Stale żaroodporne i żarowytrzymałe to specjalistyczne materiały metalurgiczne, zaprojektowane do pracy w ekstremalnych warunkach temperaturowych. Ich właściwości sprawiają, że są niezastąpione w wielu gałęziach przemysłu, gdzie standardowe stale nie spełniają wymagań technicznych. Wysoka odporność na korozję w podwyższonych temperaturach oraz zdolność do przenoszenia obciążeń mechanicznych ( dotyczy stali żarowytrzymałych), czynią te stale kluczowymi w sektorach takich jak energetyka, przemysł chemiczny, lotniczy czy motoryzacyjny. Dzięki nim możliwa jest produkcja urządzeń i komponentów pracujących w temperaturach przekraczających 500°C, zachowujących swoje właściwości mechaniczne i chemiczne.
Podział na główne grupy
- Stale żaroodporne
Charakteryzują się odpornością na działanie gorących gazów i spalin utleniających w temperaturach powyżej 550°C. Dzięki dodatkom stopowym, takim jak chrom, krzem czy aluminium, na ich powierzchni tworzy się ochronna warstwa tlenków (zgorzelina), która zabezpiecza materiał przed dalszym utlenianiem. - Stale żarowytrzymałe
Oprócz odporności na korozję w wysokich temperaturach, posiadają zdolność do przenoszenia obciążeń mechanicznych bez odkształceń, co jest kluczowe w aplikacjach wymagających długotrwałej eksploatacji w ekstremalnych warunkach. Ich wytrzymałość na pełzanie jest zwiększana poprzez dodatki stopowe, takie jak molibden, wanad, wolfram czy tytan. - Stale zaworowe
Specjalistyczna podgrupa stali żaroodpornych, dedykowana do produkcji zaworów w silnikach spalinowych. Charakteryzują się wysoką wytrzymałością mechaniczną, odpornością na ścieranie oraz na działanie agresywnych substancji zawartych w spalinach. Ich właściwości są optymalizowane dzięki wyższej zawartości węgla (0,30–0,40%) oraz obecności chromu, niklu i innych dodatków stopowych.
Pełzanie
Pełzanie to powolna, trwała deformacja materiału pod wpływem stałego obciążenia w wysokiej temperaturze, poniżej granicy plastyczności. Jest to kluczowy parametr w ocenie żarowytrzymałości stali, ponieważ wpływa na ich zdolność do długotrwałego przenoszenia obciążeń bez znaczących odkształceń. Aby zminimalizować pełzanie, w składzie chemicznym stali żarowytrzymałych wprowadza się dodatki stopowe, takie jak molibden, wanad czy wolfram, które zwiększają odporność materiału na tego typu deformacje.
Wzory i zależności
Wytrzymałość na pełzanie można opisać za pomocą równania Larsona-Millera:
P=T×(C+log tr)
- P – parametr Larsona-Millera,
- T – temperatura w kelwinach,
- C – stała materiałowa,
- tr – czas do zniszczenia w godzinach.
Równanie to pozwala przewidzieć trwałość materiału w określonych warunkach temperaturowych i obciążeniowych, co jest kluczowe przy projektowaniu elementów pracujących w wysokich temperaturach.
Właściwości stali żaroodpornych
Żaroodporność jest zdolnością materiału do zachowania swoich właściwości mechanicznych, strukturalnych i chemicznych w wysokich temperaturach, w szczególności w warunkach długotrwałego narażenia na działanie gorących gazów, spalin lub powietrza. Stale żaroodporne charakteryzują się wysoką odpornością na utlenianie i korozję gazową w podwyższonych temperaturach, co sprawia, że znajdują zastosowanie w przemyśle energetycznym, chemicznym, lotniczym oraz motoryzacyjnym. Żaroodporność ma kluczowe znaczenie w utrzymaniu trwałości i niezawodności urządzeń, takich jak kotły, turbiny, wymienniki ciepła czy piece przemysłowe.
Proces określania żaroodporności
Proces oceny żaroodporności stali obejmuje szereg testów, z których najważniejsza jest próba cyklicznego nagrzewania i chłodzenia. Polega ona na wielokrotnym poddawaniu materiału działaniu wysokich temperatur, zwykle przekraczających 600°C, a następnie jego schładzaniu do temperatury otoczenia. Test ten pozwala na określenie:
- Odporności na utlenianie: Analizuje się tempo tworzenia zgorzeliny (tlenkowej powłoki ochronnej) i jej stabilność.
