Stal hipoeutektoidalna: struktura, właściwości, produkcja i zastosowanie

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

Zastosowanie stali węglowych jest szeroko rozpowszechnione w budownictwie i przemyśle. Grupa tzw. żeliwa technicznego posiada wiele zalet, które prowadzą do podwyższenia parametrów końcowych wyrobów i konstrukcji. Oprócz optymalnych właściwości wytrzymałościowych i odporności na naprężenia, stopy te wyróżniają się również elastycznymi właściwościami dynamicznymi. W szczególności stal podeutektoidalna, zawierająca również znaczny procent mieszanek węgla, jest ceniona za wysoką ciągliwość. Ale to nie wszystkie zalety tej odmiany żelaza o wysokiej wytrzymałości.

Ogólne informacje o stopie

Wyróżniającą cechą stali jest obecność w strukturze specjalnych zanieczyszczeń stopowych i węgla. W rzeczywistości stop podeutektoidalny zależy od zawartości węgla. Tutaj ważne jest rozróżnienie pomiędzy klasycznymi stalami eutektoidalnymi i ledeburytowymi, które mają wiele wspólnego z opisaną odmianą żelaza technicznego. Jeśli weźmiemy pod uwagę klasę konstrukcyjną stali, stop podeutektoidalny będzie odnosić się do eutektoidów, ale zawierających ferryty stopowe i perlity. Zasadniczą różnicą w stosunku do hipereutektoidów jest poziom węgla poniżej 0,8%. Przekroczenie tegowskaźnik pozwala zaklasyfikować stal jako pełnoprawne eutektoidy. W pewnym sensie przeciwieństwem podeutektoidalnej jest stal nadeutektoidalna, która oprócz perlitu zawiera również wtórne zanieczyszczenia węglików. Istnieją zatem dwa główne czynniki, które pozwalają odróżnić stopy podeutektoidalne od ogólnej grupy eutektoidów. Po pierwsze jest to stosunkowo niewielka zawartość węgla, a po drugie jest to specjalny zestaw zanieczyszczeń, którego podstawą jest ferryt.

Technologia produkcji

Ogólny proces technologiczny wytwarzania stali podeutektoidalnej jest podobny do produkcji innych stopów. Oznacza to, że stosuje się w przybliżeniu te same techniki, ale w różnych konfiguracjach. Stal podeutektoidalna wymaga szczególnej uwagi w zakresie uzyskania jej specyficznej struktury. W tym celu stosuje się technologię zapewniającą rozkład austenitu na tle chłodzenia. Z kolei austenit to mieszanina mieszana, zawierająca ten sam ferryt i perlit. Regulując intensywność grzania i chłodzenia, technolodzy mogą kontrolować dyspersję tego dodatku, co ostatecznie wpływa na kształtowanie się pewnych właściwości użytkowych materiału.

Jednak węgiel dostarczany przez perlit pozostaje taki sam. Chociaż późniejsze wyżarzanie może skorygować tworzenie się mikrostruktury, zawartość węgla będzie się mieścić w zakresie 0,8%. Obowiązkowym etapem w procesie powstawania konstrukcji stalowej jest normalizacja. Ta procedura jest wymagana do frakcyjnej optymalizacji ziaren tego samegoaustenit. Innymi słowy, cząsteczki ferrytu i perlitu są redukowane do optymalnych rozmiarów, co dodatkowo poprawia parametry techniczne i fizyczne stali. Jest to złożony proces, w którym wiele zależy od jakości regulacji ogrzewania. Jeśli reżim temperaturowy zostanie przekroczony, można uzyskać odwrotny efekt - wzrost ziaren austenitu.

Wyżarzanie stali

Praktykuje się stosowanie kilku metod wyżarzania. Istnieje zasadnicza różnica między technikami wyżarzania pełnego i częściowego. W pierwszym przypadku austenit jest intensywnie podgrzewany do temperatury krytycznej, po czym następuje normalizacja za pomocą chłodzenia. Tu następuje rozkład austenitu. Z reguły pełne wyżarzanie stali prowadzi się w trybie 700-800 °C. Obróbka cieplna na tym poziomie tylko aktywuje procesy rozpadu pierwiastków ferrytowych. Szybkość chłodzenia można również regulować, na przykład personel pieca może obsługiwać drzwi komory, zamykając je lub otwierając. Najnowsze modele pieców izotermicznych w trybie automatycznym mogą realizować powolne chłodzenie zgodnie z zadanym programem.

