Lämmönkestävät seokset. Erikoisteräkset ja -lejeeringit. Lämmönkestävien metalliseosten valmistus ja käyttö

2024 Kirjoittaja: Howard Calhoun | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-17 10:26

Moderni teollisuus ei voi kuvitella ilman sellaista materiaalia kuin teräs. Tapaamme sen melkein joka käänteessä. Lisäämällä sen koostumukseen erilaisia kemiallisia alkuaineita, mekaanisia ja toiminnallisia ominaisuuksia voidaan parantaa merkittävästi.

Mikä on teräs

Teräs on seos, joka sisältää hiiltä ja rautaa. Lisäksi tällaisessa seoksessa (kuva alla) voi olla muiden kemiallisten alkuaineiden epäpuhtauksia.

On olemassa useita rakenteellisia tiloja. Jos hiilipitoisuus on välillä 0,025-0,8 %, näitä teräksiä kutsutaan hypoeutektoidiksi ja niiden rakenteessa on perliittiä ja ferriittiä. Jos teräs on hypereutektoidista, voidaan havaita perliitti- ja sementiittifaasit. Ferriittirakenteen ominaisuus on sen korkea plastisuus. Sementiitillä on myös huomattava kovuus. Perliitti muodostaa molemmat edelliset faasit. Sillä voi olla rakeinen muoto (sementiitin sulkeumat sijaitsevat ferriitin rakeita pitkin, joilla on pyöreä muoto) ja lamellimainen (molemmat faasit näyttävät levyiltä). Jos terästä kuumennetaan sen lämpötilan yläpuolelle, jossapolymorfisia modifikaatioita tapahtuu, rakenne muuttuu austeniittiseksi. Tämä vaihe on lisännyt plastisuutta. Jos hiilipitoisuus ylittää 2,14 %, tällaisia materiaaleja ja seoksia kutsutaan valuraudoiksi.

Terästyypit

Teräs voi koostumuksesta riippuen olla hiiltä ja seostettua. Alle 0,25 % hiilipitoisuus on ominaista miedolle teräkselle. Jos sen määrä saavuttaa 0,55%, voimme puhua keskihiilestä seoksesta. Terästä, jonka koostumuksessa on yli 0,6 % hiiltä, kutsutaan korkeahiiliseksi teräkseksi. Jos seoksen valmistusprosessissa tekniikkaan liittyy tiettyjen kemiallisten alkuaineiden lisääminen, tätä terästä kutsutaan seostetuksi. Erilaisten komponenttien käyttöönotto muuttaa merkittävästi sen ominaisuuksia. Jos niiden määrä ei ylitä 4%, seos on niukkaseostettu. Keskiseostetussa teräksessä on jopa 11 % ja runsasseosteisessa teräksessä yli 12 % sulkeumaa. Terässeosten käyttöalueesta riippuen niitä on sellaisia: työkalu-, rakenne- ja erikoisteräkset ja seokset.

Tuotantotekniikka

Teräksen sulatusprosessi on melko työläs. Se sisältää useita vaiheita. Ensinnäkin tarvitset raaka-aineita - rautamalmia. Ensimmäisessä vaiheessa kuumennetaan tiettyyn lämpötilaan. Tässä tapauksessa tapahtuu oksidatiivisia prosesseja. Toisessa vaiheessa lämpötila nousee paljon korkeammaksi. Hiilen hapetusprosessit ovat intensiivisempiä. Seoksen lisärikastaminen hapella on mahdollista. Tarpeettomat epäpuhtaudet poistetaankuona. Seuraava vaihe on hapen poistaminen teräksestä, koska se heikentää merkittävästi mekaanisia ominaisuuksia. Tämä voidaan suorittaa diffuusio- tai saostustavalla. Jos hapettumisprosessia ei tapahdu, tuloksena olevaa terästä kutsutaan kiehuvaksi teräkseksi. Rauhallinen seos ei päästä kaasuja, happi poistetaan kokonaan. Väliasemassa on puolihiljaiset teräkset. Rautaseosten tuotanto tapahtuu avouunissa, induktiouuneissa ja happimuuntimissa.

Teräksen seostus

Teräksen tiettyjen ominaisuuksien saavuttamiseksi sen koostumukseen lisätään erityisiä seosaineita. Tämän seoksen tärkeimmät edut ovat lisääntynyt vastustuskyky erilaisille muodonmuutoksille, osien ja muiden rakenneosien luotettavuus kasvaa merkittävästi. Karkaisu vähentää halkeamien ja muiden vikojen prosenttiosuutta. Usein tätä kyllästysmenetelmää eri elementeillä käytetään antamaan vastustuskyky kemiallista korroosiota vastaan. Mutta on myös useita haittoja. Ne vaativat lisäkäsittelyä, hiutaleiden esiintymisen todennäköisyys on korkea. Lisäksi materiaalin hinta nousee. Yleisimmät seosaineet ovat kromi, nikkeli, volframi, molybdeeni, koboltti. Niiden käyttöalue on melko laaja. Tämä sisältää koneenrakennuksen sekä osien valmistuksen putkistoja, voimalaitoksia, lentoliikennettä ja paljon muuta varten.

