Κράματα ανθεκτικά στη θερμότητα. Ειδικοί χάλυβες και κράματα. Παραγωγή και χρήση θερμοανθεκτικών κραμάτων

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 10:23

Η σύγχρονη βιομηχανία δεν μπορεί να φανταστεί κανείς χωρίς υλικό όπως ο χάλυβας. Το συναντάμε σχεδόν σε κάθε στροφή. Με την εισαγωγή διαφόρων χημικών στοιχείων στη σύνθεσή του, οι μηχανικές και λειτουργικές ιδιότητες μπορούν να βελτιωθούν σημαντικά.

Τι είναι ο χάλυβας

Ο χάλυβας είναι ένα κράμα που περιέχει άνθρακα και σίδηρο. Επίσης, ένα τέτοιο κράμα (φωτογραφία παρακάτω) μπορεί να έχει ακαθαρσίες άλλων χημικών στοιχείων.

Υπάρχουν πολλές δομικές καταστάσεις. Αν η περιεκτικότητα σε άνθρακα είναι της τάξης του 0,025-0,8%, τότε αυτοί οι χάλυβες ονομάζονται υποευτεκτοειδείς και έχουν στη δομή τους περλίτη και φερρίτη. Εάν ο χάλυβας είναι υπερευτεκτοειδής, τότε μπορεί να παρατηρηθούν φάσεις περλιτικής και τσιμεντίτης. Ένα χαρακτηριστικό της δομής του φερρίτη είναι η υψηλή πλαστικότητά του. Ο τσιμεντίτης έχει επίσης σημαντική σκληρότητα. Ο περλίτης σχηματίζει και τις δύο προηγούμενες φάσεις. Μπορεί να έχει κοκκώδες σχήμα (τα εγκλείσματα τσιμενίτη βρίσκονται κατά μήκος των κόκκων φερρίτη, που έχουν στρογγυλό σχήμα) και ελασματοειδές (και οι δύο φάσεις μοιάζουν με πλάκες). Εάν ο χάλυβας θερμανθεί πάνω από τη θερμοκρασία στην οποίασυμβαίνουν πολυμορφικές τροποποιήσεις, η δομή αλλάζει σε ωστενιτική. Αυτή η φάση έχει αυξημένη πλαστικότητα. Εάν η περιεκτικότητα σε άνθρακα υπερβαίνει το 2,14%, τότε τέτοια υλικά και κράματα ονομάζονται χυτοσίδηροι.

Τύποι χάλυβα

Ανάλογα με τη σύνθεση, ο χάλυβας μπορεί να είναι άνθρακας και κράμα. Η περιεκτικότητα σε άνθρακα μικρότερη από 0,25% χαρακτηρίζει τον μαλακό χάλυβα. Αν η ποσότητα του φτάσει το 0,55%, τότε μπορούμε να μιλάμε για κράμα μεσαίου άνθρακα. Ο χάλυβας, ο οποίος έχει περισσότερο από 0,6% άνθρακα στη σύνθεσή του, ονομάζεται χάλυβας υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα. Εάν, κατά τη διαδικασία παραγωγής ενός κράματος, η τεχνολογία περιλαμβάνει την εισαγωγή συγκεκριμένων χημικών στοιχείων, τότε αυτός ο χάλυβας ονομάζεται κράμα. Η εισαγωγή διαφόρων εξαρτημάτων αλλάζει σημαντικά τις ιδιότητές του. Εάν ο αριθμός τους δεν υπερβαίνει το 4%, τότε το κράμα είναι χαμηλής κραματοποίησης. Ο μεσαίου κράματος και ο υψηλής κραματοποίησης χάλυβας έχουν έως και 11% και περισσότερο από 12% των εγκλεισμάτων, αντίστοιχα. Ανάλογα με την περιοχή στην οποία χρησιμοποιούνται τα κράματα χάλυβα, υπάρχουν τέτοιοι τύποι: εργαλειομηχανές, δομικοί και ειδικοί χάλυβες και κράματα.

