Термоустойчиви сплави. Специални стомани и сплави. Производство и използване на топлоустойчиви сплави

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 10:19

Модерната индустрия не може да се представи без такъв материал като стоманата. Срещаме го почти на всяка крачка. Чрез въвеждането на различни химични елементи в състава му, механичните и експлоатационни свойства могат да бъдат значително подобрени.

Какво е стомана

Стомана е сплав, която съдържа въглерод и желязо. Също така, такава сплав (снимка по-долу) може да има примеси от други химични елементи.

Има няколко структурни състояния. Ако съдържанието на въглерод е в диапазона от 0,025-0,8%, тогава тези стомани се наричат хипоевтектоидни и имат перлит и ферит в структурата си. Ако стоманата е свръхевтектоидна, тогава могат да се наблюдават перлитни и цементитни фази. Характеристика на феритната структура е нейната висока пластичност. Циментитът също има значителна твърдост. Перлитът образува и двете предишни фази. Тя може да има зърнеста форма (включванията на цементит са разположени по протежение на зърната на ферита, които имат кръгла форма) и ламеларна (и двете фази изглеждат като плочи). Ако стоманата се нагрява над температурата, при коятовъзникват полиморфни модификации, структурата се променя в аустенитна. Тази фаза има повишена пластичност. Ако съдържанието на въглерод надвишава 2,14%, тогава такива материали и сплави се наричат чугуни.

Видове стомана

В зависимост от състава, стоманата може да бъде въглеродна и легирана. Съдържанието на въглерод по-малко от 0,25% характеризира меката стомана. Ако количеството му достигне 0,55%, тогава можем да говорим за средно въглеродна сплав. Стоманата, която има повече от 0,6% въглерод в състава си, се нарича високовъглеродна стомана. Ако в процеса на производство на сплав технологията включва въвеждането на специфични химични елементи, тогава тази стомана се нарича легирана. Въвеждането на различни компоненти значително променя неговите свойства. Ако броят им не надвишава 4%, тогава сплавта е нисколегирана. Среднолегираната и високолегираната стомана има съответно до 11% и повече от 12% включвания. В зависимост от областта, в която се използват стоманени сплави, има такива видове: инструментални, конструкционни и специални стомани и сплави.

Производствена технология

Процесът на топене на стомана е доста трудоемък. Включва няколко етапа. На първо място, имате нужда от суровини - желязна руда. Първият етап включва нагряване до определена температура. В този случай протичат окислителни процеси. Във втория етап температурата става много по-висока. Процесите на въглеродно окисление са по-интензивни. Възможно е допълнително обогатяване на сплавта с кислород. Ненужните примеси се отстраняватшлака. Следващата стъпка е отстраняването на кислорода от стоманата, тъй като това значително намалява механичните свойства. Това може да се извърши по дифузионен или преципитиращ начин. Ако процесът на деоксидация не настъпи, тогава получената стомана се нарича кипяща стомана. Спокойната сплав не отделя газове, кислородът се отстранява напълно. Междинна позиция се заема от полутихи стомани. Производството на железни сплави се извършва в мартенови, индукционни пещи, кислородни преобразуватели.

Стоманно легиране

За да се получат определени свойства на стоманата, в нейния състав се въвеждат специални легиращи вещества. Основните предимства на тази сплав са повишената устойчивост на различни деформации, надеждността на частите и други конструктивни елементи се увеличава значително. Втвърдяването намалява процента на пукнатини и други дефекти. Често този метод на насищане с различни елементи се използва за придаване на устойчивост на химическа корозия. Но има и редица недостатъци. Те изискват допълнителна обработка, вероятността от появата на люспи е висока. В допълнение, цената на материала също се увеличава. Най-често срещаните легиращи елементи са хром, никел, волфрам, молибден, кобалт. Обхватът на тяхното приложение е доста голям. Това включва машиностроенето и производството на части за тръбопроводи, електроцентрали, авиация и много други.

Концепцията за устойчивост на топлина и устойчивост на топлина

Концепцията за устойчивост на топлина се отнася до способността на метал или сплав да запазва всичките си характеристики при работа при високи температури. В такава среда честосе наблюдава газова корозия. Следователно материалът също трябва да бъде устойчив на действието си, тоест да бъде устойчив на топлина. По този начин характеристиката на сплавите, които се използват при значителни температури, трябва да включва и двете концепции. Само тогава такива стомани ще осигурят необходимия експлоатационен живот за части, инструменти и други конструктивни елементи.

Характеристики на топлоустойчивата стомана

В случаите, когато температурата достигне високи стойности, е необходимо използването на сплави, които няма да се срутят и да се поддадат на деформация. В този случай се използват топлоустойчиви сплави. Работната температура за такива материали е над 500ºС. Важни моменти, които характеризират такива стомани, са високата граница на издръжливост, пластичността, която се запазва за дълго време, както и стабилността на релаксация. Има редица елементи, които могат значително да увеличат устойчивостта на високи температури: кобалт, волфрам, молибден. Хромът също е задължителен компонент. Това не влияе толкова на здравината, колкото увеличава съпротивлението на котлен камък. Хромът също така предотвратява корозионните процеси. Друга важна характеристика на сплавите от този тип е бавното пълзене.

Класификация на топлоустойчивите стомани по структура

Термоустойчивите и топлоустойчиви сплави са от феритния клас, мартензитни, аустенитни и с феритно-мартензитна структура. Първите съдържат около 30% хром. След специална обработка структурата става фино зърнеста. Ако температурата на нагряване надвишава 850ºС, тогава зърнатаувеличават и такива топлоустойчиви материали стават крехки. Мартензитният клас се характеризира със следното съдържание на хром: от 4% до 12%. Никел, волфрам и други елементи също могат да присъстват в малки количества. От тях се изработват части от турбини и клапани в автомобилите. Стоманите, които имат мартензит и ферит в структурата си, са подходящи за работа при постоянни високи температури и продължителна експлоатация. Съдържанието на хром достига 14%. Аустенитът се получава чрез въвеждане на никел в топлоустойчиви сплави. Стоманите с подобна структура имат много степени.

