Сталь, яка лікує сама себе
У науково-фантастичних фільмах пошкодження роботів загоюються самі собою
Самовідновлювальні покриття - це спеціальні фарби на основі мікрокапсул зі спеціальним полімерним матеріалом.При будь-якому механічному впливі, наприклад, подряпини, капсули руйнуються і з них виділяється матеріал, який покриваєВін «лікує» пошкодження, вступаючи в реакцію з краями непошкодженого покриття і змушуючи його загоювати подряпину, а також ізолюючи ділянку від поверхні.повітря, що запобігає корозії металу.
Складність у виробництві сталі з таким покриттям криється і у створенні фарби з мікрокапсулами, і її нанесення.
Фарба - це колоїдний розчин полімерів,модифікаторів та мікрокапсул розміром у кілька мікрометрів. Модифікатори, тобто сполучні елементи, потрібні для того, щоб полімери знаходилися всередині мікрокапсул у рідкому стані. Сам склад суміші засекречений, а його виробництвом займаються лише кілька компаній у всьому світі — технологія нова і поки що перебуває в стадії пілота.
«Покриття, що самовідновлюються, — це особливі фарби»
Склад у рідкому стані наносять на сталь, апотім сполучні компоненти видаляються за допомогою сушильної печі, залишаючи полімерний суцільний шар з мікрокапсулами. Важливо, щоб покриття було розподілено рівномірно, а самі капсули не були пошкоджені, інакше властивості стали відрізнятись на різних ділянках.
Якщо ринок оцінить властивості матеріалу, його виробництво стане масштабнішим, а ціна одиниці продукту впаде — тоді можна прогнозувати, що така сталь набуде широкого поширення.
Сталь-вбивця бактерій
Сталь з антибактеріальним покриттям застосовують умедицини. З неї виробляють інструменти лікарів, елементи будівель лікарень на кшталт перил чи панелей на стінах, де зазвичай накопичуються шкідливі мікроорганізми. Причому під час пандемії багато виробників техніки, особливо смартфонів і ноутбуків, стали робити з неї корпуси гаджетів.
Є кілька варіацій того, як стальнабуває антибактеріальних властивостей. Найчастіше на поверхню матеріалу наносять полімерне покриття, до складу якого входять іони срібла та міді. Ці метали дуже ефективні боротьби з мікробами: при контакті вони руйнують їх оболонки, гинуть 99% мікроорганізмів.
Наприклад, якщо сталь занурена в розчинелектроліту і подавати напругу особливим чином, на поверхні утворюються наноструктури: мікроскопічні лунки, шипи і голки.Вони, як і іони металів, пошкоджують мембрани бактерій і вбиваютьПри цьому технологічний процес, в ході якого виходить така сталь, не відрізняється від технологічноговже використовуваний при обробці матеріал – аналогічним способом метал полірується або надаєтьсяМає антикорозійні властивості.
Обидва підходи безпечні для клітин тварин та рослин: їх розміри сильно перевищують розміри мікробів, людині нема чого побоюватися.
Перспективними областями застосування сталі з антибактеріальними покриттями сьогодні є виготовлення вентиляції та облицювальних панелей – наприклад, внутрішнє оздоблення у транспорті та приміщеннях.
"Металурги шукають способи створювати одночасно міцну і легку сталь, щоб робити легкі деталі"
Надміцна сталь - для надпотужних машин
Металурги шукають способи створювати одночасноміцну та легку сталь, щоб робити легкі деталі. При виробництві автомобілів це збільшить їхню швидкість та безпеку водія. А при виробництві спецтехніки міцні та легкі корпуси знизять витрату палива.
Щоб досягти потрібних параметрів, металурги формують структуру металу з поєднанням різних фаз, одні з яких забезпечують зростання міцності, інші відповідають збереження пластичності.
Загалом у металургії виділяють кілька фаз сталі:ферит, за ним йдуть перліт, сорбіт, троостит, бейніти та мартенсит. Ферріт відрізняє невисоку міцність, при цьому він пластичний і легко витягується. Чим далі від фериту розташована фаза, тим вища її міцність і тим нижча пластичність.
Якщо в пластичну феритну матрицю додати включення більш сильних фаз (наприклад, мартенсит), то вийде «пиріг», який будеПри цьому він пластичний і міцний, завдяки властивостям кожної з фаз.У той же час складніше отримати сталь, що складається з комбінації різних фаз, якщо вони знаходяться далеко один від одного.Інший.
Ферит-перлітну сталь навчилися отримувати давно,сьогодні це одне із стандартних завдань металургії. Ферріт-трооститну і ферит-бейнітну сталь отримувати набагато важче, але великі металургійні компанії її освоїли. А ось міцна ферит-мартенситна — вже результат найскладнішого технологічного процесу, який потребує спеціального обладнання та певного рівня освоєння технологій.
Сталеві «серця» електроприладів
Однією з областей застосування сталі в якості електромагнітного матеріалу є виготовлення сердечників трансформаторів, генераторів і електродвигунів.Залізо - унікальний матеріал, який здатний створювати власне магнітне поле.Це пов'язано з його атомарною будовою.
Атом заліза має в своїй структурі чотири відкриті тривимірні оболонки, а замість десяти електронів на ньому всього шість електронів.У випадку з деякими елементами (крім заліза, це також, наприклад, нікель і кобальт) енергетично вигідним стає заповнення двох електронів оболонки 4s, найбільш віддалених відОтже, є кілька електронів, у яких орбітальний і спіновий магнітні моменти не компенсуються, вони обертаються навколо ядра і створюютьВласне магнітне поле.
