Nadstopy na bazie żelaza

1. Czym są nadstopy?

Nadstopy zwane inaczej superstopami lub superstopami żaroodpornymi to grupa materiałów na bazie żelaza, niklu i kobaltu. Do najważniejszych własności należy zaliczyć:

• Wysoką żaroodporność

• Wysoką wytrzymałość

• Odporność na pełzanie w wysokich temperaturach

• Dobrą stabilność powierzchniową

• Odporność na korozję i utlenianie

Nadstopy na bazie żelaza zwykle mają austenityczną strukturę krystaliczną ściennie centrowaną. Znajdują zastosowanie głównie w przemyśle lotniczym i energetycznym. Ze względu na wysoką odporność na wysokie temperatury stosuje się je jako części silników odrzutowych. Nadstopy mogą być także używane jako zamiennik stali nierdzewnej pracującej w środowisku kwasowym i słonowodnym.

Superstopy są bardzo wytrzymałe na wysoką temperaturę dzięki zastosowaniu wzmocnienia roztworowego polegającego na wtórnym wytrąceniu się głównie faz γ' i węglików. Przez utlenianie w procesie produkcji warstwy powierzchniowej oraz dodanie aluminium i chromu nadstopy zyskują odporność na korozję. Pierwiastki jak Ren i Molibden dodawane są celem uzyskania wytrzymałości w wysokich temperaturach, a małe dodatki węgla i boru umacniają granice ziaren. Dodatek tantalu, rutenu i tytanu podnosi odporność na zmęczenie.

Obecnie wykorzystywana jest już czwarta generacja superstopów z takimi dodatkami jak pierwiastki metali trudnotopliwych, na przykład ruten (Ru), co umożliwia pracę w środowisku, w którym temperatury osiągają 1100C.

1. Sposoby otrzymywania nadstopów żelaza

Standardową praktyką przygotowania superstopów jest próżniowe topienie indukcyjne (VIM). Proces VIM redukuje zawartość azotu i tlenu, zapobiegając utlenianiu takich pierwiastków jak aluminium, cyrkon, tytan, hafn i usuwa zanieczyszczenia o niskiej temperaturze topnienia takie jak: ołów i bizmut, które mogłyby osłabiać własności wysokotemperaturowe superstopów. Drugie topienie – zarówno powtórne topienie łukowo próżniowe (VAR) lub powtórne topienie elektrożużlowe (ESR) - daje produkt jednorodny. Z kolei proces potrójnego topienia (VIM-ESR-VAR) – dający dużo lepszą jednorodność jest jeszcze zbyt drogi, aby mógł być stosowany rutynowo.

Superstopy dostarczane są w postaci wlewków, prętów, rur, płyt, blach i części kutych. Wyroby te wytwarzane są przez kucie na prasie, a następnie walcowanie, kucie młotowe lub kucie w matrycy. Obróbka cieplna poprawia strukturę ziaren oraz końcowe własności mechaniczne i materiałowe stopów.

Na podzespoły pracujące w szczególnie uciążliwych warunkach np. tarcza wirnika turbiny, zamiast wlewków konwencjonalnych, wykorzystuje się materiały proszkowe, zagęszczane w procesie prasowania izostatycznego na gorąco, lub wyciskane.

W temperaturach od 650C do 704C może być stosowany austenityczny, utwardzany wydzieleniowo stop 718®, zawierający 53% Ni i 18% Cr, posiadający większą wytrzymałość na zmęczenie i pełzanie do zerwania, w którym jako pierwszy pierwiastek umacniający stosowany jest niob (Nb).

Austenityczne superstopy na bazie żelaza (Fe) są tańsze niż superstopy na bazie niklu i kobaltu, posiadają wysoką odporność na zużycie, wzrastającą ze wzrostem zawartości węgla (C). Stopy stosowane są w łożyskach samolotów pracujących w wysokiej temperaturze i na styki ślizgowe maszyn.