Τεχνολογία παραγωγής

Η διαδικασία τήξης χάλυβα είναι αρκετά επίπονη. Περιλαμβάνει πολλά στάδια. Πρώτα απ 'όλα, χρειάζεστε πρώτες ύλες - σιδηρομετάλλευμα. Το πρώτο στάδιο περιλαμβάνει θέρμανση σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Σε αυτή την περίπτωση, συμβαίνουν οξειδωτικές διεργασίες. Στο δεύτερο στάδιο, η θερμοκρασία γίνεται πολύ υψηλότερη. Οι διαδικασίες οξείδωσης του άνθρακα είναι πιο εντατικές. Είναι δυνατός επιπλέον εμπλουτισμός του κράματος με οξυγόνο. Οι περιττές ακαθαρσίες αφαιρούνται μέσασκωρία. Το επόμενο βήμα είναι να αφαιρέσετε το οξυγόνο από τον χάλυβα, καθώς μειώνει σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες. Αυτό μπορεί να πραγματοποιηθεί με τρόπο διάχυσης ή καθίζησης. Εάν η διαδικασία αποξείδωσης δεν συμβεί, τότε ο χάλυβας που προκύπτει ονομάζεται χάλυβας που βράζει. Το ήρεμο κράμα δεν εκπέμπει αέρια, το οξυγόνο αφαιρείται εντελώς. Μια ενδιάμεση θέση καταλαμβάνουν οι ημι-αθόρυβοι χάλυβες. Η παραγωγή κραμάτων σιδήρου πραγματοποιείται σε ανοιχτές εστίες, επαγωγικούς κλιβάνους, μετατροπείς οξυγόνου.

κράμα χάλυβα

Για να αποκτηθούν ορισμένες ιδιότητες του χάλυβα, εισάγονται στη σύνθεσή του ειδικές κράματες ουσίες. Τα κύρια πλεονεκτήματα αυτού του κράματος είναι η αυξημένη αντοχή σε διάφορες παραμορφώσεις, η αξιοπιστία των εξαρτημάτων και άλλων δομικών στοιχείων αυξάνεται σημαντικά. Η σκλήρυνση μειώνει το ποσοστό των ρωγμών και άλλων ελαττωμάτων. Συχνά αυτή η μέθοδος κορεσμού με διαφορετικά στοιχεία χρησιμοποιείται για να προσδώσει αντοχή στη χημική διάβρωση. Υπάρχουν όμως και μια σειρά από μειονεκτήματα. Απαιτούν πρόσθετη επεξεργασία, η πιθανότητα εμφάνισης νιφάδων είναι υψηλή. Επιπλέον, το κόστος του υλικού αυξάνεται επίσης. Τα πιο κοινά στοιχεία κραμάτων είναι το χρώμιο, το νικέλιο, το βολφράμιο, το μολυβδαίνιο, το κοβάλτιο. Το πεδίο εφαρμογής τους είναι αρκετά μεγάλο. Αυτό περιλαμβάνει τη μηχανολογία και την κατασκευή εξαρτημάτων για αγωγούς, σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, αεροπορία και πολλά άλλα.

Η έννοια της αντοχής στη θερμότητα και της αντίστασης στη θερμότητα

Η έννοια της αντοχής στη θερμότητα αναφέρεται στην ικανότητα ενός μετάλλου ή ενός κράματος να διατηρεί όλα τα χαρακτηριστικά του όταν εργάζεται σε υψηλές θερμοκρασίες. Σε ένα τέτοιο περιβάλλον, συχνάπαρατηρείται διάβρωση αερίου. Επομένως, το υλικό πρέπει επίσης να είναι ανθεκτικό στη δράση του, δηλαδή να είναι ανθεκτικό στη θερμότητα. Έτσι, ο χαρακτηρισμός των κραμάτων που χρησιμοποιούνται σε σημαντικές θερμοκρασίες πρέπει να περιλαμβάνει και τις δύο αυτές έννοιες. Μόνο τότε τέτοιοι χάλυβες θα παρέχουν την απαραίτητη διάρκεια ζωής για εξαρτήματα, εργαλεία και άλλα δομικά στοιχεία.

