Laboratorium z Materiałoznawstwa

Przemysław Chrzanowski Z-13

Stopy żelaza o szczególnych własnościach

Pojęcia żaroodporności i żarowytrzymałości są bardzo zbliżone i często mieszane. Należy je rozgraniczać następująco

odporność na działanie czynników chemicznych, głównie powietrza oraz spalin i ich agresywnych składników (np. CO, CO₂, H₂O, SO₄, popiół) w wysokich temperaturach powyżej 600°C jest żaroodpornością.

Odporność własności mechanicznych, zwłaszcza w przypadku naprężeń długotrwałych, na wpływ wysokich temperatur powyżej 500— 600°C jest żarowytrzymałością.

Wymienione cechy są najważniejszymi, ale nie jedynymi obu grup. Oczywiście materiały żaroodporne w temperaturze .pracy muszą również odznaczać się dobrymi własnościami mechanicznymi. Z drugiej strony stopy żarowytrzymałe muszą być również odporne chemicznie w temperaturze pracy. Dla celów praktycznych jako materiały żaroodporne ogólnego przeznaczenia można uważać stopowe stale, staliwa i żeliwa stosowane w budo­wie kotłów grzewczych i energetycznych, różnorodnych pieców przemysłowych i aparatury chemicznej oraz stopowe stale zaworowe stosowane na zawory wlotowe i wylotowe silników spalinowych. Jako materiały żarowytrzymałe można Uważać specjalne stale i stopy podlegające w czasie pracy szczególnie dużym naprężeniom, stosowane w budowie turbin gazowych i silników odrzutowych.

Stale zwykłe odporne są na utlenianie w temperaturach do ok. 500°C, ponieważ two­rząca się w tych warunkach warstwa tlenkowa Fe₃0₄ utrudnia odrdzeniową dyfuzję żelaza. W temperaturze 560°C Fe₃0₄ przechodzi w FeO, którego struktura silnie zdefekto­wana ułatwia dyfuzję żelaza, co powoduje szybko postępujące utlenianie stali. Odporność na utlenianie powyżej 500— 600°C zapewnia pasywacją stali, tj. utworzenie na powierzchni cienkich ochronnych warstewek tlenkowych Cr₂O₃, Al₂O₃ lub SiO_2­. Z tego powodu podsta­wowym składnikiem stali żaroodpornych jest Cr, często z dodatkiem Al, Si lub Ni. Wszystkie gatunki są niskowęglowe (<0,2% C) dla zapewnienia spawalności (wymagane jest spawanie elementów podgrzewanych, a po spawaniu — wyżarzanie).;

Stale chromowe (Cr albo Cr z-dodatkiem Al i Si) mają w zasadzie strukturę ferrytyczną 2 niewielką ilością węglików Me₃C₃. Stale Cr-Ni mają strukturę austenityczną (z wyjątkiem N26N4 o strukturze ferrytyczno-austenitycznej). Te ostatnie są bardziej odporne na działanie atmosfer nawęglających i azotujących, natomiast na działanie gazów zawiera­jących, związki siarki odporniejsze są stale chromowe. Podane graniczne temperatury pracy w powietrzu są obniżane w pewnym stopniu przez agresywność środowiska. Ponadto w przypadku długotrwałych obciążeń wytrzymałość na pełzanie dodatkowo ogranicza tem­peraturę pracy do 800°C dla stali ferrytycznych, a do 900°C dla stali austenitycznych. Lepsza wytrzymałość na pełzanie stali austenitycznych jest spowodowana większym oporem odkształcenia plastycznego austenitu niż ferrytu..

Stale ferrytyczne stosowane są na nie podlegające obciążeniom mechanicznym części •kotłów parowych, pieców przemysłowych, .aparatury chemicznej, części palników gazo-generatorów, skrzynie do nawęglania itp. Stale austenityczne stosowane są na analogiczne części obciążone mechanicznie.

