Nadstopy na bazie żelaza 

1.  Czym są nadstopy? 

Nadstopy zwane inaczej superstopami lub superstopami żaroodpornymi to grupa materiałów na 
bazie żelaza, niklu i kobaltu. Do najważniejszych własności należy zaliczyć: 



 

Wysoką żaroodporność 



 

Wysoką wytrzymałość 



 

Odporność na pełzanie w wysokich temperaturach 



 

Dobrą stabilność powierzchniową 



 

Odporność na korozję i utlenianie 

Nadstopy na bazie żelaza zwykle mają austenityczną strukturę krystaliczną ściennie centrowaną. 
Znajdują zastosowanie głównie w przemyśle lotniczym i energetycznym. Ze względu na wysoką 
odporność na wysokie temperatury stosuje się je jako części silników odrzutowych. Nadstopy mogą 
być także używane jako zamiennik stali nierdzewnej pracującej w środowisku kwasowym i 
słonowodnym.  

Superstopy są bardzo wytrzymałe na wysoką temperaturę dzięki zastosowaniu wzmocnienia 
roztworowego polegającego na wtórnym wytrąceniu się głównie faz γ' i węglików. Przez utlenianie w 
procesie produkcji warstwy powierzchniowej oraz dodanie aluminium i chromu nadstopy zyskują 
odporność na korozję. Pierwiastki jak Ren i Molibden dodawane są celem uzyskania wytrzymałości w 
wysokich temperaturach, a małe dodatki węgla i boru umacniają granice ziaren. Dodatek tantalu, 
rutenu i tytanu podnosi odporność na zmęczenie. 

Obecnie wykorzystywana jest już czwarta generacja superstopów z takimi dodatkami jak pierwiastki 
metali trudnotopliwych, na przykład ruten (Ru), co umożliwia pracę w środowisku, w którym 
temperatury osiągają 1100C. 

2.  Sposoby otrzymywania nadstopów żelaza 

Standardową praktyką przygotowania superstopów jest próżniowe topienie indukcyjne (VIM). Proces 
VIM redukuje zawartość azotu i tlenu, zapobiegając utlenianiu takich pierwiastków jak aluminium, 
cyrkon, tytan, hafn i usuwa zanieczyszczenia o niskiej temperaturze topnienia takie jak: ołów i 
bizmut, które mogłyby osłabiać własności wysokotemperaturowe superstopów. Drugie topienie – 
zarówno powtórne topienie łukowo próżniowe (VAR) lub powtórne topienie elektrożużlowe (ESR) - 
daje produkt jednorodny. Z kolei proces potrójnego topienia (VIM-ESR-VAR) – dający dużo lepszą 
jednorodność jest jeszcze zbyt drogi, aby mógł być stosowany rutynowo. 

Superstopy dostarczane są w postaci wlewków, prętów, rur, płyt, blach i części kutych. Wyroby te 
wytwarzane są przez kucie na prasie, a następnie walcowanie, kucie młotowe lub kucie w matrycy. 
Obróbka cieplna poprawia strukturę ziaren oraz końcowe własności mechaniczne i materiałowe 
stopów. 

Na podzespoły pracujące w szczególnie uciążliwych warunkach np. tarcza wirnika turbiny, zamiast 
wlewków konwencjonalnych, wykorzystuje się materiały proszkowe, zagęszczane w procesie 
prasowania izostatycznego na gorąco, lub wyciskane. 

W temperaturach od 650C do 704C może być stosowany austenityczny, utwardzany wydzieleniowo 
stop 718®, zawierający 53% Ni i 18% Cr, posiadający większą wytrzymałość na zmęczenie i pełzanie 
do zerwania, w którym jako pierwszy pierwiastek umacniający stosowany jest niob (Nb). 

Austenityczne superstopy na bazie żelaza (Fe) są tańsze niż superstopy na bazie niklu i kobaltu, 
posiadają wysoką odporność na zużycie, wzrastającą ze wzrostem zawartości węgla (C). Stopy 
stosowane są w łożyskach samolotów pracujących w wysokiej temperaturze i na styki ślizgowe 
maszyn. 

