«НИКЕЛЬ», Т. 34, № 1, 2019 Г

Ж У Р Н А Л

НИКЕЛЬ

ЖУРНАЛ ПОСВЯЩЁН НИКЕЛЮ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЮ «НИКЕЛЬ», Т. 34, № 1, 2019 Г.

Никель: «Великий реализатор» Руководство по никельсодержащим сталям для инженеров

Гаррисон-кроссинг: нержавеющая сталь, соединяющая людей

Аккумуляторные батареи повышенного срока службы для Формулы Е

КОМПАНИЯ BOUYGUES TRAVAUX PUBLICS GROUP

ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ № 15 ПРОЕКТ РАСШИРЕНИЯ ТЕРРИТОРИИ МОНАКО Монако, предпоследняя по территории страна мира и суверенное государство КОМПАНИЯ BOUYGUES TRAVAUX PUBLICS GROUP

с самой высокой плотностью населения, реализует амбициозный экологическиориентированный проект стоимостью 2,3 млрд долларов, направленный на увеличение городской территории за счёт 6 га прибрежной морской акватории. Уже идёт возведение морской

своём плавучем строительном доке в порту

инфраструктуры по проекту,

Марселя франко-испанская компания

разработанному французской строительной

SENDIN использовала более 4 тыс. тонн

компанией Bouygues Travaux Publics,

арматуры (прутка) из нержавеющей

причём строительство её подводной части

стали. Арматура диаметром от 12 мм

должно завершиться к 2020 г. Согласно проекту, новый район Anse du Portier (по-

КОМПАНИЯ BOUYGUES TRAVAUX PUBLICS GROUP

английски он известен как Portier Cove — Более 4 тыс. тонн арматуры из нержавеющей стали было использовано для строительства кессонов и самого плавучего строительного дока компании SENDIN.

бухта Портье) естественным образом вписывается в существующий береговой пейзаж и прибрежное течение. Морское дно будет углублено и засыпано каменистой породой под опору для дамбы, состоящей из 18 заполненных бетоном камер, называемых кессонами. Эти кессоны, каждый длиной 30 м, высотой 24 м и весом 10 тыс. тонн, будут отбуксированы морем из Марселя в Монако. Для строительства огромных кессонов на

2 | «НИКЕЛЬ», Т. 34, № 1, 2019 Г.

до 40 мм, поставленная компанией Roldan-Acerinox Group, выполнена в дуплексной нержавеющей стали марки 2304 (UNS S32304), выбранной благодаря своей высокой коррозиестойкости к содержащей хлориды морской воде, долговечности и отсутствию необходимости в будущем дорогостоящем техобслуживании. В перспективе ожидается, что в новом районе Anse du Portier, строительство которого должно быть завершено к 2025 г., в виллах и апартаментах поселится до тысячи жителей. Здесь также разместятся благоустроенный парк, пляжный променад и марина.

КОЛОНКА РЕДАКТОРА: «ВЕЛИКИЙ РЕАЛИЗАТОР» НИКЕЛЬ И ЖИЗНЬ

БРЮС ВУД (BRUCE WOOD), МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА США-НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ СЛУЖБА, Г. БАЙРОН, ДЖОРДЖИЯ (USDA-ARS, BYRON, GA)

Никель редко исполняет сольные партии, но в разных своих формах он поразителен, играя роли второго плана, порой бросающиеся в глаза, иногда малозаметные, но всегда придающие блеск технологиям, процессам и готовой продукции. Все эти роли «естественны»: всё, что никель может делать, является результатом его природных свойств, включая его малоизвестную роль микронутриента — питательного микроэлемента. Жизненная потребность в никеле не является общеизвестным фактом, как малоизвестно и то, что никельсодержащие удобрения жизненно необходимы ряду сельскохозяйственных культур. Схожим образом никель-металлгидридные и никель-кадмиевые аккумуляторные батареи в общественном сознании оказались Здоровый рост одной ветки в отодвинуты на задний план литием. Тот резком контрасте с листвой, не факт, что никель играет главную роль в получившей никелевую добавку. революционном успехе доминирующего в современных системах хранения энергии химического состава аккумуляторных батарей, основанных на литии, понимается недостаточно. Ещё один небольшой пример скрытой роли никеля — это термостойкая, шумопоглощающая изоляция из пенистого никелевого суперсплава для реактивных двигателей, которая может снизить шумовой след авиалайнера, тем самым повышая качество жизни в районах аэропортов.

В криогенных установках, таких как резервуары для хранения и перевозки сжиженного природного газа, применяется сталь, содержащая 9% никеля.

Даже широко распространённые никельсодержащие нержавеющие стали продолжают находить себе новое применение, позволяя процессам и механизмам быть более эффективными и работать дольше. И всё же мы решили посвятить этот номер журнала всем тем никельсодержащим легированным сталям, которые не являются нержавеющими. В массе своей они критически необходимы для тысяч инженерных решений. Мы приводим их отличительные характеристики и примеры их разнообразного использования. У никеля много ролей. Прочный и ковкий. Токопроводящий и магнитный — а, бывает, и нет. Термостойкий либо низкотемпературный — а, бывает, и одновременно такой и этакий. В твёрдой ли форме, жидкой или в виде сплава. И принципиально значимый для жизни. Звёзды зажигаются и гаснут, но множество талантов и ролей «Великого Реализатора» непреходящи. Клэр Ричардсон Редактор журнала «Никель»

«НИКЕЛЬ», Т. 34, № 1, 2019 Г. | 3

03 04 06 08 12 14

15 15 16

Пример из практики № 15 Проект расширения территории Монако

Колонка редактора «Великий Реализатор» никель

НИКЕЛЬ

Никель. Занимательные факты Гаррисон-кроссинг: нержавеющая сталь, соединяющая людей Никельсодержащие стали Скрытый ингредиент — никель Лекарства, вакцины и нержавеющая сталь Одноразовые биореакторы Гоночные автомобили Формулы Е Аккумуляторные батареи повышенного срока службы Новые публикации Выдержки из Универсальной системы обозначений металлов и сплавов Могучий лось Норвежский «Сторелген»

