Gdzie znajdują zastosowania stale żaroodporne – przegląd gatunków

Stale żaroodporne są grupą stali stopowych przeznaczonych do pracy w wysokiej temperaturze oraz w atmosferach powodujących intensywne utlenianie powierzchni metalu. Stosuje się je wszędzie tam, gdzie zwykła stal konstrukcyjna szybko pokryłaby się zgorzeliną, utraciła właściwości użytkowe albo uległa przyspieszonemu zniszczeniu.

Materiały tego rodzaju znajdują zastosowanie między innymi w budowie pieców przemysłowych, instalacji energetycznych, urządzeń do obróbki cieplnej, komór spalania, kanałów spalinowych, palników, wymienników ciepła i elementów pracujących w gorących gazach.

Wybór odpowiedniej stali żaroodpornej nie powinien jednak opierać się wyłącznie na maksymalnej temperaturze podawanej w katalogu. Trzeba uwzględnić również rodzaj atmosfery, czas pracy, obciążenia mechaniczne, częstotliwość zmian temperatury, sposób wykonania elementu oraz możliwość występowania siarki, pary wodnej, związków węgla lub chloru.

Czym jest żaroodporność stali?

Żaroodporność oznacza zdolność materiału do przeciwstawiania się chemicznemu oddziaływaniu gazów w podwyższonej i wysokiej temperaturze. W praktyce chodzi przede wszystkim o ograniczenie szybkości utleniania oraz powstawania i odpadania zgorzeliny.

Podczas kontaktu stali z gorącym powietrzem lub gazami na jej powierzchni tworzy się warstwa produktów utleniania. W przypadku zwykłej stali węglowej warstwa ta jest zazwyczaj porowata, krucha i słabo związana z podłożem. Pęka oraz odpada, odsłaniając kolejne fragmenty metalu. Proces postępuje, powodując stopniową utratę grubości elementu.

W stalach żaroodpornych zastosowane dodatki stopowe umożliwiają powstanie znacznie bardziej zwartej i stabilnej warstwy ochronnej. Ogranicza ona dostęp tlenu do podłoża, spowalniając dalsze utlenianie.

Najważniejszym pierwiastkiem odpowiadającym za ten mechanizm jest chrom. W niektórych gatunkach istotną rolę odgrywają również krzem, aluminium, nikiel, cer, azot i inne dodatki stopowe.

Żaroodporność a żarowytrzymałość – to nie jest to samo

Pojęcia żaroodporności i żarowytrzymałości bywają używane zamiennie, ale opisują dwie różne cechy materiału.

Żaroodporność dotyczy odporności chemicznej powierzchni stali na działanie gorących gazów i utlenianie. Żarowytrzymałość oznacza natomiast zdolność materiału do zachowania odpowiednich właściwości mechanicznych podczas długotrwałej pracy w wysokiej temperaturze.

Stal może więc dobrze opierać się utlenianiu, ale jednocześnie mieć niewystarczającą odporność na obciążenie mechaniczne. Jeżeli element jest jedynie osłoną termiczną, wymagania dotyczące jego żarowytrzymałości mogą być umiarkowane. Jeżeli jednak ma przenosić obciążenia przez tysiące godzin, konieczne jest sprawdzenie odporności na pełzanie.

Pełzanie to powolne i trwałe odkształcanie materiału pod wpływem naprężenia działającego przez długi czas w podwyższonej temperaturze. Proces może zachodzić nawet wtedy, gdy naprężenie jest niższe od granicy plastyczności określonej w temperaturze pokojowej.

W praktyce projektowej należy zatem rozstrzygnąć, czy od elementu oczekuje się głównie odporności na utlenianie, czy również długotrwałego przenoszenia obciążeń.

Jak dodatki stopowe wpływają na właściwości stali żaroodpornych?

Właściwości stali przeznaczonych do pracy w wysokiej temperaturze wynikają przede wszystkim z ich składu chemicznego i struktury.

Chrom

Chrom jest podstawowym dodatkiem stopowym w większości stali żaroodpornych. Na powierzchni materiału tworzy warstwę tlenku chromu, która ogranicza dalszy dostęp tlenu do metalu.

Wraz ze wzrostem zawartości chromu poprawia się odporność na utlenianie. Nie oznacza to jednak, że stal o największej zawartości chromu będzie automatycznie najlepsza do każdego zastosowania. Liczy się cały skład materiału oraz środowisko pracy.

