«НИКЕЛЬ», т. 37, № 1, 2022 г.

Ж У Р Н А Л

НИКЕЛЬ

ЖУРНАЛ ПОСВЯЩЁН НИКЕЛЮ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЮ «НИКЕЛЬ», т. 37, № 1, 2022 г.

Когда важна прочность Строительные нормы и правила — безопасные здания и конструкции

Кабели из нержавеющей стали для жёстких условий эксплуатации

Новый мост Св. Георгия — прочнее и безопаснее

КОМПАНИЯ CHATTANOOGA BOILER & TANK COMPANY

ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ № 24 МЕТРОПОЛИТЕН ВАШИНГТОНА Элементы несущей конструкции навеса имеют прямоугольную форму и сделаны из пустотелых профилей из аустенитной нержавеющей стали марки 316L, содержащей 10% никеля.

Вашингтонский метрополитен под управлением Транспортного комитета Вашингтонского столичного округа (The Washington Metropolitan Area Transit Authority (WMATA)) обслуживает более 600 тыс. пассажиров в день. Он является вторым по загруженности в Соединённых Штатах, располагая 91 станцией в Вирджинии, Мэриленде и округе Колумбия. В рамках программы его технического обслуживания проводится замена существующих эскалаторов всей сети станций, и над безвестибюльными входами в метрополитен устанавливаются броские навесные конструкции из нержавеющей стали. Они защищают наружные эскалаторы от дождя, снега и соли в сложных погодных условиях, повышая их надёжность и способствуя удобству пассажиров. Элегантные навесы из стекла и нержавеющей стали делают входы на станции метрополитена легко узнаваемыми. Их дизайн напоминает традиционные потолки с кессонами и сводчатыми перекрытиями, характерные для станций метро. Каждый навес — это покрытая глазурью система, опирающаяся на тороидальную раму из нержавеющей стали с продольными балками, расположенными прямо над парапетом на диагональных сходящих на конус опорных стойках. Большие модульные секции крыши монтируются в производственном цехе,

«НИКЕЛЬ», т.т. 37, 37, № № 1, 1, 2022 2022 г.г.

22 || «НИКЕЛЬ»,

перевозятся автотранспортом до места установки и затем быстро соединяются болтами. Сборка проводится в ночное время, когда станции закрыты, чтобы свести к минимуму перебои регулярной работы метро. Дизайн подгоняется под уникальные особенности каждого станционного входа. Марка 316L (UNS S31603) идеально подходит для конструкций транспортных узлов благодаря своей превосходной коррозиестойкости, низким требованиям к обслуживанию и привлекательной поверхностной отделке.

КОЛОНКА РЕДАКТОРА: О ПРОЧНОСТИ НИКЕЛЯ

Прочность жизненно важна, потому что в её отсутствие случается беда. Это одно из ключевых свойств, которые придаёт материалам никель.

«Прочность материала — это его способность без отказа и деформации противостоять приложенной нагрузке». НИКОЛЬ КИНСМАН (NICOLE KINSMAN)

Никель обеспечивает полезное сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости. Это имеет существенное значение для оборудования, предназначенного для тяжёлого режима работы, например, для шасси воздушного транспорта, которое должно противостоять механическим ударам многократного действия. И здесь никель, содержащийся в марагеновой стали, играет критически важную роль в предотвращении усталости металла во избежание отказа оборудования с катастрофическими последствиями. Никель в нержавеющей стали усиливает сопротивляемость коррозии и способствует жёсткости, пластичности и прочности сварных швов, которые, в свою очередь, обеспечивают возможность использования нержавеющей стали в крепких и долговечных сооружениях, таких, например, как новый мост Св. Георгия в Италии, спроектированный Рензо Пиано (Renzo Piano). Использование арматуры из нержавеющей стали гарантирует механическую прочность и сопротивляемость коррозии. Арматура критически важна для обеспечения долговечности моста, возведённого после катастрофического обрушения своего предшественника. Уже более века нержавеющая сталь эффективно используется в знаковых зданиях. Но лишь сейчас опубликованы специальные нормы и правила проектирования по применению нержавеющей стали. Их необходимость назрела, потому что свойства нержавеющей стали отличны от свойств углеродистой стали. В новом стандарте на проектирование Американского института металлоконструкций (American Institute of Steel Construction (AISC)) приведены удобные в пользовании и экономичные технические нормы, которые помогут проектировщикам и инженерам-строителям легко и эффективно использовать нержавеющую сталь при проектировании прочных конструкций. А ещё нержавеющая сталь — это своего рода метафора, обозначающая «силу и прочность».

В стене с навесным покрытием в форме вантовых сетей из нержавеющей стали здания китайской корпорации China Poly использованы кабели и арматура из стали марки 316 (UNS S31600) с фиттинговыми соединениями и кронштейнами из марки 2205 (S32205).

