Karstumizturīgi sakausējumi. Speciālie tēraudi un sakausējumi. Karstumizturīgu sakausējumu ražošana un izmantošana

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 10:35

Mūsdienu rūpniecība nav iedomājama bez tāda materiāla kā tērauds. Mēs to sastopam gandrīz katrā solī. Ieviešot tā sastāvā dažādus ķīmiskos elementus, var ievērojami uzlabot mehāniskās un ekspluatācijas īpašības.

Kas ir tērauds

Tērauds ir sakausējums, kas satur oglekli un dzelzi. Turklāt šādam sakausējumam (foto zemāk) var būt citu ķīmisko elementu piemaisījumi.

Ir vairāki strukturālie stāvokļi. Ja oglekļa saturs ir robežās no 0,025-0,8%, tad šos tēraudus sauc par hipoeutektoīdiem, un to struktūrā ir perlīts un ferīts. Ja tērauds ir hipereutektoīds, tad var novērot perlīta un cementīta fāzes. Ferīta struktūras iezīme ir tā augstā plastiskums. Cementītam ir arī ievērojama cietība. Perlīts veido abas iepriekšējās fāzes. Tam var būt granulēta forma (cementīta ieslēgumi atrodas gar ferīta graudiem, kuriem ir apaļa forma) un slāņveida (abas fāzes izskatās kā plāksnes). Ja tērauds tiek uzkarsēts virs temperatūras, kurārodas polimorfas modifikācijas, struktūra mainās uz austenītu. Šī fāze ir palielinājusi plastiskumu. Ja oglekļa saturs pārsniedz 2,14%, tad šādus materiālus un sakausējumus sauc par čuguniem.

Tērauda veidi

Atkarībā no sastāva tērauds var būt ogleklis un leģēts. Oglekļa saturs, kas mazāks par 0,25%, raksturo vieglo tēraudu. Ja tā daudzums sasniedz 0,55%, tad var runāt par vidēja oglekļa sakausējumu. Tēraudu, kura sastāvā ir vairāk nekā 0,6% oglekļa, sauc par tēraudu ar augstu oglekļa saturu. Ja sakausējuma ražošanas procesā tehnoloģija ietver īpašu ķīmisko elementu ieviešanu, tad šo tēraudu sauc par leģētu. Dažādu komponentu ieviešana būtiski maina tā īpašības. Ja to skaits nepārsniedz 4%, tad sakausējums ir mazleģēts. Vidēji leģētam un augsti leģētam tēraudam ir attiecīgi līdz 11% un vairāk nekā 12% ieslēgumu. Atkarībā no jomas, kurā tiek izmantoti tērauda sakausējumi, ir šādi to veidi: instrumentu, konstrukcijas un speciālie tēraudi un sakausējumi.

Ražošanas tehnoloģija

Tērauda kausēšanas process ir diezgan darbietilpīgs. Tas ietver vairākus posmus. Pirmkārt, ir vajadzīgas izejvielas – dzelzsrūda. Pirmais posms ietver karsēšanu līdz noteiktai temperatūrai. Šajā gadījumā notiek oksidatīvie procesi. Otrajā posmā temperatūra kļūst daudz augstāka. Oglekļa oksidācijas procesi ir intensīvāki. Iespējama sakausējuma papildu bagātināšana ar skābekli. Tajā tiek noņemti nevajadzīgi piemaisījumiizdedži. Nākamais solis ir skābekļa noņemšana no tērauda, jo tas ievērojami samazina mehāniskās īpašības. To var veikt difūzijas vai izgulsnēšanas veidā. Ja deoksidācijas process nenotiek, iegūto tēraudu sauc par vārošu tēraudu. Mierīgs sakausējums neizdala gāzes, skābeklis tiek pilnībā noņemts. Starpstāvokli ieņem daļēji klusi tēraudi. Dzelzs sakausējumu ražošana notiek martenā, indukcijas krāsnīs, skābekļa pārveidotājos.

Tērauda sakausējums

Lai iegūtu noteiktas tērauda īpašības, tā sastāvā tiek ievadītas īpašas leģējošas vielas. Galvenās šī sakausējuma priekšrocības ir paaugstināta izturība pret dažādām deformācijām, ievērojami palielinās detaļu un citu konstrukcijas elementu uzticamība. Sacietēšana samazina plaisu un citu defektu procentuālo daudzumu. Bieži vien šī piesātinājuma metode ar dažādiem elementiem tiek izmantota, lai nodrošinātu izturību pret ķīmisko koroziju. Taču ir arī vairāki trūkumi. Tiem nepieciešama papildu apstrāde, pārslu parādīšanās iespējamība ir augsta. Turklāt palielinās arī materiāla izmaksas. Visbiežāk sastopamie leģējošie elementi ir hroms, niķelis, volframs, molibdēns, kob alts. To piemērošanas joma ir diezgan liela. Tas ietver mašīnbūvi un detaļu ražošanu cauruļvadiem, spēkstacijām, aviācijai un daudz ko citu.

