סגסוגות עמידות בחום. פלדות וסגסוגות מיוחדות. ייצור ושימוש בסגסוגות עמידות חום

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 10:27

אי אפשר לדמיין תעשייה מודרנית בלי חומר כמו פלדה. אנחנו נתקלים בזה כמעט בכל סיבוב. על ידי הכנסת יסודות כימיים שונים להרכבו, ניתן לשפר משמעותית את התכונות המכניות והתפעוליות.

מה זה פלדה

פלדה היא סגסוגת המכילה פחמן וברזל. כמו כן, בסגסוגת כזו (תמונה למטה) עשויות להיות זיהומים של יסודות כימיים אחרים.

יש כמה מדינות מבניות. אם תכולת הפחמן היא בטווח של 0.025-0.8%, אז פלדות אלו נקראות hypoeutectoid ובמבנה שלהן יש פרליט ופריט. אם הפלדה היא hypereutectoid, אז ניתן לראות שלבים פרליטיים וצמנטיטיים. תכונה של מבנה הפריט היא הפלסטיות הגבוהה שלו. לצמנטיט יש גם קשיות ניכרת. פרלייט מהווים את שני השלבים הקודמים. יכול להיות לו צורה גרגירית (תכלילים של צמנטיט ממוקמים לאורך גרגרי פריט, בעלי צורה עגולה) ולמלרית (שני השלבים נראים כמו צלחות). אם פלדה מחוממת מעל הטמפרטורה שבהשינויים פולימורפיים מתרחשים, המבנה משתנה לאוסטניטי. שלב זה הגביר את הפלסטיות. אם תכולת הפחמן עולה על 2.14%, אז חומרים וסגסוגות כאלה נקראים ברזל יצוק.

סוגי פלדה

בהתאם להרכב, פלדה יכולה להיות פחמן וסגסוגת. תכולת הפחמן פחות מ-0.25% מאפיינת פלדה עדינה. אם הכמות שלו מגיעה ל-0.55%, אז אנחנו יכולים לדבר על סגסוגת פחמן בינונית. פלדה, שיש בה יותר מ-0.6% פחמן בהרכבה, נקראת פלדה עתירת פחמן. אם, בתהליך של ייצור סגסוגת, הטכנולוגיה כרוכה בהחדרה של יסודות כימיים ספציפיים, אז פלדה זו נקראת סגסוגת. הכנסת רכיבים שונים משנה באופן משמעותי את תכונותיו. אם מספרם אינו עולה על 4%, אז הסגסוגת היא סגסוגת נמוכה. לפלדה סגסוגת בינונית וסגסוגת גבוהה יש עד 11% ויותר מ-12% של תכלילים, בהתאמה. בהתאם לאזור בו משתמשים בסגסוגות פלדה, ישנם סוגים כאלה: כלי עבודה, פלדות וסגסוגות מבניות ומיוחדות.

טכנולוגיית ייצור

תהליך ההתכה של פלדה הוא די מייגע. זה כולל כמה שלבים. קודם כל צריך חומרי גלם - עפרות ברזל. השלב הראשון כולל חימום לטמפרטורה מסוימת. במקרה זה מתרחשים תהליכי חמצון. בשלב השני, הטמפרטורה הופכת הרבה יותר גבוהה. תהליכי חמצון הפחמן אינטנסיביים יותר. העשרה נוספת של הסגסוגת בחמצן אפשרית. זיהומים מיותרים מוסרים פנימהסִיג. השלב הבא הוא הוצאת חמצן מהפלדה, מכיוון שהוא מפחית משמעותית את התכונות המכניות. זה יכול להתבצע בצורה של דיפוזיה או משקעים. אם תהליך ההתחמצנות אינו מתרחש, הפלדה המתקבלת נקראת פלדה רותחת. סגסוגת רגועה אינה פולטת גזים, חמצן מוסר לחלוטין. עמדת ביניים תפוסה על ידי פלדות שקטות למחצה. הייצור של סגסוגות ברזל מתבצע באח פתוח, תנורי אינדוקציה, ממירי חמצן.

סגסוגת פלדה

כדי להשיג תכונות מסוימות של פלדה, מכניסים להרכבה חומרים מתגזרים מיוחדים. היתרונות העיקריים של סגסוגת זו הם עמידות מוגברת לעיוותים שונים, האמינות של חלקים ואלמנטים מבניים אחרים עולה באופן משמעותי. התקשות מפחיתה את אחוז הסדקים ופגמים אחרים. לעתים קרובות נעשה שימוש בשיטה זו של רוויה עם אלמנטים שונים כדי להקנות עמידות בפני קורוזיה כימית. אבל יש גם מספר חסרונות. הם דורשים עיבוד נוסף, ההסתברות להופעת פתיתים גבוהה. בנוסף, עלות החומר גם עולה. יסודות הסגסוג הנפוצים ביותר הם כרום, ניקל, טונגסטן, מוליבדן, קובלט. היקף היישום שלהם הוא די גדול. זה כולל הנדסת מכונות, וייצור חלקים לצינורות, תחנות כוח, תעופה ועוד הרבה יותר.

