Si – silicio (silicio) legiruojantis priedas prie plieno

Silicio įtaka spyruoklinio plieno, karščiui atsparaus plieno ir kitų savybių

Silicio atradimas ir jo svarba metalurgijoje

Silicį kaip cheminį elementą 1823 m. atrado Jönsas Jakobas Berzeliusas, kuris inicijavo jo vėlesnį naudojimą metalurgijoje. Nors iš pradžių jo vaidmuo buvo nepakankamai įvertintas, dinamiška plieno pramonės plėtra XIX amžiuje leido išsamiau suprasti silicio įtaką plieno savybėms. Svarbus lūžio taškas buvo atradimas, kad silicis pagerina stiprumą ir atsparumą korozijai, o tai leido jį plačiai naudoti įvairiose pramonės šakose.

Silicio fizikinės ir cheminės savybės

Cheminė charakteristika

• Silicis yra pusmetalis ir turi deimanto kristalinę struktūrą.
• Normaliomis sąlygomis jis yra atsparus deguoniui dėl SiO₂ pasyvavimo sluoksnio.
• Nereaguoja su vandeniu ir dauguma rūgščių (išskyrus HF, kur sudaro lakųjį SiF₄).
• Reaguoja su bazėmis, sudarydamas silikatus.
• Svarbus legiruojantis priedas plienuose – pagerina grūdinamumą, atsparumą šliaužimui, veikia kaip feritinės struktūros deoksidantas ir stabilizatorius.
• Elektronikoje tai yra pagrindinis puslaidininkis – mikroprocesorių, fotovoltinių elementų ir jutiklių pagrindas.

Ankstyvas silicio naudojimas metalurgijoje

XIX amžiaus pirmoje pusėje silicis pradėtas naudoti daugiausia kaip deoksidatorius metalurgijos procesuose. Jo gebėjimas surišti deguonį ir sudaryti šlakus leido pašalinti nepageidaujamus intarpus iš išlydyto plieno, pagerinti jo homogeniškumą, pašalinti poringumą ir padidinti struktūrinį grynumą. Laikui bėgant buvo pripažinta, kad didesnis silicio kiekis turi įtakos plieno mechaninėms savybėms, todėl šis elementas buvo sąmoningai pridedamas kaip legiruojantis komponentas.

Silicio tirpumas geležies struktūrose yra įvairus. Γ-geležyje ( austenite ) jo ištirpsta iki 2 % , tačiau esant 0,35 % anglies, jo tirpumas padidėja iki 9 %. α-geležyje ( ferite ) silicio tirpumas pasiekia iki 18,5 % , todėl jis yra itin svarbus plienams, veikiamiems didelių mechaninių ir terminių apkrovų.

Silicio įtaka plieno savybėms

Silicis daro didelę įtaką plieno mikrostruktūrai ir funkcinėms savybėms. Jo buvimas sukelia:

• Padidėjęs kietumas ir tempiamasis stipris – silicis sumažina plieno konstrukcijos defektų skaičių ir pagerina jos homogeniškumą.
• Padidėjęs elastingumas – svarbus spyruokliniams ir konstrukciniams plienams.
• Pagerintas atsparumas dujų korozijai ir oksidacijai – raktas į karščiui ir rūgštims atsparius plienus.
• Smūgio stiprumo sumažėjimas – didelis silicio kiekis gali padaryti plieną trapesnį, todėl reikia kontroliuoti jo kiekį lydinio sudėtyje.

Iki 0,4 % silicio laikoma natūralia plieno deoksidacijos proceso liekana. Tačiau esant didesniam jo kiekiui, jis tampa pagrindiniu legiruojančiu elementu, lemiančiu įvairių plieno rūšių eksploatacinius parametrus.

Silicis spyruokliniuose plienuose

Spyruokliniuose plienuose silicis jungiamas su chromu, vanadžiu arba manganu. Šis elementų derinys pagerina atsparumą nuovargiui , o tai yra labai svarbu komponentams, kuriems tenka pakartotinė dinaminė apkrova. Šie plienai naudojami:

• Automobiliai – pakabos spyruoklės, amortizatoriai, stabilizatoriai.
• Mašinų pramonė – elementai, veikiami ciklinių apkrovų.
• Aviacija – orlaivių komponentai, kuriems reikalingas didelis elastingumas ir atsparumas įtrūkimams.

