Stopy żaroodporne. Stale specjalne i stopy. Produkcja i stosowanie stopów żaroodpornych

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Nowoczesnego przemysłu nie można sobie wyobrazić bez takiego materiału jak stal. Spotykamy go niemal na każdym kroku. Poprzez wprowadzenie do jego składu różnych pierwiastków chemicznych można znacznie poprawić właściwości mechaniczne i eksploatacyjne.

Co to jest stal

Stal to stop zawierający węgiel i żelazo. Również taki stop (zdjęcie poniżej) może zawierać zanieczyszczenia innymi pierwiastkami chemicznymi.

Istnieje kilka stanów strukturalnych. Jeżeli zawartość węgla mieści się w przedziale 0,025-0,8%, to stale te nazywane są podeutektoidalnymi i mają w swojej strukturze perlit i ferryt. Jeśli stal jest nadeutektoidalna, można zaobserwować fazy perlityczne i cementytowe. Cechą struktury ferrytu jest jego wysoka plastyczność. Cementyt ma również znaczną twardość. Perlit tworzą obie poprzednie fazy. Może mieć kształt ziarnisty (wtrącenia cementytu znajdują się wzdłuż ziaren ferrytu, które mają kształt okrągły) i płytkowy (obie fazy wyglądają jak płytki). Jeśli stal jest podgrzewana powyżej temperatury, w którejwystępują modyfikacje polimorficzne, struktura zmienia się na austenityczną. Ta faza ma zwiększoną plastyczność. Jeżeli zawartość węgla przekracza 2,14%, to takie materiały i stopy nazywane są żeliwami.

Rodzaje stali

W zależności od składu, stal może być węglowa i stopowa. Zawartość węgla mniejsza niż 0,25% charakteryzuje stal miękką. Jeżeli jego ilość sięga 0,55%, to możemy mówić o stopie średniowęglowym. Stal, która ma w swoim składzie ponad 0,6% węgla, nazywana jest stalą wysokowęglową. Jeżeli w procesie produkcji stopu technologia polega na wprowadzeniu określonych pierwiastków chemicznych, to stal ta nazywana jest stopową. Wprowadzenie różnych składników znacząco zmienia jego właściwości. Jeżeli ich liczba nie przekracza 4%, to stop jest niskostopowy. Stal średniostopowa i wysokostopowa zawiera odpowiednio do 11% i ponad 12% wtrąceń. W zależności od obszaru, w którym stosowane są stopy stali, wyróżnia się ich rodzaje: stale i stopy narzędziowe, konstrukcyjne i specjalne.

Technologia produkcji

Proces wytapiania stali jest dość pracochłonny. Obejmuje kilka etapów. Przede wszystkim potrzebujesz surowców - rudy żelaza. Pierwszy etap polega na podgrzaniu do określonej temperatury. W tym przypadku zachodzą procesy oksydacyjne. W drugim etapie temperatura staje się znacznie wyższa. Procesy utleniania węgla są bardziej intensywne. Możliwe jest dodatkowe wzbogacenie stopu tlenem. Zbędne zanieczyszczenia są usuwane wżużel. Kolejnym krokiem jest usunięcie tlenu ze stali, gdyż znacznie obniża to właściwości mechaniczne. Można to przeprowadzić w sposób dyfuzyjny lub wytrącający. Jeśli proces odtleniania nie zachodzi, powstała stal nazywana jest wrzącą stalą. Stop Calm nie wydziela gazów, tlen jest całkowicie usuwany. Pozycję pośrednią zajmują stale półciche. Produkcja stopów żelaza odbywa się w piecach martenowskich, piecach indukcyjnych, konwertorach tlenowych.

Stal stopowa

W celu uzyskania określonych właściwości stali, do jej składu wprowadzane są specjalne substancje stopowe. Główne zalety tego stopu to zwiększona odporność na różne odkształcenia, znacznie wzrasta niezawodność części i innych elementów konstrukcyjnych. Hartowanie zmniejsza procent pęknięć i innych wad. Często ta metoda nasycania różnymi pierwiastkami jest stosowana do nadania odporności na korozję chemiczną. Ale jest też wiele wad. Wymagają dodatkowej obróbki, prawdopodobieństwo pojawienia się płatków jest wysokie. Ponadto wzrasta również koszt materiału. Najczęstsze pierwiastki stopowe to chrom, nikiel, wolfram, molibden, kob alt. Zakres ich zastosowania jest dość duży. Obejmuje to inżynierię mechaniczną oraz produkcję części do rurociągów, elektrowni, lotnictwa i wiele innych.