- Odporności na pękanie i odpryskiwanie zgorzeliny: Ważne jest, aby warstwa zgorzeliny była przyczepna i nie odspajała się w wyniku różnic w rozszerzalności cieplnej między nią a stalą.
- Odporności na degradację strukturalną: Badania uwzględniają zmiany mikrostrukturalne, takie jak wydzielanie faz węglikowych czy przemiany ziaren w podwyższonych temperaturach.
Wyniki testów pozwalają na określenie maksymalnych temperatur roboczych stali oraz jej trwałości w ekstremalnych warunkach.
Rola dodatków stopowych w uzyskaniu żaroodporności
Właściwości żaroodporne stali są w dużej mierze determinowane przez obecność odpowiednich dodatków stopowych, które wpływają na jej mikrostrukturę i zdolność do tworzenia stabilnych warstw ochronnych.
- Chrom (Cr)
Chrom jest jednym z najważniejszych pierwiastków zwiększających żaroodporność. W podwyższonych temperaturach tworzy na powierzchni stali stabilną warstwę tlenku chromu (Cr₂O₃), która chroni przed dalszym utlenianiem i korozją. Minimalna zawartość chromu w stalach żaroodpornych wynosi zazwyczaj 12%, ale w specjalnych gatunkach może osiągać nawet 25%. - Glin (Al)
Dodatek glinu sprzyja powstawaniu tlenków glinu (Al₂O₃), które cechują się jeszcze wyższą odpornością na działanie wysokich temperatur i agresywnych gazów niż tlenki chromu. Glin zwiększa również przyczepność zgorzeliny do podłoża i ogranicza jej odpryskiwanie. - Krzem (Si)
Krzem wspomaga tworzenie ochronnej warstwy tlenków, takich jak SiO₂, które dodatkowo wzmacniają odporność stali na utlenianie w atmosferach o wysokiej zawartości tlenu. Zawartość krzemu w stalach żaroodpornych zazwyczaj wynosi do 1,5%.
Te pierwiastki działają synergistycznie, tworząc ochronne warstwy tlenkowe, które ograniczają tempo degradacji stali w wysokich temperaturach. Właściwe proporcje i kombinacje dodatków stopowych są kluczowe w projektowaniu stali żaroodpornych o określonych właściwościach.
Właściwości stali żarowytrzymałych
Definicja żarowytrzymałości i mechanizm odporności na pełzanie
Żarowytrzymałość jest zdolnością stali do przenoszenia obciążeń mechanicznych w warunkach podwyższonych temperatur przez długi czas bez ulegania trwałym odkształceniom lub uszkodzeniom. Kluczowym aspektem żarowytrzymałości jest odporność na pełzanie, czyli powolne, plastyczne odkształcanie materiału pod wpływem długotrwałego działania sił w wysokich temperaturach.
Mechanizm odporności na pełzanie opiera się na kilku czynnikach:
- Dyfuzja atomowa
W wysokich temperaturach atomy materiału przemieszczają się w obrębie sieci krystalicznej, co prowadzi do powolnych zmian kształtu. Stale żarowytrzymałe są projektowane tak, aby ograniczyć tę dyfuzję poprzez wzmocnienie struktury za pomocą dodatków stopowych. - Tworzenie węglików i faz wzmacniających
W stalach żarowytrzymałych wytrzymałość na pełzanie jest zwiększana przez obecność węglików i innych trwałych faz wydzieleniowych, które utrudniają ruch dyslokacji w strukturze krystalicznej. - Stabilność mikrostruktury
Kluczowym wymogiem dla stali żarowytrzymałych jest utrzymanie stabilnej mikrostruktury (np. ferrytu lub austenitu) w ekstremalnych warunkach, co ogranicza zjawiska osłabiające materiał, takie jak rekrystalizacja czy zmiękczenie ziaren.
Zależność żarowytrzymałości od siły wiązań międzyatomowych i temperatury topnienia
Żarowytrzymałość stali jest ściśle związana z siłą wiązań międzyatomowych oraz temperaturą topnienia materiału:
- Siła wiązań międzyatomowych
Materiały o silnych wiązaniach międzyatomowych, takie jak stale stopowe z dodatkami metali przejściowych, są bardziej odporne na pełzanie, ponieważ atomy wymagają większej energii do przemieszczania się w sieci krystalicznej. - Temperatura topnienia
Wysoka temperatura topnienia jest jednym z kluczowych czynników wpływających na żarowytrzymałość. Materiały o wysokiej temperaturze topnienia, takie jak stale wzbogacone w molibden czy wolfram, są bardziej odporne na deformacje w wysokich temperaturach.
