Varmebestandige legeringer. Specialstål og legeringer. Produktion og brug af varmebestandige legeringer

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 10:22

Moderne industri kan ikke forestilles uden sådant materiale som stål. Vi støder på det næsten hver gang. Ved at indføre forskellige kemiske elementer i dens sammensætning kan mekaniske og operationelle egenskaber forbedres væsentligt.

Hvad er stål

Stål er en legering, der indeholder kulstof og jern. En sådan legering (foto nedenfor) kan også have urenheder af andre kemiske grundstoffer.

Der er flere strukturelle tilstande. Hvis kulstofindholdet er i intervallet 0,025-0,8%, så kaldes disse stål hypoeutectoid og har perlit og ferrit i deres struktur. Hvis stålet er hypereutektoid, kan perlitiske og cementitfaser observeres. Et træk ved ferritstrukturen er dens høje plasticitet. Cementit har også en betydelig hårdhed. Perlit fra begge tidligere faser. Det kan have en granulær form (indeslutninger af cementit er placeret langs ferritkornene, som har en rund form) og lamelformet (begge faser ligner plader). Hvis stål opvarmes over den temperatur, hvorvedpolymorfe modifikationer opstår, strukturen ændres til austenitisk. Denne fase har øget plasticitet. Hvis kulstofindholdet overstiger 2,14 %, kaldes sådanne materialer og legeringer støbejern.

Ståltyper

Afhængigt af sammensætningen kan stål være kulstof og legeret. Kulstofindholdet mindre end 0,25 % kendetegner blødt stål. Hvis mængden når 0,55%, kan vi tale om en legering med medium kulstof. Stål, som har mere end 0,6% kulstof i sin sammensætning, kaldes stål med højt kulstofindhold. Hvis teknologien i processen med at fremstille en legering involverer indførelsen af specifikke kemiske elementer, så kaldes dette stål legeret. Indførelsen af forskellige komponenter ændrer dens egenskaber væsentligt. Hvis deres antal ikke overstiger 4%, er legeringen lavlegeret. Mellemlegeret og højlegeret stål har henholdsvis op til 11 % og mere end 12 % af indeslutninger. Afhængigt af det område, hvor stållegeringer bruges, er der sådanne typer af dem: værktøjs-, struktur- og specialstål og legeringer.

Produktionsteknologi

Processen med at smelte stål er ret besværlig. Det omfatter flere faser. Først og fremmest har du brug for råvarer - jernmalm. Det første trin involverer opvarmning til en bestemt temperatur. I dette tilfælde forekommer oxidative processer. I anden fase bliver temperaturen meget højere. Processerne med carbonoxidation er mere intensive. Yderligere berigelse af legeringen med oxygen er mulig. Unødvendige urenheder fjernes indslagge. Næste skridt er at fjerne ilt fra stålet, da det reducerer de mekaniske egenskaber markant. Dette kan udføres på en diffusions- eller udfældningsmåde. Hvis deoxidationsprocessen ikke finder sted, kaldes det resulterende stål kogende stål. Rolig legering udsender ikke gasser, ilt fjernes fuldstændigt. En mellemstilling er optaget af halvstøjsvage stål. Produktionen af jernlegeringer foregår i åben ild, induktionsovne, iltkonvertere.

Stållegering

For at opnå visse egenskaber ved stål indføres specielle legeringsstoffer i dets sammensætning. De vigtigste fordele ved denne legering er øget modstand mod forskellige deformationer, pålideligheden af dele og andre strukturelle elementer øges betydeligt. Hærdning reducerer procentdelen af revner og andre defekter. Ofte bruges denne metode til mætning med forskellige elementer til at give modstand mod kemisk korrosion. Men der er også en række ulemper. De kræver yderligere behandling, sandsynligheden for udseendet af flager er høj. Derudover stiger omkostningerne ved materialet også. De mest almindelige legeringselementer er krom, nikkel, wolfram, molybdæn, kobolt. Omfanget af deres anvendelse er ret stort. Dette omfatter maskinteknik og fremstilling af dele til rørledninger, kraftværker, luftfart og meget mere.