Staliwa żaroodporne w zasadzie odpowiadają swoim składem stalom; Wobec ko­nieczności zapewnienia- dobrych własności odlewniczych, staliwa ferrytyczne są wysoko-węglowe (ok. l, 5% C), a austenityczne mają również nieco większą zawartość węgla (<0,25% C). Ponadto w staliwach nie stosuje się dodatku Al. Różnice składu sprawiają, że staliwa chromowe mają znacznie większą niż stale ilość węglików Me7C3 i osnowę ferrytyczną, albo ferrytyczno-perlityczną (przy mniejszych zawartościach Cr). Obecność węglików ogranicza rozrost ziaren. Staliwa te stosuje się w stanie zmiękczonym na odlewy mało obciążone. Staliwa chromowo-niklowe mają strukturę.

Stopy odporne na ścieranie

Do grupy stopów o specjalnych własnościach fizycznych zalicza się powszechnie odporne na ścieranie stopy Pe-Mn (zaliczane do staliw). Zależnie od składu wyróżnia się:

— średniowęglowe (0,25-0,45 % C) staliwa o zawartości 1,5 % Mn, ewentualnie z do­datkami Mo, V, Ti po ok. 0,25%,

• wysokowęglowe (l-1,4% C) staliwa o zawartości 12—14% Mn.

Średniowęglowe stosuje się w stanie normalizowanym (880—900°C) albo ulepszonym cieplnie (hartowanie od 860-890°C w oleju i odpuszczanie w 500-550°C) o strukturze sorbitycznej. Jest to materiał typowy na takie części silnie narażone na ścieranie, jak elementy czerpaków koparek, kruszarek rudy i materiałów , -ceramicznych, młynów cementowych, rozjazdy kolejowe oraz ogniwa gąsienic pojazdów .gąsienicowych. (Wysokowęglowe, staliwo Hadfielda, odznacza się strukturą austenityczną z wydzieleniami

-węglików. Stabilizację austenitu zapewnia stosunek ilości C : Mn= 1:10, a najlepsze własności

- przesycanie (950--1000°C) powodujące rozpuszczenie się węglików. Po przesyceniu

-wytrzymałość staliwa wynosi R_m-980 MPa przy bardzo dużej ciągliwości (A=50%, Z=60%). Pomimo stosunkowo niewielkiej twardości HB-200 stop jest bardzo trudno skrawalny. W podwyższonych temperaturach (>300°C) następuje wydzielanie się węglików 2 roztworu stałego i częściowo przemiana austenitu zubożałego w węgiel na martenzyt, powodująca wprawdzie wzrost twardości ale i znaczne zmniejszenie ciągliwości. Zmiany te wykorzystuje się dla poprawy skrawalności, poddając obróbce materiał podgrzany do 500-550°C.

Przeróbka plastyczna na zimno powoduje szczególnie silne umocnienie, ponieważ podczas zgniotu zachodzi częściowa przemiana martenzytyczna. Właśnie to zjawisko jest powodem szczególnie złej skrawalności. Dzięki dużej odporności na ścieranie przy równoczesnej ciągliwości staliwo Hadfielda jest bardzo dobrym materiałem na części kruszarek, łamaczy i młynów, części chwytaków koparek, ogniwa gąsienic oraz płyty pancerne.

Stopy żelaza odporne na korozję w zasadzie obejmują 2 grupy:

- stopy ferrytyczne (Cr), tj. odporne w szczególności na korozję chemiczną — na utlenianie w atmosferze powietrza, wody i pary w niskich i podwyższonych temperaturach, oraz na działanie par ropy naftowej, paliw i olejów, alkoholi, środków spożywczych i mniej agresywnych rozcieńczonych zimnych roztworów kwasów i soli,

• stopy austenityczne (Cr-Ni), tj. odporne w szczególności na korozję elektro­chemiczną w środowisku większości kwasów nieorganicznych i organicznych, związków azotu, roztworów soli, agresywnych środków spożywczych.

Chrom przy zawartości ok. 13% zmienia skokowo potencjał elektrodowy stali od - 0,6 do + 0,2 V, co w wyniku pasywacji w zasadniczy sposób powiększa odporność korozyjną stali. Z tego powodu chrom w ilości > 12% jest podstawowym składnikiem stali odpornych na korozję

---