6.7. Stale i stopy żelaza
o szczególnych
własnościach

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA

Grupę stali o szczególnych własnościach stanowią stale o własnościach fizycz-

nych, chemicznych lub mechanicznych, jednoznacznie decydujących o ich zasto-
sowaniu. Niejednokrotnie stężenie pierwiastków stopowych w tych materiałach
przekracza 50%, dlatego często mówi się o stopach specjalnych, a gdy Fe nie jest
głównym składnikiem, a jedynie jednym z wielu – o nadstopach.

W grupie stali i stopów specjalnych można wyróżnić wiele stopów, np. stale ża-

roodporne, żarowytrzymałe, zaworowe, odporne na korozję, o szczególnych wła-
snościach fizycznych.

6.7.1. Stale stopowe do pracy w podwyższonej

temperaturze

WYMAGANIA STAWIANE STALOM

DO PRACY W PODWYŻSZONEJ TEMPERATURZE

Stale stopowe do pracy w temperaturze podwyższonej do ok. 600°C są stoso-

wane w energetyce na urządzenia ciśnieniowe, głównie na walczaki kotłów paro-
wych, rury kotłowe i przegrzewaczowe, do budowy turbin parowych, wodnych i ga-
zowych, na armatury kotłów i turbin, zbiorniki ciśnieniowe i inne urządzenia ener-
getyki konwencjonalnej i jądrowej oraz przemysłu chemicznego.

Ze względu na szczególne warunki pracy – oprócz określonych własności wy-

trzymałościowych i ciągliwych w temperaturze pokojowej – stale te cechują się

617

TEMPERATURA (°C)

0

t

g

300

200

100

100

200

300

400

500 600 700

R

e

< R

z/200 000

t

R

e

> R

z/200 000

t

R

e

min.

t

R

z/200 000

R

z/100 000

R

e

; R

1/1

00

000

; R

z/200

000

(MPa)

t

Rysunek 6.25

Zależność granicy plastyczności R

e

t

, czasowej wytrzymałości na pełzanie R

z/

τ

/t

i czasowej granicy pełzania R

x/

τ

/t

stali 10CrMo9–10 od temperatury badania, t

g

– temperatura graniczna

6 rozB 8-11-02 16:46 Page 617

wymaganymi własnościami w temperaturze podwyższonej. Zjawiska zachodzące
w stali w temperaturze podwyższonej powodują bowiem z reguły zwiększenie pla-
styczności, w wyniku czego odkształcenie trwałe zależy od trzech czynników: naprę-
żenia, czasu działania obciążenia i temperatury. Gdy czynnik czasu nie działa jesz-
cze istotnie na odkształcenie trwałe stali, podstawę do oceny własności stali stano-
wi granica plastyczności R

t

e

lub R

t

p0,2

albo wytrzymałość R

t

m

(rys. 6.25), wyznaczane

w próbie rozciągania w temperaturze t. W temperaturze wyższej od temperatury gra-
nicznej t

g

(rys. 6.25) stałe obciążenie powoduje ciągle postępujące odkształcenie

konstrukcji wskutek pełzania, aż do jej zniszczenia. Podstawę do obliczeń konstruk-
cji stanowi wówczas czasowa wytrzymałość na pełzanie R

z/

τ

/t

lub czasowa granica

pełzania R

x/

τ

/t

(rys. 6.25), wyznaczane w długotrwałych próbach pełzania.

Sprężyście obciążone elementy maszyn i połączeń, pracujące w podwyższonej

temperaturze przez długi czas bez zmiany wymiarów w kierunku działania siły,
np. połączenia skurczowe, sprężyny, połączenia śrubowe lub złącza kołnierzowe
przewodów parowych, ulegają relaksacji, polegającej na zaniku naprężeń spręży-
stych niezbędnych do utrzymania trwałości połączenia lub utrzymania szczelno-
ści złącza.

Wiele elementów urządzeń energetycznych, np. łopatki turbin lub wirniki,

w podwyższonej temperaturze podlegają ponadto działaniu naprężeń zmęczenio-
wych. Próby zmęczeniowe stanowiące podstawę doboru materiałów na te elemen-
ty są wykonywane przy liczbie cykli N

G

= 10

8

, większej niż w temperaturze pokojo-

wej. W zależności od temperatury i czasu działania obciążenia naprężenia zmęcze-
niowe powodują dodatkowo pełzanie, zwane dynamicznym lub relaksacją. W za-
kresie temperatury 400÷460°C pełzanie dynamiczne ma istotne znaczenie ze
względu na mniejsze wartości czasowej wytrzymałości na pełzanie od wytrzymało-
ści zmęczeniowej w tym zakresie temperatury.

Urządzenia energetyczne podlegają ponadto niskocyklowemu zmęczeniu ciepl-

nemu wywołanemu szybkim nagrzewaniem i chłodzeniem elementów urządzeń
energetycznych, przy liczbie cykli 10÷10

6

. Ulegają także korozji, pogarszającej wła-

sności materiału zwłaszcza w wysokiej temperaturze.

Najważniejszymi czynnikami podczas doboru stali do pracy w podwyższonej

temperaturze są temperatura pracy, wymagane własności w warunkach pracy oraz
rodzaj środowiska.

SKŁAD CHEMICZNY STALI STOPOWYCH

DO PRACY W PODWYŻSZONEJ TEMPERATURZE

Ze względu na skład chemiczny stale stopowe do pracy w podwyższonej tem-

peraturze dzieli się na:

niskowęglowe, o stężeniu do 0,25% C,
średniowęglowe – o stężeniu węgla większym niż 0,25%,
niskostopowe – o małym i średnim stężeniu węgla i łącznym stężeniu pierwiast-
ków stopowych nieprzekraczającym 3%,
średniostopowe – o średnim stężeniu węgla i stężeniu pierwiastków stopowych
w zakresie 3÷5%,
wysokostopowe – o dużym stężeniu pierwiastków stopowych, przekraczającym
5% – w tym głównie Cr powyżej 10%.

6. Stale i inne stopy żelaza

618

6 rozB 8-11-02 16:46 Page 618

Do najważniejszych pierwiastków stopowych polepszających własności wytrzy-

małościowe w wysokiej temperaturze oraz odporność na pełzanie należą Cr, Mo
i V. Odporność na utlenianie w podwyższonej temperaturze polepsza głównie Cr.
Stale zawierające 1÷2,5% Cr mogą być stosowane w temperaturze do ok. 580°C.
Zwiększenie stężenia Cr nawet do 13% nie wpływa znacząco na zmianę czasowej
wytrzymałości stali na pełzanie. Dopiero dodatek węglikotwórczych pierwiastków
stopowych, głównie Mo, a szczególnie V, a także W, Ti i Nb, przyczynia się do
znacznego zwiększenia własności wytrzymałościowych oraz zwiększenia czasowej
wytrzymałości na pełzanie. Skład chemiczny stali o określonych własnościach
w podwyższonej temperaturze, dostarczanych w postaci odkuwek (według normy
PN-EN 10222-2:2002), produktów płaskich (według PN-EN 10028-2:1996) lub
prętów (według PN-EN 10273:2002U) i przeznaczonych na urządzenia ciśnienio-
we zestawiono w tablicy 6.55. Stale te należą do klasy jakości stali stopowych spe-
cjalnych i są oznaczane zgodnie z zasadami podanymi w rozdz. 6.1.5 (tabl. 6.8).

