STALE I STOPY ŻELAZA O SPECJALNYCH WŁASNOŚCIACH

Stanowią je stale o właściwościach fizycznych, chemicznych lub mechanicznych, które decydują o ich zastosowaniu. Zawartość pierwiastków stopowych może wynosić nawet powyżej 50%. Ogólny podział tych stali przedstawia się następująco:

• stale odporne na korozję

• do pracy w podwyższonych temperaturach

• żaroodporne, żarowytrzymałe i zaworowe

• o szczególnych własnościach fizycznych

• o szczególnych własnościach magnetycznych.

1. Stale odporne na korozję:

Korozja jest to proces niszczenia metalu na skutek oddziaływania środowiska zewnętrznego. Wyróżniamy następujące rodzaje korozji ze względu na jej charakter:

• korozję chemiczną zachodzącą pod wpływem działania suchych gazów przy wysokich temperaturach,

• korozję elektrochemiczną zachodzącą w cieczach (przeważnie roztworach), na skutek przepływu prądu elektrycznego z jednej części materiału do drugiej za pośrednictwem elektrolitu.

Ze względu na efekt oddziaływania rozróżniamy:

• korozję równomierną, powodującą równomierne zmniejszanie się grubości materiału,

• korozję wżerową, charakteryzującą się miejscowym oddziaływaniem na metal,

• korozję międzykrystaliczną, która atakując granice ziarn powoduje naruszenie spójności metalu,

• korozja naprężeniowa spowodowana naprężeniami własnymi i objawiająca się pęknięciami,

• korozja kontaktowa, zachodząca podczas stykania się stali z innymi metalami (np. stopem miedzi) co powoduje powstawanie lokalnych ogniw prowadzących do znacznych ubytków materiału.

Sposoby zmniejszenia skutków korozji i jej zapobieganie:

• stosowanie materiałów odpornych na korozję,

• stosowanie powłok ochronnych,

• ochrona katodowa,

• ochrona protektorowa,

• zastosowanie inhibitorów zmniejszających szybkość korozji,

• usuwanie agresywnych składników z ośrodka.

Odporność na korozję zasadniczo polega na tworzeniu się na powierzchni stali cienkiej warstewki tlenków (proces pasywacji). Warstewka ta chroni metal przed dalszym oddziaływaniem ośrodka i związaną z tym korozją. Same stale węglowe i niskostopowe nie są odporne na korozję. Dopiero wprowadzenie odpowiednich dodatków stopowych takich jak np.: chrom, krzem czy glin zwiększa odporność na korozję i pozwala otrzymać stopy nie ulegające korozji w określonych środowiskach (zmiana może spowodować zanik stanu pasywnego).

Rozróżniamy stale:

• nierdzewne, charakteryzujące się odpornością na działanie wód naturalnych, czynników atmosferycznych, pary wodnej, roztworów alkalicznych i rozcieńczonych kwasów organicznych.

• kwasoodporne, odporne na działanie kwasów organicznych i większości nieorganicznych z wyjątkiem HCl i H₂SO₄,

Odporność tych stali na korozję zależy głównie od ich składu chemicznego, struktury i stanu powierzchni. Podstawowym pierwiastkiem stali odpornych na korozję jest chrom oraz nikiel. Węgiel na ogół powoduje zmniejszenie odporności na korozję. Ze względu na skład chemiczny można je podzielić na:

1. stale chromowe, które w zależności od ilości chromu można podzielić na trzy grupy:

• o zawartości chromu 12÷14% z których wykonuje się min. przedmioty codziennego użytku, łopatki turbin parowych, części maszyn, narzędzia chirurgiczne, noże, brzytwy, łożyska. Obróbka cieplna polega na hartowaniu z odpuszczaniem w celu uzyskania korzystnych własności mechanicznych,

• o zawartości chromu 16÷18% stosowane na naczynia kuchenne, w przemyśle spożywczym i samochodowym,

• o zawartości chromu 25÷28% o ograniczonym zastosowaniu

1. chromowo-niklowe o zawartości chromu 18÷25% oraz niklu 8÷20%, gdzie szczególnie odporna na korozję jest stal typu 18/8 (nie działa na nią kwas azotowy, stężony kwas siarkowy, fosforowy). Mają one dobre własności mechaniczne i technologiczne, są plastyczne i dobrze spawalne. Wadą jest skłonność do korozji międzykrystalicznej, którą można zmniejszyć min. poprzez dodanie np. tytanu i niobu.

