Жаростойкие сплавы. Специальные стали и сплавы. Производство и использование жаростойких сплавов
Современную промышленность невозможно представить без такого материала, как сталь. С ней мы сталкиваемся практически на каждом шагу. С помощью введения в ее состав различных химических элементов можно значительно улучшить механические и эксплуатационные свойства.
Что такое сталь
Сталью называется сплав, который имеет в своем составе углерод и железо. Также такой сплав (фото расположено ниже) может иметь примеси других химических элементов.
Выделяют несколько структурных состояний. Если содержание углерода находится в пределах 0,025-0,8%, то данные стали называются доэвтектоидными и имеют в своей структуре перлит и феррит. Если сталь заэвтектоидная, то можно наблюдать перлитную и цементитную фазы. Особенностью ферритной структуры является большая пластичность. Цементит же обладает немалой твердостью. Перлит образуют обе предыдущие фазы. Он может иметь зернистую форму (по зернах феррита располагаются включения цементита, которые имеют круглую форму) и пластинчатую (обе фазы имеют вид пластин). Если сталь нагревается выше той температуры, при которой происходят полиморфные модификации, то структура изменяется на аустенитную. Данная фаза имеет повышенную пластичность. Если содержание углерода превышает 2,14%, то такие материалы и сплавы называют чугунами.
Виды стали
В зависимости от состава сталь может быть углеродной и легированной. Содержание углерода меньше 0,25% характеризует низкоуглеродистую сталь. Если его количество достигает 0,55%, то можно говорить о среднеуглеродистом сплаве. Сталь, которая в своем составе имеет больше 0,6% углерода, называется высокоуглеродистой. Если при том, как изготовляется сплав, технология подразумевает введение специфических химических элементов, то данная сталь называется легированной. Введение различных компонентов значительно меняет ее свойства. Если их количество не превышает 4%, то сплав низколегированный. Среднелегированная и высоколегированная сталь имеет соответственно до 11% и больше 12% включений. В зависимости от того, в какой сфере применяются стальные сплавы, выделяют такие их виды: инструментальные, конструкционные и специальные стали и сплавы.
Технология изготовления
Процесс выплавки стали довольно трудоемкий. Он включает в себя несколько этапов. Прежде всего, необходимо сырье – железная руда. Первый этап включает нагрев до определенной температуры. При этом происходят окислительные процессы. На втором этапе температура становится значительно выше. Процессы окисления углерода проходят более интенсивно. Возможно дополнительное обогащение сплава кислородом. Ненужные примеси удаляются в шлак. Следующий шаг направлен на удаление кислорода из стали, так как он существенно снижает механические свойства. Это может проводится диффузионным или осаждающим способом. Если процесс раскисления не происходит, то получаемая сталь называется кипящей. Спокойный сплав газы не выделяет, кислород удаляется полностью. Промежуточное положение занимают полуспокойные стали. Производство сплавов железа происходи в мартеновских, индукционных печах, кислородных конвертерах.
Легирование стали
Для того чтобы получить те или иные свойства стали, в ее состав вводят специальные легирующие вещества. Основными преимуществами такого сплава являются повышенная стойкость к различным деформациям, надежность деталей и прочих конструкционных элементов значительно возрастает. При закалке снижается процент трещин и других дефектов. Нередко такой метод насыщения разными элементами используется для придания стойкости к химической коррозии. Но имеется и ряд недостатков. Они требуют дополнительной обработки, высока вероятность появления флокенов. К тому же возрастает и стоимость материала. Наиболее распространенные легирующие элементы – хром, никель, вольфрам, молибден, кобальт. Область их применения довольно велика. Это и машиностроение, и изготовление деталей трубопроводов, электростанций, авиация и многое другое.
Понятие жаропрочности и жароустойчивости
Под понятием жаропрочности подразумевается способность металла или сплава сохранять все свои характеристики при работе в высоких температурах. В такой среде часто наблюдается газовая коррозия. Поэтому материал должен обладать и стойкостью к ее действию, то есть быть жаростойким. Таким образом, характеристика сплавов, которые используются при значительной температуре, должна включать оба этих понятия. Только тогда такие стали обеспечат необходимый ресурс работы для деталей, инструментов и других конструкционных элементов.
Особенности жаропрочной стали
В случаях, когда температура достигает больших значений, требуется применение сплавов, которые не будут разрушаться и поддаваться деформации. В этом случае используют жаростойкие сплавы. Рабочая температура для таких материалов – выше 500ºС. Немаловажными моментами, характеризующими подобные стали, являются высокий предел выносливости, пластичность, которая сохраняется долгое время, а также релаксационная устойчивость. Существует ряд элементов, способных значительно повысить стойкость к высоким температурам: кобальт, вольфрам, молибден. Обязательным компонентом является и хром. Он не столько влияет на прочность, как повышает окалиностойкость. Также хром препятствует коррозийным процессам. Еще одна важная характеристика сплавов подобного типа – медленная ползучесть.