Pręty ze stali spawalnych o określonych własnościach w podwyższonej temperatu-
rze są wytwarzane także ze stali klasyfikowanych na podstawie wymaganej mini-
malnej granicy plastyczności (sposób oznaczania według tabl. 6.7). Orientacyjny
skład chemiczny tych stali podano w tablicy 6.56.

Wymagania dotyczące krajowych stali do pracy w podwyższonej temperaturze

są podane w dotychczasowej normie PN-75/H-84024.

6.7. Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach

619

Znak stali

Stężenie pierwiastków

1)

, %

C

Mn

Si

Cr

Ni

Mo

V

Al

inne

16Mo3

0,16

0,65

≤0,35

–

–

0,3

–

–

–

14MoV6–3

0,14

0,55

≤0,4

0,45

–

0,6

0,25

≤0,02

Sn ≤0,025

15MnMoV4–5

≤0,18

1,15

≤0,4

–

–

0,5

0,06

–

–

18MnMoNi5–5

≤0,2

1,35

≤0,4

–

0,65

0,5

≤0,03

–

–

15MnCrMoNiV5–3

≤0,17

1,25

≤0,4

0,75

0,5

0,28

0,08

–

–

13CrMo4–5

0,13

0,7

≤0,35

0,95

–

0,5

–

–

–

11CrMo9–10

0,11

0,6

≤0,5

2,25

–

1

–

–

–

X16CrMo5–1

≤0,18

0,55

≤0,4

5

–

0,55

–

–

–

X10CrMoVNb9–1

0,1

0,45

≤0,5

8,8

≤0,4

0,95

0,22

≤0,04

Nb: 0,08,

N: 0,05

X20CrMoV11–1

0,2

0,65

≤0,4

11,3

0,55

1

0,28

–

–

1)

P ≤0,025, S ≤0,015, Cr ≤0,3, Cu ≤0,3, Ni ≤0,3, Mo ≤0,08, V ≤0,02, Nb ≤0,01, Cr + Cu + Mo ≤0,5;

wartości bez znaku ≤ oznaczają stężenie średnie.

Tablica 6.55

Orientacyjny skład chemiczny stali stopowych do pracy w podwyższonej temperaturze, przeznaczonych
na urządzenia ciśnieniowe

6 rozB 8-11-02 16:46 Page 619

OBRÓBKA CIEPLNA I STRUKTURA STALI

DO PRACY W PODWYŻSZONEJ TEMPERATURZE

Uzyskanie wymaganych własności i struktury staje się możliwe dzięki obróbce

cieplnej, polegającej – w zależności od gatunku stali – na wyżarzaniu normalizują-
cym (+N), hartowaniu i odpuszczaniu (ulepszaniu cieplnym, +QT) lub wyżarzaniu
normalizującym i odprężającym (+NT)

*)

. W oznaczeniu obróbki cieplnej blach,

taśm i prętów wyróżnia się ponadto stan zahartowany w powietrzu (+QA) lub
w cieczy chłodzącej (+QL). Produkty hutnicze dostarczane w stanie wyżarzonym
mają znak stali zakończony symbolem +A.

Ze względu na strukturę stale stopowe do pracy w podwyższonej temperaturze

można podzielić na:

ferrytyczno–perlityczne,
ferrytyczno–bainityczne,
o strukturze martenzytu wysokoodpuszczonego.
Stale należące do dwóch pierwszych grup, ze względu na przeważający udział

ferrytu, nazywa się w skrócie ferrytycznymi, natomiast stale grupy trzeciej są
w skrócie określane jako martenzytyczne.

Po obróbce cieplnej stale do pracy w podwyższonej temperaturze uzyskują wła-

sności, które według wymagań normy PN-EN 10222-2:2002 zestawiono w tablicy
6.57. Własności te zmniejszają się wraz ze zwiększeniem grubości przekroju pro-
duktu, dlatego też większość elementów o grubości równoważnej ponad 70 mm za-
leca się stosować w stanie ulepszonym cieplnie. Niektóre własności mechaniczne
stali klasyfikowanych na podstawie ich minimalnej granicy plastyczności podano
w tablicy 6.56.

6. Stale i inne stopy żelaza

620

Znak

stali

Maksymalne stężenie pierwiastków

1)

, %

Minimalne własności mechaniczne

2)

C

Si

Mn

Cr

Ni

Mo

V

Nb

Ti

Zr

R

eH

(R

p0,2

),

MPa

R

m

,

MPa

A,

%

R

p0,2

, MPa

w 250°C

w 300°C

P460NH

0,2

0,6

1,7

0,3

0,8

0,1

0,2

0,05

0,03

–

460

570

17

314

294

P355QH

0,16

0,4

1,5

0,3

0,5

0,25

0,06

0,05

0,03

0,05

355

490

22

235

215

P460QH

0,18

0,5

1,7

0,5

1

0,5

0,08

0,05

0,03

0,05

460

550

19

360

340

P500QH

0,18

0,6

1,7

1

1,5

0,7

0,08

0,05

0,05

0,15

500

590

17

400

380

P690QH

0,2

0,8

1,7

1,5

2,5

0,7

0,12

0,06

0,05

0,15

690

770

14

575

570

1)

Stal P460NH: P ≤0,03, S ≤0,025, N ≤0,025, Al ≥0,02, Cu ≤0,7;

stale P...QH: P ≤0,025, S ≤0,015, N ≤0,015, Al ≥0,015, Cu ≤0,3, B ≤0,005.

2)

Próbki z prętów o średnicy

lub grubości ≤16 mm; KV (w

–20°C) ≥40 J.

Tablica 6.56

Orientacyjny skład chemiczny i własności prętów ze stali stopowych spawalnych na urządzenia ciśnieniowe
do pracy w temperaturze podwyższonej

*)

W normach PN-EN 10028-2:1996, PN-EN 10222-2:2002 oraz PN-EN 10273:2002U obróbka
ta jest nieprawidłowo określana jako wyżarzanie normalizujące i odpuszczanie, jednakże od-
puszczanie wykonuje się jedynie po hartowaniu.

6 rozB 8-11-02 16:46 Page 620

6.7.2. Stale żaroodporne i żarowytrzymałe

ŻAROODPORNOŚĆ I ŻAROWYTRZYMAŁOŚĆ

Od stali i stopów pracujących w wysokiej temperaturze w zakresie powyżej

550°C wymaga się dużej żaroodporności i żarowytrzymałości.

Żaroodporność to odporność stopu na działanie czynników chemicznych, głów-

nie powietrza oraz spalin i ich agresywnych składników w temperaturze wyższej niż
550°C. Żaroodporność jest ściśle związana ze skłonnością stali do tworzenia zgo-
rzeliny (porównaj rozdz. 5.8.5÷5.8.8). Zgorzelina powinna stanowić ciągłą war-
stwę, dokładnie przylegającą do metalicznego rdzenia, co utrudnia dyfuzję utlenia-
cza i jonów metalu. Wymagania te spełniają niskowęglowe stale o jednofazowej
strukturze ferrytu lub austenitu, o dużym stężeniu chromu i niklu oraz dodatkowo
krzemu i aluminium.

Żarowytrzymałością jest nazywana odporność stopu na odkształcenia, z czym

wiąże się zdolność do wytrzymywania obciążeń mechanicznych w wysokiej tempe-
raturze – powyżej 550°C. Żarowytrzymałość w temperaturze wyższej od 550°C jest
uzależniona głównie od odporności na pełzanie (rys. 6.25). Dużą żarowytrzyma-
łość wykazują więc stale o strukturze austenitycznej – ze względu na mniejsze
współczynniki dyfuzji niż w ferrycie (porównaj rozdz. 6.3.2), o znacznej wielkości
ziarn i z dyspersyjnymi wydzieleniami faz, głównie na granicach ziarn.

