سبائك مقاومة للحرارة. أنواع الفولاذ والسبائك الخاصة. إنتاج واستخدام السبائك المقاومة للحرارة

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 10:18

لا يمكن تخيل الصناعة الحديثة بدون مواد مثل الفولاذ. نواجهها في كل منعطف تقريبًا. من خلال إدخال عناصر كيميائية مختلفة في تركيبتها ، يمكن تحسين الخصائص الميكانيكية والتشغيلية بشكل ملحوظ.

ما هو الفولاذ

الصلب سبيكة تحتوي على الكربون والحديد. أيضًا ، قد تحتوي هذه السبيكة (الصورة أدناه) على شوائب من عناصر كيميائية أخرى.

هناك عدة حالات هيكلية. إذا كان محتوى الكربون في حدود 0.025-0.8 ٪ ، فإن هذه الأنواع من الفولاذ تسمى hypoeutectoid ولديها بيرليت وحديدي في بنيتها. إذا كان الفولاذ مفرط التكتل ، فيمكن ملاحظة مراحل البرليت والسمنتيت. ميزة هيكل الفريت هي اللدونة العالية. يحتوي الأسمنت أيضًا على صلابة كبيرة. يشكل البيرلايت كلا المرحلتين السابقتين. يمكن أن يكون لها شكل حبيبي (توجد شوائب من السمنتيت على طول حبيبات الفريت ، والتي لها شكل دائري) والصفائحي (كلتا المرحلتين تشبه الألواح). إذا تم تسخين الفولاذ فوق درجة الحرارة التي عندهاتحدث تعديلات متعددة الأشكال ، يتغير الهيكل إلى الأوستنيتي. زادت هذه المرحلة من اللدونة. إذا تجاوز محتوى الكربون 2.14٪ ، فإن هذه المواد والسبائك تسمى حديد الزهر.

أنواع الصلب

اعتمادًا على التكوين ، يمكن أن يكون الفولاذ كربونيًا وسبائكًا. يميز محتوى الكربون أقل من 0.25٪ الفولاذ الطري. إذا وصلت الكمية إلى 0.55٪ ، فيمكننا التحدث عن سبيكة متوسطة الكربون. يسمى الفولاذ ، الذي يحتوي على أكثر من 0.6٪ كربون في تركيبته ، بالفولاذ عالي الكربون. إذا اشتملت التكنولوجيا ، في عملية إنتاج سبيكة ، على إدخال عناصر كيميائية محددة ، فإن هذا الفولاذ يسمى سبائك. إدخال مكونات مختلفة يغير خصائصه بشكل كبير. إذا كان عددهم لا يتجاوز 4 ٪ ، فإن السبيكة منخفضة السبائك. يحتوي الفولاذ ذو السبائك المتوسطة والعالية السبائك على ما يصل إلى 11٪ وأكثر من 12٪ من الشوائب ، على التوالي. اعتمادًا على المنطقة التي تستخدم فيها سبائك الصلب ، هناك أنواع منها: الأدوات والصلب الإنشائي والخاص والسبائك.

تكنولوجيا الإنتاج

عملية صهر الفولاذ شاقة للغاية. يتضمن عدة مراحل. بادئ ذي بدء ، تحتاج إلى مواد خام - خام الحديد. تتضمن المرحلة الأولى التسخين إلى درجة حرارة معينة. في هذه الحالة ، تحدث عمليات الأكسدة. في المرحلة الثانية ، تصبح درجة الحرارة أعلى من ذلك بكثير. عمليات أكسدة الكربون أكثر كثافة. التخصيب الإضافي للسبائك بالأكسجين ممكن. تتم إزالة الشوائب غير الضرورية فيالخبث. الخطوة التالية هي إزالة الأكسجين من الفولاذ ، لأنه يقلل بشكل كبير من الخواص الميكانيكية. يمكن القيام بذلك بطريقة الانتشار أو التعجيل. إذا لم تحدث عملية إزالة الأكسدة ، فإن الفولاذ الناتج يسمى الفولاذ المغلي. سبيكة الهدوء لا تنبعث منها غازات ، يتم إزالة الأكسجين تمامًا. يشغل الفولاذ شبه الهادئ موقعًا وسيطًا. يتم إنتاج سبائك الحديد في المواقد المفتوحة ، الأفران الحثية ، محولات الأكسجين.

