Mартенситные нержавеющие стали с 13 % Cr широко используются во многих отраслях промышленности благодаря высокому уровню механических свойств и приемлемой коррозионной стойкости. В работе консолидирована информация о гарантированном уровне свойств и условиях термической обработки, необходимых для его реализации. Сопоставлены свойства после предлагаемых исследователями обработок с известными для промышленного металла. Проанализированы зависимости твердости закаленных сталей типа 13Cr с 0,20 – 0,5 % С от температуры аустенитизации и сопутствующих изменений структуры. Выявлены температуры, обеспечивающие максимальное упрочнение и температуры, при которых сталь перестает упрочняться. Рассмотрено влияние длительности аустенитизации, скоростей нагрева и охлаждения на свойства сталей. Рассмотрены механические свойства и коррозионная стойкость после закалки, закалки и отпуска во взаимосвязи со структурно-фазовыми состояниями сталей. Подробно рассмотрено, как вид вторичных фаз при отпуске, их количество, распределение влияют на коррозионную стойкость сталей с 13 % Cr. Она повышается с ростом температуры нагрева при аустенитизации и снижается с ростом температуры отпуска вследствие выделения карбидов Cr23C6 и обеднения матрицы хромом до концентраций ниже 12 %. Температура отпуска 500 – 550 °С признана наихудшей: из-за интенсивного выделения карбидов сталь не пассивируется, скорость коррозии максимальна. Для сталей типа 20Х13 рекомендуются закалка с низким отпуском (для сочетания высокой прочности, хорошей коррозионной стойкости и удовлетворительной пластичности), либо, чаще, закалка с высоким отпуском при ~(650 – 700) °С (хорошая пластичность, удовлетворительная коррозионная стойкость). Для сталей типа 40Х13 температура ~700 °С не рекомендуется из-за повышенной концентрации карбидов и недостаточной коррозионной стойкости. Приведены примеры повышения износостойкости сталей типа 40Х13 за счет поверхностных обработок, от азотирования до лазерной и плазменной поверхностной закалки.

В представленной работе приведены результаты по синтезу композиционных плакированных порошковых систем с типом строения «ядро–оболочка» для напыления износостойких металлокерамических покрытий. Для синтеза композиционного порошка в качестве ядра использованы порошки высокотвердых боридов TiB₂ и HfB₂ , а для создания оболочки на их поверхности – титан. Синтез плакирующего слоя осуществляли йодотранспортным методом. Плакирование порошка используемым методом подразумевает осаждение одного компонента на другой посредством газотранспорта, агентом которого выступает йод. Напыление композиционных плакированных порошков систем TiB₂ /Ti и HfB₂ /Ti осуществляли микроплазменным методом, который, в отличие от классического плазменного напыления, позволяет минимизировать фазовые превращения в композиционных порошках из-за термического воздействия. При исследовании поперечных микрошлифов напыленных покрытий определено, что в процессе микроплазменного напыления титан насыщается кислородом, образуя фазу диоксида титана. В результате плакированные композиционные порошки систем TiB₂ /Ti и HfB₂ / Ti превращаются в покрытия из систем TiB₂ (TiB)/Ti(TiO₂ ) и HfB₂ /Ti(TiO₂ ). Выявлены особенности распределения компонентов по толщине покрытия. Исследования твердости показали, что у покрытий на основе диборида титана интегральное значение микротвердости составляет 1300 HV. У покрытий на основе диборида гафния интегральная микротвердость составила порядка 1600 HV. При исследовании износостойкости пары с покрытиями TiB₂ (TiB)/Ti(TiO₂ ) и HfB₂ /Ti(TiO₂ ) сопрягались с контртелом образца из стали 45Х без покрытия и совместно друг с другом. Несмотря на менее высокую микротвердость, наиболее износостойким является покрытие системы TiB₂ (TiB)/Ti(TiO₂ ).