6.7. Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach

621

Znak stali

Temperatura, °C

Minimalne własności mechaniczne

1)

normalizowania

lub hartowania

odprężania lub
odpuszczania

R

m

,

MPa

R

eH

(R

p 0,2

),

MPa

A

2)

,

%

KV

2)

,

J

R

p0,2

, MPa

R

z/100000/500

3)

,

MPa

w 400°C

w 500°C

16Mo3

890÷960

620÷700

490

295

21

34

160

150

93

14MoV6–3

950÷990

670÷720

460

300

18

27

209

200

193

15MnMoV4–5

875÷925

600÷675

510

345

21

40

235

–

78

18MnMoNi5–5

850÷925

625÷675

550

400

20

40

310

–

–

15MnCrMoNiV5–3

900÷950

625÷675

560

370

17

40

288

269

139

13CrMo4–5

890÷950

630÷740

440

295

18

27

190

175

137

11CrMo9–10

900÷980

670÷770

520

310

20

34

195

175

135

X16CrMo5–1

925÷975

690÷750

640

420

14

27

306

256

113

X10CrMoVNb9–1

1040÷1090

730÷780

630

450

17

27

340

300

258

X20CrMoV11–1

1020÷1070

730÷780

700

500

14

27

360

290

236

1)

Odkuwki o grubości równoważnej ≤35 mm.

2)

Próbki poprzeczne.

3)

Wartość średnia czasowej wytrzymałości na pełzanie.

Tablica 6.57

Orientacyjne warunki obróbki cieplnej oraz niektóre własności mechaniczne stali stopowych
do pracy w podwyższonej temperaturze, przeznaczonych na urządzenia ciśnieniowe

6 rozB 8-11-02 16:46 Page 621

PIERWIASTKI WPŁYWAJĄCE NA ŻAROODPORNOŚĆ STALI

Chrom jest podstawowym pierwiastkiem zwiększającym żaroodporność stali.

Dodatek ok. 5% Cr zapewnia odpowiednią żaroodporność w temperaturze
600÷650°C. Zwiększenie stężenia tego pierwiastka powoduje wzrost żaroodporno-
ści do ok. 1100°C przy stężeniu ok. 30% Cr w stali. Dodatki Si i Al, mimo analo-
gicznego wpływu na żaroodporność, są dodawane w ograniczonym stężeniu – od-
powiednio ok. 3 i 2,5% ze względu na niekorzystny wpływ na własności plastyczne
stali i obniżanie podatności na obróbkę plastyczną. Dodatki V i Mo wywierają nie-
korzystny wpływ na żaroodporność stali. Tlenki wanadu bowiem łatwo ulegają sto-
pieniu, natomiast tlenki molibdenu utleniają się. Nikiel nie jest samodzielnie sto-
sowany, gdyż nie zwiększa żaroodporności stali.

PIERWIASTKI WPŁYWAJĄCE NA ŻAROWYTRZYMAŁOŚĆ STALI

Nikiel przy stężeniu 9%, w obecności ok. 18% Cr, powoduje tworzenie trwałej

struktury austenitycznej, co decyduje o zwiększeniu żarowytrzymałości stali. Żaro-
wytrzymałość podwyższają pierwiastki stopowe zwiększające energię wiązania ato-
mów sieci roztworu stałego, a więc podwyższające temperaturę topnienia i rekry-
stalizacji, do których należą Mo, W, V, Co, a także Ti, Cr i Si. Żarowytrzymałość
jest ponadto zwiększana w wyniku umocnienia zgniotowego oraz utwardzania wy-
dzieleniowego. Natomiast obniżenie żarowytrzymałości następuje wskutek poligo-
nizacji i rekrystalizacji stali uprzednio odkształconej plastycznie na zimno oraz ko-
agulacji wydzieleń faz. Dodatek pierwiastków silnie węglikotwórczych, tj. Ti, Nb
lub Ce, powoduje utworzenie twardych węglików lub węglikoazotków. Stężenie wę-
gla w tych stalach – ze względu na zapewnienie odpowiedniej spawalności – jest
ograniczone do ok. 0,25%.

SKŁAD CHEMICZNY I ZNAKOWANIE STALI

ŻAROODPORNYCH I ŻAROWYTRZYMAŁYCH

Skład chemiczny i podstawowe własności stali żaroodpornych i żarowytrzyma-

łych (według EN 10095:1999) podano w tablicy 6.58. Należą one w większości do
klasy stali nierdzewnych oraz do stali stopowych specjalnych (porównaj rozdz.
6.1.4) i są dostarczane w postaci blach, taśm, prętów i kształtowników walcowa-
nych na gorąco i na zimno. Stale żaroodporne i żarowytrzymałe oznacza się we-
dług zasad obowiązujących dla stali stopowych, których podstawą klasyfikacji jest
skład chemiczny oraz przynajmniej jeden z pierwiastków stopowych dodano w stę-
żeniu przekraczającym 5%. Znak stali składa się z litery X, liczby oznaczającej
średnie stężenie węgla w setnych częściach %, symboli chemicznych pierwiastków
stopowych oraz liczb (rozdzielonych kreskami), podających średnie stężenie głów-
nych pierwiastków stopowych w %. Znak stali może być uzupełniony symbolem
oznaczającym sposób wykonania produktu hutniczego, jego obróbki cieplnej i wy-
kończającej.

Krajowe stale żaroodporne i żarowytrzymałe zestawiono w dotychczasowej

normie PN-71/H-86022.

6. Stale i inne stopy żelaza

622

6 rozB 8-11-02 16:46 Page 622

6.7. Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach

623

Znak stali

Stężenie pierwiastków

1)

, %

R

z/10000

2)

,

MPa

Żaroodporne

w powietrzu

do temp.,

°C

C

Mn

Si

Cr

Ni

N

inne

700°C 800°C

Stale ferrytyczne

X10CrAlSi7

≤0,12

≤1

0,75

7

–

–

Al: 0,75

9,5

4,3

800

X10CrAlSi13

≤0,12

1,05

13

–

–

Al: 0,95

850

X10CrAlSi18

≤0,12

1,05

18

–

–

Al: 0,95

1000

X10CrAlSi25

≤0,12

1,05

24,5

–

–

Al: 1,45

1150

X18CrN28

0,18

≤1

27,5

–

0,2

–

1100

X3CrAlTi18–2

≤0,04

≤1

17,5

–

–

Al: 1,9,

Ti: 0,2 + 4

⋅

(C + N)÷0,8

1000

Stal austenityczno-ferrytyczna

X15CrNiSi25-4

0,15

≤2

1,15

25,5

4,5

≤ 0,11

–

9,5

4,3

1100

Stale austenityczne

X8CrNiTi18–10

≤0,1

≤2

≤1

18

10,5

–

Ti: 5

⋅

C÷0,8

48

15

850

X15CrNiSi20–12

≤0,2

≤2

2

20

12

≤0,11

–

36

18

1000

X9CrNiSiNCe21–11–2

0,09

≤1

2

21

11

0,16

Ce: 0,05

63

27

1150

X12CrNi23–13

≤0,15

≤2

≤1

23

13

≤0,11

–

36

18

1000

X8CrNi25–21

≤0,1

≤2

≤1,5

25

20,5

≤0,11

–

40

18

1050

X15CrNiSi25–21

≤0,2

≤2

2

25

20,5

≤0,11

–

40

20

1150

X6CrNiSiNCe19–10

0,06

≤1

1,5

19

10

0,16

Ce: 0,05

63

25

1050

X25CrMnNiN25–9–7

0,25

9

≤1

25

7

0,3

–

45

12

1150

X12NiCrSi35–16

≤0,15

≤2

1,5

16

35

≤0,11

–

45

20

1100

X10NiCrAlTi32–21

≤0,12

≤2

≤1

21

32

–

Al: 0,4, Ti: 0,4

68

30

1100

X6NiCrNbCe32–27

0,06

≤1

≤0,3

27

32

≤0,11

Ce: 0,07, Nb: 0,8,

Al ≤0,025

80

24

1150

X6NiCrSiNCe35–25

0,06

≤2

1,6

25

35

0,16

Ce: 0,05

56

28

1170

X10NiCrSi35–19

≤0,15

≤2

1,5

18,5

35

≤0,11

–

55

26

1100

X10NiCrSiNb35–22

≤0,15

≤2

1,5

21,5

35

≤0,11

Nb: 1,25

55

26

1100

1)

P ≤0,02÷0,045, S ≤0,01÷0,015; wartości bez znaku ≤ oznaczają stężenie średnie.