המושג של עמידות בחום ועמידות בחום

המושג עמידות בחום מתייחס ליכולת של מתכת או סגסוגת לשמור על כל המאפיינים שלה בעת עבודה בטמפרטורות גבוהות. בסביבה כזו, לעתים קרובותנצפית קורוזיה בגז. לכן החומר חייב להיות עמיד גם בפני פעולתו, כלומר להיות עמיד בחום. לפיכך, האפיון של סגסוגות המשמשות בטמפרטורות משמעותיות חייב לכלול את שני המושגים הללו. רק אז פלדות כאלה יספקו את חיי השירות הדרושים עבור חלקים, כלים ואלמנטים מבניים אחרים.

תכונות של פלדה עמידה בחום

במקרים בהם הטמפרטורה מגיעה לערכים גבוהים, נדרש שימוש בסגסוגות שלא יקרסו ותיכנעו לעיוותים. במקרה זה, נעשה שימוש בסגסוגות עמידות בחום. טמפרטורת ההפעלה של חומרים כאלה היא מעל 500ºС. נקודות חשובות המאפיינות פלדות כאלה הן גבול סיבולת גבוה, פלסטיות, הנמשכת לאורך זמן, וכן יציבות הרפיה. ישנם מספר אלמנטים שיכולים להגביר באופן משמעותי את ההתנגדות לטמפרטורות גבוהות: קובלט, טונגסטן, מוליבדן. כרום הוא גם רכיב נדרש. זה לא כל כך משפיע על החוזק שכן הוא מגביר את התנגדות האבנית. כרום גם מונע תהליכי קורוזיה. מאפיין חשוב נוסף של סגסוגות מסוג זה הוא זחילה איטית.

סיווג פלדות עמידות בחום לפי מבנה

סגסוגות עמידות בחום ועמידות בחום הן מהמעמד הפריטי, מרטנסיטי, אוסטניטי ועם מבנה פריטי-מרטנסיטי. הראשונים מכילים כ-30% כרום. לאחר עיבוד מיוחד, המבנה הופך לדק. אם טמפרטורת החימום עולה על 850ºС, אז הגרגריםלהגדיל, וחומרים עמידים בחום כאלה הופכים שבירים. המחלקה המרטנסיטית מאופיינת בתכולת הכרום הבאה: מ-4% עד 12%. ניקל, טונגסטן ואלמנטים אחרים עשויים להיות נוכחים גם הם בכמויות קטנות. חלקים של טורבינות ושסתומים במכוניות עשויים מהם. פלדות שיש במבנה שלהן מרטנזיט ופריט מתאימות לפעולה בטמפרטורות גבוהות קבועות והפעלה לטווח ארוך. תכולת הכרום מגיעה ל-14%. אוסטניט מתקבל על ידי החדרת ניקל לסגסוגות עמידות בחום. לפלדות בעלות מבנה דומה יש ציונים רבים.

סגסוגות על בסיס ניקל

לניקל יש מספר תכונות שימושיות. יש לו השפעה חיובית על יכולת העבודה של פלדה (הן חמה והן קרה). אם חלק או כלי תוכנן לעבוד בסביבה אגרסיבית, סגסוגת עם אלמנט זה מגדילה באופן משמעותי את עמידות בפני קורוזיה. חומרים עמידים בחום על בסיס ניקל מתחלקים לקבוצות הבאות: עמידים בחום ולמעשה עמידים בחום. זה האחרון צריך גם להיות בעל מאפיינים עמידים בחום מינימליים. טמפרטורות עבודה מגיעות ל-1200ºС. בנוסף, מוסיפים כרום או טיטניום. באופן אופייני, פלדות סגסוגות בניקל מכילות כמות קטנה של זיהומים כמו בריום, מגנזיום, בורון, כך שגבולות התבואה מתחזקים יותר. סגסוגות עמידות חום מסוג זה מיוצרות בצורה של פרזול ומוצרים מגולגלים. אפשר גם ליציק חלקים. תחום היישום העיקרי שלהם הוא ייצור אלמנטים של טורבינת גז. סגסוגות עמידות בחום על בסיס ניקל מכילות עד 30% כרום.הם משאילים את עצמם מספיק טוב להטבעה, ריתוך. בנוסף, התנגדות האבנית היא ברמה גבוהה. זה מאפשר להשתמש בהם במערכות צינורות גז.

פלדה מסגסוגת טיטניום עמידה בחום

טיטניום מוכנס בכמות קטנה (עד 0.3%). במקרה זה, זה מגביר את חוזק הסגסוגת. אם התוכן שלו גבוה בהרבה, אז כמה תכונות מכניות מתדרדרות (קשיות, חוזק). אבל הפלסטיות גוברת. זה מקל על עיבוד פלדה. עם הכנסת טיטניום יחד עם רכיבים נוספים, ניתן לשפר משמעותית את מאפייני העמידות בחום. אם יש צורך לעבוד בסביבה אגרסיבית (במיוחד כאשר התכנון כולל ריתוך), אז סגסוגת עם יסוד כימי זה מוצדקת.