Χαρακτηριστικά του Heat Resistant Steel

Σε περιπτώσεις που η θερμοκρασία φτάνει σε υψηλές τιμές, απαιτείται η χρήση κραμάτων που δεν θα καταρρεύσουν και θα υποκύψουν σε παραμόρφωση. Σε αυτή την περίπτωση, χρησιμοποιούνται κράματα ανθεκτικά στη θερμότητα. Η θερμοκρασία λειτουργίας για τέτοια υλικά είναι πάνω από 500ºС. Σημαντικά σημεία που χαρακτηρίζουν τέτοιους χάλυβες είναι το υψηλό όριο αντοχής, η πλαστικότητα, που παραμένει για μεγάλο χρονικό διάστημα, καθώς και η σταθερότητα χαλάρωσης. Υπάρχουν ορισμένα στοιχεία που μπορούν να αυξήσουν σημαντικά την αντίσταση σε υψηλές θερμοκρασίες: κοβάλτιο, βολφράμιο, μολυβδαίνιο. Το χρώμιο είναι επίσης απαραίτητο συστατικό. Δεν επηρεάζει τόσο την αντοχή όσο αυξάνει την αντίσταση της ζυγαριάς. Το χρώμιο επίσης αποτρέπει τις διαδικασίες διάβρωσης. Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό των κραμάτων αυτού του τύπου είναι ο αργός ερπυσμός.

Ταξινόμηση των ανθεκτικών στη θερμότητα χάλυβων κατά δομή

Τα θερμοανθεκτικά και ανθεκτικά στη θερμότητα κράματα είναι της κατηγορίας των φερριτικών, μαρτενσιτικών, ωστενιτικών και με φερριτική-μαρτενσιτική δομή. Τα πρώτα περιέχουν περίπου 30% χρώμιο. Μετά από ειδική επεξεργασία, η δομή γίνεται λεπτόκοκκη. Εάν η θερμοκρασία θέρμανσης υπερβαίνει τους 850ºС, τότε οι κόκκοιαυξάνονται και τέτοια ανθεκτικά στη θερμότητα υλικά γίνονται εύθραυστα. Η κατηγορία μαρτενσιτικών χαρακτηρίζεται από την ακόλουθη περιεκτικότητα σε χρώμιο: από 4% έως 12%. Το νικέλιο, το βολφράμιο και άλλα στοιχεία μπορεί επίσης να υπάρχουν σε μικρές ποσότητες. Από αυτά κατασκευάζονται μέρη τουρμπίνων και βαλβίδων στα αυτοκίνητα. Οι χάλυβες που έχουν στη δομή τους μαρτενσίτη και φερρίτη είναι κατάλληλοι για λειτουργία σε σταθερές υψηλές θερμοκρασίες και μακροχρόνια λειτουργία. Η περιεκτικότητα σε χρώμιο φτάνει το 14%. Ο ωστενίτης λαμβάνεται με την εισαγωγή νικελίου σε ανθεκτικά στη θερμότητα κράματα. Οι χάλυβες με παρόμοια δομή έχουν πολλές ποιότητες.

κράματα με βάση το νικέλιο

Το νικέλιο έχει μια σειρά από χρήσιμες ιδιότητες. Έχει θετική επίδραση στην εργασιμότητα του χάλυβα (τόσο ζεστό όσο και κρύο). Εάν ένα εξάρτημα ή εργαλείο έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί σε επιθετικό περιβάλλον, τότε το κράμα με αυτό το στοιχείο αυξάνει σημαντικά την αντοχή στη διάβρωση. Τα θερμοανθεκτικά υλικά με βάση το νικέλιο χωρίζονται στις ακόλουθες ομάδες: ανθεκτικά στη θερμότητα και πραγματικά ανθεκτικά στη θερμότητα. Το τελευταίο θα πρέπει επίσης να έχει ελάχιστα χαρακτηριστικά αντοχής στη θερμότητα. Οι θερμοκρασίες εργασίας φτάνουν τους 1200ºС. Επιπλέον, προστίθεται χρώμιο ή τιτάνιο. Χαρακτηριστικά, οι κραματοποιημένοι χάλυβες με νικέλιο έχουν μικρή ποσότητα ακαθαρσιών όπως βάριο, μαγνήσιο, βόριο, επομένως τα όρια των κόκκων ενισχύονται περισσότερο. Τα ανθεκτικά στη θερμότητα κράματα αυτού του τύπου παράγονται με τη μορφή σφυρηλατήσεων και προϊόντων έλασης. Είναι επίσης δυνατή η χύτευση εξαρτημάτων. Ο κύριος τομέας εφαρμογής τους είναι η κατασκευή στοιχείων αεριοστροβίλου. Τα ανθεκτικά στη θερμότητα κράματα με βάση το νικέλιο περιέχουν έως και 30% χρώμιο. Προσφέρονται αρκετά καλά για τη σφράγιση, τη συγκόλληση. Επιπλέον, η αντίσταση της ζυγαριάς είναι σε υψηλό επίπεδο. Αυτό καθιστά δυνατή τη χρήση τους σε συστήματα αγωγών αερίου.