2)

Czasowa wytrzymałość na pełzanie.

Tablica 6.58

Orientacyjny skład chemiczny i niektóre własności stali żaroodpornych i żarowytrzymałych

6 rozB 8-11-02 16:46 Page 623

STRUKTURY

W zależności od składu chemicznego i struktury stale żaroodporne i żarowy-

trzymałe można podzielić na:

chromowe i chromowo–krzemowe – o strukturze ferrytyczno–perlitycznej
w stanie równowagi, hartujące się na martenzyt po ochłodzeniu w powietrzu,
wysokochromowe z dodatkiem aluminium i podwyższonym stężeniem krzemu
– o strukturze ferrytycznej z wydzieleniami węglików, głównie M

7

C

3

, o udziale

zależnym od stężenia węgla,
chromowo–niklowe (zawierające do ok. 5% Ni) – o strukturze ferrytyczno–au-
stenitycznej,
chromowo–niklowe (lub chromowo–niklowo–manganowe) – o strukturze au-
stenitycznej (z niewielkim udziałem węglików lub węglikoazotków),
chromowo–niklowe z dodatkiem krzemu – o strukturze austenitycznej z wy-
dzieleniami węglików, głównie M

23

C

6

.

WŁASNOŚCI I ZASTOSOWANIE

Orientacyjne dane dotyczące maksymalnej temperatury stosowania w atmosfe-

rze powietrza oraz czasowej wytrzymałości na pełzanie stali żaroodpornych i żaro-
wytrzymałych ujętych w EN 10095:1999 podano w tablicy 6.58. Stale ferrytyczne
uzyskują te własności po wyżarzaniu w temperaturze 780 do 930°C, natomiast au-
stenityczne – po przesycaniu w 1000 do 1150°C. Stale ferrytyczne są stosowane na
nieobciążone mechanicznie elementy aparatury chemicznej, pieców i kotłów prze-
mysłowych, elementy palników gazowych, skrzynie do nawęglania i inne. Stale au-
stenityczne o większej żarowytrzymałości są stosowane na podobne elementy, lecz
obciążone mechanicznie.

6.7.3. Stale zaworowe

PODSTAWOWE WŁASNOŚCI I SKŁAD CHEMICZNY

Szczególną grupę stali żarowytrzymałych, używanych na zawory w silnikach

spalinowych, stanowią stale zaworowe. Charakteryzują się one dużą odpornością
na korozję w atmosferze spalin, w temperaturze do ok. 750°C. Odporność tę za-
pewniają głównie dodatki Si i Cr, stąd nazwa tych stali – silchromy. Dużą twardość
i odporność na ścieranie zapewnia im stosunkowo duże stężenie węgla – 0,4÷0,6%.
Ponieważ stale o strukturze austenitycznej wykazują większą wytrzymałość w wy-
sokiej temperaturze, niż stale o strukturze martenzytycznej, część stali zaworo-
wych ma duże stężenie Cr i pierwiastków austenitotwórczych, tj. Ni, Mn i N. Do-
datki W i Mo powodują zwiększenie żarowytrzymałości i rozdrobnienie ziarn.
W stalach o strukturze martenzytycznej dodatki te powodują zwiększenie odpor-
ności na odpuszczanie i przeciwdziałają kruchości odpuszczania. Dodatek Nb lub
Ta w stalach austenitycznych sprzyja zwiększeniu odporności na ścieranie, co jest
związane z utworzeniem twardych węglików lub węglikoazotków tych pierwiastków
w stali. Najbardziej obciążone zawory silników spalinowych wykonuje się także
z niektórych stopów niklu (porównaj rozdz. 7.3.1).

6. Stale i inne stopy żelaza

624

6 rozB 8-11-02 16:46 Page 624

Stale zaworowe są zestawione w PN-EN 10090:2001 (tabl. 6.59). Należą do

stali stopowych specjalnych i są dostarczane w postaci prętów (walcowanych,
łuszczonych, szlifowanych, polerowanych), drutów, walcówki i odkuwek. Krajowe
stale zaworowe są także ujęte w jeszcze obowiązującej dotychczasowej normie
PN-71/H-86022.

OBRÓBKA CIEPLNA STALI ZAWOROWYCH

Stale chromowo–krzemowe o strukturze martenzytycznej (w stanie wyżarzo-

nym perlitycznej) poddaje się hartowaniu z temperatury 1000÷1080°C i odpusz-
czaniu w temperaturze 720÷820°C z chłodzeniem w powietrzu lub wodzie (co za-
pobiega kruchości odpuszczania). Strukturę stali obrobionej cieplnie stanowi
martenzyt wysokoodpuszczony. Po takiej obróbce cieplnej (+QT) stale martenzy-
tyczne osiągają minimalną granicę plastyczności R

p0,2

700÷800 MPa w ok.

20°C i 120÷170 MPa w 650°C. Stale o strukturze austenitycznej poddaje się
przesycaniu z temperatury 1140÷1200°C, z chłodzeniem w wodzie, i starzeniu
w temperaturze 760÷830°C (tabl. 6.59). W wyniku tej obróbki (+AT+T) otrzymu-
je się strukturę austenitu z dyspersyjnymi wydzieleniami węglików M

6

C i M

23

C

6

oraz węglikoazotków, np. (Nb,Ta)(C,N). Zapewnia to stalom tej grupy mini-
malną granicę plastyczności R

p0,2

550÷580 MPa w temperaturze pokojowej

i 210÷285 MPa w 650°C.

6.7. Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach

625

Znak stali

Stężenie pierwiastków

1)

, %

Temperatura obróbki cieplnej, °C

/sposób chłodzenia

2)

C

Mn

Si

Cr

Ni

inne

Stale martenzytyczne

hartowania

odpuszczania

X45CrSi9–3

0,45

≤0,6

3

9

≤0,5

–

1000÷1050/o

720÷820/p,w

X40CrSiMo10–2

0,4

≤0,8

2,5

10,5

≤0,5

Mo: 1

1000÷1050/o

X85CrMoV18–2

0,85

≤1,5

≤1

17,5

–

Mo: 2,3, V: 0,45

1050÷1080/o

Stale austenityczne

przesycania

starzenia

X55CrMnNiN20–8

0,55

8,5

≤0,25

20,5

2,2

N: 0,3

1140÷1180/w

760÷815/p

X53CrMnNiN21–9

0,53

9

≤0,25

21

3,9

N: 0,42

1140÷1180/w

760÷815/p

X50CrMnNiNbN21–9

0,5

9

≤0,45

21

4,5

W: 1,1, Nb + Ta: 2,1,

N: 0,5

1160÷1200/w

760÷815/p

X53CrMnNiNbN21–9

0,53

9

≤0,45

21

3,9

Nb + Ta: 2,5,

N: 0,45, C + N >0,9

1160÷1200/w

760÷850/p

X33CrNiMnN23–8

0,33

2,5

0,75

23

8

W ≤0,5, N: 0,3

1150÷1170/w

800÷830/p

1)

P ≤0,04÷0,045, S ≤0,03; wartości bez znaku ≤ oznaczają stężenie średnie.