Испанский скульптор Жорди Диес Фернандес (Jordi Díez Fernández) сказал, что уникальность нержавеющей стали придаёт его работам мощь и выразительность. В недавно созданной им скульптуре Рафаэля Надаля, легенды тенниса, использующего свои сильные стороны в момент выполнения своего знаменитого форхенда левой рукой, эти свойства персонифицированы до совершенства. Клэр Ричардсон

Редактор журнала «Никель»

«НИКЕЛЬ», т. 37, № 1, 2022 г. | 3

03 04 06 08 10 11 12 13 14 15 15 15 16

Пример из практики № 24 Метро Вашингтона Колонка редактора О прочности никеля Никель. Занимательные факты

НИКЕЛЬ

Строительные нормы и правила Безопасные здания, безопасные конструкции Мост Св. Георгия Крепче и безопаснее Никелевые кабели Не подводят в суровых условиях Критически важные соединительные узлы Прочные крепёжные детали Марагеновая сталь Высокие прочность и ударная вязкость Никелевые сплавы Ферриум (Ferrium)

Суперупругий сплав держит температурный удар

Технические вопросы и ответы Конструкционные стальные сплавы

ГОРОДСКОЙ УНИВЕРСИТЕТ ГОНКОНГА (CITY UNIVERSITY OF HONG KONG)

02

ЗАНИМАТЕЛЬНЫЕ ФАКТЫ

СОДЕРЖАНИЕ

Новые публикации Майкл Орри Пирс 1934-2022 Выдержки из Универсальной системы обозначений металлов и сплавов Скульптура Рафаэля Надаля Памятник человеческой силе

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: Нэнси Бэдду (Nancy Baddoo), Гари Коутс (Gary Coates), Ричард Матесон (Richard Matheson), Гир Мо (Geir Moe), Ким Оукс (Kim Oakes), Бенуа Ван Хекке (Benoît Van Hecke), Одетт Зизолд (Odette Ziezold) Художественное оформление: компания 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.

ISSN 0829-8351 Обложка: iStock©coffeekai Обложка: Shutterstock ©Harry Steele Графические материалы предоставлены: стр. 3 iStock©Phantom1311, стр. 9. iStock©Luca Reina Mafaraci, iStock©Mara Duchetti, стр. 10 iStock©BIHAIBO, iStock©trekandshoot, стр. 12 iStock©Babayev, стр. 13 iStock©Dmitrii Guldin

4 | «НИКЕЛЬ», т. 37, № 1, 2022 г.

Исследователи из Городского университета Гонконга (City University of Hong Kong (City U)) и их коллеги случайно открыли первый в своём роде суперупругий сплав, сохраняющий свою жёсткость даже после нагревания до 1000 K (726,85 °C) или выше. Профессор Ян Ён (Yang Yong) со своей командой обнаружил, что сплав Co25Ni25(HfTiZr)50, «высокоэнтропийный сплав Elvinar», сохраняет свой модуль упругости в большом интервале колебания температур. Это означает, что жёсткость сплава инвариантна по отношению к температуре. Это свойство неоценимо для приборов, которые должны подвергаться радикальным температурным колебаниям. «Мы знаем, что на поверхности Луны температура меняется в диапазоне от 122 до -232 °C. В экстремальных условиях окружающей среды этот сплав сохранит прочность и останется в неизменном виде, поэтому он прекрасно мог бы соответствовать требованиям будущих механических хронометров, которым предстоит работать в широком диапазоне температур во время космических экспедиций», — сказал профессор Ян. Эта работа опубликована в журнале «Природа» (Nature).

Магнитные свойства прежде всего

Нетоксичный детектор

Впервые в мире в искусственном синтезе ферроникелевого магнитного порошка с решётчатой сверхструктурой, обладающей магнитными свойствами благодаря расположению атомов железа и никеля, преуспела корпорация Denso Corporation. Сильное магнитное поле эквивалентно или даже выше поля магнитов из неодимия. Для увеличения конкуПО МАТЕРИАЛАМ NANO LETTERS 2021, DOI: 10.1021/ACS.NANOLETT.1C02336

рентоспособности своих ключевых компонентов, предназначенных для электромобилей, компания планирует не позже, чем через пять лет, начать применение этих менее дорогих, но высокоэффективных магнитов в лёгких двигателях малой мощности, а в будущем — в тяговых электродвигателях. Одна из крупных компаний по производству автомобильных деталей уже начала их серийный выпуск, а тем временем компания Aisin, входящая в состав группы «Тойота», к 2025 году организует систему поставок силовых электроустановок и прочей продукции в различные районы земного шара

Убедительная победа Южнокорейская компания SK On успешно завершила разработку аккумуляторной батареи NCM9 — первого в мире устройства с 90% уровнем содержания никеля, нашедшего промышленное применение. Буквы NCM в названии — никель, кобальт, магний — определяют три главных элемента, из которых состоит катод батареи, а число 9 указывает на долю в нём никеля. Такое высокое содержание никеля в этом удостоенном награды инновационном приборе означает повышенные мощность и ёмкость аккумулятора, что явилось сложнейшей задачей, стоявшей перед компанией и потребовавшей разработки передовой технологии для обеспечения безопасности конечного продукта. Опробованная и установленная на автомобиле Ford F-150 Lightning, первой электрической версии легендарного пикапа компании «Форд», аккумуляторная батарея готова к выходу на рынок. Ещё до начала их серийного производства почти 200 тыс. автомобилей уже зарезервированы покупателями, так что внимание всего мира будет приковано к высоким эксплуатационным характеристикам и выносливости этой модели.

Когда С. Чан (S. Chang) и С. Рен (S. Ren) с коллегами задумали создать не содержащие «тяжёлых металлов» металл-органические каркасные структуры (ОКС) (metal – organic frameworks (MOF)) для гибкого детектора рентгеновского излучения и преобразователя видеосигналов, в поисках инновационного решения они прибегли к никелю. Обычно рентгеновские детекторы содержат опасные металлы ограниченного пользования, такие как свинец и кадмий. Исследователи смешали раствор соли хлорида никеля и

КОМПАНИЯ «ФОРД» © 2022 FORD MOTOR COMPANY

дисульфидный восстанавливающий агент DABDT. Они вставили ОКС, в которых никель связывал молекулы DABDT, между электродами из тонкого слоя золота на гибкой пластиковой поверхности, а для передачи тока использовали медные провода. Поместив алюминиевую букву «Н» на детектор, они облучили её рентгеновскими лучами. Выходной сигнал тока под буквой оказался значительно ниже. Учёные говорят, Аккумуляторная батарея NCM9 компании SK On завоевала награду за новаторские решения на Международной выставке потребительской электроники 2022 (International Consumer Electronics Show (CES)) в двух категориях — «Автомобильная мультимедийная система и безопасность» и «Встроенные технологии».