Silicis karščiui atspariuose plienuose

Dėl savo gebėjimo sudaryti stabilų oksido sluoksnį lydinio paviršiuje, silicis padidina plieno atsparumą oksidacijai aukštoje temperatūroje. Karščiui atspariuose plienuose jis dažnai naudojamas kartu su chromu, molibdenu ir aliuminiu , užtikrinant išskirtinį struktūrinį stabilumą 900–1100 °C temperatūroje . Šie plienai naudojami tokiose srityse kaip:

• Katilai ir garo turbinos – komponentai, veikiami karštų dujų.
• Pramoninės krosnys – grotelės, pakuros, termoizoliacinės dangos.
• Išmetimo sistemos ir variklio vožtuvai – kur svarbus atsparumas oksidacijai ir dujinės sieros korozijai.

Silicis specializuotuose plienuose

Degimo varikliuose naudojamuose vožtuvų plienuose silicio kiekis siekia 3 % , o tai pagerina atsparumą aukštai temperatūrai ir agresyviam išmetamųjų dujų poveikiui.

Geležies lydiniai su 12–18 % silicio pasižymi išskirtiniu atsparumu sieros ir azoto rūgštims , todėl jie yra nepakeičiami chemijos pramonėje. Tokie plienai naudojami:

• Rezervuarai agresyviems chemikalams laikyti.
• Pramoniniai vamzdynai atsparus rūgštinei korozijai.
• Cheminiai aparatai, kur reikalingas didelis atsparumas rūgštinei aplinkai.

Silicis, kietumas ir plastiko apdirbimas

Silicio priedas turi įtakos plieno grūdinamumui, ypač kai jis derinamas su karbidus formuojančiais elementais, tokiais kaip manganas, chromas arba molibdenas . Plienas su dideliu silicio kiekiu pasižymi geresniu atsparumu dilimui ir mažesniais energijos nuostoliais eksploatavimo procesų metu.

Tačiau per didelis silicio kiekis gali pakenkti šaltajam apdirbimui , todėl jo naudojimas konstrukciniuose plienuose gali būti apribotas iki 4–7 % . Viršijus šią vertę, plieną sunku formuoti ir apdirbti.

Magnetiniai plienai – pagrindinis silicio panaudojimo būdas

Vienas svarbiausių silicio panaudojimo plienuose sričių yra jo vaidmuo elektrotechniniuose plienuose. 1–3 % silicio kiekis žymiai sumažina histerezės nuostolius , pagerindamas transformatorių, generatorių ir elektros variklių efektyvumą.

Silicio savybės magnetiniuose plienuose:

• Padidina elektrinę varžą, sumažinant sūkurinių srovių nuostolius.
• Pagerina magnetinį pralaidumą, o tai leidžia pagerinti transformatorių šerdžių našumą.
• Sumažina magnetostrikciją, kuris sumažina elektros prietaisų keliamą triukšmą.

Dėl šių savybių silicio plienai plačiai naudojami energetikos pramonėje ir elektros įrangos gamyboje.

Silicis, universalus legiruojantis elementas, atlieka pagrindinį vaidmenį gaminant plieną, pasižymintį įvairiomis savybėmis. Jo įtaka kietumui, atsparumui korozijai ir atsparumui temperatūrai leidžia kurti specializuotus lydinius, tokius kaip:

Spyruokliniai plienai – padidėjęs stiprumas ir elastingumas.

50HS – spyruoklinis plienas su padidintu silicio ir mangano kiekiu, pasižymintis dideliu elastingumu ir atsparumu nuovargiui. Naudojamas spyruoklių, pakabos spyruoklių ir amortizatorių gamyboje.