Begrebet varmemodstand og varmemodstand

Begrebet varmemodstand refererer til et metals eller en legerings evne til at bevare alle dets egenskaber, når der arbejdes ved høje temperaturer. I sådanne omgivelser, oftegaskorrosion observeres. Derfor skal materialet også være modstandsdygtigt over for dets påvirkning, det vil sige være varmebestandigt. Karakteriseringen af legeringer, der anvendes ved betydelige temperaturer, skal således omfatte begge disse begreber. Først da vil sådanne stål give den nødvendige levetid for dele, værktøj og andre strukturelle elementer.

Funktioner af varmebestandigt stål

I tilfælde, hvor temperaturen når høje værdier, kræves der brug af legeringer, som ikke vil kollapse og bukke under for deformation. I dette tilfælde anvendes varmebestandige legeringer. Driftstemperaturen for sådanne materialer er over 500ºС. Vigtige punkter, der kendetegner sådanne stål, er høj udholdenhedsgrænse, plasticitet, som varer ved i lang tid, samt afslapningsstabilitet. Der er en række elementer, der betydeligt kan øge modstanden mod høje temperaturer: kobolt, wolfram, molybdæn. Chrom er også en nødvendig komponent. Det påvirker ikke så meget styrken, da det øger skalamodstanden. Chrom forhindrer også korrosionsprocesser. En anden vigtig egenskab ved legeringer af denne type er langsom krybning.

Klassificering af varmebestandige stål efter struktur

Varmebestandige og varmebestandige legeringer er af ferritisk klasse, martensitisk, austenitisk og med en ferritisk-martensitisk struktur. Førstnævnte indeholder omkring 30% chrom. Efter speciel forarbejdning bliver strukturen finkornet. Hvis opvarmningstemperaturen overstiger 850ºС, så kornenestige, og sådanne varmebestandige materialer bliver skøre. Den martensitiske klasse er kendetegnet ved følgende chromindhold: fra 4% til 12%. Nikkel, wolfram og andre grundstoffer kan også være til stede i små mængder. Dele af turbiner og ventiler i biler er lavet af dem. Stål, der har martensit og ferrit i deres struktur, er velegnede til drift ved konstant høje temperaturer og langtidsdrift. Chromindholdet når 14%. Austenit opnås ved at indføre nikkel i varmebestandige legeringer. Stål med en lignende struktur har mange kvaliteter.

Nikkelbaserede legeringer

Nikkel har en række nyttige egenskaber. Det har en positiv effekt på stålets bearbejdelighed (både varmt og koldt). Hvis en del eller et værktøj er designet til at arbejde i et aggressivt miljø, øger legering med dette element markant korrosionsbestandigheden. Nikkelbaserede varmebestandige materialer er opdelt i følgende grupper: varmebestandige og faktisk varmebestandige. Sidstnævnte bør også have minimale varmebestandige egenskaber. Arbejdstemperaturer når 1200ºС. Derudover tilsættes chrom eller titanium. Karakteristisk har stål legeret med nikkel en lille mængde urenheder såsom barium, magnesium, bor, så korngrænserne er mere styrket. Varmebestandige legeringer af denne type fremstilles i form af smedegods og valsede produkter. Det er også muligt at støbe dele. Deres hovedanvendelsesområde er fremstilling af gasturbineelementer. Nikkelbaserede varmebestandige legeringer indeholder op til 30 % krom. De egner sig godt nok til stempling, svejsning. Derudover er skalamodstanden på et højt niveau. Dette gør det muligt at bruge dem i gasrørledningssystemer.

Varmebestandigt titanlegeringsstål

Titanium introduceres i en lille mængde (op til 0,3%). I dette tilfælde øger det legeringens styrke. Hvis indholdet er meget højere, forringes nogle mekaniske egenskaber (hårdhed, styrke). Men plasticiteten øges. Dette letter forarbejdningen af stål. Med introduktionen af titanium sammen med andre komponenter er det muligt at forbedre de varmebestandige egenskaber markant. Hvis der er behov for at arbejde i et aggressivt miljø (især når designet involverer svejsning), er legering med dette kemiske element berettiget.