что их опытно-экспериментальный прибор — многообещающий шаг вперёд для создания следующего поколения детекторов радиации.

«НИКЕЛЬ», т. 37, № 1, 2022 г. | 5

СТРОИТЕЛЬНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА ВЫСОКИЕ СТАНДАРТЫ ДЛЯ КОНСТРУКЦИОННОЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ К счастью, внезапное обрушение здания или моста — событие редкое и во многом благодаря существованию международных или государственных стандартов: конструкции рассчитываются в соответствии с проектно-конструкторскими стандартами и используют продукцию, соответствующую требованиям товарных стандартов, которая производится на основе методов и в соответствии с уровнем качества, определённым строительными стандартами. Проектно-конструкторские и строительные стандарты закрепляют и кодифицируют лучшие производственные практики, методики и технические требования для безопасной и устойчивой застройки территорий. Стандарты разрабатываются на основе консолидированного мнения специалистов. В сущности, они являются квинтэссенцией мудрости экспертов в своей области знания — производителей материалов, конструкторов, производителей товаров, проектировщиков, исследователей, членов торговых ассоциаций, пользователей и законодателей. Стандарт ANSI/AISC 370 — это первые в США нормы и правила на проектирование объектов из конструкционной нержавеющей стали. Он опубликован в 2021 г.

Требования, предъявляемые проектно-конструкторскими стандартами, часто являются компромиссом, достигнутым в нелёгкой борьбе между экономией и лёгкостью использования. Важно также, чтобы проектно-конструкторские стандарты были всеобъемлющими и охватывали большой диапазон распространённых конструкций, материалов и нагрузок; чтобы они не были чрезмерно консервативными, что может привести к «избыточному проектированию» (т. е. закладыванию ненужных резервов) и растрачиванию ценных невозобновляемых ресурсов. В отсутствие стандартов необходимо тратить время и деньги на получение индивидуальных решений соответствующих служб технического надзора за строительством, разрешающих исключительные условия строительства, и зачастую проектировщики,

6 | «НИКЕЛЬ», т. 37, № 1, 2022 г.

занятые другими делами, такого разрешения не дают. Таковой до прошлого года была ситуация в США в отношение проектирования с использованием конструкционной нержавеющей стали: строительных норм на нержавеющую сталь для широко распространённых конструкционных профилей, занимающих бóльшую долю рынка, таких как сварные, горячепрокатные или полые профили, просто не существовало. Следовательно, инженерам и их клиентам было намного легче, дешевле и быстрее применять другие виды сталей, алюминий, дерево, фиброармированный пластик и бетон, уже оговоренные в строительных стандартах и принятые в строительных нормах и правилах. Эта ситуация являлась существенным препятствием для роста рынка нержавеющей стали и её широкого применения. Стандарты в области проектирования строительных конструкций, созданные Американским институтом металлоконструкций (American Institute of Steel Construction (AISC)), а также основанные на них строительные нормы и правила используются на всей территории Северной и Южной Америки, а также на Ближнем Востоке. В Китае ими руководствуются почти на 30% проектов. В 2018 г., через десять лет после начала переговоров представителей сталелитейной промышленности с AISC, последний, наконец-то, объявил о своём намерении подготовить полный проектно-кон-

структорский стандарт Американского

и экономичных правил проектирования

национального института стандартизации

устранит былые существенные препятствия

(American National Standards Institute (ANSI))

для проектов из конструкционной нержа-

по конструкционной нержавеющей стали.

веющей стали и расширит мировой рынок

(AISC Committee on Structural Stainless Steel), в которую вошли производители нержавеющей стали, эксперты по сварке, металлурги, проектировщики и учёные. Ведущую роль в разработке проекта новых норм проектирования играл Институт стальных конструкций из Великобритании (Steel Construction Institute). Все эти организации основывались на огромной научно-исследовательской работе в области конструкций, проводимой университетами всего мира в течение последних тридцати лет, результаты которой уже были использованы как основа для разработки норм Еврокода в области конструкционной нержавеющей стали.

ных нержавеющих сталей.

КОМПАНИЯ STAINLESS STRUCTURALS

по конструкционной нержавеющей стали

никельсодержащих аустенитных и дуплексПреимущества наличия таких стандартов не ограничиваются лишь зданиями и используемыми в них конструкциями. Ожидается, что на эти нормы и правила для нержавеющей стали будет ссылаться и стандарт ANSI/AISC № 690 «Строительные нормы и правила на стальные конструкции, обеспечивающие безопасность атомных электростанций» (Specification for safety-related steel structures for nuclear facilities), который используется во

Двутавровые балки и швеллеры из аустенитной нержавеющей стали, произведённые с помощью лазерной сварки.

всём мире, но в настоящее время не содержит никакой информации по проектированию конструкций из нержавеющей стали. В дополнение к этому начата работа под эгидой Американской ассоциации руководителей дорожных и транспортных служб штатов

Тремя годами позже был опубликован новый

(the American Association of State Highway

стандарт ANSI/ AISC 370-21 «Строительные

and Transportation Officials (AASHTO)) по

нормы и правила на здания из конструкци-

пересмотру норм стандарта ANSI/AISC 370

онной нержавеющей стали» (Specification for

с целью их применения в проектировании

structural stainless steel buildings). Ожидается,

дорожных, пешеходных и железнодорожных

что наличие этих современных, удобных

мостов из нержавеющей стали в США.