Pojęcie odporności na ciepło i odporności na ciepło

Pojęcie odporności na ciepło odnosi się do zdolności metalu lub stopu do zachowania wszystkich swoich właściwości podczas pracy w wysokich temperaturach. W takim środowisku częstoobserwuje się korozję gazową. Dlatego materiał musi być również odporny na jego działanie, czyli być odporny na ciepło. W związku z tym charakterystyka stopów stosowanych w znacznych temperaturach musi obejmować obie te koncepcje. Tylko wtedy takie stale zapewnią niezbędną żywotność części, narzędzi i innych elementów konstrukcyjnych.

Cechy stali żaroodpornej

W przypadkach, gdy temperatura osiąga wysokie wartości, wymagane jest użycie stopów, które nie zapadają się i nie ulegają odkształceniom. W takim przypadku stosuje się stopy żaroodporne. Temperatura pracy takich materiałów przekracza 500ºС. Ważnymi punktami charakteryzującymi takie stale są wysoka wytrzymałość, plastyczność, która utrzymuje się przez długi czas, a także stabilność relaksacji. Istnieje szereg pierwiastków, które mogą znacząco zwiększyć odporność na wysokie temperatury: kob alt, wolfram, molibden. Chrom jest również wymaganym składnikiem. Nie tyle wpływa na wytrzymałość, co zwiększa odporność na zgorzelinę. Chrom zapobiega również procesom korozji. Inną ważną cechą stopów tego typu jest powolne pełzanie.

Klasyfikacja stali żaroodpornych według struktury

Stopy żaroodporne i żaroodporne należą do klasy ferrytycznej, martenzytycznej, austenitycznej oraz o strukturze ferrytyczno-martenzytycznej. Te pierwsze zawierają około 30% chromu. Po specjalnej obróbce struktura staje się drobnoziarnista. Jeśli temperatura ogrzewania przekracza 850ºС, to ziarnarosną, a takie żaroodporne materiały stają się kruche. Klasa martenzytyczna charakteryzuje się następującą zawartością chromu: od 4% do 12%. W niewielkich ilościach mogą również występować nikiel, wolfram i inne pierwiastki. Z nich wykonuje się części turbin i zaworów w samochodach. Stale posiadające w swojej strukturze martenzyt i ferryt nadają się do pracy w stałych wysokich temperaturach i długotrwałej eksploatacji. Zawartość chromu sięga 14%. Austenit otrzymuje się przez wprowadzenie niklu do stopów żaroodpornych. Stale o podobnej strukturze mają wiele gatunków.

Stopy na bazie niklu

Nikiel ma wiele przydatnych właściwości. Wpływa pozytywnie na urabialność stali (zarówno na gorąco, jak i na zimno). Jeśli część lub narzędzie jest zaprojektowane do pracy w agresywnym środowisku, to dodanie stopu z tym pierwiastkiem znacznie zwiększa odporność na korozję. Materiały żaroodporne na bazie niklu dzielą się na następujące grupy: żaroodporne i faktycznie żaroodporne. Te ostatnie powinny również mieć minimalną odporność na ciepło. Temperatura pracy osiąga 1200ºС. Dodatkowo dodaje się chrom lub tytan. Charakterystyczne dla stali stopowych z niklem jest niewielka ilość zanieczyszczeń takich jak bar, magnez, bor, przez co granice ziaren są bardziej wzmocnione. Stopy żaroodporne tego typu produkowane są w postaci odkuwek i wyrobów walcowanych. Możliwe jest również odlewanie części. Ich głównym obszarem zastosowania jest produkcja elementów turbin gazowych. Stopy żaroodporne na bazie niklu zawierają do 30% chromu. Nadają się wystarczająco dobrze do tłoczenia, spawania. Ponadto odporność na skale jest na wysokim poziomie. Daje to możliwość wykorzystania ich w systemach gazociągów.

Odporna na wysoką temperaturę stal stopowa tytanu

Tytan jest wprowadzany w niewielkiej ilości (do 0,3%). W tym przypadku zwiększa wytrzymałość stopu. Jeśli jego zawartość jest znacznie wyższa, pogarszają się niektóre właściwości mechaniczne (twardość, wytrzymałość). Ale plastyczność wzrasta. Ułatwia to obróbkę stali. Wraz z wprowadzeniem tytanu wraz z innymi składnikami możliwe jest znaczne polepszenie właściwości żaroodpornych. Jeżeli istnieje potrzeba pracy w agresywnym środowisku (zwłaszcza gdy projekt obejmuje spawanie), to stopowanie z tym pierwiastkiem chemicznym jest uzasadnione.

