Stale stosowane w podwyższonej temperaturze

Stale do pracy w podwyższonych temperaturach

Stale do pracy w podwyższonych temperaturach – to grupa stali popularnie nazywana kotłowymi, które mogą być stosowane w temp. poniżej 600^oC. Głównym ich zastosowaniem są części maszyn i urządzeń używanych w energetyce takie jak: armatura kotłów i turbin, zbiorniki ciśnieniowe dla przemysłu chemicznego, energetycznego, turbiny wodne parowe i gazowe,  oraz wszędzie tam gdzie wymagana jest odporność na wpływ wyższych temperatur.

Wymagania

Stale do pracy na gorąco muszą odznaczać się:

• Dobrymi własnościami mechanicznymi w podwyższonych temperaturach (wysoką wytrzymałością, twardością, dobrą ciągliwością), a w wypadku dużych wymiarów narzędzi w nich wykonywanych (matryce) muszą mieć dużą hartowność,

• Dostateczną odpornością na szybkie zmiany temperatury - w wyniku wielokrotnego nagrzewania i chłodzenia wierzchniej warstwy narzędzi wytwarza się z upływem czasu na ich powierzchni siatka pęknięć. Zjawisko to zwane zmęczeniem cieplnym jest podstawową przyczyną zużywania się narzędzi do pracy na gorąco.

Skład chemiczny

Zawartość węgla w tych stalach  należy do zakresu 0,25-0,6%, chromu 1,0-5,5%, który zwiększa odporność na utlenianie, molibdenu, którego obecność zwiększa wytrzymałość stali na pełzanie i wolframu od 1,0 do 10,0%, manganu w zakresie 1,0%, krzemu 0,2-1,2%, są także obecne pewne dodatki wanadu, berylu, kobaltu i niklu.

Stale do pracy w podwyższonych temperaturach wymagają stosowania stali, o jakości znacznie przewyższającej, jakość stali ogólnego przeznaczenia, ponieważ pracują w warunkach podwyższonych temperatur, a także istotna jest wysoka niezawodność, bezpieczeństwo pracy i duża trwałość.

Zagrożenia

W podwyższonych temperaturach pracy wyroby narażone są na:

• pełzanie, 

• relaksację,

• zmęczenie cieplne,

• przyspieszoną korozję,

• pełzanie dynamiczne lub relaksacje i wywołane naprężeniami zmęczeniowymi itd.

Czynniki wpływające na własności użytkowe

O własnościach użytkowych decydują:

• właściwie ustalony gatunek stali,

• technologia wytwarzania wyrobu hutniczego,

• technologia wytwarzania części urządzenia tj. sposób wytapiania stali, przeróbki plastycznej, obróbki cieplnej, obróbki skrawaniem, technologia spawania części, obróbka cieplna w czasie spawania i po spawaniu oraz inne procesy wytwórcze.

Podział

Stale średniostopowe mają lepszą przewodność cieplną niż wysokostopowe i dlatego mniejszą skłonność do tworzenia pęknięć wskutek zmęczenia cieplnego. Stosuje się je do wyrobu matryc kuźniczych, kowadeł do pras i młotów.

Stale wysokostopowe do pracy na gorąco stosowane są na matryce do pras i formy do odlewów pod ciśnieniem, gdzie kontakt gorącego materiału jest stosunkowo długi i silniejsze nagrzewanie powierzchni narzędzia, przy spokojniejszych warunkach pracy.

Obróbka cieplna

Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na gorąco polega na hartowaniu i wysokim odpuszczaniu.

Temperatura austenityzacji stali średniostopowych wynosi 1010 - 1040°C, a wysokostopowych 1120 - 1150°C. Nagrzewanie do hartowania dużych narzędzi prowadzi się stopniowo z małymi szybkościami, a czas austenityzacji narzędzi o dużych wymiarach może dochodzić do kilku godzin. Chłodzenie przeprowadza się w oleju lub powietrzu. Po hartowaniu stal ma strukturę martenzytu z niewielką ilością austenitu szczątkowego i węglikami stopowymi nie rozpuszczonymi podczas austenityzacji.

Odpuszczanie stali średniostopowych w zakresie 500 – 550°C, a wysokostopowych w 600°C ma na celu zapewnienie dobrej udarności w warunkach pracy i odporność na odpuszczające działanie ciepła. Po odpuszczaniu struktura składa się z martenzytu odpuszczonego, drobno dyspersyjnych węglików wydzielonych podczas odpuszczania i większych skoagulowanych, nie rozpuszczonych podczas austenityzacji.

Wykres 1 Wpływ temperatury odpuszczania na zmiany twardości stali narzędziowych do pracy na gorąco