Несущая конструкция из нержавеющей стали использована в системе пассивного охлаждения в защитной оболочке реактора атомной электростанции им. Вогтля (Vogtle Nuclear Power Plant) (третий и четвёртый блоки), расположенной в округе Берк штата Джорджия, США. Башня высотой 9,1 м (30 фут.) и 3,4 кв. м (11 кв. фут.) в основании произведена из дуплексной нержавеющей стали марки UNS S32101.

КОМПАНИЯ PREMIER INDUSTRIAL/WESTINGHOUSE

Работа началась с создания Комиссии AISC

«НИКЕЛЬ», т. 37, № 1, 2022 г. | 7

НОВЫЙ МОСТ СВ. ГЕОРГИЯ ПРОЧНЕЕ И ДОЛГОВЕЧНЕЕ После обрушения моста Моранди в г. Генуе в августе 2018 г. в независимом расследовании были отмечены плохое техобслуживание и недостатки в проектировании и строительстве моста как вероятные причины катастрофы. Указывалось, что основной причиной стала коррозия кабелей в верхней части южного анкера одной из башен моста. АССОЦИАЦИЯ CENTRO INOX

Было также сказано, что обычные технические инспекции оказались недостаточными для получения необходимой информации о действительном состоянии деградации кабелей.

При погружении в бетон сочетание контактирующих друг с другом углеродистой стали и нержавеющей стали не ведёт к повышенному риску коррозии углеродистой стали.

Со времени строительства моста Моранди

Армирование там, где это

знания о прочности и долговечности мо-

необходимо

стовых конструкций значительно выросли.

Нержавеющая сталь защищает против

Новый мост Св. Георгия в Генуе (преемник

коррозии и растрескивания или выкраши-

моста Моранди) был спроектирован Рензо

вания элементов конструкции, наиболее

Пиано (Renzo Piano) и торжественно открыт

подверженных атмосферному воздействию.

в 2020 г. В отличие от проекта старого

Фактически, в очень агрессивных условиях

моста на тросовых растяжках, новый мост использует арматуру из нержавеющей стали, которая не только гарантирует механическую прочность, но и сопротивляемость коррозии.

необходимо использовать материалы с правильными техническими характеристиками. В отсутствие нержавеющей стали внешние факторы вызовут коррозию арматуры из

использование нержавеющей стали в самых

углеродистой стали, что приведёт к уве-

критически важных участках конструкции.

личению её объёма и вызовет со временем

Например, для пешеходной зоны моста

растрескивание бетона и дальнейшее

выбран арматурный профиль из нержавею-

разрушение конструкции.

стержнем из углеродистой стали, располоАССОЦИАЦИЯ CENTRO INOX

находятся морские и портовые конструкции,

В проектной документации было оговорено

щей стали. Он помещён рядом с арматурным

8 | «НИКЕЛЬ», т. 37, № 1, 2022 г.

окружающей среды, таких, в которых

Арматура из нержавеющей стали марки 304L (UNS S30403)/1.4307 различного диаметра

женным ближе к внутреннему слою проезжей

была помещена на внешних поверхностях

части моста. При погружении в бетон

бетонной конструкции в секциях с более

сочетание контактирующих друг с другом

тонким бетонным покрытием, сильнее подвер-

углеродистой стали и нержавеющей стали,

женных коррозии. Там же, где проблем из-за

как показано на рисунке, не ведёт к повышен-

незащищённости от внешнего воздействия не

ному риску коррозии углеродистой стали.

возникает (например, в большой массе бетона),

структурную целостность бетона обеспечивает арматура из углеродистой стали.

проектов инфраструктуры. Сталкиваясь с жёсткими условиями

Перспективная ценность

агрессивной морской среды, нержавеющая

На мост Св. Георгия пошло 9 тыс. тонн

сталь обеспечивает значительную общую

арматуры из углеродистой стали и 250 т

экономию затрат на эксплуатацию мостов,

арматуры из нержавеющей стали. Это

доказывая, что её использование — самое

соотношение (всего) в 3% типично: для

экономичное решение в долгосрочной

проектов с железобетонными конструкция-

перспективе. В число других преимуществ

ми, подверженными агрессивным внешним

в условиях морского климата входят

условиям, характерен диапазон от 1% до

превосходная механическая прочность,

5%. Соблюдение такого соотношения к

высокая пластичность и превосходная

тому же благотворно сказывается на общей

способность к поглощению энергии во

стоимости и эксплуатационных издержках

время землетрясений.

Только на критически важные участки элегантного моста Св. Георгия, показанного в завершённом виде (сверху) и во время строительства (слева), пошло около 250 т арматуры из нержавеющей стали марки 304L.

«НИКЕЛЬ», т. 37, № 1, 2022 г. | 9

КАБЕЛЬ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ НЕ ПОДВОДИТ В СУРОВЫХ УСЛОВИЯХ

Тросы и кабели из нержавеющей стали используются во многих отраслях промышленности, таких как нефтегазовая, архитектурностроительная, автомобильная, целлюлозно-бумажная, пищевая и текстильная.