2)

w, o, p – odpowiednio: woda, olej, powietrze.

Tablica 6.59

Orientacyjny skład chemiczny i warunki obróbki cieplnej stali zaworowych

6 rozB 8-11-02 16:46 Page 625

6. Stale i inne stopy żelaza

626

626

1

2

3

4

5

6

7

6 rozB 8-11-02 16:46 Page 626

6.7. Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach

627

627

Ciężkie specjalistyczne pojazdy strażackie na podwoziu Volvo FM12 (1) oraz pomocy drogowej na podwoziu
Scania (2) zbudowane są głównie ze stali, podobnie jak najcięższe wywrotki kolebkowe do przewozu urobku
w kopalniach surowców skalnych (3) oraz potężne pociągi drogowe złożone z ciągnika i licznych przyczep,
stosowane do przewozu różnych ładunków po bezdrożach Australii (4). Wśród wielu różnych pojazdów specjali-
stycznych można wyróżnić samochód kampingowy marki „Ford”, w wytworzeniu którego wykorzystano oprócz
blach stalowych także tłoczywa arkuszowe SMC (5). Autobusy wielu firm mają poszycia i dachy wykonane
z blach stalowych, ale częściowo także z tłoczywa arkuszowego SMC lub podobnych (6)

÷

(12),

a ważnym materiałem są także szyby szklane, ze względu na wymagania wytrzymałościowe, wykonywane jako
kompozyty warstwowe laminowane z tafli szklanych i folii polimerowych. Wśród autobusów można wyróżnić
miejski, np. firm „Star” (6), marek „Mercedes” (7), „Jelcz” (8), a także międzymiastowe i wycieczkowe m.in. firm
„Setar” (9), „Iveco” (10), a także firmy „MAN” (11) (12), w tym dwupoziomowe. Elementy konstrukcyjne samo-
chodów ciężarowych i autobusów wykonywane są ze stali.

12

8

9

10

11

6 rozB 8-11-02 16:46 Page 627

6.7.4. Stale i stopy oporowe

WŁASNOŚCI STALI I STOPÓW OPOROWYCH

Oddzielną grupę stopów żaroodpornych o szczególnych własnościach elek-

trycznych stanowią stopy oporowe, przeznaczone na elementy grzejne pieców i in-
nych urządzeń nagrzewających do obróbki cieplnej. Stale i stopy oporowe są pro-
dukowane w postaci drutów i taśm. Materiały te charakteryzują się następującymi
własnościami:

dużą opornością właściwą,
małym temperaturowym współczynnikiem oporności,
małym temperaturowym współczynnikiem rozszerzalności,
małą przewodnością cieplną,
wysokimi własnościami mechanicznymi w temperaturze pokojowej,
dużą odpornością na pełzanie w wysokiej temperaturze,
dużą odpornością na korozję gazową.
Odporność na pełzanie i odporność korozyjna decydują przede wszystkim

o trwałości elementów grzejnych.

KLASYFIKACJA MATERIAŁÓW OPOROWYCH

Materiały oporowe można podzielić na trzy podstawowe grupy:
stale i stopy oporowe,
metale wysokotopliwe, jak Mo, W, Ta, Pt, stosowane tylko w niektórych przy-
padkach,
materiały ceramiczne niemetalowe – w tym węglik krzemu (tzw. silit), dwukrze-
mek molibdenu (tzw. superkanthal) i węgiel (grafit).

SKŁAD CHEMICZNY I WŁASNOŚCI STALI I STOPÓW OPOROWYCH

Stale i stopy oporowe można podzielić ze względu na skład chemiczny i struk-

turę na:

niklowo–chromowe o strukturze austenitycznej (tzw. chromonikieliny lub
nichromy) – z dodatkiem Fe, a także niedużymi dodatkami Mn i Si, zawie-
rające kilka setnych części procentu węgla (w postaci drutów według dotych-
czasowej normy PN-87/H-92610 i taśm według dotychczasowej normy PN-
83/H-92336, tabl. 6.60),
żelazowo–chromowo–aluminiowe o strukturze ferrytycznej (tzw. ferchromale
lub fechrale), zawierające niewielkie dodatki Mn i Si oraz kilka setnych części
procentu węgla (tabl. 6.60).
Temperatura pracy stopów austenitycznych sięga 1200°C. Około 50% dodatek

Fe do tych stopów obniża temperaturę pracy do ok. 1050°C. Wytrzymałość
w wysokiej temperaturze stali i stopów austenitycznych jest większa niż ferrytycz-
nych. Oporność elektryczna stali ferrytycznych jest większa niż austenitycznych
i tylko nieznacznie zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury. Oporność elek-
tryczna jest praktycznie stała w zakresie temperatury 20÷1200°C, wykazując jed-
nak większą zależność od temperatury wraz ze zwiększeniem stężenia Fe w stopie.
Stopy ferrytyczne mogą być stosowane w temperaturze 1200÷1300°C.

6. Stale i inne stopy żelaza

628

6 rozB 8-11-02 16:46 Page 628

6.7.5. Nadstopy i stopy wysokożarowytrzymałe

SKŁAD CHEMICZNY I PODZIAŁ

NADSTOPÓW I STOPÓW ŻAROWYTRZYMAŁYCH

Stopy żelaza zawierające więcej niż ok. 50% dodatków stopowych noszą nazwę

nadstopów. Stopy te zawierają Cr, co zapewnia im żaroodporność, oraz Nb, Zr, Ti,
Al i N, umożliwiające utwardzanie wydzieleniowe.

Nadstopy żarowytrzymałe dzieli się na następujące grupy:
stopy na osnowie Fe, zawierające Cr i Ni,
stopy złożone Fe–Cr–Ni–Co,
stopy na osnowie Co bez Fe, zawierające Cr, Ni, Mo, W,
stopy na osnowie Ni, zawierające Cr, niekiedy Co, a także niewielkie dodatki
Mo, Ti, Al, Zr, B.

Orientacyjny skład chemiczny niektórych zagranicznych gatunków nadstopów

żarowytrzymałych podano w tablicy 6.61, natomiast znormalizowanych w kraju
stopów Fe–Ni–Cr (według PN-ISO 9722:2000) – w tablicy 6.62.

WŁASNOŚCI, ZASTOSOWANIE I OBRÓBKA CIEPLNA

NADSTOPÓW I STOPÓW ŻAROWYTRZYMAŁYCH

Nadstopy żarowytrzymałe są stosowane w temperaturze wyższej niż żarowy-

trzymałe stale austenityczne, tj. wyższej od 750°C, a nawet 1000°C (rys. 6.26). Sto-
py te są stosowane głównie na łopatki, wirniki oraz dysze turbin parowych i silni-
ków odrzutowych.

