Stahl, der sich selbst heilt
In Science-Fiction-Filmen heilt sich der Schaden an Robotern von selbst
Selbstheilende Beschichtungen sind Speziallacke auf Basis von Mikrokapseln mit einem speziellen Polymermaterial.Bei jeder mechanischen Einwirkung, z.B. einem Kratzer, werden die Kapseln zerstört und ein Material aus ihnen gelöst, das dieEs "heilt" den Schaden, indem es mit den Kanten der unbeschädigten Beschichtung reagiert und den Kratzer heilen lässt und den Bereich von der Oberfläche isoliert.Luft, um Korrosion des Metalls zu verhindern.
Die Schwierigkeit bei der Herstellung von Stahl mit einer solchen Beschichtung liegt sowohl in der Herstellung von Lack mit Mikrokapseln als auch in seiner Anwendung.
Farbe ist eine kolloidale Lösung von PolymerenModifikatoren und Mikrokapseln von mehreren Mikrometern Größe. Modifikatoren, also Bindemittel, werden benötigt, um sicherzustellen, dass die Polymere in flüssigem Zustand in den Mikrokapseln vorliegen. Die Zusammensetzung der Mischung selbst ist klassifiziert, und nur wenige Unternehmen auf der ganzen Welt sind an ihrer Herstellung beteiligt - die Technologie ist neu und befindet sich noch im Pilotstadium.
"Selbstheilende Lacke sind Speziallacke"
Die Zusammensetzung im flüssigen Zustand wird auf Stahl aufgetragen unddann werden die Bindemittel unter Verwendung eines Trockenofens entfernt, wobei eine durchgehende Polymerschicht mit Mikrokapseln zurückbleibt. Wichtig ist, dass die Beschichtung gleichmäßig verteilt ist und die Kapseln selbst nicht beschädigt werden, da sich sonst die Eigenschaften des Stahls in verschiedenen Bereichen unterscheiden.
Wenn der Markt die Eigenschaften des Materials schätzt, seine Produktion größer wird und der Stückpreis des Produkts sinkt, kann vorhergesagt werden, dass solcher Stahl weit verbreitet sein wird.
Bakterienkiller Stahl
Stahl mit antibakterieller Beschichtung wird verwendetMedizin. Es wird verwendet, um Instrumente von Ärzten, Elemente von Krankenhausgebäuden wie Geländer oder Paneele an Wänden herzustellen, wo sich normalerweise schädliche Mikroorganismen ansammeln. Darüber hinaus begannen während der Pandemie viele Hersteller von Geräten, insbesondere von Smartphones und Laptops, Gadget-Hüllen daraus herzustellen.
Es gibt verschiedene Variationen wie Stahlerhält antibakterielle Eigenschaften. Häufiger wird eine Polymerbeschichtung auf die Oberfläche des Materials aufgebracht, die Silber- und Kupferionen enthält. Diese Metalle sind sehr effektiv im Kampf gegen Mikroben: Bei Kontakt zerstören sie ihre Hüllen und töten 99 % der Mikroorganismen ab.
Wenn z. B. Stahl in eine Lösung eingetaucht wirdElektrolyt und Spannung auf besondere Weise anlegen, bilden sich auf der Oberfläche Nanostrukturen: mikroskopisch kleine Vertiefungen, Spikes und Nadeln.Sie schädigen wie Metallionen die Bakterienmembranen und tötenGleichzeitig unterscheidet sich das technologische Verfahren, in dessen Verlauf dieser Stahl gewonnen wird, nicht von dem derbereits bei der Verarbeitung des Materials verwendet werden – in ähnlicher Weise wird das Metall poliert oderEs hat Korrosionsschutzeigenschaften.
Beide Ansätze sind sicher für Tier- und Pflanzenzellen: Ihre Größe übersteigt die Größe von Mikroben bei weitem, ein Mensch hat nichts zu befürchten.
Vielversprechende Anwendungsgebiete für Stahl mit antibakteriellen Beschichtungen sind heute die Herstellung von Lüftungs- und Verkleidungsplatten – zum Beispiel die Innenausstattung in Verkehrsmitteln und Gebäuden.
„Metallurgen suchen nach Möglichkeiten, sowohl starken als auch leichten Stahl herzustellen, um leichte Teile herzustellen.“
Hochleistungsstahl – für Hochleistungsmaschinen
Metallurgen suchen nach Möglichkeiten, gleichzeitig zu erstellenstarker und leichter Stahl zur Herstellung leichter Teile. In der Produktion von Autos wird dies deren Geschwindigkeit und Fahrsicherheit erhöhen. Und bei der Herstellung von Spezialausrüstung werden langlebige und leichte Rümpfe den Kraftstoffverbrauch senken.
