Žáruvzdorné slitiny. Speciální oceli a slitiny. Výroba a použití žáruvzdorných slitin

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Moderní průmysl si nelze představit bez takového materiálu, jako je ocel. Setkáváme se s ním téměř na každém kroku. Zavedením různých chemických prvků do jeho složení lze výrazně zlepšit mechanické a provozní vlastnosti.

Co je ocel

Ocel je slitina, která obsahuje uhlík a železo. Také taková slitina (foto níže) může obsahovat nečistoty jiných chemických prvků.

Existuje několik strukturálních stavů. Pokud je obsah uhlíku v rozmezí 0,025-0,8 %, pak se tyto oceli nazývají hypoeutektoidní a mají ve své struktuře perlit a ferit. Pokud je ocel hypereutektoidní, lze pozorovat perlitické a cementitové fáze. Charakteristickým rysem feritové struktury je její vysoká plasticita. Cementit má také značnou tvrdost. Perlit tvoří obě předchozí fáze. Může mít zrnitý tvar (inkluze cementitu se nacházejí podél zrn feritu, která mají kulatý tvar) a lamelární (obě fáze vypadají jako desky). Pokud se ocel zahřeje nad teplotu, na kteroudochází k polymorfním modifikacím, struktura se mění na austenitickou. Tato fáze má zvýšenou plasticitu. Pokud obsah uhlíku překročí 2,14 %, pak se takové materiály a slitiny nazývají litiny.

Druhy oceli

V závislosti na složení může být ocel uhlíková a legovaná. Obsah uhlíku menší než 0,25 % charakterizuje měkkou ocel. Pokud jeho množství dosáhne 0,55 %, pak můžeme hovořit o středně uhlíkové slitině. Ocel, která má ve svém složení více než 0,6 % uhlíku, se nazývá ocel s vysokým obsahem uhlíku. Pokud v procesu výroby slitiny technologie zahrnuje zavedení specifických chemických prvků, pak se tato ocel nazývá legovaná. Zavedení různých komponent výrazně mění jeho vlastnosti. Pokud jejich počet nepřesahuje 4 %, pak je slitina nízkolegovaná. Středně legovaná a vysoce legovaná ocel má až 11 % a více než 12 % vměstků. V závislosti na oblasti, ve které se slitiny oceli používají, existují tyto typy: nástrojové, konstrukční a speciální oceli a slitiny.

Výrobní technologie

Proces tavení oceli je poměrně pracný. Zahrnuje několik fází. V první řadě potřebujete suroviny – železnou rudu. První fáze zahrnuje zahřátí na určitou teplotu. V tomto případě dochází k oxidačním procesům. Ve druhé fázi je teplota mnohem vyšší. Procesy oxidace uhlíku jsou intenzivnější. Dodatečné obohacení slitiny kyslíkem je možné. Nepotřebné nečistoty jsou odstraněny dovnitřstruska. Dalším krokem je odstranění kyslíku z oceli, protože výrazně snižuje mechanické vlastnosti. To může být provedeno difúzním nebo precipitačním způsobem. Pokud nedojde k procesu dezoxidace, pak se výsledná ocel nazývá vroucí ocel. Klidná slitina neuvolňuje plyny, kyslík je zcela odstraněn. Mezipolohu zaujímají polotiché oceli. Výroba slitin železa probíhá v otevřeném ohništi, indukčních pecích, kyslíkových konvertorech.

Legování oceli

Za účelem získání určitých vlastností oceli se do jejího složení zavádějí speciální legující látky. Hlavními výhodami této slitiny je zvýšená odolnost proti různým deformacím, výrazně se zvyšuje spolehlivost dílů a dalších konstrukčních prvků. Kalení snižuje procento trhlin a jiných vad. Často se tento způsob sycení různými prvky používá k zajištění odolnosti proti chemické korozi. Existuje ale také řada nevýhod. Vyžadují dodatečné zpracování, pravděpodobnost výskytu vloček je vysoká. Kromě toho se také zvyšují náklady na materiál. Nejčastějšími legujícími prvky jsou chrom, nikl, wolfram, molybden, kob alt. Rozsah jejich použití je poměrně velký. To zahrnuje strojírenství a výrobu dílů pro potrubí, elektrárny, letectví a mnoho dalšího.