Karstumizturības un karstumizturības jēdziens

Karstumizturības jēdziens attiecas uz metāla vai sakausējuma spēju saglabāt visas tā īpašības, strādājot augstā temperatūrā. Tādā vidē biežitiek novērota gāzes korozija. Tāpēc materiālam jābūt arī izturīgam pret tā darbību, tas ir, jābūt karstumizturīgam. Tādējādi to sakausējumu raksturojumā, kurus izmanto ievērojamās temperatūrās, jāietver abi šie jēdzieni. Tikai tad šādi tēraudi nodrošinās detaļām, instrumentiem un citiem konstrukcijas elementiem nepieciešamo kalpošanas laiku.

Karstumizturīga tērauda īpašības

Gadījumos, kad temperatūra sasniedz augstas vērtības, ir jāizmanto sakausējumi, kas nesabruks un nepakļaujas deformācijai. Šajā gadījumā tiek izmantoti karstumizturīgi sakausējumi. Šādu materiālu darba temperatūra ir virs 500ºС. Būtiski punkti, kas raksturo šādus tēraudus, ir augsta izturības robeža, plastiskums, kas saglabājas ilgu laiku, kā arī relaksācijas stabilitāte. Ir vairāki elementi, kas var ievērojami palielināt izturību pret augstām temperatūrām: kob alts, volframs, molibdēns. Hroms ir arī obligāta sastāvdaļa. Tas ne tik daudz ietekmē izturību, cik palielina mēroga pretestību. Hroms arī novērš korozijas procesus. Vēl viena svarīga šāda veida sakausējumu īpašība ir lēna šļūde.

Karstumizturīgo tēraudu klasifikācija pēc struktūras

Karstumizturīgie un karstumizturīgie sakausējumi ir ferīta klases, martensīta, austenīta un ar ferīta-martensīta struktūru. Pirmie satur apmēram 30% hroma. Pēc īpašas apstrādes struktūra kļūst smalkgraudaina. Ja apkures temperatūra pārsniedz 850ºС, tad graudipalielinās, un šādi karstumizturīgi materiāli kļūst trausli. Martensīta klasei raksturīgs šāds hroma saturs: no 4% līdz 12%. Nelielos daudzumos var būt arī niķelis, volframs un citi elementi. No tiem tiek izgatavotas automašīnu turbīnu un vārstu daļas. Tēraudi, kuru struktūrā ir martensīts un ferīts, ir piemēroti darbam nemainīgi augstā temperatūrā un ilgstošai darbībai. Hroma saturs sasniedz 14%. Austenītu iegūst, ieviešot niķeli karstumizturīgos sakausējumos. Tēraudam ar līdzīgu struktūru ir daudz šķirņu.

Sakausējumi uz niķeļa bāzes

Niķelim ir vairākas noderīgas īpašības. Tas pozitīvi ietekmē tērauda apstrādājamību (gan karstu, gan aukstu). Ja detaļa vai instruments ir paredzēts darbam agresīvā vidē, tad sakausēšana ar šo elementu ievērojami palielina izturību pret koroziju. Karstumizturīgie materiāli uz niķeļa bāzes tiek iedalīti šādās grupās: karstumizturīgi un faktiski karstumizturīgi. Pēdējam jābūt arī minimālām karstumizturīgām īpašībām. Darba temperatūra sasniedz 1200ºС. Turklāt tiek pievienots hroms vai titāns. Raksturīgi, ka tēraudos, kas leģēti ar niķeli, ir neliels daudzums piemaisījumu, piemēram, bārija, magnija, bora, tāpēc graudu robežas ir vairāk nostiprinātas. Šāda veida karstumizturīgus sakausējumus ražo kalumu un velmētu izstrādājumu veidā. Ir iespējams arī atliet detaļas. To galvenā pielietojuma joma ir gāzturbīnu elementu ražošana. Karstumizturīgie sakausējumi uz niķeļa bāzes satur līdz 30% hroma. Tie ir pietiekami labi piemēroti štancēšanai, metināšanai. Turklāt mēroga pretestība ir augstā līmenī. Tas ļauj tos izmantot gāzes cauruļvadu sistēmās.

Karstumizturīgs titāna sakausējuma tērauds

Titāns tiek ieviests nelielā daudzumā (līdz 0,3%). Šajā gadījumā tas palielina sakausējuma izturību. Ja tā saturs ir daudz lielāks, tad dažas mehāniskās īpašības pasliktinās (cietība, izturība). Bet plastiskums palielinās. Tas atvieglo tērauda apstrādi. Ieviešot titānu kopā ar citiem komponentiem, ir iespējams būtiski uzlabot karstumizturības īpašības. Ja ir nepieciešams strādāt agresīvā vidē (īpaši, ja dizains ir saistīts ar metināšanu), tad sakausēšana ar šo ķīmisko elementu ir pamatota.

