Metale stopowe: opis, lista i funkcje aplikacji

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

Rozwój utożsamiany jest z doskonaleniem. Poprawa możliwości przemysłowych i domowych odbywa się poprzez zastosowanie materiałów o progresywnych właściwościach. Są to w szczególności metale stopowe. O ich różnorodności decyduje możliwość korygowania składu ilościowego i jakościowego pierwiastków stopowych.

Naturalna stal stopowa

Pierwsze wytopione żelazo, które różniło się od swoich krewnych właściwościami, było naturalnie stopione. Wytopione prehistoryczne żelazo meteorytowe zawierało zwiększoną ilość niklu. Został znaleziony w starożytnych egipskich pochówkach 4-5 tysiącleci pne. e., pomnik architektury Qutab Minar w Delhi (V wiek) został zbudowany z tego samego. Japońskie miecze adamaszkowe były wykonane z żelaza nasyconego molibdenem, a stal damasceńska zawierała wolfram, charakterystyczny dla nowoczesnego cięcia szybkobieżnego. Były to metale, których rudy wydobywano z pewnych miejsc.

Współczesne stopy produkcyjne mogą zawierać naturalnie występujące metale ipochodzenie niemetaliczne, co znajduje odzwierciedlenie w ich cechach i właściwościach.

Ścieżka historyczna

Podstawę rozwoju stopów położyło uzasadnienie tyglowej metody topienia stali w Europie w XVIII wieku. W bardziej prymitywnej wersji tygle były używane w starożytności, m.in. do wytopu stali adamaszkowej i damasceńskiej. Na początku XVIII wieku technologia ta została udoskonalona na skalę przemysłową i umożliwiła dostosowanie składu i jakości materiału źródłowego.

• Jednoczesne odkrywanie coraz większej liczby nowych pierwiastków chemicznych popchnęło badaczy do eksperymentalnych eksperymentów wytapiania.
• Stwierdzono negatywny wpływ miedzi na jakość stali.
• Odkryto mosiądz zawierający 6% żelaza.

Przeprowadzono badania jakościowe i ilościowe na stopie stali wolframu, manganu, tytanu, molibdenu, kob altu, chromu, platyny, niklu, aluminium i innych.

Pierwsza przemysłowa produkcja stali stopowej z manganem powstała na początku XIX wieku. Jest rozwijany od 1856 roku w ramach procesu wytapiania Besemera.

Cechy dopingu

Nowoczesne możliwości pozwalają na wytop metali stopowych o dowolnym składzie. Podstawowe zasady omawianej technologii:

1. Składniki są uważane za stopowe tylko wtedy, gdy są wprowadzane celowo, a zawartość każdego z nich przekracza 1%.
2. Siarka, wodór, fosfor są uważane za zanieczyszczenia. jako niemetalowestosuje się inkluzje, bor, azot, krzem, rzadko fosfor.
3. Masowe tworzenie stopów to wprowadzanie składników do stopionej substancji w ramach produkcji metalurgicznej. Powierzchnia to metoda dyfuzyjnego nasycania warstwy powierzchniowej niezbędnymi pierwiastkami chemicznymi pod wpływem wysokich temperatur.
4. Podczas procesu dodatki zmieniają strukturę krystaliczną materiału „córki”. Mogą tworzyć rozwiązania penetracyjne lub wykluczające, a także być umieszczane na granicach struktur metalicznych i niemetalicznych, tworząc mechaniczną mieszankę ziaren. Dużą rolę odgrywa tutaj stopień rozpuszczalności pierwiastków w sobie nawzajem.

Składniki stopowe

Zgodnie z ogólną klasyfikacją wszystkie metale dzielą się na żelazne i nieżelazne. Czerń zawiera żelazo, chrom i mangan. Metale nieżelazne dzielą się na lekkie (aluminium, magnez, potas), ciężkie (nikiel, cynk, miedź), szlachetne (platyna, srebro, złoto), ogniotrwałe (wolfram, molibden, wanad, tytan), lekkie, ziem rzadkich i radioaktywne. Metale stopowe obejmują szeroką gamę lekkich, ciężkich, szlachetnych i ogniotrwałych metali nieżelaznych, a także wszystkich metali żelaznych.

