Tepelně odolné slitiny. Speciální oceli a slitiny. Výroba a použití žáruvzdorných slitin

Moderní průmysl nelze představit bez materiálu jako ocel. S ním se setkáváme prakticky při každém kroku. Zavedením různých chemických prvků do jeho složení lze výrazně zlepšit mechanické a provozní vlastnosti.

Co je Steel?

Ocel je slitina, která má ve svém složení uhlík a železo. Taková slitina (fotografie je umístěna níže) může mít nečistoty jiných chemických prvků.

Existuje několik strukturálních stavů. Pokud je obsah uhlíku v rozmezí 0,025-0,8%, pak se data nazývají pre-eutektoidní a mají strukturu perlitu a feritu. Pokud je ocel hypereutektoidní, lze pozorovat perlitické a cementové fáze. Vlastností feritové struktury je velká plasticita. Cementite má značnou pevnost. Perlit tvoří obě předchozí fáze. Může mít zrnitou formu (na feritových zmech jsou inkluze cementitu, které mají kruhový tvar) a lamelární (obě fáze mají tvar desek). Pokud se ocel zahřeje nad teplotu, při níž dochází k polymorfním změnám, změní se struktura na austenitickou. Tato fáze má zvýšenou plasticitu. Pokud obsah uhlíku přesáhne 2,14%, pak se tyto materiály a slitiny nazývají litina.

Druhy oceli

V závislosti na kompozitní oceli může být uhlík a legováno. Obsah uhlíku nižší než 0,25% je charakterizován nízkouhlíkovou ocelí. Pokud jeho množství dosáhne 0,55%, pak můžeme hovořit o slitině střední velikosti uhlíku. Ocel, která ve svém složení má více než 0,6% uhlíku, se nazývá vysoký obsah uhlíku. Je-li vyrobena slitina, technologie znamená zavedení specifických chemických prvků, pak se tato ocel nazývá legovaná. Zavedení různých komponent výrazně mění své vlastnosti. Pokud jejich počet nepřesahuje 4%, je slitina nízkolegovaná. Středně legované a vysoce legovaná ocel má podle toho až 11% a více než 12% inkluzí. V závislosti na oblasti, ve které se používají slitiny oceli, se liší jejich druhy: nástrojové, konstrukční a speciální oceli a slitiny.

Výrobní technologie

Proces ocelové tavení spíše namáhavé. Zahrnuje několik etap. Nejdříve je potřeba suroviny - železná ruda. První stupeň zahrnuje zahřátí na určitou teplotu. Dochází k oxidačním procesům. Ve druhé fázi se teplota stává mnohem vyšší. Postupy oxidace uhlíku jsou intenzivnější. Slitinu lze dále obohacovat kyslíkem. Zbytečné nečistoty jsou do strusky odstraněny. Dalším krokem je odstranění kyslíku z oceli, protože výrazně snižuje mechanické vlastnosti. To lze provést difúzí nebo srážením. Pokud nedojde k procesu deoxidace, výsledná ocel se nazývá vaření. Tichá slitina nevyzařuje plyny, kyslík je zcela odstraněn. Mezilehlá pozice je obsazena polokovovými oceli. Výroba slitin železa probíhá v otevřených pecích, indukčních pecích, konvertorech kyslíku.

Legování oceli

Pro získání těchto nebo jiných vlastností oceli se do jejího složení vkládají speciální legující látky. Hlavními výhodami takové slitiny jsou zvýšená odolnost vůči různým deformacím, spolehlivost součástí a dalších konstrukčních prvků je výrazně zvýšena. Při kalení klesá procento trhlin a dalších defektů. Často se používá taková metoda saturace s různými prvky, která dodává odolnost vůči chemické korozi. Existuje však řada nedostatků. Vyžadují další zpracování, pravděpodobnost výskytu flokenů je vysoká. Kromě toho se náklady na materiál také zvyšují. Nejběžnějšími legovacími prvky jsou chrom, nikl, wolfram, molybden, kobalt. Oblast jejich aplikace je poměrně velká. Jedná se o strojírenství a výrobu dílů potrubí, elektráren, letectví a mnoho dalších.