Koboltlegeringer

En stor mængde kobolt (op til 80%) går til produktion af materialer som varmebestandige og varmebestandige legeringer, da det sjældent bruges i sin rene form. Dens introduktion øger plasticiteten såvel som modstanden ved arbejde ved høje temperaturer. Og jo højere den er, desto højere er mængden af kobolt, der indføres i legeringen. I nogle mærker når indholdet op på 30 %. Et andet karakteristisk træk ved sådanne stål er forbedringen i magnetiske egenskaber. Men på grund af de høje omkostninger ved kobolt er brugen ret begrænset.

Molybdæns indflydelse på varmebestandige legeringer

Dette kemiske element påvirker materialets styrke væsentligt ved høje temperaturer.

Det er især effektivt, når det bruges sammen med andre elementer. Det øger stålets hårdhed betydeligt (allerede ved et indhold på 0,3%). Trækstyrken øges også. En anden positiv egenskab, som varmebestandige legeringer legeret med molybdæn har, er en høj grad af modstand mod oxidative processer. Molybdæn bidrager til formaling af korn. Ulempen er vanskeligheden ved at svejse.

Andre specialstål og -legeringer

For at udføre bestemte opgaver kræves der materialer, der har bestemte egenskaber. Således kan vi tale om brugen af specielle legeringer, som både kan være legeret og kulstof. I sidstnævnte opnås sættet af krævede egenskaber på grund af det faktum, at fremstillingen af legeringer og deres forarbejdning finder sted ved hjælp af en speciel teknologi. Selv specielle legeringer og stål er opdelt i struktur og værktøj. Blandt hovedopgaverne for denne type materialer kan følgende skelnes: modstand mod korrosion og slidprocesser, evnen til at arbejde i et aggressivt miljø og forbedrede mekaniske egenskaber. Denne kategori omfatter både varmebestandige stål og legeringer med høje driftstemperaturer og kryogene stål, der kan modstå op til -296ºС.

Værktøjsstål

Specialværktøjsstål bruges til fremstilling af værktøj. På grund af det faktum, at deres arbejdsforhold er forskellige, vælges materialer også individuelt. Da kravene til værktøjer er ret høje, er legeringernes egenskaber for deresproduktionen er passende: de skal være fri for tredjeparts urenheder, indeslutninger, deoxidationsprocessen er godt udført, og strukturen er homogen. Det er meget vigtigt for måleinstrumenter at have stabile parametre og modstå slid. Hvis vi taler om skærende værktøjer, så arbejder de ved forhøjede temperaturer (der er opvarmning af kanten), konstant friktion og deformation. Derfor er det meget vigtigt for dem at bevare deres primære hårdhed, når de opvarmes. En anden type værktøjsstål er højhastighedsstål. Grundlæggende er det dopet med wolfram. Hårdheden opretholdes op til en temperatur på omkring 600ºС. Der er også formstål. De er designet til både varm- og koldformning.

Special legeringsapplikationer

Brancher, der bruger legeringer med særlige egenskaber, er mange. På grund af deres forbedrede kvaliteter er de uundværlige i maskinteknik, byggeri og olieindustrien. Varmebestandige og varmebestandige legeringer bruges til fremstilling af turbinedele, reservedele til biler. Stål, der har høje anti-korrosionsegenskaber, er uundværlige til produktion af rør, karburatornåle, skiver og forskellige elementer i den kemiske industri. Jernbaneskinner, skovle, skinner til køretøjer - slidstærke stål er grundlaget for alt dette. Ved masseproduktion af bolte, møtrikker og andre lignende dele anvendes automatiske legeringer. Fjedrene skal være tilstrækkeligt elastiske og slidstærke. Derformateriale til dem er fjederstål. For at forbedre denne kvalitet er de desuden legeret med chrom, molybdæn. Alle speciallegeringer og stål med et sæt specifikke egenskaber kan reducere omkostningerne til dele, hvor ikke-jernholdige metaller tidligere blev brugt.