W zależności od proporcji tych pierwiastków i głównej masy stopu, te ostatnie dzielą się na niskostopowe (3%), średniostopowe (3-10%) i wysokostopowe (ponad 10 %).

Stale stopowe

Technologicznie proces nie powoduje trudności. Asortyment jest bardzo szeroki. Główne cele dlastale są następujące:

• Zwiększ siłę.
• Popraw wyniki obróbki cieplnej.
• Zwiększona odporność na korozję, żaroodporność, żaroodporność, żaroodporność, odporność na agresywne warunki pracy, żywotność.

Głównymi składnikami są stopy żelaza i metale ogniotrwałe, w tym Cr, Mn, W, V, Ti, Mo, a także nieżelazne Al, Ni, Cu.

Chrom i nikiel to główne składniki, które definiują stal nierdzewną (X18H9T), a także stal żaroodporną, której warunki pracy charakteryzują się wysokimi temperaturami i obciążeniami udarowymi (15X5). Do 1,5% stosuje się do łożysk i części ciernych (15HF, SHKH15SG)

Mangan jest podstawowym składnikiem stali odpornych na zużycie (110G13L). W niewielkich ilościach przyczynia się do odtleniania, zmniejszając stężenie fosforu i siarki.

Krzem i wanad to pierwiastki zwiększające elastyczność w określonej ilości i używane do produkcji sprężyn i sprężyn (55C2, 50HFA).

Aluminium ma zastosowanie do żelaza o wysokiej rezystancji elektrycznej (X13Y4).

Znaczna zawartość wolframu jest typowa dla stali szybkotnących narzędziowych (R9, R18K5F2). Wiertło do metalu stopowego wykonane z tego materiału jest znacznie bardziej wydajne i odporne na wyzwalanie niż to samo narzędzie wykonane ze stali węglowej.

Stale stopowe weszły do codziennego użytku. Jednocześnie znane są tzw. stopy o niesamowitych właściwościach, również uzyskiwane metodami stopowania. Tak więc „drewniana stal” zawiera 1% chromuoraz 35% niklu, co decyduje o jego wysokiej przewodności cieplnej, charakterystycznej dla drewna. Diament zawiera również 1,5% węgla, 0,5% chromu i 5% wolframu, co czyni go szczególnie twardym, podobnym do diamentu.

Żeliwo stopowe

Żeliwa różnią się od stali znaczną zawartością węgla (od 2,14 do 6,67%), wysoką twardością i odpornością na korozję, ale niską wytrzymałością. W celu rozszerzenia zakresu istotnych właściwości i zastosowań jest on dodawany do stopu z chromem, manganem, aluminium, krzemem, niklem, miedzią, wolframem, wanadem.

Ze względu na specjalne właściwości tego materiału żelazowo-węglowego jego tworzenie stopu jest procesem bardziej złożonym niż w przypadku stali. Każdy ze składników wpływa na przemiany w nim form węgla. Tak więc mangan przyczynia się do powstania „właściwego” grafitu, który zwiększa wytrzymałość. Wprowadzenie innych powoduje przejście węgla do stanu wolnego, bielenie żeliwa i pogorszenie jego właściwości mechanicznych.

Technologia jest skomplikowana przez niską temperaturę topnienia (średnio do 1000˚C), podczas gdy dla większości pierwiastków stopowych znacznie przekracza ten poziom.

Złożona stopa jest najbardziej efektywna w przypadku żeliwa. Jednocześnie należy liczyć się ze zwiększonym prawdopodobieństwem segregacji takich odlewów, ryzykiem pękania i wad odlewniczych. Bardziej racjonalne jest prowadzenie procesu technologicznego w piecach elektromagnetycznych i indukcyjnych. Obowiązkowym etapem sekwencyjnym jest wysokiej jakości obróbka cieplna.