Журнал «Никель» издается Институтом никеля www.nickelinstitute.org Д-р Хадсон Бейтс (Hudson Bates), президент Клэр Ричардсон (Clare Richardson), редактор communications@nickelinstitute.org Авторы статей: Гари Коутс (Gary Coates), Ричард Матесон (Richard Matheson), Брюс МакКин (Bruce McKean), Гир Мо (Geir Moe), Ким Оукс (Kim Oakes), Найджел Уорд (Nigel Ward), Одетт Зизолд (Odette Ziezold) Design: Constructive Communications Публикация предназначена для общей информации читателя и не должна использоваться в практических целях без предварительной консультации специалиста. Несмотря на то, что, по мнению авторов, публикуемые технические сведения верны, Институт никеля, его члены, сотрудники и консультанты не гарантируют их пригодности для общего или специального использования и не несут никакой ответственности в связи с опубликованной здесь информацией. Отпечатано в Канаде на бумаге, изготовленной из вторичного сырья компанией Hayes Print Group. Графические материалы предоставлены: Обложка: Shutterstock©Wojciech Wrzesien Стр. 3 Shutterstock.com©Alexyz3d Стр. 8 StockPhoto.com©Bet_Noire Стр. 9 StockPhoto.com©umenie Стр. 11 iStockPhoto.com©mypokcik, iStockPhoto.com©antpkr Стр. 16 Shutterstock©mariusz.ks Опечатка: Том 33 / № 3 2018 Рис.1, стр.10 – исправлена и опубликована в сети

4 | «НИКЕЛЬ», Т. 34, № 1, 2019 Г.

Потише, пожалуйста Новый пенистый материал из суперсплава разработан для снижения шума авиационных двигателей. Группа исследователей из компании A*STAR показала, как можно применить обычную полимерную пену в качестве основы для создания жаропрочных шумопоглощающих металлических пенистых материалов из суперсплавов. Исследователи покрыли полимерную пену суспензией из суперсплава на основе никеля, затем выжгли полимер, в результате получив открытопористую металлическую пену, структура которой была идентична структуре изначального полимера. Тестируя акустические свойства созданных металлических пенистых материалов, они обнаружили, что чем меньше поры, тем дольше и затруднённее будет продвижение звуковой волны сквозь материал, и тем большим временем располагает материал на гашение энергии звука посредством преобразования её в тепло — это явление называют термовязкостным эффектом.

© 2018 ИНСТИТУТ СИНГАПУРА ПО ПРОИЗВОДСТВЕННЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ SINGAPORE INSTITUTE OF MANUFACTURING TECHNOLOGY

02

ЗАНИМАТЕЛЬНЫЕ ФАКТЫ

СОДЕРЖАНИЕ

СВЕТЛАЯ ИДЕЯ В небольшом японском посёлке Намиэ (Namie), расположенном близ города Фукусима, автомобилестроительная компания Nissan совместно со своим филиалом 4R Energy Corporation переделывает отработанные автомобильные аккумуляторные батареи в

ПРОЕКТ ВОЗРОЖДЁННЫЙ СВЕТ» КОМПАНИИ NISSAN

уличные фонари, работающие на солнечной энергии. Здесь придумали инновационный способ пуска в повторный оборот богатых никелем, магнием, кобальтом и литием аккумуляторов для электромобилей. Проект под наименованием «Возрождённый свет» обеспечивает жителей уличным освещением в рамках усилий по восстановлению района, тяжело пострадавшего от землетрясения и цунами 2011 года. Этот новый вид наружного освещения питается от солнечных панелей и отработанных аккумуляторных батарей от электромобиля Nissan LEAF. Будучи частью проекта по восстановлению города, эти автономные уличные фонари великолепного дизайна освещают районы, не подсоединённые к магистральной электросети.

Мал никель, да «растёт» высоко Из-за изменения климата важность этого технологического решения, как оказалось, ещё более возросла. В южных районах США, основного ареала выращивания деревьев ореха-пекана, более низкие весенние температуры и задержки с потеплением ведут к

Хотя 13 февраля 2019 г. агентство НАСА официально объявило о завершении миссии марсохода «Оппортьюнити» (Opportunity), он останется в нашей памяти благодаря своей неожиданной долговечности в суровых условиях. Прозванный «Оппи», он приступил к работе в 2004 г. и 14 лет проводил измерения на планете. Получавшие энергию от солнечных панелей литий-ионные аккумуляторные батареи хранили её избыток для использования в периоды пикового спроса на электроэнергию. Первые годы из-за устойчивых положительных результатов работы «Оппортьюнити» химический состав батарей почти не менялся. Затем для проекта миссии НАСА «Инсайт» (InSight), развёрнутого в ноябре 2018 г., химический состав никель-кобальт оксид (НКО) использовавшихся в «Оппи» литий-ионных аккумуляторов был усовершенствован и заменён на никель-кобальт алюминий (НКА). Химический состав НКА улучшает рабочие характеристики.

повышенному появлению «мышиного уха» на молодой листве деревьев. Было выяснено, что это заболевание — результат нехватки никеля. Симптомами «мышиного уха» являются закруглённые или затупленные кончики листочков сложного листа, листья и листочки меньшего размера, недоразвитые и деформированные ветви и стволы деревьев, слабо развитая корневая система, задержка раскрытия почек и некроз кончиков листьев. Более прохладная почва ограничивает поглощение усваиваемого никеля, необходимого для здоровой листвы. Но есть и положительный момент: у дерева ореха-пекана отсутствует потребность в большом количестве никеля, и проблему можно предотвратить, ежегодно замеряя температуру почвы и обрабатывая при необходимости листву никелем.