Um die gewünschten Parameter zu erreichen, formen Metallurgen eine Metallstruktur mit einer Kombination verschiedener Phasen, von denen einige für eine Erhöhung der Festigkeit sorgen, während andere für die Aufrechterhaltung der Duktilität verantwortlich sind.
Insgesamt werden in der Metallurgie mehrere Stahlphasen unterschieden:Ferrit, gefolgt von Perlit, Sorbit, Troostit, Bainit und Martensit. Ferrit zeichnet sich durch geringe Festigkeit aus, während es duktil und leicht dehnbar ist. Je weiter die Phase vom Ferrit entfernt ist, desto höher ist ihre Festigkeit und desto geringer ist die Duktilität.
Wenn Einschlüsse stärkerer Phasen (z. B. Martensit) zu einer plastischen ferritischen Matrix hinzugefügt werden, erhält man einen "Kuchen", derGleichzeitig ist es aufgrund der Eigenschaften der einzelnen Phasen duktil und langlebig.Gleichzeitig ist es schwieriger, Stahl zu erhalten, der aus einer Kombination verschiedener Phasen besteht, wenn diese weit voneinander entfernt sind.Andere.
Ferrit-Perlit-Stahl hat man vor langer Zeit gelernt,heute gehört sie zu den Standardaufgaben der Metallurgie. Ferrit-Troostit- und Ferrit-Bainit-Stahl sind viel schwieriger zu bekommen, aber große metallurgische Unternehmen haben es gemeistert. Aber ein starker Ferrit-Martensit ist bereits das Ergebnis eines komplexen technologischen Prozesses, der eine spezielle Ausrüstung und ein gewisses Maß an technologischer Entwicklung erfordert.
Stahl "Herzen" von Elektrogeräten
Eines der Anwendungsgebiete von Stahl als elektromagnetischem Werkstoff ist die Herstellung der Kerne von Transformatoren, Generatoren und Elektromotoren.Eisen ist ein einzigartiges Material, das in der Lage ist, ein eigenes Magnetfeld zu erzeugen.Das liegt an seiner atomaren Struktur.
Ein Eisenatom hat vier offene 3D-Schalen in seiner Struktur, und statt zehn Elektronen befinden sich nur sechs Elektronen darauf.Bei einigen Elementen (neben Eisen sind dies z.B. auch Nickel und Kobalt) ist es energetisch vorteilhaft, zwei Elektronen der 4s-Schale zu füllen, die am weitesten von derEs gibt also einige Elektronen, bei denen die orbitalen und spinmagnetischen Momente nicht kompensiert werden, sie kreisen um den Kern und erzeugenEigenes Magnetfeld.
Einige Metalle (Gold, Aluminium) haben Elektronenauf den Schalen kompensieren sich gegenseitig, wodurch die Materialien kein Magnetfeld erzeugen. Es gibt viele andere Metalle mit unfertigen D-Schalen, die magnetisiert werden können, aber nur Eisen, Nickel und Kobalt zeigen diese Eigenschaften bei Raumtemperatur, nicht nur gekühlt.
Stahl in der Elektronik muss gut magnetisiert seinin einem äußeren Magnetfeld und bei Richtungsänderung schnell wieder aufmagnetisieren. Bei den meisten Industrie- und Wohnnetzwerken geschieht dies 50 Mal pro Sekunde. Die Hauptanforderung bei diesem Verfahren ist genau die Leichtigkeit der Ummagnetisierung, die einen minimalen Energieverbrauch während des Betriebs des fertigen Produkts gewährleistet.
Eisen als Material ist ein Kristallineine Struktur, bei der sich die Atome oben an den Kanten und in der Mitte der Würfel befinden. Fast wie bei Lego. Es stellt sich heraus, dass sich die einzelnen Magnetfelder jedes Atoms zu einem gemeinsamen Feld addieren - dadurch können Teile aus Eisen remagnetisieren, von Magneten angezogen werden oder selbst in ihrer Rolle agieren.
„Eisen ist ein einzigartiges Material, das sein eigenes Magnetfeld erzeugen kann“
Einzigartiger Stahl für Transformatoren
Transformatorstahl ist eine der UnterartenElektrostähle. Es hat eine spezielle Struktur, bei der das Kristallgitter jedes Stahlabschnitts gleichmäßig im Raum ausgerichtet ist, wodurch minimale Energieverluste während des Betriebs des Elektrogeräts erzielt werden können.
