Гарачаўстойлівыя сплавы. Спецыяльныя сталі і сплавы. Вытворчасць і выкарыстанне цеплатрывалых сплаваў

Сучасную прамысловасць немагчыма ўявіць без такога матэрыялу, як сталь. З ёй мы сутыкаемся практычна на кожным кроку. З дапамогай ўвядзення ў яе склад розных хімічных элементаў можна значна палепшыць механічныя і эксплуатацыйныя ўласцівасці.

Што такое сталь

Сталлю называецца сплаў, які мае ў сваім складзе вуглярод і жалеза. Таксама такі сплаў (фота размешчана ніжэй) можа мець прымешкі іншых хімічных элементаў.

Вылучаюць некалькі структурных станаў. Калі ўтрыманне вугляроду знаходзіцца ў межах 0,025-0,8%, то дадзеныя сталі называюцца доэвтектоидными і маюць у сваёй структуры перліт і ферыт. Калі сталь заэвтектоидная, то можна назіраць перлитную і цементитную фазы. Асаблівасцю ферритной структуры з'яўляецца вялікая пластычнасць. Цэмент ж валодае немалой цвёрдасцю. Перліт ўтвараюць абедзве папярэднія фазы. Ён можа мець крупчастую форму (па зернях ферыту размяшчаюцца ўключэння цементита, якія маюць круглую форму) і пласціністы (абедзве фазы маюць выгляд пласцін). Калі сталь награваецца вышэй той тэмпературы, пры якой адбываюцца паліморфныя мадыфікацыі, то структура змяняецца на аустенитную. Дадзеная фаза мае павышаную пластычнасць. Калі ўтрыманне вугляроду перавышае 2,14%, то такія матэрыялы і сплавы называюць чыгунамі.

віды сталі

У залежнасці ад складу сталь можа быць вугляроднай і легаванай. Утрыманне вугляроду менш 0,25% характарызуе низкоуглеродистую сталь. Калі яго колькасць дасягае 0,55%, то можна казаць пра рэалагічнае сплаве. Сталь, якая ў сваім складзе мае больш 0,6% вугляроду, называецца высокавугляродзістага. Калі пры тым, як вырабляецца сплаў, тэхналогія мае на ўвазе ўвядзенне спецыфічных хімічных элементаў, то дадзеная сталь называецца легаванай. Увядзенне розных кампанентаў значна змяняе яе ўласцівасці. Калі іх колькасць не перавышае 4%, то сплаў низколегированный. Среднелегированная і высоколегированная сталь мае адпаведна да 11% і больш за 12% уключэнняў. У залежнасці ад таго, у якой сферы прымяняюцца сталёвыя сплавы, вылучаюць такія іх віды: інструментальныя, канструкцыйныя і спецыяльныя сталі і сплавы.

тэхналогія вырабу

Працэс выплаўлення сталі даволі працаёмкі. Ён уключае ў сябе некалькі этапаў. Перш за ўсё, неабходна сыравіну - жалезная руда. Першы этап уключае нагрэў да пэўнай тэмпературы. Пры гэтым адбываюцца акісляльныя працэсы. На другім этапе тэмпература становіцца значна вышэй. Працэсы акіслення вугляроду праходзяць больш інтэнсіўна. Магчыма дадатковае ўзбагачэнне сплаву кіслародам. Непатрэбныя прымешкі выдаляюцца ў дзындра. Наступны крок накіраваны на выдаленне кіслароду з сталі, так як ён істотна зніжае механічныя ўласцівасці. Гэта можа праводзіцца дыфузійнай ці абложнікам спосабам. Калі працэс раскіслення не адбываецца, то якая атрымліваецца сталь называецца кіпячай. Спакойны сплаў газы не вылучае, кісларод выдаляецца цалкам. Прамежкавае становішча займаюць полуспокойные сталі. Вытворчасць сплаваў жалеза адбывайся ў мартэнаўскіх, індукцыйных печах, кіслародных канвертарах.

легіраванне сталі

Для таго каб атрымаць тыя або іншыя ўласцівасці сталі, у яе склад ўводзяць спецыяльныя легіравальных рэчывы. Асноўнымі перавагамі такога сплаву з'яўляюцца падвышаная ўстойлівасць да розных дэфармацыям, надзейнасць дэталяў і іншых канструкцыйных элементаў значна ўзрастае. Пры загартоўцы зніжаецца працэнт расколін і іншых дэфектаў. Нярэдка такі метад насычэння рознымі элементамі выкарыстоўваецца для надання стойкасці да хімічнай карозіі. Але маецца і шэраг недахопаў. Яны патрабуюць дадатковай апрацоўкі, высокая верагоднасць з'яўлення флокенов. Да таго ж узрастае і кошт матэрыялу. Найбольш распаўсюджаныя легіруючых элементаў - хром, нікель, вальфрам, малібдэн, кобальт. Вобласць іх прымянення даволі вялікая. Гэта і машынабудаванне, і выраб дэталяў трубаправодаў, электрастанцый, авіяцыя і многае іншае.

