Hợp kim chịu nhiệt. Thép và hợp kim đặc biệt. Sản xuất và sử dụng hợp kim chịu nhiệt

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 10:44

Công nghiệp hiện đại không thể hình dung mà không có vật liệu như thép. Chúng ta gặp phải nó ở hầu hết mọi ngã rẽ. Bằng cách đưa các nguyên tố hóa học khác nhau vào thành phần của nó, các đặc tính cơ học và hoạt động có thể được cải thiện đáng kể.

Thép là gì

Thép là hợp kim có chứa cacbon và sắt. Ngoài ra, một hợp kim như vậy (ảnh bên dưới) có thể có tạp chất của các nguyên tố hóa học khác.

Có một số trạng thái cấu trúc. Nếu hàm lượng cacbon nằm trong khoảng 0,025-0,8%, thì những loại thép này được gọi là hypoeutectoid và có ngọc trai và ferit trong cấu trúc của chúng. Nếu thép là hypereutectoid, thì có thể quan sát thấy các pha lêlitic và ximăng. Một đặc điểm của cấu trúc ferit là độ dẻo cao của nó. Xi măng cũng có độ cứng đáng kể. Perlite hình thành cả hai giai đoạn trước. Nó có thể có hình dạng hạt (các tạp chất của ximăng nằm dọc theo các hạt ferit, có hình tròn) và dạng phiến (cả hai pha đều trông giống như tấm). Nếu thép được nung nóng trên nhiệt độ tại đóbiến đổi đa hình xảy ra, cấu trúc chuyển thành Austenit. Giai đoạn này đã tăng độ dẻo. Nếu hàm lượng cacbon vượt quá 2,14%, thì các vật liệu và hợp kim như vậy được gọi là gang.

Các loại thép

Tùy thuộc vào thành phần, thép có thể là cacbon và hợp kim. Hàm lượng cacbon nhỏ hơn 0,25% đặc trưng cho thép nhẹ. Nếu lượng của nó đạt 0,55%, thì chúng ta có thể nói về hợp kim cacbon trung bình. Thép, có hơn 0,6% cacbon trong thành phần của nó, được gọi là thép cacbon cao. Nếu, trong quá trình sản xuất một hợp kim, công nghệ liên quan đến việc đưa vào các nguyên tố hóa học cụ thể, thì loại thép này được gọi là hợp kim hóa. Sự ra đời của các thành phần khác nhau làm thay đổi đáng kể các đặc tính của nó. Nếu số lượng của chúng không vượt quá 4%, thì hợp kim đó là hợp kim thấp. Thép hợp kim trung bình và hợp kim cao có tới 11% và hơn 12% tạp chất, tương ứng. Tùy thuộc vào lĩnh vực mà hợp kim thép được sử dụng, có các loại như vậy: công cụ, kết cấu và thép và hợp kim đặc biệt.

Công nghệ sản xuất

Quá trình luyện thép khá tốn công sức. Nó bao gồm một số giai đoạn. Trước hết, bạn cần nguyên liệu thô - quặng sắt. Giai đoạn đầu tiên liên quan đến việc đun nóng đến một nhiệt độ nhất định. Trong trường hợp này, quá trình oxy hóa xảy ra. Trong giai đoạn thứ hai, nhiệt độ trở nên cao hơn nhiều. Các quá trình oxy hóa cacbon diễn ra mạnh mẽ hơn. Có thể làm giàu thêm hợp kim bằng oxy. Các tạp chất không cần thiết được loại bỏ trongxỉ. Bước tiếp theo là loại bỏ oxy khỏi thép, vì nó làm giảm đáng kể các đặc tính cơ học. Điều này có thể được thực hiện theo cách khuếch tán hoặc kết tủa. Nếu quá trình khử oxy không xảy ra, thì thép tạo thành được gọi là thép sôi. Bình hợp kim không thải ra khí, khử được oxi hoàn toàn. Vị trí trung gian được chiếm bởi các loại thép bán yên tĩnh. Quá trình sản xuất hợp kim sắt diễn ra trong lò hở, lò cảm ứng, bộ chuyển đổi oxy.

Hợp kim thép

Để có được những đặc tính nhất định của thép, người ta đưa các chất hợp kim đặc biệt vào thành phần của nó. Những ưu điểm chính của hợp kim này là tăng khả năng chống lại các biến dạng khác nhau, độ tin cậy của các bộ phận và các yếu tố cấu trúc khác tăng lên đáng kể. Làm cứng làm giảm tỷ lệ các vết nứt và các khuyết tật khác. Thường thì phương pháp bão hòa này với các nguyên tố khác nhau được sử dụng để tạo ra khả năng chống ăn mòn hóa học. Nhưng cũng có một số nhược điểm. Chúng yêu cầu xử lý bổ sung, xác suất xuất hiện của vảy là cao. Ngoài ra, giá thành của vật liệu cũng tăng lên. Các nguyên tố hợp kim phổ biến nhất là crom, niken, vonfram, molypden, coban. Phạm vi ứng dụng của họ là khá lớn. Điều này bao gồm kỹ thuật cơ khí và sản xuất các bộ phận cho đường ống, nhà máy điện, hàng không và nhiều hơn nữa.