صناعة السبائك الفولاذية

من أجل الحصول على خصائص معينة للصلب ، يتم إدخال مواد خاصة في صناعة السبائك. تتمثل المزايا الرئيسية لهذه السبيكة في زيادة المقاومة للتشوهات المختلفة ، وزيادة موثوقية الأجزاء والعناصر الهيكلية الأخرى بشكل كبير. يقلل التصلب من نسبة التشققات والعيوب الأخرى. غالبًا ما تستخدم طريقة التشبع هذه بعناصر مختلفة لإضفاء مقاومة للتآكل الكيميائي. ولكن هناك أيضًا عدد من العيوب. تتطلب معالجة إضافية ، واحتمال ظهور الرقائق مرتفع. بالإضافة إلى ذلك ، تزداد تكلفة المواد أيضًا. أكثر عناصر السبائك شيوعًا هي الكروم والنيكل والتنغستن والموليبدينوم والكوبالت. نطاق تطبيقها كبير جدًا. وهذا يشمل الهندسة الميكانيكية ، وتصنيع أجزاء لخطوط الأنابيب ومحطات الطاقة والطيران وأكثر من ذلك بكثير.

مفهوم مقاومة الحرارة ومقاومة الحرارة

يشير مفهوم مقاومة الحرارة إلى قدرة المعدن أو السبيكة على الاحتفاظ بجميع خصائصها عند العمل في درجات حرارة عالية. في مثل هذه البيئة ، في كثير من الأحيانلوحظ تآكل الغاز. لذلك ، يجب أن تكون المادة أيضًا مقاومة لعملها ، أي مقاومة للحرارة. وبالتالي ، يجب أن يشمل توصيف السبائك المستخدمة في درجات حرارة كبيرة كلا المفهومين. عندها فقط سيوفر هذا الفولاذ العمر التشغيلي الضروري للأجزاء والأدوات والعناصر الهيكلية الأخرى.

ميزات الفولاذ المقاوم للحرارة

في الحالات التي تصل فيها درجة الحرارة إلى قيم عالية ، يلزم استخدام السبائك التي لن تنهار وتستسلم للتشوه. في هذه الحالة ، يتم استخدام السبائك المقاومة للحرارة. درجة حرارة التشغيل لهذه المواد أعلى من 500 درجة مئوية. النقاط المهمة التي تميز هذا الفولاذ هي حد التحمل العالي ، اللدونة ، التي تستمر لفترة طويلة ، بالإضافة إلى ثبات الاسترخاء. هناك عدد من العناصر التي يمكن أن تزيد بشكل كبير من مقاومة درجات الحرارة المرتفعة: الكوبالت والتنغستن والموليبدينوم. الكروم هو أيضا عنصر مطلوب. لا يؤثر كثيرًا على القوة لأنه يزيد من مقاومة المقياس. يمنع الكروم أيضًا عمليات التآكل. ومن الخصائص المهمة الأخرى لسبائك هذا النوع الزحف البطيء.

تصنيف الفولاذ المقاوم للحرارة حسب الهيكل

سبائك مقاومة للحرارة ومقاومة للحرارة هي من فئة الحديد ، مارتينسيتيك ، الأوستنيتي وبهيكل من الحديد مارتينسيتي. الأول يحتوي على حوالي 30٪ من الكروم. بعد المعالجة الخاصة ، يصبح الهيكل دقيق الحبيبات. إذا تجاوزت درجة حرارة التسخين 850 درجة مئوية ، فإن الحبوبزيادة ، وتصبح هذه المواد المقاومة للحرارة هشة. تتميز فئة مارتينسيت بمحتوى الكروم التالي: من 4٪ إلى 12٪. قد يكون النيكل والتنغستن وعناصر أخرى موجودة أيضًا بكميات صغيرة. أجزاء من التوربينات والصمامات في السيارات مصنوعة منها. الفولاذ الذي يحتوي على مارتينسيت وحديدي في هيكله مناسب للتشغيل في درجات حرارة عالية ثابتة وتشغيل طويل الأمد. يصل محتوى الكروم إلى 14٪. يتم الحصول على الأوستينيت عن طريق إدخال النيكل في سبائك مقاومة للحرارة. يحتوي الفولاذ بهيكل مماثل على العديد من الدرجات.