סגסוגות קובלט

כמות גדולה של קובלט (עד 80%) הולכת לייצור חומרים כמו סגסוגות עמידות חום ועמידות בחום, מכיוון שהוא משמש לעתים רחוקות בצורתו הטהורה. הצגתו מגבירה את הפלסטיות, כמו גם את ההתנגדות בעת עבודה בטמפרטורות גבוהות. וככל שהוא גבוה יותר, כך כמות הקובלט המוכנסת לסגסוגת גבוהה יותר. בחלק מהמותגים התוכן שלו מגיע ל-30%. מאפיין אופייני נוסף של פלדות כאלה הוא השיפור בתכונות המגנטיות. עם זאת, בשל העלות הגבוהה של קובלט, השימוש בו מוגבל למדי.

השפעת מוליבדן על סגסוגות עמידות חום

אלמנט כימי זה משפיע באופן משמעותי על חוזק החומר בטמפרטורות גבוהות.

זה יעיל במיוחד בשימוש יחד עם אלמנטים אחרים. זה מגביר באופן משמעותי את קשיות הפלדה (כבר בתכולה של 0.3%). חוזק המתיחה גם גדל. תכונה חיובית נוספת שיש לסגסוגות עמידות בחום המסוגגות מוליבדן היא רמה גבוהה של עמידות בפני תהליכי חמצון. מוליבדן תורם לטחינת תבואה. החיסרון הוא הקושי בריתוך.

פלדות וסגסוגות מיוחדות אחרות

כדי לבצע משימות מסוימות, נדרשים חומרים בעלי תכונות מסוימות. לפיכך, אנו יכולים לדבר על השימוש בסגסוגות מיוחדות, שיכולות להיות גם סגסוגות וגם פחמן. באחרון, קבוצת המאפיינים הנדרשים מושגת בשל העובדה כי ייצור סגסוגות ועיבודן מתבצע באמצעות טכנולוגיה מיוחדת. אפילו סגסוגות ופלדות מיוחדות מחולקות למבנה ולכלי. בין המשימות העיקריות עבור סוג זה של חומרים, ניתן להבחין: עמידות בפני תהליכי קורוזיה ובלאי, יכולת עבודה בסביבה אגרסיבית ושיפור מאפיינים מכניים. קטגוריה זו כוללת הן פלדות עמידות חום וסגסוגות עם טמפרטורות עבודה גבוהות והן פלדות קריוגניות שיכולות לעמוד עד -296ºС.

פלדת כלי עבודה

פלדת כלי מיוחד משמשת לייצור כלים. בשל העובדה שתנאי העבודה שלהם שונים, חומרים נבחרים גם בנפרד. מאז הדרישות עבור כלים הם גבוהים למדי, המאפיינים של סגסוגות עבור שלהםהייצור מתאים: הם חייבים להיות נקיים מזיהומים של צד שלישי, תכלילים, תהליך הסרת החמצון מבוצע היטב והמבנה הומוגני. חשוב מאוד שמכשירי המדידה יהיו בעלי פרמטרים יציבים ועמידים בפני שחיקה. אם אנחנו מדברים על כלי חיתוך, אז הם עובדים בטמפרטורות גבוהות (יש חימום של הקצה), חיכוך קבוע ועיוות. לכן, חשוב להם מאוד לשמור על הקשיות העיקרית שלהם בחימום. סוג אחר של פלדת כלי הוא פלדה במהירות גבוהה. בעיקרון, הוא מסומם בטונגסטן. הקשיות נשמרת עד לטמפרטורה של כ-600ºС. יש גם פלדות למות. הם מיועדים ליצירה חמה וקרה כאחד.

יישומי סגסוגת מיוחדים

תעשיות המשתמשות בסגסוגות בעלות מאפיינים מיוחדים הן רבות. בשל איכויותיהם המשופרות, הם הכרחיים בהנדסת מכונות, בנייה ותעשיית הנפט. סגסוגות עמידות חום ועמידות בחום משמשות בייצור חלקי טורבינה, חלקי חילוף למכוניות. פלדות בעלות תכונות אנטי קורוזיה גבוהות הן הכרחיות לייצור צינורות, מחטי קרבורטור, דיסקים ואלמנטים שונים של התעשייה הכימית. מסילות רכבת, דליים, מסילות לרכב - פלדות עמידות בפני שחיקה הן הבסיס לכל זה. בייצור המוני של ברגים, אגוזים וחלקים דומים אחרים, נעשה שימוש בסגסוגות אוטומטיות. הקפיצים חייבים להיות מספיק אלסטיים ועמידים בפני שחיקה. בגלל זההחומר עבורם הוא פלדה קפיצית. כדי לשפר איכות זו, הם מסויגים בנוסף עם כרום, מוליבדן. כל הסגסוגות והפלדות המיוחדות עם קבוצה של מאפיינים ספציפיים יכולות להוזיל את העלות של חלקים שבהם נעשה שימוש בעבר במתכות לא ברזליות.