Для оценки стойкости к водородному охрупчиванию, вызванному присутствием водорода в транспортируемом продукте, и, соответственно, пригодности труб для транспортировки водорода был исследован основной металл труб большого диаметра класса прочности X52 производства АО «Челябинский трубопрокатный завод» (входит в группу компаний ПАО «Трубная металлургическая компания»). В работе изучено влияние чистого газообразного водорода под давлением до 10 МПа на изменение механических характеристик основного металла труб большого диаметра (ТБД). Исследование проводилось при предварительном наводороживании в стационарном автоклаве под давлением, а также при одновременном нагружении с малой скоростью деформации (SSRT) в ожидаемых условиях эксплуатации. Результаты исследования металла ТБД Х52 показывают отсутствие существенного влияния воздействия газообразного водорода под давлением в течение 24 – 144 ч на механические характеристики основного металла, определяемые при статическом одноосном растяжении (снижение пластических характеристик не превышает 9 %). При испытании SSRT со скоростью не более 1·10^–6 с^–1 в среде чистого газообразного водорода под давлением 10 МПа изменение прочностных и пластических характеристик не превышает 13 % в сравнении с контрольными испытаниями в среде азота под тем же давлением. Полученные результаты позволяют считать основной металл низколегированной трубной стали с феррито-перлитной микроструктурой класса прочности X52 достаточно устойчивым к водородному охрупчиванию. Окончательным подтверждением возможности применения ТБД из исследуемой стали будут служить результаты дальнейших квалификационных испытаний, включающих изучение свойств металла шва и зоны термического влияния.

Статья содержит исследования структуры, свойств и коррозионной стойкости в различных кислотах никель-фосфорных покрытий с дисперсными карбидами кремния после кристаллизационного отжига по различным режимам. Установлены температуры начала кристаллизации после нагрева со скоростями 1, 5, 20 °С/мин и процентное содержание образующихся в изотермических условиях кристаллических фаз (фосфида никеля Ni₃P и никеля). Определено, что высокая микротвердость более 1000 HV достигается в композитном никель-фосфорном покрытии с дисперсными частицами карбидов кремния также при длительном низкотемпературном отжиге, сопровождающемся кристаллизацией с образованием уже незначительных (10 %) количеств фосфида никеля. Выявленные дисперсные фосфиды никеля, располагающиеся как в теле, так и по границам зерен, вносят основной вклад в приращение микротвердости. Предел текучести и предел прочности покрытий увеличиваются при кристаллизационном отжиге всего на 12 – 15 МПа, а относительное удлинение падает до нуля, что обусловлено образованием хрупких соединений фосфида никеля. Отжиг с непродолжительными выдержками при температурах кристаллизации приводит к тому, что карбиды кремния проявляют барьерный эффект, снижая интенсивность образования кристаллического фосфида никеля и коррозионную стойкость, тогда как продолжительные выдержки при более низких температурах кристаллизации формируют порядка 70 % Ni₃P, способствуя стабильно высокой твердости и улучшенным показателям коррозионной стойкости. Коррозионная стойкость композитных покрытий Ni-P + карбиды кремния вне зависимости от режимов термообработки максимальная в уксусной и ортофосфорной кислотах при 70 % фосфида никеля и минимальная в азотной кислоте и ее смесях с другими кислотами.

Дефектная субструктура поликристаллических тел обуславливает субструктурное упрочнение и механические свойства. Перлит, являющийся основной структурной составляющей рельсов, при деформационном воздействии подвергается значительному преобразованию, которое сопровождается целым рядом процессов. В настоящей работе методами современного физического материаловедения проведены исследования и анализ дефектной субструктуры перлита пластинчатой морфологии и свойств рельсовой стали, подвергнутой разрушению в условиях деформации одноосным растяжением плоских образцов. Установлено, что предел прочности изменяется от 1247 до 1335 МПа, а относительная деформация до разрушения – от 0,69 до 0,75. Наблюдается формирование трех зон поверхности разрушения: волокнистой, радиальной и зоны среза. Проанализированы их форма и размеры. Деформация рельсовой стали сопровождается разрушением пластин цементита колоний перлита и повторным выделением в объеме пластин феррита наноразмерных частиц третичного цементита размером приблизительно 8,3 нм. Основными механизмами разрушения пластин цементита являются разрезание и растворение. Дислокационная субструктура представлена хаотическим распределением дислокаций и их скоплениями. Скалярная плотность дислокаций в феррите увеличивается от 3,2·10¹⁰ см^–2 в исходном состоянии до 7,9·10¹⁰ см^–2 при разрушении. Деформация сопровождается формированием внутренних полей напряжений, проявляющихся в виде изгибных контуров экстинкции. Источниками полей напряжений являются границы раздела пластин цементита и феррита, а также границы зерен. Выявлена фрагментация пластин феррита и цементита. Средние размеры фрагментов цементита составляют 9,3 нм. В зоне разрушения образца рельсовой стали отмечено вращение зерен перлита, свидетельствующее о наличии ротационной моды деформации. На электронно-микроскопических изображениях пластин цементита наблюдается изменение контраста, что может быть связано с образованием атмосфер Коттрелла.