«НИКЕЛЬ», Т. 34, № 1, 2019 Г. | 5

АГЕНТСТВО НАСА (NASA) / ЛАБОРАТОРИЯ РЕАКТИВНОГО ДВИЖЕНИЯ (JPL) / КОРНЕЛЛСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (CORNELL UNIVERSITY)

THOMASCOUNTYAG.COM

Долгая жизнь на Марсе

ГАРРИСОН-КРОССИНГ: НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ, СОЕДИНЯЮЩАЯ ЛЮДЕЙ Расположенный в западной части центра Торонто, Канада, исторический район Форт Йорк (Fort York) площадью 17,4 га является оазисом спокойствия в этом кипящем КОМПАНИЯ PEDELTA. ВИД С ВОЗДУХА.

жизнью городе. Небольшой городок Йорк возник в 1793 г., а размещённый в нём гарнизон защищал гавань. Хотя сегодня это место является главной туристической достопримечательностью города, озеленённая его часть, известная как Гаррисон-коммонс (Garrison Commons — Гарнизонный парк), очень популярна и у горожан. Но пешеходы и велосипедисты могли попасть туда только по автомобильному мосту с интенсивным движением, пересекающему две магистральные железнодорожные ветки. В конкурсе на строительство двух

несколько сложных моментов. В Северной

пешеходных мостов с выделенными

Америке не существует инженерного

велосипедными полосами, известными

стандарта, в котором приводились бы

теперь как Гаррисон-кроссинг (Garrison

технические данные по нержавеющим

Crossing), победил консорциум во главе с

сталям для целей мостостроения, поэтому

компанией Dufferin Construction. Компания

приходилось убеждать власти в том, что

Pedelta Structural Engineers, инновационная

проектное решение безопасно и в то же

международная инженерно-строительная

время экономически целесообразно. Были

фирма, выступила с передовой для Северной

необходимы синтез идей и высокая степень

Америки идеей соорудить мосты, полностью Хотя в ряде структурных элементов других пешеходных мостов Северной Америки уже использовалась нержавеющая сталь, а в бетоне многих мостов на скоростных автомагистралях использован арматурный стержень из нержавеющей стали, Гаррисонкроссинг — первая пара мостов, полностью выполненных в нержавеющей стали. Никельсодержащая марка дуплексной нержавеющей стали 2205 была выбрана благодаря своей высокой коррозиестойкости к противообледенительным солям.

6 | «НИКЕЛЬ», Т. 34, № 1, 2019 Г.

выполненные в нержавеющей стали. Дуплексный сплав марки 2205 (UNS S32205) был выбран не только благодаря своей высокопрочности и прочим структурным свойствам, необходимым для холодных климатических условий, но также и

координации между всеми партнёрами. В 2013 г. Американский институт стальных конструкций (American Institute of Steel Construction — AISC) издал методические указания по структурной нержавеющей стали, а для более подробного руководства использовался европейский инженерный

из-за своей высокой коррозиестойкости

стандарт.

к противообледенительным солям. За

Разумеется, изготовление и сборка деталей

весь долгий срок службы его не придётся

мостов были очень важным этапом работы,

красить, и расходы на его техническое

и контракт на неё был присуждён местной

обслуживание будут очень низкими.

компании Mariani Metal Fabricators. В

Хуан Собрино (Juan Sobrino), президент

прошлом эта компания выполнила ряд

компании Pedelta и ведущий инженер-

впечатляющих проектов из нержавеющей

конструктор этого проекта, объяснил: «Я

стали, в том числе Мемориал военно-

применял нержавеющую сталь во многих

воздушным силам, воздвигнутый недалеко от

мостах Европы, поэтому я хорошо знал,

Вашингтона, округ Колумбия. Хотя компания

как её следует использовать в проекте

Mariani изготовляла металлоконструкции

Гаррисон-кроссинг в конструктивном

из дуплексной нержавеющей стали и раньше,

отношении». Предстояло преодолеть

данная работа с дуплексной сталью стала

КОМПАНИЯ MARIANI METAL FABRICATORS

КОМПАНИЯ PEDELTA. ВИД С ВОЗДУХА.

финишная обработка поверхности, поэтому

марки 2205. Винс Мариани (Vince Mariani),

все детали были матированы стеклянной

президент и основатель компании, сказал:

дробью. Из стали марки 2205 сделаны даже

«Мы осознавали трудности, связанные с

перила мостов.

этой работой, в том числе особые допуски

Сейчас мосты уже возведены, и все

по толщине и плоскостности листов,

отделочные работы полностью завершены.

соблюдение чистоты в мастерских и на

Это не просто мосты — это путь,

месте монтажа и, в первую очередь, особые

соединяющий людей, путь экологичный и

требования к сварке». Особенно важна

долговечный.

Слева: художественная версия вероятного вида завершённых мостов Вверху: изготовление деталей одного из мостов на строительной площадке компании Mariani Metal Fabricators Внизу: возведённый мост перед монтажом перил

КОМПАНИЯ E.S. FOX LIMITED

самой крупной — на неё ушло 350 тонн стали

«НИКЕЛЬ», Т. 34, № 1, 2019 Г. | 7

КРЕПКАЯ, ТВЁРДАЯ И ПРОЧНАЯ МНОГОЧИСЛЕННЫЕ СПОСОБЫ, С ПОМОЩЬЮ КОТОРЫХ ЛЕГИРОВАННЫЕ НИКЕЛЕМ СТАЛИ ОБЕСПЕЧИВАЮТ УСПЕХ Бόльшая часть производимого никеля идёт на производство нержавеющей стали. Но существенная доля — 8% — идёт в легированные стали, которые используются для обеспечения особых характеристик и применяются в специализированном и зачастую критически важном оборудовании.