Stopy kob altu

Duża ilość kob altu (do 80%) trafia do produkcji materiałów, takich jak stopy żaroodporne i żaroodporne, ponieważ jest rzadko używany w czystej postaci. Jego wprowadzenie zwiększa plastyczność, a także odporność na pracę w wysokich temperaturach. A im wyższy, tym większa ilość kob altu wprowadzonego do stopu. W niektórych markach jego zawartość sięga 30%. Kolejną charakterystyczną cechą takich stali jest poprawa właściwości magnetycznych. Jednak ze względu na wysoki koszt kob altu jego zastosowanie jest raczej ograniczone.

Wpływ molibdenu na stopy żaroodporne

Ten pierwiastek chemiczny znacząco wpływa na wytrzymałość materiału w wysokich temperaturach.

Jest szczególnie skuteczny w połączeniu z innymi elementami. Znacząco zwiększa twardość stali (już przy zawartości 0,3%). Wzrasta również wytrzymałość na rozciąganie. Kolejną pozytywną cechą, jaką posiadają stopy żaroodporne z dodatkiem molibdenu, jest wysoki stopień odporności na procesy utleniania. Molibden przyczynia się do mielenia ziarna. Wadą jest trudność spawania.

Inne specjalne stale i stopy

Do wykonania określonych zadań potrzebne są materiały o określonych właściwościach. Możemy więc mówić o zastosowaniu specjalnych stopów, które mogą być zarówno stopowe, jak i węglowe. W tym ostatnim zestaw wymaganych cech uzyskuje się dzięki temu, że produkcja stopów i ich obróbka odbywa się przy użyciu specjalnej technologii. Nawet specjalne stopy i stale dzielą się na konstrukcyjne i narzędziowe. Wśród głównych zadań stawianych tego typu materiałom można wyróżnić: odporność na procesy korozji i zużycia, zdolność do pracy w agresywnym środowisku oraz poprawę właściwości mechanicznych. Ta kategoria obejmuje zarówno stale żaroodporne i stopy o wysokich temperaturach roboczych, jak i stale kriogeniczne, które mogą wytrzymać do -296ºС.

Stal narzędziowa

Do produkcji narzędzi używana jest specjalna stal narzędziowa. Ze względu na różne warunki pracy materiały również dobierane są indywidualnie. Ponieważ wymagania dotyczące narzędzi są dość wysokie, właściwości stopów dla ichprodukcja jest odpowiednia: muszą być wolne od obcych zanieczyszczeń, wtrąceń, proces odtleniania jest dobrze przeprowadzony, a struktura jest jednorodna. Bardzo ważne jest, aby przyrządy pomiarowe miały stabilne parametry i były odporne na zużycie. Jeśli mówimy o narzędziach skrawających, to pracują w podwyższonych temperaturach (występuje nagrzewanie krawędzi), stałe tarcie i deformacja. Dlatego bardzo ważne jest, aby po podgrzaniu zachowały swoją twardość pierwotną. Innym rodzajem stali narzędziowej jest stal szybkotnąca. Zasadniczo jest domieszkowany wolframem. Twardość utrzymuje się do temperatury około 600ºС. Istnieją również stale matrycowe. Są przeznaczone zarówno do formowania na gorąco, jak i na zimno.

Specjalne zastosowania stopów

Branże, w których stosuje się stopy o specjalnych właściwościach, jest wiele. Ze względu na swoje ulepszone właściwości są niezastąpione w inżynierii mechanicznej, budownictwie i przemyśle naftowym. Stopy żaroodporne i żaroodporne stosowane są do produkcji części turbin, części zamiennych do samochodów. Stale o wysokich właściwościach antykorozyjnych są niezbędne do produkcji rur, igieł gaźników, tarcz oraz różnych elementów przemysłu chemicznego. Szyny kolejowe, kubełki, tory do pojazdów - stale trudnościeralne są podstawą tego wszystkiego. W masowej produkcji śrub, nakrętek i innych podobnych części stosuje się stopy automatyczne. Sprężyny muszą być wystarczająco elastyczne i odporne na zużycie. Dlategomateriał dla nich to stal sprężynowa. Aby poprawić tę jakość, są dodatkowo stapiane z chromem, molibdenem. Wszystkie specjalne stopy i stale o określonych właściwościach mogą obniżyć koszty części, w których wcześniej stosowano metale nieżelazne.