Koncept tepelné odolnosti a tepelné odolnosti

Pojem tepelná odolnost se týká schopnosti kovu nebo slitiny zachovat si všechny své vlastnosti při práci za vysokých teplot. V takovém prostředí častoje pozorována plynová koroze. Proto musí být materiál také odolný vůči jeho působení, to znamená být odolný vůči teplu. Charakterizace slitin, které se používají při významných teplotách, tedy musí zahrnovat oba tyto pojmy. Jedině tak tyto oceli zajistí potřebnou životnost dílů, nástrojů a dalších konstrukčních prvků.

Vlastnosti tepelně odolné oceli

V případech, kdy teplota dosahuje vysokých hodnot, je vyžadováno použití slitin, které se nezbortí a nepodlehnou deformaci. V tomto případě se používají žáruvzdorné slitiny. Provozní teplota těchto materiálů je vyšší než 500ºС. Důležité body, které charakterizují takové oceli, jsou vysoká mez únosnosti, plasticita, která přetrvává po dlouhou dobu, a také relaxační stabilita. Existuje řada prvků, které mohou výrazně zvýšit odolnost vůči vysokým teplotám: kob alt, wolfram, molybden. Chrom je také požadovaná složka. Neovlivňuje ani tak pevnost, jako spíše zvyšuje odolnost proti okují. Chrom také zabraňuje korozi. Další důležitou vlastností slitin tohoto typu je pomalé tečení.

Klasifikace žáruvzdorných ocelí podle struktury

Žáruvzdorné a žáruvzdorné slitiny jsou feritické třídy, martenzitické, austenitické a s feriticko-martenzitickou strukturou. První jmenované obsahují asi 30 % chrómu. Po speciálním zpracování se struktura stává jemnozrnnou. Pokud teplota ohřevu překročí 850ºС, pak zrnaa takové tepelně odolné materiály se stávají křehkými. Martenzitická třída se vyznačuje následujícím obsahem chrómu: od 4 % do 12 %. V malých množstvích mohou být také přítomny nikl, wolfram a další prvky. Vyrábějí se z nich části turbín a ventilů v automobilech. Oceli, které mají ve své struktuře martenzit a ferit, jsou vhodné pro provoz při stálých vysokých teplotách a dlouhodobý provoz. Obsah chromu dosahuje 14 %. Austenit se získává zaváděním niklu do žáruvzdorných slitin. Oceli s podobnou strukturou mají mnoho jakostí.

Slitiny na bázi niklu

Nikl má řadu užitečných vlastností. Má pozitivní vliv na zpracovatelnost oceli (za tepla i za studena). Pokud je díl nebo nástroj navržen pro práci v agresivním prostředí, pak legování tímto prvkem výrazně zvyšuje odolnost proti korozi. Žáruvzdorné materiály na bázi niklu se dělí do následujících skupin: žáruvzdorné a vlastně žáruvzdorné. Ten by měl mít také minimální tepelně odolné vlastnosti. Pracovní teploty dosahují 1200ºС. Navíc se přidává chrom nebo titan. Charakteristické je, že oceli legované niklem mají malé množství nečistot, jako je baryum, hořčík, bor, takže hranice zrn jsou pevnější. Žáruvzdorné slitiny tohoto typu se vyrábějí ve formě výkovků a válcovaných výrobků. Je také možné odlévat díly. Jejich hlavní oblastí použití je výroba prvků plynových turbín. Žáruvzdorné slitiny na bázi niklu obsahují až 30 % chrómu. Dostatečně se hodí k ražení, svařování. Odolnost proti vodnímu kameni je navíc na vysoké úrovni. To umožňuje jejich použití v systémech plynovodů.

Žáruvzdorná titanová legovaná ocel

Titan je uváděn v malém množství (do 0,3 %). V tomto případě zvyšuje pevnost slitiny. Pokud je jeho obsah mnohem vyšší, pak se zhoršují některé mechanické vlastnosti (tvrdost, pevnost). Ale plasticita se zvyšuje. To usnadňuje zpracování oceli. Zavedením titanu spolu s dalšími komponenty je možné výrazně zlepšit tepelně odolné vlastnosti. Pokud je potřeba pracovat v agresivním prostředí (zejména když konstrukce zahrnuje svařování), pak je legování tímto chemickým prvkem oprávněné.