Nikiel

Nikiel stabilizuje strukturę austenityczną i poprawia właściwości mechaniczne stali w wysokiej temperaturze. Austenityczne stale chromowo-niklowe mają zwykle lepszą plastyczność, spawalność oraz odporność na zmęczenie cieplne niż stale ferrytyczne.

Ich wadą jest wyższa cena oraz większa rozszerzalność cieplna.

Krzem

Krzem zwiększa odporność stali na utlenianie i wspomaga tworzenie warstwy ochronnej. Jego podwyższona zawartość występuje między innymi w stalach przeznaczonych na elementy pieców, palniki, ruszty i części urządzeń cieplnych.

Zbyt duża zawartość krzemu może jednak pogarszać plastyczność i utrudniać obróbkę materiału.

Aluminium

Aluminium umożliwia tworzenie bardzo stabilnej warstwy tlenku aluminium. Stale chromowo-aluminiowe mogą dzięki temu wykazywać wysoką odporność na utlenianie oraz atmosfery zawierające związki siarki.

Materiały te mają jednak określone ograniczenia technologiczne, między innymi gorszą spawalność i mniejszą plastyczność w porównaniu z typowymi stalami austenitycznymi.

Cer i pierwiastki ziem rzadkich

Niewielkie dodatki ceru mogą znacząco poprawić przyczepność warstwy tlenków do powierzchni stali. Ograniczają jej pękanie i odpadanie podczas cyklicznego nagrzewania oraz chłodzenia.

Mechanizm ten wykorzystano między innymi w nowoczesnej stali 253MA, stosowanej w urządzeniach pracujących w wysokiej temperaturze.

Azot

Azot zwiększa wytrzymałość stali i może poprawiać odporność na pełzanie. W odpowiednio zaprojektowanych gatunkach pozwala uzyskać korzystne właściwości wysokotemperaturowe bez konieczności bardzo dużego zwiększania zawartości niklu.

Podział stali żaroodpornych według struktury

Stale żaroodporne można podzielić między innymi na ferrytyczne i austenityczne. Obie grupy mają inne właściwości i sprawdzają się w odmiennych warunkach.

Ferrytyczne stale żaroodporne

Ferrytyczne stale żaroodporne zawierają przede wszystkim chrom, a w wybranych gatunkach także krzem lub aluminium. Zawartość niklu jest niewielka albo nie występuje on wcale.

Do ich zalet należą:

• stosunkowo mała rozszerzalność cieplna,
• dobra odporność na utlenianie,
• niższa cena w porównaniu ze stalami austenitycznymi,
• dobra odporność na niektóre atmosfery zawierające siarkę,
• odporność na cykliczne zmiany temperatury w odpowiednio dobranych warunkach.

Ograniczeniem jest mniejsza plastyczność i zwykle słabsza żarowytrzymałość. Niektóre gatunki ferrytyczne są również podatne na kruchość po długotrwałej pracy w określonych zakresach temperatury.

Do tej grupy należą między innymi stale 1.4713, 1.4724, 1.4742, 1.4746 i 1.4762.

Stosuje się je na elementy pieców, osłony, przegrody, skrzynie do nawęglania, części palników, ruszty, kołpaki i inne podzespoły, które nie muszą przenosić dużych obciążeń mechanicznych.

Austenityczne stale żaroodporne

Austenityczne stale żaroodporne zawierają chrom i nikiel, a niekiedy również krzem, azot, cer lub inne dodatki poprawiające właściwości wysokotemperaturowe.

W porównaniu ze stalami ferrytycznymi wyróżniają się:

• większą plastycznością,
• bardzo dobrą spawalnością,
• lepszą żarowytrzymałością,
• wyższą odpornością na pełzanie,
• dobrą odpornością na zmienne obciążenia cieplne,
• możliwością pracy w złożonych konstrukcjach spawanych.

Austenityczne stale żaroodporne mają jednak większy współczynnik rozszerzalności cieplnej. Przy projektowaniu urządzeń trzeba więc uwzględnić możliwość powstawania odkształceń, naprężeń cieplnych i zmian wymiarowych.

Popularnymi gatunkami należącymi do tej grupy są 1.4828, 1.4833, 1.4841, 1.4845 oraz 1.4835.