Когда дело доходит до подъёма большого веса и противостояния законам земного тяготения, важно иметь правильное оборудование. Трудяги-кабели и тросы из металлической проволоки вносят ежедневный вклад в эффективность и безопасность на строительных площадках, на морских шельфах, платформах для бурения на морских месторождениях нефти, в архитектуре и на автотранспорте, и это далеко не полный перечень. Термины «проволочный трос» и «проволочный кабель» часто используются как взаимозаменяемые. Однако в большинстве случаев термин «проволочный трос» применяется для диаметров, превышающих 3/8 дюйма (9.5 мм), кабелями же называют тросы меньшего размера. Промышленность производит эту продукцию как из нержавеющей стали, так и углеродистой стали с гальваническим покрытием. В сравнении с последними, тросы из нержавеющей стали более долговечны и коррозиестойки в таких суровых условиях, как морская среда и минерализованная вода. Наиболее распространённой маркой нержавеющей стали, применяемой при изготовлении кабелей и тросов, является никельсодержащая 304 (UNS S30400). Прочность стали этой марки практически равна прочности углеродистой стали с гальваническим покрытием, но её коррозиестойкость намного выше. В высокоагрессивных средах тросы из нержавеющей стали

10 | «НИКЕЛЬ», т. 37, № 1, 2022 г.

марки 316 (S31600) демонстрируют даже бóльшую стойкость к питтинговой (точечной) коррозии и кислотам. Она годится для использования не только в морской среде, но хорошо показывает себя и в тех отраслях промышленности, где преимущественно используются химические реагенты, таких как целлюлозно-бумажная, пищевая и текстильная. Тросы и кабели из нержавеющей стали могут также применяться при температурах, доходящих до 480 °C (900 °F). Условия окружающей среды, предельные значения рабочей нагрузки и прочность на разрыв — все эти факторы принимаются во внимание при подборе правильного кабеля из нержавеющей стали под конкретный проект. От такелажной оснастки буровых установок до противофильтрационных диафрагм мостов, детских площадок и яхт — кабели из нержавеющей стали — это износостойкая продукция, являющаяся не только практическим и надёжным решением, но и вносящая эстетический вклад в дизайн проекта.

КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫЕ СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ ПРЕИМУЩЕСТВА БОЛЕЕ КРЕПКИХ БОЛТОВ Выход из строя болтов из-за избыточной нагрузки, усталости металла или коррозии может дорого обойтись, особенно тогда, когда это приводит к необходимости остановки ключевых операций во время ремонтных работ. стали и алюминия. Например, ими крепят структурные компоненты вертолётных поса-

избежание выхода из строя оборудования

дочных площадок из алюминия на морских

так важно знать особенности их применения

платформах для добычи нефти.

и обеспечить выбор правильной марки стали

Долгосрочный экономический эффект

для предполагаемого использования. Необходимо принять во внимание ряд факторов — выдерживаемую нагрузку, доступность узла соединения, эксплуатационные условия (температуру, воздействие воды, коррозионность среды), а также свойства скрепляемых ими материалов. Важными критериями к тому же являются возможность повторного использования болтов и процесс их установки. Для гарантии бесперебойной службы крепёжных деталей в течение всего срока эксплуатации и низкой стоимости жизненного цикла важно подобрать для оборудования правильную марку стали и учесть её свойства.

Они дороже своих аналогов из углеродистой стали, но в оборудовании с повышенными требованиями к его эксплуатации экономия от продолжительного срока их службы и низких эксплуатационных расходов может легко перевесить первоначальные затраты. Например, в 2019 г. около 6 тысяч крепёжных деталей из дуплексной и супердуплексной нержавеющей стали были использованы при строительстве моста из нержавеющей стали и неразборного вкладыша в опалубку

Соединительный узел в куполе из нержавеющей стали в аэропорту Порту в Португалии.

для укрепления старого канализационного туннеля времён королевы Виктории в Лон-

Жизненно важные для оборудования с повышенными требованиями к его эксплуатации

доне, Великобритания. Из-за возникающих в

Крепёжные детали из нержавеющей стали

к объектам требовалось найти решение,

силу реконструкции неизбежных перерывов в работе канализации и сложности доступа

широко применяются во многих видах про-

минимизирующее эксплуатационные из-

мышленного оборудования с повышенными

держки в течение проектного срока в 120 лет.

требованиями к его эксплуатации — там, где

К тому же конструкция должна была быть

соединительные элементы из углеродистой

очень компактной и выдерживать большие

стали были бы просто нецелесообраз-

нагрузки. Разумеется, выбор пал на болты из

ны — например, в очистке сточных вод,

высокопрочной дуплексной нержавеющей

ветровой энергетике, химических процессах,

стали, как правило, содержащей от 5% до 7%

морской среде и подводном оборудовании.

никеля. Применение дуплексной нержаве-

Крепёжные детали из нержавеющей стали

ющей стали высокой прочности к тому же

производятся из широкого спектра сплавов

означало возможность использования кре-

для разных условий с разными уровнями

пёжного материала меньшего размера, что

прочности, коррозиестойкости, а также

привело к экономии материала и снижению

для работы как при высоких, так и низких

стоимости, а также улучшило строительную

температурах. Крайне важные для соедине-

технологичность на месте возведения и

ния деталей из нержавеющей стали болты из

способствовало повышению безопасности и

нержавеющей стали также подходят и для

охране труда благодаря сокращению объёмов

соединения деталей из горячеоцинкованной

погрузочно-разгрузочных операций.