В рамках работы на примере микротвердости исследована возможность улучшения прочностных свойств интерметаллического соединения Ni₃Al путем уменьшения среднего размера его зерна. Исследуется влияние деформации реагирующей смеси при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (СВС) на размер зерна и микротвердость интерметаллического соединения Ni₃Al. СВС-экструзию проводили на экспериментальном стенде, позволяющем непрерывно контролировать параметры синтеза. Одним из ключевых факторов, влияющих на характеристики зеренной структуры и микротвердость, является степень деформации продукта синтеза. Увеличение диаметра экструзионного отверстия от 3 до 5 мм приводит к увеличению максимального линейного перемещения плунжера пресса вследствие более легкого выхода материала через отверстие большего диаметра. Предполагается, что при этом имеют место уменьшение сопротивления деформированию материала при приложении давления, увеличение степени деформации материала внутри пресс-формы и ее снижение в экструдированном материале. В результате средний размер зерна Ni₃Al, оставшегося в объеме пресс-формы после синтеза, уменьшается на 40 % (от 7 до 5 мкм), а прошедшего через экструзионное отверстие – возрастает в два раза (от 3 до 6 мкм). По сравнению с Ni₃Al, полученным методом СВС-компактирования, средний размер зерна экструдированного Ni3Al меньше в 5,6 раза (17 и 3 мкм соответственно). Уменьшение среднего размера зерна экструдированного Ni₃Al приводит к увеличению микротвердости на 600 МПа. Полученные результаты позволяют разработать рекомендации по получению интерметаллидов и сплавов на их основе с мелким размером зерна и высокой микротвердостью.

Развитие и успехи физической науки о прочности и пластичности позволяют сформулировать основные аспекты дислокационной физики. В настоящей работе рассмотрено современное состояние этого вопроса в рамках многоуровневого подхода: закономерности накопления дислокаций в материале после деформации с различными степенями. Основным механизмом упрочнения металлического поликристалла является накопление в его зернах дислокаций, а основным параметром упрочнения – средняя скалярная плотность дислокаций. Скалярная плотность дислокаций разделяется на компоненты: плотность статистически запасенных (ρ_S) и плотность геометрически необходимых (ρ_G) дислокаций. Методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии (ПЭМ) исследуются этапы развития типов дислокационной субструктуры (ДСС) в сплавах Cu – Mn в зависимости от концентрации легирующего элемента при активной пластической деформации. Исследуются поликристаллические сплавы в широком концентрационном интервале: от 0,4 до 25 % Mn (ат.). По полученным на электронном микроскопе снимкам измерен ряд параметров дислокационной субструктуры: средняя скалярная плотность дислокаций <ρ>, плотность статистически запасенных (ρ_S) и геометрически необходимых (ρ_G) дислокаций, кривизна-кручение кристаллической решетки (χ), плотность микрополос (Р_полос. ), плотность оборванных субграниц (М_об.гр). Установлена последовательность превращений типов ДСС при увеличении степени деформации и количества второго элемента на формирование типа субструктуры и ее параметров. Экспериментально определено влияние концентрации второго элемента и размера зерна на среднюю скалярную плотность дислокаций и ее составляющих. Наличие разориентировок в субструктуре в процессе деформации базируется на основе измерения этих параметром методом ПЭМ.