W praktyce, stale żarowytrzymałe są projektowane tak, aby temperatura ich eksploatacji stanowiła ułamek ich temperatury topnienia, co zwiększa ich trwałość.
Dodatki stopowe zwiększające żarowytrzymałość
Dodatki stopowe odgrywają kluczową rolę w poprawie żarowytrzymałości stali, wpływając na stabilność mikrostruktury i odporność na pełzanie:
- Molibden (Mo)
Molibden zwiększa żarowytrzymałość poprzez tworzenie trwałych węglików (np. Mo₂C) oraz wzmacnianie struktury ferrytu. Redukuje również tendencję do pełzania dzięki poprawie odporności na zmiękczenie struktury w wysokich temperaturach. - Wanad (V)
Wanad wprowadza stabilne węgliki (VC), które blokują ruch dyslokacji i poprawiają wytrzymałość na pełzanie. Zwiększa również odporność na zmiany mikrostrukturalne, takie jak wydzielanie niepożądanych faz w wysokich temperaturach. - Wolfram (W)
Wolfram, ze względu na bardzo wysoką temperaturę topnienia i silne wiązania międzyatomowe, znacznie zwiększa odporność stali na pełzanie. Wprowadza również fazy wzmacniające, które poprawiają trwałość struktury w warunkach ekstremalnego obciążenia cieplnego. - Tytan (Ti)
Tytan tworzy węgliki i azotki (np. TiC, TiN), które skutecznie wzmacniają stal i zwiększają jej odporność na pełzanie. Dodatkowo stabilizuje mikrostrukturę, zapobiegając degradacji ziaren.
Kombinacja tych dodatków stopowych pozwala na projektowanie stali żarowytrzymałych o wysokiej trwałości w ekstremalnych warunkach eksploatacyjnych, co czyni je niezastąpionymi w turbinach parowych, kotłach oraz reaktorach chemicznych.
Stale zaworowe – Charakterystyka i zastosowania
Właściwości mechaniczne i odporność na ścieranie
Stale zaworowe to grupa materiałów metalicznych opracowanych specjalnie do pracy w trudnych warunkach mechanicznych i termicznych. Są one używane w produkcji zaworów silnikowych, które muszą wytrzymać wysokie temperatury, duże obciążenia mechaniczne oraz działanie agresywnych substancji chemicznych. Główne właściwości mechaniczne stali zaworowych:
- Wysoka wytrzymałość mechaniczna – umożliwia pracę w warunkach dynamicznych obciążeń wynikających z cyklicznego zamykania i otwierania zaworów.
- Odporność na ścieranie – zawory są w ciągłym kontakcie z prowadnicami i gniazdami zaworowymi, co wymaga materiałów o dużej twardości powierzchniowej.
- Stabilność wymiarowa – kluczowa w warunkach podwyższonych temperatur, gdzie odkształcenia mogą prowadzić do niewłaściwego działania mechanizmu zaworowego.
- Dobra odporność na pełzanie – niezbędna w silnikach spalinowych, gdzie stale zaworowe pracują w wysokich temperaturach przez długi czas.
Odporność na substancje agresywne w spalinach silników
Zawory w silnikach spalinowych są narażone na działanie gazów spalinowych zawierających substancje agresywne, takie jak:
- Tlenki siarki (SOx) – powodujące korozję siarczkową.
- Tlenki azotu (NOx) – przyczyniające się do wysokotemperaturowej korozji.
- Kwas węglowy powstający z pary wodnej i dwutlenku węgla,
- Ślady niespalonych węglowodorów.
Stale zaworowe są projektowane tak, aby były odporne na korozję i utlenianie w wysokich temperaturach. Zawierają dodatki stopowe, takie jak:
- Chrom (Cr): poprawia odporność na korozję i utlenianie,
- Molibden (Mo): zwiększa odporność na pełzanie i działanie kwasów,
- Wolfram (W): podnosi wytrzymałość na wysokie temperatury,
- Nikiel (Ni): poprawia ciągliwość i odporność na działanie agresywnych związków chemicznych.