НЭНСИ БЭДДУ (NANCY BADDOO)

Крепёжные детали производятся из самых различных стальных сплавов, поэтому во

«НИКЕЛЬ», т. 37, № 1, 2022 г. | 11

МАРАГЕНОВАЯ СТАЛЬ ВЫСОКАЯ ПРОЧНОСТЬ И УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ Спрос на сталь, обладающую высокой прочностью на разрыв и хорошими показателями деформации растяжения, в конце пятидесятых годов двадцатого века привёл к созданию марагеновых (мартенситностареющих) сталей. У истоков стоял К. Бибер (C. Bieber) из компании ИНКО (International Nickel Company (INCO)). Термин «марагеновый» был составлен из английских слов «мартенсит» (martensite) и «стареющий» (ageing). Это класс низкоуглеродистых сталей с мартенситной микроструктурой, упрочнённых при помощи процесса закалки (термической обработки — остаривания). Он приводит к осаждению внутри мартенситной микроструктуры различных интерметаллических соединений. Существует несколько вариантов таких сталей, но в каждом главным легирующим элементом является никель (~18%), а вторичными легирующими добавками являются кобальт, молибден, титан и алюминий. Эта группа сортов мартенситностареющей стали известна как 18Ni. Также существует семейство более дешёвых, но менее крепких бескобальтовых марагеновых сталей. Ниже приведены типичный состав и механические свойства в состоянии старения самых распространённых марагеновых марок семейства 18Ni. Они идентифицируются номером, обозначающим приблизительный показатель прочности на разрыв, измеряемый в тысячах фунтов на квадратный дюйм.

Высокий показатель соотношения прочности и веса делает марагеновые стали материалом приоритетного выбора для шасси самолетов.

Благодаря низкому содержанию углерода марагеновые стали имеют хороший показа-

тель обрабатываемости. При термической обработке размерность сплава изменяется незначительно, поэтому перед термической обработкой его часто обтачивают на станке до размеров, близких к конечным. Высокие прочность, ударная вязкость и хорошая пластичность марагеновой стали используются в следующих областях: • Корпусы двигателей реактивных снарядов и ракет, более тонкие, чем сделанные из стали более низкой прочности • Летательные аппараты — детали шасси, трансмиссионные валы с высокими эксплуатационными характеристиками, зубчатые передачи, крепёжные детали • Рекреационное оборудование — велосипедные рамы, головки клюшек для гольфа, фехтовальные клинки • Автоспорт — коленчатые валы, зубчатые передачи, компоненты шасси, торсионные валы Дополнительную информацию можно будет найти в нашей новой публикации «Марагеновые стали — обзор промышленных сплавов и их свойств» (Maraging steels – A review of commercial alloys and their properties).

Марагеновые стали – значимые легирующие элементы и механические свойства — в состоянии старения

Марка

Номер UNS

Ni

Co

Mo

Ti

Al

Fe

Прочность на разрыв MПa (кфунт/кв. дюйм)

Прочность текучести MПa (кфунт/кв. дюйм)

Деформация растяжения %

Ударная вязкость по Шарпи J(фут-фунт-сила)

Твёрдость. Горячекатаный прокат

8,09,0

3,03,5

0,150,25

0,050,15

Бал.

1448(210)

1413(205)

12

49(36)

43-48

C-200

K92820

17,019,0

C-250

K92890

17,019,0

7,08,5

4,65,1

0,300,50

0,050,15

Бал.

1793(260)

1758(255)

11

27(20)

48-52

C-300

K93120

18,019,0

8,09,5

4,65,2

0,550,80

0,050,15

Бал.

2035(295)

2000(290)

11

23(17)

50-55

C-350

K93540

18,019,0

11,512,5

4,65,2

1,251,50

0,050,15

Бал.

2413(350)

2344(340)

7

11(8)

55-60

12 | «НИКЕЛЬ», т. 37, № 1, 2022 г.

В ПОИСКЕ НОВЫХ ПОЛЕЗНЫХ СПЛАВОВ Исторически так сложилось, что создание новых металлических сплавов было дорогостоящим, неэффективным и затратным по времени процессом проб и ошибок. Для создания новых составов с повышенными по сравнению с уже существующими характеристиками и для определения процедуры их формоизменения и теплообработки необходимо было использовать знания в области металлургии. Требовалось проводить серии экспериментальных плавок и тестировать полученные результаты, чтобы оптимизировать характеристики новых сплавов. Около двух десятилетий назад была

ного реактивного самолёта Т-38 ВВС США.

Ferrium S53 — это сверхвысокопрочная сталь для применения в авиационно-космической и прочей технике, где обычно используется AISI 4340. Механические свойства Ferrium S53 сравнимы со свойствами этого сплава, но обладают дополнительными преимуществами — сопротивлением атмосферной коррозии, что устраняет необходимость кадмиевого покрытия.

разработана методология интегрированной моделируемой инженерии материалов (ИМИМ) (integrated computational materials engineering (ICME)), призванная совершить переход от физических экспериментов к виртуальному моделированию. Компания Questek Innovations применила эту технологию для разработки нескольких никельсодержащих сплавов с улучшенными характеристиками.

Никельсодержащая сталь Ferrium C64, обладающая сверхвысокой прочностью и высокой изломостойкостью, находит применение в коробках передач.

Ещё одна разработка — это никельсодержащая сталь Ferrium C64, являющаяся альтернативой сталям для зубчатых передач с высокими рабочими характеристиками, таких как AISI 9310. Она обладает сверхвысокой прочностью и высокой изломостойкостью в сочетании с великолепными показателями усталостной стойкости и жаростойкости. Она находит применение в важных деталях аэрокосмической и автомобильной техники, таких как коробки передач винтокрылых летательных аппаратов и гоночных автомобилей, а также в энергетике.