У деяких металів (золото, алюміній) електронина оболонках компенсують один одного, за рахунок чого матеріали не утворюють магнітного поля. Є багато інших металів з недобудованими d-оболонками, які здатні магнітитися, але лише залізо, нікель та кобальт виявляють ці властивості при кімнатній температурі, а не лише охолодженими.
Сталь в електроніці має добре намагнічуватисьу зовнішньому магнітному полі та швидко перемагнічуватися при зміні його напрямку. Для більшості промислових та побутових мереж це відбувається 50 разів на секунду. Основною вимогою в цьому процесі є легкість перемагнічування, яка забезпечить мінімальні витрати енергії в процесі роботи готового виробу.
Залізо як матеріал – це кристалічнаструктура, в якій атоми розташовані на вершинах ребер та в центрі кубів. Майже як у конструкторі Лего. Виходить, що індивідуальні магнітні поля кожного атома складаються в загальне поле - за рахунок нього деталі, виконані із заліза, можуть перемагнічуватися, притягуватися до магнітів або самі виступати в їхній ролі.
"Залізо - унікальний матеріал, який здатний створювати власне магнітне поле"
Унікальна сталь для трансформаторів
Трансформаторна сталь - це один із підвидівелектротехнічних сталей. Вона з особливою будовою, де кристалічна решітка кожної ділянки стали однаково орієнтована в просторі, за рахунок чого вдається досягти мінімальних втрат енергії під час роботи електроприладу.
А тепер простими словами.Великі обсяги стали неоднорідними — вони складаються з невеликих «зерен» металу, в яких атоми утворюють кубічні кристалічні грати. При цьому у звичайній сталі різні «зерна» можуть бути орієнтовані по-різному щодо один одного — їх магнітні поля, відповідно, також мають різні напрямки.
У трансформаторній сталі металургам вдаєтьсядомогтися відхилення між ґратами різних «зерен» лише кілька градусів. В результаті такої орієнтації виходить матеріал, який прагне будови до монокристалу, як би абсолютно всі атоми матеріалу були включені до складу єдиної ґрати, а не окремих «зерен». Подібна будова металу з точки зору класичної теорії феромагнетизму найбільш енергетично вигідна, оскільки магнітне поле проходить через усі «зерна» в одному напрямку та забезпечує швидке перемагнічування сердечника електроагрегату з мінімальними втратами електроенергії.
Технологічний цикл виробництватрансформаторної сталі найбільш складний у всій чорній металургії. Сталь виплавляють за допомогою певного хімічного складу: до неї додають, наприклад, кремній, за рахунок чого збільшується електричний опір і поверхневі струми не порушують магнітне поле. Далі - гаряча прокатка, травлення, холодна прокатка, знеуглерожуючий відпал, друга холодна прокатка, нанесення захисного покриття, високотемпературний відпал, нанесення електроізоляційного покриття та у ряді випадків лазерна обробка поверхні.
На кожному технологічному переділі вирішуютьсякілька завдань, починаючи з отримання необхідної геометрії смуги і закінчуючи формуванням сполук поверхневих шарах металу або по всьому перерізу смуги.
Наноструктурована сталь, схожа на гуму
Наноструктурованою називають конструкційноюсталлю, в якій підбирають хімічний склад - додають марганець, вуглець, хром - і технологічні параметри обробки формують унікальну структуру. Вона забезпечує високу міцність та пластичність.
Раніше для отримання такого матеріалу виплавлялисталь із нестабільною структурою, за рахунок якої при деформації різні фази металу переходили з однієї в іншу, змінюючи свої властивості. Іншими словами, сталь ставала міцнішою при механічному впливі.
А наноструктурована сталь — це матеріал,якому в кожного «зерна» є двійник, орієнтований на протилежний бік. Виходить матеріал, який при деформації не руйнується, а витягується - за властивостями він нагадує швидше гуму. Наноструктурована сталь може подовжуватися до 50% щодо своєї первісної довжини без руйнування та витримувати при цьому навантаження по 10 тонн на квадратний сантиметр. Для порівняння, звичайна сталь у 2,5 рази менша міцна і може подовжуватися лише на 20–25%.
Цей матеріал, незважаючи на те, що поки що йоговиробляють лише в тестовому режимі та невеликих обсягах, має великі перспективи в автопромі та машинобудуванні: із наноструктурованої сталі можна отримувати міцні деталі складної форми. Але поки виробництво через складність і дорожнечу не має масового характеру, через це ціна кожного листа виходить занадто високою. Якщо ж потреба в матеріалі зросте, виробництво набуде зовсім інших масштабів, і тоді ціна кожного листа стане прийнятною — хто знає, можливо, незабаром усі машини почнуть виготовляти з такої сталі.
Металургія за останні кілька десятилітьпотужно зробила крок вперед: матеріали, які півстоліття тому вважалися фантастикою, сьогодні можна отримати в промислових масштабах. Багато хто з них поки що не має масового характеру, але невідомо, як поведеться ринок: можливо, зовсім скоро ми побачимо нові види сталі в смартфонах, холодильниках і мікрохвильових печах.
Читати далі:
З'ясувалося, що відбувається з мозком людини після однієї години у лісі
Стало відомо, який чай руйнує білок у мозку
Дивні морські істоти на глибині океану виявилися схожими на людину