Всем пользователям техники известно такое явление, как «усталость металла». Через определенный промежуток времени стальные детали разрушаются, как то рельсы, карданные и коленчатые валы, двигатели машин. И все смирились с этим, как с неизбежным, как со смертью человека по прошествии 70-80 лет. Но, как есть долгожители 90-100 лет, так есть и двигатели – «миллионники». Для металла тоже можно создать свой ЗОЖ. Разберем причину старения металла.
«Водородное охрупчивание» металлов (ВО) известно металлургам с 19-го века.
Водород вначале проникает в сталь во время плавки в результате химических реакций из извести и восстановленной из ржавчины металлолома воды. Затем во время горячей прокатки из охлаждающей воды или СОЖ. Происходит от контакта воды с раскаленным до 1300°C горячим листовым прокатом, её гидролиза и термического разложения углеводородов СОЖ. Проникает также водород в сталь при её термообработке – закалке в воде и масле, отпуске в масле.
Первую технологию удаления водорода из расплавленной стали в вакууме создал Бессемер в 1893 г. После было создано ещё несколько технологий защиты стали от ВО. Например, обжатие раскаленной слябы на блюминге одновременно с двух направлений, что выдавливает растворенный водород и сжимает образованные им нитевидные трещины – флокены. Выдержка стали при 200°C 6 часов. Но сам механизм явления на физическом атомарном уровне был почти не изучен.
Водорода в стали настолько много, что на Северстали организовано производство его сбора для последующей реализации. Ведь это ценное сырьё. Только производство и очистка масел от вредных примесей гидрированием и гидрокрекингом потребляет 35% всего товарного водорода. Идёт водород в производство маргарина из растительного масла. Водород – топливо. Водород – среда сварки тугоплавких металлов.
Про водородный износ стали знают только технологи плавки и горячей прокатки стали. Широкому потребителю стальных изделий, как то эксплуатирующему средства транспорта, явление не известно. Так как пока не было надёжного средства нейтрализации этого опасного процесса до безопасного уровня, разрушающего сталь непрерывно изнутри.
Не зная сути явления, сложно подобрать надёжный механизм защиты от его разрушительного воздействия.
Изучив тему с разных сторон, я предлагаю следующее описание сути явления «ВО» на микроуровне.
Атомы водорода, которые выделяются из веществ в результате химических реакций, представляют собой электрические диполи – заряд минус с одной стороны – электрон, плюс – протон, с другой. И этот плюс при контакте с металлом вырывает электрон из кристаллической решетки. Образуется ион –H, а решетка «рассыпается», сталь становится хрупкой. Получаем «водородное охрупчивание».
Само явление отрыва электронов у атомов другими хим. элементами называется «электроотрицательность». И существует ряд таких элементов – «убийц металла», с убыванием по их активности. F, O, N, Cl, Br, S, C, P, H, Si, Mg, Li, Na. Но всех этих элементов в стали сотые доли процентов, а водорода до 50 раз больше стали по объёму, количеству атомов. И размер атомов водорода в тысячи раз меньше. Это как стаи пираний в сравнении с одной акулой.
При контакте с металлом атомы Н соединяются в молекулу Н2. При этом выделяется большое количество тепла – 103 ккал/моль вещества – образования 6х1023 (число Авогадро) молекул вещества. Металл сильно разогревается и поверхность размягчается. Явление используется в водородно-дуговой сварке. На электрическую дугу с одного вольфрамового электрода подаётся водород Н2 и разлагается на атомы от высокой температуры. При достижении по дуге другого электрода Н восстанавливается в Н2. Электрод вольфрама разогревается до 3500°C.
Размер атома водорода 53 пикометра, пм, единица измерения в 1 миллиард раз меньше 1 мм. Нано, нм – в 1 млн раз. Размеры кристаллической решетки в нм. И атомы водорода влетают в неё, как комары в открытую форточку. По микротрещинам – флокенам, движутся вглубь тела стали к атомам легирующих элементов с более высоким, чем у железа 26 электронным числом – Кобальту 27, Никелю 28, Молибдену 42, вольфраму 74. Они притягивают атомы водорода к себе своим обилием электронов, своим общим отрицательным зарядом орбит. Возле них атомы соединяются в молекулы Н2, скапливаются и образуют «пузыри», дополнительно разрывая сталь на микротрещины, расширяя существующие.
Молекула водорода бывает двух видов, в зависимости от направления вращения (спина) атомов в одну или разные стороны. При вращении в одну сторону такой водород называется ортоводород (ортодоксальный). Его в природе содержится 60% водорода. Он, как и атом водорода, образует диполь – разноименные заряды с разных сторон молекулы. Диполь молекулы водорода вдвое агрессивен в отношении электронов кристаллической решетки (КР) и углерода стали, вырывает их из кристаллической решетки, разрушая её, делая сталь рыхлой, хрупкой.
