Legura otporna na toplinu. Specijalni čelici i legure. Proizvodnja i uporaba legura otpornih na toplinu

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 10:29

Moderna industrija ne može se zamisliti bez materijala poput čelika. Susrećemo ga gotovo na svakom koraku. Uvođenjem različitih kemijskih elemenata u njegov sastav, mehanička i radna svojstva mogu se značajno poboljšati.

Što je čelik

Čelik je legura koja sadrži ugljik i željezo. Također, takva legura (fotografija ispod) može imati nečistoće drugih kemijskih elemenata.

Postoji nekoliko strukturnih stanja. Ako je sadržaj ugljika u rasponu od 0,025-0,8%, onda se ovi čelici nazivaju hipoeutektoidni i imaju perlit i ferit u svojoj strukturi. Ako je čelik hipereutektoidan, tada se mogu uočiti perlitne i cementitne faze. Značajka feritne strukture je njena visoka plastičnost. Cementit također ima značajnu tvrdoću. Perlit tvori obje prethodne faze. Može biti zrnastog oblika (uključci cementita nalaze se duž zrna ferita, koji imaju okrugli oblik) i lamelarni (obje faze izgledaju kao ploče). Ako se čelik zagrije iznad temperature na kojojdolazi do polimorfnih modifikacija, struktura se mijenja u austenitnu. Ova faza ima povećanu plastičnost. Ako sadržaj ugljika prelazi 2,14%, tada se takvi materijali i legure nazivaju lijevano željezo.

Vrste čelika

Ovisno o sastavu, čelik može biti ugljični i legiran. Sadržaj ugljika manji od 0,25% karakterizira meki čelik. Ako njegova količina dosegne 0,55%, onda možemo govoriti o leguri srednjeg ugljika. Čelik, koji u svom sastavu ima više od 0,6% ugljika, naziva se čelik s visokim udjelom ugljika. Ako u procesu proizvodnje legure tehnologija uključuje uvođenje određenih kemijskih elemenata, tada se ovaj čelik naziva legiranim. Uvođenje različitih komponenti značajno mijenja njegova svojstva. Ako njihov broj ne prelazi 4%, tada je legura niskolegirana. Srednje legirani i visokolegirani čelik imaju do 11%, odnosno više od 12% inkluzija. Ovisno o području u kojem se koriste legure čelika, postoje takve vrste: alatni, konstrukcijski i specijalni čelici i legure.

Tehnologija proizvodnje

Proces taljenja čelika je prilično naporan. Uključuje nekoliko faza. Prije svega, potrebne su vam sirovine - željezna ruda. Prva faza uključuje zagrijavanje na određenu temperaturu. U tom slučaju dolazi do oksidativnih procesa. U drugoj fazi, temperatura postaje znatno viša. Procesi oksidacije ugljika su intenzivniji. Moguće je dodatno obogaćivanje legure kisikom. Uklanjaju se nepotrebne nečistoćetroska. Sljedeći korak je uklanjanje kisika iz čelika, jer značajno smanjuje mehanička svojstva. To se može izvesti na način difuzije ili taloženja. Ako se proces deoksidacije ne dogodi, tada se dobiveni čelik naziva čelik koji vrije. Mirna legura ne ispušta plinove, kisik se potpuno uklanja. Srednju poziciju zauzimaju polutihi čelici. Proizvodnja željeznih legura odvija se na otvorenom ložištu, indukcijskim pećima, pretvaračima kisika.

Legiranje čelika

Da bi se postigla određena svojstva čelika, u njegov sastav se uvode posebne legirne tvari. Glavne prednosti ove legure su povećana otpornost na različite deformacije, značajno se povećava pouzdanost dijelova i drugih strukturnih elemenata. Stvrdnjavanjem se smanjuje postotak pukotina i drugih nedostataka. Često se ova metoda zasićenja različitim elementima koristi za pružanje otpornosti na kemijsku koroziju. Ali postoji i niz nedostataka. Zahtijevaju dodatnu obradu, vjerojatnost pojave pahuljica je velika. Osim toga, povećava se i trošak materijala. Najčešći legirni elementi su krom, nikal, volfram, molibden, kob alt. Opseg njihove primjene je prilično velik. To uključuje strojarstvo i proizvodnju dijelova za cjevovode, elektrane, zrakoplovstvo i još mnogo toga.