C67S – anglinis spyruoklinis plienas, kuriame yra maždaug 0,67 % anglies, pasižymintis geru grūdinamumu ir dideliu atsparumu dilimui. Naudojamas spyruoklių, spyruoklių juostų ir padidinto kietumo įrankių gamyboje.

C75S – spyruoklinis plienas, kuriame yra maždaug 0,75 % anglies, pasižymintis dideliu mechaniniu stiprumu ir geru elastingumu. Naudojamas techninių spyruoklių, rankinių įrankių ir peilių gamyboje.

C85S – didelio anglies kiekio plienas (apie 0,85 % C), pasižymintis dideliu kietumu po grūdinimo ir puikiu atsparumu dilimui. Naudojamas peilių, spyruoklių, ašmenų ir įrankių, kuriems reikalingas didelis mechaninis stiprumas, gamybai.

C100S – spyruoklinis plienas su labai dideliu anglies kiekiu (apie 1,00 % C), pasižymintis didžiausiu kietumu ir atsparumu dilimui. Naudojamas tikslių spyruoklių, įrankių peilių ir ypatingo kietumo reikalaujančių komponentų gamyboje.

Karščiui atsparūs plienai - atsparumas oksidacijai aukštoje temperatūroje.

H13JS – karščiui atsparus feritinis plienas, kuriame yra apie 13 % Cr ir silicio priedas, kuris pagerina atsparumą oksidacijai ir agresyvioms dujoms. Naudojamas šilumokaičiuose, krosnyse ir krosnių komponentuose, veikiančiuose aukštoje temperatūroje.

H18JS – karščiui atsparus plienas, kuriame yra maždaug 18 % Cr ir silicio priedas, kuris padidina apsauginio oksido sluoksnio stabilumą. Jis pasižymi dideliu atsparumu oksidacijai ir dujų korozijai, todėl tinka naudoti pramoninėse krosnyse, išmetimo ortakiuose ir chemijos įrangoje.

H24JS – karščiui atsparus plienas, kuriame yra daug chromo (apie 24 % Cr) ir daug silicio, todėl padidėja atsparumas oksiduojančiai ir sieringai atmosferai. Naudojamas aukštos temperatūros įrenginiuose metalurgijos ir energetikos pramonėje.

1.4828 – karščiui atsparus austenitinis plienas (apie 19 % Cr, 11 % Ni) su pridėtu siliciu, kuris pagerina atsparumą oksidacijai iki 1000 °C ir konstrukcijos stabilumą aukštoje temperatūroje. Naudojamas išmetimo sistemose, dujų degikliuose ir pramoninių krosnių komponentuose.

1.4841 – austenitinis karščiui atsparus plienas (apie 25 % Cr, 20 % Ni) su silicio priedu, kuris padidina atsparumą oksidacijai ir dujų korozijai iki 1100 °C. Naudojamas turbinose, pramoniniuose katiluose, šildymo sistemose ir aukštakrosnėse, kur reikalingas didelis stabilumas ekstremaliomis temperatūros sąlygomis.

Vožtuvų plienai – atsparumas aukštai temperatūrai vidaus degimo varikliuose.

H9S2 – karščiui atsparus feritinis plienas, kuriame yra maždaug 9 % Cr ir 2 % Si, o silicis pagerina atsparumą oksidacijai ir dujų korozijai aukštoje temperatūroje. Naudojamas krosnių komponentuose, šilumokaičiuose ir įrenginiuose, veikiančiuose aukštoje temperatūroje.

H10S2M – karščiui atsparus feritinis plienas, kuriame yra maždaug 10 % Cr, 2 % Si ir molibdeno priedas, kuris padidina atsparumą korozijai sieringoje atmosferoje. Dėl silicio buvimo jis pasižymi dideliu stabilumu iki 1000 °C temperatūroje. Naudojamas energetikos ir chemijos pramonėje.

Magnetiniai plienai – energijos nuostolių elektros prietaisuose optimizavimas.

Dėl nuolatinių silicio poveikio plienui tyrimų galime tikėtis tolesnio naujų, dar pažangesnių metalurgijos technologijų kūrimo.