Aliaje rezistente la căldură. Oteluri si aliaje speciale. Producerea și utilizarea aliajelor rezistente la căldură

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 10:39

Industria modernă nu poate fi imaginată fără un astfel de material precum oțelul. Îl întâlnim aproape la fiecare pas. Prin introducerea diferitelor elemente chimice în compoziția sa, proprietățile mecanice și operaționale pot fi îmbunătățite semnificativ.

Ce este oțelul

Oțelul este un aliaj care conține carbon și fier. De asemenea, un astfel de aliaj (foto de mai jos) poate avea impurități ale altor elemente chimice.

Există mai multe stări structurale. Dacă conținutul de carbon este în intervalul 0,025-0,8%, atunci aceste oțeluri se numesc hipoeutectoide și au în structură perlită și ferită. Dacă oțelul este hipereutectoid, atunci pot fi observate faze perlitice și cementite. O caracteristică a structurii feritei este plasticitatea sa ridicată. Cementitul are și o duritate considerabilă. Perlitul formează ambele faze anterioare. Poate avea o formă granulară (incluziunile de cementită sunt situate de-a lungul boabelor de ferită, care au o formă rotundă) și lamelară (ambele faze arată ca plăci). Dacă oţelul este încălzit peste temperatura la careapar modificări polimorfe, structura se transformă în austenitică. Această fază a crescut plasticitatea. Dacă conținutul de carbon depășește 2,14%, atunci astfel de materiale și aliaje se numesc fontă.

Tipuri de oțel

În funcție de compoziție, oțelul poate fi carbon și aliaj. Conținutul de carbon mai mic de 0,25% caracterizează oțelul moale. Dacă cantitatea sa ajunge la 0,55%, atunci putem vorbi despre un aliaj cu carbon mediu. Oțelul, care are mai mult de 0,6% carbon în compoziția sa, este numit oțel cu conținut ridicat de carbon. Dacă, în procesul de producere a unui aliaj, tehnologia presupune introducerea unor elemente chimice specifice, atunci acest oțel se numește aliat. Introducerea diferitelor componente îi schimbă în mod semnificativ proprietățile. Dacă numărul lor nu depășește 4%, atunci aliajul este slab aliat. Oțelul mediu aliat și oțelul în alt aliat are până la 11% și, respectiv, mai mult de 12% din incluziuni. În funcție de zona în care sunt utilizate aliajele de oțel, există astfel de tipuri de ele: oțeluri și aliaje pentru scule, structurale și speciale.

Tehnologia de producție

Procesul de topire a oțelului este destul de laborios. Include mai multe etape. În primul rând, aveți nevoie de materii prime - minereu de fier. Prima etapă presupune încălzirea la o anumită temperatură. În acest caz, apar procese oxidative. În a doua etapă, temperatura devine mult mai ridicată. Procesele de oxidare a carbonului sunt mai intense. Este posibilă îmbogățirea suplimentară a aliajului cu oxigen. Impuritățile inutile sunt îndepărtatezgură. Următorul pas este eliminarea oxigenului din oțel, deoarece reduce semnificativ proprietățile mecanice. Aceasta poate fi realizată într-o manieră de difuzie sau precipitare. Dacă procesul de dezoxidare nu are loc, atunci oțelul rezultat se numește oțel la fierbere. Aliajul calm nu emite gaze, oxigenul este eliminat complet. O poziție intermediară este ocupată de oțeluri semi-liniștite. Producția de aliaje de fier are loc în vatră deschisă, cuptoare cu inducție, convertoare de oxigen.

Aliere de oțel

Pentru a obține anumite proprietăți ale oțelului, în compoziția acestuia se introduc substanțe speciale de aliere. Principalele avantaje ale acestui aliaj sunt rezistența crescută la diferite deformații, fiabilitatea pieselor și a altor elemente structurale crește semnificativ. Întărirea reduce procentul de fisuri și alte defecte. Adesea, această metodă de saturare cu diferite elemente este utilizată pentru a conferi rezistență la coroziunea chimică. Dar există și o serie de dezavantaje. Ele necesită o prelucrare suplimentară, probabilitatea apariției fulgilor este mare. În plus, costul materialului crește și el. Cele mai comune elemente de aliere sunt cromul, nichelul, wolframul, molibdenul, cob altul. Domeniul de aplicare al acestora este destul de mare. Aceasta include inginerie mecanică și fabricarea de piese pentru conducte, centrale electrice, aviație și multe altele.