Упрочняемая низколегированная сталь применяется в коленчатых валах, зубчатых передачах и посадочном шасси самолётов — всему этому включение никеля идёт на пользу.

MILWAUKEESHEARBLADE

Инструментальная сталь — лезвие ножниц из охлаждённой на воздухе стали

8 | «НИКЕЛЬ», Т. 34, № 1, 2019 Г.

Легированные стали включают в себя большое разнообразие материалов на основе железа. Доля никеля в них варьируется от ничтожно малых величин в одних легированных сталях (~0.3%) до 20% в мартенситностареющих (марагеновых) сталях. Каждый сплав разработан таким образом, чтобы обеспечивать сочетание показателей прочности, твёрдости, износоустойчивости или ударной вязкости, превосходящее нелегированные углеродистые стали. Такие сплавы, как правило, используются в оборудовании, которое транспортирует электроэнергию, формует или режет металл, а также применяется при низких температурах, при которых у углеродистых сталей теряется необходимый уровень ударной вязкости. Для простоты и в зависимости от тех или иных их свойств, важных для определённых конечных областей использования, легированные стали можно разделить на несколько типов. Легированные никелем стали критически важны для инструментальной промышленности — т.е.

производства инструментов и механизмов, используемых для производства других инструментов и механизмов. См. таблицу на стр. 9. Упрочняемая низколегированная сталь Эти стали относятся к той категории чёрных металломатериалов, механические свойства которых лучше, чем у нелегированных углеродистых сталей. Этого добиваются с помощью добавления легирующих элементов, таких как никель, хром и молибден, с последующими закалкой (быстрым охлаждением) и отпуском (термической обработкой). Эти химические элементы, будучи растворёнными в аустените до быстрого охлаждения, увеличивают упрочняемость сплава. Никель дополняет эффект упрочнения, который вызывают хром и молибден; кроме того, он важен для придания ударной вязкости твёрдой мартенситной микроструктуре, возникающей в результате быстрого охлаждения и последующего отпуска при помощи термообработки. См. таблицу ниже.

Сравнение типовых механических показателей марки AISI 4340 в состоянии отжига, закалки и отпуска с углеродистой сталью марки AISI 1045 КРУГЛЫЙ ПРУТОК ДИАМЕТРОМ 75 ММ (3”)

УСТОЙЧИВОСТЬ К ДЕФОРМАЦИИ МПа (кфунт/кв.дюйм)

ПРОЧНОСТЬ В РАСТЯЖЕНИИ МПА (кфунт/кв.дюйм)

УДЛИНЕНИЕ %

Марка AISI 4340 отпущенная

588 (86)

752 (110)

21

Марка AISI 4340 ASTM A434 класс BD

847 (124)

963 (141)

18

Марка AISI 1045 нормализованная

410 (60)

629 (92)

22

Инструментальная сталь «Инструментальная сталь» — это термин, применяемый к разным высокопрочным и устойчивым к истиранию сталям, используемым для штамповки (тиснение или прессование), резки и обрезки, формовки, а также в инструментах ударного действия, таких как молотки (промышленные или для индивидуального пользования). Способ их термообработки подобен термообработке упрочняемой низколегированной стали. В закалённых на воздухе инструментальных сталях снижена деформация, вызываемая быстрым охлаждением в воде, и они обладают оптимальным соотношением износостойкости и ударной вязкости.

Инструментальные стали для пресс-форм — это низколегированные углеродистые стали, подвергнутые формовке, а потом поверхностному науглероживанию, упрочнению и затем отпуску, чтобы добиться высокой поверхностной твёрдости, что делает их идеальными для использования в пресс-формах и штампах для литья под давлением. Высокопрочный низколегированный сплав (самопассивирующаяся сталь, стойкая к атмосферной коррозии) Более мелкая зернистая структура этих сталей обеспечивает повышенную прочность в сравнении с нелегированными углеродистыми сталями. Подобной

Марагеновая сталь с 18% содержанием никеля обладает усталостной прочностью при ударных нагрузках, необходимой для посадочных шасси самолётов.

Типовой химический состав некоторых важных никельсодержащих легированных сталей ТИП СТАЛИ

МАРКА (UNS)

C

Ni

Cr

Fe

ПРОЧИЕ

ПРИМЕНЕНИЕ

AISI 4340 (G43400)

0.4

1.8

0.8

сбал.

Mo

Коленчатые валы, зубчатые передачи и посадочные шасси самолётов

AISI 4320H (H43200)

0.2

1.8

0.5

сбал.

Mo

Поверхностноупрочнённые для износостойкости, но с твёрдым сердечником зубчатые передачи и шестерни

AR450

0.26

0.70

1.0

сбал.

Mo

Устойчивая к истиранию листовая сталь для жёлобов, футеровки мусоросборников, колосниковых решёток, противопульных бронепластин

Инструментальная сталь -с воздушной закалкой

A9 (T30109)

0.5

1.5

5.0

сбал.

Mo, V

Вытяжные и фасонные штампы и лезвия

Инструментальная сталь -для пресс-форм

P6 (T51606)

0.1

3.5

1.5

сбал.

Высокопрочная низколегированная “самопассивирующаяся сталь”

A588 Gr C (K11538)

0.1

0.35

0.5

сбал.

Никелевая сталь

9% Nickel steel (K81340)

0.13

9.0

-

сбал.

Мартенситностареющая (марагеновая) сталь

Maraging 300 (K93120)

0.03

18.5

-

сбал.

