โลหะผสมทนความร้อน. เหล็กพิเศษและโลหะผสม การผลิตและการใช้โลหะผสมทนความร้อน

2024 ผู้เขียน: Howard Calhoun | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 10:42

อุตสาหกรรมสมัยใหม่ไม่สามารถจินตนาการได้หากไม่มีวัสดุเช่นเหล็ก เราเจอมันแทบทุกโค้ง ด้วยการแนะนำองค์ประกอบทางเคมีต่างๆ ลงในองค์ประกอบ จึงสามารถปรับปรุงคุณสมบัติทางกลและการทำงานได้อย่างมาก

เหล็กคืออะไร

เหล็กเป็นโลหะผสมที่ประกอบด้วยคาร์บอนและเหล็ก นอกจากนี้ โลหะผสมดังกล่าว (ภาพด้านล่าง) อาจมีสิ่งเจือปนจากองค์ประกอบทางเคมีอื่นๆ

มีโครงสร้างหลายแบบ หากปริมาณคาร์บอนอยู่ในช่วง 0.025-0.8% เหล็กเหล่านี้จะเรียกว่าไฮโปยูเทคตอยด์และมีโครงสร้างเป็นไข่มุกและเฟอร์ไรท์ ถ้าเหล็กเป็นไฮเปอร์ยูเทคตอยด์ ก็สามารถสังเกตเฟสเพิร์ลไลต์และซีเมนต์ไทต์ได้ คุณสมบัติของโครงสร้างเฟอร์ไรท์คือความเป็นพลาสติกสูง ซีเมนต์ยังมีความแข็งมาก Perlite สร้างทั้งสองขั้นตอนก่อนหน้านี้ มันสามารถมีรูปร่างเป็นเม็ด (การรวมของซีเมนต์จะตั้งอยู่ตามเม็ดเฟอร์ไรต์ซึ่งมีรูปทรงกลม) และแผ่น (ทั้งสองขั้นตอนดูเหมือนแผ่น) หากเหล็กได้รับความร้อนสูงกว่าอุณหภูมิที่เกิดการดัดแปลงหลายรูปแบบโครงสร้างจะเปลี่ยนเป็นออสเทนนิติก ระยะนี้เพิ่มความเป็นพลาสติก หากปริมาณคาร์บอนเกิน 2.14% วัสดุและโลหะผสมดังกล่าวจะเรียกว่าเหล็กหล่อ

ประเภทเหล็ก

เหล็กสามารถเป็นคาร์บอนและอัลลอยด์ได้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ ปริมาณคาร์บอนน้อยกว่า 0.25% มีลักษณะเฉพาะของเหล็กอ่อน หากปริมาณถึง 0.55% เราสามารถพูดถึงโลหะผสมคาร์บอนปานกลางได้ เหล็กซึ่งมีคาร์บอนมากกว่า 0.6% เรียกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนสูง หากในกระบวนการผลิตโลหะผสม เทคโนโลยีเกี่ยวข้องกับการแนะนำองค์ประกอบทางเคมีเฉพาะ เหล็กชนิดนี้จะเรียกว่าโลหะผสม การแนะนำส่วนประกอบต่าง ๆ จะเปลี่ยนคุณสมบัติของมันอย่างมาก หากจำนวนไม่เกิน 4% แสดงว่าโลหะผสมนั้นผสมต่ำ เหล็กกล้าผสมปานกลางและโลหะผสมสูงมีปริมาณรวมสูงสุด 11% และมากกว่า 12% ตามลำดับ ขึ้นอยู่กับพื้นที่ที่ใช้โลหะผสมเหล็ก มีประเภทดังกล่าว: เครื่องมือ เหล็กโครงสร้าง และพิเศษ และโลหะผสม