Typowe gatunki stali zaworowych
Stale zaworowe różnią się składem chemicznym w zależności od zastosowania i rodzaju silnika. Typowe gatunki to:
| Gatunek stali | Skład chemiczny | Charakterystyka |
|---|---|---|
| X45CrSi9-3 (EN 1.4718) | Cr: 9%, Si: 3% | Wysoka odporność na ścieranie, stosowana w zaworach dolotowych. |
| X50CrMnNiNbN21-9 (EN 1.4903) | Cr: 21%, Ni: 9% | Wysoka odporność na korozję i utlenianie w wysokich temperaturach, idealna do zaworów wydechowych. |
| 21-4N (AISI) | Cr: 21%, Ni: 4% | Doskonale nadaje się do zaworów w silnikach wyścigowych dzięki wyjątkowej wytrzymałości. |
| X40CrMoV5-1 (EN 1.2344) | Cr: 5%, Mo: 1% | Stosowana w zaworach pracujących w bardzo wysokich temperaturach. |
| X53CrMnNiN20-8 (EN 1.3816) | Cr: 20%, Mn: 8% | Odporność na ścieranie i korozję, szczególnie w zaworach wydechowych silników wysokoprężnych. |
Zastosowania stali zaworowych
- Silniki spalinowe: zawory dolotowe i wydechowe w silnikach spalinowych samochodów osobowych i ciężarowych, Zawory w silnikach wyczynowych, gdzie wymagana jest ekstremalna wytrzymałość mechaniczna.
- Przemysł lotniczy: zawory w silnikach turbinowych i odrzutowych, gdzie wymagane są wyjątkowe właściwości termiczne.
- Przemysł energetyczny: zawory w turbinach parowych i gazowych.
- Przemysł morski: zawory w dużych silnikach wysokoprężnych używanych w statkach oraz w generatorach.
Stale zaworowe są niezwykle istotne w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym, gdzie ich wyjątkowe właściwości mechaniczne i chemiczne zapewniają niezawodność oraz trwałość komponentów w najbardziej wymagających warunkach pracy.
Oznaczenia i klasyfikacja stali żaroodpornych, żarowytrzymałych i zaworowych
Omówienie systemu oznaczeń (cyfry i litery)
Systemy oznaczeń stali różnią się w zależności od kraju i organizacji normalizacyjnej. Poniżej przedstawiono główne systemy stosowane dla stali żaroodpornych, żarowytrzymałych i zaworowych:
1. Polska Norma (PN):
- Litery:
- H – Chrom
- S – Krzem
- N – Nikiel
- J – Glin
- W – Wolfram
- M – Molibden
- T – Tytan
- G – Mangan
- Cyfry: Następujące po literach cyfry oznaczają średnią zawartość danego pierwiastka w procentach. Jeśli na początku oznaczenia występuje cyfra, oznacza ona zawartość węgla w setnych częściach procenta.
Przykład: H20N20S2 oznacza stal o zawartości 20% chromu, 20% niklu i 2% krzemu.
2. Europejska Norma (EN):
- System znakowy: Składa się z liter i cyfr, gdzie:
- X – Wskazuje na stal o podwyższonej zawartości pierwiastków stopowych.
- Cyfry po „X” – Zawartość węgla w setnych częściach procenta.
- Symbole pierwiastków i ich zawartość – Np. Cr18Ni9 oznacza 18% chromu i 9% niklu.
Przykład: X10CrAl18 oznacza stal o zawartości 0,10% węgla, 18% chromu i dodatku aluminium.
3. Amerykańskie systemy (AISI, ASTM):
- AISI (American Iron and Steel Institute): Czterocyfrowe oznaczenia, gdzie:
- Pierwsze dwie cyfry – Grupa stali.
- Ostatnie dwie cyfry – Zawartość węgla w setnych częściach procenta.
Przykład: AISI 304 oznacza stal nierdzewną z grupy 300 o zawartości 0,04% węgla.
- ASTM (American Society for Testing and Materials): Oznaczenia literowo-cyfrowe odnoszące się do specyfikacji materiałowych, np. ASTM A213 dla rur żaroodpornych.
4. GOST (Rosyjski system):
- Litery i cyfry: Oznaczenia składają się z liter symbolizujących pierwiastki oraz cyfr wskazujących ich zawartość w procentach.
Przykład: 12Х18Н10Т oznacza stal o zawartości 12% chromu (Х), 18% niklu (Н) i dodatku tytanu (Т).
Przykłady oznaczeń oraz ich interpretacja
- H13JS (PN):
- H – Chrom
- 13 – 13% chromu
- J – Glin
- S – Krzem
Interpretacja: Stal chromowo-aluminiowo-krzemowa o zawartości 13% chromu, stosowana w elementach pracujących w wysokich temperaturach.
- X10CrAl18 (EN):
- X – Stal o podwyższonej zawartości pierwiastków stopowych
- 10 – 0,10% węgla
- CrAl18 – 18% chromu z dodatkiem aluminium
Interpretacja: Stal żaroodporna o zawartości 0,10% węgla i 18% chromu, z dodatkiem aluminium, stosowana w wysokotemperaturowych aplikacjach.
