Сталь и холод

В Якутии 60-градусные морозы не редкость. Здесь сталь проходит испытание холодом. Зимой по обочинам дорог можно увидеть разбитые, точно глиняные черепки, стальные муфты, полуоси и другие детали машин или бульдозерный нож, расколотый пополам от удара о пенек. В Антарктиде при морозе ниже 50 градусов стальные “водила” саней тракторно-санного поезда начали разрываться, а за ними стальной трос, который их связывал.

Опыт эксплуатации экскаваторов в районе Красноярска и Иркутска показал, что при температуре ниже 20 градусов резко увеличивается число поломок ковшей, стрел, натяжных и опорных осей. Когда же температура падает до — 40°С, их становится в 4 раза больше, чем в обычных условиях. Причина поломок известна — это хрупкие разрушения стали, появление трещин.

Из-за охрупчивания металла при пониженных температурах произошли крупные аварии, которые вызвали разрушение железнодорожных мостов в Бельгии, ФРГ и Канаде, крупных резервуаров для хранения нефти, разрушение грузовых судов и газопроводов.

Да, обычное железо и некоторые сорта стали при температурах до — 40°С, наиболее характерных для районов Арктики и Сибири, становятся хрупкими и трескаются. Появились рекомендации специалистов о подготовке особых марок стали, которые в условиях низких температур будут прочными. Советские ученые и инженеры приняли активное участие в решении проблемы.

Новая сталь, которой не страшны трескучие морозы, создана учеными Сибирского физико-технического института. Детали из нее способны выдержать полную нагрузку при 60-градусных морозах. При этом срок службы увеличивается в 2,5 раза. Первая партия запасных частей из морозостойкой стали испытывал ась на БАМе.

Создан конвейер по выпуску металла для северян на комбинате “Азовсталь” в Жданове. В кислородно-конверторном цехе работает участок внепечного вакуумирования. Вакуум, образованный в разливочном ковше, мгновенно освобождает кипящий металл от фосфора, серы и других вредных примесей, повышая его пластичность и надежность. Действует также комплекс внепечной доводки стали, где ее продувают аргоном, добавляют силикокальций, графит и засыпают кусковые ферросплавы. В результате получают легированную и морозостойкую сталь. Лист сохраняет вязкость при температурах — 60–80 градусов. Такая чистая сталь идет на изготовление магистральных трубопроводов большого диаметра для газовых и нефтяных промыслов Сибири и Крайнего Севера.

Для арктических широт нашего Крайнего Севера теперь поставляется немало образцов новой техники в северном исполнении. Это установки кустового бурения для добычи нефти, буровые станки, различные краны, мотовозы, ленточные транспортеры и другие машины.

Некоторые процессы в технике проходят при очень низких температурах, и для них нужна специальная криогенная аппаратура.

Для изготовления такой аппаратуры, емкостей и трубопроводов необходимы вязкие на глубоком холоде стали. Металлурги готовят и такой металл.

“Полярной сталью” назвали новинку, производство которой освоили в электросталеплавильном цехе Челябинского металлургического комбината. Эта нержавеющая сталь предназначена для создания установок и емкостей по обработке, транспортировке сжиженных и твердых газов. Она также идет на изготовление ответственных деталей машин для полярных экспедиций. Конструкции из такого металла будут надежно служить на вечной мерзлоте трассы БАМа.

Листовую сталь высшей марки, предназначенную для сооружения на Крайнем Севере емкостей сжиженного газа, получают на Орско-Халиловском комбинате. Образцы этой стали испытывали в жидком азоте при температуре — 196°С.

Низкие температуры, столь опасные для прочности обычного металла, оказалось возможным использовать для улучшения свойств самой стали: повышения твердости и вязкости, жесткости и упругости. Еще в 20-х годах XIX века П.П. Аносов проводил опыты с закалкой кос при температурах — 5 и 18 градусов по Реомюру. Опыты дали положительные результаты.

В наше время применение обработки холодом для дополнительного упрочнения некоторых сталей впервые предложил профессор А.П.Гуляев в 1937 году. Через 5 лет первые попытки использовать глубокий холод были произведены в США. Советский академик А.А. Бочвар в 1945 году обнаружил в зоне фазового превращения металлов “сверхпластичность” сплава цинка с алюминием. Исследователи вскоре нашли подобные явления у сплавов других металлов и у некоторых сталей при — 200°С. Изделия получались с идеально чистой поверхностью, которую невозможно достичь никакой механической обработкой, ибо при даже незначительном нагреве на поверхности металла возникает слой окислов.

Исследования в области низкотемпературного материаловедения ведутся в разных странах и сейчас. Ученые Физико-технического института АН УССР доказали теоретически и экспериментально, что постоянное упрочнение можно получить, подвергая металл механической обработке не при нагреве, а при глубоком охлаждении. Специально сконструированная машина позволила производить деформацию образцов при температуре около — 270°С. С помощью экспериментов удалось выяснить, что при низкотемпературной деформации металлы приобретают очень мелкую и однородную структуру, способствующую значительному повышению жаропрочности вплоть до температуры красного каления. Встряска, которую получает кристаллическая решетка раскаленного металла, опущенного в тигель с жидким азотом, сравнима, пожалуй, с последствиями нокаутирующего удара на ринге. Однако результаты здесь обратные: кристаллическая решетка перестраивается таким образом, что прочность металла становится на порядок выше.