Инновационные материалы в металлообработке: от легированных сталей до композитов

Металлообработка является ключевой отраслью промышленности, играющей важную роль в развитии экономики и технологического прогресса. История этой сферы начинается с использования меди около 9 тысяч лет назад, что стало первым шагом на пути к созданию бронзы — сплава меди и олова, который стал основой для множества инструментов и произведений искусства. С развитием технологий металлургия перешла от холодной ковки к плавке с помощью трубок, а затем и к производству железа.

Железный век, начавшийся на Ближнем Востоке, стал ещё одним важным этапом в истории металлообработки. В XII веке до н. э. была изобретена сыродутная печь, которая позволила массово производить железо из земных недр.

В последующие века появились первые металлообрабатывающие машины и станки, например, токарный. В Средневековье были разработаны механизмы, использующие энергию воды, а в XVIII и XIX веках произошёл значительный прогресс в создании различных видов токарных станков и мартеновского пресса. В XX веке появились новые технологии, такие как гидроабразивная резка и лазерная резка металла, которые значительно ускорили и улучшили процесс металлообработки.

Параллельно с созданием новых технологий и оборудования в мире развивалось и материаловедение. Так, в последние десятилетия человечество достигло впечатляющих успехов в создании и внедрении передовых материалов, которые кардинально меняют подход к производству.

Предлагаем вам обзор инновационных материалов, применяемых в металлообработке, расскажем также об их уникальных преимуществах и сферах, в которых их чаще всего используют.

Легированные стали

Классическим материалом в металлообработке является сталь, а с ходом времени стали популярны и её легированные версии, которые представляют собой сплавы железа с различными добавками, такими как хром, никель, молибден и другие элементы.

Легированная сталь, воплощающая в себе гармонию прочности, стойкости и гибкости, занимает ключевое место в современных технологиях. Она находит широкое применение в различных отраслях, от промышленности до бытовых нужд, демонстрируя свою универсальность и незаменимость.

Преимущества материала:

• Легированные стали имеют более высокую прочность относительно обычных углеродистых сталей.
• Добавки, такие как хром, обеспечивают защиту от коррозии, что делает легированные стали идеальными для использования в агрессивных средах.
• Некоторые легированные стали могут выдерживать высокие температуры без потери своих свойств.

Вот лишь некоторые марки легированных сталей:

• 25ХГ — углеродно-легированная сталь, содержащая хром и никель. Используется для изготовления деталей, требующих высокой прочности и износостойкости, таких как валки, шестерни и оси.
• 30ХГСА — также отличается высокой прочностью, твёрдостью и хорошей свариваемостью. Применяется в производстве ответственных деталей, работающих при повышенных нагрузках.
• 40Х — марка стали, содержащая углерод, хром и молибден. Особенно подходит для изготовления конструкций, работающих на изгиб и сдвиг.

За счёт своих качеств материал широко востребован в автомобилестроительной и машиностроительной отраслях.

Так, в мире автопрома она используется для создания лёгких, но прочных кузовных элементов, что позволяет не только повысить уровень безопасности, но и значительно улучшить эксплуатационные характеристики современных автомобилей. Например, из таких материалов изготавливают детали двигателя, трансмиссии и подвески, которые подвергаются высоким нагрузкам и агрессивным условиям эксплуатации.

Кроме того, прочные и износостойкие детали, созданные из легированной стали, становятся залогом надёжности и долговечности промышленного оборудования. В частности, речь идёт о кранах, конвейерах и станках — их работа при высоких нагрузках требует использования материалов, способных справиться с экстремальными условиями эксплуатации. Именно легированная сталь обеспечивает необходимую устойчивость и срок службы этих устройств.

Титановые сплавы

Титановые сплавы, созданные из титана и добавок, таких как алюминий, ванадий и молибден, применяются в ряде отраслей. Первым высокотемпературным титановым сплавом стал Ti-6Al-4V, способный выдерживать температуры до 300-350 градусов. С развитием технологий появились новые сплавы, такие как IMI550 и BT3-1, работающие при 400 градусах. Современные высокотемпературные титановые сплавы, такие как IMI829 и Ti-1100, выдерживают температуры до 500 градусов.

Другие преимущества титановых сплавов:

• Титановые сплавы гораздо легче стали, за счёт чего более применимы в аэрокосмической и медицинской промышленности.
• Несмотря на свою лёгкость, титановые сплавы имеют высокую прочность и устойчивость к коррозии.
• Титановые сплавы широко используются в медицине благодаря своей биосовместимости и устойчивости к коррозии в организме.

Материал незаменим в авиационной и космической промышленности. Из него создают детали, способные выдерживать экстремальные нагрузки, что делает их идеальными для использования в самолётах и космических аппаратах.

Кроме того, титановые сплавы широко применяются в медицине для изготовления имплантов, протезов и других медицинских устройств.

Аморфные металлы или металлические стёкла

Аморфные металлы — это уникальные металлические сплавы, отличающиеся от традиционных кристаллических материалов. Их структура не имеет периодического порядка, что придаёт им особые механические и физические свойства. Для них характерны высокая прочность, низкая эластичность и отличная коррозионная стойкость, что делает их востребованными в различных отраслях.

