Zliatiny odolné voči teplu. Špeciálne ocele a zliatiny. Výroba a použitie žiaruvzdorných zliatin

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

Moderný priemysel si nemožno predstaviť bez takého materiálu, akým je oceľ. Stretávame sa s ním takmer na každom kroku. Zavedením rôznych chemických prvkov do jeho zloženia možno výrazne zlepšiť mechanické a prevádzkové vlastnosti.

Čo je oceľ

Oceľ je zliatina, ktorá obsahuje uhlík a železo. Tiež takáto zliatina (foto nižšie) môže obsahovať nečistoty iných chemických prvkov.

Existuje niekoľko štrukturálnych stavov. Ak je obsah uhlíka v rozmedzí 0,025-0,8%, potom sa tieto ocele nazývajú hypoeutektoidné a majú vo svojej štruktúre perlit a ferit. Ak je oceľ hypereutektoidná, potom možno pozorovať perlitickú a cementitovú fázu. Charakteristickým znakom feritovej štruktúry je jej vysoká plasticita. Cementit má tiež značnú tvrdosť. Perlit tvorí obe predchádzajúce fázy. Môže mať zrnitý tvar (inklúzie cementitu sú umiestnené pozdĺž zŕn feritu, ktoré majú okrúhly tvar) a lamelárne (obe fázy vyzerajú ako platne). Ak sa oceľ zahrieva nad teplotu, pri ktorejdochádza k polymorfným modifikáciám, štruktúra sa mení na austenitickú. Táto fáza zvýšila plasticitu. Ak obsah uhlíka presahuje 2,14 %, potom sa takéto materiály a zliatiny nazývajú liatiny.

Druhy ocele

V závislosti od zloženia môže byť oceľ uhlíková a legovaná. Obsah uhlíka menší ako 0,25 % charakterizuje mäkkú oceľ. Ak jeho množstvo dosiahne 0,55%, potom môžeme hovoriť o stredne uhlíkovej zliatine. Oceľ, ktorá má vo svojom zložení viac ako 0,6 % uhlíka, sa nazýva oceľ s vysokým obsahom uhlíka. Ak v procese výroby zliatiny technológia zahŕňa zavedenie špecifických chemických prvkov, potom sa táto oceľ nazýva legovaná. Zavedenie rôznych komponentov výrazne mení jeho vlastnosti. Ak ich počet nepresahuje 4%, potom je zliatina nízkolegovaná. Stredne legovaná a vysokolegovaná oceľ má až 11 % a viac ako 12 % inklúzií. V závislosti od oblasti, v ktorej sa zliatiny ocele používajú, existujú tieto typy: nástrojové, konštrukčné a špeciálne ocele a zliatiny.

Výrobná technológia

Proces tavenia ocele je dosť namáhavý. Zahŕňa niekoľko etáp. V prvom rade potrebujete suroviny – železnú rudu. Prvá fáza zahŕňa zahriatie na určitú teplotu. V tomto prípade dochádza k oxidačným procesom. V druhej fáze je teplota oveľa vyššia. Procesy oxidácie uhlíka sú intenzívnejšie. Dodatočné obohatenie zliatiny kyslíkom je možné. Nepotrebné nečistoty sú odstránené dovnútratroska. Ďalším krokom je odstránenie kyslíka z ocele, pretože výrazne znižuje mechanické vlastnosti. Toto sa môže uskutočniť difúznym alebo zrážacím spôsobom. Ak proces dezoxidácie nenastane, potom sa výsledná oceľ nazýva vriaca oceľ. Pokojná zliatina nevypúšťa plyny, kyslík sa úplne odstráni. Strednú polohu zaujímajú polotiché ocele. Výroba zliatin železa prebieha v otvorenom ohnisku, indukčných peciach, kyslíkových konvertoroch.

Zliatie ocele

Na získanie určitých vlastností ocele sa do jej zloženia zavádzajú špeciálne legujúce látky. Hlavnými výhodami tejto zliatiny sú zvýšená odolnosť voči rôznym deformáciám, výrazne sa zvyšuje spoľahlivosť dielov a iných konštrukčných prvkov. Kalenie znižuje percento trhlín a iných defektov. Tento spôsob nasýtenia rôznymi prvkami sa často používa na zabezpečenie odolnosti voči chemickej korózii. Existuje však aj množstvo nevýhod. Vyžadujú dodatočné spracovanie, pravdepodobnosť výskytu vločiek je vysoká. Okrem toho sa zvyšujú aj náklady na materiál. Najbežnejšie legujúce prvky sú chróm, nikel, volfrám, molybdén, kob alt. Rozsah ich aplikácie je pomerne veľký. To zahŕňa strojárstvo a výrobu dielov pre potrubia, elektrárne, letectvo a oveľa viac.