Khái niệm về khả năng chịu nhiệt và chịu nhiệt

Khái niệm về khả năng chịu nhiệt dùng để chỉ khả năng của một kim loại hoặc hợp kim giữ được tất cả các đặc tính của nó khi làm việc ở nhiệt độ cao. Trong một môi trường như vậy, thườngkhí ăn mòn được quan sát thấy. Do đó, vật liệu cũng phải chịu được tác động của nó, tức là chịu nhiệt. Do đó, việc mô tả đặc tính của hợp kim được sử dụng ở nhiệt độ đáng kể phải bao gồm cả hai khái niệm này. Chỉ khi đó, những loại thép như vậy mới mang lại tuổi thọ sử dụng cần thiết cho các bộ phận, công cụ và các thành phần cấu trúc khác.

Tính năng của thép chịu nhiệt

Trong trường hợp nhiệt độ đạt đến giá trị cao, cần sử dụng các hợp kim không bị sụp đổ và không bị biến dạng. Trong trường hợp này, hợp kim chịu nhiệt được sử dụng. Nhiệt độ hoạt động cho các vật liệu như vậy là trên 500ºС. Các điểm quan trọng đặc trưng cho các loại thép như vậy là giới hạn độ bền cao, độ dẻo, tồn tại trong thời gian dài, cũng như độ ổn định khi thư giãn. Có một số nguyên tố có thể làm tăng đáng kể khả năng chịu nhiệt độ cao: coban, vonfram, molypden. Chromium cũng là một thành phần bắt buộc. Nó không ảnh hưởng nhiều đến sức mạnh vì nó làm tăng khả năng chống cáu cặn. Chromium cũng ngăn chặn các quá trình ăn mòn. Một đặc tính quan trọng khác của các hợp kim loại này là chậm chảy.

Phân loại thép chịu nhiệt theo cấu tạo

Hợp kim chịu nhiệt và chịu nhiệt thuộc loại ferritic, mactenxit, austenit và có cấu trúc ferit-mactenxit. Trước đây chứa khoảng 30% crom. Sau quá trình xử lý đặc biệt, cấu trúc trở thành hạt mịn. Nếu nhiệt độ gia nhiệt vượt quá 850ºС, thì hạttăng, và các vật liệu chịu nhiệt như vậy trở nên giòn. Lớp Mactenxit được đặc trưng bởi hàm lượng crom sau: từ 4% đến 12%. Niken, vonfram và các nguyên tố khác cũng có thể có với một lượng nhỏ. Các bộ phận của tuabin và van trong ô tô được làm từ chúng. Thép có mactenxit và ferit trong cấu trúc của chúng thích hợp để hoạt động ở nhiệt độ cao liên tục và hoạt động lâu dài. Hàm lượng crom đạt 14%. Austenit thu được bằng cách đưa niken vào các hợp kim chịu nhiệt. Thép có cấu trúc tương tự có nhiều cấp.

Hợp kim dựa trên niken

Niken có một số đặc tính hữu ích. Nó có ảnh hưởng tích cực đến khả năng làm việc của thép (cả nóng và lạnh). Nếu một bộ phận hoặc công cụ được thiết kế để làm việc trong môi trường khắc nghiệt, thì việc hợp kim hóa với phần tử này sẽ làm tăng đáng kể khả năng chống ăn mòn. Vật liệu chịu nhiệt gốc niken được chia thành các nhóm sau: chịu nhiệt và thực sự là chịu nhiệt. Sau này cũng phải có các đặc tính chịu nhiệt tối thiểu. Nhiệt độ làm việc đạt 1200ºС. Ngoài ra, crom hoặc titan được thêm vào. Về đặc điểm, thép hợp kim với niken có một lượng nhỏ tạp chất như bari, magiê, bo nên ranh giới hạt được củng cố hơn. Hợp kim chịu nhiệt của loại này được sản xuất dưới dạng rèn và các sản phẩm cán. Nó cũng có thể để đúc các bộ phận. Lĩnh vực ứng dụng chính của chúng là sản xuất các phần tử tuabin khí. Hợp kim chịu nhiệt gốc niken chứa tới 30% crom. Họ cho vay đủ tốt để dập, hàn. Ngoài ra, khả năng chống cáu cặn ở mức cao. Điều này giúp bạn có thể sử dụng chúng trong hệ thống đường ống dẫn khí.

Thép hợp kim titan chịu nhiệt

Titanium được giới thiệu với một lượng nhỏ (lên đến 0,3%). Trong trường hợp này, nó làm tăng độ bền của hợp kim. Nếu hàm lượng của nó cao hơn nhiều, thì một số tính chất cơ học bị xấu đi (độ cứng, độ bền). Nhưng độ dẻo tăng lên. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình gia công thép. Với sự ra đời của titan cùng với các thành phần khác, có thể cải thiện đáng kể các đặc tính chịu nhiệt. Nếu cần phải làm việc trong môi trường khắc nghiệt (đặc biệt là khi thiết kế liên quan đến hàn), thì hợp kim với nguyên tố hóa học này là phù hợp.

