Жаростійкі сплави. Спеціальні сталі і сплави. Виробництво і використання жаростійких сплавів

Сучасну промисловість неможливо уявити без такого матеріалу, як сталь. З нею ми стикаємося практично на кожному кроці. За допомогою введення до її складу різних хімічних елементів можна значно поліпшити механічні та експлуатаційні властивості.

Що таке сталь

Сталлю називається сплав, який має у своєму складі вуглець і залізо. Також такий сплав (фото розташоване нижче) може мати домішки інших хімічних елементів.

Виділяють кілька структурних станів. Якщо вміст вуглецю знаходиться в межах 0,025-0,8%, то дані стали називаються доевтектоїдних і мають у своїй структурі перліт і ферит. Якщо сталь заевтектоідних, то можна спостерігати перлитную і цементітную фази. Особливістю ферритной структури є велика пластичність. Цементит ж має чималу твердістю. Перліт утворюють обидві попередні фази. Він може мати зернисту форму (по зернах фериту розташовуються включення цементиту, які мають круглу форму) і пластинчасту (обидві фази мають вигляд пластин). Якщо сталь нагрівається вище тієї температури, при якій відбуваються поліморфні модифікації, то структура змінюється на аустенітну. Дана фаза має підвищену пластичність. Якщо вміст вуглецю перевищує 2,14%, то такі матеріали і сплави називають чавунами.

Види стали

Залежно від складу сталь може бути вуглецевої та легованої. Вміст вуглецю менше 0,25% характеризує низкоуглеродистую сталь. Якщо його кількість сягає 0,55%, то можна говорити про середньовуглецеві сплаві. Сталь, яка в своєму складі має більше 0,6% вуглецю, називається високовуглецевої. Якщо при тому, як виготовляється сплав, технологія передбачає введення специфічних хімічних елементів, то дана сталь називається легованої. Введення різних компонентів значно змінює її властивості. Якщо їх кількість не перевищує 4%, то сплав низьколегований. Середньолегованих і високолегована сталь має відповідно до 11% і більше 12% включень. Залежно від того, в якій сфері застосовуються сталеві сплави, виділяють такі їх види: інструментальні, конструкційні та спеціальні сталі і сплави.

Технологія виготовлення

Процес виплавки стали досить трудомісткий. Він включає в себе кілька етапів. Насамперед, необхідно сировина - залізна руда. Перший етап включає нагрів до певної температури. При цьому відбуваються окислювальні процеси. На другому етапі температура стає значно вище. Процеси окислення вуглецю проходять більш інтенсивно. Можливо додаткове збагачення сплаву киснем. Непотрібні домішки видаляються в шлак. Наступний крок спрямований на видалення кисню із сталі, так як він істотно знижує механічні властивості. Це може проводиться дифузійним або облягають способом. Якщо процес розкислення не відбувається, то одержувана сталь називається киплячій. Спокійний сплав гази не виділяє, кисень видаляється повністю. Проміжне становище займають напівспокійну сталі. Виробництво сплавів заліза происходи в мартенівських, індукційних печах, кисневих конвертерах.

Легування стали

Для того щоб отримати ті чи інші властивості сталі, до її складу вводять спеціальні легуючі речовини. Основними перевагами такого сплаву є підвищена стійкість до різних деформацій, надійність деталей та інших конструкційних елементів значно зростає. При загартуванню знижується відсоток тріщин та інших дефектів. Нерідко такий метод насичення різними елементами використовується для додання стійкості до хімічної корозії. Але є і ряд недоліків. Вони вимагають додаткової обробки, висока ймовірність появи флокенов. До того ж зростає і вартість матеріалу. Найбільш поширені легуючі елементи - хром, нікель, вольфрам, молібден, кобальт. Область їх застосування досить велика. Це і машинобудування, і виготовлення деталей трубопроводів, електростанцій, авіація та багато іншого.

Поняття жароміцності і жаростійкості

Під поняттям жароміцності мається на увазі здатність металу або сплаву зберігати всі свої характеристики при роботі в високих температурах. У такому середовищі часто спостерігається газова корозія. Тому матеріал повинен володіти і стійкістю до її дії, тобто бути жаростійким. Таким чином, характеристика сплавів, які використовуються при значній температурі, повинна включати обидва цих поняття. Тільки тоді такі стали забезпечать необхідний ресурс роботи для деталей, інструментів та інших конструкційних елементів.

Особливості жароміцної стали

У випадках, коли температура досягає великих значень, потрібно застосування сплавів, які не будуть руйнуватися і піддаватися деформації. У цьому випадку використовують жаростійкі сплави. Робоча температура для таких матеріалів - вище 500ordm-С. Важливими моментами, що характеризують подібні сталі, є високий межа витривалості, пластичність, яка зберігається тривалий час, а також релаксационная стійкість. Існує ряд елементів, здатних значно підвищити стійкість до високих температур: кобальт, вольфрам, молібден. Обов`язковим компонентом є і хром. Він не стільки впливає на міцність, як підвищує окаліностойкость. Також хром перешкоджає корозійних процесів. Ще одна важлива характеристика сплавів подібного типу - повільна повзучість.

Класифікація жароміцних сталей за структурою

Жароміцні і жаростійкі сплави бувають феритного класу, мартенситного, аустенітного і з феритно-мартенситной структурою. Перші мають у своєму складі близько 30% хрому. Після спеціальної обробки структура стає дрібнозернистою. Якщо температура нагріву перевищує 850ordm-С, то зерна збільшуються, і такі жаростійкі матеріали набувають крихкість. Мартенситних клас характеризується таким вмістом хрому: від 4% до 12%. Також в незначних кількостях може бути присутнім нікель, вольфрам та інші елементи. З них виготовляють деталі турбін, клапанів в автомобілях. Сталі, які мають у своїй структурі мартенсит і ферит, підходять для роботи при постійних високих температурах і тривалої експлуатації. Вміст хрому досягає 14%. Аустеніт виходить при введенні в жароміцні сплави нікелю. Стали з подібною структурою мають безліч марок.

