Stalnierdzewna.com - Największa w Polsce strona informacyjna o stali nierdzewnej

Żaroodporność – to odporność na działanie czynników chemicznych, głównie powietrza oraz spalin a także ich agresywnych składników w temperaturze wyższej niż 600 [C].

Żarowytrzymałość – to odporność na odkształcenie - z czym wiąże się zdolność do wytrzymywania obciążeń mechanicznych w wysokiej temperaturze tj. powyżej 600 [C].

Żarowytrzymałość w tej temperaturze jest uzależniona głównie od odporności na pełzanie. Dużą żarowytrzymałość wykazują więc stale o strukturze austenitycznej ze względu na mniejsze współczynniki dyfuzji niż w ferrycie o znacznej wielkości ziarn i z dyspersyjnymi wydzieleniami faz, głównie na granicach ziarn.

Stale żaroodporne

Stal żaroodporna – jest to stal odporna na działanie wysokich temperatur i najczęściej pracująca okresowo.

Żaroodporność stali rozumie się tu jako jej odporność na korozyjne działanie gorących gazów o temperaturze powyżej 600 [°C]. Głównymi składnikami stopowymi stali żaroodpornych są chrom, krzem i glin.

Czasami ze względów technologicznych jak np. spawalność - do stali tych dodaje się także nikiel. Stąd stale te posiadają najczęściej strukturę, ferrytyczną, a w przypadku występowania niklu mogą wykazywać strukturą ferrytyczno - austenityczną.

Żarowytrzymałość uzyskuje się poprzez następujące zawartości dodatków:

• chromu: 5 - 30 [%],
• niklu: 4 - 30 [%]
• molibdenu: 0,5 - 1,0 [%],
• wolframu: do 2 [%].

Wysoka zawartość dodatków stopowych pozwala uzyskać strukturę austenityczną w normalnych warunkach. Górna granica żaroodporności wynosi w granicach 800 - 1200 [°C] w zależności od składu stali. Polska Norma PN-XX/H-86022 podaje szereg stali żaroodpornych i żarowytrzymałych. Przykład H5M, H6S2, 2H17, H13JS, H25N20S2.

Ze stali żaroodpornych i żarowytrzymałych wykonuje się między innymi elementy pieców, wentylatory do gorących gazów, skrzynki do nawęglania oraz zawory silników spalinowych.

Stale przeznaczone do pracy w podwyższonych temperaturach - powinny się odznaczać odpornością na korozyjne działania gazów, zwłaszcza utleniających, czyli powinny być żaroodporne. Od stali tych wymaga się również, aby były żarowytrzymałe tj. aby wykazywały znacznie wyższe własności wytrzymałościowe w wysokich temperaturach w porównaniu z innymi stalami.

Szybkość utleniania żelaza i stali niskostopowych wzrasta gwałtownie powyżej ok. 560 [°C] na skutek tworzenia się tlenku FeO, który umożliwia szybką dyfuzję tlenu do żelaza i dalsze jego utlenianie.
Podstawowymi pierwiastkami stopowymi, które chronią stal przed utlenianiem są: Cr, Al i Si. Pierwiastki te mają większe powinowactwo do tlenu aniżeli żelazo i tworzą szczelne warstewki tlenków Cr2O3, Al2O3 SiO2, które utrudniają dyfuzję tlenu w głąb metalu. Im wyższa temperatura pracy danego elementu, tym większa jest potrzebna zawartość pierwiastka stopowego dla zapewnienia żaroodporności.

Wpływ na żaroodporność ma również struktura stali. Przy tej samej zawartości chromu stale austenityczne są nieco bardziej żaroodporne niż stale ferrytyczne.

Wzrost żarowytrzymałości, która jest związany przede wszystkim z wysoką odpornością na pełzanie, powodują dodatki stopowe podwyższające temperaturę topnienia i rekrystalizacji stali, a więc: Mo, W, C, Co, Ti, Cr, Si.
Również bardziej korzystna jest struktura austenityczna stali, co wynika z wyższej temperatury rekrystalizacji austenitu. Ponadto na podwyższenie żarowytrzymałości znacznie wpływa wzrost wielkości ziarna i wydzielanie faz o dużej dyspersji – tzw. utwardzanie dyspersyjne.

