Перлит представляет собой минерал, который может быть охарактеризован наличием небольших концентрических образований, формирующих конструкцию, известную как перлитовая структура. Эта структура завершается круглым ядром, наподобие жемчуга, что создает визуальный эффект, отражающий свет по типу жемчужного блеска.
Перлитные типы стали и их применение
Перлитная сталь — это специфическая категория жаропрочных металлов, которая входит в класс низко- и среднелегированных сталей. Данный тип стали употребляется как строительный или инструментальный материал, что обусловлено его выдающимися механическими свойствами, способствующими его обработке после таких процессов, как отжиг или прокатка, на всех типах производственного оборудования.
Поскольку разнообразие марок перлитной стали весьма обширно, для потребителей крайне важно понимать, что именно представляют собой эти марки, а также какие качества им присущи. Кроме того, необходимо осознавать, как именно перлит влияет на функциональные характеристики и структуру стали. Поэтому обсуждение спектра применения этих сталей также является крайне важным.
Описание перлитной стали
Низколегированная перлитная сталь классифицируется как жаропрочная. Введение в состав сплава таких элементов, как хром и молибден, позволяет обеспечить возможность работы перлитных стальных изделий при температурах в диапазоне от +450 до +550 °C. При добавлении ванадия температурные пределы увеличиваются, позволяя использовать изделия при температурах до +600 °C.
Перлитные марки стали не только становятся более устойчивыми к высоким температурам за счет включения хрома, но также значительно улучшают свою коррозионную стойкость. Молибдена добавление в сплав предоставляет дополнительные преимущества, обеспечивая устойчивость к критическим температурным воздействиям.
Также ванадий имеет важное значение в качестве легирующего сплава. В сочетании с атомами углерода он образует высокодисперсные карбиды, которые повышают прочность материала, что в свою очередь позволяет использовать такой металл в более сложных и ответственных условиях.
Процесс оптимизации физических свойств стальных сплавов включает как нормализацию, так и закалку с последующим отжигом. Эти этапы обработки позволяют получить ферритно-перлитные марки с дисперсной карбидной структурой, которые обладают высокими эксплуатационными характеристиками.
Применяются перлитные марки стали в производстве:
- деталей, таких как шестерни, втулки крестовин, цилиндры и многие другие компоненты, которые работают под воздействием высоких температур, достигающих до +500 °C;
- звеньев трубопроводных систем, паронагревательного оборудования, коллекторов и прочих компонентов, которые функционируют в условиях высокой температуры и давления;
- частей оборудования, которые работают при температурах, превышающих +585 °C;
Для того чтобы полное раскрытие высоких эксплуатационных свойств перлитной стали произошло, необходимо провести процесс закалки в масле. После завершения закалки сталь должна быть дополнительно обработана с соблюдением заданных параметров. Такая обработка создаёт условия для достижения максимальных значений прочности, износостойкости и твердости.
Производство перлитной стали
Создание различных типов перлитной стали представляет собой сложный и многогранный процесс. Процесс формирования жемчужин в структуре легированной стали может вызывать трудности, даже если все параметры термообработки строго соблюдаются. Это связано с тем, что в процессе участвуют все легирующие добавки сплава, что затрудняет получение желаемой эвтектоидной структуры.
Распределение легирующих и других элементов в различных структурных зонах сплава не всегда оказывается равномерным. Избыток хрома, к примеру, может оказать негативное влияние на воображаемую структуру. Тем не менее, добавление дополнительных легирующих элементов необходимо для повышения как физических, так и химических характеристик металла. Включение никеля положительно сказывается на его свариваемости, тогда как добавление титана помогает увеличить и прочность, и эластичность стали.
Производственный процесс включает плавление шихты, покой расплавленной ванны и окислительные процессы, что позволяет направленно контролировать механические свойства перлитной стали. Гранулированный отжиг перлитной стали можно использовать как в эвтектоидных, так и в неэвтектоидных сплавах.
Отжиг включает следующие ключевые стадии:
- нагрев с выходом на точку отжига, который может быть полным или частичным;
- выдержка для достижения равномерного прогрева;
- медленное охлаждение металла после завершения фазового перехода.
Время, необходимое для каждого из этапов, определяется в зависимости от специфических требований производственного процесса.
Состав и свойства перлита
Перлит может формироваться из железа (Fe) в количестве от 93% до 99% и углерода (C) в пределах от 1% до 7%. Однако состав сплава, как правило, всегда остается идентичным и содержит примерно 14,3% цементита и 85,7% феррита, в то время как другие элементы могут вводиться как искусственно, так и естественным образом.
Феррит представляет собой чистое железо, содержащие очень небольшое количество углерода, около 0,006%. В то же время цементит, также известный как карбид железа, является стабильным соединением, образованным сочетанием Fe и C с регулярной металлической решеткой, в которой атомы железа частично заменены атомами углерода.
Свойства как феррита, так и цементита зависят от формы, размера и количества образовавшихся кристаллов, которые выявляются при охлаждении. Хрупкий и зернистый феррит совместно с твердым цементитом формируют материал с высокой прочностью, который также является обрабатываемым и кованым.
В результате ковки в изделиях могут возникать внутренние напряжения, в частности, они могут состоять из мартенсита — плотной и твердой структуры, которая формируется после закалки и быстрого охлаждения. Эти внутренние напряжения могут быть устранены путем закалки при температуре 500-600 °C.
