Stale wysokostopowe do pracy przy podwyższonych temperaturach

Stale wysokostopowe do pracy przy podwyższonych temperaturach stanowią grupę stali specjalnych przeznaczonych do wykonywania elementów, które podczas eksploatacji są długotrwale narażone na działanie podwyższonej temperatury oraz obciążeń mechanicznych. Stosuje się je przede wszystkim w energetyce, budowie turbin i urządzeń cieplnych, m.in. na łopatki i elementy turbin parowych, części wirników, odkuwki, śruby, elementy mocujące oraz inne odpowiedzialne części pracujące w temperaturach dochodzących w zależności od gatunku i warunków eksploatacji do około 550–600°C.
Podstawowym zadaniem tych stali jest zachowanie odpowiednich właściwości mechanicznych podczas długotrwałej pracy w temperaturze, w której typowe stale konstrukcyjne zaczynają wyraźnie tracić wytrzymałość. Istotne znaczenie mają przede wszystkim wytrzymałość na pełzanie, odporność na relaksację naprężeń, stabilność mikrostruktury oraz odporność na utlenianie w temperaturze eksploatacji.

Skład i właściwości stali wysokostopowych do pracy w podwyższonej temperaturze

Charakterystycznym składnikiem omawianych gatunków jest chrom. W stalach 15H11MF, 15H12WMF, 20H12M1F i 23H12MNF jego zawartość wynosi w przybliżeniu 11–13%. Chrom zwiększa odporność na utlenianie i korozję wysokotemperaturową oraz wpływa na hartowność i właściwości mechaniczne stali.
Oprócz chromu stosowane są dodatki molibdenu, wanadu, wolframu i niklu. Ich odpowiednio dobrana zawartość pozwala uzyskać mikrostrukturę zapewniającą wysoką wytrzymałość w temperaturze eksploatacji.
Molibden zwiększa odporność na pełzanie i poprawia zachowanie właściwości wytrzymałościowych podczas długotrwałej pracy w wysokiej temperaturze. Wanad sprzyja tworzeniu trwałych wydzieleń węglikowych i azotkowych, ogranicza rozrost ziarna oraz zwiększa odporność na odpuszczanie. Wolfram, podobnie jak molibden, zwiększa stabilność struktury i wytrzymałość w podwyższonej temperaturze. Nikiel wpływa m.in. na hartowność, ciągliwość oraz stabilność strukturalną wybranych gatunków.
Ważną rolę odgrywa również węgiel, ponieważ uczestniczy w tworzeniu węglików stopowych. Ich rodzaj, rozmieszczenie i stabilność mają bezpośredni wpływ na właściwości mechaniczne stali podczas długotrwałej eksploatacji.

Odporność na pełzanie – kluczowa właściwość stali do pracy w temperaturze

Jednym z najważniejszych kryteriów doboru materiału do elementów energetycznych jest odporność na pełzanie. Jest to powolne, postępujące odkształcanie materiału występujące podczas długotrwałego działania naprężenia w podwyższonej temperaturze.
Zjawisko to ma szczególne znaczenie w przypadku elementów turbin, instalacji energetycznych i urządzeń cieplnych, które mogą pracować przez tysiące lub dziesiątki tysięcy godzin. Materiał może więc ulegać stopniowemu odkształceniu mimo tego, że działające naprężenie jest niższe od jego krótkotrwałej granicy plastyczności.
Z tego względu przy projektowaniu takich elementów bierze się pod uwagę nie tylko typowe właściwości mechaniczne określane w temperaturze pokojowej, ale również charakterystyki długotrwałe, takie jak wytrzymałość na pełzanie i czasowa wytrzymałość na zerwanie.

Stal do pracy w podwyższonej temperaturze a stal żaroodporna i żarowytrzymała

Pojęcia te nie powinny być stosowane zamiennie. W przypadku stali do pracy przy podwyższonych temperaturach zasadnicze znaczenie ma zdolność do przenoszenia obciążeń mechanicznych przez długi czas w określonej temperaturze.
Stale żaroodporne i żarowytrzymałe stanowią szerszą grupę materiałów przeznaczonych do pracy w wysokiej temperaturze. Żaroodporność odnosi się przede wszystkim do odporności materiału na chemiczne oddziaływanie gorących gazów i utlenianie, natomiast żarowytrzymałość oznacza zdolność do zachowania odpowiednich właściwości mechanicznych podczas pracy w wysokiej temperaturze.
Dlatego przy doborze gatunku należy uwzględniać jednocześnie temperaturę pracy, czas ekspozycji, poziom naprężeń, charakter obciążenia oraz środowisko, w którym pracuje element.