Lämmönkestävyyden ja lämmönkestävyyden käsite

Lämmönkestävyyden käsite viittaa metallin tai lejeeringin kykyyn säilyttää kaikki ominaisuutensa työskenneltäessä korkeissa lämpötiloissa. Tällaisessa ympäristössä useinhavaitaan kaasun korroosiota. Siksi materiaalin on myös kestettävä sen toimintaa, eli oltava lämmönkestävää. Näin ollen merkittävissä lämpötiloissa käytettävien metalliseosten luonnehdinnan tulee sisältää molemmat nämä käsitteet. Vasta silloin tällaiset teräkset tarjoavat tarvittavan käyttöiän osille, työkaluille ja muille rakenneosille.

Lämmönkestävän teräksen ominaisuudet

Tapauksissa, joissa lämpötila saavuttaa korkeita arvoja, on käytettävä metalliseoksia, jotka eivät sortu eivätkä peru muodonmuutoksia. Tässä tapauksessa käytetään lämmönkestäviä seoksia. Tällaisten materiaalien käyttölämpötila on yli 500 ºС. Tällaisille teräksille ominaisia tärkeitä seikkoja ovat korkea kestävyysraja, plastisuus, joka säilyy pitkään, sekä relaksaatiostabiilisuus. On olemassa useita elementtejä, jotka voivat merkittävästi lisätä korkeiden lämpötilojen kestävyyttä: koboltti, volframi, molybdeeni. Kromi on myös pakollinen komponentti. Se ei vaikuta niinkään lujuuteen kuin lisää hilseilykestävyyttä. Kromi estää myös korroosioprosesseja. Toinen tämän tyyppisten seosten tärkeä ominaisuus on hidas viruminen.

Lämmönkestävien terästen luokitus rakenteen mukaan

Lämmönkestävät ja lämmönkestävät seokset ovat ferriittistä luokkaa, martensiittisia, austeniittisia ja ferriittis-martensiittinen rakenne. Ensimmäiset sisältävät noin 30 % kromia. Erityiskäsittelyn jälkeen rakenne muuttuu hienorakeiseksi. Jos lämmityslämpötila ylittää 850 ºС, jyvätlisääntyvät, ja tällaiset lämmönkestävät materiaalit muuttuvat hauraiksi. Martensiittiselle luokalle on ominaista seuraava kromipitoisuus: 4 - 12%. Nikkeliä, volframia ja muita alkuaineita voi myös esiintyä pieniä määriä. Niistä valmistetaan autojen turbiinien ja venttiilien osat. Teräkset, joiden rakenteessa on martensiittia ja ferriittiä, sopivat jatkuvaan korkeisiin lämpötiloihin ja pitkäaikaiseen käyttöön. Kromipitoisuus on 14 %. Austeniittia saadaan lisäämällä nikkeliä kuumuutta kestäviin seoksiin. Teräksillä, joilla on samanlainen rakenne, on monia laatuja.

Nikkelipohjaiset seokset

Nikkelillä on useita hyödyllisiä ominaisuuksia. Sillä on positiivinen vaikutus teräksen työstettävyyteen (sekä kuumana että kylmänä). Jos osa tai työkalu on suunniteltu toimimaan aggressiivisessa ympäristössä, seostus tällä elementillä lisää merkittävästi korroosionkestävyyttä. Nikkelipohjaiset lämmönkestävät materiaalit jaetaan seuraaviin ryhmiin: lämmönkestävät ja itse asiassa lämmönkestävät. Jälkimmäisellä tulee myös olla vähintään lämmönkestävyysominaisuudet. Käyttölämpötila saavuttaa 1200 astetta. Lisäksi lisätään kromia tai titaania. Tyypillistä on, että nikkelillä seostetuissa teräksissä on vähän epäpuhtauksia, kuten bariumia, magnesiumia, booria, joten raeraajat vahvistuvat. Tämän tyyppisiä lämmönkestäviä seoksia valmistetaan takoina ja valssatuina tuotteina. On myös mahdollista valaa osia. Niiden pääasiallinen käyttöalue on kaasuturbiinielementtien valmistus. Nikkelipohjaiset lämmönkestävät seokset sisältävät jopa 30 % kromia. Ne soveltuvat tarpeeksi hyvin leimaamiseen, hitsaukseen. Lisäksi hilseilykestävyys on korkealla tasolla. Tämä mahdollistaa niiden käytön kaasuputkijärjestelmissä.

Lämmönkestävä titaaniseosteräs

Titaania lisätään pieni määrä (jopa 0,3 %). Tässä tapauksessa se lisää seoksen lujuutta. Jos sen pitoisuus on paljon suurempi, jotkut mekaaniset ominaisuudet huononevat (kovuus, lujuus). Mutta plastisuus lisääntyy. Tämä helpottaa teräksen käsittelyä. Kun titaani otetaan käyttöön yhdessä muiden komponenttien kanssa, on mahdollista parantaa merkittävästi lämmönkestävyysominaisuuksia. Jos on tarvetta työskennellä aggressiivisessa ympäristössä (varsinkin kun suunnitteluun liittyy hitsausta), seostus tällä kemiallisella alkuaineella on perusteltua.