Koncept tepelnej odolnosti a tepelnej odolnosti

Pojem tepelnej odolnosti sa vzťahuje na schopnosť kovu alebo zliatiny zachovať si všetky svoje vlastnosti pri práci pri vysokých teplotách. V takomto prostredí častoje pozorovaná plynová korózia. Preto musí byť materiál odolný aj voči jeho pôsobeniu, to znamená byť tepelne odolný. Charakterizácia zliatin, ktoré sa používajú pri významných teplotách, teda musí zahŕňať oba tieto pojmy. Iba vtedy takéto ocele zabezpečia potrebnú životnosť dielov, nástrojov a iných konštrukčných prvkov.

Vlastnosti tepelne odolnej ocele

V prípadoch, keď teplota dosahuje vysoké hodnoty, je potrebné použiť zliatiny, ktoré sa nezrútia a nepodľahnú deformácii. V tomto prípade sa používajú tepelne odolné zliatiny. Prevádzková teplota takýchto materiálov je vyššia ako 500ºС. Dôležité body, ktoré charakterizujú takéto ocele, sú vysoká medza únosnosti, plasticita, ktorá pretrváva dlhú dobu, ako aj relaxačná stabilita. Existuje množstvo prvkov, ktoré môžu výrazne zvýšiť odolnosť voči vysokým teplotám: kob alt, volfrám, molybdén. Chróm je tiež požadovaná zložka. Neovplyvňuje ani tak pevnosť, ako zvyšuje odolnosť proti usadzovaniu. Chróm tiež zabraňuje koróznym procesom. Ďalšou dôležitou charakteristikou zliatin tohto typu je pomalé tečenie.

Klasifikácia žiaruvzdorných ocelí podľa štruktúry

Žiaruvzdorné a žiaruvzdorné zliatiny sú feritickej triedy, martenzitické, austenitické a s feriticko-martenzitickou štruktúrou. Prvé obsahujú asi 30% chrómu. Po špeciálnom spracovaní sa štruktúra stáva jemnozrnnou. Ak teplota ohrevu presiahne 850ºС, potom zrnáa takéto tepelne odolné materiály sa stávajú krehkými. Martenzitická trieda sa vyznačuje nasledujúcim obsahom chrómu: od 4 % do 12 %. V malých množstvách môže byť prítomný aj nikel, volfrám a iné prvky. Vyrábajú sa z nich časti turbín a ventilov v automobiloch. Ocele, ktoré majú vo svojej štruktúre martenzit a ferit, sú vhodné na prevádzku pri konštantne vysokých teplotách a dlhodobú prevádzku. Obsah chrómu dosahuje 14%. Austenit sa získava zavedením niklu do tepelne odolných zliatin. Ocele s podobnou štruktúrou majú mnoho tried.

Zliatiny na báze niklu

Nikel má množstvo užitočných vlastností. Má pozitívny vplyv na spracovateľnosť ocele (za tepla aj za studena). Ak je diel alebo nástroj určený na prácu v agresívnom prostredí, potom legovanie týmto prvkom výrazne zvyšuje odolnosť proti korózii. Žiaruvzdorné materiály na báze niklu sú rozdelené do nasledujúcich skupín: tepelne odolné a skutočne tepelne odolné. Ten by mal mať tiež minimálne tepelne odolné vlastnosti. Pracovná teplota dosahuje 1200ºС. Okrem toho sa pridáva chróm alebo titán. Charakteristické je, že ocele legované niklom majú malé množstvo nečistôt ako bárium, horčík, bór, takže hranice zŕn sú pevnejšie. Žiaruvzdorné zliatiny tohto typu sa vyrábajú vo forme výkovkov a valcovaných výrobkov. Je tiež možné odlievať diely. Ich hlavnou oblasťou použitia je výroba prvkov plynových turbín. Žiaruvzdorné zliatiny na báze niklu obsahujú až 30 % chrómu. Dosť dobre sa hodia na razenie, zváranie. Odolnosť voči vodnému kameňu je navyše na vysokej úrovni. To umožňuje ich použitie v systémoch plynovodov.

Žiaruvzdorná titánová legovaná oceľ

Titan sa zavádza v malom množstve (do 0,3 %). V tomto prípade zvyšuje pevnosť zliatiny. Ak je jeho obsah oveľa vyšší, tak sa zhoršujú niektoré mechanické vlastnosti (tvrdosť, pevnosť). Ale plasticita sa zvyšuje. To uľahčuje spracovanie ocele. Zavedením titánu spolu s ďalšími komponentmi je možné výrazne zlepšiť tepelne odolné vlastnosti. Ak je potrebné pracovať v agresívnom prostredí (najmä ak dizajn zahŕňa zváranie), potom je legovanie týmto chemickým prvkom opodstatnené.