Stal 1.4835 – nowoczesny gatunek do pracy w wysokiej temperaturze

W wielu aplikacjach przemysłowych doskonale sprawdzają się blachy 1.4835 (253MA), które łączą bardzo dobrą odporność na utlenianie z wysoką wytrzymałością podczas pracy w podwyższonych temperaturach.

Gatunek 1.4835 / 253MA, jest to stal chromowo-niklowa wzbogacona dodatkami krzemu, azotu i ceru.

Odpowiednio zaprojektowany skład chemiczny umożliwia uzyskanie wysokiej odporności na utlenianie oraz dobrych właściwości mechanicznych w podwyższonej temperaturze. Dodatek ceru poprawia przyczepność warstwy ochronnych tlenków, natomiast azot wpływa korzystnie na wytrzymałość materiału.

Gatunek 1.4835 stosowany jest między innymi na:

• elementy komór spalania,
• obudowy i wyposażenie pieców,
• kanały oraz przewody spalinowe,
• rekuperatory,
• wymienniki ciepła,
• elementy suszarni przemysłowych,
• części wentylatorów wysokotemperaturowych,
• podzespoły instalacji cementowych i szklarskich,
• elementy urządzeń do obróbki cieplnej,
• kolektory wydechowe.

Stal 253MA może być rozważana jako alternatywa dla klasycznych wysokoniklowych stali żaroodpornych, szczególnie gdy istotna jest odporność na utlenianie, pełzanie oraz cykliczne zmiany temperatury.

Nie należy jednak traktować jej jako materiału uniwersalnego. Gatunek został zaprojektowany przede wszystkim do pracy w gorących gazach. Jego odporność na korozję w wodzie, roztworach chlorków lub agresywnych mediach chemicznych może być znacznie niższa niż w przypadku typowych stali kwasoodpornych zawierających molibden.

Popularne gatunki stali żaroodpornych

Stal 1.4724 – X10CrAlSi13

Jest to ferrytyczna stal chromowo-aluminiowo-krzemowa, znana również pod oznaczeniem H13JS. Charakteryzuje się dobrą odpornością na utlenianie oraz stosunkowo małą rozszerzalnością cieplną.

Stosuje się ją na mniej obciążone elementy pieców, osłony termiczne, skrzynie, przegrody i części urządzeń grzewczych.

Stal 1.4746 – X8CrTi25

Gatunek ten zawiera dużą ilość chromu oraz dodatek tytanu. Wykazuje wysoką odporność na utlenianie, a jego struktura pozostaje ferrytyczna.

Stal 1.4746 wykorzystywana jest między innymi w budowie pieców przemysłowych, aparaturze cieplnej oraz urządzeniach pracujących w gorących gazach.

Stal 1.4762 – X10CrAlSi24

Stal 1.4762, znana jako H24JS, zawiera chrom, aluminium i krzem. Może pracować w bardzo wysokiej temperaturze, szczególnie gdy element nie jest narażony na duże obciążenia mechaniczne.

Znajduje zastosowanie w konstrukcji pieców, muf, osłon termicznych, palników, rusztów i elementów grzejnych.

Stal 1.4828 – X15CrNiSi20-12

Jest to austenityczna stal chromowo-niklowo-krzemowa stosowana na elementy pieców i urządzeń cieplnych. Łączy odporność na utlenianie z dobrą plastycznością i spawalnością.

Wykonuje się z niej między innymi osłony, przewody gorących gazów, części palników i wyposażenie pieców.

Stal 1.4841 – X15CrNiSi25-21

Gatunek 1.4841 ma wysoką zawartość chromu i niklu oraz dodatek krzemu. Wykazuje bardzo dobrą odporność na utlenianie i jest stosowany w elementach pracujących w wysokiej temperaturze.

Wykorzystuje się go w przemyśle ceramicznym, cementowym, energetycznym i petrochemicznym, a także w budowie pieców przemysłowych.

Stal 1.4845 – X8CrNi25-21

Stal 1.4845 jest austenitycznym gatunkiem chromowo-niklowym, często kojarzonym z oznaczeniem AISI 310S. Wysoka zawartość chromu i niklu zapewnia dobrą odporność na utlenianie oraz stabilność struktury w wysokiej temperaturze.

Stosuje się ją na elementy pieców, części palników, komory spalania, osłony termiczne, wymienniki ciepła i podzespoły przemysłu petrochemicznego.