เทคโนโลยีการผลิต

ขั้นตอนการถลุงเหล็กค่อนข้างลำบาก ประกอบด้วยหลายขั้นตอน ก่อนอื่นคุณต้องมีวัตถุดิบ - แร่เหล็ก ขั้นตอนแรกเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่กำหนด ในกรณีนี้ กระบวนการออกซิเดชันจะเกิดขึ้น ในระยะที่สอง อุณหภูมิจะสูงขึ้นมาก กระบวนการออกซิเดชั่นของคาร์บอนนั้นเข้มข้นกว่า สามารถเสริมโลหะผสมด้วยออกซิเจนเพิ่มเติมได้ สิ่งสกปรกที่ไม่จำเป็นจะถูกลบออกในตะกรัน ขั้นตอนต่อไปคือการเอาออกซิเจนออกจากเหล็ก เนื่องจากจะลดคุณสมบัติทางกลลงอย่างมาก สามารถทำได้ในลักษณะแพร่หรือตกตะกอน หากกระบวนการดีออกซิเดชันไม่เกิดขึ้น เหล็กที่ได้จะเรียกว่าเหล็กเดือด โลหะผสมที่สงบไม่ปล่อยก๊าซออกซิเจนจะถูกลบออกอย่างสมบูรณ์ ตำแหน่งกลางถูกครอบครองโดยเหล็กกึ่งเงียบ การผลิตโลหะผสมเหล็กเกิดขึ้นในเตาเผาแบบเปิด เตาเหนี่ยวนำ และตัวแปลงออกซิเจน

เหล็กผสม

เพื่อให้ได้คุณสมบัติบางอย่างของเหล็ก สารผสมพิเศษจะถูกนำมาใช้ในองค์ประกอบของมัน ข้อได้เปรียบหลักของโลหะผสมนี้คือความต้านทานต่อการเสียรูปต่างๆ ที่เพิ่มขึ้น ความน่าเชื่อถือของชิ้นส่วนและองค์ประกอบโครงสร้างอื่นๆ เพิ่มขึ้นอย่างมาก การชุบแข็งช่วยลดเปอร์เซ็นต์ของรอยแตกและข้อบกพร่องอื่นๆ บ่อยครั้งที่วิธีการอิ่มตัวด้วยองค์ประกอบต่างกันนี้ใช้เพื่อต้านทานการกัดกร่อนของสารเคมี แต่ก็มีข้อเสียอยู่หลายประการ พวกเขาต้องการการประมวลผลเพิ่มเติมความน่าจะเป็นของการปรากฏตัวของสะเก็ดนั้นสูง นอกจากนี้ต้นทุนของวัสดุก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ธาตุผสมที่พบมากที่สุด ได้แก่ โครเมียม นิกเกิล ทังสเตน โมลิบดีนัม โคบอลต์ ขอบเขตการใช้งานค่อนข้างใหญ่ ซึ่งรวมถึงวิศวกรรมเครื่องกล และการผลิตชิ้นส่วนสำหรับท่อส่ง โรงไฟฟ้า การบิน และอื่นๆ อีกมากมาย

แนวคิดในการทนความร้อนและทนความร้อน

แนวคิดเรื่องการทนความร้อนหมายถึงความสามารถของโลหะหรือโลหะผสมที่จะคงคุณลักษณะทั้งหมดไว้เมื่อทำงานที่อุณหภูมิสูง ในสภาพแวดล้อมเช่นนี้บ่อยครั้งมีการสังเกตการกัดกร่อนของก๊าซ ดังนั้นวัสดุจะต้องทนต่อการกระทำนั่นคือทนความร้อน ดังนั้น การกำหนดคุณลักษณะของโลหะผสมที่ใช้ที่อุณหภูมิที่มีนัยสำคัญจึงต้องรวมแนวคิดทั้งสองนี้ไว้ด้วย เหล็กดังกล่าวเท่านั้นที่จะให้อายุการใช้งานที่จำเป็นสำหรับชิ้นส่วน เครื่องมือ และองค์ประกอบโครงสร้างอื่นๆ