Классификация жаропрочных сталей за структурой
Жаропрочные и жаростойкие сплавы бывают ферритного класса, мартенситного, аустенитного и с феритно-мартенситной структурой. Первые имеют в своем составе около 30% хрома. После специальной обработки структура становится мелкозернистой. Если температура нагрева превышает 850ºС, то зерна увеличиваются, и такие жаростойкие материалы приобретают хрупкость. Мартенситный класс характеризуется таким содержанием хрома: от 4% до 12%. Также в незначительных количествах может присутствовать никель, вольфрам и другие элементы. Из них изготовляют детали турбин, клапанов в автомобилях. Стали, которые имеют в своей структуре мартенсит и феррит, подходят для работы при постоянных высоких температурах и длительной эксплуатации. Содержание хрома достигает 14%. Аустенит получается при введении в жаропрочные сплавы никеля. Стали с подобной структурой имеют множество марок.
Сплавы на основе никеля
Никель обладает целым рядом полезных свойств. Он положительно влияет на обрабатываемость стали (как в горячем, так и в холодном состоянии). Если деталь или инструмент предназначены для работы в агрессивной среде, то легирование данным элементом существенно повышает стойкость против коррозии. Жаростойкие материалы на основе никеля разделяют на такие группы: жаропрочные и собственно жаростойкие. Последние должны иметь также минимальные жаропрочные характеристики. Рабочие температуры достигают 1200ºС. Дополнительно вводят хром или титан. Характерно, что стали, легированные никелем, имеют небольшое количество таких примесей, как барий, магний, бор, поэтому границы зерен более упрочнены. Жаропрочные сплавы такого типа выпускаются в виде поковок, проката. Также возможен отлив деталей. Основная область их применения – изготовление элементов газовых турбин. Жаростойкие сплавы на основе никеля имеют в составе и до 30% хрома. Они достаточно хорошо поддаются штамповке, свариванию. К тому же, окалиностойкость находится на высоком уровне. Это дает возможность использовать их в газопроводных системах.
Жаропрочная сталь, легированная титаном
Титан вводится в небольшом количестве (до 0,3%). В таком случае он повышает прочность сплава. Если его содержание значительно выше, то некоторые механические свойства ухудшаются (твердость, прочность). А вот пластичность при этом возрастает. Это облегчает обработку стали. При введении титана вместе с другими компонентами можно существенно повысить жаропрочные характеристики. Если есть необходимость работы в агрессивной среде (особенно в том случае, когда конструкция подразумевает сваривание), то легирование данным химическим элементом является оправданным.
Кобальтовые сплавы
Большое количество кобальта (до 80%) идет на производство таких материалов, как жаропрочные и жаростойкие сплавы, так как в чистом виде он редко применяется. Его введение повышает пластичность, а также стойкость при работе с высокими температурами. И чем она выше, тем выше количество кобальта, введенного в сплав. В некоторых марках его содержание достигает 30%. Еще одна характерная черта подобных сталей – улучшение магнитные свойства. Однако в связи с большой стоимостью кобальта, его применение довольно ограничено.
Влияние молибдена на жаропрочные сплавы
Данный химический элемент существенно влияет на прочность материала при высоких температурах.
Другие специальные стали и сплавы
Для выполнения тех или иных заданий требуются материалы, которые обладают определенными свойствами. Таким образом, можно говорить об использовании специальных сплавов, которые могут быть как легированными, так и углеродными. В последней набор требуемых характеристик достигается за счет того, что изготовление сплавов и их обработка происходит за специальной технологией. Еще специальные сплавы и стали разделяют на конструкционные и инструментальные. Среди основных задач для подобного типа материалов можно выделить следующие: стойкость к процессам коррозии и износу, возможность работы в агрессивной среде, повышенные механические характеристики. В эту категорию относятся и жаростойкие стали и сплавы с высокой рабочей температурой, и криогенные стали, которые способны выдерживать до -296ºС.
Инструментальная сталь
Для изготовления инструментов в производстве используется специальная инструментальная сталь. Ввиду того, что условия работы их разные, материалы также подбираются индивидуально. Так как требования к инструментам достаточно высоки, то и характеристика сплавов для их производства соответственная: они должны быть без сторонних примесей, включений, процесс раскисления хорошо проведен, а структура однородная. Для измерительных приборов очень важно иметь стабильные параметры и противодействовать изнашиванию. Если говорить о режущих инструментах, то они работают в условиях повышенных температур (имеет место нагревание кромки), постоянного трения и деформации. Поэтому для них очень важно сохранять первичную твердость при нагревании. Еще один вид инструментальной стали – быстрорежущая. В основном, она легируется вольфрамом. Твердость сохраняется до температуры около 600ºС. Существуют также и штамповые стали. Они предназначены как для горячего, так и для холодного деформирования.
Область применения сплавов специального назначения
Отраслей, в которых применяются сплавы с особенными характеристиками, множество. Ввиду своих улучшенных качеств, они являются незаменимыми в машиностроении, строительстве, нефтяной промышленности. Жаропрочные и жаростойкие сплавы применяются при изготовлении деталей турбин, запчастей для автомобилей. Стали, которые обладают высокими антикоррозийными характеристиками, незаменимы для производства труб, игл карбюраторов, дисков, всевозможных элементов химической промышленности. Рельсы для железной дороги, ковши, гусеницы для транспорта – основой для всего этого являются износостойкие стали. В массовом производстве болтов, гаек и других подобных деталей используются сплавы автоматные. Рессоры должны быть достаточно упругими и износостойкими. Поэтому материалом для них является пружинная сталь. Для улучшения данного качества они дополнительно легируются хромом, молибденом. Все специальные сплавы и стали с набором определенных характеристик позволяют снизить стоимость деталей там, где раньше применялись цветные металлы.