Упрочняемая низколегированная сталь

Матричное литьё сплавов на цинковой основе и штампы для литья пластмассы под давлением Cr, Cu, V

Обеспечивает более высокую удельную прочность (отношение предела прочности к весу), чем нелегированная углеродистая сталь, и бόльшую сопротивляемость атмосферной коррозии для использования в мостостроении Низкотемпературные устройства, такие как резервуары для хранения сжиженного природного газа

Co, Mo, Al, Ti

Корпуса ракетных двигателей, планёры летательных аппаратов, трансмиссионные валы, посадочные шасси самолётов, пресс-формы для литья под давлением, штампы

«НИКЕЛЬ», Т. 34, № 1, 2019 Г. | 9

мелкозернистости можно добиться, влияя на температуры фазового перехода таким образом, что превращение аустенита в феррит и перлит происходит при более низкой температуре во время воздушного охлаждения. При низкоуглеродных уровнях, свойственных высокопрочным низколегированным сталям, такие химические элементы, как кремний, медь, никель и фосфор, особенно эффективны для получения мелкозернистого перлита.

Привлекательные свойства марагеновых сталей можно кратко сформулировать следующим образом:

Добавки хрома, меди и никеля приводят к формированию устойчивого слоя ржавчины, который сцепляется с основным металлом. Пористость его структуры намного меньше, чем у слоя ржавчины, формирующегося на обычной структурной стали. В результате снижается интенсивность коррозии, что позволяет использовать эти стали без износостойкого покрытия.

• Сверхвысокопрочные при комнатной температуре •Л егко поддаются термообработке, ведущей к минимальной деформации • Великолепная ударная вязкость в сравнении со сталью того же уровня прочности, но после закалки и отпуска • Легко монтируются, обладают хорошей свариваемостью

На таблице внизу показано различие механических свойств углеродистой структурной стали марки ASTM А36 и высокопрочной низколегированной структурной стали марки STM A588 класса C.

Рис. 1: Влияние никеля на ударную вязкость нормализованных и отпущенных полудюймовых (1.27 см) пластин низколегированной углеродистой стали 81.3 Ni

27.1

0%

20

ДЖОУЛЬ

5%

2. 2

3.

54.2

Ni Ni

40

Ni

9%

5%

УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ ПО ШАРПИ (НАДРЕЗ ШАРПИ) ФУНТ-СИЛА

60

0

-300 (-185)

-200 (-129)

-100 (-73)

0 (-18)

ТЕМПЕРАТУРА °F (°C)

100 (38)

0

Никельсодержащая сталь Ферритные стали с высоким содержанием никеля, как правило, выше 3%, широко используются в оборудовании и особых областях применения, связанных с воздействием температур от 0 °C до - 196 °C, в числе которых цистерны для хранения сжиженных углеводородов, а также конструкции и механизмы, рассчитанные на применение в холодных регионах. В этих сталях используется эффект включения никеля на снижение температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое, что тем самым повышает ударную вязкость при низких температурах. В углеродистых и большинстве низколегированных сталей по мере снижения температуры ниже 24 °C (75 °F) растут прочность и твёрдость, при этом пластичность при растяжении и ударная вязкость снижаются. Никель улучшает показатель ударной вязкости при низких температурах, что отражено в результатах ударной вязкости по Шарпи на рис. 1.

Мартенситностареющая (марагеновая) сталь Марагеновые стали представляют собой низкоуглеродистые ферроникелевые сплавы, содержащие около 18% никеля и дополнительно легированные кобальтом, молибденом, титаном и другими химическими элементами. Эти сплавы закаливают до получения мартенситной структуры, после чего подвергают дисперсионному упрочнению в процессе термообработки при температурах 480-500 °C, что способствует выделению интерметаллических соединений, таких как Ni3Mo и Ni3Ti. Эти стали обладают высокой ударной вязкостью, а их усталостная прочность при ударных нагрузках указывает на то, что они пригодны для использования в ситуациях повторяющихся динамических нагрузок — например, в деталях электромеханических устройств. Термообработка упрочняемых низколегированных сталей при относительно низкой температуре приводит к намного меньшей деформации, чем при их быстром охлаждении, что делает их предпочтительными для применения в длинных и тонких деталях. Хотя количество идущего в эти легированные стали никеля меньше, чем объём его потребления в производстве нержавеющих сталей, разнообразие таких сталей значительно, а с промышленной точки зрения они незаменимы. Институт никеля осуществляет бесплатное техническое консультирование инженеров и разработчиков спецификаций по выбору наиболее подходящего материала для их проектов. www.nickelinstitute.org

Настоящая таблица иллюстрирует различие механических свойств углеродистой структурной стали марки ASTM А36 и высокопрочной низколегированной структурной стали марки STM A588 класса C. УСТОЙЧИВОСТЬ К ДЕФОРМАЦИИ МПА (КФУНТ/КВ.ДЮЙМ), МИНИМАЛЬНАЯ

ПРОЧНОСТЬ В РАСТЯЖЕНИИ МПА (КФУНТ/КВ.ДЮЙМ), МИНИМАЛЬНАЯ

УДЛИНЕНИЕ %, МИНИМАЛЬНОЕ

ASTM A36

250 (36)

400 (58)

23

ASTM A588 Gr C

345 (50)

485 (70)

21

МАРКА

10 | «НИКЕЛЬ», Т. 34, № 1, 2019 Г.

9-процентная никельсодержащая сталь, впервые использованная в защитной оболочке цистерн для жидкого кислорода в 1952 г., с тех пор в основном применялась во внутренней обшивке цистерн для сжиженного газа. Её предпочли аустенитным нержавеющим сталям из-за сочетания высокой прочности и надёжной ударной вязкости при очень низких температурах, вплоть до -196 °C.

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ Аустенит — это атомная структура стали,

на заданной глубине после быстрого

сохраняющаяся при температурах выше

охлаждения (закалки).

727 °C. Это немагнитный твёрдый раствор железа и углерода.

Мартенсит — это магнитная структура стали, сформировавшаяся путём закалки

Цементит — это соединение железа и

аустенита при такой высокой скорости, что

углерода по формуле Fe3C.