Koncepce tepelné odolnosti a tepelné odolnosti

Pojem tepelná odolnost znamená schopnost kovu nebo slitiny zachovat všechny své vlastnosti při provozu při vysokých teplotách. V takovém prostředí je často pozorována koroze plynů. Proto musí mít materiál odolnost vůči působení, tj. Musí být odolný proti teplu. Vlastnosti slitin, které se používají při významné teplotě, by tedy měly zahrnovat obě tyto pojmy. Pouze taková ocel poskytne potřebný zdroj práce pro součásti, nástroje a další konstrukční prvky.

Vlastnosti žáruvzdorné oceli

V případech, kdy teplota dosáhne vysokých hodnot, je zapotřebí použití slitin, které se nerozpadnou a nedeformují. V tomto případě se používají žáruvzdorné slitiny. Provozní teplota pro tyto materiály je vyšší než 500 ° C. Důležitými momenty charakterizujícími tuto ocel jsou vysoká vytrvalost, plasticita, která trvá dlouhou dobu, stejně jako relaxační stabilita. Existuje řada prvků, které mohou výrazně zlepšit odolnost proti vysokým teplotám: kobalt, wolfram, molybden. Chrom je povinnou složkou. To nemá vliv na sílu tolik, jak to zvyšuje odpor měřítka. Chrom také zabraňuje korozi. Další důležitou vlastností slitin tohoto typu je pomalý tečení.

Klasifikace žáruvzdorných ocelí podle struktury

Žáruvzdorné a žáruvzdorné slitiny jsou z feritické třídy, martenzitické, austenitické a s feriticko-martenzitickou strukturou. První mají ve svém složení asi 30% chromu. Po speciální úpravě se struktura stává jemně zrnitým. Pokud teplota topení přesáhne 850 ° C, zvýší se zrna a takové tepelně odolné materiály se stanou křehkými. Martenzitická třída je charakterizována obsahem chrómu: od 4% do 12%. Také v menších množstvích mohou být přítomny nikl, wolfram a další prvky. Z nich jsou vyráběny části turbín, ventily v automobilech. Ocel, která má ve své konstrukci martenzit a ferit, je vhodná pro provoz při konstantních vysokých teplotách a dlouhodobém provozu. Obsah chrómu dosahuje 14%. Austenit se získá zavedením niklu do žáruvzdorných slitin. Ocel s podobnou strukturou má mnoho značek.

Slitiny na bázi niklu

Nikl má řadu užitečných vlastností. Má pozitivní vliv na obrobitelnost oceli (horké i studené). Pokud je součást nebo nástroj určen k práci v agresivním prostředí, dopování tímto prvkem výrazně zvyšuje odolnost proti korozi. Tepelně odolné materiály na bázi niklu jsou rozděleny do následujících skupin: vysokoteplotní a tepelně odolné. Ty by měly mít také minimální tepelně odolné vlastnosti. Pracovní teploty dosahují 1200 ° C. Kromě toho se přidává chrom nebo titan. Je typické, že nikl dopovaný ocelí má malé množství takových nečistot, jako je baryum, hořčík, bór, takže hranice zrn jsou tvrdší. Vysokoteplotní slitiny tohoto typu se vyrábějí ve formě výkovků a válcovaných výrobků. Také je možné odlévat díly. Hlavní oblastí jejich použití je výroba komponentů plynové turbíny. Tepelně odolné slitiny na bázi niklu obsahují do směsi až 30% chrómu. Jsou vhodné pro děrování, svařování. Navíc je odolnost měřítka na vysoké úrovni. To umožňuje jejich použití v plynovodních systémech.

Tepelně odolná ocel legovaná titanem

Titan se zavádí v malém množství (až do 0,3%). V tomto případě zvyšuje pevnost slitiny. Je-li jeho obsah mnohem vyšší, zhoršují se některé mechanické vlastnosti (tvrdost, pevnost). Ale plasticita se zároveň zvyšuje. To usnadňuje zpracování oceli. Při zavádění titanu spolu s dalšími součástmi je možné výrazně zlepšit charakteristiky tepelné odolnosti. Pokud je potřeba pracovat v agresivním prostředí (zvláště pokud se jedná o design svařování), doping s tímto chemickým prvkem je opodstatněný.

