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

Съвременната индустрия не може да се представи без такива материали като стоманата. С него се срещаме на практика на всяка крачка. Чрез въвеждане на различни химични елементи в неговия състав, механичните и експлоатационните свойства могат значително да бъдат подобрени.

Какво представлява стоманата?

Стоманата е сплав, която има въглерод и желязо в състава си. Също така, такава сплав (снимката е разположена по-долу) може да има примеси от други химически елементи.

Има няколко структурни състояния. Ако съдържанието на въглерод е в диапазона от 0.025-0.8%, данните се наричат ​​предварително еутектоидни и имат структура от перлит и ферит. Ако стоманата е хипереутектоидна, тогава могат да се наблюдават пелитични и циментови фази. Характерна особеност на феритната структура е голямата пластичност. Cementite има значителна твърдост. Перлитът образува и двете предишни фази. Той може да има гранулирана форма (върху зърната на феритите има цилицитни циклони, които имат кръгова форма) и ламеларни (двете фази имат формата на плочи). Ако стоманата се нагрява над температурата, при която възникват полиморфни модификации, структурата се променя на аустенит. Тази фаза има увеличена пластичност. Ако съдържанието на въглерод надвишава 2.14%, тогава тези материали и сплави се наричат ​​чугун.

Видове стомана

В зависимост от композитна стомана могат да бъдат въглеродни и легирани. Съдържа въглеродно съдържание по-малко от 0,25% нисковъглеродна стомана. Ако количеството му достигне 0.55%, тогава можем да говорим за средновъглеродна сплав. Стоманата, която в състава си има повече от 0.6% въглерод, се нарича високо въглерод. Ако, както се произвежда сплавта, технологията предполага въвеждането на специфични химически елементи, тогава тази стомана се нарича легирана. Въвеждането на различни компоненти значително променя свойствата си. Ако броят им не надвишава 4%, тогава сплавта е ниско легирана. Среднолегираните и високо легирана стомана има съответно до 11% и повече от 12% включвания. В зависимост от сферата, в която се използват стоманени сплави, се разграничават типовете им: инструментални, структурни и специални стомани и сплави.

Производствена технология

Процесът стоманено топене доста труден. Тя включва няколко етапа. На първо място са необходими суровини - желязна руда. Първият етап включва нагряване до определена температура. Окислителните процеси се появяват. На втория етап температурата става много по-висока. Процесите на въглеродно окисляване са по-интензивни. Възможно е допълнително да се обогати сплавта с кислород. Ненужните примеси се отстраняват в шлаката. Следващата стъпка е да се премахне кислородът от стоманата, тъй като значително намалява механичните свойства. Това може да стане чрез дифузия или валежи. Ако процесът на дезоксидация не се случи, получената стомана се нарича кипене. А спокойна сплав не отделя газове, кислородът е напълно отстранен. Междинната позиция е заета от половин кварцови стомани. Производството на железни сплави се осъществява в пещи с отворени пещи, индукционни пещи, кислородни преобразуватели.

Сплавяване на стоманата

За да се получат тези или други свойства на стоманата, в състава й се влагат специални легиращи вещества. Основните предимства на такава сплав са повишената устойчивост на различни деформации, надеждността на частите и другите структурни елементи е значително увеличена. По време на охлаждането процентът на пукнатини и други дефекти намалява. Често такъв метод на насищане с различни елементи се използва за придаване на устойчивост на химическа корозия. Но има редица недостатъци. Те изискват допълнителна обработка, вероятността за възникване на флоуни е висока. Освен това цената на материала също се увеличава. Най-често срещаните легиращи елементи са хром, никел, волфрам, молибден, кобалт. Областта на тяхното приложение е доста голяма. Това е инженеринг и производството на части от тръбопроводи, електроцентрали, авиация и много други.

Концепцията за устойчивост на топлина и топлоустойчивост

Концепцията за устойчивост на топлина означава способността на метал или сплав да запази всичките си характеристики при работа при високи температури. В такава среда често се наблюдава корозия на газа. Следователно, материалът трябва да има устойчивост на действието си, т.е. да бъде устойчив на топлина. По този начин характеристиките на сплавите, които се използват при значителна температура, трябва да включват и двете тези понятия. Само тогава такава стомана ще осигури необходимия ресурс за работа за части, инструменти и други структурни елементи.

Характеристики на топлоустойчива стомана

В случаите, когато температурата достига високи стойности, се изисква използването на сплави, което няма да се разруши и деформира. В този случай се използват топлоустойчиви сплави. Работната температура на тези материали е над 500 градуса-С. Важни моменти, характерни за тази стомана, са високата издържливост, пластичността, която продължава дълго време, както и устойчивостта на релаксация. Съществуват редица елементи, които могат значително да подобрят устойчивостта на високи температури: кобалт, волфрам, молибден. Хромът е задължителен елемент. Тя не влияе на силата толкова много, колкото подобрява съпротивлението на скалата. Освен това хромът предотвратява процесите на корозия. Друга важна характеристика на сплавите от този тип е бавното пълзене.

Класификация на термоустойчивите стомани по структура

Топлоустойчивите и топлоустойчиви сплави са от феритна класа, мартензитна, аустенитна и с феритно-мартензитна структура. Първите имат в състава си около 30% хром. След специално третиране структурата става фино зърнеста. Ако температурата на нагряване надвишава 850 градуса-C, зърното се увеличава и такива устойчиви на топлина материали стават крехки. Мартензитният клас се характеризира с съдържание на хром: от 4% до 12%. Също така в малки количества могат да присъстват никел, волфрам и други елементи. От тях се произвеждат части от турбини, вентили в автомобили. Стоманите с мартезит и ферит в структурата им са подходящи за работа при постоянни високи температури и дълготрайна експлоатация. Съдържанието на хром достига 14%. Аустенитът се получава чрез въвеждане на никел в устойчиви на топлина сплави. Стомана с подобна структура има много марки.