Jeśli chodzi o wyżarzanie niepełne, jest ono wytwarzane przez ogrzewanie w temperaturze powyżej 800 °C. Istnieją jednak poważne ograniczenia dotyczące czasu utrzymywania krytycznego efektu temperatury. Z tego powodu dochodzi do niepełnego wyżarzania, w wyniku którego ferryt nie zanika. W konsekwencji wiele niedociągnięć w strukturze przyszłego materiału nie zostaje wyeliminowanych. Dlaczego takie wyżarzanie stali jest konieczne, jeśli nie poprawia ono właściwości fizycznych?jakość? W rzeczywistości jest to niepełna obróbka cieplna, która pozwala zachować miękką strukturę. Materiał końcowy może nie być wymagany w każdym zastosowaniu specyficznym dla stali węglowych per se, ale umożliwi łatwą obróbkę. Miękki stop proeutektoidalny jest łatwy do cięcia i tańszy w produkcji.

Normalizacja stopów

Po wypaleniu przychodzi kolej na zabiegi wzmożonej obróbki cieplnej. Są operacje normalizacji i ogrzewania. W obu przypadkach mówimy o efekcie termicznym na obrabianym przedmiocie, przy którym temperatura może przekroczyć 1000 °C. Ale sama w sobie normalizacja stali podeutektoidalnych następuje po zakończeniu obróbki cieplnej. Na tym etapie rozpoczyna się chłodzenie w warunkach nieruchomego powietrza, podczas którego następuje odsłonięcie aż do całkowitego uformowania się drobnoziarnistego austenitu. Oznacza to, że ogrzewanie jest rodzajem operacji przygotowawczej przed doprowadzeniem stopu do stanu znormalizowanego. Jeśli mówimy o określonych zmianach strukturalnych, to najczęściej wyrażają się one w zmniejszeniu wielkości ferrytu i perlitu, a także w zwiększeniu ich twardości. Właściwości wytrzymałościowe cząstek są zwiększone w porównaniu do tych osiąganych przez procedury wyżarzania.

Po normalizacji może nastąpić kolejna procedura podgrzewania przez długi czas ekspozycji. Obrabiany przedmiot jest następnie chłodzony, a ten etap można wykonać na różne sposoby. Ostateczną stal podeutektoidalną uzyskuje się w powietrzu lub wpiece wolno schładzające. Jak pokazuje praktyka, najwyższej jakości stop powstaje przy wykorzystaniu pełnej technologii normalizacji.

Wpływ temperatury na strukturę stopu

Ingerencja temperatury w proces formowania konstrukcji stalowej rozpoczyna się od momentu przekształcenia masy ferrytyczno-cementytowej w austenit. Innymi słowy, perlit przechodzi w stan mieszanki funkcjonalnej, która częściowo staje się podstawą do powstania stali o wysokiej wytrzymałości. W kolejnym etapie obróbki cieplnej hartowana stal pozbywa się nadmiaru ferrytu. Jak już wspomniano, nie zawsze jest to całkowicie wyeliminowane, jak w przypadku niepełnego wyżarzania. Ale klasyczny stop podeutektoidalny nadal obejmuje eliminację tego składnika austenitu. W kolejnym etapie istniejący skład jest już optymalizowany z oczekiwaniem stworzenia zoptymalizowanej struktury. Oznacza to, że następuje zmniejszenie cząstek stopu wraz z nabyciem zwiększonych właściwości wytrzymałościowych.

Przemiana izotermiczna z przechłodzoną mieszaniną austenitów może być przeprowadzana w różnych trybach, a poziom temperatury jest tylko jednym z parametrów kontrolowanych przez technologa. Różnią się również okresy szczytowej ekspozycji termicznej, szybkość chłodzenia itp. W zależności od wybranego trybu normalizacji uzyskuje się hartowaną stal o określonych właściwościach technicznych i fizycznych. Na tym etapie można również ustawić specjalne właściwości eksploatacyjne. Uderzającym przykładem jest stop o miękkiej strukturze, uzyskany w celu wydajnej dalszej obróbki. Ale najczęściejproducenci nadal koncentrują się na potrzebach konsumenta końcowego i jego wymaganiach dotyczących głównych technicznych i operacyjnych właściwości metalu.

Konstrukcja stalowa

Tryb normalizacji w temperaturze 700 °C powoduje powstanie struktury, w której ziarna ferrytów i perlitów będą stanowić podstawę. Nawiasem mówiąc, stale nadeutektoidalne mają w swojej strukturze cementyt zamiast ferrytu. W temperaturze pokojowej, w stanie normalnym, odnotowuje się również zawartość nadmiaru ferrytu, chociaż ta część jest minimalizowana wraz ze wzrostem węgla. Należy podkreślić, że struktura stali w niewielkim stopniu zależy od zawartości węgla. Praktycznie nie wpływa na zachowanie głównych składników podczas tego samego ogrzewania, a prawie wszystko jest skoncentrowane w perlicie. Właściwie perlit można wykorzystać do określenia poziomu zawartości mieszanki węglowej – z reguły jest to wartość nieistotna.