3.  Fazy występujące w nadstopach żelaza 

Faza γ (austenit) 

Właściwości austenitu zależą głównie od ilości niklu w stopie: wzrost jego zawartości zwiększa 
stabilność tej fazy, powoduje wzrost własności mechanicznych oraz możliwość stosowania stopów w 
wysokiej temperaturze. Fazę tę stabilizuje także Co i W. 

Faza γ’ 

Krystalizuje w sieci A1, w stopach żelaza ma z reguły kształt sferyczny. Ilość tworzącej się fazy można 
kontrolować zawartością tytanu oraz aluminium, albo stosunkiem tych pierwiastków.  
Taki skład chemiczny stopu gwarantuje wysokie własności mechaniczne, oraz skłonność do tworzenia 
się niekorzystnych faz typu TCP.  

Faza γ”  

Stopy umocnione fazą γ” zawierają od 2 do 6% Nb oraz zwiększoną ilość żelaza. Faza γ” krystalizuje w 
sieci tetragonalnej przestrzennie centrowanej, jest koherentna z austenitem. 
Po obróbce cieplnej wydzielenia fazy  γ” mogą mieć kształt dysków. 

Faza η  

Występuje w stopach na bazie żelaza umacnianych fazą  γ” . Faza η krystalizuje w strukturze 
heksagonalnej. Faza η może występować w dwóch formach: 



 

W kształcie płytek wewnątrz ziarn 



 

W kształcie komórek na granicy ziarn 

Niezależnie od formy wytwarzania fazy η obniża ona wytrzymałość stopu, ale wpływa na wzrost jego 
plastyczności.  

Faza δ  

Występuje we wszystkich stopach na bazie żelaza, których fazą umacniającą jest faza γ”. Może 
tworzyć się po bardzo długim czasie pracy stopów powyżej 650°C, po przeróbce plastycznej oraz po 
obróbce cieplnej. Faza δ tworzy się w wyniku przemiany γ” => δ. Faza ta tworzy się w zakresie 650-
980°C i ma kształt płytek. 

Faza TCP  

Są to fazy niekorzystnie wpływające na własności stopów. Do tej grupy należą: σ, μ, Lavesa oraz G.  
Pojawienie się tych faz w strukturze powoduje wzrost kruchości stopów, najczęściej wydzielają się w 
postaci igieł, płytek oraz nieregularnych cząsteczek. Powodują gwałtowny spadek własności 
mechanicznych stopów. Można ich uniknąć kontrolując skład chemiczny, odpowiednio obrabiając 
cieplnie, przestrzegając temperatury pracy stopów. 

4.  Nadstop żelaza na przykładzie superstopu A-286 

Superstop typu A-286 znajduje zastosowanie w warunkach wymagających wysokiej wytrzymałości i 
odporności na korozję do 700C. Jest to nadstop austenityczny, który może być utwardzany za 
pomocą procesu starzenia, aż osiągnie pożądaną wytrzymałość. A-286 może być używany także w 
niskich temperaturach (-196C do temperatury pokojowej), jeśli wymagany jest ciągliwy, 
niemagnetyczny materiał o wysokiej wytrzymałości. Stop ten znajduje także zastosowanie w 
produktach mających styczność z wodą.  

Proces produkcji A-286 odbywa się z wykorzystaniem metody rafinacji AOD (Argon Oxygen 
Decarburization) lub VIM (Vacuum Induction Melting). W celu ulepszenia materiału stosuje się łuki 
próżniowe lub przetapianie elektrożużlowe.  

Analiza chemiczna nadstopu A-286: 

Dodatek Stopowy 

Zawartość procentowa [%] 

Węgiel 

< 0,08 

Mangan 

< 0,35 

Fosfor 

< 0,015 

Siarka 

< 0,015 

Krzem 

< 0,35 

Chrom 

17 – 21 

Nikiel 

50 – 55 

Molibden 

2,80 – 3,30 

Niob 

4,75 – 5,50 

Tytan 

0,65 – 1,15 

Aluminium 

0,20 – 0,80 

Kobalt 

< 1 

Bor 

< 0,006 

Miedź 

< 0,30 

Tantal 

< 0,05 

Żelazo 

Reszta zawartości 

 

Własności mechaniczne stopu A-286: 
Granica plastyczności: 275 MPa 
Granica wytrzymałości: 620 MPa 
Wydłużenie: 40%