Ферриум (Ferrium) завоёвывает популярность Компания Questek создала Ferrium S53, никельсодержащую, высокопрочную, коррозиестойкую сталь. Она стала первым материалом, разработанным на основе методов ИМИМ, который получил спецификацию соответствия техническим условиям на аэрокосмические материалы (Aerospace Material Specification (AMS)), а также признан «Справочником по разработке и стандартизации свойств металлических материалов» (Metallic Materials Properties Development and

Методология ИМИМ позволяет быстрее разрабатывать никельсодержащие многокомпонентные сплавы для критически важных сфер применения.

Standardisation (MMPDS)) и был использован в критически важном с точки зрения безопасности шасси учебно-тренировоч-

Типичный состав

Номер UNS

C

Cr

Ni

Co

Mo

W

V

Si

Mn

Cu

Fe

Ferrium S53

S10500

0,21

10,0

5,5

14,0

2,0

1,0

0,30

-

-

-

бал.

Ferrium C64

K92731

0,11

3,5

7,5

16,3

1,75

0,2

0,02

-

бал.

4340

G43400

0,40

0,8

1,8

-

0,25

-

-

0,2

0,7

-

бал.

9310

G93106

0,10

1,2

3,2

-

0,11

-

-

0,2

0,55

-

бал.

«НИКЕЛЬ», т. 37, № 1, 2022 г. | 13

СПРОСИ ЭКСПЕРТА ПОПУЛЯРНЫЕ ВОПРОСЫ НА САЙТЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ИНСТИТУТА НИКЕЛЯ

В О

В.: Мне необходимо изготовить и окрасить деталь из легированной

конструкционной стали. Мне хотелось бы использовать нержавеющую

Гир Мо (Geir Moe), лицензированный инженер, является координатором Службы технической консультации Института никеля. Наряду с другими специалистами-материаловедами, находящимися в разных странах мира, Гир Мо помогает конечным пользователям и спецификаторам никельсодержащих материалов, заинтересованным в получении технической помощи. Для того, чтобы пользователи с уверенностью применяли никель, эта команда всегда готова бесплатно предоставлять технические консультации по широкому ряду тем, таких, например, как нержавеющие стали, никелевые сплавы и никелирование

сталь, но марки 304L и 316L не обладают достаточной прочностью, поэтому мне потребовался бы более толстый лист, что сделает

такую деталь из нержавеющей стали очень дорогой. Существуют ли

другие более подходящие для этого марки нержавеющей стали? О.: Марки 304/304L (S30400/S30403) и

ность текучести этих дуплексных сталей

316/316L (S31600/S31603) представляют

почти в два раза выше, чем у марок

собой никельсодержащие аустенитные

304/304L и 316/316L. Такие дуплексные

нержавеющие стали, которые после

нержавеющие стали использованы во

отжига будут обладать минимальной

многих мостовых конструкциях во всём

прочностью текучести — всего 30 тысяч

мире — в горных районах, в городской

фунтов на кв. дюйм (205 МПа), тогда как

местности и в приморских зонах.

углеродистые и высокопрочные низко-

В следующей таблице приведены три

легированные конструкционные стали

дуплексные марки в сравнении с двумя

могут обладать минимальной прочно-

марками углеродистой стали.

ЖУРНАЛ

«НИКЕЛЬ»

О Н Л А Й Н

стью текучести в диапазоне от 36 (250) до

WWW.NICKELINSTITUTE.ORG ПОДПИШИТЕСЬ бесплатно на журнал «Никель». При появлении нового выпуска на сайте вы будете получать уведомление по электронной почте www.nickelinstitute.org

50 тысяч фунтов на кв. дюйм (345 МПа).

Дополнительную информацию о

Существует семейство никельсодер-

дуплексных нержавеющих сталях можно

жащих нержавеющих сталей, называю-

найти в публикации Института никеля

щихся дуплексными, с приблизительно

«Практическое руководство по использо-

равными долями аустенита и феррита в

ванию дуплексных нержавеющих сталей»

микроструктуре. Минимальная проч-

(10044).

Общее наименование

Номер UNS

ЧИТАЙТЕ журнал «Никель» онлайн на нескольких языках www.nickelinstitute.org/library/

C

ИЩИТЕ ПРЕДЫДУЩИЕ НОМЕРА журнала «Никель» в архиве онлайн, начиная с июля 2009 г. www.nickelinstitute.org/library/ СЛЕДИТЕ ЗА НОВОСТЯМИ О НАС в Твиттере Twitter @NickelInstitute ПРИСОЕДИНЯЙТЕСЬ к нам на сайте LinkedIn (ЛинкдИн) — зайдите на страничку Института никеля СМОТРИТЕ видеоролики о никеле на канале Института никеля на YouTube www.youtube.com/user/NickelInstitute

14 | «НИКЕЛЬ», т. 37, № 1, 2022 г.

Показатели прочности кфунт/кв. дюйм (МПа) мин.

Типичный состав,%

Cr

Ni

Mo

N

Предел прочности на растяжение

Прочность на разрыв

Деформация растяжения %

0,22

65 (450)

94 (650)

30

Mn

Дуплексная сталь S32101

0,02

21

1,5

2304

S32304

0,02

23

4

0,3

2

0,14

58 (400)

87 (600)

25

2205

S32205

0,02

22

5

3,0

1,5

0,18

65 (450)

95 (655)

25

0,4

5

Углеродистая сталь ASTM A36

0,20

-

-

-

1,0

-

36 (250)

58 (400)

23

ASTM A572 Gr 50

0,20

-

-

-s

1,0

-

50 (345)

65 (450)

21

Майкл Орри Пирс (Michael Orry Pearce) 1934-2022 гг.