В процессе эксплуатации сталь дополнительно насыщается водородом из отработавшего срок смазочного масла на поверхностях деталей. Масло разрушается на углерод и водород при разрыве молекул от механической и термической деструкций. При работе двигателя движением маслосъёмного кольца поршня по гильзе цилиндра образуется магнитное поле. И оно разрывает этот водород на протон и электрон. Протон вдвое меньше и вдвое агрессивнее самого водорода, вырывает из решетки стали два электрона. Например, на шейках коленвала, где появляются видимые длинные трещины. И в определенный момент коленвал, кардан или рельс разрывает – эффект назван «усталость металла».
Добиться содержания водорода в крупных стальных отливках, в толстолистовом прокате ниже критического по прочности и вязкости стали 2 см3/ 100 гр. стали проблематично. Безопасный уровень содержания водорода 1 см3/ 100 гр. стали. Подробно разобрано в Сети в статье ГК «Ланит» СПб о воздействии водорода на сталь по материалам зарубежных научных публикаций. Брак по содержанию водорода, проявляемому по «светлым пятнам» и флокенам на изломе, составляет в крупных отливках весом около 5 тн. (валки прокатных станов, обоймы 3-5 м диаметра подшипников), 15%.
Так как размер атома водорода 54 пикометра в тысячи раз меньше наноразмеров атомов металлов и расстояний между ними в кристаллической решетке, то водород может насыщать сталь, никель, титан до 50 объёмов в 1 объёме металла.
Водород, проникающий в сталь во время плавки из шихты, металлолома, воздуха научились удалять до 4-5 см3/100 гр. стали конверторной и электродуговой плавкой. При мартеновской плавке содержания водорода 8 см3/100 гр стали. При горячей прокатке водород выдавливается вначале из слябы на блюминге обжатием с 4-х сторон, затем в цеху горячей прокатки валками из толстолистовой стали, но вновь насыщает её из воды охлаждения и СОЖ.
На Северстали обжимной цех был закрыт в 2018 г. Руководство сочло операцию обжима слябы не нужной, излишней, устаревшей. Не знало, наверно, зачем производится.
Водород, обильно насыщающий сталь при закалке через микротрещины, частично удаляется операцией низкотемпературного отжига – выдержке изделия в печи при 200°C 6 часов. Водород выходит из стали. Но из крупных изделий полностью его удалить из глубины не удается.
В процессе хранения стального закаленного обычным способом крепежа он набирает водород также из сырого воздуха. В этом причина срезки болтов новой турбины Енисейской ГЭС, повлекшая огромные разрушительные последствия и человеческие жертвы. В Лондоне при строительстве моста в 2017 г. был выявлено «ВО» болтов и они были заменены на сумму 6 млн. фунтов.
В процессе эксплуатации изделий, рельсов например, сталь продолжает набирать водород из воды, из смазки рельсов и реборд колесных пар. И это водород атомарный, наиболее агрессивный. И он, как и молекулярный ортоводород, вырывает электроны из кристаллической решетки стали, ослабляя её, делая сталь хрупкой.
0,01% водорода в природе – это дейтерий 2Н2. Дейтерий образовался в природе облучением водорода – протия 1Н2 медленными нейтронами. Тритий 3Н2 образуется захватом медленных нейтронов дейтерием. Медленными нейтроны становятся, как установил Энрико Ферми, проходя через воду.
В водородной бомбе дейтерий и тритий при подрыве сжимаются давлением в несколько млн. атм. Происходит реакция синтеза в гелий с выбросом колоссальной энергии. Дейтерий радиоактивно нейтральный. Тритий радиоактивный.
Замеры радиации разрывов валов в НИИ 25 выявили радиоактивность. Поэтому имею смелость предложить гипотезу причины «усталости металла»:
Во время магнитных бурь гамма-лучи плазмы Солнца, как известно, выбивают из газов верхних слоев ионосферы Земли, кислорода и азота, нейтроны. Они, проходя через влагу атмосферы нижних слоёв, замедляются, и устремляются к Земле со скоростью 2 км/сек.. Доходя до Земли, нейтроны поглощаются водородом, растворенным в стали – рельсах, моторах, …. За период, называемый «усталостью металла», в стали накапливается дейтерий и тритий. И в сильные морозы от сжатия стали и давления проходящего состава в пузырях возле атомов легирующих добавок и флокенах давление на атомы дейтерия и трития достигает нескольких млн. атм. и происходит микро ядерные взрывы, разрывающие рельс. В автотранспорте – разрыв карданных валов. Внешне на изломе такие ядерные воронки выглядят «светлыми пятнами» оплавленной стали. Их так и называют металлурги - «светлые пятна».
2024 г. и начало 2025 г. отмечены резко участившимися мощными выбросами Солнцем горячей плазмы. Она, доходя до Земли, вызывает сильные и длительные магнитные бури мощностью 5-7 баллов по 9-ти бальной шкале. Поэтому участились сходы составов. Стоит ожидать в морозы более частого разрыва рельсов под нагрузкой составов.
В водородных бомбах положено каждые 5 лет менять тяжелую воду – источник дейтерия. Она становится непригодна под воздействием гамма-лучей распада плутония. Носитель гамма-лучей – фотон. Электрон, как известно, способен превращаться в фотон и обратно.