Исследование сопротивления деформации различных марок стали является одним из ключевых вопросов для адекватной работы систем автоматизации, позволяющей получать прокат с требуемой точностью по геометрическим характеристикам. Кроме того, знание сопротивления деформации важно при проектировании оборудования прокатных станов. В литературе значения сопротивления деформации в подавляющем большинстве случаев приводятся в виде коэффициентов различных уравнений (например, Хензеля-Шпиттеля). Однако зачастую данные формулы имеют ограничения по диапазону технологических параметров, где они дают приемлемый результат. Следует также учитывать, что на современном прокатном производстве изготавливаются десятки марок сталей, химический состав которых может варьироваться в широком диапазоне в зависимости от конечной толщины проката, требований заказчика или исходя из экономических соображений (наиболее выгодная композиция легирования). Исследование реологических свойств такого количества материалов в лабораторных условиях дорого, долгосрочно и трудозатратно, а литературные источники не обеспечивают полноты данных. В работе показано, что, используя данные с промышленных прокатных станов и методы машинного обучения, возможно получение сведений о реологии материала с удовлетворительной точностью. Это позволяет избегать проведения лабораторных испытаний. Подобные исследования возможны благодаря высокой насыщенности современных прокатных станов различными датчиками и средствами измерений. Проведено сравнение результатов промышленных данных со значениями сопротивления деформации, полученными на установке Gleeble. На основе данного сравнения выполнялось обучение модели на основе градиентного бустинга для учета особенностей технологического процесса при промышленном производстве.

В настоящее время порошок со сферическими частицами из коррозионностойких сталей используют в таких распространенных аддитивных методах, как селективное лазерное плавление, селективное лазерное спекание, прямое лазерное спекание, электронно-лучевая плавка и других. Каждый из этих методов предъявляет высокие требования к характеристикам сферических частиц порошка коррозионностойких сталей. Данная работа посвящена получению сферического порошка методом плазменного распыления проволоки диаметром 1 мм из коррозионностойкой стали 03Х17Н10М2 и исследованию характеристик порошка на пригодность для применения в аддитивных методах. Отработана технология получения сферического порошка и изучена зависимость влияния режимов распыления на выход фракции менее 160 мкм, пригодной для аддитивных методов. С увеличением мощности и расхода газа выход фракции менее 160 мкм увеличивается и достигает более 70 %. Полученный порошок обладает высокой текучестью (17,6 ± 1 с), насыпной плотностью (4,15 ± 0,1 г/см³), плотностью после утряски (4,36 ± 0,2 г/см³) и пригоден для применения в аддитивном производстве. Также изучена зависимость влияния фракции сферического порошка на текучесть, насыпную плотность и плотность после утряски. Наилучшие характеристики получились для фракции –90 мкм: текучесть 16,64 ± 1 с, насыпная плотность 4,16 ± 0,1 г/см³ и плотность после утряски 4,38 ± 0,2 г/см³. Данные показатели соответствуют требованиям, предъявляемым к порошкам, применяемым для аддитивного производства, а именно текучести 50 г порошка менее 30 с и насыпной плотности более 3 г/см³.

В работе рассмотрена геометрия трещин в объеме брикетов из шлакообразующего материала, широко используемого в черной металлургии – оксида магния MgO. Представлены результаты измерения геометрии и расположения трещин в объеме брикетов, полученных методом валкового брикетирования. Возможность появления трещин в объеме брикетов является технологической особенностью валкового брикетирования. Этот дефект влияет на прочность брикетов, а также на выход годного (и производительность) в процессе брикетирования на валковых брикетировочных прессах. Количество и угол наклона трещин относительно направления брикетирования определено по фотографиям боковой поверхности брикета с использованием графических программ.