Odporność na atmosfery przemysłowe

Podawana dla danego gatunku maksymalna temperatura pracy najczęściej odnosi się do kontaktu z powietrzem lub określoną atmosferą utleniającą. W rzeczywistych instalacjach skład gazów może być jednak znacznie bardziej złożony.

Na trwałość materiału wpływają między innymi:

• tlen,
• para wodna,
• dwutlenek siarki,
• siarkowodór,
• tlenek węgla,
• wodór,
• metan,
• pyły przemysłowe,
• związki chloru,
• związki węgla,
• produkty spalania paliw.

W środowisku redukującym warstwa ochronna może powstawać znacznie wolniej albo utracić stabilność. Atmosfery zawierające siarkę bywają szczególnie niebezpieczne dla wysokoniklowych stali austenitycznych, ponieważ mogą prowadzić do powstawania niskotopliwych produktów korozji.

W atmosferach nawęglających trzeba natomiast brać pod uwagę możliwość dyfuzji węgla do powierzchni materiału. Może to powodować powstawanie węglików, zwiększenie kruchości oraz pogorszenie właściwości mechanicznych.

Dlatego materiał powinien być dobierany nie tylko do temperatury, ale również do konkretnego procesu technologicznego.

Praca ciągła i przerywana

Temperatura dopuszczalna dla pracy ciągłej może różnić się od temperatury dopuszczalnej dla pracy przerywanej. Podczas cyklicznego nagrzewania i chłodzenia warstwa tlenków rozszerza się inaczej niż metal znajdujący się pod nią.

Powoduje to powstawanie naprężeń, które mogą prowadzić do pękania i odpadania zgorzeliny. Po odsłonięciu powierzchni proces utleniania rozpoczyna się ponownie.

W takich warunkach bardzo duże znaczenie mają:

• przyczepność warstwy tlenków,
• rozszerzalność cieplna materiału,
• szybkość nagrzewania i chłodzenia,
• geometria elementu,
• obecność spoin,
• grubość materiału,
• możliwość swobodnego wydłużania się konstrukcji.

Element, który pracuje poprawnie w stałej temperaturze, może ulegać szybszemu zużyciu w instalacji uruchamianej i wyłączanej kilka razy dziennie.

Spawanie stali żaroodpornych

Wiele austenitycznych stali żaroodpornych wykazuje dobrą spawalność, jednak wykonanie trwałego złącza wymaga właściwego przygotowania technologii.

Należy uwzględnić:

• dobór odpowiedniego materiału dodatkowego,
• ograniczenie ilości wprowadzanego ciepła,
• zachowanie właściwego odstępu między elementami,
• dokładne oczyszczenie powierzchni,
• zabezpieczenie spoiny przed utlenianiem,
• kontrolę odkształceń,
• warunki późniejszej pracy złącza.

Nie zawsze spoiwo musi mieć identyczny skład jak materiał podstawowy. W niektórych przypadkach stosuje się materiał dodatkowy o większej zawartości pierwiastków stopowych, aby poprawić stabilność i odporność spoiny.

W konstrukcjach pracujących cyklicznie szczególnie ważne jest unikanie sztywnych połączeń, ostrych przejść oraz miejsc koncentracji naprężeń.

Obróbka mechaniczna i cięcie

Austenityczne stale żaroodporne mogą wykazywać dużą skłonność do umocnienia podczas obróbki skrawaniem. Zbyt mały posuw albo praca stępionym narzędziem prowadzi wtedy do utwardzenia powierzchni i dalszego pogorszenia skrawalności.

W praktyce zaleca się:

• stosowanie sztywnych obrabiarek i mocowań,
• używanie ostrych narzędzi,
• unikanie tarcia narzędzia bez skrawania,
• właściwy dobór posuwu i prędkości,
• skuteczne chłodzenie,
• ograniczenie drgań.

Blachy żaroodporne mogą być cięte między innymi laserowo, plazmowo, strumieniem wody lub mechanicznie. Dobór metody zależy od gatunku, grubości, wymaganej jakości krawędzi i dalszej obróbki.

Cięcie tlenowe nie sprawdza się w przypadku wielu wysokostopowych stali żaroodpornych, ponieważ ochronna warstwa tlenków utrudnia przebieg procesu.