คุณสมบัติของเหล็กทนความร้อน

ในกรณีที่อุณหภูมิสูงถึงระดับสูง จำเป็นต้องใช้โลหะผสมที่จะไม่ยุบตัวและยอมจำนนต่อการเสียรูป ในกรณีนี้จะใช้โลหะผสมที่ทนความร้อน อุณหภูมิในการทำงานของวัสดุดังกล่าวสูงกว่า500ºС จุดสำคัญที่แสดงถึงลักษณะเฉพาะของเหล็กดังกล่าวคือขีดจำกัดความทนทานสูง ความเป็นพลาสติก ซึ่งคงอยู่เป็นเวลานาน รวมทั้งความมั่นคงในการผ่อนคลาย มีองค์ประกอบหลายอย่างที่สามารถเพิ่มความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงได้อย่างมีนัยสำคัญ: โคบอลต์, ทังสเตน, โมลิบดีนัม โครเมียมยังเป็นส่วนประกอบที่จำเป็นอีกด้วย ไม่ส่งผลต่อความแข็งแรงมากนักเนื่องจากเพิ่มความต้านทานของสเกล โครเมียมยังป้องกันกระบวนการกัดกร่อนอีกด้วย ลักษณะสำคัญอีกอย่างหนึ่งของโลหะผสมประเภทนี้คือการคืบช้า

การจำแนกเหล็กทนความร้อนตามโครงสร้าง

อัลลอยทนความร้อนและทนความร้อนอยู่ในกลุ่มเฟอริติก มาร์เทนซิติก ออสเทนนิติก และโครงสร้างเฟอร์ริติก-มาร์เทนซิติก อดีตมีโครเมียมประมาณ 30% หลังจากผ่านกรรมวิธีพิเศษ โครงสร้างจะกลายเป็นเนื้อละเอียด หากอุณหภูมิความร้อนเกิน850ºСแสดงว่าเมล็ดพืชเพิ่มขึ้นและวัสดุทนความร้อนดังกล่าวจะเปราะ คลาสมาร์เทนซิติกมีลักษณะเป็นโครเมียมต่อไปนี้: จาก 4% ถึง 12% นิกเกิล ทังสเตน และองค์ประกอบอื่นๆ อาจมีอยู่ในปริมาณเล็กน้อย ชิ้นส่วนของกังหันและวาล์วในรถยนต์ทำจากชิ้นส่วนเหล่านี้ เหล็กที่มีมาร์เทนไซต์และเฟอร์ไรท์ในโครงสร้างนั้นเหมาะสำหรับการทำงานที่อุณหภูมิสูงคงที่และการทำงานในระยะยาว ปริมาณโครเมียมถึง 14% ออสเทนไนต์ได้มาจากการนำนิกเกิลมาผสมกับโลหะผสมที่ทนความร้อน เหล็กที่มีโครงสร้างคล้ายกันมีหลายเกรด

โลหะผสมนิกเกิล

นิกเกิลมีคุณสมบัติที่มีประโยชน์มากมาย มีผลดีต่อความสามารถในการใช้การของเหล็ก (ทั้งแบบร้อนและเย็น) หากชิ้นส่วนหรือเครื่องมือได้รับการออกแบบให้ทำงานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง การผสมด้วยองค์ประกอบนี้จะช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนได้อย่างมาก วัสดุทนความร้อนที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลักแบ่งออกเป็นกลุ่มต่อไปนี้: ทนความร้อนและทนความร้อนได้จริง หลังควรมีคุณสมบัติทนความร้อนขั้นต่ำ อุณหภูมิในการทำงานสูงถึง1200ºС นอกจากนี้ยังเพิ่มโครเมียมหรือไททาเนียม เหล็กกล้าที่ผสมกับนิกเกิลจะมีสิ่งเจือปนเล็กน้อย เช่น แบเรียม แมกนีเซียม โบรอน ดังนั้นขอบเกรนจึงแข็งแรงขึ้น โลหะผสมทนความร้อนประเภทนี้ผลิตขึ้นในรูปแบบของการตีขึ้นรูปและผลิตภัณฑ์รีด นอกจากนี้ยังสามารถหล่อชิ้นส่วน การใช้งานหลักของพวกเขาคือการผลิตชิ้นส่วนกังหันก๊าซ โลหะผสมทนความร้อนที่มีนิกเกิลเป็นองค์ประกอบหลักประกอบด้วยโครเมียมสูงถึง 30%พวกเขายืมตัวเองได้ดีพอที่จะปั๊มเชื่อม นอกจากนี้ ความต้านทานของสเกลยังอยู่ในระดับสูง ทำให้สามารถใช้ในระบบท่อส่งก๊าซได้