6.7. Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach

629

Znak stopu

1)

Stężenie głównych pierwiastków

2)

, %

Struktura

Maksymalna

temp. pracy, °C

Oporność właściwa

w 20°C,

Ω⋅

mm

2

/m

C

Fe

Cr

Ni

Al

Si

H13J4 (X12CrAl13–4)

≤0,15

reszta

13

≤0,5

4,5

0,5

ferryt

1050

1,26

H17J5 (X8CrAl17–5)

≤0,1

reszta

17

≤0,5

5

0,5

1200

1,34

H20J5 (X8CrAl20–5 )

≤0,1

reszta

20

≤0,5

5

0,5

1250

1,35

0H23J5 (X5CrAl23–5 )

≤0,06

reszta

23

≤0,5

5,5

0,5

1280

1,4

NH19 (NiCr20Si)

≤0,09

–

20

reszta

0,15

1

austenit

1200

1,07

NH30Pr (NiCr30Si)

≤0,09

–

30

reszta

0,15

0,8

1230

1,15

N50H18S (NiFe31Cr18Si)

≤0,08

reszta

18

50

0,2

1,2

1100

1,09

1)

Stopy ferrytyczne mają znak podany w nawiasie zgodny z zasadami zawartymi w PN-EN 10027-1:1994

(porównaj rozdz. 6.1.5), a stopy niklu – w ISO/TR 9721:1992 (porównaj rozdz. 7.3.1).

2)

Wartości bez znaku ≤ oznaczają stężenie średnie.

Tablica 6.60

Orientacyjny skład chemiczny, struktura i własności stopów oporowych

*)

*)

W rozdziale 6 zaznaczono czerwonym drukiem tytuł tablicy (lub dane normy PN), jeśli tabli-
ca zawiera informacje o materiałach, które nie są ujęte w opracowanych dotychczas normach
europejskich EN.

6 rozB 8-11-02 16:46 Page 629

Nadstopy żarowytrzymałe charakteryzują się dużymi własnościami wytrzyma-

łościowymi w wysokiej temperaturze, w szczególności – dużą wytrzymałością na
pełzanie. W większości są one umacniane w wyniku wydzielania faz o dużej dys-
persji. Obróbka cieplna nadstopów żarowytrzymałych polega więc na przesycaniu
i starzeniu. Zwiększenie trwałości nadstopów uzyskuje się także w wyniku wytwo-
rzenia na ich powierzchni powłok żaroodpornych.

6. Stale i inne stopy żelaza

630

Grupa

nadstopów

lub stopów

Nazwa stopu lub

nadstopu

Średnie stężenie pierwiastków, %

Maksymalna

temperatura

pracy, °C

C

Fe

Cr

Ni

Co

W

Mo

inne

Nadstopy
Fe–Cr–Ni

Timken

0,1

53

16

25

–

–

6

N: 0,15

800

Discalloy 24

0,04

55

14

26

–

–

3

Ti: 2, Al: 0,1

Tinidur

0,1

53

14

30

–

–

–

Ti: 2,5, Al: 0,3

Nadstopy
Fe–Cr–Ni–Co

G18B

0,4

50

13

13

10

2,5

2

Nb: 3

900

Multimet

0,15

32

21

20

20

2,5

3

Nb: 1

Stopy
Co–Cr–Ni

S-816

0,4

3

20

20

42

4

4

Nb: 4

950

HS-21

0,25

1

27

3

62

–

5

–

HA-25

0,15

1

20

10

52

15

–

–

Stopy Co–Cr Stellit (ciągliwy)

1

–

30

–

65

4

–

–

1000

Stopy Ni–Cr

Nimonic 75

0,15

5

20

75

–

–

–

Ti: 0,4

1000

Nimonic 115

0,2

1

15

55

15

–

4

Al: 5, Ti: 4, Zr: 0,2

Tablica 6.61

Orientacyjny skład chemiczny i własności wybranych nieznormalizowanych zagranicznych nadstopów
i stopów żarowytrzymałych

*)

Znak stopu

Stężenie pierwiastków

1)

, %

C

Fe

Ni

Cr

Mo

Mn

Cu

Al

Ti

inne

FeNi31Cr27Mo4Cu1

≤0,03

35

32

27

3,5

≤2,5

1

–

–

–

FeNi32Cr21AlTi

≤0,1

44

32,5

21

–

≤1,5

≤0,7

0,4

0,4

–

FeNi32Cr21AlTi–HC

0,08

44

32,5

21

–

≤1,5

≤0,7

0,4

0,4

–

FeNi32Cr21AlTi–HT

0,08

43,5

32,5

21

–

≤1,5

≤0,7

0,5

0,5

Al + Ti: 1

FeNi32Cr21Ti

≤0,1

45

32

20,5

–

≤1,5

≤0,5

–

1,1

–

FeNi35Cr20Cu4Mo2

≤0,07

37,5

35

20

2,5

≤2

3,5

–

–

Nb + Ta: 0,6

1)

P ≤0,03÷0,04, S ≤0,015÷0,03, Si ≤1; wartości bez znaku ≤ oznaczają stężenie średnie.

Tablica 6.62

Orientacyjny skład chemiczny stopów Fe–Ni–Cr

*)

Porównaj przypis do tablicy 6.60.

6 rozB 8-11-02 16:46 Page 630

6.7.6. Stale odporne na korozję

OGÓLNA KLASYFIKACJA

Przyjmując za kryterium podziału odporność na korozję, można wyróżnić:
stale trudno rdzewiejące (opisane w rozdz. 6.4.6),
stale odporne na korozję.

Ze względu na strukturę, stale odporne na korozję dzieli się na:

ferrytyczne,
martenzytyczne,
martenzytyczne umacniane wydzieleniowo,
austenityczne,
ferrytyczno–austenityczne.

Stosuje się także podział stali odpornych na korozję uwzględniający ich skład che-
miczny, wyróżniając m.in. stale:

wysokochromowe,
chromowo–niklowe,
chromowo–niklowo–manganowe.
Stale wysokochromowe o strukturze ferrytycznej, ferrytyczno–martenzytycznej

lub martenzytycznej, są odporne głównie na korozję chemiczną (porównaj rozdz.
5.8.5), w tym na utlenianie w atmosferze powietrza, wody naturalnej i pary wodnej

6.7. Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach

631

TEMPERATURA (°C)

W

Y

TRZYMAŁ

OŚĆ C

ZASOW

A N

A PEŁZANIE, R

z/1

000

(MPa)

stopy na osnowie Ni

18%Cr 9%Ni 2%Mo

stopy na osnowie Co

16%Cr 13%Ni
2%Mo

12%Cr 1%Mo 1÷3%V

kute

obrobione
cieplnie

stopy Cr-Ni-Fe
i Cr-Ni-Co-Fe

12%Mo

1%Cr 1÷2%Mo

stopy Mo

stopy Ti

500

400

300

200

100

0

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Rysunek 6.26

Czasowa wytrzymałość na pełzanie R

z/1000/t

różnych metali i stopów żarowytrzymałych w zależności

od temperatury badania (według ASM–Metals Handbook)

6 rozB 8-11-02 16:46 Page 631

w niskiej i podwyższonej temperaturze, na działanie zimnych roztworów alkalicz-
nych, rozcieńczonych kwasów i soli, z wyjątkiem chlorków i jodków, oraz na dzia-
łanie ropy naftowej i jej par, paliw, olejów, alkoholi, a także środków spożywczych.

Stale chromowo–niklowe i chromowo–niklowo–manganowe, o strukturze au-

stenitycznej są odporne głównie na korozję elektrochemiczną (porównaj rozdz.
5.8.3 i 5.8.4) w środowisku kwasów nieorganicznych i organicznych, związków
azotu, roztworów soli i agresywnych środków spożywczych.