Χάλυβας από κράμα τιτανίου ανθεκτικός στη θερμότητα

Το Τιτάνιο εισάγεται σε μικρή ποσότητα (έως 0,3%). Σε αυτή την περίπτωση, αυξάνει την αντοχή του κράματος. Εάν η περιεκτικότητά του είναι πολύ μεγαλύτερη, τότε κάποιες μηχανικές ιδιότητες επιδεινώνονται (σκληρότητα, αντοχή). Αλλά η πλαστικότητα αυξάνεται. Αυτό διευκολύνει την επεξεργασία του χάλυβα. Με την εισαγωγή του τιτανίου μαζί με άλλα εξαρτήματα, είναι δυνατό να βελτιωθούν σημαντικά τα χαρακτηριστικά αντοχής στη θερμότητα. Εάν υπάρχει ανάγκη να εργαστείτε σε επιθετικό περιβάλλον (ειδικά όταν ο σχεδιασμός περιλαμβάνει συγκόλληση), τότε δικαιολογείται η κράμα με αυτό το χημικό στοιχείο.

Κράματα κοβαλτίου

Μεγάλη ποσότητα κοβαλτίου (έως και 80%) προορίζεται για την παραγωγή υλικών όπως ανθεκτικά στη θερμότητα και ανθεκτικά στη θερμότητα κράματα, αφού σπάνια χρησιμοποιείται στην καθαρή του μορφή. Η εισαγωγή του αυξάνει την πλαστικότητα, καθώς και την αντίσταση κατά την εργασία σε υψηλές θερμοκρασίες. Και όσο υψηλότερο είναι, τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα κοβαλτίου που εισάγεται στο κράμα. Σε ορισμένες μάρκες, το περιεχόμενό του φτάνει το 30%. Ένα άλλο χαρακτηριστικό γνώρισμα τέτοιων χάλυβα είναι η βελτίωση των μαγνητικών ιδιοτήτων. Ωστόσο, λόγω του υψηλού κόστους του κοβαλτίου, η χρήση του είναι μάλλον περιορισμένη.

Επίδραση του μολυβδαινίου σε ανθεκτικά στη θερμότητα κράματα

Αυτό το χημικό στοιχείο επηρεάζει σημαντικά την αντοχή του υλικού σε υψηλές θερμοκρασίες.

Είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικό όταν χρησιμοποιείται μαζί με άλλα στοιχεία. Αυξάνει σημαντικά τη σκληρότητα του χάλυβα (ήδη σε περιεκτικότητα 0,3%). Η αντοχή σε εφελκυσμό αυξάνεται επίσης. Ένα άλλο θετικό χαρακτηριστικό που έχουν τα ανθεκτικά στη θερμότητα κράματα που έχουν κράμα με μολυβδαίνιο είναι ο υψηλός βαθμός αντοχής στις οξειδωτικές διεργασίες. Το μολυβδαίνιο συμβάλλει στην άλεση των σιτηρών. Το μειονέκτημα είναι η δυσκολία της συγκόλλησης.