Conceptul de rezistență la căldură și rezistență la căldură

Conceptul de rezistență la căldură se referă la capacitatea unui metal sau aliaj de a-și păstra toate caracteristicile atunci când lucrează la temperaturi ridicate. Într-un astfel de mediu, de multe orise observă coroziune gazoasă. Prin urmare, materialul trebuie să fie și rezistent la acțiunea sa, adică să fie rezistent la căldură. Astfel, caracterizarea aliajelor care sunt utilizate la temperaturi semnificative trebuie să includă ambele concepte. Numai atunci astfel de oțeluri vor asigura durata de viață necesară pentru piese, unelte și alte elemente structurale.

Caracteristici ale oțelului rezistent la căldură

În cazurile în care temperatura atinge valori ridicate, este necesară utilizarea unor aliaje care să nu se prăbușească și să nu cedeze deformării. În acest caz, se folosesc aliaje rezistente la căldură. Temperatura de funcționare pentru astfel de materiale este peste 500ºС. Puncte importante care caracterizează astfel de oțeluri sunt limita mare de rezistență, plasticitatea, care persistă mult timp, precum și stabilitatea la relaxare. Există o serie de elemente care pot crește semnificativ rezistența la temperaturi ridicate: cob alt, wolfram, molibden. Cromul este, de asemenea, o componentă necesară. Nu afectează atât de mult rezistența, cât crește rezistența la scară. De asemenea, cromul previne procesele de coroziune. O altă caracteristică importantă a aliajelor de acest tip este curajul lent.

Clasificarea oțelurilor termorezistente după structură

Aliajele termorezistente și termorezistente sunt din clasa feritică, martensitică, austenitică și cu structură feritic-martensitică. Primele conțin aproximativ 30% crom. După o prelucrare specială, structura devine cu granulație fină. Dacă temperatura de încălzire depășește 850ºС, atunci boabelecrește și astfel de materiale rezistente la căldură devin fragile. Clasa martensitică se caracterizează prin următorul conținut de crom: de la 4% la 12%. Nichelul, wolfram și alte elemente pot fi, de asemenea, prezente în cantități mici. Din acestea sunt fabricate părți ale turbinelor și supapelor din automobile. Oțelurile care au martensită și ferită în structură sunt potrivite pentru funcționare la temperaturi ridicate constante și funcționare pe termen lung. Conținutul de crom ajunge la 14%. Austenita se obține prin introducerea de nichel în aliaje rezistente la căldură. Oțelurile cu o structură similară au multe clase.

aliaje pe bază de nichel

Nichelul are o serie de proprietăți utile. Are un efect pozitiv asupra lucrabilității oțelului (atât la cald, cât și la rece). Dacă o piesă sau o une altă este proiectată să funcționeze într-un mediu agresiv, atunci aliarea cu acest element crește semnificativ rezistența la coroziune. Materialele rezistente la căldură pe bază de nichel sunt împărțite în următoarele grupe: rezistente la căldură și de fapt rezistente la căldură. Acesta din urmă ar trebui să aibă, de asemenea, caracteristici minime de rezistență la căldură. Temperaturile de lucru ajung la 1200ºС. În plus, se adaugă crom sau titan. În mod caracteristic, oțelurile aliate cu nichel au o cantitate mică de impurități precum bariu, magneziu, bor, astfel că limitele de cereale sunt mai întărite. Aliajele rezistente la căldură de acest tip sunt produse sub formă de produse forjate și laminate. De asemenea, este posibilă turnarea pieselor. Domeniul lor principal de aplicare este fabricarea elementelor de turbine cu gaz. Aliajele rezistente la căldură pe bază de nichel conțin până la 30% crom. Se pretează destul de bine la ștanțare, sudură. În plus, rezistența la scară este la un nivel ridicat. Acest lucru face posibilă utilizarea lor în sistemele de conducte de gaz.