Stale odporne na korozję, należące do klasy stali nierdzewnych, są objęte nor-

mami PN-EN 10088-1:1998, PN-EN 10088-2:1999 oraz PN-EN 10088-3:1999. Na
podstawie tych norm opracowano tablice 6.63 do 6.67 zawierające dane o każdej
z grup stali odpornych na korozję. Wymagania dotyczące odkuwek oraz kutych
prętów i pierścieni z tych stali zawarto w normie PN-EN 10250-4:2001, natomiast
odkuwek, prętów i produktów płaskich na urządzenia ciśnieniowe – odpowiednio
w PN-EN 10222-5:2002, PN-EN 10272:2002U i PN-EN 10028-7:2002U. Stale od-
porne na korozję, zgodnie z normami europejskimi mają oznaczenie składające się
z litery X, liczby podającej średnie stężenie C w setnych częściach %, symboli głów-
nych pierwiastków stopowych, a za nimi liczb (rozdzielonych poziomą kreską) po-
dających średnie stężenie głównych pierwiastków stopowych w % (porównaj rozdz.
6.1.5). Zostanie unieważniona dotychczasowa norma PN-71/H-86020, także ujmu-
jąca stale odporne na korozję.

STALE FERRYTYCZNE WYSOKOCHROMOWE ODPORNE NA KOROZJĘ

Podstawowym dodatkiem stopowym w stalach odpornych na korozję jest

chrom. W stężeniu większym od 13% powoduje on zmniejszenie poniżej zera stan-
dardowego potencjału Fladego

*)

w porównaniu z wartością ok. 0,63 V, odpowiada-

jącą czystemu Fe (rys. 6.27). Stopy żelaza o stężeniu powyżej 13% Cr wykazują
więc większą skłonność do tworzenia warstw pasywnych, o trwałości większej niż
tworzonych na czystym żelazie. Decyduje to o znacznej odporności na korozję wy-
sokochromowych stopów żelaza. Chrom stabilizuje odmianę Fe

α

, ograniczając wy-

stępowanie austenitu. W stopach Fe–Cr maksymalna rozpuszczalność Cr w auste-
nicie wynosi 12%. Przy stężeniu większym od 12% Cr w stopach Fe–Cr w całym
zakresie od temperatury pokojowej do temperatury solidusu trwały jest ferryt. Wę-
giel powoduje przesunięcie zakresu występowania austenitu przy większym stęże-
niu Cr, zwiększając zakres obszaru dwufazowego

α

+

γ

(rys. 6.28). Stale o małym

stężeniu węgla poddaje się wyżarzaniu w temperaturze 680÷1000°C z chłodzeniem
w powietrzu lub wodzie. Stale te wykazują strukturę ferrytyczną, dobrą odporność
na korozję i wytrzymałość na rozciąganie 380÷750 MPa (tabl. 6.63, według PN-
EN 10088-1:1998). Ze względu na obecność C w stalach o strukturze ferrytycznej
mogą występować węgliki, w wysokiej temperaturze ulegające rozpuszczeniu
w roztworze stałym. Sprzyja to powstawaniu niewielkiej ilości austenitu, który

6. Stale i inne stopy żelaza

632

*)

Powierzchnia spasywowanego metalu, np. Fe, w elektrolicie o pH = 0 (porównaj rozdz. 5.8.4,
rys. 5.84) po przerwaniu przepływu prądu anodowego w krótkim czasie traci właściwości pa-
sywne, początkowo przez kilka sekund powoli, a po osiągnięciu charakterystycznego dla da-
nego metalu potencjału Fladego – gwałtownie, osiągając wartość odpowiadającą standardo-
wemu aktywnemu potencjałowi metalu, w tym przypadku – Fe.

6 rozB 8-11-02 16:46 Page 632

ulega następnie przemianie w martenzyt
podczas chłodzenia. Zmniejsza to plastycz-
ność i spawalność tych stali, powodując pęk-
nięcia. W celu uniknięcia tego zjawiska do
stali ferrytycznych dodaje się Ti w stężeniu
około pięciokrotnie większym od łącznego
stężenia C i N. Węgliki tytanu są trwałe do
znacznie wyższej temperatury – ok. 1150°C,
co uniemożliwia tworzenie się austenitu
podczas obróbki cieplnej. Oddziaływanie
podobne jak Ti mają dodatki Nb lub Zr
(tabl. 6.63). W niektórych gatunkach stali
o strukturze ferrytycznej występuje również
dodatek 0,1÷0,3% Al, stabilizujący ferryt, co
również zapobiega niekorzystnemu tworze-
niu się austenitu podczas obróbki cieplnej.
Gatunki mające podwyższone stężenie S po-
nad 0,15% cechują się dużą skrawalnością,
jednak ich odporność na korozję jest
zmniejszona.

6.7. Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach

633

STĘŻENIE MASOWE WĘGLA (%)

TEMPERA

TURA (°C)

1600

1500

1400

1300

1200

1100

1000

900

800

700

a)

L

L

L

L+

α

α

α

α

L+

α

L+

α

L+

α

+

γ

L+

α

+

γ

L+

α

+

γ

α

+

γ

+W

1

α

+

γ

+W

1

α

+

γ

+W

1

α

+

γ

+W

2

α

+

γ

+W

2

α

+

γ

+W

2

γ

+W

1

+W

2

γ

+W

1

+W

2

γ

+W

1

+W

2

γ

+W

1

γ

+W

1

γ

+W

1

α

+W

1

+W

2

α

+W

1

+W

2

α

+W

1

+W

2

α

+W

2

α

+W

2

α

+W

1

α

+W

1

α

+W

1

α

+

γ

α

+

γ

L+

γ

L+

γ

L+

γ

γ

γ

L+

γ

+W

2

L+

γ

+W

2

L+

γ

+W

1

L+

γ

+W

2

γ

+W

2

γ

+W

2

γ

+W

2

13%Cr

0

0,5

1,0

2,0

1,5

2,5

0

0,5

1,0

2,0

1,5

2,5

0

0,5

1,0

2,0

1,5

2,5

17%Cr

25%Cr

b)

c)

α

+

γ

Rysunek 6.28

Przekroje stężeniowe trójskładnikowego układu równowagi Fe–Cr–C przy stałym stężeniu
a) 13% Cr, b) 17% Cr, c) 25% Cr (według K. Bungardta, E. Horn i E. Kunze’go)
L – ciecz,

γ

– austenit,

α

– ferryt, W

1

– (Cr,Fe)

23

C

6

, W

2

– (Cr,Fe)

7

C

3

ST

AND

ARDOW

Y PO

TENC

J

AŁ FLADEGO (V)

STĘŻENIE MASOWE CHROMU (%)

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

–0,1

–0,2

5

0

10

15

20

25

30

100

Rysunek 6.27

Wpływ Cr na potencjał Fladego stali (według H.J. Rocha’ego
i G. Lennartza oraz P. Kinga i H.H. Uhliga)

6 rozB 8-11-02 16:46 Page 633

STALE MARTENZYTYCZNE WYSOKOCHROMOWE ODPORNE NA KOROZJĘ

Stale o stężeniu 13 i 17% Cr, przy stężeniu węgla większym od odpowiednio 0,1

i 0,05% w wysokiej temperaturze mają strukturę dwufazową

α

+

γ

, a przy jeszcze

większym stężeniu węgla – strukturę jednofazową

γ

(rys. 6.28). W stalach o stęże-

niu ok. 17% Cr obszar

γ

może być poszerzony po wprowadzeniu ok. 2% Ni. Wystę-

powanie austenitu w wysokiej temperaturze umożliwia hartowanie tych stali po
chłodzeniu w powietrzu w celu uzyskania struktury martenzytycznej i następne ich
odpuszczanie. Struktura martenzytu odpuszczonego zapewnia tym stalom większe
własności wytrzymałościowe, do ok. 1100 MPa (tabl. 6.64, według PN-EN 10088-
1:1998), przy nieco mniejszej odporności na korozję w porównaniu ze stalami wy-
sokochromowymi o strukturze ferrytycznej. Niektóre stale z tej grupy mają naj-
większe stężenie węgla, ok. 1%, wśród stali odpornych na korozję.