Formy dostawy stali żaroodpornych

Stale żaroodporne dostępne są w różnych postaciach, zależnie od gatunku i możliwości produkcyjnych huty.

Najczęściej oferowane są:

• blachy walcowane na gorąco,
• blachy zimnowalcowane,
• pręty okrągłe,
• pręty płaskie,
• taśmy,
• rury bezszwowe,
• rury spawane,
• profile,
• druty,
• odkuwki,
• formatki cięte na wymiar.

Przed złożeniem zamówienia warto określić nie tylko gatunek i wymiar, ale również wymaganą normę wykonania, tolerancję, stan dostawy, sposób obróbki powierzchni oraz rodzaj dokumentu kontroli.

W zastosowaniach przemysłowych często wymagany jest atest 3.1 zgodny z EN 10204, zawierający wyniki analizy chemicznej i badań właściwości mechanicznych dla dostarczonej partii materiału.

Jak prawidłowo dobrać stal żaroodporną?

Dobór materiału należy rozpocząć od określenia rzeczywistych warunków eksploatacji. Sama informacja, że element będzie pracował w temperaturze 1000°C, jest niewystarczająca.

Należy ustalić:

1. Maksymalną i średnią temperaturę pracy.
2. Czas przebywania w wysokiej temperaturze.
3. Czy praca ma charakter ciągły, czy cykliczny.
4. Skład atmosfery otaczającej element.
5. Obecność siarki, chloru, pary wodnej lub związków węgla.
6. Wartość i charakter obciążeń mechanicznych.
7. Przewidywaną trwałość elementu.
8. Sposób łączenia i obróbki.
9. Możliwość kompensacji rozszerzalności cieplnej.
10. Dostępność odpowiedniego gatunku i formy wyrobu.

W przypadku odpowiedzialnych elementów konieczne może być przeanalizowanie danych dotyczących pełzania, odporności na utlenianie, zmęczenia cieplnego i zachowania materiału w konkretnej atmosferze.

Najczęstsze błędy przy wyborze stali żaroodpornej

Jednym z najczęstszych błędów jest wybór gatunku wyłącznie na podstawie maksymalnej temperatury pracy. Wartość katalogowa nie uwzględnia wszystkich warunków konkretnej instalacji.

Inne typowe błędy to:

• utożsamianie żaroodporności z żarowytrzymałością,
• pomijanie składu atmosfery,
• nieuwzględnianie cyklicznych zmian temperatury,
• brak kompensacji rozszerzalności cieplnej,
• zastosowanie stali żaroodpornej w środowisku wodnym tylko dlatego, że zawiera chrom i nikiel,
• niewłaściwy dobór spoiwa,
• projektowanie zbyt sztywnych konstrukcji,
• brak kontroli jakości materiału i dokumentacji,
• zastępowanie gatunku innym wyłącznie na podstawie podobnego składu chemicznego.

Różnica pomiędzy właściwie i niewłaściwie dobranym gatunkiem może oznaczać nie kilka procent, lecz wielokrotnie dłuższy okres eksploatacji elementu.

Podsumowanie

Stale żaroodporne są materiałami przeznaczonymi do pracy w warunkach, w których zwykłe stale konstrukcyjne szybko uległyby utlenianiu i utracie grubości. Ich właściwości wynikają głównie z obecności chromu, niklu, krzemu, aluminium oraz dodatków poprawiających stabilność warstwy ochronnej.

Przy wyborze gatunku należy rozróżnić żaroodporność od żarowytrzymałości. Pierwsza określa odporność na działanie gorących gazów, druga zdolność do przenoszenia obciążeń przez długi czas w wysokiej temperaturze.

Ferrytyczne stale żaroodporne są ekonomiczne, mają stosunkowo małą rozszerzalność cieplną i dobrze sprawdzają się w wielu mniej obciążonych elementach pieców. Stale austenityczne zapewniają natomiast lepszą plastyczność, spawalność oraz odporność na pełzanie.

Nie istnieje jeden gatunek odpowiedni do wszystkich zastosowań. O trwałości elementu decydują jednocześnie temperatura, atmosfera, obciążenie, czas pracy, sposób wykonania oraz konstrukcja urządzenia. Dopiero uwzględnienie wszystkich tych czynników pozwala wybrać materiał, który będzie bezpieczny, trwały i ekonomicznie uzasadniony.

Źródło grafiki: Materiał Partnera