Und jetzt in einfachen Worten.Große Mengen Stahl sind heterogen – sie bestehen aus kleinen „Körnern“ aus Metall, in denen Atome ein kubisches Kristallgitter bilden. Gleichzeitig können in gewöhnlichem Stahl verschiedene "Körner" relativ zueinander unterschiedlich ausgerichtet sein - ihre Magnetfelder haben jeweils auch unterschiedliche Richtungen.
Bei Transformatorenstahl haben Metallurgen Erfolgum eine Abweichung zwischen den Gittern verschiedener "Körner" von nur wenigen Grad zu erreichen. Als Ergebnis dieser Ausrichtung wird ein Material erhalten, das in seiner Struktur zu einem Einkristall tendiert, als ob absolut alle Atome des Materials in einem einzigen Gitter enthalten wären und nicht einzelne „Körner“. Eine solche Struktur des Metalls ist aus Sicht der klassischen Theorie des Ferromagnetismus energetisch am vorteilhaftesten, da das Magnetfeld alle "Körner" in einer Richtung durchdringt und für eine schnelle Ummagnetisierung des Kerns der elektrischen Einheit sorgt mit minimalem Leistungsverlust.
Der technologische Zyklus der Herstellung von Transformatorenstahl ist der komplexeste in der gesamten Eisenmetallurgie.Stahl wird mit Hilfe einer bestimmten chemischen Zusammensetzung geschmolzen: Ihm wird zum Beispiel Silizium zugesetzt, da dieDadurch wird der elektrische Widerstand erhöht und Oberflächenströme stören das Magnetfeld nicht.Es folgen Warmwalzen, Beizen, Kaltwalzen, Entkohlungsglühen, zweites Kaltwalzen, Schutzbeschichtung, Hochtemperaturglühen, elektrische Isolationsbeschichtung und teilweise Laseroberflächenbehandlung.
Auf jeder technologischen Stufe werden Entscheidungen getroffenmehrere Aufgaben, beginnend mit dem Erhalten der erforderlichen Bandgeometrie und endend mit der Bildung von Verbindungen in den Oberflächenschichten des Metalls oder über den gesamten Bandabschnitt.
Nanostrukturierter Stahl, der wie Gummi aussieht
Nanostrukturiert heißt strukturellStahl, bei dem die chemische Zusammensetzung ausgewählt wird - Mangan, Kohlenstoff, Chrom werden hinzugefügt - und die Verarbeitungsparameter eine einzigartige Struktur bilden. Es bietet eine hohe Festigkeit und Duktilität.
Früher wurden sie geschmolzen, um ein solches Material zu erhaltenStahl mit einer instabilen Struktur, aufgrund derer während der Verformung verschiedene Phasen des Metalls von einer zur anderen übergingen und ihre Eigenschaften änderten. Mit anderen Worten, der Stahl wurde unter mechanischer Belastung fester.
Und nanostrukturierter Stahl ist ein Material, inin dem jedes "Korn" einen Zwilling hat, der in die entgegengesetzte Richtung orientiert ist. Es stellt sich ein Material heraus, das bei Verformung nicht zusammenbricht, sondern sich dehnt - in Bezug auf die Eigenschaften ähnelt es eher Gummi. Nanostrukturierter Stahl kann sich bis zu 50 % seiner ursprünglichen Länge ausdehnen, ohne zu brechen, und trotzdem Belastungen von 10 Tonnen pro Quadratzentimeter standhalten. Zum Vergleich: Gewöhnlicher Stahl ist 2,5-mal weniger stark und kann sich nur um 20-25 % dehnen.
Dieses Material, trotz der Tatsache, dass bisher seinenur im Testbetrieb und in kleinen Stückzahlen produziert, hat große Perspektiven in der Automobilindustrie und im Maschinenbau: Aus nanostrukturiertem Stahl lassen sich komplex geformte, feste Bauteile herstellen. Aber obwohl die Produktion aufgrund der Komplexität und der hohen Kosten keine Massenproduktion ist, ist der Preis für jedes Blatt deshalb zu hoch. Wenn der Bedarf an dem Material wächst, wird die Produktion ganz andere Größenordnungen annehmen, und dann wird der Preis für jedes Blech akzeptabel - wer weiß, vielleicht werden in naher Zukunft alle Maschinen aus solchem Stahl hergestellt.
Metallurgie der letzten Jahrzehntehat einen gewaltigen Schritt nach vorn gemacht: Materialien, die vor einem halben Jahrhundert noch als Science-Fiction galten, sind heute im industriellen Maßstab erhältlich. Viele von ihnen sind noch nicht weit verbreitet, aber es ist nicht bekannt, wie sich der Markt verhalten wird: Vielleicht werden wir sehr bald neue Stahlsorten in Smartphones, Kühlschränken und Mikrowellen sehen.
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