Oțel aliaj de titan rezistent la căldură

Titanul este introdus într-o cantitate mică (până la 0,3%). În acest caz, crește rezistența aliajului. Dacă conținutul său este mult mai mare, atunci unele proprietăți mecanice se deteriorează (duritate, rezistență). Dar plasticitatea crește. Acest lucru facilitează prelucrarea oțelului. Odată cu introducerea titanului împreună cu alte componente, este posibilă îmbunătățirea semnificativă a caracteristicilor de rezistență la căldură. Dacă este necesar să se lucreze într-un mediu agresiv (mai ales atunci când proiectarea implică sudare), atunci alierea cu acest element chimic este justificată.

aliaje de cob alt

O cantitate mare de cob alt (până la 80%) este destinată producției de materiale precum aliaje rezistente la căldură și rezistente la căldură, deoarece este rar folosit în forma sa pură. Introducerea acestuia crește plasticitatea, precum și rezistența atunci când se lucrează la temperaturi ridicate. Și cu cât este mai mare, cu atât este mai mare cantitatea de cob alt introdusă în aliaj. În unele mărci, conținutul său ajunge la 30%. O altă trăsătură caracteristică a unor astfel de oțeluri este îmbunătățirea proprietăților magnetice. Cu toate acestea, din cauza costului ridicat al cob altului, utilizarea acestuia este destul de limitată.

Influența molibdenului asupra aliajelor rezistente la căldură

Acest element chimic afectează în mod semnificativ rezistența materialului la temperaturi ridicate.

Este deosebit de eficient atunci când este utilizat împreună cu alte elemente. Crește semnificativ duritatea oțelului (deja la un conținut de 0,3%). Crește și rezistența la tracțiune. O altă caracteristică pozitivă pe care o au aliajele rezistente la căldură aliate cu molibden este un grad ridicat de rezistență la procesele oxidative. Molibdenul contribuie la măcinarea cerealelor. Dezavantajul este dificultatea sudării.

Alte oțeluri și aliaje speciale

Pentru a îndeplini anumite sarcini, sunt necesare materiale care au anumite proprietăți. Astfel, putem vorbi despre utilizarea aliajelor speciale, care pot fi atât aliate, cât și carbon. În aceasta din urmă, setul de caracteristici cerute se realizează datorită faptului că fabricarea aliajelor și prelucrarea lor se realizează folosind o tehnologie specială. Chiar și aliajele speciale și oțelurile sunt împărțite în structurale și instrumente. Printre sarcinile principale pentru acest tip de materiale se pot distinge: rezistența la coroziune și procese de uzură, capacitatea de a lucra într-un mediu agresiv și caracteristicile mecanice îmbunătățite. Această categorie include atât oțeluri și aliaje rezistente la căldură cu temperaturi ridicate de funcționare, cât și oțeluri criogenice care pot rezista până la -296ºС.

Oțel pentru scule

Oțelul special pentru scule este utilizat în producția de scule. Datorită faptului că condițiile lor de lucru sunt diferite, materialele sunt, de asemenea, selectate individual. Deoarece cerințele pentru unelte sunt destul de ridicate, caracteristicile aliajelor pentru acesteaproducția este adecvată: trebuie să fie lipsite de impurități terțe, incluziuni, procesul de dezoxidare este bine efectuat, iar structura este omogenă. Este foarte important ca instrumentele de măsură să aibă parametri stabili și să reziste la uzură. Dacă vorbim despre scule de tăiere, atunci acestea funcționează la temperaturi ridicate (există încălzire a marginii), frecare constantă și deformare. Prin urmare, este foarte important pentru ei să-și mențină duritatea primară atunci când sunt încălzite. Un alt tip de oțel pentru scule este oțelul de mare viteză. Practic, este dopat cu wolfram. Duritatea este menținută până la o temperatură de aproximativ 600ºС. Există și oțeluri matrițe. Sunt proiectate atât pentru formare la cald, cât și pentru formare la rece.

Aplicații speciale pentru aliaje

Industriile care folosesc aliaje cu caracteristici speciale sunt multe. Datorită calităților lor îmbunătățite, ele sunt indispensabile în inginerie mecanică, construcții și industria petrolului. Aliajele termorezistente și rezistente la căldură sunt folosite la fabricarea pieselor de turbine, piese de schimb pentru mașini. Oțelurile care au caracteristici anticorozive ridicate sunt indispensabile pentru producția de țevi, ace de carburator, discuri și diverse elemente ale industriei chimice. Șine de cale ferată, găleți, șine pentru vehicule - oțelurile rezistente la uzură sunt baza pentru toate acestea. În producția de masă de șuruburi, piulițe și alte piese similare, se folosesc aliaje automate. Arcurile trebuie să fie suficient de elastice și rezistente la uzură. De aceeamaterialul pentru ei este oțel pentru arc. Pentru a îmbunătăți această calitate, acestea sunt aliate suplimentar cu crom, molibden. Toate aliajele speciale și oțelurile cu un set de caracteristici specifice pot reduce costul pieselor în care au fost utilizate anterior metale neferoase.