Паняцце гарачатрывалага і жароустойчивости

Пад паняццем гарачатрывалага маецца на ўвазе здольнасць металу або сплаву захоўваць усе свае характарыстыкі пры працы ў высокіх тэмпературах. У такім асяроддзі часта назіраецца газавая карозія. Таму матэрыял павінен валодаць і ўстойлівасцю да яе дзеяння, гэта значыць быць цеплатрывалых. Такім чынам, характарыстыка сплаваў, якія выкарыстоўваюцца пры значнай тэмпературы, павінна ўключаць абодва гэтых паняцці. Толькі тады такія сталі забяспечаць неабходны рэсурс працы для дэталяў, інструментаў і іншых канструкцыйных элементаў.

Асаблівасці гарачатрывалай сталі

У выпадках, калі тэмпература дасягае вялікіх значэнняў, патрабуецца прымяненне сплаваў, якія не будуць разбурацца і паддавацца дэфармацыі. У гэтым выпадку выкарыстоўваюць гарачаўстойлівыя сплавы. Працоўная тэмпература для такіх матэрыялаў - вышэй 500ºС. Немалаважнымі момантамі, якія характарызуюць падобныя сталі, з'яўляюцца высокі мяжа трываласці, пластычнасць, якая захоўваецца доўгі час, а таксама рэлаксацыйныя ўстойлівасць. Існуе шэраг элементаў, здольных значна павысіць устойлівасць да высокіх тэмператур: кобальт, вальфрам, малібдэн. Абавязковым кампанентам з'яўляецца і хром. Ён не так ўплывае на трываласць, як падвышае окалиностойкость. Таксама хром перашкаджае Каразійная працэсам. Яшчэ адна важная характарыстыка сплаваў падобнага тыпу - павольная ползучесть.

Класіфікацыя гарачатрывалых сталей за структурай

Гарачатрывалыя і цеплатрывалыя сплавы бываюць ферритного класа, мартенситного, аустенитного і з феритно-мартенситной структурай. Першыя маюць у сваім складзе каля 30% хрому. Пасля спецыяльнай апрацоўкі структура становіцца дробназярністай. Калі тэмпература нагрэву перавышае 850ºС, то збожжа павялічваюцца, і такія цеплатрывалыя матэрыялы набываюць далікатнасць. Мартенситный клас характарызуецца такім утрыманнем хрому: ад 4% да 12%. Таксама ў нязначных колькасцях можа прысутнічаць нікель, вальфрам і іншыя элементы. З іх вырабляюць дэталі турбін, клапанаў ў аўтамабілях. Сталі, якія маюць у сваёй структуры Мартэнс і ферыт, падыходзяць для працы пры пастаянных высокіх тэмпературах і працяглай эксплуатацыі. Ўтрыманне хрому дасягае 14%. Аустенит атрымліваецца пры увядзенні ў гарачатрывалыя сплавы нікеля. Сталі з падобнай структурай маюць мноства марак.

Сплавы на аснове нікеля

Нікель валодае цэлым шэрагам карысных уласцівасцяў. Ён станоўча ўплывае на обрабатываемость сталі (як у гарачым, так і ў халодным стане). Калі дэталь або інструмент прызначаны для працы ў агрэсіўнай асяроддзі, то легіраванне дадзеных элементам істотна павышае ўстойлівасць супраць карозіі. Цеплатрывалыя матэрыялы на аснове нікеля падзяляюць на такія групы: гарачатрывалыя і ўласна гарачаўстойлівыя. Апошнія павінны мець таксама мінімальныя гарачатрывалыя характарыстыкі. Працоўныя тэмпературы дасягаюць 1200ºС. Дадаткова ўводзяць хром або тытан. Характэрна, што сталі, легаваныя нікелем, маюць невялікая колькасць такіх прымешак, як барый, магній, бор, таму межы зерняў больш ўмацавала. Гарачатрывалыя сплавы такога тыпу выпускаюцца ў выглядзе поковок, пракату. Таксама магчымы адліў дэталяў. Асноўная вобласць іх прымянення - выраб элементаў газавых турбін. Гарачаўстойлівыя сплавы на аснове нікеля маюць у складзе і да 30% хрому. Яны досыць добра паддаюцца штампоўцы, зварвання. Да таго ж, окалиностойкость знаходзіцца на высокім узроўні. Гэта дае магчымасць выкарыстоўваць іх у газаправодных сістэмах.

Гарачатрывалых сталь, легаваная тытанам

Тытан ўводзіцца ў невялікай колькасці (да 0,3%). У такім выпадку ён павышае трываласць сплаву. Калі яго ўтрыманне значна вышэй, то некаторыя механічныя ўласцівасці пагаршаюцца (цвёрдасць, трываласць). А вось пластычнасць пры гэтым узрастае. Гэта палягчае апрацоўку сталі. Пры увядзенні тытана разам з іншымі кампанентамі можна істотна павысіць гарачатрывалыя характарыстыкі. Калі ёсць неабходнасць працы ў агрэсіўнай асяроддзі (асабліва ў тым выпадку, калі канструкцыя мае на ўвазе зварвання), то легіраванне дадзеных хімічным элементам з'яўляецца апраўданым.

