EWE III 2.19 1

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

STALE WYSOKOSTOPOWE

Odporne na pełzanie i żarotrwałe

EWE III

2 godz.

EWE III 2.19 2

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Materiały do pracy w podwyższonych i wysokich temperaturach:

•Stopy Al, Ti – 170-600

o

C

•Stale węglowe z dodatkami Cu, Mo, Ni, Ti, B – ferrytyczno-perlityczne , bainityczne, do 400

o

C

•Niskostopowe stale o wyższych zawartościach węgla z Cr, Mo, V, Ti, Nb, W

•Stale martenzytyczne 9-13%Cr T=560-600

o

C

•Stale austenityczne Cr-Ni T do 650

o

C

•Stale zaworowe

•Stopy Ni i Co,

•Materiały na osnowie faz międzymetalicznych: TiAl, NiAl.

EWE III 2.19 3

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Materiały na elementy maszyn, urządzeń przeznaczonych do pracy w wysokich
temperaturach muszą mieć następujące cechy:

-dużą odporność na działanie czynników chemicznych w podwyższonych
temperaturach, głównie gazów utleniających - żaroodporność, żarotrwałość,

- zdolność wytrzymywania obciążeń mechanicznych przy wysokich temperaturach -
żarowytrzymałość.

Czasem stosowanym określeniem obejmującym obie te własności jest żaroodporność.

UTLENIANIE (zgorzelinowanie)

Jest złożonym procesem cieplno-chemicznym, który zawiera:

-łączenie metalu z tlenem,

-dyfuzję atomów tlenu i metalu przez warstwę tlenków.

EWE III 2.19 4

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Szybkość utleniania zależna jest od temperatury:

Szybkość utleniania czystego żelaza gwałtownie wzrasta powyżej temp. 560

0

C. W

temperaturze tej zachodzi przemiana Fe

3

O

4

– FeO, o strukturze sieciowej podobnej

do NaCl umożliwiającej wzrost szybkości dyfuzji tlenu.

EWE III 2.19 5

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Wprowadzenie do stali pierwiastków Cr, Al., Si o większym powinowactwie do tlenu niż
Fe wpływa na tworzenie tlenków Cr

2

O

3

, Al

2

O

3

, SiO

2

silnie utrudniających dyfuzję tlenu, a

więc chroniących metal przed dalszym utlenianiem.

Stąd stosowanie Al, Cr, Si
w stalach żaroodpornych.

EWE III 2.19 6

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Im wyższa temperatura pracy elementu, tym większa zawartość pierwiastka stopowego
zapewniającego żaroodporność.

EWE III 2.19 7

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Wpływ Ni na odporność na utlenianie stali Cr

EWE III 2.19 8

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Odporność na utlenianie jest zależna od składu chemicznego ale nie zmienia
się znacznie wraz ze strukturą.

EWE III 2.19 9

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Żarowytrzymałość – zdolność do utrzymania własności mechanicznych w podwyższonych
temperaturach. Charakteryzują je:

-wytrzymałość trwała,

- wytrzymałość na pełzanie,

- granica pełzania.

Wzrost żarowytrzymałości stali otrzymuje się wskutek:

-umocnienie przez zgniot,

-zmiana struktury roztworu stałego – stopy ferrytyczne mają nieco niższą żarowytrzymałość niż
austenityczne. Wynika to z niższej temperatury rekrystalizacji ferrytu

-wzrost wielkość ziarna,

-wydzielanie się faz o dużej dyspersji czyli utwardzenie dyspersyjne.

-wprowadzenie pierwiastków stopowych zwiększającą energię wiązania atomów w sieci roztworu
stałego, a więc podwyższających temperaturę topnienia i rekrystalizacji (Mo, W, V, Co, Ti, Cr, Si).

EWE III 2.19 10

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Wyznaczenie temperatury krytycznej Tg przy eksploatacji materiału w podwyższonej temperaturze

EWE III 2.19 11

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Obniżenie żarowytrzymałości wywoływane jest przez:

-rekrystalizację obszarów odkształconych,

- koagulację wydzieleń faz,

- wydzielanie się faz o niższej wytrzymałości niż faza macierzysta, jak np. grafitu w

procesie rozpadu cementytu.

Stopy żarowytrzymałe

EWE III 2.19 12

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Wysokostopowe stale odporne na wysokie temperatury to stale:

-austenityczne,

-ferrytyczne,

-martenzytyczne.

-o strukturach mieszanych.

EWE III 2.19 13

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Stale martenzytyczne oraz ferrytyczne mają ograniczoną żarotrwałość, stąd coraz większe zastosowanie
stali austenitycznych.

EWE III 2.19 14

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Niestety, stale austenityczne podlegają zjawisku wydzielenia fazy sigma.

Postać fazy sigma: igły skutkujące obniżeniem udarności (wzrost kruchości).

EWE III 2.19 15

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

W wyższych temperaturach proces przemiany fazy

α w

fazę

σ maleje, a w temp. Powyżej 820

0

C następuje

rozpuszczenie fazy

σ w fazie α .

Bardzo twarda faza

σ zwiększa twardość stali:

Np.dla stali chromowej o zawartości 48%Cr o twardości
osnowy około 250HV, po przemianie

α – σ stal ma około

900HV.

Izotermiczne wytrzymanie stali w 780

0

C powoduje

wzrost HV w bardzo krótkim czasie, dla 800

0

C wzrost

HV jest powolny, a dla 820

0

C faza

σ jest stabilna i nie

powoduje to wzrostu HV.