атомы углерода не успевают диффундировать

С ростом содержания углерода в стали

из кристаллической структуры в

растёт и количество цементита равно как и количество перлита, что сопровождается ростом прочности. Увеличение содержания углерода — это самый простой способ увеличить механическую прочность и твёрдость, но росту прочности сопутствует

необходимых для формирования цементита больших количествах. В результате закалки аустенит превращается в высоконапряжённую структуру, перенасыщенную углеродом, который повышает механическую прочность и

снижение ударной вязкости.

твёрдость.

Примечание: Уменьшение размера зёрен (их

Перлит — это тонкослоистая пластинчатая

умельчение) также повышает механическую

структура, состоящая из перемежающихся

прочность без одновременного снижения

слоёв феррита и цементита.

ударной вязкости.

Дисперсионное твердение — это метод

Ударная вязкость по Шарпи — это

термообработки, используемый для

стандартный тест, измеряющий количество энергии, поглощённой металлическим бруском стандартного размера при разломе. Феррит — это атомная структура стали, сохраняющаяся при температурах ниже 727 °C. Феррит имеет меньшую

увеличения механической прочности или твёрдости ковких металлов. Он способствует образованию (выделению) дисперсии мелких частиц металлических соединений (интерметаллидов), придающих жёсткость кристаллической структуре металла.

насыщенность углеродом, чем аустенит,

Ударная вязкость — это способность

поэтому когда температура стали падает

материала поглощать энергию и пластически

ниже 727 °C, избыточный углерод выделяется

деформироваться, тем самым сопротивляясь

в форме цементита и наслаивается на феррит,

разрыву под напряжением.

тем самым формируя перлит. Таким образом,

Мартенситностареющая (марагеновая)

при комнатной температуре микроструктура стали состоит из островков перлита в феррите.

сталь — это материал с высокими

Мартенситностареющая (марагеновая) сталь — это материал с высокими эксплуатационными характеристиками, который можно найти или в ударной стороне головки, или во всей головке клюшек для гольфа.

эксплуатационными характеристиками, который можно найти или в ударной стороне

Упрочняемость — это способность стали

головки, или во всей головке клюшек для

приобретать определённую прочность

гольфа.

«НИКЕЛЬ», Т. 34, № 1, 2019 Г. | 11

ЛЕКАРСТВА, ВАКЦИНЫ И НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ БОЛЬШЕ ГИБКИХ И РАЗНООБРАЗНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МОЩНОСТЕЙ Спрос на биологические лекарственные препараты (лекарства, состоящие из сложных молекул, произведённых при помощи живых микроорганизмов, растений или клеток животных) растёт быстро.

GE HEALTHCARE

Для предприятий биофармацевтики с объёмами производства выше 2 – 3 т в год, производство биологических препаратов становится рентабельным при использовании в оборудовании никельсодержащих нержавеющих сталей. На предприятиях с объёмами производства ниже этого уровня экономически эффективными являются технологии разового применения. Биофармацевтика позволяет производить особые препараты узкого применения повышенной силы действия. Это увеличивает номенклатуру препаратов, но сокращает масштабы их серийного производства, что, в свою очередь, требует разработки более гибких производственных процессов, которые быстрее могут реагировать на изменения спроса.

Вверху: биореактор со смесительным баком Xcellerex™ компании GE Healthcare Обеспечивая возможность быстрого запуска производства и перехода от одной производственной линейки к другой, разовые технологии позволяют производителям быстро адаптироваться к нуждам рынка. Снижение необходимости прямого ручного вмешательства оператора также снижает и риск контаминации.

Ответом на этот вызов стала разработка нового способа производства, использующего одноразовые биореакторы. Биореакторы — это резервуары для выращивания организмов (дрожжей, бактерий или клеток животных) в контролируемых условиях. Производимые, как правило, из нержавеющей стали марки 304L (UNS S30403) (из-за того, что одноразовое покрытие внутри сосуда прямо контактирует с продуктом), они всё чаще используются в биофармацевтических производственных процессах для создания биологических лекарственных препаратов, вакцин, антител, клеток, средств для генной терапии и биоэквивалентных лекарственных средств. В одноразовых биореакторах вспомогательные резервуары из нержавеющей стали футерованы

12 | «НИКЕЛЬ», Т. 34, № 1, 2019 Г.

полиэтиленом медицинского назначения для производства разовой дозы определённой молекулы. После завершения производства каждой дозы футеровка ликвидируется. Это значит, что одно и то же производственное оборудование из нержавеющей стали может быть использовано для изготовления небольших доз разных молекул. В прошлом для перехода на производство другого продукта производственное оборудование должно было тщательно очищаться или же приходилось создавать новое оборудование. В биотехнологии, там, где чрезвычайно важно отсутствие загрязнений (контаминации), процесс очистки может потребовать от трёх до четырёх дней и использования огромного количества воды. Сменная футеровка сводит к минимуму очистку оборудования перед началом производства новой дозы совершенно другого вещества. Это увеличивает степень загрузки оборудования и минимизирует время простоя. Будущее одноразовых биореакторов Глядя в будущее, можно сказать, что с ожидаемым непрерывным ростом спроса на новые лекарственные и химические вещества малых объёмов выпуска использование разовых биореакторов делает это гибкое и мелкое производство более практичным и социально приемлемым. Благодаря преимуществам, предлагаемым сменными одноразовыми футеровками

GE HEALTHCARE

Слева: биореактор со смесительным баком Xcellerex™ компании GE Healthcare — пониженные требования к очистке и

сталь — важный и экономичный материал,

паровой стерилизации, меньшие затраты

используемый в фармацевтическом

на расходные материалы, гибкий проектно-

оборудовании и обеспечивающий

конструкторский дизайн и повышенная

гладкую, лёгкую в очистке, санировании

эффективность капитальных вложений, —

и, при необходимости, в дезинфекции

биореакторы разового использования

поверхность машин и труб. Материалами

также дают возможность строить больше мощностей в странах с развивающимися рынками, что обеспечивает возможность расширения географии производства.