เหล็กไททาเนียมทนความร้อน

ไททาเนียมเปิดตัวในปริมาณเล็กน้อย (สูงสุด 0.3%) ในกรณีนี้จะเพิ่มความแข็งแรงของโลหะผสม หากเนื้อหาสูงกว่ามาก แสดงว่าคุณสมบัติทางกลบางอย่างเสื่อมลง (ความแข็ง ความแข็งแรง) แต่ความเป็นพลาสติกเพิ่มขึ้น สิ่งนี้อำนวยความสะดวกในการแปรรูปเหล็ก ด้วยการนำไททาเนียมร่วมกับส่วนประกอบอื่นๆ ทำให้สามารถปรับปรุงคุณสมบัติการทนความร้อนได้อย่างมาก หากจำเป็นต้องทำงานในสภาพแวดล้อมที่ก้าวร้าว (โดยเฉพาะเมื่อการออกแบบเกี่ยวข้องกับการเชื่อม) การผสมด้วยองค์ประกอบทางเคมีนี้ก็สมเหตุสมผล

โลหะผสมโคบอลต์

โคบอลต์จำนวนมาก (มากถึง 80%) ถูกนำไปใช้ในการผลิตวัสดุ เช่น โลหะผสมที่ทนความร้อนและทนความร้อน เนื่องจากมันไม่ค่อยได้ใช้ในรูปแบบบริสุทธิ์ การแนะนำช่วยเพิ่มความเป็นพลาสติกรวมทั้งความต้านทานเมื่อทำงานที่อุณหภูมิสูง และยิ่งมีปริมาณโคบอลต์มากเท่าใดก็ยิ่งเพิ่มปริมาณโคบอลต์ลงในโลหะผสมมากขึ้นเท่านั้น ในบางแบรนด์ เนื้อหาถึง 30% คุณลักษณะเฉพาะของเหล็กดังกล่าวอีกประการหนึ่งคือการปรับปรุงคุณสมบัติทางแม่เหล็ก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากโคบอลต์มีราคาสูง การใช้งานจึงค่อนข้างจำกัด

อิทธิพลของโมลิบดีนัมต่อโลหะผสมที่ทนความร้อน

องค์ประกอบทางเคมีนี้มีผลอย่างมากต่อความแข็งแรงของวัสดุที่อุณหภูมิสูง

จะมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษเมื่อใช้ร่วมกับองค์ประกอบอื่นๆ เพิ่มความแข็งของเหล็กอย่างมีนัยสำคัญ (อยู่ที่ 0.3%) ความต้านแรงดึงก็เพิ่มขึ้นด้วย คุณสมบัติเชิงบวกอีกประการหนึ่งที่โลหะผสมทนความร้อนที่ผสมกับโมลิบดีนัมนั้นมีความทนทานต่อกระบวนการออกซิเดชั่นในระดับสูง โมลิบดีนัมมีส่วนช่วยในการบดเมล็ดพืช ข้อเสียคือเชื่อมยาก