Początek wydzielania fazy sigma – 650

0

C dla stali austenitycznej wyżarzonej,

- 500

0

C dla stali zgniecionej na zimno.

EWE III 2.19 16

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

EWE III 2.19 17

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Nowoczesne stale energetyczne do pracy w wysokich temperaturach, o zawartości Cr 8-13%

EWE III 2.19 18

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Cr – do 5% - zwiększa żaroodporność do T=650

o

C, do 30% nawet do T=1100

o

C

Al, Si – zwiększają żaroodporność, powyżej 2,5% Al. I 3%Si maleją własności plastyczne

V, Mo – niekorzystnie wpływają, np. tlenek V ulega stapianiu a tlenek Mo paruje

Ni w odpowiedniej proporcji z Cr daje struktury austenityczne i dużą żarowytrzymałość.

EWE III 2.19 19

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Stale zaworowe muszą być odporne na działanie gazów spalinowych w wysokich
temperaturach (około 750

o

C), odporne na ścieranie, wysoką twardość.

– dobrze spełniają stale z wydzieleniami dyspersyjnymi na granicach ziaren.

Struktury stali: martenzytyczna, austenityczna

Zawory silników, elementy turbin, aparatury chemicznej.

EWE III 2.19 20

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Staliwa i żeliwa stopowe

EWE III 2.19 21

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Nadstopy – zawierają łącznie powyżej 80% składników stopowych

Nadają się do pracy w T=1000

o

C, przy zawartości Cr, Nb, Zr, Ti, Al., N. Są to stopy:

-Na osnowie Fe z Cr i Ni,

-Fe-Cr-Ni-Co

-Na osnowie Co z Cr, Ni, Mo, W ale bez Fe

-Na osnowie Ni z Cr, Co oraz niewiele Mo, Ti, Al., Zr, B.

EWE III 2.19 22

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Spawalność – uzależniona jest od grupy materiałowej

Stale Cr:

Ferrytyczne

- ferryt przesycony w C i N – wyżarzanie w 300

o

C likwiduje przesycenie + wydzielanie

węglikoazotków

– rozrost ziaren wskutek braku przemiany,

Spawać – małą energią liniową (małe ziarno i małe przesycanie ferrytu)

Martenzytyczne

Podgrzewanie wstępne do 250 –300

o

C i powolne studzenie. Dla dużych grubości odprężanie w

600-850

o

C.

Spawać z dużą energią (obniżenie twardości i ograniczenie skłonności do pękania).

Stale Cr-Ni

(omówiono w rozdziale o takich stalach)

EWE III 2.19 23

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Stopowa stal do pracy w wysokich temperaturach P91 i jej spawanie

W ostatnich latach wzrasta zainteresowanie stosowaniem stali ferrytycznych dla zastosowań

energetycznych. Wynika to z:

-mniejszego współczynnika rozszerzalności cieplnej,

-większej odporności na działanie szoków termicznych.

Przykładem takiej stali jest zmodernizowana stal 9%Cr-1%Mo oznaczana jako P91 lub
X10CrMoVNb9-1

EWE III 2.19 24

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Zastosowania:

-rurociągi parowe,

-Kolektory parowe,

- przegrzewacze.

Własności:

-wysoka udarność,

-wysoka wytrzymałość,

-odporność na pełzanie,

-niska temperatura przejściowa,

-dobra spawalność.

Stuktura:

- ferryt

-wydzielenia Nb(C, N), Cr

23

C

6

Obróbka cieplna:

-normalizacja,

-odpuszczanie.

EWE III 2.19 25

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Spawalność: Cel – otrzymanie złączy o dobrej odporności na pełzanie.

Wytyczne:

-niezbędne podgrzewanie wstępne do temperatury 200-350

0

C zależne od sztywności

konstrukcji i grubości ścianek,

- konieczne stosowanie niskowodorowych procesów.

Złącza najczęściej pękają w SWC
przy rozciąganiu w obszarze, gdzie
następuje minimalizacja efektu
umocnienia wydzieleniowego
wskutek przekroczenia początku
austenityzacji bez rozpuszczenia
wydzieleń i przesycenia roztworu co
prowadziłoby do rozdrobnienia
wydzieleń.

Prowadzi to także do obniżenia
odporności na pełzanie w takim
obszarze.

EWE III 2.19 26

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Odporność na pełzanie złączy krzyżowych może
być nawet około 10 razy niższa jak MR

Osłabiony obszar jest bardzo wąski. Świadczy o
tym bardzo małe odkształcenie próbek w czasie
prób pełzania.

EWE III 2.19 27

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Zjawisko takie występuje dla złączy spawanych wszystkimi metodami.

Występują tylko różnice w szerokości i odległości tego obszaru od linii stopienia. Jest to uzależnione
od energii liniowej spawania i szybkości chłodzenia.

Szerszy obszar o obniżonej odporności na pełzanie jest bardziej niebezpieczny – należy stosować
raczej niską energię liniową.

Typowa obróbka cieplna po spawaniu:

-750-760

0

C – to jednak nie poprawia

odporności na pełzanie słabego obszaru.

Dobór materiału dodatkowego: cel –
otrzymanie odporności na pełzanie MS jak
najbliższej MR.

Bardzo ważne jest zastosowanie
odpowiedniej ilości Nb, V, N.

EWE III 2.19 28

Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak

KTMM i Spawalnictwa PG

Udarność MS: ważna jest dla konstrukcji obciążonej w temperaturze otoczenia – po
odstawieniu instalacji. Konstrukcja jest zawsze obciążona choćby ze względu na ciężar
własny, rozszerzalność cieplną, itp.