выбора, которые, как правило, применяют в фармацевтической промышленности, являются нержавеющая сталь марки 316 (S31600) — для производственного

Материалы выбора

оборудования, контактирующего с

Безопасность, чистота и удельная

реагентами, и марки 304 (S30400) — для

активность лекарственного средства

несущих конструкций. Из обеих легко

важны при любом типе производства

изготавливать сложное производственное

лекарств. Никельсодержащая нержавеющая

оборудование.

Путь прокладывает FlexFactory Биофармацевтические средства — это медикаменты на основе протеинов, которые всё шире используют для лечения многих болезней, таких как разные виды рака, ревматоидный артрит, диабет и нарушения свёртываемости крови. В результате старения населения во всём мире и применения адресной терапии направленного действия быстро растёт мировой спрос на эти виды лекарственных средств. В ответ на это Париш Галлихер (Parrish Galliher), главный инженер-технолог подразделения культивирования и синтеза биопродуктов при медико-биологическом отделении компании GE Healthcare, стал инициатором создания на основе современных одноразовых технологий так называемой FlexFactory, открывающей производителям быстрый доступ к ключевым биопроизводственным процессам, которые можно избирательно подстроить под требования любых новых или уже существующих производств.

FlexFactory также обеспечивает эксплуатационную гибкость, позволяя производителям изменять отдельные процессы по мере необходимости или даже разработать совершенно новую производственную линию всего за 9 – 12 месяцев. «В прошлом надо

Одноразовые биореакторы обладают рядом преимуществ. Они: • снижают потребность в дорогостоящих и занимающих много времени процедурах проверки качества очистки и стерилизации между производством разных партий продукции • снижают количество твёрдых отходов • Способствуют росту годового объёма производимой продукции • снижают капитальные затраты и эксплуатационные расходы • увеличивают скорость и гибкость наладки процесса, обеспечивая возможность быстрого запуска производства и перехода от одной производственной линейки к другой • обеспечивают быструю реакцию на быстро изменяющиеся потребности рынка • сводят к минимуму риск контаминации, потому что все компоненты, контактирующие с перерабатываемым материалом, заключены в одноразовые блоки.

было начинать строительство завода за пять лет до начала производства, так как на это требовалось много времени, а для биотехнологий пять лет — это вечность, — объясняет г-н Галлихер. — Лекарственные препараты быстро появляются и исчезают по многим причинам, и половина построенных мощностей фактически устаревает ещё до момента завершения их строительства — таковы темпы изменений этой отрасли».

«НИКЕЛЬ», Т. 34, № 1, 2019 Г. | 13

КОМПАНИЯ MCLAREN AUTOMOTIVE LIMITED

БОРЬБА ЗА ТИТУЛ ЧЕМПИОНА АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ ПОВЫШЕННОГО СРОКА ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ

Формула Е привлекает внимание крупнейших автомобилестроителей мира. На задуманных в 2011 г. и стартовавших в Пекине в сентябре 2014 г. гонках Формулы Е, чемпионата электромобилей, число зрителей быстро превысило 200 млн, а скорости возросли от 220 км/час до 299 км/час (от 137 миль/час до 186 миль/час), при этом запас хода увеличился более чем в два раза.

ЖУРНАЛ

«Кажется, компании McLaren каким-то образом удалось достичь невозможного — нарастить количество аккумуляторных батарей в электромобиле со 165 до 209, выйти за пределы допустимого веса и почти удвоить удельную энергоёмкость. Многие гадают, как им это удалось сделать».

—Журнал Global Mining Observer

«НИКЕЛЬ»

Может быть пройдут годы, прежде чем секрет аккумуляторной батареи McLaren станет известен, а пока нам остаётся только наслаждаться волнующим спортом, ставшим вдохновителем инноваций.

14 | «НИКЕЛЬ», Т. 34, № 1, 2019 Г.

страничку Института никеля

СМОТРИТЕ видеоролики о никеле на канале Института никеля на YouTube www.youtube.com/user/NickelInstitute

О Н Л А Й Н

Этот рост вызван инновационными разработками в области аккумуляторных батарей Каждая команда участников Формулы Е должна использовать аккумуляторные батареи, созданные по одной и той же технологии. Изначально это были литийионные батареи мощностью 28 кВт.ч. Компании Williams поручили производство первых батарей, а теперь заказ на их поставку WWW.NICKELINSTITUTE.ORG получила компания McLaren Applied Technologies, создавшая новую батарею, ПОДПИШИТЕСЬ бесплатно на журнал в которой количество полезной энергии «Никель». При появлении нового выпуска на увеличено почти вдвое — до 54 кВт.ч., так сайте вы будете получать уведомление по что водители могут проехать весь гоночный электронной почте www.nickelinstitute.org путь в одной машине. Как и в случае ЧИТАЙТЕ журнал «Никель» онлайн на компании Williams, химический состав нескольких языках аккумуляторных батарей компании McLaren www.nickelinstitute.org/library/ для машин, участвующих в Формуле Е, — это ИЩИТЕ ПРЕДЫДУЩИЕ НОМЕРА журнала тщательно охраняемый технический секрет, «Никель» в архиве онлайн, начиная с июля но вполне возможно, что McLaren использует 2009 г. www.nickelinstitute.org/library/ модель с большим содержанием никеля СЛЕДИТЕ ЗА НОВОСТЯМИ О НАС в для повышения электроёмкости, то есть Твиттере Twitter @NickelInstitute химический состав в соотношении 8-1-1, где на каждые 8 частей никеля приходится одна ПРИСОЕДИНЯЙТЕСЬ к нам на сайте LinkedIn (ЛинкдИн) — зайдите на часть кобальта и одна часть марганца.

