Метод получения аналога дамасской стали с геометрически распределенными включениями за счет применения углеволокнистого катализатора

Полный текст

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.

Об авторах

Дмитрий Владимирович Лещенко

Самарский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: Ld@samgtu.ru
ORCID iD: 0000-0002-6974-1267

технический директор института по проектированию и изыскательским работам, старший преподаватель кафедры газопереработки, водородных и специальных технологий

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Николай Михайлович Максимов

Самарский государственный технический университет

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

доктор химических наук, доцент, профессор кафедры химической технологии переработки нефти и газа

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Константин Петрович Якунин

Самарский государственный технический университет

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

кандидат технических наук, старший научный сотрудник института оборонных исследований и разработок, доцент кафедры химии и технологии полимерных и композиционных материалов, старший научный сотрудник лаборатории цифровых двойников материалов и технологических процессов их обработки

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Алексей Геннадьевич Федякин

Самарский государственный технический университет

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

главный инженер проектов института по проектированию и изыскательским работам

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы