Χυτά από χάλυβα ανθεκτικά στη θερμότητα με διαδικασία χύτευσης επενδύσεων

Ο ανθεκτικός στη θερμότητα χάλυβας αναφέρεται σε χάλυβα με αντοχή στην οξείδωση σε υψηλή θερμοκρασία και αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία. Η αντίσταση στην οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες είναι μια σημαντική προϋπόθεση για να διασφαλιστεί ότι το τεμάχιο εργασίας λειτουργεί για μεγάλο χρονικό διάστημα σε υψηλή θερμοκρασία. Σε ένα οξειδωτικό περιβάλλον όπως ο αέρας υψηλής θερμοκρασίας, το οξυγόνο αντιδρά χημικά με την επιφάνεια του χάλυβα για να σχηματίσει μια ποικιλία στρωμάτων οξειδίου του σιδήρου. Το στρώμα οξειδίου είναι πολύ χαλαρό, χάνει τα αρχικά χαρακτηριστικά του χάλυβα και πέφτει εύκολα. Προκειμένου να βελτιωθεί η αντίσταση στην οξείδωση σε υψηλή θερμοκρασία του χάλυβα, προστίθενται στοιχεία κράματος στον χάλυβα για αλλαγή της δομής του οξειδίου. Τα στοιχεία κραμάτων που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι το χρώμιο, το νικέλιο, το χρώμιο, το πυρίτιο, το αλουμίνιο και ούτω καθεξής. Η αντοχή στην οξείδωση σε υψηλή θερμοκρασία του χάλυβα σχετίζεται μόνο με τη χημική σύνθεση.

Η αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία αναφέρεται στην ικανότητα του χάλυβα να διατηρεί μηχανικά φορτία για μεγάλο χρονικό διάστημα σε υψηλές θερμοκρασίες. Υπάρχουν δύο κύριες επιδράσεις του χάλυβα υπό μηχανικό φορτίο σε υψηλή θερμοκρασία. Το ένα είναι το μαλακτικό, δηλαδή η αντοχή μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Το δεύτερο είναι ο ερπυσμός, δηλαδή, υπό τη δράση συνεχούς τάσης, η ποσότητα της πλαστικής παραμόρφωσης αυξάνεται αργά με το χρόνο. Η πλαστική παραμόρφωση του χάλυβα σε υψηλή θερμοκρασία προκαλείται από την ενδοκοκκώδη ολίσθηση και την ολίσθηση των ορίων των κόκκων. Για τη βελτίωση της αντοχής του χάλυβα σε υψηλή θερμοκρασία, χρησιμοποιούνται συνήθως μέθοδοι κράματος. Δηλαδή, στοιχεία κράματος προστίθενται στον χάλυβα για να βελτιώσουν τη δύναμη σύνδεσης μεταξύ των ατόμων και να σχηματίσουν μια ευνοϊκή δομή. Η προσθήκη χρωμίου, μολυβδαινίου, βολφραμίου, βαναδίου, τιτανίου κ.λπ., μπορεί να ενισχύσει τη μήτρα του χάλυβα, να αυξήσει τη θερμοκρασία ανακρυστάλλωσης και μπορεί επίσης να σχηματίσει καρβίδια φάσης ενίσχυσης ή διαμεταλλικές ενώσεις, όπως Cr23C6, VC, TiC κ.λπ. Αυτές οι φάσεις ενίσχυσης είναι σταθερά σε υψηλές θερμοκρασίες, δεν διαλύονται, δεν συσσωματώνονται για να αναπτυχθούν και διατηρούν τη σκληρότητά τους. Νικέλιο προστίθεται κυρίως για να ληφθείωστενίτης. Τα άτομα στον ωστενίτη είναι διατεταγμένα πιο σφιχτά από τον φερρίτη, η δύναμη σύνδεσης μεταξύ των ατόμων είναι ισχυρότερη και η διάχυση των ατόμων είναι πιο δύσκολη. Επομένως, η αντοχή του ωστενίτη σε υψηλή θερμοκρασία είναι καλύτερη. Μπορεί να φανεί ότι η αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία του ανθεκτικού στη θερμότητα χάλυβα δεν σχετίζεται μόνο με τη χημική σύνθεση, αλλά και με τη μικροδομή.

Ανθεκτικό στη θερμότητα σε υψηλό κράμαχυτά χάλυβαχρησιμοποιούνται ευρέως σε περιπτώσεις όπου η θερμοκρασία εργασίας υπερβαίνει τους 650℃. Τα ανθεκτικά στη θερμότητα χύτευση χάλυβα αναφέρονται σε χάλυβες που λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες. Η ανάπτυξη ανθεκτικών στη θερμότητα χυτών χάλυβα σχετίζεται στενά με την τεχνολογική πρόοδο διαφόρων βιομηχανικών τομέων όπως οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας, οι λέβητες, οι αεριοστρόβιλοι, οι κινητήρες εσωτερικής καύσης και οι αεροκινητήρες. Λόγω των διαφορετικών θερμοκρασιών και τάσεων που χρησιμοποιούνται από διάφορα μηχανήματα και συσκευές, καθώς και διαφορετικά περιβάλλοντα, οι τύποι του χάλυβα που χρησιμοποιούνται είναι επίσης διαφορετικοί.

Πρότυπα για ανθεκτικό στη θερμότητα χυτό χάλυβα σε διάφορες χώρες
1) Κινεζικό πρότυπο
Το GB/T 8492-2002 "Τεχνικές συνθήκες για χύτευση από χάλυβα με αντοχή στη θερμότητα" καθορίζει τις ποιότητες και τις μηχανικές ιδιότητες σε θερμοκρασία δωματίου διάφορων χυτών χάλυβων ανθεκτικών στη θερμότητα.
2) Ευρωπαϊκό Πρότυπο
Τα πρότυπα θερμοανθεκτικού χυτού χάλυβα EN 10295-2002 περιλαμβάνουν ωστενιτικό ανθεκτικό στη θερμότητα ανοξείδωτο χάλυβα, φερριτικό ανθεκτικό στη θερμότητα ανοξείδωτο χάλυβα και ωστενιτικό-φερριτικό διπλό ανθεκτικό στη θερμότητα ανοξείδωτο χάλυβα, καθώς και κράματα με βάση το νικέλιο και κράματα με βάση το κοβάλτιο.
3) Αμερικανικά Πρότυπα
Η χημική σύνθεση που καθορίζεται στο ANSI/ASTM 297-2008 "General Industrial Iron-Chromium, Iron-Chromium-Nickel Heat-resistant Steel Castings" είναι η βάση για αποδοχή και η δοκιμή μηχανικής απόδοσης πραγματοποιείται μόνο όταν το ζητήσει ο αγοραστής στο την ώρα της παραγγελίας. Άλλα αμερικανικά πρότυπα που αφορούν ανθεκτικό στη θερμότητα χυτό χάλυβα περιλαμβάνουν τα ASTM A447/A447M-2003 και ASTM A560/560M-2005.
4) Γερμανικό Πρότυπο
Στο DIN 17465 "Τεχνικές συνθήκες για χύτευση από χάλυβα ανθεκτικό στη θερμότητα", η χημική σύνθεση, οι μηχανικές ιδιότητες σε θερμοκρασία δωματίου και οι μηχανικές ιδιότητες υψηλής θερμοκρασίας διαφόρων κατηγοριών χυτού χάλυβα ανθεκτικού στη θερμότητα καθορίζονται ξεχωριστά.
5) Ιαπωνικό πρότυπο
Οι βαθμοί στο JISG5122-2003 "Heat-resistant Steel Castings" είναι βασικά οι ίδιοι με το American Standard ASTM.
6) Ρωσικό πρότυπο
Στο GOST 977-1988 καθορίζονται 19 ποιότητες χυτού χάλυβα ανθεκτικού στη θερμότητα, συμπεριλαμβανομένων των θερμοανθεκτικών χάλυβων μεσαίου χρωμίου και υψηλού χρωμίου.

Η επίδραση της χημικής σύνθεσης στη διάρκεια ζωής του ανθεκτικού στη θερμότητα χάλυβα
Υπάρχει μεγάλη ποικιλία χημικών στοιχείων που μπορούν να επηρεάσουν τη διάρκεια ζωής του ανθεκτικού στη θερμότητα χάλυβα. Αυτά τα αποτελέσματα εκδηλώνονται με την ενίσχυση της σταθερότητας της δομής, την πρόληψη της οξείδωσης, το σχηματισμό και τη σταθεροποίηση του ωστενίτη και την πρόληψη της διάβρωσης. Για παράδειγμα, τα στοιχεία σπάνιων γαιών, τα οποία είναι ιχνοστοιχεία σε ανθεκτικό στη θερμότητα χάλυβα, μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την αντίσταση στην οξείδωση του χάλυβα και να αλλάξουν τη θερμοπλαστικότητα. Τα βασικά υλικά του ανθεκτικού στη θερμότητα χάλυβα και των κραμάτων επιλέγουν γενικά μέταλλα και κράματα με σχετικά υψηλό σημείο τήξης, υψηλή ενέργεια ενεργοποίησης αυτοδιάχυσης ή χαμηλή ενέργεια σφάλματος στοίβαξης. Διάφοροι ανθεκτικοί στη θερμότητα χάλυβες και κράματα υψηλής θερμοκρασίας έχουν πολύ υψηλές απαιτήσεις στη διαδικασία τήξης, επειδή η παρουσία εγκλεισμάτων ή ορισμένων μεταλλουργικών ελαττωμάτων στον χάλυβα θα μειώσει το όριο αντοχής του υλικού.

Η επίδραση της προηγμένης τεχνολογίας όπως η επεξεργασία διαλύματος στη διάρκεια ζωής του ανθεκτικού στη θερμότητα χάλυβα
Για τα μεταλλικά υλικά, η χρήση διαφορετικών διαδικασιών θερμικής επεξεργασίας θα επηρεάσει τη δομή και το μέγεθος των κόκκων, μεταβάλλοντας έτσι τον βαθμό δυσκολίας της θερμικής ενεργοποίησης. Στην ανάλυση της αστοχίας χύτευσης, υπάρχουν πολλοί παράγοντες που οδηγούν στην αστοχία, κυρίως η θερμική κόπωση οδηγεί σε έναρξη και ανάπτυξη ρωγμών. Αντίστοιχα, υπάρχει μια σειρά παραγόντων που επηρεάζουν την έναρξη και τη διάδοση των ρωγμών. Μεταξύ αυτών, η περιεκτικότητα σε θείο είναι εξαιρετικά σημαντική επειδή οι ρωγμές αναπτύσσονται κυρίως κατά μήκος των θειούχων. Η περιεκτικότητα σε θείο επηρεάζεται από την ποιότητα των πρώτων υλών και την τήξη τους. Για τα χυτά που λειτουργούν υπό προστατευτική ατμόσφαιρα υδρογόνου, εάν το υδρόθειο περιέχεται στο υδρογόνο, τα χυτά θα θειωθούν. Δεύτερον, η επάρκεια της επεξεργασίας του διαλύματος θα επηρεάσει την αντοχή και τη σκληρότητα της χύτευσης.