Άλλοι ειδικοί χάλυβες και κράματα

Για την εκτέλεση ορισμένων εργασιών, απαιτούνται υλικά που έχουν συγκεκριμένες ιδιότητες. Έτσι, μπορούμε να μιλήσουμε για τη χρήση ειδικών κραμάτων, τα οποία μπορούν να είναι τόσο κράματα όσο και άνθρακα. Στο τελευταίο, το σύνολο των απαιτούμενων χαρακτηριστικών επιτυγχάνεται λόγω του γεγονότος ότι η κατασκευή κραμάτων και η επεξεργασία τους γίνεται με χρήση ειδικής τεχνολογίας. Ακόμη και τα ειδικά κράματα και οι χάλυβες χωρίζονται σε δομικά και εργαλεία. Μεταξύ των κύριων εργασιών για αυτόν τον τύπο υλικών, διακρίνονται τα ακόλουθα: αντοχή στη διάβρωση και τις διαδικασίες φθοράς, ικανότητα εργασίας σε επιθετικό περιβάλλον και βελτιωμένα μηχανικά χαρακτηριστικά. Αυτή η κατηγορία περιλαμβάνει τόσο ανθεκτικούς στη θερμότητα χάλυβες και κράματα με υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας, όσο και κρυογονικούς χάλυβες που αντέχουν έως και -296ºС.

Χάλυβας εργαλείων

Ο ειδικός χάλυβας εργαλείων χρησιμοποιείται στην παραγωγή εργαλείων. Λόγω του γεγονότος ότι οι συνθήκες εργασίας τους είναι διαφορετικές, τα υλικά επιλέγονται επίσης μεμονωμένα. Δεδομένου ότι οι απαιτήσεις για εργαλεία είναι αρκετά υψηλές, τα χαρακτηριστικά των κραμάτων για αυτάη παραγωγή είναι κατάλληλη: πρέπει να είναι απαλλαγμένα από ακαθαρσίες τρίτων, εγκλείσματα, η διαδικασία αποξείδωσης να εκτελείται καλά και η δομή να είναι ομοιογενής. Είναι πολύ σημαντικό τα όργανα μέτρησης να έχουν σταθερές παραμέτρους και να αντέχουν στη φθορά. Αν μιλάμε για εργαλεία κοπής, τότε λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες (υπάρχει θέρμανση της άκρης), συνεχή τριβή και παραμόρφωση. Επομένως, είναι πολύ σημαντικό να διατηρούν την κύρια σκληρότητά τους όταν θερμαίνονται. Ένας άλλος τύπος χάλυβα εργαλείων είναι ο χάλυβας υψηλής ταχύτητας. Βασικά, είναι ντοπαρισμένο με βολφράμιο. Η σκληρότητα διατηρείται σε θερμοκρασία περίπου 600ºС. Υπάρχουν επίσης χάλυβες μήτρας. Είναι σχεδιασμένα τόσο για ζεστή όσο και για κρύα διαμόρφωση.

Ειδικές εφαρμογές κραμάτων

Οι βιομηχανίες που χρησιμοποιούν κράματα με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά είναι πολλές. Λόγω των βελτιωμένων ιδιοτήτων τους, είναι απαραίτητα στη μηχανολογία, τις κατασκευές και τη βιομηχανία πετρελαίου. Τα ανθεκτικά στη θερμότητα και τα ανθεκτικά στη θερμότητα κράματα χρησιμοποιούνται στην κατασκευή εξαρτημάτων στροβίλων, ανταλλακτικών για αυτοκίνητα. Οι χάλυβες που έχουν υψηλά αντιδιαβρωτικά χαρακτηριστικά είναι απαραίτητοι για την παραγωγή σωλήνων, βελόνων καρμπυρατέρ, δίσκων και διαφόρων στοιχείων της χημικής βιομηχανίας. Σιδηροτροχιές, κάδοι, ράγες για οχήματα - οι χάλυβες ανθεκτικοί στη φθορά είναι η βάση για όλα αυτά. Στη μαζική παραγωγή μπουλονιών, παξιμαδιών και άλλων παρόμοιων εξαρτημάτων, χρησιμοποιούνται αυτόματα κράματα. Τα ελατήρια πρέπει να είναι επαρκώς ελαστικά και ανθεκτικά στη φθορά. Να γιατίυλικό για αυτούς είναι χάλυβας ελατηρίου. Για να βελτιωθεί αυτή η ποιότητα, είναι επιπλέον κράμα με χρώμιο, μολυβδαίνιο. Όλα τα ειδικά κράματα και οι χάλυβες με ένα σύνολο συγκεκριμένων χαρακτηριστικών μπορούν να μειώσουν το κόστος των εξαρτημάτων όπου χρησιμοποιήθηκαν στο παρελθόν μη σιδηρούχα μέταλλα.