НОВЫЕ ПУБЛИКАЦИИ Институт никеля опубликовал два обновлённых недавно технических руководства в помощь эффективному использованию никельсодержащих материалов. Полностью переработанные «Методические инструкции по обработке никелевых сплавов сваркой для обеспечения коррозиестойкости» (11012) (Guidelines for the welded fabrication of nickel alloys for corrosion-resistant service) — это полезное руководство для сварщиков, инженеров в области технологии материалов и инженеров-проектировщиков. В помощь сварщикам в нём используется подход по принципу «как сделать», полезный для неинженерных профессий. Для инженеров-технологов эти инструкции являются полезным справочником, дающим описание многочисленных типов никелевых сплавов и их металлургические характеристики и обсуждающим полезные для обеспечения качества методы контроля качества без разрушения изделия. В помощь инженерам-проектировщикам в руководстве рассматриваются конструктивные решения, оптимизирующие коррозионные

характеристики никелевых сплавов, а также использование коррозиестойких слоёв, накладываемых при помощи наплавленных слоёв сварного шва, футеровки и плакирования листов металла. Руководство «Выбор сплавов для использования в хлоре, хлористом водороде и соляной кислоте» (10020) (Alloy selection for service in chlorine, hydrogen chloride and hydrochloric acid) рассматривает коррозионное воздействие в различных условиях хлора, хлористого водорода и соляной кислоты на такие материалы, как стали, нержавеющие стали, сплавы на основе никеля, сплавы на основе меди, титан, цирконий и тантал. Это полностью обновлённая техническая публикация Института никеля — полезное руководство для инженеров в области технологии материалов. Эти публикации можно бесплатно загрузить с сайта www.nickelinstitute.org

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ (весовой в %) сплавов и нержавеющих сталей, упомянутых в данном выпуске журнала «Никель»

UNS

Al

C

Co

Cr

Cu

Fe

Mn

Mo

N

Ni

P

S

Si

Ti

V

S30400 p. 13

-

0.03 max.

-

18.020.0

-

bal

2.00 max.

-

0.10 max

8.012.0

0.045 max

0.030 max

0.75 max

-

-

S30403 p. 12

-

0.08 max.

-

18.020.0

-

bal

2.00 max.

-

0.10 max

8.010.0

0.045 max

0.030 max

0.75 max

-

-

S31600 p. 13, 16

-

0.08 mas

-

16.018.0

-

bal

2.00 max.

-

0.10 max

10.014.0

0.045 max

0.030 max

0.75 max

-

-

S32304 p.2

-

0.03 max.

-

21.524.5

0.050.60

bal

2.50 max

0.050.60

0.050.20

3.05.5

0.040 max

0.030 max

1.00 max.

-

-

S32205 p. 6

-

0.030 max

-

22.023.0

-

bal

2.00 max

3.003.50

0.140.20

4.506.50

0.030 max

0.020 max.

1.00 max

-

-

G43400 p. 8

-

0.370.43

-

0.700.90

-

bal

0.600.80

0.200.30

-

1.652.00

0.035 max

0.040 max

0.150.30

-

-

H43200 p. 8

-

0.170.23

-

0.350.65

-

bal

0.400.70

0.200.30

-

1.552.00

0.035 max

0.040 max

0.150.30

-

-

T30109 p. 8

-

0.450.55

-

4.755.50

0.25 max

bal

0.5 max

1.301.80

-

1.251.75

0.03 max

0.03 max

0.951.15

-

0.801.40

T51606 p. 8

-

0.050.15

-

1.251.75

0.25 max

bal

0.350.70

-

-

3.253.75

0.03 max

0.03 max

0.100.40

-

-

K11538 p. 8

-

0.15 max

-

0.300.50

0.200.50

bal

0.801.35

-

-

0.250.50

0.04 max

0.05 max

0.150.30

-

0.0010.10

K81340 p. 8

-

0.13 max

-

-

-

bal

0.90 max

-

-

8.59.5

0.035 max

0.040 max

0.150.30

-

-

K93120 p. 8

0.050.15

0.03 max

8.59.5

0.5max

0.5 max

bal

0.10 max

4.65.2

-

18.019.0

0.010 max

0.010 max

0.10 max

0.50.8

-

«НИКЕЛЬ», Т. 34, № 1, 2019 Г. | 15

МОГУЧИЙ ЛОСЬ «СТОРЕЛГЕН» Над трассой Е3 в Норвегии возвышается грандиозная фигура лося высотой 10,3 м и длиной 11,5 м. Это самая большая скульптура лося в мире. Помимо гигантского лося, известного как «Сторелген» (что по-норвежски означает «большой лось»), по стоянке для пикников, на которой он установлен, разбросан ещё и его столь же гигантский помёт — к вящему восторгу уставших путешественников. Эта площадка была выбрана для того, чтобы

Управлением дорог общего пользования. Её

дать водителям повод остановиться и размять

стоимость — около 236 тыс. долларов США.

ноги, а заодно и напомнить о необходимости

Скульптура была изготовлена в Китае из

следить за дикими животными. С начала На изготовление скульптуры «Сторелген» ушло шесть месяцев. Она была доставлена из Китая по частям. «Сторелген» на 50 см выше канадского «Лося Мака».

16 «НИКЕЛЬ», | «НИКЕЛЬ», Т. 34, Т. 34, № 1, №2019 1, 2019 Г. Г.

2015 года по октябрь, когда был воздвигнут «Сторелген», на дорогах было сбито более тысячи лосей. Скульптура «Сторелген» была создана

отполированной до блеска нержавеющей стали марки 316 (UNS S31600), «чтобы сделать её как можно более долговечной и не требующей ухода, — говорит художница. — Ещё у меня была цель побить рекорд канадской скульптуры “Лось Мак” и сделать

норвежской художницей Линдой Бакке

“Сторелген” самой большой скульптурой лося

(Linda Bakke) в сотрудничестве с норвежским

в мире. И самой симпатичной, конечно».