Hợp kim coban

Một lượng lớn coban (lên đến 80%) được sử dụng để sản xuất các vật liệu như hợp kim chịu nhiệt và chịu nhiệt, vì nó hiếm khi được sử dụng ở dạng nguyên chất. Sự ra đời của nó làm tăng độ dẻo, cũng như khả năng chống chịu khi làm việc ở nhiệt độ cao. Và càng lên cao thì lượng coban đưa vào hợp kim càng nhiều. Ở một số nhãn hiệu, hàm lượng của nó đạt tới 30%. Một tính năng đặc trưng khác của các loại thép như vậy là sự cải thiện về tính chất từ tính. Tuy nhiên, do giá thành cao của coban nên việc sử dụng nó khá hạn chế.

Ảnh hưởng của molypden đến hợp kim chịu nhiệt

Nguyên tố hóa học này ảnh hưởng đáng kể đến độ bền của vật liệu ở nhiệt độ cao.

Nó đặc biệt hiệu quả khi được sử dụng cùng với các thành phần khác. Nó làm tăng đáng kể độ cứng của thép (đã ở hàm lượng 0,3%). Độ bền kéo cũng tăng lên. Một tính năng tích cực khác mà các hợp kim chịu nhiệt hợp kim với molypden có được là khả năng chống lại các quá trình oxy hóa ở mức độ cao. Molypden góp phần vào quá trình nghiền hạt. Nhược điểm là khó hàn.

Thép và hợp kim đặc biệt khác

Để thực hiện một số nhiệm vụ, cần phải có các vật liệu có thuộc tính nhất định. Vì vậy, chúng ta có thể nói về việc sử dụng các hợp kim đặc biệt, có thể là cả hợp kim và cacbon. Sau đó, tập hợp các đặc tính cần thiết đạt được do việc sản xuất hợp kim và quá trình xử lý chúng diễn ra bằng một công nghệ đặc biệt. Ngay cả các hợp kim và thép đặc biệt cũng được chia thành cấu trúc và công cụ. Trong số các nhiệm vụ chính của loại vật liệu này, có thể phân biệt những điều sau: khả năng chống lại các quá trình ăn mòn và mài mòn, khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt và các đặc tính cơ học được cải thiện. Danh mục này bao gồm cả thép và hợp kim chịu nhiệt với nhiệt độ hoạt động cao và thép đông lạnh có thể chịu được nhiệt độ lên đến -296ºС.

Thép dụng cụ

Thép công cụ đặc biệt được sử dụng trong sản xuất công cụ. Do thực tế là điều kiện làm việc của họ khác nhau, vật liệu cũng được lựa chọn riêng lẻ. Vì yêu cầu đối với các công cụ là khá cao, các đặc tính của hợp kim chosản xuất phù hợp: chúng phải không có tạp chất, tạp chất của bên thứ ba, quá trình khử oxy được thực hiện tốt và cấu trúc đồng nhất. Điều rất quan trọng đối với các dụng cụ đo là phải có các thông số ổn định và chống mài mòn. Nếu chúng ta nói về các dụng cụ cắt, thì chúng làm việc ở nhiệt độ cao (có sự gia nhiệt của cạnh), ma sát và biến dạng không đổi. Vì vậy, điều rất quan trọng là chúng phải duy trì độ cứng ban đầu khi nung nóng. Một loại thép công cụ khác là thép tốc độ cao. Về cơ bản, nó được pha tạp chất với vonfram. Độ cứng được duy trì ở nhiệt độ khoảng 600ºС. Cũng có thép chết. Chúng được thiết kế để tạo hình nóng và lạnh.

Ứng dụng hợp kim đặc biệt

Các ngành sử dụng hợp kim với các đặc tính đặc biệt rất nhiều. Do chất lượng được cải thiện, chúng không thể thiếu trong cơ khí, xây dựng và công nghiệp dầu mỏ. Hợp kim chịu nhiệt và chịu nhiệt được dùng trong sản xuất các chi tiết tua bin, phụ tùng cho ô tô. Các loại thép có đặc tính chống ăn mòn cao không thể thiếu để sản xuất ống dẫn, kim chế hòa khí, đĩa và các phần tử khác nhau của ngành công nghiệp hóa chất. Đường ray, gầu, đường ray cho xe cộ - thép chịu mài mòn là cơ sở cho tất cả những điều này. Trong sản xuất hàng loạt bu lông, đai ốc và các bộ phận tương tự khác, hợp kim tự động được sử dụng. Lò xo phải đủ đàn hồi và chịu mài mòn. Đó là lý do tại saovật liệu cho chúng là thép lò xo. Để cải thiện chất lượng này, chúng được hợp kim bổ sung với crom, molypden. Tất cả các hợp kim và thép đặc biệt với một loạt các đặc tính cụ thể có thể làm giảm chi phí của các bộ phận mà trước đây kim loại màu được sử dụng.