Марки аморфных металлов достаточно разнообразны и могут включать в себя следующие:

• Fe-based (железосодержащие): обычно включают в себя элементы, такие как бор, фосфор и углерод. Эти сплавы находят применение в электротехнике, например, в трансформаторных сердечниках.
• Zr-based (цирконийсодержащие): эти материалы обладают хорошей коррозионной стойкостью и используются в медицинском оборудовании и химической промышленности.
• Ti-based (титаносодержащие): титановые аморфные сплавы, как правило, используют в производстве высоконагруженных деталей и в аэрокосмической отрасли благодаря их лёгкости и прочности. Например, из них изготавливают сенсоры и магнитные механизмы.

Что касается металлообработки, то их твёрдость и износостойкость позволяют изготавливать режущие инструменты, формы и пресс-матрицы. Например, инструменты из аморфных металлов могут иметь улучшенные эксплуатационные характеристики по сравнению с традиционными инструментами.

Кроме того, благодаря тем же качествам аморфные металлы могут использоваться в условиях высокоскоростной металлообработки, что позволяет увеличить производительность и снижать износ инструмента.

Такие материалы имеют хорошие текучие свойства, что открывает возможность изготавливать из них тонкостенные изделия со сложными формами при литье под давлением.

Алюминиевые сплавы

Последние десятилетия наблюдается активное развитие новых марок и технологий, включая улучшенные механические свойства, коррозионную стойкость и возможность обработки.

Некоторые из самых известных новейших алюминиевых сплавов:

1. 7xxx Серия (например, 7075): обычно используется в авиационной и спортивной индустрии. Этот сплав содержит цинк как основной легирующий элемент, что придаёт ему исключительные механические свойства.

2. 6xxx Серия (например, 6061 и 6063): материал хорошо поддаётся механической обработке и сварке. Они используются в строительстве, автомобильной и аэрокосмической отраслях.

3. 5xxx Серия (например, 5052): Обладает хорошей коррозионной стойкостью и используется в морской и автомобильной промышленности.

4. 8xxx Серия (например, 8006): Эта серия используется для упаковочных материалов, таких как фольга, и может включать в себя различные легирующие элементы.

5. На основе лития (например, 8090): Эти сплавы предназначены для применения в авиации и космической отрасли, поскольку они легче традиционных сплавов с повышенной прочностью. Пространственно-металлические конструкции из них обладают отличными механическими свойствами.

Композиты на основе металлов

Композиты на основе металлов (металлические композиты) представляют собой материалы, состоящие из металлической матрицы и добавленных армирующих волокон или частиц, которые могут быть керамическими, углеродными или из других металлов. Эти композиты обладают уникальными физическими и механическими свойствами, что делает их привлекательными для различных областей применения.

Преимущества металлических композитов:

• Армирующие компоненты (например, углеродные или керамические волокна) значительно повышают прочность и жёсткость композитов, что особенно важно в конструкциях, подверженных динамическим нагрузкам.
• Поскольку некоторые металлические композиты обладают более низкой плотностью по сравнению с традиционными металлами, они могут привести к снижению общего веса конструкции.
• Некоторые металлические композиты имеют отличные антикоррозийные свойства, что делает их полезными в агрессивных средах.
• Такие композиты способны комбинировать высокую теплопроводность металлической матрицы с преимуществами армирующих материалов.
• Композитные материалы могут противостоять механическому износу благодаря добавленным армирующим компонентам.

Существует множество марок и классификаций металлических композитов, но некоторые из наиболее известных и распространённых включают:

1. ALUMINA (алюминиевые композиты) — часто включают армирующие частицы на основе оксида алюминия и используются в аэрокосмической и автомобильной промышленности.

2. Metal Matrix Composites (MMC) — композиты на основе различных металлов, таких как магний, алюминий или титан, армированные керамическими или углеродными волокнами. Эти композиты применяются в высокотехнологичных областях, таких как электроника, аэрокосмическая отрасль и автомобилестроение.

3. Titanium Matrix Composites (TMC) — титановая матрица с углеродными волокнами или другими армирующими материалами, использующаяся в аэрокосмической отрасли из-за своего хорошего сочетания прочности, лёгкости и коррозионной стойкости.

4. Sical — композитные материалы на основе титана, часто используются в инструментах и оборудовании.

Аддитивные металлы

Завершим этот список набирающими в последние годы популярность в металлообработке аддитивными материалами. Спрос на них начал зарождаться благодаря возможности создавать из таких металлов сложные геометрические формы и уменьшать отходы при производстве.

В металлообработке особенно часто применяются следующие виды таких металлов:

Нержавеющая сталь:

   — 316L: имеет стойкость к коррозии и часто используется в медицинских и пищевых приложениях.

   — 17-4 PH: этот сплав хорош для применения в условиях высоких механических нагрузок и имеет хорошую коррозионную стойкость.

Титан:

   — Ti-6Al-4V: один из самых популярных титановых сплавов, используемых в аэрокосмической и медицинской отраслях.

Алюминиевые сплавы:

   — Al-6061: из него создают лёгкие и прочные компоненты, особенно в автомобильной и аэрокосмической отраслях.

Никелевые сплавы:

   — Inconel 625: устойчив к условиям высокой температуры и коррозионной среды, которые сопутствуют нефтегазовой и аэрокосмической промышленности.