Содержание углерода в перлите постоянно и составляет 0,8%, а его состав не меняется, пока температура не поднимется выше 723 °C. Качества и характеристики стали варьируются в зависимости от кристаллических форм цементита, что влияет на их эксплуатационные характеристики.
Гранулированный цементит, как правило, обладает свойствами, характерными для инструментальной стали, что делает его особенно привлекательным для применения в производстве режущих инструментов.
Пластинчатая структура перлита следует получать через медленное охлаждение в печи, тогда как зернистую структуру достигают с помощью быстрого охлаждения, например, в воде.
Описание перлитных сталей
Когда свойства перлитных сталей не изменяются из-за влияния других химических элементов, они классифицируются как углеродистые стали. Наличие особой группы неметаллических элементов делает их легированными сталями.
Некоторые элементы, такие как кремний, хром и другие, могут значительно улучшить характеристики легированных сталей, тогда как другие, такие как фосфор, могут отрицательно сказываться на их прочности, увеличивая хрупкость и замещая атомы углерода.
Низколегированная сталь, перлитный класс
Стали различаются по количеству легирующих элементов, причем высоко-, средне- и низколегированные стали отличаются по количеству содержащихся в них легирующих компонентов. Перлитный класс представляет собой низколегированную сталь, которая содержит минимальное количество легирующих элементов. Поскольку такая сталь легко сочетается с неметаллами, она является весьма популярной из-за своей низкой себестоимости и высоких механических свойств, а также благодаря своим возможностям модернизации.
Эта сталь включает в себя небольшое количество углерода, около 0,2-0,35%, и примесей в соотношении 3-4%, но не более 5%. Классическим примером перлитной стали является арматура.
Влияние примесей
Углерод (C), как известно, не является легирующим элементом, к которым относятся:
- кремний и никель, которые способствуют повышению устойчивости перлита к ударам;
- вольфрам, значительно увеличивающий жаростойкость стали;
- молибден, обеспечивающий целостность перлитной структуры при температурных значениях, превышающих критические;
- ванадий, который равномерно распределяет структуру по всей заготовке;
- ниобий и хром, способствующие повышению прочности деталей;
- титан, который увеличивает характерные свойства износостойкости;
- марганец, который помогает в нейтрализации серы.
Свойства данной категории сталей не являются особенно выраженными, и жаропрочность сталей с высоким содержанием легирующих элементов значительно превосходит жаропрочность низколегированных аналогов, что также влияет на их стоимость.
Применение перлита
Белая окраска перлита может затруднить диагностику наличия почвенных вредителей, в том числе корневых насекомых, мучнистых клопов и личинок грибков. Значение pH перлита остается нейтральным. Однако если растение растет в чистом перлите и затем поливается жесткой водой, уровень pH может сдвинуться в сторону щелочной реакции, что, в свою очередь, может подавлять рост растения и мешать его способности к усвоению питательных веществ.
Поскольку перлит обладает положительным зарядом, он не может удерживать положительные ионы удобрений, а также не участвует в ионном обмене, что может снижать эффективность усвоения растений необходимых им веществ.
Перлит часто комбинируется с вермикулитом, фрагментами кирпича, мелким керамзитом, фрагментами полистирола и песком. Последние два ингредиента обеспечивают субстрату пористость и хрупкость, однако не способны удерживать воду на длительный срок.
Недостатки
Перлит чаще всего используется в сочетании с вермикулитом по причине своих уникальных свойств. Преимущества перлита перед вермикулитом заключаются в эффективном капиллярном распределении влаги, что облегчает процесс полива растений и позволяет осуществлять более быструю пересушку между поливами.
В то же время, вермикулит обладает своими преимуществами: он демонстрирует меньшую усадку при измельчении (что приводит к меньшей коагуляции), обладает меньшим эффектом полировки (что позволяет предотвратить механические повреждения корней), а также имеет низкую гигроскопичность и может участвовать в обмене ионов с питательными растворами.
Основная часть производимого перлита находит применение в производстве керамзитового перлита, который используется в ряде промышленных секторов и в сельском хозяйстве.
Благодаря своим уникальным характеристикам, таким как негорючесть, низкая теплопроводность и малый вес, вспененный перлит широко эксплуатируется для создания звукопоглощающих и теплоизоляционных материалов в строительной отрасли.
В зависимости от своей категории, керамзитовый песок находит применение в производстве легких бетонов и растворов различных назначений, керамических и асфальтоперлитовых изделий, перлитовых элементов на основе синтетических вяжущих, гипсовых и силикатных перлитовых материалов, гипсового раствора, а также широкого спектра изоляционных материалов.
- Вспученный перлит также используется для изоляции тепловых агрегатов в криогенном оборудовании, металлургии и других отраслях промышленности.
- Особенно мелкая фракция расширенного перлита (фильтрующий перлит) находит широкое применение для фильтрации суспензий в таких отраслях, как пищевая, нефтехимическая, химическая, медицинская и многих других.
Процесс расширения перлита определяется наличием в природном перлите от 2% до 6% концентрированной воды. Когда этот минерал быстро нагревается до температуры выше 870 °C, происходит вспенивание, похожее на процесс приготовления попкорна, так как связанная вода испаряется, образуя миллионы микроскопических пузырьков в мягком стекле. Эти пузырьки, которые имеют структуру, схожую с стеклом, и являются причиной удивительно низкого веса и многочисленных превосходных физических свойств керамзитового перлита.
