Sposób krótkotrwałej obróbki cieplnej stali umacnianej wydzieleniowo

Istota wynalazku

Wynalazek dotyczy nowej metody wytwarzania wyrobów z wysokowytrzymałych stali o nazwie "maraging" umacnianych nanowydzieleniami. Wyroby te, np. w formie cienkościennych rur, stosowane są do wytwarzania odpowiedzialnych elementów konstrukcyjnych m.in. w przemyśle obronnym. Wykonuje się z nich np. korpusy rakiet, w przypadku których priorytetem jest zapewnienie bezpieczeństwa eksploatacji, przy spełnieniu jak najwyższych wymagań technicznych. Pomimo szerokiego zastosowania tego gatunku stali, wciąż trwają prace naukowe dotyczące optymalizacji właściwości do konkretnych zastosowań. Badania ukierunkowane są na modyfikację sposobu wytwarzania w celu osiągnięcia jak najwyższych parametrów technicznych i jednocześnie obniżenia kosztów produkcji.

Przedmiotem wynalazku jest krótkotrwała obróbka cieplna stali "maraging" prowadząca do uzyskania jednocześnie wysokiej wytrzymałości i plastyczności oraz obniżenia kosztów tej operacji. Jednoczesny wzrost wytrzymałości i plastyczności w zakresie ekstremalnie wysokiej wytrzymałości 2000-3000 MPa jest jednym z najtrudniejszych wyzwań w rozwoju materiałów konstrukcyjnych. Opracowany w wynalazku sposób obróbki cieplnej przyczynia się do obniżenia kosztów wytwarzania elementów z tych stali poprzez istotne skrócenie czasu obróbki cieplnej, przy nieznacznie wyższej temperaturze. Powoduje to zmniejszenie energochłonności procesu, co bezpośrednio ma korzystny wpływa na środowisko naturalne.

Opracowany energooszczędny cykl cieplny zapewniający wytworzenie nowego rodzaju struktury stali na poziomie nanometrycznym polega na kontrolowanym nagrzewaniu, następnie wygrzewaniu w temperaturze, w której zachodzi proces powstawania nanocząstek umacniających i regulowanym chłodzeniu. Istotą procesu jest zastosowanie nieznacznie wyższej temperatury podczas wygrzewania oraz skrócenie czasu procesu.

Uzyskanie danych do opracowania wynalazku wymagało gruntownych badań obejmujących analizę procesów umacniania stali przez wytworzenie w sposób kontrolowany frakcji nanowydzieleń. Analiza tego typu zjawisk fizycznych jest możliwa dzięki zastosowaniu nowoczesnej aparatury takiej jak wysokorozdzielczy transmisyjny mikroskop elektronowy (HR-TEM). Mikroskop HR-TEM pozwala na obserwacje struktury materiałów przy powiększeniach kilku milionów razy oraz płaszczyzn atomowych, a nawet pojedynczych atomów. Wynalazek oparty jest na opracowanym modelu procesów wydzielania nanocząstek, które przy zachowaniu odpowiedniej proporcji ułamka objętości do ich wielkości kształtują właściwości stali.

Korzyści

Korzyści wynikające z zastosowania wynalazku dotyczą dwóch aspektów. Pierwszy wiąże się z uzyskaniem w wyniku opracowanej krótkotrwałej obróbki cieplnej lepszych właściwości: wysokiej wytrzymałości powyżej 2000 MPa i jednocześnie podwyższonej plastyczności i odporności na pękanie. W przypadku zastosowania stali "maraging" na korpusy rakiet ma to niewątpliwie korzystny wpływ na poprawę właściwości użytkowych wyrobu, czyli możliwość zastosowania paliwa wysokoenergetycznego, zwiększenie zasięgu, a także na poprawę bezpieczeństwa użytkowania.

Drugi rodzaj korzyści dotyczy obniżenia kosztów wytwarzania przez zmniejszenie energochłonności procesu. Na uwagę zasługuje również fakt korzystnego wpływu modyfikacji procesu obróbki cieplnej na środowisko naturalne, poprzez zmniejszenie zużycia energii oraz materiałów i urządzeń. Zaletą wynalazku jest również fakt, że jego wdrożenie do produkcji nie wymaga istotnych inwestycji, a sprowadza się do zastosowania nowych parametrów technologicznych oraz procedur ich regulacji i kontroli.

Potencjał komercjalizacji

Wynalazek opracowano we współpracy z przedsiębiorstwami z przemysłu obronnego, w trakcie realizacji projektów dotyczących m.in. rozwoju konstrukcji rakiet. W tej dziedzinie istnieją możliwości wdrożenia wynalazku, z uwagi na zainteresowanie nową technologią wyrażone przez producenta rakiet. Przeprowadzono już pierwsze, zakończone sukcesem, testy w warunkach przemysłowych. Wynalazkiem potencjalnie mogą być zainteresowane wszystkie firmy wykorzystujące stale "maraging" lub wytwarzające te stale. Przygotowanie wynalazku do wdrożenia nie wymaga wysokich nakładów, a jego stosowanie jest możliwe z wykorzystaniem istniejącej infrastruktury i urządzeń produkcyjnych (jeśli są to urządzenia spełniające warunki nowoczesnej obróbki cieplnej). Proces wdrożenia polega na zastosowaniu nowych parametrów obróbki cieplnej oraz systemu regulacji i kontroli tych parametrów.