2. chromowo-niklowo-manganowe o obniżonej zawartości niklu, stosowane w przemyśle mleczarskim, na przedmioty gospodarstwa domowego i architekturze.

Oznaczenia :

H-chrom, N-nikiel, Nb-niob, M-molibden, G-mangan, Cu-miedź, T-tytan, J-aluminium

2. Stale do pracy:

• w podwyższonej temperaturze,

Są to stale stopowe przeznaczone do pracy w temperaturach 20÷600^oC, głównie w energetyce na walczaki kotłów parowych, rury kotłowe i przegrzewaczowe, do turbin parowych, wodnych, gazowych, zbiorników ciśnieniowych i w przemyśle chemicznym i jądrowym. Ze względu na szczególne warunki pracy muszą się charakteryzować dobrymi własnościami wytrzymałościowymi i ciągliwością w całym zakresie pracy. Do najważniejszych czynników decydujących o zastosowaniu należą oprócz temperatury pracy, wymagane własności w warunkach pracy oraz rodzaj środowiska. Do zasadniczych pierwiastków stopowych w tych stalach należą chrom, molibden i wanad. Ich obróbka cieplna polega na normalizowaniu, normalizowaniu i odprężaniu lub na ulepszaniu cieplnym.

• żaroodporne i żarowytrzymałe:

Są to stale, które w wysokich temperaturach pracy (powyżej 550^oC) odznaczają się dobrymi własnościami mechanicznymi (żarowytrzymałość) i dużą odpornością na korozyjne działanie gazów spalinowych (żaroodporność). Są to zasadniczo stale chromowo-niklowe o dużej zawartości chromu i niklu stosowane na armaturę piecową, urządzenia energetyczne, silniki odrzutowe. Podstawowym pierwiastkiem zwiększającym żaroodporność jest chrom (nawet do 1200^oC) i nikiel, a zwiększające żarowytrzymałość to Mo, W, V, Co, Ti, Cr i Si. Ze względu na zapewnienie dobrej spawalności zawartość węgla nie przekracza około 0,2%.

Graniczna temperatura robocza stali żaroodpornych wynosi 800÷1200^oC w zależności od składu. Należy jednak pamiętać, że wytrzymałość urządzeń pracujących w wysokich temperaturach jest wielokrotnie niższa niż w temperaturach pokojowych, a ponad to występuje zjawisko pełzania, które należy uwzględnić przy obliczeniach.

3. Stale zaworowe (silichromy):

Stanowią one szczególną grupę stali żarowytrzymałych, używanych na zawory w silnikach spalinowych. Charakteryzują się dużą odpornością na korozję w atmosferze spalin dzięki zawartości Cr, Si oraz dużą twardością i odpornością na ścieranie poprzez wysoką zawartość węgla. Obróbka cieplna polega na hartowaniu i odpuszczaniu.

4. Stale i stopy oporowe:

Stanowią szczególną grupę stopów żaroodpornych przeznaczonych na oporowe elementy grzejne pieców i urządzeń nagrzewających do obróbki cieplnej. Są produkowane w postaci drutów lub taśm i powinny się charakteryzować następującymi własnościami:

• dużą opornością właściwą,

• małym temperaturowym współczynnikiem rozszerzalności,

• małą przewodnością cieplną,

• dużą odpornością na korozję gazową,

Materiały oporowe można podzielić na następujące grupy:

• stopy niklu z chromem (Nichromy),

• stale chromowo-aluminiowe (Kanthal, Alchrom)

5. Nadstopy i stopy wysokożarowytrzymałe:

Są to stopy zawierające więcej niż 50% dodatków stopowych. Charakteryzują się one dużymi własnościami wytrzymałościowymi w wysokich temperaturach, a w szczególności dużą odpornością na pełzanie. Ich obróbka cieplna polega na przesycaniu i starzeniu. Stosuje się je głównie na łopatki, wirniki oraz dysze turbin parowych i silników odrzutowych.