Сплави на основі нікелю

Нікель володіє цілим рядом корисних властивостей. Він позитивно впливає на оброблюваність стали (як в гарячому, так і в холодному стані). Якщо деталь або інструмент призначені для роботи в агресивному середовищі, то легування даними елементом істотно підвищує стійкість проти корозії. Жаростійкі матеріали на основі нікелю поділяють на такі групи: жароміцні і власне жаростійкі. Останні повинні мати також мінімальні жароміцні характеристики. Робочі температури досягають 1200ordm-С. Додатково вводять хром або титан. Характерно, що стали, леговані нікелем, мають невелику кількість таких домішок, як барій, магній, бор, тому кордону зерен більше зміцнені. Жароміцні сплави такого типу випускаються у вигляді поковок, прокату. Також можливий відплив деталей. Основна область їх застосування - виготовлення елементів газових турбін. Жаростійкі сплави на основі нікелю мають у складі і до 30% хрому. Вони досить добре піддаються штампуванню, зварюванню. До того ж, окаліностойкость знаходиться на високому рівні. Це дає можливість використовувати їх в газопровідних системах.

Жароміцний сталь, легована титаном

Титан вводиться в невеликій кількості (до 0,3%). У такому випадку він підвищує міцність сплаву. Якщо його зміст значно вище, то деякі механічні властивості погіршуються (твердість, міцність). А ось пластичність при цьому зростає. Це полегшує обробку сталі. При введенні титану разом з іншими компонентами можна істотно підвищити жароміцні характеристики. Якщо є необхідність роботи в агресивному середовищі (особливо в тому випадку, коли конструкція передбачає зварювання), то легування даними хімічним елементом є виправданим.

Кобальтові сплави

Велика кількість кобальту (до 80%) йде на виробництво таких матеріалів, як жароміцні і жаростійкі сплави, так як в чистому вигляді він рідко застосовується. Його введення підвищує пластичність, а також стійкість при роботі з високими температурами. І чим вона вища, тим вище кількість кобальту, введеного в сплав. У деяких марках його вміст досягає 30%. Ще одна характерна риса подібних сталей - поліпшення магнітні властивості. Однак у зв`язку з великою вартістю кобальту, його застосування досить обмежена.

Вплив молібдену на жароміцні сплави

Даний хімічний елемент суттєво впливає на міцність матеріалу при високих температурах. Особливо ефективно його застосування разом з іншими елементами. Він значно підвищує твердість сталі (вже при вмісті 0,3%). Межа міцності також зростає. Ще одна позитивна риса, яку мають жароміцні сплави, леговані молібденом - велика ступінь опору окислювальним процесам. Молібден сприяє подрібненню зерна. Недоліком є утруднення проведення зварювання.

Інші спеціальні сталі та сплави

Для виконання тих чи інших завдань потрібні матеріали, які володіють певними властивостями. Таким чином, можна говорити про використання спеціальних сплавів, які можуть бути як легованими, так і вуглецевими. В останній набір необхідних характеристик досягається за рахунок того, що виготовлення сплавів і їх обробка відбувається за спеціальною технологією. Ще спеціальні сплави і стали поділяють на конструкційні та інструментальні. Серед основних завдань для подібного типу матеріалів можна виділити наступні: стійкість до процесів корозії і зносу, можливість роботи в агресивному середовищі, підвищені механічні характеристики. У цю категорію відносяться і жаростійкі сталі і сплави з високою робочою температурою, і криогенні сталі, які здатні витримувати до -296ordm-С.

Інструментальна сталь

Для виготовлення інструментів у виробництві використовується спеціальна інструментальна сталь. З огляду на те, що умови роботи їх різні, матеріали також підбираються індивідуально. Оскільки вимоги до інструментів досить високі, то і характеристика сплавів для їх виробництва відповідна: вони повинні бути без сторонніх домішок, включень, процес розкислення добре проведений, а структура однорідна. Для вимірювальних приладів дуже важливо мати стабільні параметри і протидіяти зношування. Якщо говорити про ріжучих інструментах, то вони працюють в умовах підвищених температур (має місце нагрівання крайки), постійного тертя і деформації. Тому для них дуже важливо зберігати первинну твердість при нагріванні. Ще один вид інструментальної сталі - швидкорізальна. В основному, вона легується вольфрамом. Твердість зберігається до температури близько 600ordm-С. Існують також і штампові сталі. Вони призначені як для гарячого, так і для холодного деформування.

Область застосування сплавів спеціального призначення

Галузей, в яких застосовуються сплави з особливими характеристиками, безліч. Зважаючи своїх поліпшених якостей, вони є незамінними в машинобудуванні, будівництві, нафтової промисловості. Жароміцні і жаростійкі сплави застосовуються при виготовленні деталей турбін, запчастин для автомобілів. Сталі, які володіють високими антикорозійними характеристиками, незамінні для виробництва труб, голок карбюраторів, дисків, всіляких елементів хімічної промисловості. Рейки для залізниці, ковші, гусениці для транспорту - основою для всього цього є зносостійкі сталі. У масовому виробництві болтів, гайок та інших подібних деталей використовуються сплави автоматні. Ресори повинні бути достатньо пружними і зносостійкими. Тому матеріалом для них є пружинна сталь. Для поліпшення даної якості вони додатково легується хромом, молібденом. Всі спеціальні сплави і сталі з набором певних характеристик дозволяють знизити вартість деталей там, де раніше застосовувалися кольорові метали.