Oznaczenia stali według dawnych polskich oznaczeń PN

W starszych polskich oznaczeniach gatunków stali pierwsza liczba określa w przybliżeniu średnią zawartość węgla wyrażoną w setnych częściach procenta. Następujące po niej litery wskazują najważniejsze pierwiastki stopowe.
W omawianej grupie spotyka się między innymi następujące oznaczenia:

• H – chrom (Cr),
• M – molibden (Mo),
• F – wanad (V),
• N – nikiel (Ni),
• W – wolfram (W).

Liczby występujące po symbolach pierwiastków mogą określać ich przybliżoną zawartość, przy czym sposób interpretacji oznaczenia zależy od zasad stosowanych w danym systemie znakowania stali. Z tego względu symbol gatunku należy traktować jako oznaczenie materiału, a nie jako zamiennik pełnej analizy chemicznej określonej przez właściwą normę.
Przykładowo 23H12MNF oznacza stal zawierającą około 0,23% węgla i około 12% chromu, z dodatkami molibdenu, niklu i wanadu. Dokładne dopuszczalne zakresy zawartości poszczególnych pierwiastków należy zawsze sprawdzać w odpowiedniej normie materiałowej lub świadectwie odbioru.

Gatunki stali wysokostopowych do pracy przy podwyższonych temperaturach

• 15H11MF – stal chromowo-molibdenowo-wanadowa,
• 15H12WMF – stal chromowo-wolframowo-molibdenowo-wanadowa,
• 20H12M1F – stal chromowo-molibdenowo-wanadowa,
• 23H12MNF – stal chromowo-molibdenowo-niklowo-wanadowa-1.4923, X22CrMoV12-1

Zastosowanie

Stale wysokostopowe tego typu znajdują zastosowanie przede wszystkim w energetyce oraz budowie maszyn i urządzeń pracujących w podwyższonej temperaturze. W zależności od gatunku, stanu obróbki cieplnej i wymaganych właściwości mogą być stosowane między innymi na:

• łopatki turbin parowych,
• odkuwki łopatek i innych części turbin,
• elementy wirników,
• śruby i elementy złączne pracujące w podwyższonej temperaturze,
• elementy urządzeń energetycznych i cieplnych,
• części maszyn narażone na jednoczesne działanie temperatury i długotrwałych obciążeń mechanicznych.

Dobór konkretnego gatunku powinien uwzględniać nie tylko maksymalną temperaturę, ale również czas pracy, poziom naprężeń, wymagane właściwości mechaniczne, warunki środowiskowe oraz przewidzianą obróbkę cieplną.

Stale nisko- i średniostopowe do pracy przy podwyższonych temperaturach

Odrębną grupę stanowią stale stopowe stosowane między innymi w energetyce, przemyśle kotłowym i instalacjach pracujących pod ciśnieniem. Są to materiały o innym składzie chemicznym i przeznaczeniu niż opisane powyżej wysokochromowe stale specjalne.
Zobacz: stale stopowe do pracy przy podwyższonych temperaturach.

Zobacz pozostałe stale odporne na korozję 

Formy dostawy

Alfa-Tech dostarcza stale wysokostopowe przeznaczone do pracy przy podwyższonych temperaturach w różnych postaciach hutniczych i kutych. W zależności od gatunku, wymiaru oraz wymaganej specyfikacji materiał może być oferowany jako:

• odkuwki swobodnie kute,
• pręty kute,
• pręty walcowane okrągłe,
• płaskowniki,
• pręty kwadratowe.

Przy zamówieniach materiałów przeznaczonych na odpowiedzialne elementy pracujące w podwyższonej temperaturze istotne jest określenie gatunku, wymiarów, wymaganej normy, stanu obróbki cieplnej, wymaganych właściwości mechanicznych oraz rodzaju dokumentu odbiorowego.