Materiały do pracy w podwyższonej temperaturze, nadstopy.

Wstęp teoretyczny.

Stal przeznaczona na elementy

maszyn i urządzeń pracujących w
wysokich temperaturach powinna
posiadać trzy podstawowe
właściwości:



Żaroodporność



Żarowytrzymałość



Odporność na odkształcenia
plastyczne (pełzanie)

Żaroodporność.

To odporność stopu na działanie

czynników chemicznych, głównie
powietrza oraz spalin i ich
agresywnych składników w
temperaturze wyższej niż 600C,
H5M, H18N25S2 , H23N13.

Żarowytrzymałość.

To zdolność metali i stopów do przenoszenia krótko
i długotrwałych obciążeń w wysokich temp.,

połączona z odpornością na wielokrotne zmiany
temperatury; połączona niekiedy z
żaroodpornością

Zależy od:



Składu chemicznego



Stopnia zgniotu



Wielkości ziarna



Struktury stali



Wydzieleń faz o dużej dyspersji

Pełzanie.

Pełzaniem nazywamy powolne

zwiększanie się trwałych odkształceń
materiału poddanego długotrwałemu
obciążeniu.

Stale ferrytyczne.



Stale ferrytyczne charakteryzują się dobrymi
wysokotemperaturowymi własnościami
wytrzymałościowymi przy umiarkowanym koszcie.
Odporność na korozję i utlenianie w podwyższonej temp.
zależą głównie od zawartości Cr w stali, natomiast
mikrostrukturę o dużej odporności na pełzanie uzyskuje
się dzięki wysokiemu odpuszczaniu martenzytu i
wydzieleniom o dużej gęstości i małej skłonności do
koagulacji. Dlatego podstawowym zagadnieniem przy
projektowaniu stali do zastosowań w podwyższonej temp.
jest tai dobór składu chemicznego, aby w temperaturze
austenityzowania uzyskać w pełni austenityczną
strukturę przy możliwie największej zawartości Cr i
pierwiastków tworzących trwałe węgliki i azotki.

Stale niestopowe



Stale niestopowe są używane na urządzenia
ciśnieniowe ze względu na niski koszt, bardzo
dobre własności mechaniczne i dostępność.
Są często stosowane w rafineriach i
zakładach chemicznych na urządzenia
pracujące w zakresie temp. -30 - 430⁰C. Stale
niestopowe powyżej temp. 370⁰C zaczynają
pełzać, a podczas długotrwałej eksploatacji
tworzy się grafit kosztem rozkładającego się
cementytu, co powoduje zmniejszenie
własności mechanicznych stali.

Stale nisko- i średniostopowe.



Odporne na pełzanie stale nisko- i średniostopowe
zawierają zwykle 0,5 – 1,0% Mo w celu zwiększania,
wytrzymałości na pełzanie oraz 0,5 – 9,0% Cr w celu
zwiększenia odporności na korozję, wytrzymałości na
pełzanie, ciągliwości podczas pełzania a także aby nie
występowała grafityzacja. Stale Cr-Mo o małej
zawartości chromu charakteryzują się umiarkowaną
hartownością. Podczas powolnego chłodzenia uzyskuje
się mikrostrukturę ferrytyczno-perlityczną
charakteryzującą się dużą stabilnością ale małą
wytrzymałością na rozciąganie i odpornością na
pękanie. Chłodzenie w powietrzu lub jeszcze szybsze
umożliwia uzyskanie mikrostruktury bainitycznej o
zwiększonej wytrzymałości i odporności na pękanie.



Są stosowane głównie na rury i
zbiorniki ciśnieniowe, gdy
dopuszczalne naprężenie może
powodować odkształcenie przez
pełzanie, wynoszące nawet 5%.
Wykonuje się z tych stali orurowanie,
wymienniki ciepła, rury przegrzewaczy.
Główną zaletą tych stali jest
zwiększona wytrzymałość na pełzanie
w stosunku do stali niestopowych.

Stale z zawartością 9 – 12% Cr

Stale te są stosowane m.in. w przemysłach:

chemicznym, petrochemicznym,
energetycznym, raz na liczne części silników
samolotowych.

Ich charakterystyka powinna być następująca:



Możliwie największa odporność na
odpuszczające działanie ciepła



Nie powinny zawierać ferrytu



Temp. M

powinna być wyższa niż temp.

pokojowa



Temp. A

powinna być wysoka



Mikrostruktura tych stali w temp.
1050⁰C jest austenityczna z
możliwością występowania małej
zawartości ferrytu. Ze względu na
dużą zawartość Cr nawet powolne
chłodzenie w powietrzu powoduje
przemianę austenitu w martenzyt.