Slitiny kob altu

Velké množství kob altu (až 80 %) jde na výrobu materiálů, jako jsou žáruvzdorné a žáruvzdorné slitiny, protože se jen zřídka používá v čisté formě. Jeho zavedení zvyšuje plasticitu a také odolnost při práci za vysokých teplot. A čím vyšší je, tím vyšší je množství kob altu zavedeného do slitiny. U některých značek jeho obsah dosahuje 30 %. Dalším charakteristickým znakem takových ocelí je zlepšení magnetických vlastností. Vzhledem k vysokým nákladům na kob alt je však jeho použití spíše omezené.

Vliv molybdenu na žáruvzdorné slitiny

Tento chemický prvek výrazně ovlivňuje pevnost materiálu při vysokých teplotách.

Je zvláště účinný při použití společně s dalšími prvky. Výrazně zvyšuje tvrdost oceli (již při obsahu 0,3 %). Zvyšuje se také pevnost v tahu. Další pozitivní vlastností, kterou žáruvzdorné slitiny legované molybdenem mají, je vysoký stupeň odolnosti vůči oxidačním procesům. Molybden přispívá k mletí obilí. Nevýhodou je obtížnost svařování.

Ostatní speciální oceli a slitiny

K provádění určitých úkolů jsou nutné materiály, které mají určité vlastnosti. Můžeme tedy hovořit o použití speciálních slitin, které mohou být jak legované, tak uhlíkové. V druhém případě je souboru požadovaných charakteristik dosaženo díky tomu, že výroba slitin a jejich zpracování probíhá pomocí speciální technologie. I speciální slitiny a oceli se dělí na konstrukční a nástrojové. Mezi hlavní úkoly pro tento typ materiálů lze rozlišit následující: odolnost proti korozi a opotřebení, schopnost pracovat v agresivním prostředí a zlepšené mechanické vlastnosti. Tato kategorie zahrnuje jak žáruvzdorné oceli a slitiny s vysokými provozními teplotami, tak kryogenní oceli, které vydrží až -296ºС.

Nástrojová ocel

Při výrobě nástrojů se používá speciální nástrojová ocel. Vzhledem k tomu, že jejich pracovní podmínky jsou různé, jsou materiály také vybírány individuálně. Vzhledem k tomu, že požadavky na nástroje jsou poměrně vysoké, vlastnosti slitin pro něvýroba je vhodná: musí být bez cizích nečistot, vměstků, proces dezoxidace je dobře proveden a struktura je homogenní. Pro měřicí přístroje je velmi důležité, aby měly stabilní parametry a odolávaly opotřebení. Pokud mluvíme o řezných nástrojích, pak pracují za zvýšených teplot (dochází k ohřívání břitu), stálého tření a deformace. Proto je velmi důležité, aby si při zahřívání zachovaly svou primární tvrdost. Dalším typem nástrojové oceli je rychlořezná ocel. V podstatě je dopován wolframem. Tvrdost se udržuje až do teploty cca 600ºС. Existují také zápustkové oceli. Jsou určeny pro tváření za tepla i za studena.

Speciální slitinové aplikace

Odvětví, která používají slitiny se speciálními vlastnostmi, je mnoho. Pro své zlepšené vlastnosti jsou nepostradatelné ve strojírenství, stavebnictví a ropném průmyslu. Žáruvzdorné a žáruvzdorné slitiny se používají při výrobě dílů turbín, náhradních dílů pro automobily. Oceli, které mají vysoké antikorozní vlastnosti, jsou nepostradatelné pro výrobu trubek, jehel karburátorů, kotoučů a různých prvků chemického průmyslu. Železniční kolejnice, lopaty, koleje pro vozidla – oceli odolné proti opotřebení jsou základem toho všeho. Při hromadné výrobě šroubů, matic a dalších podobných dílů se používají automatické slitiny. Pružiny musí být dostatečně elastické a odolné proti opotřebení. Protomateriálem pro ně je pružinová ocel. Pro zlepšení této kvality jsou navíc legovány chromem, molybdenem. Všechny speciální slitiny a oceli se sadou specifických vlastností mohou snížit náklady na díly, kde se dříve používaly neželezné kovy.