Кажется, что сталь — понятный материал, от которого сложно добиться новых свойств. Но это не так: современное производство может делать все новый металл: например, легкую и прочную сталь для автопрома и машиностроения, антибактериальную для медицины и электротехническая для производства генераторов. Вместе с руководителем направления дирекции по исследованиям и разработкам новых продуктов НЛМК Олегом Губановым разбираемся в инновациях.

Сталь, которая «лечит» себя сама

В фантастических фильмах повреждения на роботах затягиваются сами собой. Самозатягивающиеся царапины на кузове машины — это мечта многих автовладельцев. Причем такая сталь уже есть. Но ее сложно производить, это дорого, поэтому такую сталь пока используют в основном в строительстве — для фасадных панелей и кровельных материалов, которые не будут ржаветь. Например, когда нельзя допускать повреждения крыши склада, где хранятся грузы, плохо переносящие контакт с водой.

Самовосстанавливающиеся покрытия — это особые краски. В их основе микрокапсулы со специальным полимерным материалом. При любом механическом воздействии, например, при царапине, капсулы разрушаются и из них высвобождается материал, который покрывает травмированный участок, а на поверхности образуется полимерный слой. Он «залечивает» повреждение, вступая в реакцию с краями неповрежденного покрытия и заставляя его затягивать царапину, а также изолируя участок от воздуха, предотвращая коррозию металла.

Сложность в производстве стали с таким покрытием кроется и в создании краски с микрокапсулами, и в ее нанесении.

Краска — это коллоидный раствор полимеров, модификаторов и микрокапсул размером в несколько микрометров. Модификаторы, то есть связующие элементы, нужны для того, чтобы полимеры находились внутри микрокапсул в жидком состоянии. Сам состав смеси засекречен, а его производством занимаются лишь несколько компаний по всему миру — технология новая и пока находится в стадии пилота.

Состав в жидком состоянии наносят на сталь, а затем связующие компоненты удаляются при помощи сушильной печи, оставляя сплошной полимерный слой с микрокапсулами. Важно, чтобы покрытие было распределено равномерно, а сами капсулы не были повреждены, иначе свойства стали будут отличаться на разных участках.

Если рынок оценит свойства материала, его производство станет масштабнее, а цена единицы продукта упадет — тогда можно прогнозировать, что такая сталь получит широкое распространение.

Сталь-убийца бактерий

Сталь с антибактериальным покрытием применяют в медицине. Из нее производят инструменты врачей, элементы зданий больниц вроде перил или панелей на стенах, где обычно скапливаются вредные микроорганизмы. Причем во время пандемии многие производители техники, особенно смартфонов и ноутбуков, стали делать из нее корпуса гаджетов.

Есть несколько вариаций того, как сталь приобретает антибактериальные свойства. Чаще на поверхность материала наносят полимерное покрытие, в состав которого входят ионы серебра и меди. Эти металлы очень эффективны в борьбе с микробами: при контакте они разрушают их оболочки, погибают 99% микроорганизмов.

Но есть и другие разработки. Например, если сталь погрузить в раствор электролита и особым образом приложить напряжение, на поверхности образуются наноструктуры: микроскопические ямы, шипы и иглы. Они, как и ионы металлов, повреждают мембраны бактерий и убивают их. При этом технологический процесс, в ходе которого получают такую сталь, не отличается от уже применяющихся при обработке материала — схожим образом металл полируют или придают ему антикоррозийные свойства.

Оба подхода безопасные для клеток животных и растений: их размеры сильно превышают размеры микробов, человеку нечего опасаться.

Перспективными областями применения стали с антибактериальными покрытиями сегодня является изготовление вентиляции и облицовочных панелей — например, внутренняя отделка в транспорте и помещениях.

Сверхпрочная сталь — для сверхмощных машин

Металлурги ищут способы создавать одновременно прочную и легкую сталь, чтобы делать легкие детали. При производстве автомобилей это увеличит их скорость и безопасность водителя. А при производстве спецтехники прочные и легкие корпуса снизят расход топлива.

Чтобы достичь нужных параметров, металлурги формируют структуру металла с сочетанием различных фаз, одни из которых обеспечивают рост прочности, а другие отвечают за сохранение пластичности.

Всего в металлургии выделяют несколько фаз стали: феррит, за ним идут перлит, сорбит, троостит, бейниты и мартенсит. Феррит отличает невысокая прочность, при этом он пластичен и легко вытягивается. Чем дальше от феррита расположена фаза, тем выше ее прочность и тем ниже пластичность.

Если в пластичную ферритную матрицу добавить вкрапления более прочных фаз (например, мартенсит), получится «пирог», который будет одновременно пластичным и прочным — за счет свойств каждой из фаз. При этом получить сталь, состоящую из сочетания разных фаз, сложнее, если они находятся далеко друг от друга.

Феррит-перлитную сталь научились получать давно, сегодня это одна из стандартных задач металлургии. Феррит-трооститную и феррит-бейнитную сталь получать гораздо труднее, но крупные металлургические компании ее освоили. А вот прочная феррит-мартенситная — уже результат сложнейшего технологического процесса, который требует специального оборудования и определенного уровня освоения технологий.

Стальные «сердца» электроприборов

Одна из областей применения стали в качестве электромагнитного материала — изготовление сердечников трансформаторов, генераторов и электромоторов. Железо — уникальный материал, который способен создавать собственное магнитное поле. Это обусловлено его атомным строением.

