engineering Sciences, Senior Researcher of the Institute for Defense Research and Development, Associate Professor of the Chemistry and Technology of Polymer and Composite Materials Chair, Senior Researcher of the Digital Material Twins Laboratory and Technological Processes of Heir Processing

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

Alexey G. Fedyakin

Samara State Technical University

Email: defxela@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0000-4233-6598

Chief Project Engineer of the Institute for Design and Survey

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

References

Supplementary files