Koncept otpornosti na toplinu i otpornosti na toplinu

Koncept otpornosti na toplinu odnosi se na sposobnost metala ili legure da zadrži sve svoje karakteristike pri radu na visokim temperaturama. U takvom okruženju, čestouočava se korozija plina. Stoga materijal također mora biti otporan na njegovo djelovanje, odnosno biti otporan na toplinu. Dakle, karakterizacija legura koje se koriste pri značajnim temperaturama mora uključivati oba ova koncepta. Tek tada će takvi čelici osigurati potrebni vijek trajanja za dijelove, alate i druge strukturne elemente.

Značajke čelika otpornog na toplinu

U slučajevima kada temperatura dosegne visoke vrijednosti, potrebna je upotreba legura koje se neće srušiti i podleći deformaciji. U ovom slučaju koriste se legure otporne na toplinu. Radna temperatura za takve materijale je iznad 500ºS. Važne točke koje karakteriziraju takve čelike su visoka granica izdržljivosti, dugotrajna plastičnost, kao i relaksirajuća stabilnost. Postoji niz elemenata koji mogu značajno povećati otpornost na visoke temperature: kob alt, volfram, molibden. Krom je također obavezna komponenta. Ne utječe toliko na čvrstoću koliko povećava otpor kamenca. Krom također sprječava procese korozije. Još jedna važna karakteristika legura ove vrste je sporo puzanje.

Klasifikacija čelika otpornih na toplinu prema strukturi

Legura otporna na toplinu i toplinu su feritne klase, martenzitne, austenitne i feritno-martenzitne strukture. Prvi sadrže oko 30% kroma. Nakon posebne obrade, struktura postaje fino zrnasta. Ako temperatura grijanja prelazi 850ºS, tada zrnapovećavaju, a takvi materijali otporni na toplinu postaju lomljivi. Klasu martenzita karakterizira sljedeći sadržaj kroma: od 4% do 12%. Nikl, volfram i drugi elementi također mogu biti prisutni u malim količinama. Od njih se izrađuju dijelovi turbina i ventili u automobilima. Čelici koji u svojoj strukturi imaju martenzit i ferit pogodni su za rad na konstantno visokim temperaturama i dugotrajan rad. Sadržaj kroma doseže 14%. Austenit se dobiva uvođenjem nikla u legure otporne na toplinu. Čelici slične strukture imaju mnogo razreda.

Legura na bazi nikla

Nikal ima niz korisnih svojstava. Pozitivno djeluje na obradivost čelika (i toplog i hladnog). Ako je dio ili alat dizajniran za rad u agresivnom okruženju, tada legiranje s ovim elementom značajno povećava otpornost na koroziju. Materijali otporni na toplinu na bazi nikla podijeljeni su u sljedeće skupine: otporni na toplinu i zapravo otporni na toplinu. Potonji bi također trebali imati minimalne karakteristike otpornosti na toplinu. Radne temperature dosežu 1200ºS. Dodatno se dodaje krom ili titan. Karakteristično je da čelici legirani niklom imaju malu količinu nečistoća kao što su barij, magnezij, bor, pa su granice zrna jače ojačane. Ove vrste legure otporne na toplinu proizvode se u obliku otkovaka i valjanih proizvoda. Također je moguće lijevati dijelove. Njihovo glavno područje primjene je proizvodnja elemenata plinskih turbina. Toplotno otporne legure na bazi nikla sadrže do 30% kroma. Dovoljno su pogodni za štancanje, zavarivanje. Osim toga, otpor skale je na visokoj razini. To omogućuje njihovu upotrebu u sustavima plinovoda.

čelik od legure titana otporan na toplinu

Titan se uvodi u maloj količini (do 0,3%). U ovom slučaju povećava čvrstoću legure. Ako je njegov sadržaj puno veći, tada se pogoršavaju neka mehanička svojstva (tvrdoća, čvrstoća). Ali plastičnost se povećava. To olakšava obradu čelika. Uvođenjem titana zajedno s ostalim komponentama moguće je značajno poboljšati karakteristike otpornosti na toplinu. Ako postoji potreba za radom u agresivnom okruženju (osobito kada dizajn uključuje zavarivanje), onda je legiranje s ovim kemijskim elementom opravdano.