7 января 2022 г. на 88 году жизни скоропостижно скончался Майкл Пирс. Его долгая карьера в горнодобывающей компании «Фальконбридж» (Falconbridge Nickel Mines) развивалась исключительно успешно. В 1984 г. он был одним из инициаторов создания Института развития никеля (Nickel Development Institute - NiDI), где служил сначала исполнительным директором, а затем с 1996 г. по 2000 г. являлся президентом Института. Он отвечал за продвижение никеля как материала и расширение членства в организации, где его с любовью звали просто по инициалам — Эм Оу Пи. Майкл был инженером-металлургом. Он закончил инженерный факультет Университета

Торонто в 1957 г., а в 1958 г. получил степень магистра. Бывшие коллеги ценили его исключительно высоко. Он всегда относился с подчёркнутым уважением к окружающим, был глубоко порядочным и обходительным человеком, способным раскрыть лучшие качества в людях. Его помнят как настоящего профессионала, а также терпеливого наставника и стратегически мыслящего лидера. Нынешний президент Института никеля д-р Хадсон Бейтс (Dr. Hudson Bates) сказал: «Созданная Майклом Пирсом в 1984 г. концепция развития института никелевой промышленности помогла создать программу, по которой Институт никеля работает и сегодня».

НОВЫЕ ПУБЛИКАЦИИ Аустенитные хромоникелевые нержавеющие стали — конструкционные свойства при повышенных температурах (2980) (Austenitic chromium-nickel stainless steels – engineering properties at elevated temperatures) — это репринтное издание оригинальной публикации INCO. В нём представлены свойства распространённых аустенитных нержавеющих сталей при температурах до 1080 °C (2000 °F). Свойства и применение сплавов нихард (11017) (Ni-Hard (11017)) (Properties and applications of Ni-Hard alloys) (11017) —

вновь обновлённое второе издание этой информативной публикации, посвящённое литью из нихарда. Литьё из нихарда, известное своей высочайшей абразивной износоустойчивостью, находит применение в таких областях, как горное дело, энергетика, бурение, дноуглубительные работы, цементная и сталелитейная промышленности. Это ценные справочные пособия для инженеров, проектировщиков и конечных пользователей. Загрузить с сайта www.nickelinstitute.org

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ UNS

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

C

Cr

Cu

Fe

Mn

Mo

N

Ni

P

S

Si

S30400 стр. 10,14

0,08 макс

18,020,0

-

бал.

2,00 макс

-

-

8,010,5

0,045 макс

0,030 макс

1,00 макс

S30403 стр. 8,9,14

0,03 макс

18,020,0

-

бал.

2,00 макс

-

-

8,012,0

0,045 макс

0,030 макс

1,00 макс

S31600 стр. 3,10,14

0,08 макс

16,018,0

-

бал.

2,00 макс

2,003,00

-

10,014,0

0,045 макс

0,030 макс

1,00 макс

S31603 стр. 14,16

0,030 макс

16,018,0

-

бал.

2,00 макс

2,003,00

-

10,014,0

0,045 макс

0,030 макс

1,00 макс

S32205 стр. 3

0,030 макс

22,023,0

-

бал.

2,00 макс

3,003,50

0,140,20

4,506,50

0,030 макс

0,020 макс

1,00 макс

«НИКЕЛЬ», т. 37, № 1, 2022 г. | 15

ПАМЯТНИК ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ СИЛЕ КСАВЬЕ ПЛАДЕЛЛОРЕНС (XAVIER PLADELLORENS)

Рафаэль Надаль (Rafael Nadal), выигравший 21 теннисный турнир Большого шлема в одиночном разряде среди мужчин, что является мировым рекордом, — умеет блистать не только на теннисных кортах, но и за их пределами.

Рафаэль Надаль: «Статуя поразительна. Это чисто современная скульптура — я очень доволен. Создать статую из подобного материала, причём настолько реалистичную, как эта, — исключительно сложно».

16 «НИКЕЛЬ», | «НИКЕЛЬ»,т. т.37,37,№№1, 1,2022 2022г. г.

Торжественно открытая в 2021 г. в парижском теннисном комплексе «Ролан Гаррос» (Roland Garros) блестящая скульптура запечатлела Надаля, выполняющим свой знаменитый форхенд — удар открытой ракеткой левой рукой справа от корпуса. Она полностью изготовлена из никельсодержащей нержавеющей стали марки 316L (UNS S31603). Скульптура размерами 3 м х 4,89 м х 2 м (высота, ширина, глубина) воздаёт должное испанскому игроку, который, начиная с 2005 г., 13 раз выигрывал турниры Большого шлема на грунтовых кортах в Париже. Жорди Диес Фернандес (Jordi Díez Fernández) известен как скульптор, бросающий вызов возможностям изобразительного искусства. Выходя за рамки традиционных технологий и постигая новые методы, он полюбил работать с нержавеющей сталью.

«Возможности этого материала безграничны. Он действительно помогает мне выразить внутреннюю энергию человека, которого я изображаю. Я хотел запечатлеть Рафаэля в совокупности всех его характерных особенностей, которые я свёл к одной — силе. Фактически эта скульптура является памятником человеческой силе». Вставая в 6:30 утра и работая по 10-12 часов в день, скульптор потратил почти восемь месяцев на завершение работы. «Нержавеющая сталь обладает особыми свойствами, которые я ценю. Она бесцветна. Она очень легка. Работая с ней, я чувствую, будто ухожу от реальности. А потом наступает этот волшебный момент окончания работы — и результат застигает меня врасплох. Это придаёт мне силу».