На металлургических предприятиях Урала доля местного сырья составляет 50 – 60 %. Его дефицит компенсируется использованием материалов, завозимых из Центральной России, Кольского полуострова и Казахстана. Замена их на местное сырье увеличит конкурентоспособность производимого на Урале металла, поэтому вопрос оценки возможности замены привозного сырья на местное является весьма актуальным. Таким сырьем могут быть сидеритовые руды Бакальского месторождения. Они не пользуются спросом у металлургов из-за низкого содержания железа и высокого содержания магния. С ростом количества сидеритов в шихте увеличивается содержание оксида магния в шлаке, что влияет на его вязкость и делает затруднительным или невозможным плавку с использованием более 20 % сидеритов. Для разжижения шлака предложено использовать оксид бора. Синтетический шлак, содержащий 26,8 % CaO, 38,1 % SiO₂, 11,8 % Al₂O₃, 23,6 % MgO, моделирующий состав шлака доменной плавки Магнитогорского металлургического комбината с добавкой 30 % обожженных сидеритов, является коротким и неустойчивым. Температура, при которой его вязкость соответствует вязкости на выпуске (0,5 Па·с), составляет 1390 °С, а температура, соответствующая температуре плавления (вязкость 2,5 Па·с), составляет 1367 °С. Если в такой шлак добавить борный ангидрид, он становится длинным и устойчивым. В расплавах при увеличении доли B₂O₃ от 0 до 12 % температура, при которой вязкость шлака составляет 0,5 и 2,5 Па·с, снижается до 1260 и 1100 °С соответственно. Это делает возможным значительное увеличение доли сидеритов в доменной шихте.

Ужесточающиеся требования к качеству металлопродукции вынуждают технологов металлургического производства искать новые решения, позволяющие стабилизировать качество металла. Большое внимание уделяется технологиям внепечной обработки расплава и подбору рационального состава модификаторов, позволяющих снизить загрязненность металла по неметаллическим включениям. Для решения поставленной задачи применяются комплексные модификаторы, содержащие как кальций, так и другие щелочноземельные металлы (барий и стронций). Представлены результаты опытно-промышленной компании по внепечной обработке металла комплексными модификаторами с щелочноземельными металлами (кальций, барий, стронций) при производстве стали с повышенными требованиями к неметаллическим включениям в условиях электросталеплавильного цеха АО «Уральская Сталь». В ходе экспериментальных работ удалось снизить максимальный балл загрязненности листового проката из трубных марок стали по силикатам хрупким (по ГОСТ 1778) с 4,0 до 1,5 – 2,5, по силикатам недеформирующимся с 4,0 до 3,0 – 3,5. Замена силикокальция марки СК40 на опытные модификаторы привела к улучшению прочностных свойств проката как при испытаниях на растяжение, так и при испытаниях на ударный изгиб при пониженных температурах. Указанное влияние наблюдалось при всех вариантах расходов опытных модификаторов. Отмечено, что с увеличением расхода модификаторов положительное влияние на механические свойства стали усиливалось. В результате замены силикокальция на опытные варианты модификаторов усвоение кальция при использовании Si – Ca – Ba повысилось в среднем в 1,6 раза, а при использовании Si – Ca – Ba – Sr – в среднем в 2,4 раза. Применение комплексных модификаторов позволило при существенно меньшем расходе кальция получить целевое значение остаточного кальция в маркировочной пробе.

Определен уровень зональных и дендритных сегрегаций в слябах, разлитых по тонкослябовой технологии. Рассчитанные коэффициенты вариации содержания основных и примесных химических элементов по сечению слябов не превышают 10 %, зональные сегрегации невысокие. Содержание марганца, измеренное по площади, занимаемой дендритными осями и междендритными промежутками, показало уровень дендритной сегрегации. Концентрация марганца изменяется от 0,6 до 1,1 % соответственно. Установлено, что использование динамического мягкого обжатия в процессе затвердевания позволяет измельчить первичную дендритную структуру для образования дополнительных центров при фазовом превращении δ-феррита в аустенит. Размеры исходных аустенитных зерен, сформированных с учетом первичной дендритной структуры, в тонком слябе в 3 раза меньше, чем в слябе толщиной более 200 мм. Преобразования дендритной структуры в ходе обжатий показывают высокую прорабатываемость, необходимую для формирования равномерных аустенитных зерен в подкате перед чистовой прокаткой. Исследованием не подтверждена гипотеза о том, что бейнит грубой морфологии в микроструктуре горячекатаного проката образуется в сегрегационных участках. Выявлено наследственное влияние первичной дендритной структуры на структурообразование в ходе прокатки. Концентрация марганца изменяется между бейнитом и «соседней» структурой от 0,68 до 1,01 % подобно уровню исходной дендритной сегрегации. Различие в содержании химических элементов влияет на процессы рекристаллизации аустенитных зерен в ходе высокотемпературной черновой прокатки. Бейнит сформировался в рамках химически «обедненных» крупных аустенитных зерен, устойчивых при фазовом превращении.

