STALE WYSOKOSTOPOWE Odporne na pełzanie i żarotrwałe EWE III 2 godz. KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 1 Materiały do pracy w podwyższonych i wysokich temperaturach: " Stopy Al, Ti 170-600oC " Stale węglowe z dodatkami Cu, Mo, Ni, Ti, B ferrytyczno-perlityczne , bainityczne, do 400oC " Niskostopowe stale o wyższych zawartościach węgla z Cr, Mo, V, Ti, Nb, W " Stale martenzytyczne 9-13%Cr T=560-600oC " Stale austenityczne Cr-Ni T do 650oC " Stale zaworowe " Stopy Ni i Co, " Materiały na osnowie faz międzymetalicznych: TiAl, NiAl. KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 2 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. KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 3 Szybkość utleniania zależna jest od temperatury: Szybkość utleniania czystego żelaza gwałtownie wzrasta powyżej temp. 5600C. W temperaturze tej zachodzi przemiana Fe3O4 FeO, o strukturze sieciowej podobnej do NaCl umożliwiającej wzrost szybkości dyfuzji tlenu. KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 4 Wprowadzenie do stali pierwiastków Cr, Al., Si o większym powinowactwie do tlenu niż Fe wpływa na tworzenie tlenków Cr2O3, Al2O3, SiO2 silnie utrudniających dyfuzję tlenu, a więc chroniących metal przed dalszym utlenianiem. Stąd stosowanie Al, Cr, Si w stalach żaroodpornych. KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 5 Im wyższa temperatura pracy elementu, tym większa zawartość pierwiastka stopowego zapewniającego żaroodporność. KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 6 Wpływ Ni na odporność na utlenianie stali Cr KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 7 Odporność na utlenianie jest zależna od składu chemicznego ale nie zmienia się znacznie wraz ze strukturą. KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 8 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). KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 9 Wyznaczenie temperatury krytycznej Tg przy eksploatacji materiału w podwyższonej temperaturze KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 10 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 KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 11 Wysokostopowe stale odporne na wysokie temperatury to stale: -austenityczne, -ferrytyczne, -martenzytyczne. -o strukturach mieszanych. KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 12 Stale martenzytyczne oraz ferrytyczne mają ograniczoną żarotrwałość, stąd coraz większe zastosowanie stali austenitycznych. KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 13 Niestety, stale austenityczne podlegają zjawisku wydzielenia fazy sigma. Postać fazy sigma: igły skutkujące obniżeniem udarności (wzrost kruchości). KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 14 Początek wydzielania fazy sigma 6500C dla stali austenitycznej wyżarzonej, - 5000C dla stali zgniecionej na zimno. W wyższych temperaturach proces przemiany fazy ą w fazę à maleje, a w temp. Powyżej 8200C następuje rozpuszczenie fazy à w fazie ą . Bardzo twarda faza à zwiększa twardość stali: Np.dla stali chromowej o zawartości 48%Cr o twardości osnowy około 250HV, po przemianie ą à stal ma około 900HV. Izotermiczne wytrzymanie stali w 7800C powoduje wzrost HV w bardzo krótkim czasie, dla 8000C wzrost HV jest powolny, a dla 8200C faza à jest stabilna i nie powoduje to wzrostu HV. KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 15 KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 16 Nowoczesne stale energetyczne do pracy w wysokich temperaturach, o zawartości Cr 8-13% KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 17 Cr do 5% - zwiększa żaroodporność do T=650oC, do 30% nawet do T=1100oC 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. KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 18 Stale zaworowe muszą być odporne na działanie gazów spalinowych w wysokich temperaturach (około 750oC), odporne na ścieranie, wysoką twardość. dobrze spełniają stale z wydzieleniami dyspersyjnymi na granicach ziaren. Struktury stali: martenzytyczna, austenityczna Zawory silników, elementy turbin, aparatury chemicznej. KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 19 Staliwa i żeliwa stopowe KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 20 Nadstopy zawierają łącznie powyżej 80% składników stopowych Nadają się do pracy w T=1000oC, 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. KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 21 Spawalność uzależniona jest od grupy materiałowej Stale Cr: Ferrytyczne - ferryt przesycony w C i N wyżarzanie w 300oC likwiduje przesycenie + wydzielanie węglikoazotków rozrost ziaren wskutek braku przemiany, Spawać małą energią liniową (małe ziarno i małe przesycanie ferrytu) Martenzytyczne Podgrzewanie wstępne do 250 300oC i powolne studzenie. Dla dużych grubości odprężanie w 600-850oC. Spawać z dużą energią (obniżenie twardości i ograniczenie skłonności do pękania). Stale Cr-Ni (omówiono w rozdziale o takich stalach) KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 22 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 KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 23 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), Cr23C6 Obróbka cieplna: -normalizacja, -odpuszczanie. KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 24 Spawalność: Cel otrzymanie złączy o dobrej odporności na pełzanie. Wytyczne: -niezbędne podgrzewanie wstępne do temperatury 200-3500C 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. KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 25 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. KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 26 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: -750-7600C 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. KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 27 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. KTMM i Spawalnictwa PG Materiały i ich zachowanie przy spawaniu dr inż. Tomasz Kozak EWE III 2.19 28