Эврика ! В этом решение проблемы. Обработка боковин головок рельсов и реборд колесных пар, моторов составом с оловом в составе оловянистой кислоты, нейтрализует водород и дейтерий ионизацией электронами внутри стальных изделий и защитит от проникновения водорода снаружи. Нано ядерные взрывы станут невозможны. Добавление препарата в доле 0,1% (теоретически, практически надо подбирать) в СОЖ защитит сталь от наводороживания при охлаждении горячего проката и нейтрализует остаточный водород в глубине стального листа.
Олово с числом электронов 50, знаменито своей особенностью лёгкого перехода электронов с нижних уровней орбит на верхние. И имеет на внешней оболочке 4 валентных электрона. Является донором электронов. Поэтому его применяют в пайке электросхем за высокую электропроводимость. Благодаря этим 4 электронам внешней орбиты олово укрепляет мягкую медь, образуя прочную бронзу. Устанавливаются прочные кристаллические связи между атомами меди меж собой из донорских электронов олова и самим оловом. Аналогично олово укрепляет и поверхность изношенной стали, проникая в неё. Вначале олово восстанавливается на поверхности изношенной стали, выделяясь из кислоты. Образуется мягкая серебристая пленка олова. Затем олово вступает в химический контакт со сталью, и она упрочняется. Трещины и царапины на ее поверхности затягиваются слоем кристаллов железа, с атомами олова внутри.
И такой состав есть и 20 лет успешно используется как раз для защиты рельсов, колесных пар и двигателей транспортных средств от водородного износа. По ряду фото видно полное залечивание трещин и задиров на поверхности головки рельса после обработки его составом через 3-9 месяцев эксплуатации пути. Препарат называется Дефриктор, производится в Ижевске. Добавляется в масло в составе концентрата 2%, в чистом виде его 0,4%. Не выпадает в осадок при хранении.
Значительно снизить содержание водорода в стали, исключить микротрещины при закалке – пути проникновения водорода вглубь стали, снизить «ВО», позволяет разработанная мною технология управляемой прерывистой закалки высокоуглеродистой стали в двух средах на бейниты. Она создает сквозную или частичную структуру «нижнего бейнита» прочности мартенсита, заменяет операции закалки и отпуска, занимающие до нескольких суток, в две. Первая операция длится в воде 60 сек. Вторая операция длится от 2-х минут до 2 ч. – закалка в жаростойком масле, мною запатентованном в 2004 г. Процесс идёт при температуре масла 180°C до остывания детали до 180°C.
Эту технологию пытались создать в СССР в 70-е на Тульском машиностроительном заводе. Но тогда не было подходящего масла. Удалась создать мне и успешно испытать в 2018 г. на комбинате огнеупоров. Получили пресс-формы шамотного кирпича из углеродистой стали взамен дорогой германской марганцовистой 15% Mn.
РЖД не в силах повлиять на производителя рельсов и колесных пар – НТМК-Евраз перейти на новую технологию термообработки стали. Там с 2018 г. применяется технология закалки в потоке холодного воздуха. Эта технология эффективна для тонколистовых изделий. Заключается в обдувке воздухом скоростью 20-100 м/с 60 мин. и выдержке в печи при 275°C 6 ч. для отпуска мартенсита, естественного остывания на воздухе после. Максимальная толщина сечения стали 30-50 мм при сквозном прокаливании этим методом – заключение Пермского технологического университета. Чем толще изделие, тем тоньше прочный слой закалки – прокаливания и сильнее самоотпуск при медленном остывании. При прежней закалке в жидком масле получали слой закаленной стали сверху головки рельса 10 мм, сбоку, где наибольшее давление и износ, 5 мм. При закалке воздухом слой закаленной стали ещё тоньше.
Обычная закалка при Т закалки 850-860°C в масле при Т масла 60°C с отпуском даёт твёрдость 43-46 HRC. Прочность при использовании новой технологии при температурах масла 180°C для рельсов и колесных пар, от 38-43 до 60-64 HRC, какую пожелаешь, в зависимости от доли верхнего и нижнего бейнита. И слой прокаливаемости глубже, до 40 мм. Содержание углерода в стали 0,6-0,87%.
Не образуются трещины, через которые водород мог бы проникнуть в тело детали. Он превращается в молекулярный водород на поверхности стали и улетает в атмосферу. И дополнительно слой олово-железо защищает от разрушения поверхность стального изделия.
РЖД может применить эту технологию на своих заводах – Муромском заводе стрелочных переводов, Калужском и Рязанском заводах путевых машин, Серпуховском, Коломенском, Тверском и Людиновском тепловозо и электровозостроительных заводах. И ввести в эксплуатацию в смазке материалов верхнего строения пути смазку «Дефриктор» с оловом, устраняющую водородный износ. В дизели заливать моторное масло с этой хорошо растворимой добавкой.
Генеральный директор ООО «МегаМас-2» Высоцкий Сергей Владленович