Ligas resistentes ao calor. Aços e ligas especiais. Produção e uso de ligas resistentes ao calor

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 10:38

A indústria moderna não pode ser imaginada sem materiais como o aço. Nós o encontramos em quase todas as curvas. Ao introduzir vários elementos químicos em sua composição, as propriedades mecânicas e operacionais podem ser significativamente melhoradas.

O que é aço

Aço é uma liga que contém carbono e ferro. Além disso, essa liga (foto abaixo) pode conter impurezas de outros elementos químicos.

Existem vários estados estruturais. Se o teor de carbono estiver na faixa de 0,025-0,8%, esses aços são chamados de hipoeutetóides e possuem perlita e ferrita em sua estrutura. Se o aço é hipereutetóide, então as fases perlítica e cementita podem ser observadas. Uma característica da estrutura de ferrite é a sua alta plasticidade. A cementita também tem uma dureza considerável. Perlite forma ambas as fases anteriores. Pode ter uma forma granular (as inclusões de cementita estão localizadas ao longo dos grãos de ferrita, que têm forma arredondada) e lamelar (ambas as fases parecem placas). Se o aço for aquecido acima da temperatura na qualocorrem modificações polimórficas, a estrutura muda para austenítica. Esta fase aumentou a plasticidade. Se o teor de carbono exceder 2,14%, esses materiais e ligas são chamados de ferros fundidos.

Tipos de aço

Dependendo da composição, o aço pode ser carbono e ligado. O teor de carbono inferior a 0,25% caracteriza o aço macio. Se sua quantidade atingir 0,55%, podemos falar de uma liga de médio carbono. O aço, que possui mais de 0,6% de carbono em sua composição, é chamado de aço de alto carbono. Se, no processo de produção de uma liga, a tecnologia envolve a introdução de elementos químicos específicos, esse aço é chamado de liga. A introdução de vários componentes altera significativamente suas propriedades. Se o número não exceder 4%, a liga é de baixa liga. Aços de liga média e alta liga têm até 11% e mais de 12% de inclusões, respectivamente. Dependendo da área em que as ligas de aço são usadas, existem esses tipos: ferramentas, aços estruturais e especiais e ligas.

Tecnologia de produção

O processo de fundição do aço é bastante trabalhoso. Inclui várias etapas. Primeiro de tudo, você precisa de matérias-primas - minério de ferro. A primeira etapa envolve o aquecimento a uma certa temperatura. Neste caso, ocorrem processos oxidativos. Na segunda fase, a temperatura torna-se muito mais elevada. Os processos de oxidação do carbono são mais intensos. O enriquecimento adicional da liga com oxigênio é possível. As impurezas desnecessárias são removidas emescória. O próximo passo é remover o oxigênio do aço, pois reduz significativamente as propriedades mecânicas. Isso pode ser realizado por difusão ou precipitação. Se o processo de desoxidação não ocorrer, o aço resultante é chamado de aço em ebulição. A liga calma não emite gases, o oxigênio é removido completamente. Uma posição intermediária é ocupada por aços semi-silenciosos. A produção de ligas de ferro ocorre em fornos a céu aberto, fornos de indução, conversores de oxigênio.

Liga de aço

Para obter certas propriedades do aço, substâncias especiais de liga são introduzidas em sua composição. As principais vantagens desta liga são o aumento da resistência a várias deformações, a confiabilidade das peças e outros elementos estruturais aumenta significativamente. O endurecimento reduz a porcentagem de rachaduras e outros defeitos. Muitas vezes, esse método de saturação com diferentes elementos é usado para conferir resistência à corrosão química. Mas também há uma série de desvantagens. Eles exigem processamento adicional, a probabilidade de aparecimento de flocos é alta. Além disso, o custo do material também aumenta. Os elementos de liga mais comuns são cromo, níquel, tungstênio, molibdênio, cob alto. O escopo de sua aplicação é bastante grande. Isso inclui engenharia mecânica e fabricação de peças para dutos, usinas de energia, aviação e muito mais.

O conceito de resistência ao calor e resistência ao calor

O conceito de resistência ao calor refere-se à capacidade de um metal ou liga de manter todas as suas características ao trabalhar em altas temperaturas. Nesse ambiente, muitas vezescorrosão do gás é observada. Portanto, o material também deve ser resistente à sua ação, ou seja, ser resistente ao calor. Assim, a caracterização de ligas que são utilizadas em temperaturas significativas deve incluir ambos os conceitos. Só assim esses aços fornecerão a vida útil necessária para peças, ferramentas e outros elementos estruturais.

Características do aço resistente ao calor

Nos casos em que a temperatura atinge valores elevados, é necessário o uso de ligas que não entrem em colapso e sucumbam à deformação. Neste caso, são utilizadas ligas resistentes ao calor. A temperatura de operação para tais materiais está acima de 500ºС. Pontos importantes que caracterizam tais aços são o alto limite de resistência, a plasticidade, que persiste por muito tempo, bem como a estabilidade de relaxamento. Existem vários elementos que podem aumentar significativamente a resistência a altas temperaturas: cob alto, tungstênio, molibdênio. O cromo também é um componente necessário. Não afeta tanto a força como aumenta a resistência da escala. O cromo também previne processos de corrosão. Outra característica importante das ligas desse tipo é a fluência lenta.

Classificação dos aços resistentes ao calor por estrutura

As ligas termorresistentes e resistentes ao calor são da classe ferrítica, martensítica, austenítica e com estrutura ferrítico-martensítica. Os primeiros contêm cerca de 30% de cromo. Após processamento especial, a estrutura torna-se de grão fino. Se a temperatura de aquecimento exceder 850ºС, os grãosaumentam e esses materiais resistentes ao calor tornam-se quebradiços. A classe martensítica é caracterizada pelo seguinte teor de cromo: de 4% a 12%. Níquel, tungstênio e outros elementos também podem estar presentes em pequenas quantidades. Partes de turbinas e válvulas em automóveis são feitas a partir deles. Os aços que possuem martensita e ferrita em sua estrutura são adequados para operação em altas temperaturas constantes e operação de longo prazo. O teor de cromo chega a 14%. A austenita é obtida pela introdução de níquel em ligas resistentes ao calor. Aços com estrutura semelhante têm muitos graus.

Ligas à base de níquel

Níquel tem várias propriedades úteis. Tem um efeito positivo na trabalhabilidade do aço (tanto a quente como a frio). Se uma peça ou ferramenta for projetada para trabalhar em um ambiente agressivo, a liga com esse elemento aumenta significativamente a resistência à corrosão. Os materiais resistentes ao calor à base de níquel são divididos nos seguintes grupos: resistentes ao calor e realmente resistentes ao calor. Este último também deve ter características mínimas de resistência ao calor. As temperaturas de trabalho atingem 1200ºС. Além disso, cromo ou titânio é adicionado. Caracteristicamente, os aços ligados ao níquel possuem uma pequena quantidade de impurezas como bário, magnésio, boro, de modo que os contornos de grão são mais reforçados. As ligas resistentes ao calor deste tipo são produzidas na forma de forjados e produtos laminados. Também é possível fundir peças. Sua principal área de aplicação é a fabricação de elementos de turbina a gás. As ligas resistentes ao calor à base de níquel contêm até 30% de cromo. Eles se prestam bem o suficiente para estampar, soldar. Além disso, a resistência de escala está em um nível alto. Isso torna possível usá-los em sistemas de gasodutos.

Aço de liga de titânio resistente ao calor

Titanium é introduzido em pequena quantidade (até 0,3%). Neste caso, aumenta a resistência da liga. Se seu conteúdo for muito maior, algumas propriedades mecânicas se deteriorarão (dureza, resistência). Mas a plasticidade aumenta. Isso facilita o processamento do aço. Com a introdução do titânio em conjunto com outros componentes, é possível melhorar significativamente as características de resistência ao calor. Se houver necessidade de trabalhar em um ambiente agressivo (especialmente quando o projeto envolve soldagem), justifica-se a liga com este elemento químico.

Ligas de cob alto

Uma grande quantidade de cob alto (até 80%) vai para a produção de materiais como ligas resistentes ao calor e resistentes ao calor, pois raramente é usado em sua forma pura. Sua introdução aumenta a plasticidade, bem como a resistência ao trabalhar em altas temperaturas. E quanto maior, maior a quantidade de cob alto introduzida na liga. Em algumas marcas, seu conteúdo chega a 30%. Outra característica desses aços é a melhoria das propriedades magnéticas. No entanto, devido ao alto custo do cob alto, seu uso é bastante limitado.

Influência do molibdênio em ligas resistentes ao calor

Este elemento químico afeta significativamente a resistência do material em altas temperaturas.

É especialmente eficaz quando usado em conjunto com outros elementos. Aumenta significativamente a dureza do aço (já com um teor de 0,3%). A resistência à tração também aumenta. Outra característica positiva que as ligas termorresistentes ligadas ao molibdênio possuem é o alto grau de resistência aos processos oxidativos. O molibdênio contribui para a moagem de grãos. A desvantagem é a dificuldade de soldagem.

Outros aços e ligas especiais

Para realizar certas tarefas, são necessários materiais que tenham certas propriedades. Assim, podemos falar sobre o uso de ligas especiais, que podem ser ligas e carbono. Neste último, o conjunto de características exigidas é alcançado devido ao fato de a fabricação de ligas e seu processamento ocorrerem com uma tecnologia especial. Mesmo ligas e aços especiais são divididos em estruturais e de ferramentas. Entre as principais tarefas para este tipo de materiais, destacam-se: resistência a processos de corrosão e desgaste, capacidade de trabalhar em um ambiente agressivo e características mecânicas aprimoradas. Esta categoria inclui aços resistentes ao calor e ligas com altas temperaturas de operação e aços criogênicos que podem suportar até -296ºС.

Aço ferramenta

Aço ferramenta especial é usado na produção de ferramentas. Devido ao fato de suas condições de trabalho serem diferentes, os materiais também são selecionados individualmente. Como os requisitos para ferramentas são bastante altos, as características das ligas para suaa produção é adequada: devem estar livres de impurezas de terceiros, inclusões, o processo de desoxidação é bem realizado e a estrutura é homogênea. É muito importante que os instrumentos de medição tenham parâmetros estáveis e resistam ao desgaste. Se falamos de ferramentas de corte, elas trabalham em temperaturas elevadas (há aquecimento da borda), atrito e deformação constantes. Portanto, é muito importante que eles mantenham sua dureza primária quando aquecidos. Outro tipo de aço ferramenta é o aço rápido. Basicamente, é dopado com tungstênio. A dureza é mantida até uma temperatura de cerca de 600ºС. Existem também aços para matrizes. Eles são projetados para conformação a quente e a frio.

Aplicações de ligas especiais

Indústrias que utilizam ligas com características especiais são muitas. Devido às suas qualidades aprimoradas, são indispensáveis na engenharia mecânica, construção e indústria petrolífera. Ligas resistentes ao calor e resistentes ao calor são usadas na fabricação de peças de turbinas, peças de reposição para carros. Os aços que possuem altas características anticorrosivas são indispensáveis para a produção de tubos, agulhas de carburador, discos e diversos elementos da indústria química. Trilhos ferroviários, caçambas, trilhos para veículos - aços resistentes ao desgaste são a base de tudo isso. Na produção em massa de parafusos, porcas e outras peças semelhantes, são utilizadas ligas automáticas. As molas devem ser suficientemente elásticas e resistentes ao desgaste. É por issomaterial para eles é aço de mola. Para melhorar essa qualidade, eles são adicionalmente ligados com cromo, molibdênio. Todas as ligas especiais e aços com um conjunto de características específicas podem reduzir o custo de peças onde antes eram usados metais não ferrosos.