Stale austenityczne



W stalach austenitycznych odpornych na działanie
ciepła nie powinien tworzyć się ferryt, gdyż jego
obecność zmniejsza żarowytrzymałość ze względu
na większą szybkość procesów dyfuzyjnych w
ferrycie niż w austenicie. Żaroodporność stali
rośnie z zawartością Cr, jednak aby w stali z dużą
zawartością Cr nie tworzył się ferryt, musi ze
wzrostem jego zawartości zwiększać się zawartość
pierwiastków austenitotwórczych. Stale te
charakteryzują się większą żaroodpornością niż
stale ferrytyczne natomiast posiadają małą
odporność na korozję naprężeniową i
międzykrystaliczną.

Stale zaworowe



Są stosowane na zawory silników spalinowych.
Podczas pracy silnika zawory ponad sześćdziesiąt
razy na sekundę podnoszą się i opuszczają a
grzybki zaworów wydechowych mogą nawet
osiągać temp. 900⁰C a zaworów wylotowych
500⁰C. Ponadto działają na nie spaliny
zawierające często tlenki ołowiu lub podobnych
związków dodawanych do benzyny. Dlatego
cechą stali zaworowych jest duża odporność na
utlenianie w obecności spalin. Powinny
charakteryzować się także dobrą podatnością na
odkształcenie plastyczne i skrawalnością.

Nadstopy

Przeznaczone do zastosowań w

wysokich T i przy dużych
obciążeniach. Powinny sie również
charakteryzować odpornością
powierzchni na utlenianie.

Mamy 3 kategorie nadstopów:



Na osnowie Ni



Na osnowie Fe



Na osnowie Co-Ni

Na osnowie Ni.

Najważniejszą grupą są te na osnowie Ni.
W ich skład wchodzi ponad 10 pierwiastków.
Wyróżniamy grupy pierwiastków:
Tworzące roztwory substytucyjne z Ni:Co, Fe, Cr, V, Mo, W
Tworzące wydzielenia: Al i Ti (g’)
Tworzące wągliki: Cr, Mo, W, V, Nb, Ta i Ti
Segregujące do granic ziarn: B, Mg i Zr
Tworzące tlenki zapobiegające utlenianiu: Cr i Al.
Ruch dyslokacji hamują atomy substytucyjne i faza γ’ która wolno

koaguluje w podwyższonych temperaturach.

Dla ograniczenia poślizgu po granicach ziarn są stosowane

monokryształy lub polikrystaliczne o dużym ziarnie z
wydzieleniami węglików na granicach ziarn (M23C6)

Podwyższenie temperatury pracy jest możliwe przez zastosowanie

pokryć ceramicznych lub z faz międzymetalicznych. Jedna z metod
pokrywania polega na pokryciu metalicznym pośrednim ze stopu
Ni-Co-Cr_Al-Y a następnie pokryciem ceramicznym na osnowie
ZrO2

Na osnowie Fe.



Nadstopy na osnowie żelaza wywodzą się
ze stali austenitycznych odpornych na
korozję. Aby miały one mikrostrukturę
austenityczną dodaje się co najmniej 25%
Ni. Wydzieleniami umacniającymi są
głównie fazy uporządkowane, takie jak γ’,
Ni3Al, η Ni3Ti i γ’’ Ni3Nb, chociaż węgliki i
węglikoazotki mogą również występować.
Faza η Ni3Ti jest fazą heksagonalną zwartą
i powoduje mniej efektywne umocnienie
niż faza γ’.

Na osnowie Co.



Nadstopy te w przeciwieństwie do innych
nie są umocnione uporządkowanymi
wydzieleniami koherentnymi fazy γ’, są
natomiast umocnione roztworowo i
wydzieleniowo węglikami. Charakteryzują
się lepszą spawalnością i odpornością na
zmęczenie cieplne niż stopy na osnowie
niklu. Mogą też być wytapiane w powietrzu
lub argonie. Stopy te wykazują dość
wysoką tendencję do wydzielania się
niepożądanych faz.

Bibliografia



M. Blicharski, „Inżynieria
materiałowa - stal” Wydawnictwo
Naukowo Techniczne.



K. Przybyłowicz „Metaloznawstwo”,
Wydawnictwo Naukowo Techniczne.



Wykłady - dr. Henryk Adrian.

Document Outline