Kobolttilejeeringit

Suuri määrä kobolttia (jopa 80 %) menee materiaalien, kuten lämmönkestävien ja lämmönkestävien metalliseosten, tuotantoon, koska sitä käytetään harvoin puhtaassa muodossaan. Sen käyttöönotto lisää plastisuutta ja kestävyyttä työskenneltäessä korkeissa lämpötiloissa. Ja mitä korkeampi se on, sitä suurempi on seokseen lisätyn koboltin määrä. Joissakin merkeissä sen sisältö on 30%. Toinen tällaisten terästen ominaisuus on magneettisten ominaisuuksien paraneminen. Koboltin korkeiden kustannusten vuoksi sen käyttö on kuitenkin melko rajallista.

Molybdeenin vaikutus lämmönkestäviin seoksiin

Tämä kemiallinen alkuaine vaikuttaa merkittävästi materiaalin lujuuteen korkeissa lämpötiloissa.

Se on erityisen tehokas, kun sitä käytetään yhdessä muiden elementtien kanssa. Se lisää merkittävästi teräksen kovuutta (jo pitoisuudella 0,3%). Myös vetolujuus kasvaa. Toinen molybdeenin kanssa seostettujen lämmönkestävien metalliseosten myönteinen ominaisuus on korkea kestävyys oksidatiivisia prosesseja vastaan. Molybdeeni edistää viljan jauhamista. Haittapuolena on hitsauksen vaikeus.

Muut erikoisteräkset ja -lejeeringit

Tiettyjen tehtävien suorittamiseen tarvitaan materiaaleja, joilla on tietyt ominaisuudet. Siten voimme puhua erikoisseosten käytöstä, jotka voivat olla sekä seostettuja että hiiltä. Jälkimmäisessä vaaditut ominaisuudet saavutetaan johtuen siitä, että metalliseosten valmistus ja käsittely tapahtuu erityisellä tekniikalla. Jopa erikoisseokset ja teräkset jaetaan rakenteisiin ja työkaluihin. Tämän tyyppisten materiaalien päätehtävistä voidaan erottaa seuraavat: korroosionkestävyys ja kulumisprosessit, kyky työskennellä aggressiivisessa ympäristössä ja parannetut mekaaniset ominaisuudet. Tähän luokkaan kuuluvat sekä lämmönkestävät teräkset ja seokset, joiden käyttölämpötila on korkea, että kryogeeniset teräkset, jotka kestävät jopa -296 ºС.

Työkaluteräs

Työkalujen valmistuksessa käytetään erikoistyökaluterästä. Koska niiden työolosuhteet ovat erilaiset, materiaalit valitaan myös yksilöllisesti. Koska työkalujen vaatimukset ovat melko korkeat, metalliseosten ominaisuudet niilletuotanto on asianmukaista: niissä ei saa olla kolmansien osapuolten epäpuhtauksia, sulkeumia, hapettumisprosessi on suoritettu hyvin ja rakenne on homogeeninen. On erittäin tärkeää, että mittauslaitteilla on vakaat parametrit ja ne kestävät kulumista. Jos puhumme leikkaustyökaluista, ne toimivat korkeissa lämpötiloissa (reuna kuumenee), jatkuvassa kitkassa ja muodonmuutoksessa. Siksi on erittäin tärkeää, että ne säilyttävät ensisijaisen kovuutensa kuumennettaessa. Toinen työkaluterästyyppi on nopea teräs. Pohjimmiltaan se on seostettu volframilla. Kovuus säilyy noin 600ºС lämpötilaan asti. Siellä on myös muottiteräksiä. Ne on suunniteltu sekä kuuma- että kylmämuovaukseen.

Erityiset metalliseossovellukset

Erityisominaisuuksilla varustettuja metalliseoksia käyttäviä toimialoja on monia. Parantuneiden ominaisuuksiensa ansiosta ne ovat välttämättömiä koneenrakennuksessa, rakentamisessa ja öljyteollisuudessa. Lämmönkestäviä ja lämmönkestäviä metalliseoksia käytetään turbiinien osien, autojen varaosien valmistuksessa. Teräkset, joilla on korkeat korroosionesto-ominaisuudet, ovat välttämättömiä putkien, kaasuttimen neulojen, kiekkojen ja erilaisten kemianteollisuuden elementtien valmistuksessa. Rautatiekiskot, kauhat, ajoneuvojen telat - kulutusta kestävät teräkset ovat kaiken tämän perusta. Pulttien, muttereiden ja muiden vastaavien osien massatuotannossa käytetään automaattisia metalliseoksia. Jousien tulee olla riittävän joustavia ja kulutusta kestäviä. SiksiNiiden materiaali on jousiterästä. Tämän laadun parantamiseksi ne on lisäksi seostettu kromilla, molybdeenillä. Kaikki erikoisseokset ja teräkset, joilla on tietyt ominaisuudet, voivat alentaa sellaisten osien kustannuksia, joissa aiemmin käytettiin ei-rautametalleja.