6. Stale i inne stopy żelaza

634

Znak stali

Stężenie pierwiastków

1)

, %

Temperatura

wyżarzania

2)

, °C

Wytrzymałość na rozciąganie,

R

m

, MPa

C

Cr

Mo

inne

X2CrNi12

≤0,03

11,5

–

Ni: 0,65

680÷760

450÷650

X2CrTi12

≤0,03

11,5

–

Ti: 6

⋅

(C + N)÷0,8

770÷830

380÷560

X6CrNiTi12

≤0,08

11,5

–

Ni: 1, Ti: 0,2

790÷850

450÷650

X6Cr13

≤0,08

13

–

–

750÷810

400÷600

X6CrAl13

≤0,08

13

–

Al: 0,2

750÷810

400÷60

X2CrTi17

≤0,025

17

–

Ti: 0,45

820÷880

380÷530

X6Cr17

≤0,08

17

–

–

750÷850

430÷630

X3CrTi17

≤0,05

17

–

Ti: 4

⋅

(C + N) + 0,15÷0,8

770÷830

420÷600

X3CrNb17

≤0,05

17

–

Nb: 12

⋅

C÷1,0

790÷850

420÷600

X6CrMo17–1

≤0,08

17

1,15

–

750÷850

450÷630

X6CrMoS17

≤0,08

17

0,4

S: 0,25

750÷850

450÷630

X2CrMoTi17–1

≤0,025

17

1,25

Ti: 0,45

820÷880

400÷550

X2CrMoTi18–2

≤0,025

18,5

2,15

Ti: 4

⋅

(C + N) + 0,15÷0,8

820÷880

400÷640

X2CrMoTiS18–2

≤0,03

18,3

2,25

Ti: 0,55, S: 0,25

800÷880

400÷640

X6CrNi17–1

≤0,08

17

–

Ni: 1,4

750÷810

650÷750

X6CrMoNb17–1

≤0,08

17

1,1

Nb: 7

⋅

(C + N) + 0,1÷1

800÷860

480÷560

X2CrNbZr17

≤0,03

16,8

–

Zr ≥7

⋅

(C + N) + 0,15

870÷930

400÷550

X2CrAlTi18–2

≤0,03

17,5

–

Ti: 4

⋅

(C + N) + 0,15÷0,8, Al: 1,9

870÷930

500÷650

X2CrTiNb18

≤0,03

18

–

Nb: 3

⋅

C + 0,3÷1, Ti: 0,45

870÷930

430÷630

X2CrMoTi29–4

≤0,025

29

4

Ti: 4

⋅

(C + N) + 0,15÷0,8

900÷1000

550÷700

1)

P ≤0,04, S ≤0,01÷0,03, Mn ≤0,5÷1,5, Si ≤0,5÷1;

wartości bez znaku ≤ oznaczają stężenie średnie.

2)

Chłodzenie po wyżarzaniu: w powietrzu

lub wodzie.

Tablica 6.63

Orientacyjny skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej i wytrzymałość ferrytycznych,
wysokochromowych stali odpornych na korozję

6 rozB 8-11-02 16:46 Page 634

STALE MARTENZYTYCZNE

UMACNIANE WYDZIELENIOWO ODPORNE NA KOROZJĘ

Stale odporne na korozję umacniane wydzieleniowo cechują się większymi wła-

snościami wytrzymałościowymi w porównaniu ze stalami o strukturze martenzytu
odpuszczonego umacnianego tylko wydzieleniami węglików. Skład chemiczny tych
stali (tabl. 6.65, według PN-EN 10088-1:1998) jest tak dobrany, aby przy małym
stężeniu węgla (poniżej 0,1%) umożliwić także wydzielanie faz międzymetalicz-
nych (np. Ni

3

Mo, NiAl

2

) z niskowęglowego martenzytu. Obróbka cieplna tych

stali polega na hartowaniu i odpuszczaniu

*)

. Podczas austenityzowania następuje

rozpuszczenie pierwiastków stopowych w osnowie austenitycznej, a podczas

6.7. Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach

635

Znak stali

Stężenie pierwiastków

1)

, %

Warunki obróbki cieplnej,

°C/ośrodek chłodzący

2)

Wytrzymałość na

rozciąganie, R

m

,

MPa

C

Cr

Mo

inne

hartowanie

odpuszczanie

X12Cr13

0,12

12,5

–

Ni ≤0,75

950÷1010/o,p

620÷780

550÷850

X12CrS13

0,12

13

≤0,6

S: 0,25

950÷1000/o,p

680÷780

650÷850

X20Cr13

0,2

13

–

–

950÷1050/o,p

200÷780

650÷950

X30Cr13

0,3

13

–

–

950÷1050/o,p

200÷730

800÷1000

X29CrS13

0,29

12,8

≤0,6

S: 0,2

950÷1050/o,p

625÷675

850÷1000

X39Cr13

0,39

13,5

–

–

1000÷1100/o,p

200÷350

3)

X46Cr13

0,46

13,5

–

–

3)

3)

3)

X14CrMoS17

0,14

16,5

0,4

S: 0,25

950÷1070

550÷650

650÷850

X39CrMo17–1

0,39

16,5

1,05

Ni ≤1

1000÷1100/o,p

200÷750

750÷950

X50CrMoV15

0,5

14,5

0,65

V: 0,15

3)

3)

3)

X70CrMo15

0,7

15

0,6

–

3)

3)

3)

X105CrMo17

1,03

17

0,6

–

3)

3)

3)

X90CrMoV18

0,9

18

1,1

V: 0,1

3)

3)

3)

X17CrNi16–2

0,17

16

–

Ni: 2

950÷1060/o,p

600÷800

800÷1050

X3CrNiMo13–4

≤0,05

13

0,5

Ni: 4, N ≥0,02

950÷1050/o,p,w

520÷700

650÷1100

X4CrNiMo16–5–1

≤0,06

16

1,05

Ni: 5, N ≥0,02

900÷1050/o,p,w

550÷620

760÷1100

1)

P ≤0,04, S ≤0,015÷0,03, Mn ≤1÷1,5, Si ≤0,7÷1;

wartości bez znaku ≤ oznaczają stężenie średnie.

2)

3)

w, o, p – odpowiednio: woda, olej, powietrze.

Brak danych.

Tablica 6.64

Orientacyjny skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej i wytrzymałość martenzytycznych wysokochromowych
stali odpornych na korozję

*)

Definicje obróbki cieplnej prowadzącej do umocnienia wydzieleniowego stali, zawarte w PN-
EN 10052:1999, są nieścisłe. W książce konsekwentnie tę operację, w czasie której po auste-
nityzowaniu zachodzi przemiana martenzytyczna, określa się jako hartowanie, pomimo że ni-
skowęglowy martenzyt cechuje się małą twardością. Następująca po hartowaniu operacja jest
odpuszczaniem.

6 rozB 8-11-02 16:46 Page 635