Żeliwa chromowe charakteryzują się wysoką odpornością na zużycie, wytrzymałość, żaroodporność, odporność na starzenie i korozję (CH3, CH16). Wykorzystywane są w inżynierii chemicznej oraz w produkcji urządzeń hutniczych.

Żeliwa stopowe z krzemem wyróżniają się wysoką odpornością na korozję oraz odpornością na agresywne związki chemiczne, chociaż posiadają zadowalające właściwości mechaniczne (ChS13, ChS17). Tworzą części urządzeń chemicznych, rurociągów i pomp.

Żeliwa żaroodporne są przykładem wysoce wydajnego, złożonego stopu. Zawierają metale żelazne i stopowe, takie jak chrom, mangan, nikiel. Charakteryzują się wysoką odpornością na korozję, zużyciem oraz odpornością na duże obciążenia w warunkach wysokich temperatur - części turbin, pomp, silników, urządzeń przemysłu chemicznego (ChN15D3Sh, ChN19Kh3Sh).

Ważnym składnikiem jest miedź, która jest stosowana w połączeniu z innymi metalami, zwiększając jednocześnie właściwości odlewnicze stopu.

Miedź stopowa

Stosowany w czystej postaci i jako składnik stopów miedzi, które mają szeroką gamę w zależności od proporcji pierwiastków podstawowych i stopowych: mosiądzu, brązu, miedzioniklu, niklu, srebra i innych.

Czysty mosiądz - stop z cynkiem - nie jest stopowy. Jeśli zawiera pewną ilość stopów metali nieżelaznych, jest uważany za wieloskładnikowy. Brązy to stopy z innymi składnikami metalicznymi,mogą być cyną i nie zawierają cyny, są we wszystkich przypadkach stopowe. Ich jakość poprawia się za pomocą Mn, Fe, Zn, Ni, Sn, Pb, Be, Al, P, Si.

Zawartość krzemu w związkach miedzi zwiększa ich odporność na korozję, wytrzymałość i elastyczność; cyna i ołów - określają właściwości przeciwcierne i pozytywne właściwości dotyczące skrawalności; nikiel i mangan – składniki tzw. stopów do obróbki plastycznej, które mają również pozytywny wpływ na odporność na korozję; żelazo poprawia właściwości mechaniczne, natomiast cynk poprawia właściwości technologiczne.

Wykorzystywany w elektrotechnice jako główny surowiec do produkcji różnych przewodów, materiał do produkcji krytycznych części sprzętu chemicznego, w inżynierii mechanicznej i oprzyrządowaniu, w rurociągach i wymiennikach ciepła.

Stop aluminium

Stosowane jako stopy do obróbki plastycznej lub odlewane. Metale stopowe na jej bazie to związki z miedzią, manganem lub magnezem (duraluminium i inne), te ostatnie to związki z krzemem tzw. siluminami, natomiast wszystkie ich możliwe warianty to związki stopowe z Cr, Mg, Zn, Co, Cu Si.

Miedź zwiększa swoją ciągliwość; krzem - płynność i wysokiej jakości właściwości odlewnicze; chrom, mangan, magnez - poprawiają wytrzymałość, właściwości technologiczne urabialności przez ciśnienie i odporność na korozję. Również B, Pb, Zr,Ti, Bi.

Żelazo jest niepożądanym składnikiem, ale jest używane w niewielkich ilościach do produkcji folii aluminiowej. Silumin stosuje się do odlewania krytycznych części i obudów w inżynierii mechanicznej. Duraluminium i stopy na bazie aluminium do tłoczenia są ważnym surowcem do produkcji elementów kadłuba, w tym konstrukcji nośnych, w przemyśle lotniczym, stoczniowym i inżynierii mechanicznej.

Metale stopowe są stosowane we wszystkich dziedzinach przemysłu jako te, które mają ulepszone właściwości mechaniczne i technologiczne w porównaniu z materiałem oryginalnym. Zakres pierwiastków stopowych oraz możliwości nowoczesnych technologii pozwalają na różnorodne modyfikacje poszerzające możliwości nauki i techniki.