Сплави на никел

Никелът има редица полезни свойства. Той има положителен ефект върху обработваемостта на стоманата (топла и студена). Ако част или инструмент е проектиран да работи в агресивна среда, допингът с този елемент значително увеличава устойчивостта на корозия. Топлоустойчивите материали на базата на никел са разделени на следните групи: висока температура и всъщност топлоустойчивост. Последните също трябва да имат минимални топлоустойчиви характеристики. Работните температури достигат 1200db-C. Освен това се добавя хром или титан. Характерно е, че никеловата стомана има малко количество такива примеси като барий, магнезий, бор, така че границите на зърната са по-закалени. Високотемпературните сплави от този тип се произвеждат под формата на изковки и валцувани продукти. Възможно е също да се хвърлят части. Основната област на тяхното приложение е производството на компоненти за газови турбини. Топлоустойчивите никелови сплави имат до 30% хром в състава. Те са подходящи за щанцоване, заваряване. В допълнение, съпротивлението на скалата е на високо ниво. Това прави възможно използването им в газопроводните системи.

Топлоустойчива стомана, легирана с титан

Титан се въвежда в малко количество (до 0,3%). В този случай увеличава силата на сплавта. Ако съдържанието му е много по-високо, някои механични свойства се влошават (твърдост, сила). Но пластиката в същото време се увеличава. Това улеснява обработката на стоманата. Когато се въвежда титан заедно с други компоненти, е възможно значително да се подобрят характеристиките на топлинната устойчивост. Ако има нужда да работите в агресивна среда (особено когато дизайнът включва заваряване), тогава допингът с този химически елемент е оправдан.

Кобалтови сплави

Голямо количество кобалт (до 80%) отива за производството на такива материали като топлоустойчиви и топлинно устойчиви сплави, тъй като в чиста форма се използва рядко. Въвеждането му увеличава пластичността, както и устойчивостта на работа при високи температури. И колкото по-високо е, толкова по-голямо количество кобалт се вкарва в сплавта. В някои марки съдържанието му достига 30%. Друга характеристика на тези стомани е подобряването на магнитните свойства. Въпреки това, поради високата цена на кобалта, използването му е доста ограничено.

Ефект на молибден върху високотемпературни сплави

Този химичен елемент влияе значително върху здравината на материала при високи температури. Особено ефективно е използването му заедно с други елементи. Това значително увеличава твърдостта на стоманата (дори при съдържание от 0,3%). Крайната сила също се увеличава. Друга положителна характеристика, която има високотемпературни сплави, дозирани с молибден - висока степен на устойчивост на окислителни процеси. Молибденът насърчава усъвършенстването на зърното. Недостатъкът е трудността при заваряване.

Други специални стомани и сплави

За да изпълнявате определени задачи, се нуждаете от 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. В последния набор от изисквани характеристики се постига благодарение на факта, че производството на сплави и тяхната обработка се извършва със специална технология. Все още специални сплави и стомана са разделени на структурни и инструмент. Сред основните задачи за този вид материали могат да бъдат идентифицирани следните: устойчивост на корозия и износване, способност за работа в агресивна среда, повишени механични характеристики. Тази категория включва както топлинно-устойчиви стомани и сплави с висока работна температура, така и криогенни стомани, които могат да издържат до -296одм-С.

Инструментална стомана

За производството на инструменти в производството се използва специална инструментална стомана. Предвид факта, че условията на труд са различни, материалите се избират индивидуално. Тъй като инструментите са доста високи изисквания, както и характеристиките на сплавите за тяхното производство, както е необходимо: те трябва да са свободни от външни примеси, включвания на процес дезоксидация е добре извършени, и хомогенна структура. За измервателните уреди е много важно да има стабилни параметри и да се противодейства на износването. Ако говорим за режещи инструменти, те работят в условия на повишени температури (има нагряване на ръба), постоянно триене и деформация. Затова е много важно за тях да се запази първоначалната твърдост при нагряване. Друг вид инструментална стомана е високоскоростната. По принцип, той е легиран с волфрам. Твърдостта се поддържа до температура около 600 градуса-С. Има и щамповани стомани. Те са предназначени за топла и студена деформация.

Област на приложение на сплави за специални цели

Промишлеността, в която се използват сплави със специални характеристики, са много. С оглед на подобрените им качества, те са незаменими в областта на машиностроенето, строителството, нефтената промишленост. Топлоустойчивите и топлоустойчиви сплави се използват при производството на части от турбини, резервни части за автомобили. Стомани с висока устойчивост на корозия са необходими за производството на тръби, игли за карбуратори, дискове, всички видове химически елементи. Релси за железопътни линии, кофи, гъсеници за транспорт - основата за всичко това е устойчива на износване стомана. Сплавите на автомати се използват в масовото производство на болтове, гайки и други подобни части. Пружините трябва да са достатъчно еластични и устойчиви на износване. Затова материалът за тях е пружинна стомана. За да подобрят това качество, те допълнително се легират с хром, молибден. Всички специални сплави и стомани с набор от определени характеристики могат да намалят разходите за части, където преди това се използват цветни метали.