1. Fazy występujące w nadstopach żelaza

Faza γ (austenit)

Właściwości austenitu zależą głównie od ilości niklu w stopie: wzrost jego zawartości zwiększa stabilność tej fazy, powoduje wzrost własności mechanicznych oraz możliwość stosowania stopów w wysokiej temperaturze. Fazę tę stabilizuje także Co i W.

Faza γ’

Krystalizuje w sieci A1, w stopach żelaza ma z reguły kształt sferyczny. Ilość tworzącej się fazy można kontrolować zawartością tytanu oraz aluminium, albo stosunkiem tych pierwiastków.

Taki skład chemiczny stopu gwarantuje wysokie własności mechaniczne, oraz skłonność do tworzenia się niekorzystnych faz typu TCP.

Faza γ”

Stopy umocnione fazą γ” zawierają od 2 do 6% Nb oraz zwiększoną ilość żelaza. Faza γ” krystalizuje w sieci tetragonalnej przestrzennie centrowanej, jest koherentna z austenitem.

Po obróbce cieplnej wydzielenia fazy γ” mogą mieć kształt dysków.

Faza η

Występuje w stopach na bazie żelaza umacnianych fazą γ” . Faza η krystalizuje w strukturze heksagonalnej. Faza η może występować w dwóch formach:

• W kształcie płytek wewnątrz ziarn

• W kształcie komórek na granicy ziarn

Niezależnie od formy wytwarzania fazy η obniża ona wytrzymałość stopu, ale wpływa na wzrost jego plastyczności.

Faza δ

Występuje we wszystkich stopach na bazie żelaza, których fazą umacniającą jest faza γ”. Może tworzyć się po bardzo długim czasie pracy stopów powyżej 650°C, po przeróbce plastycznej oraz po obróbce cieplnej. Faza δ tworzy się w wyniku przemiany γ” => δ. Faza ta tworzy się w zakresie 650-980°C i ma kształt płytek.

Faza TCP

Są to fazy niekorzystnie wpływające na własności stopów. Do tej grupy należą: σ, μ, Lavesa oraz G.

Pojawienie się tych faz w strukturze powoduje wzrost kruchości stopów, najczęściej wydzielają się w postaci igieł, płytek oraz nieregularnych cząsteczek. Powodują gwałtowny spadek własności mechanicznych stopów. Można ich uniknąć kontrolując skład chemiczny, odpowiednio obrabiając cieplnie, przestrzegając temperatury pracy stopów.

1. Nadstop żelaza na przykładzie superstopu A-286

Superstop typu A-286 znajduje zastosowanie w warunkach wymagających wysokiej wytrzymałości i odporności na korozję do 700C. Jest to nadstop austenityczny, który może być utwardzany za pomocą procesu starzenia, aż osiągnie pożądaną wytrzymałość. A-286 może być używany także w niskich temperaturach (-196C do temperatury pokojowej), jeśli wymagany jest ciągliwy, niemagnetyczny materiał o wysokiej wytrzymałości. Stop ten znajduje także zastosowanie w produktach mających styczność z wodą.

Proces produkcji A-286 odbywa się z wykorzystaniem metody rafinacji AOD (Argon Oxygen Decarburization) lub VIM (Vacuum Induction Melting). W celu ulepszenia materiału stosuje się łuki próżniowe lub przetapianie elektrożużlowe.

Analiza chemiczna nadstopu A-286:

Dodatek Stopowy	Zawartość procentowa [%]
Węgiel	< 0,08
Mangan	< 0,35
Fosfor	< 0,015
Siarka	< 0,015
Krzem	< 0,35
Chrom	17 – 21
Nikiel	50 – 55
Molibden	2,80 – 3,30
Niob	4,75 – 5,50
Tytan	0,65 – 1,15
Aluminium	0,20 – 0,80
Kobalt	< 1
Bor	< 0,006
Miedź	< 0,30
Tantal	< 0,05
Żelazo	Reszta zawartości

Własności mechaniczne stopu A-286:

Granica plastyczności: 275 MPa

Granica wytrzymałości: 620 MPa

Wydłużenie: 40%