6. Stale do pracy w obniżonej temperaturze:

Są to stale stosowane do pracy w obniżonej temperaturze od 0 do -269^oC (temp. wrzenia helu) w przemyśle chemicznym, chłodnictwie, lotniczym, nuklearnym oraz do wytwarzania zbiorników służących do magazynowania ciekłych gazów. Głównym pierwiastkiem stopowym w tych stalach jest nikiel, który to przesuwa temperaturę przejścia w stan kruchy (tzw. próg kruchości) do mniejszych wartości. W niskich temperaturach zmniejsza się ciągliwość i odporność stali na kruche pękanie. Należy więc pamiętać aby do budowy urządzeń stosować stal, której próg kruchości jest poniżej temperatury pracy. Rozróżniamy następujące stale do pracy w obniżonej temperaturze:

• stale węglowe i niskostopowe do - 50^oC,

• stale niklowe, od - 50 do -200^oC,

• stale chromowo-niklowe oraz chromowo-niklowo-manganowe,

• stopy wysokoniklowe (np. inwar 36%Ni), które mają próg kruchości poniżej temperatury wrzenia helu tj. -269^oC.

7. Stale typu „maraging”:

Stale „maraging” stanowią niskowęglowe stopy żelazo-niklowe. Charakteryzują się one dużą wytrzymałością i plastycznością. Elementy wykonane z tych stali mogą pracować w szerokim zakresie temperatur od -200 do 600^oC, w szczególnie ciężkich warunkach obciążeń mechanicznych. Mają zastosowanie w technice lotniczej, rakietowej, zbrojeniowej, stoczniowym, do wyrobu sprężyn, czy w przemyśle chemicznym na zbiorniki wysokociśnieniowe. Głównym dodatkiem stopowym jest nikiel, który zwiększa hartowność, odporność stali na kruche pękanie i odpowiada za obniżenie progu kruchości tak, że granica plastyczności zmienia się bardzo niewiele do temperatury -250^oC. Obróbka cieplna polega na hartowaniu z chłodzeniem w powietrzu.

8. Stale odporne na ścieranie:

Najbardziej znana stal z tej grupy to tzw. stal Hadfielda (11G12), zawierająca 1,0÷1,3% węgla oraz 11÷14%Manganu. Jest ona praktycznie nieobrabialna przez skrawanie, a gotowy kształt wyrobom nadaje się przez odlewanie. Charakteryzuje się wybitną odpornością na ścieranie i dużą odpornością na uderzenia. Jest stosowana do produkcji gąsienic, koszów i chwytaków koparek, rozjazdów kolejowych, łamaczy kamienia czy młynów kulowych.

9. Stale i stopy o określonych własnościach magnetycznych:

Znajdują one zastosowanie w elektrotechnice i elektronice.

Zaliczamy tutaj:

• materiały magnetycznie miękkie,

• materiały magnetycznie twarde,

• materiały niemagnetyczne.

Materiały magnetycznie miękkie znajdują zastosowanie do produkcji min. rdzeniów elektromagnesów i przekaźników oraz blach elektrotechnicznych służących do produkcji rdzeniów transformatorowych i części prądnic. Zaliczamy tutaj czyste żelazo, stale niskowęglowe, stale krzemowe oraz stopy żelaza z niklem.

Materiały magnetycznie twarde są stosowane w produkcji magnesów trwałych. Do ich produkcji stosuje się następujące materiały:

• stale węglowe o zawartości węgla 1÷1,5%,

• stale stopowe,

• stopy żelaza z niklem.

Materiały niemagnetyczne stosuje się stale chromowo-niklowo-manganowe (H12N11G6) lub stale chromowo-manganowe (G18H3), zachowujące się obojętnie w polu elektrycznym.

1

4

---