Нагрев слябов перед горячей прокаткой необходим для придания металлу требуемых пластических свойств. Наиболее эффективны для этого печи с шагающими балками, обеспечивающие подачу теплоты со всех сторон сляба. Однако области нижних поверхностей слябов, контактирующие с водоохлаждаемыми балками, экранированы от излучения нижних зон обогрева печи и отдают теплоту балкам. Для исследования неоднородности температурного поля слябов и ее зависимости от особенностей конструкции системы транспортировки разработана и программно реализована математическая модель нагрева сляба в печи с шагающими балками. Модель основана на численном решении трехмерной задачи теплопроводности с кусочно-определенными граничными условиями на нижней поверхности сляба. Для открытых областей нижней поверхности сляба задавались такие же граничные условия, как на верхней поверхности, а для областей контакта с балками – модифицированные граничные условия, учитывающие продолжительность этого контакта. Для численного решения системы разностных уравнений применен послойный метод, позволяющий получить систему с трехдиагональной матрицей коэффициентов. Проведенные расчеты в приближении адиабатности участков контакта сляба с балками в период контакта позволили получить температурные поля для различных сечений сляба. В результате выявлена существенная неоднородность температурного поля нижней поверхности сляба, влияющая на неоднородность температурного поля всего сляба. Разработанная программа расчета и визуализации результатов может быть использована для изучения температурного поля сляба при различных режимах его нагрева в случае наличия экспериментальной информации, позволяющей уточнить настроечные параметры модели.

В связи с развитием мировой торговли у металлургических комбинатов появилась большая вариативность при составлении производственного плана. На АО «ЕВРАЗ Западно-Сибирский металлургический комбинат» (АО «ЕВРАЗ ЗСМК») шихту оптимизируют из 110 компонентов только в части агломерационного и доменного производств. Номенклатура выпускаемой продукции состоит более чем из 2000 единиц и меняется от месяца к месяцу. Обычно производственный план оптимизируют только внутри отдельных переделов. Целью оптимизации является минимизация себестоимости передела и максимизация производства. В работе представлены разработка и внедрение системы математического моделирования производства всего металлургического комбината на примере АО «ЕВРАЗ ЗСМК». В отличие от существующих систем моделирования переделов целью системы является единовременная сквозная оптимизация всех переделов комбината. Конечная цель – максимизация прибыли всего комбината. В процессе эксплуатации новой системы в 2019 – 2020 гг. были обнаружены высокие трудозатраты при работе пользователей. Например, совершается более 10 000 тестовых итераций расчетов для выпуска 60 планов за год и расчета 30 экономических кейсов. Разработана и проанализирована форма статистики, которая показала следующие основные проблемы: неразрешимость модели из-за ввода математически некорректных данных; повторные расчеты экономических кейсов для выделения и интерпретации отдельных изменившихся факторов плана от бюджета; ошибки на этапе верификации данных из-за некорректного химического состава элементов или неверных настроек модели под конкретный период работы. Для устранения недостатков системы разработаны системы валидации вводимых данных на этапе до и после расчетов, модули анализа чувствительности и факторный расчет, система автоматического заполнения химического состава, а также добавлена возможность переобучения модели на исторических данных.

В результате избирательного восстановления образуются концентраты и пустая порода (хвосты). В хвостах содержится высокий процент железа и других элементов, которые не извлекаются в процессе селективного восстановления. Свойства хвостов после избирательного восстановления исследовались методами рентгеноструктурного анализа, оптико-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, оптической, УФ- и сканирующей электронной микроскопии, а также энергодисперсионного микроанализа на растровом электронном микроскопе. Экспериментально установлено, что хвосты содержат сульфиды железа, соединения железа с алюминием и магнием, а также диоксид кремния. На основании полученных данных в дальнейшем возможна разработка технологий кислотного и щелочного экстрагирования минералов с целью получения чистого оксида железа, применяемого в качестве металлического топлива.