Zliatiny kob altu

Veľké množstvo kob altu (až 80%) ide na výrobu materiálov, ako sú žiaruvzdorné a žiaruvzdorné zliatiny, keďže sa v čistej forme používa len zriedka. Jeho zavedenie zvyšuje plasticitu, ako aj odolnosť pri práci pri vysokých teplotách. A čím je vyššia, tým vyššie je množstvo kob altu zavedené do zliatiny. V niektorých značkách jeho obsah dosahuje 30 %. Ďalšou charakteristickou črtou takýchto ocelí je zlepšenie magnetických vlastností. Kvôli vysokým nákladom na kob alt je však jeho použitie dosť obmedzené.

Vplyv molybdénu na žiaruvzdorné zliatiny

Tento chemický prvok výrazne ovplyvňuje pevnosť materiálu pri vysokých teplotách.

Je obzvlášť účinný, keď sa používa spolu s inými prvkami. Výrazne zvyšuje tvrdosť ocele (už pri obsahu 0,3%). Zvyšuje sa aj pevnosť v ťahu. Ďalšou pozitívnou vlastnosťou žiaruvzdorných zliatin legovaných molybdénom je vysoký stupeň odolnosti voči oxidačným procesom. Molybdén prispieva k mletiu obilia. Nevýhodou je náročnosť zvárania.

Iné špeciálne ocele a zliatiny

Na vykonávanie určitých úloh sú potrebné materiály, ktoré majú určité vlastnosti. Môžeme teda hovoriť o použití špeciálnych zliatin, ktoré môžu byť legované aj uhlíkové. V druhom prípade sa súbor požadovaných charakteristík dosahuje vďaka tomu, že výroba zliatin a ich spracovanie prebieha pomocou špeciálnej technológie. Dokonca aj špeciálne zliatiny a ocele sa delia na konštrukčné a nástrojové. Medzi hlavné úlohy tohto typu materiálov možno rozlíšiť: odolnosť voči korózii a procesom opotrebovania, schopnosť pracovať v agresívnom prostredí a zlepšené mechanické vlastnosti. Táto kategória zahŕňa žiaruvzdorné ocele a zliatiny s vysokými prevádzkovými teplotami a kryogénne ocele, ktoré vydržia až -296ºС.

Nástrojová oceľ

Pri výrobe nástrojov sa používa špeciálna nástrojová oceľ. Vzhľadom na to, že ich pracovné podmienky sú odlišné, materiály sa vyberajú aj individuálne. Pretože požiadavky na nástroje sú pomerne vysoké, vlastnosti zliatin pre nevýroba je vhodná: musia byť bez nečistôt, inklúzií tretích strán, proces dezoxidácie je dobre vykonaný a štruktúra je homogénna. Pre meracie prístroje je veľmi dôležité, aby mali stabilné parametre a odolávali opotrebovaniu. Ak hovoríme o rezných nástrojoch, potom pracujú pri zvýšených teplotách (dochádza k zahrievaniu hrany), konštantnému treniu a deformácii. Preto je veľmi dôležité, aby si pri zahrievaní zachovali svoju primárnu tvrdosť. Ďalším typom nástrojovej ocele je rýchlorezná oceľ. V podstate je dopovaný volfrámom. Tvrdosť sa udržiava až do teploty okolo 600ºС. Existujú aj zápustkové ocele. Sú určené na tvarovanie za tepla aj za studena.

Špeciálne zliatinové aplikácie

Odvetví, ktoré používajú zliatiny so špeciálnymi vlastnosťami, je mnoho. Pre svoje zlepšené vlastnosti sú nenahraditeľné v strojárstve, stavebníctve a ropnom priemysle. Žiaruvzdorné a žiaruvzdorné zliatiny sa používajú pri výrobe častí turbín, náhradných dielov pre automobily. Ocele, ktoré majú vysoké antikorózne vlastnosti, sú nevyhnutné na výrobu rúr, ihiel karburátorov, kotúčov a rôznych prvkov chemického priemyslu. Železničné koľajnice, lopaty, koľajnice pre vozidlá – ocele odolné voči opotrebovaniu sú základom toho všetkého. Pri hromadnej výrobe skrutiek, matíc a iných podobných dielov sa používajú automatické zliatiny. Pružiny musia byť dostatočne elastické a odolné voči opotrebovaniu. Pretomateriálom pre nich je pružinová oceľ. Na zlepšenie tejto kvality sú dodatočne legované chrómom, molybdénom. Všetky špeciálne zliatiny a ocele so súborom špecifických vlastností môžu znížiť náklady na diely, kde sa predtým používali neželezné kovy.