เหล็กและโลหะผสมพิเศษอื่นๆ

ในการทำงานบางอย่าง ต้องใช้วัสดุที่มีคุณสมบัติบางอย่าง ดังนั้น เราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับการใช้โลหะผสมพิเศษ ซึ่งสามารถเป็นทั้งโลหะผสมและคาร์บอน ในระยะหลังชุดของคุณสมบัติที่ต้องการนั้นเกิดขึ้นได้เนื่องจากการผลิตโลหะผสมและการประมวลผลเกิดขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีพิเศษ แม้แต่โลหะผสมและเหล็กกล้าพิเศษยังแบ่งออกเป็นโครงสร้างและเครื่องมือ งานหลักสำหรับวัสดุประเภทนี้สามารถแยกแยะได้ดังต่อไปนี้: ความต้านทานต่อการกัดกร่อนและกระบวนการสึกหรอ ความสามารถในการทำงานในสภาพแวดล้อมที่ก้าวร้าว และคุณลักษณะทางกลที่ได้รับการปรับปรุง หมวดหมู่นี้รวมถึงเหล็กทนความร้อนและโลหะผสมที่มีอุณหภูมิการทำงานสูง และเหล็กอุณหภูมิต่ำที่สามารถทนต่ออุณหภูมิได้สูงถึง -296ºС

เหล็กเครื่องมือ

เหล็กกล้าเครื่องมือพิเศษที่ใช้ในการผลิตเครื่องมือ เนื่องจากสภาพการทำงานต่างกัน วัสดุจึงถูกเลือกเป็นรายบุคคลด้วย เนื่องจากข้อกำหนดสำหรับเครื่องมือค่อนข้างสูง คุณสมบัติของโลหะผสมสำหรับพวกเขาการผลิตมีความเหมาะสม: ต้องปราศจากสิ่งเจือปนของบุคคลที่สาม การรวม กระบวนการดีออกซิเดชันเป็นอย่างดี และโครงสร้างที่เป็นเนื้อเดียวกัน เป็นสิ่งสำคัญมากที่เครื่องมือวัดจะต้องมีพารามิเตอร์ที่เสถียรและต้านทานการสึกหรอ หากเราพูดถึงเครื่องมือตัด พวกมันจะทำงานที่อุณหภูมิสูง (มีความร้อนที่ขอบ) แรงเสียดทานและการเสียรูปคงที่ ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับพวกเขาที่จะรักษาความแข็งเบื้องต้นไว้เมื่อถูกความร้อน เหล็กกล้าเครื่องมืออีกประเภทหนึ่งคือเหล็กกล้าความเร็วสูง โดยทั่วไปจะเจือด้วยทังสเตน ความแข็งยังคงอยู่ที่อุณหภูมิประมาณ600ºС มีเหล็กหล่อด้วย ถูกออกแบบมาสำหรับการขึ้นรูปร้อนและเย็น

ล้อแม็กพิเศษ

อุตสาหกรรมที่ใช้โลหะผสมที่มีลักษณะพิเศษมีมากมาย เนื่องจากคุณสมบัติที่ได้รับการปรับปรุงจึงเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในงานวิศวกรรมเครื่องกล การก่อสร้าง และอุตสาหกรรมน้ำมัน โลหะผสมที่ทนความร้อนและทนความร้อนใช้ในการผลิตชิ้นส่วนกังหัน ชิ้นส่วนอะไหล่สำหรับรถยนต์ เหล็กที่มีคุณสมบัติป้องกันการกัดกร่อนสูงเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับการผลิตท่อ เข็มคาร์บูเรเตอร์ ดิสก์ และองค์ประกอบต่างๆ ของอุตสาหกรรมเคมี รางรถไฟ ถัง รางสำหรับยานพาหนะ - เหล็กที่ทนต่อการสึกหรอเป็นพื้นฐานสำหรับสิ่งเหล่านี้ ในการผลิตจำนวนมากของสลักเกลียว น็อต และชิ้นส่วนที่คล้ายกันอื่น ๆ จะใช้โลหะผสมอัตโนมัติ สปริงต้องมีความยืดหยุ่นเพียงพอและทนต่อการสึกหรอ นั่นเป็นเหตุผลที่วัสดุสำหรับพวกเขาคือเหล็กสปริง เพื่อปรับปรุงคุณภาพนี้ พวกเขายังผสมกับโครเมียม โมลิบดีนัม โลหะผสมและเหล็กกล้าพิเศษทั้งหมดที่มีคุณสมบัติเฉพาะสามารถลดต้นทุนของชิ้นส่วนที่เคยใช้โลหะที่ไม่ใช่เหล็กได้