سبائك النيكل

يحتوي النيكل على عدد من الخصائص المفيدة. له تأثير إيجابي على قابلية تشغيل الفولاذ (ساخن وبارد). إذا تم تصميم جزء أو أداة للعمل في بيئة عدوانية ، فإن صناعة السبائك مع هذا العنصر تزيد بشكل كبير من مقاومة التآكل. تنقسم المواد المقاومة للحرارة القائمة على النيكل إلى المجموعات التالية: مقاومة للحرارة ومقاومة للحرارة بالفعل. يجب أن يكون للأخير أيضًا الحد الأدنى من خصائص مقاومة الحرارة. تصل درجات حرارة العمل إلى 1200 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك ، يضاف الكروم أو التيتانيوم. بشكل مميز ، يحتوي الفولاذ الممزوج بالنيكل على كمية صغيرة من الشوائب مثل الباريوم والمغنيسيوم والبورون ، وبالتالي يتم تقوية حدود الحبوب. يتم إنتاج السبائك المقاومة للحرارة من هذا النوع على شكل مطروقات ومنتجات ملفوفة. من الممكن أيضًا صب الأجزاء. مجال تطبيقها الرئيسي هو تصنيع عناصر التوربينات الغازية. تحتوي السبائك المقاومة للحرارة القائمة على النيكل على ما يصل إلى 30٪ من الكروم.يصلحون أنفسهم بشكل جيد بما يكفي للختم واللحام. بالإضافة إلى ذلك ، فإن مقاومة المقياس عند مستوى مرتفع. هذا يجعل من الممكن استخدامها في أنظمة خطوط أنابيب الغاز.

الفولاذ سبائك التيتانيوم المقاوم للحرارة

يتم إدخال التيتانيوم بكمية صغيرة (تصل إلى 0.3٪). في هذه الحالة ، يزيد من قوة السبيكة. إذا كان محتواه أعلى من ذلك بكثير ، فإن بعض الخصائص الميكانيكية تتدهور (الصلابة والقوة). لكن اللدونة تزداد. هذا يسهل معالجة الفولاذ. مع إدخال التيتانيوم مع المكونات الأخرى ، من الممكن تحسين خصائص مقاومة الحرارة بشكل كبير. إذا كانت هناك حاجة للعمل في بيئة عدوانية (خاصة عندما يتضمن التصميم اللحام) ، فإن الخلط مع هذا العنصر الكيميائي له ما يبرره.

سبائك الكوبالت

كمية كبيرة من الكوبالت (تصل إلى 80٪) تذهب إلى إنتاج مواد مثل السبائك المقاومة للحرارة والمقاومة للحرارة ، حيث نادرًا ما تستخدم في شكلها النقي. يزيد إدخاله من اللدونة ، وكذلك المقاومة عند العمل في درجات حرارة عالية. وكلما زاد ذلك ، زادت كمية الكوبالت التي يتم إدخالها في السبيكة. في بعض العلامات التجارية يصل محتواها إلى 30٪. ميزة أخرى مميزة لهذا الفولاذ هو تحسين الخواص المغناطيسية. ومع ذلك ، نظرًا لارتفاع تكلفة الكوبالت ، فإن استخدامه محدود نوعًا ما.

تأثير الموليبدينوم على السبائك المقاومة للحرارة

يؤثر هذا العنصر الكيميائي بشكل كبير على قوة المادة عند درجات الحرارة العالية.