Kolejny niuans strukturalny jest również interesujący. Faktem jest, że cząstki perlitu i ferrytu mają ten sam ciężar właściwy. Oznacza to, że na podstawie ilości jednego z tych składników w całkowitej masie można dowiedzieć się, jaką całkowitą powierzchnię zajmuje. W ten sposób badane są powierzchnie mikrosekcji. W zależności od trybu nagrzewania stali podeutektoidalnej kształtują się również parametry ułamkowe cząstek austenitu. Ale dzieje się to prawie w indywidualnym formacie z tworzeniem unikalnych wartości - inną rzeczą jest to, że limity dla różnych wskaźników pozostają standardowe.

Właściwości stali podeutektoidalnej

Ten metal należydo stali niskowęglowych, więc nie należy oczekiwać od niego specjalnych osiągów. Dość powiedzieć, że pod względem właściwości wytrzymałościowych stop ten jest znacznie gorszy od eutektoidów. Wynika to z różnic w strukturze. Faktem jest, że klasa stali podeutektoidalnej z zawartością nadmiaru ferrytów ma gorszą wytrzymałość niż analogi zawierające cementyt w zestawie konstrukcyjnym. Częściowo z tego powodu technolodzy zalecają stosowanie stopów dla budownictwa, przy produkcji których maksymalnie wdrożono operację wypalania z wypieraniem ferrytów.

Jeśli mówimy o pozytywnych wyjątkowych właściwościach tego materiału, to są to plastyczność, odporność na naturalne biologiczne procesy niszczenia itp. Jednocześnie hartowanie stali podeutektoidalnych może dodać szereg dodatkowych właściwości do metal. Na przykład może to być zarówno zwiększona odporność termiczna, jak i brak predyspozycji do procesów korozyjnych, a także cała gama właściwości ochronnych tkwiących w konwencjonalnych stopach niskowęglowych.

Obszary zastosowań

Pomimo nieznacznego pogorszenia właściwości wytrzymałościowych ze względu na fakt, że metal należy do klasy stali ferrytycznych, materiał ten jest powszechny w różnych obszarach. Na przykład w inżynierii mechanicznej stosuje się części wykonane ze stali podeutektoidalnych. Inną rzeczą jest to, że stosuje się wysokie gatunki stopów, do produkcji których zastosowano zaawansowane technologie wypalania i normalizacji. Również struktura stali podeutektoidalnej o obniżonej zawartości ferrytu jest dośćpozwala na wykorzystanie metalu w produkcji konstrukcji budowlanych. Ponadto przystępny koszt niektórych gatunków stali tego typu pozwala liczyć na znaczne oszczędności. Czasami przy produkcji materiałów budowlanych i modułów stalowych zwiększona wytrzymałość wcale nie jest wymagana, ale wymagana jest odporność na zużycie i elastyczność. W takich przypadkach uzasadnione jest stosowanie stopów podeutektoidalnych.

Produkcja

Wiele przedsiębiorstw zajmuje się produkcją, przygotowaniem i produkcją metalu podeutektoidalnego w Rosji. Na przykład Uralski Zakład Metali Nieżelaznych (UZTSM) produkuje jednocześnie kilka gatunków stali tego typu, oferując konsumentom różne zestawy właściwości technicznych i fizycznych. Stalownia Ural produkuje stale ferrytyczne, które zawierają wysokiej jakości komponenty stopowe. Ponadto w asortymencie dostępne są specjalne modyfikacje stopów, w tym metale żaroodporne, wysokochromowe i nierdzewne.

Metalloinvest można również wyróżnić wśród największych producentów. W zakładach tej firmy produkowane są stale konstrukcyjne o budowie podeutektoidalnej, przeznaczone do stosowania w budownictwie. W chwili obecnej huta przedsiębiorstwa pracuje według nowych standardów, co pozwala poprawić słaby punkt stopów ferrytowych - wskaźnik wytrzymałości. W szczególności technolodzy firmy pracują nad zwiększeniem współczynnika intensywności naprężeń, aby zoptymalizować udarność i wytrzymałość zmęczeniową materiału. Dzięki temu możemy zaoferować niemal uniwersalne stopy.

Wniosek

Istnieje kilka technicznych i operacyjnych właściwości metali przemysłowych i budowlanych, które są uważane za podstawowe i są regularnie poprawiane. Jednak w miarę jak projekty i procesy technologiczne stają się coraz bardziej złożone, pojawiają się również nowe wymagania dotyczące bazy elementów. Pod tym względem wyraźnie przejawia się stal podeutektoidalna, w której skoncentrowane są różne właściwości użytkowe. Zastosowanie tego metalu jest uzasadnione nie w przypadkach, gdy potrzebna jest część o kilku ultrawysokiej wydajności, ale w sytuacjach, gdy wymagane są specjalne nietypowe zestawy o różnych właściwościach. W tym przypadku metal stanowi przykład połączenia elastyczności i ciągliwości z optymalną odpornością na uderzenia i podstawowymi właściwościami ochronnymi, które można znaleźć w większości stopów węgla.