Сплави на основата на никел

Никелът има редица полезни свойства. Има положителен ефект върху обработваемостта на стоманата (както гореща, така и студена). Ако част или инструмент е проектиран да работи в агресивна среда, тогава легирането с този елемент значително увеличава устойчивостта на корозия. Топлоустойчивите материали на основата на никел са разделени на следните групи: топлоустойчиви и всъщност топлоустойчиви. Последните също трябва да имат минимални топлоустойчиви характеристики. Работните температури достигат 1200ºС. Освен това се добавя хром или титан. Характерно е, че стоманите, легирани с никел, имат малко количество примеси като барий, магнезий, бор, така че границите на зърната са по-засилени. Топлоустойчивите сплави от този тип се произвеждат под формата на изковки и валцувани продукти. Възможно е и отливане на части. Основната им област на приложение е производството на газови турбинни елементи. Топлоустойчивите сплави на базата на никел съдържат до 30% хром. Те се поддават достатъчно добре на щамповане, заваряване. Освен това устойчивостта на котлен камък е на високо ниво. Това прави възможно използването им в газопроводни системи.

Топлоустойчива титаниева легирана стомана

Титанът се въвежда в малко количество (до 0,3%). В този случай увеличава здравината на сплавта. Ако съдържанието му е много по-високо, тогава някои механични свойства се влошават (твърдост, здравина). Но пластичността се увеличава. Това улеснява обработката на стомана. С въвеждането на титан заедно с други компоненти е възможно значително да се подобрят топлоустойчивите характеристики. Ако има нужда от работа в агресивна среда (особено когато дизайнът включва заваряване), тогава легирането с този химичен елемент е оправдано.

Кобалтови сплави

Голямо количество кобалт (до 80%) отива за производството на материали като топлоустойчиви и топлоустойчиви сплави, тъй като рядко се използва в чист вид. Въвеждането му повишава пластичността, както и устойчивостта при работа при високи температури. И колкото по-високо е, толкова по-голямо е количеството кобалт, въведен в сплавта. При някои марки съдържанието му достига 30%. Друга характерна особеност на такива стомани е подобряването на магнитните свойства. Въпреки това, поради високата цена на кобалта, употребата му е доста ограничена.

Влияние на молибдена върху топлоустойчивите сплави

Този химичен елемент значително влияе върху здравината на материала при високи температури.

Той е особено ефективен, когато се използва заедно с други елементи. Той значително увеличава твърдостта на стоманата (вече при съдържание от 0,3%). Увеличава се и якостта на опън. Друга положителна характеристика, която имат топлоустойчивите сплави, легирани с молибден, е високата степен на устойчивост на окислителни процеси. Молибденът допринася за смилането на зърното. Недостатъкът е трудността на заваряването.

Други специални стомани и сплави

За изпълнение на определени задачи са необходими материали, които имат определени свойства. По този начин можем да говорим за използването на специални сплави, които могат да бъдат както легирани, така и въглеродни. При последното наборът от необходимите характеристики се постига поради факта, че производството на сплави и тяхната обработка се извършват по специална технология. Дори специалните сплави и стомани са разделени на структурни и инструментални. Сред основните задачи за този тип материали могат да се разграничат следните: устойчивост на корозия и процеси на износване, способност за работа в агресивна среда и подобрени механични характеристики. Тази категория включва както топлоустойчиви стомани и сплави с високи работни температури, така и криогенни стомани, които могат да издържат до -296ºС.

Инструментална стомана

Специалната инструментална стомана се използва при производството на инструменти. Поради факта, че условията им на работа са различни, материалите също се избират индивидуално. Тъй като изискванията към инструментите са доста високи, характеристиките на сплавите за тяхпроизводството е подходящо: те не трябва да съдържат примеси от трети страни, включвания, процесът на деоксидиране е добре проведен и структурата е хомогенна. Много е важно измервателните уреди да имат стабилни параметри и да са устойчиви на износване. Ако говорим за режещи инструменти, тогава те работят при повишени температури (има нагряване на ръба), постоянно триене и деформация. Затова е много важно за тях да запазят първичната си твърдост при нагряване. Друг вид инструментална стомана е високоскоростната стомана. По принцип той е легиран с волфрам. Твърдостта се поддържа до температура около 600ºС. Има и матрици от стомана. Те са предназначени както за горещо, така и за студено формоване.

Специални приложения за сплави

Индустриите, които използват сплави със специални характеристики, са много. Поради подобрените си качества те са незаменими в машиностроенето, строителството и петролната индустрия. Топлоустойчиви и топлоустойчиви сплави се използват при производството на части за турбини, резервни части за автомобили. Стоманите с високи антикорозионни характеристики са незаменими за производството на тръби, игли за карбуратори, дискове и различни елементи от химическата промишленост. Железопътни релси, кофи, коловози за превозни средства - износоустойчивите стомани са основата за всичко това. При масовото производство на болтове, гайки и други подобни части се използват автоматични сплави. Пружините трябва да са достатъчно еластични и устойчиви на износване. Ето защоматериалът за тях е пружинна стомана. За подобряване на това качество те са допълнително легирани с хром, молибден. Всички специални сплави и стомани с набор от специфични характеристики могат да намалят цената на частите, където преди това са били използвани цветни метали.