Атом железа имеет в структуре четыре незамкнутых 3d-оболочки и вместо десяти электронов на ней всего шесть. В случае с некоторыми элементами (помимо железа это еще, например, никель и кобальт) энергетически выгодным становится заполнение двух электронов 4s-оболочки, самой удаленной от ядра, чем достраивание 3d. Так остаются несколько электронов, у которых орбитальный и спиновой магнитные моменты не скомпенсированы, они вращаются по орбите вокруг ядра и создают собственное магнитное поле.

У некоторых металлов (золото, алюминий) электроны на оболочках компенсируют друг друга, за счет чего материалы не создают магнитного поля. Есть много других металлов с недостроенными d-оболочками, которые способны магнититься, но только железо, никель и кобальт проявляют эти свойства при комнатной температуре, а не только охлажденными.

Сталь в электронике должна хорошо намагничиваться во внешнем магнитном поле и быстро перемагничиваться при изменении его направления. Для большинства промышленных и бытовых сетей это происходит 50 раз в секунду. Основным требованием в этом процессе является именно легкость перемагничивания, которая обеспечит минимальные затраты энергии в процессе работы готового изделия.

Железо как материал — это кристаллическая структура, в которой атомы расположены на вершинах ребер и в центре кубов. Почти как в конструкторе лего. Получается, что индивидуальные магнитные поля каждого атома складываются в общее поле — за счет него детали, выполненные из железа, могут перемагничиваться, притягиваться к магнитам или сами выступать в их роли.

Уникальная сталь для трансформаторов

Трансформаторная сталь — это один из подвидов электротехнических сталей. Она с особым строением, где кристаллическая решетка каждого участка стали одинаково ориентирована в пространстве, за счет чего удается достичь минимальных потерь энергии в ходе работы электроприбора.

А теперь простыми словами. Большие объемы стали неоднородны — они состоят из небольших «зерен» металла, в которых атомы образуют кубическую кристаллическую решетку. При этом в обычной стали разные «зерна» могут быть ориентированы по-разному относительно друг друга — их магнитные поля, соответственно, также имеют разные направления.

В трансформаторной стали металлургам удается добиться отклонения между решетками разных «зерен» всего в пару градусов. В результате такой ориентации получается материал, который стремится по строению к монокристаллу, как если бы абсолютно все атомы материала были включены в состав единой решетки, а не отдельных «зерен». Подобное строение металла с точки зрения классической теории ферромагнетизма наиболее энергетически выгодно, поскольку магнитное поле проходит через все «зерна» в одном направлении и обеспечивает быстрое перемагничивание сердечника электроагрегата с минимальными потерями электроэнергии.

Технологический цикл производства трансформаторной стали наиболее сложен во всей черной металлургии. Сталь выплавляют с помощью определенного химического состава: в нее добавляют, например, кремний, за счет чего увеличивается электрическое сопротивление и поверхностные токи не нарушают магнитное поле. Дальше — горячая прокатка, травление, холодная прокатка, обезуглероживающий отжиг, вторая холодная прокатка, нанесение защитного покрытия, высокотемпературный отжиг, нанесение электроизоляционного покрытия и в ряде случаев лазерная обработка поверхности.

На каждом технологическом переделе решаются несколько задач, начиная с получения требуемой геометрии полосы и заканчивая формированием соединений в поверхностных слоях металла или по всему сечению полосы.

Наноструктурированная сталь, похожая на резину

Наноструктурированной называют конструкционной сталью, в которой подбирают химический состав — добавляют марганец, углерод, хром, — и технологические параметры обработки формируют уникальную структуру. Она обеспечивает высокую прочность и пластичность.

Раньше для получения такого материала выплавляли сталь с нестабильной структурой, за счет которой при деформации различные фазы металла переходили из одной в другую, меняя свои свойства. Иными словами, сталь становилась прочнее при механическом воздействии.

А наноструктурированная сталь — это материал, в котором у каждого «зерна» есть двойник, ориентированный в противоположную сторону. Получается материал, который при деформации не разрушается, а вытягивается — по свойствам он скорее напоминает резину. Наноструктурированная сталь может удлиняться до 50% относительно своей первоначальной длины без разрушения и выдерживать при этом нагрузки по 10 тонн на квадратный сантиметр. Для сравнения, обычная сталь в 2,5 раза менее прочная и может удлиняться лишь на 20–25%.

Этот материал, несмотря на то, что пока его производят только в тестовом режиме и небольших объемах, имеет большие перспективы в автопроме и машиностроении: из наноструктурированной стали можно получать прочные детали сложной формы. Но пока производство из-за сложности и дороговизны не имеет массового характера, из-за этого цена каждого листа получается слишком высокой. Если же потребность в материале вырастет, производство приобретет совсем другие масштабы, и тогда цена каждого листа станет приемлемой — кто знает, возможно, в скором будущем все машины начнут изготавливать из такой стали.

Металлургия за последние несколько десятилетий мощно шагнула вперед: материалы, которые полвека назад считались фантастикой, сегодня можно получить в промышленных масштабах. Многие из них пока не носят массовый характер, но неизвестно, как поведет себя рынок: может быть, совсем скоро мы увидим новые виды стали в смартфонах, холодильниках и микроволновках.