إنه فعال بشكل خاص عند استخدامه مع عناصر أخرى. يزيد بشكل كبير من صلابة الفولاذ (بالفعل بنسبة 0.3٪). تزداد قوة الشد أيضًا. الميزة الإيجابية الأخرى التي تتمتع بها السبائك المقاومة للحرارة المصنوعة من الموليبدينوم هي درجة عالية من المقاومة لعمليات الأكسدة. يساهم الموليبدينوم في طحن الحبوب. العيب صعوبة اللحام

أنواع فولاذ وسبائك خاصة أخرى

لأداء مهام معينة ، يلزم وجود مواد لها خصائص معينة. وبالتالي ، يمكننا التحدث عن استخدام السبائك الخاصة ، والتي يمكن أن تكون مخلوطة وكربون. في الأخير ، تتحقق مجموعة الخصائص المطلوبة بسبب حقيقة أن تصنيع السبائك ومعالجتها يتم باستخدام تقنية خاصة. حتى السبائك والفولاذ الخاص ينقسم إلى هيكل وأداة. من بين المهام الرئيسية لهذا النوع من المواد ، يمكن تمييز ما يلي: مقاومة التآكل وعمليات التآكل ، والقدرة على العمل في بيئة عدوانية ، وتحسين الخصائص الميكانيكية. تشمل هذه الفئة كلاً من الفولاذ المقاوم للحرارة والسبائك ذات درجات حرارة التشغيل العالية ، والفولاذ المبرد الذي يمكنه تحمل ما يصل إلى -296 درجة مئوية.

أداة الصلب

يتم استخدام أدوات الصلب الخاصة في إنتاج الأدوات. نظرًا لحقيقة أن ظروف العمل الخاصة بهم مختلفة ، يتم أيضًا اختيار المواد بشكل فردي. نظرًا لأن متطلبات الأدوات عالية جدًا ، فإن خصائص السبائك الخاصة بهاالإنتاج مناسب: يجب أن تكون خالية من شوائب الطرف الثالث ، والشوائب ، وأن تكون عملية إزالة الأكسدة جيدة ، والهيكل متجانس. من المهم جدًا أن تتمتع أدوات القياس بمعلمات ثابتة ومقاومة التآكل. إذا تحدثنا عن أدوات القطع ، فإنها تعمل في درجات حرارة مرتفعة (تسخين الحافة) ، واحتكاك وتشوه مستمر. لذلك ، من المهم جدًا بالنسبة لهم الحفاظ على صلابتهم الأولية عند تسخينهم. نوع آخر من فولاذ الأدوات هو الفولاذ عالي السرعة. في الأساس ، مخدر بالتنغستن. يتم الحفاظ على الصلابة حتى درجة حرارة حوالي 600 درجة مئوية. هناك أيضا فولاذ يموت. وهي مصممة للتشكيل على الساخن والبارد.

تطبيقات السبائك الخاصة

الصناعات التي تستخدم السبائك ذات الخصائص الخاصة كثيرة. نظرًا لصفاتها المحسنة ، فهي لا غنى عنها في الهندسة الميكانيكية والبناء وصناعة النفط. تستخدم السبائك المقاومة للحرارة والمقاومة للحرارة في تصنيع قطع التوربينات وقطع غيار السيارات. لا غنى عن الفولاذ الذي يتميز بخصائص مقاومة التآكل العالية لإنتاج الأنابيب وإبر المكربن والأقراص والعناصر المختلفة للصناعة الكيميائية. سكك حديدية ، دلاء ، مسارات للمركبات - الفولاذ المقاوم للاهتراء هو أساس كل هذا. في الإنتاج الضخم للبراغي والصواميل والأجزاء الأخرى المماثلة ، يتم استخدام السبائك الأوتوماتيكية. يجب أن تكون الينابيع مرنة بدرجة كافية ومقاومة للتآكل. لهذاالمواد لهم ربيع الصلب. لتحسين هذه الجودة ، يتم أيضًا خلطها مع الكروم والموليبدينوم. يمكن لجميع السبائك والفولاذ الخاص مع مجموعة من الخصائص المحددة أن تقلل من تكلفة الأجزاء التي كانت تستخدم فيها المعادن غير الحديدية سابقًا.