Ze względu na zastosowanie i strukturę wśród stali przeznaczonych do pracy w podwyższonych temperaturach można wyróżnić kilka grup.

Stale żarowytrzymałe

Stale żarowytrzymałe stosowane do budowy kotłów i turbin parowych są to na ogół stale ulepszane cieplnie, które po chłodzeniu na powietrzu mogą mieć strukturę:

• ferrytyczno - perlityczną,
• perlityczno - bainityczną,
• martenzytyczną,
• martenzytyczno - ferrytyczną.

W większości są to stale niskostopowe (z wyjątkiem martenzytycznych, które zawierają ok. 12 [%] Cr) o małej i średniej zawartości węgla tj. 0,10 - 0,35 [%].

Po ulepszaniu cieplnym, które kończy się wysokim odpuszczaniem struktura większości tych stali składa się z ferrytu i węglików stopowych.

Polska norma PN-75/H-84024 obejmuje 26 gatunków stali stopowych przeznaczonych do pracy w podwyższonych temperaturach, stosowanych w budowie kotłów parowych i wodnych, zbiorników ciśnieniowych, turbin, rurociągów pary i wody oraz innych urządzeń energetycznych. Stale te mają następujące oznaczenia, z których wynika ich orientacyjny skład chemiczny, przykład: 19G2, 16M, 20M, 15H12WMF, 20H12M1F. Dobre własności mechaniczne w podwyższonych temperaturach uzyskuje się przede wszystkim dzięki zawartości molibdenu i wanadu, a także utwardzaniu wydzieleniowemu węglikami.

Temperatura długotrwałej pracy tych stali wynosi, zależnie od gatunku w okolicach 400 - 600 [°C].

Górna granica ich zastosowania nie może przekraczać 600 [°C], ponieważ powyżej tej temperatury szybkość dyfuzji węgla i pierwiastków stopowych wzrasta, następuje koagulacja węglików i zanik utwardzenia, co powoduje obniżenie naprężeń wywołujących odkształcenia plastyczne, i wzrost szybkości pełzania. Ponadto temperatura 600 [°C] jest dla tych stali (z wyjątkiem wysokochromowych) krytyczna ze względu na gwałtowny wzrost szybkości utleniania.
Z tego względu do pracy w wyższych temperaturach lub w warunkach powodujących intensywną korozję gazową stosuje się stale wysokostopowe ferrytyczne dużej zawartości chromu lub austenityczne chromowo - niklowe, wykazujące wyższą odporność na utlenianie.

Stale wysokochromowe ferrytyczne - stale te charakteryzują się wysoką żaroodpornością, którą zapewnia duża zawartość chromu oraz dodatki Al i Si.

Natomiast żarowytrzymałość tych stali jest stosunkowo niska i z tego względu są one stosowane na nisko obciążone elementy pracujące w wysokich temperaturach, jak np. części żaroodporne kotłów parowych, pojemniki do wyżarzania, szyny, kołpaki i rury do pieców przemysłowych, części aparatury do destylacji siarki, części gazogeneratorów.

Stale austenityczne chromowo – niklowe - odznaczają się również wysoką żaroodpornością jak stale ferrytyczne wysokochromowe, natomiast są bardziej żarowytrzymałe i dlatego mogą być stosowane na części obciążone mechanicznie, pracujące w wysokich temperaturach.

Wysoką odporność na utlenianie zapewnia znaczna zawartość chromu tj. 16 ÷ 26 [%] i dodatek krzemu w granicach 1 - 2,5 [%]. Na żaroodporność wpływa dodatnio także nikiel, który nadaje stali strukturę austenityczną. Obróbka cieplna stali austenitycznych polega na przesycaniu od temperatur 1050 ÷ 1150 [°C] w wodzie lub w powietrzu. Stale o większej zawartości niklu 20 – 36 [%] są stosowane na części aparatury i urządzeń pracujących pod bardzo silnym obciążeniem mechanicznym w wysokich temperaturach.

Stale zaworowe

Stale zaworowe - należą do grupy stali żarowytrzymałych z przeznaczeniem na zawory wylotowe silników spalinowych.