кобальтовые сплавы

Вялікая колькасць кобальту (да 80%) ідзе на вытворчасць такіх матэрыялаў, як гарачатрывалыя і цеплатрывалыя сплавы, так як у чыстым выглядзе ён рэдка ўжываецца. Яго ўвядзенне павышае пластычнасць, а таксама ўстойлівасць пры працы з высокімі тэмпературамі. І чым яна вышэй, тым вышэй колькасць кобальту, уведзенага ў сплаў. У некаторых марках яго ўтрыманне дасягае 30%. Яшчэ адна характэрная рыса падобных сталей - паляпшэнне магнітныя ўласцівасці. Аднак у сувязі з вялікай коштам кобальту, яго прымяненне даволі абмежавана.

Ўплыў малібдэна на гарачатрывалыя сплавы

Дадзены хімічны элемент істотна ўплывае на трываласць матэрыялу пры высокіх тэмпературах. Асабліва эфектыўна яго прымяненне разам з іншымі элементамі. Ён значна павышае цвёрдасць сталі (ужо пры змесце 0,3%). Мяжа трываласці таксама ўзрастае. Яшчэ адна станоўчая рыса, якую маюць гарачатрывалыя сплавы, легаваныя малібдэнам - вялікая ступень супраціву акісляльных працэсаў. Малібдэн спрыяе драбненню збожжа. Недахопам з'яўляецца цяжкасць правядзення зваркі.

Іншыя спецыяльныя сталі і сплавы

Для выканання тых ці іншых заданняў патрабуюцца матэрыялы, якія валодаюць пэўнымі ўласцівасцямі. Такім чынам, можна казаць пра выкарыстанне спецыяльных сплаваў, якія могуць быць як легіраваных, так і вугляроднымі. У апошняй набор патрэбных характарыстык дасягаецца за кошт таго, што выраб сплаваў і іх апрацоўка адбываецца за спецыяльнай тэхналогіяй. Яшчэ спецыяльныя сплавы і сталі падзяляюць на канструкцыйныя і інструментальныя. Сярод асноўных задач для падобнага тыпу матэрыялаў можна вылучыць наступныя: ўстойлівасць да працэсаў карозіі і зносу, магчымасць працы ў агрэсіўнай асяроддзі, павышаныя механічныя характарыстыкі. У гэтую катэгорыю ставяцца і цеплатрывалыя сталі і сплавы з высокай працоўнай тэмпературай, і крыягенныя сталі, якія здольныя вытрымліваць да -296ºС.

інструментальная сталь

Для вырабу інструментаў у вытворчасці выкарыстоўваецца спецыяльная інструментальная сталь. З прычыны таго, што ўмовы працы іх розныя, матэрыялы таксама падбіраюцца індывідуальна. Бо патрабаванні да прылад дастаткова высокія, то і характарыстыка сплаваў для іх вытворчасці адпаведная: яны павінны быць без іншых прымешак, уключэнняў, працэс раскіслення добра праведзены, а структура аднастайная. Для вымяральных прыбораў вельмі важна мець стабільныя параметры і процідзейнічаць зношвання. Калі казаць пра рэжучыя інструментах, то яны працуюць ва ўмовах падвышаных тэмператур (мае месца награванне абзы), пастаяннага трэння і дэфармацыі. Таму для іх вельмі важна захоўваць першасную цвёрдасць пры награванні. Яшчэ адзін від інструментальнай сталі - хуткарэзнай. У асноўным, яна легіравальных Вальфрамам. Цвёрдасць захоўваецца да тэмпературы каля 600ºС. Існуюць таксама і штамповые сталі. Яны прызначаныя як для гарачага, так і для халоднага дэфармавання.

Вобласць ужывання сплаваў спецыяльнага прызначэння

Галін, у якіх ужываюцца сплавы з асаблівымі характарыстыкамі, мноства. З прычыны сваіх палепшаных якасцяў, яны з'яўляюцца незаменнымі ў машынабудаванні, будаўніцтве, нафтавай прамысловасці. Гарачатрывалыя і цеплатрывалыя сплавы прымяняюцца пры вырабе дэталяў турбін, запчастак для аўтамабіляў. Сталі, якія валодаюць высокімі антыкаразійнымі характарыстыкамі, незаменныя для вытворчасці труб, іголак карбюратараў, дыскаў, разнастайных элементаў хімічнай прамысловасці. Рэйкі для чыгункі, каўшы, гусеніцы для транспарту - асновай для ўсяго гэтага з'яўляюцца зносастойкіх сталі. У масавай вытворчасці нітаў, гаек і іншых падобных дэталяў выкарыстоўваюцца сплавы аўтаматныя. Рысоры павінны быць досыць пругкімі і зносаўстойлівымі. Таму матэрыялам для іх з'яўляецца спружынная сталь. Для паляпшэння дадзенага якасці яны дадаткова легіравальных хромам, малібдэнам. Усе спецыяльныя сплавы і сталі з наборам пэўных характарыстык дазваляюць знізіць кошт дэталяў там, дзе раней ўжываліся каляровыя металы.