- AISI 310 (AISI):
- 31 – Grupa stali nierdzewnych austenitycznych
- 0 – Wskazuje na specyficzne właściwości w ramach grupy
Interpretacja: Stal nierdzewna austenityczna o wysokiej odporności na utlenianie i korozję w wysokich temperaturach.
- 12Х18Н10Т (GOST):
- 12 – 12% chromu (Х)
- 18 – 18% niklu (Н)
- 10 – 0,10% węgla
- Т – Dodatek tytanu
Interpretacja: Stal nierdzewna austenityczna stabilizowana tytanem, odporna na korozję w wysokich temperaturach.
Stale żaroodporne, żaroodporne nierdzewne oraz żarowytrzymałe wg PN 71/H-86022
H5M – stal żaroodporna chromowo-molibdenowa 12CrMo195,1.7362
H6S2 – stal żaroodporna chromowo-krzemowa X10CrAl7,1.4713
H13JS – stal chromowo-aluminiowo-krzemowa X10CrAl13,1.4724
H18JS – stal chromowo-aluminiowo-krzemowa X10CrAl18,1.4742
H24JS – stal chromowo-aluminiowo-krzemowa X10CrAl24,1.4762
H25T – stal żaroodporna chromowa z dodatkiem tytanu X8CrTi25,1.4746
H20N12S2 – stal chromowo-niklowo-krzemowa X15CrNiSi20-12,1.4828
H23N13 – stal chromowo-niklowa X12CrNi23-13,1.4833
H23N18 – stal żarowytrzymała chromowo-niklowa X12CrNi25-21,1.4845
H25N20S2 – stal chromowo-niklowo-krzemowa X15CrNiSi25-20,1.4841
H16N36S2 – stal niklowo-chromowo-krzemowa X12NiCrSi35-15, 1.4864
Stal zaworowa wg PNstale-wysokostopowe-o-specjalnych-wlasnosciach-stal-zaroodporna-i-zarowytrzymala-h16n36s2.html
H9S2 – stal zaworowa chromowo-krzemowa X45CrSi9-3,1.4718
H10S2M – stal zaworowa chromowo-krzemowa X40CrSiMo10-2,1.4731
Stale i stopy niklu żaroodporne według EN 10095 ( PN-EN, DIN-EN etc)
Stale o strukturze ferrytycznej – stal ferrytyczna
X10CrAlSi7 – 1.4713
X10CrAlSi13 – 1.4724
X10CrAlSi18 – 1.4742
X10CrAlSi25 – 1.4762
X18CrN28 – 1.4749
X3CrAlTi18-2 – 1.4736
Stale o strukturze austenitycznej – stal austenityczna
X8CrNiTi18-10 – 1.4878
X15CrNiSi20-12 – 1.4828
X9CrNiSiNCe21-11-2 – 1.4835
X12CrNi23-13 – 1.4833
X8CrNi25-21 – 1.4845
X15CrNiSi25-21 – 1.4841
X12NiCrSi35-16 – 1.4864
X10NiCrAlTi32-21 – 1.4876
X6NiCrNbCe32-27 – 1.4877
X25CrMnNiN25-9-7 – 1.4872
X6CrNiSiNCe19-10 – 1.4818
X6NiCrSiNCe35-25 – 1.4854
X10NiCrSi35-19 – 1.4886
X10NiCrSiNb35-22 – 1.4887
Stal o strukturze ferrytyczno-austenitycznej – stal ferrytyczno-austenityczna
X15CrNiSi25-4 – 1.4821
Stopy niklu
NiCr15Fe – 2.4816NiCr23Fe – 2.4851
NiCr22Mo9Nb – 2.4856
NiCr21Ti – 2.4951
NiCr28FeSiCe – 2.4889
NiCr23Fe – 2.4851
Pozostałe stale wg norm PN – EN, EN, DIN
Stale według AISI, ASTM, UNS
Ze stali żaroodpornych, żarowytrzymałych, stopów niklu, Alfa-Tech oferuje: blachy żaroodporne, rury żaroodporne ( rury bezszwowe oraz ze szwem ), pręty żaroodporne, odkuwki swobodnie kute, pręty kute, pręty walcowane
Zobacz również pozostałe stale wysokostopowe specjalne
stal wysokostopowa do pracy przy podwyższonych temperaturach
stal stopowa do pracy przy podwyższonych temperaturach
stal nierdzewna
stal żaroodporna i żarowytrzymała
stal kwasoodporna