Slitiny kobaltu

Velké množství kobaltu (až 80%) jde do výroby takových materiálů, jako jsou žáruvzdorné a žáruvzdorné slitiny, protože v čisté podobě se zřídka používá. Jeho zavedení zvyšuje plasticitu, stejně jako odolnost vůči práci s vysokými teplotami. A čím je vyšší, tím vyšší je množství kobaltu zavedené do slitiny. V některých značkách dosahuje jeho obsah 30%. Další charakteristickou vlastností těchto ocelí je zlepšení magnetických vlastností. Nicméně kvůli vysokým nákladům na kobalt je jeho využití poměrně omezené.

Vliv molybdenu na vysokoteplotní slitiny

Tento chemický prvek výrazně ovlivňuje pevnost materiálu při vysokých teplotách. Zvláště efektivní je jeho použití spolu s dalšími prvky. Výrazně zvyšuje tvrdost oceli (i při obsahu 0,3%). Konečná síla se také zvyšuje. Další pozitivní vlastnost, která má vysokoteplotní slitiny dopované molybdenem - vysoký stupeň odolnosti vůči oxidačním procesům. Molybden podporuje posílení zrna. Nevýhodou je obtížnost svařování.

Jiné speciální oceli a slitiny

Chcete-li provádět určité úkoly, potřebujete materiály, které mají určité vlastnosti. Tak můžeme mluvit o použití speciálních slitin, které mohou být dopované i uhlíkové. Ve druhém z nich je soubor požadovaných vlastností dosažen díky skutečnosti, že výroba slitin a jejich zpracování probíhá za speciální technologií. Stále speciální slitiny a ocel jsou rozděleny na konstrukční a nástrojové. Mezi hlavní úkoly tohoto druhu materiálů lze identifikovat: odolnost vůči korozi a opotřebení, schopnost pracovat v agresivním prostředí, zvýšené mechanické vlastnosti. Tato kategorie zahrnuje jak žáruvzdorné oceli a slitiny s vysokou provozní teplotou, tak i kryogenní oceli, které vydrží až -296 ° C.

Nástrojová ocel

Pro výrobu nástrojů ve výrobě se používá speciální nástrojová ocel. Vzhledem k tomu, že se pracovní podmínky liší, jsou materiály také vybírány jednotlivě. Vzhledem k tomu, že nástroje jsou poměrně vysoké požadavky, a charakteristiky slitin na jejich výrobu v případě potřeby: musí mít vnější nečistot, inkluze dezoxidace procesu je dobře provedeno, a homogenní strukturu. U měřících přístrojů je velmi důležité mít stabilní parametry a odolat opotřebení. Když už mluvíme o řezných nástrojů, které pracují při vysokých teplotách (vytápění okraj nastane), konstantní tření a deformace. Proto je pro ně velmi důležité udržovat po zahřátí počáteční tvrdost. Jiný druh nástrojové oceli je vysokorychlostní. V podstatě je dopovaná wolframem. Tvrdost se udržuje na teplotě asi 600 ° C-C. Tam jsou také razítkové oceli. Jsou určeny pro deformaci za tepla i za studena.

Oblast použití slitin pro speciální účely

Průmyslová odvětví, ve kterých se používají slitiny se zvláštními vlastnostmi, jsou mnohé. S ohledem na jejich zlepšené vlastnosti jsou nezbytné v oblasti strojírenství, stavebnictví, ropného průmyslu. Tepelně odolné a žáruvzdorné slitiny se používají při výrobě částí turbín, náhradních dílů pro automobily. Oceli, které mají vysoké antikorozní vlastnosti, jsou nezbytné pro výrobu trubek, karburátorů jehly, disky, různé prvky v chemickém průmyslu. Železniční kolejnice, vědra, housenky pro dopravu - základem pro to vše je ocel odolná proti opotřebení. Slitiny automatů se používají při hromadné výrobě šroubů, matic a dalších podobných součástí. Pružiny by měly být dostatečně pružné a odolné proti opotřebení. Proto je pro ně materiál pružinová ocel. Ke zlepšení této kvality jsou dodatečně legovány chromem, molybdenem. Všechny speciální slitiny a oceli se sadou specifických charakteristik může snížit náklady jednotlivých částí, pokud dříve použitých neželezných kovů.