Legura kob alta

Velika količina kob alta (do 80%) ide za proizvodnju materijala kao što su legure otporne na toplinu i toplinu, budući da se rijetko koristi u čistom obliku. Njegovo uvođenje povećava plastičnost, kao i otpornost pri radu na visokim temperaturama. I što je veći, to je veća količina kob alta unesenog u leguru. U nekim markama njegov sadržaj doseže 30%. Druga karakteristična značajka takvih čelika je poboljšanje magnetskih svojstava. Međutim, zbog visoke cijene kob alta, njegova je upotreba prilično ograničena.

Utjecaj molibdena na legure otporne na toplinu

Ovaj kemijski element značajno utječe na čvrstoću materijala na visokim temperaturama.

Posebno je učinkovit kada se koristi zajedno s drugim elementima. Značajno povećava tvrdoću čelika (već u sadržaju od 0,3%). Također se povećava vlačna čvrstoća. Još jedna pozitivna osobina koju imaju toplinski otporne legure s molibdenom je visok stupanj otpornosti na oksidativne procese. Molibden doprinosi mljevenju zrna. Nedostatak je teškoća zavarivanja.

Drugi specijalni čelici i legure

Za obavljanje određenih zadataka potrebni su materijali koji imaju određena svojstva. Dakle, možemo govoriti o upotrebi posebnih legura, koje mogu biti i legirane i ugljične. U potonjem, skup potrebnih karakteristika postiže se zbog činjenice da se proizvodnja legura i njihova obrada odvija posebnom tehnologijom. Čak se i posebne legure i čelici dijele na strukturne i alatne. Među glavnim zadaćama za ovu vrstu materijala mogu se izdvojiti: otpornost na koroziju i procese habanja, sposobnost rada u agresivnom okruženju i poboljšane mehaničke karakteristike. Ova kategorija uključuje čelike i legure otporne na toplinu s visokim radnim temperaturama, te kriogene čelike koji mogu izdržati do -296ºS.

Alatni čelik

U proizvodnji alata koristi se specijalni alatni čelik. Zbog činjenice da su njihovi uvjeti rada različiti, materijali se također biraju pojedinačno. Budući da su zahtjevi za alatima prilično visoki, karakteristike legura za njihovuproizvodnja je prikladna: moraju biti bez nečistoća, inkluzija trećih strana, proces deoksidacije je dobro proveden, a struktura je homogena. Vrlo je važno da mjerni instrumenti imaju stabilne parametre i otporni su na trošenje. Ako govorimo o alatima za rezanje, onda oni rade na povišenim temperaturama (postoji zagrijavanje ruba), stalno trenje i deformacije. Stoga im je vrlo važno da pri zagrijavanju zadrže primarnu tvrdoću. Druga vrsta alatnog čelika je brzorezni čelik. U osnovi je dopiran volframom. Tvrdoća se održava do temperature od oko 600ºS. Postoje i čelici za matrice. Dizajnirani su za toplo i hladno oblikovanje.

Primjena za posebne legure

Industrije koje koriste legure s posebnim karakteristikama su mnoge. Zbog svojih poboljšanih kvaliteta, nezamjenjivi su u strojarstvu, građevinarstvu i naftnoj industriji. Legure otporne na toplinu i toplinu koriste se u proizvodnji dijelova turbina, rezervnih dijelova za automobile. Čelici s visokim antikorozivnim svojstvima nezamjenjivi su za proizvodnju cijevi, igala rasplinjača, diskova i raznih elemenata kemijske industrije. Željezničke tračnice, žlice, tračnice za vozila - čelici otporni na habanje temelj su svega toga. U masovnoj proizvodnji vijaka, matica i drugih sličnih dijelova koriste se automatske legure. Opruge moraju biti dovoljno elastične i otporne na habanje. Zatomaterijal za njih je opružni čelik. Za poboljšanje ove kvalitete, dodatno su legirani kromom, molibdenom. Sve posebne legure i čelici sa skupom specifičnih karakteristika mogu smanjiti troškove dijelova u kojima su se prethodno koristili obojeni metali.