Kob alta sakausējumi

Liels daudzums kob alta (līdz 80%) tiek izmantots tādu materiālu ražošanai kā karstumizturīgi un karstumizturīgi sakausējumi, jo tīrā veidā to izmanto reti. Tās ieviešana palielina plastiskumu, kā arī pretestību, strādājot augstā temperatūrā. Un jo augstāks tas ir, jo lielāks ir sakausējumā ievadītais kob alta daudzums. Dažos zīmolos tā saturs sasniedz 30%. Vēl viena šādu tēraudu raksturīga iezīme ir magnētisko īpašību uzlabošana. Tomēr kob alta augsto izmaksu dēļ tā izmantošana ir diezgan ierobežota.

Molibdēna ietekme uz karstumizturīgiem sakausējumiem

Šis ķīmiskais elements būtiski ietekmē materiāla izturību augstā temperatūrā.

Tas ir īpaši efektīvs, ja to lieto kopā ar citiem elementiem. Tas ievērojami palielina tērauda cietību (jau ar 0,3% saturu). Palielinās arī stiepes izturība. Vēl viena pozitīva iezīme, kas piemīt karstumizturīgajiem sakausējumiem, kas leģēti ar molibdēnu, ir augsta izturības pret oksidatīviem procesiem pakāpe. Molibdēns veicina graudu malšanu. Trūkums ir metināšanas grūtības.

Citi īpašie tēraudi un sakausējumi

Lai veiktu noteiktus uzdevumus, ir nepieciešami materiāli, kuriem ir noteiktas īpašības. Tādējādi mēs varam runāt par īpašu sakausējumu izmantošanu, kas var būt gan leģēti, gan ogleklis. Pēdējā nepieciešamo raksturlielumu kopums tiek sasniegts, pateicoties tam, ka sakausējumu ražošana un to apstrāde notiek, izmantojot īpašu tehnoloģiju. Pat īpašie sakausējumi un tēraudi tiek sadalīti strukturālajos un instrumentos. Starp galvenajiem uzdevumiem šāda veida materiāliem var izdalīt: izturību pret koroziju un nodiluma procesiem, spēju strādāt agresīvā vidē un uzlabotas mehāniskās īpašības. Šajā kategorijā ietilpst gan karstumizturīgi tēraudi un sakausējumi ar augstu darba temperatūru, gan kriogēnie tēraudi, kas var izturēt līdz pat -296ºС.

Instrumentu tērauds

Instrumentu ražošanā tiek izmantots īpašs instrumentu tērauds. Tā kā to darba apstākļi ir atšķirīgi, materiāli tiek izvēlēti arī individuāli. Tā kā prasības instrumentiem ir diezgan augstas, sakausējumu īpašības tiemražošana ir piemērota: tiem nedrīkst būt trešo pušu piemaisījumi, ieslēgumi, deoksidācijas process ir labi veikts, un struktūra ir viendabīga. Mērinstrumentiem ir ļoti svarīgi, lai tiem būtu stabili parametri un tie būtu izturīgi pret nodilumu. Ja mēs runājam par griezējinstrumentiem, tad tie strādā paaugstinātā temperatūrā (ir malas sildīšana), pastāvīga berze un deformācija. Tāpēc ir ļoti svarīgi, lai tie karsējot saglabātu savu primāro cietību. Cits instrumentu tērauda veids ir ātrgriezējtērauds. Būtībā tas ir leģēts ar volframu. Cietība tiek saglabāta līdz aptuveni 600ºС temperatūrai. Ir arī prestēraudi. Tie ir paredzēti gan karstai, gan aukstai formēšanai.

Īpaši sakausējumu pielietojumi

Ir daudzas nozares, kurās izmanto sakausējumus ar īpašām īpašībām. Pateicoties uzlabotajām īpašībām, tie ir neaizstājami mašīnbūvē, celtniecībā un naftas rūpniecībā. Karstumizturīgie un karstumizturīgie sakausējumi tiek izmantoti turbīnu detaļu, automašīnu rezerves daļu ražošanā. Tēraudi ar augstām pretkorozijas īpašībām ir neaizstājami cauruļu, karburatora adatu, disku un dažādu ķīmiskās rūpniecības elementu ražošanā. Dzelzceļa sliedes, kausi, sliedes transportlīdzekļiem - nodilumizturīgi tēraudi ir tam visam pamatā. Bultskrūvju, uzgriežņu un citu līdzīgu detaļu masveida ražošanā tiek izmantoti automātiskie sakausējumi. Atsperēm jābūt pietiekami elastīgām un nodilumizturīgām. Tāpēcmateriāls tiem ir atsperu tērauds. Lai uzlabotu šo kvalitāti, tie papildus tiek leģēti ar hromu, molibdēnu. Visi īpašie sakausējumi un tēraudi ar noteiktu īpašību kopumu var samazināt to detaļu izmaksas, kurās iepriekš tika izmantoti krāsainie metāli.