Stal zaworowa w lotnictwie

Stale żaroodporne i żarowytrzymałe

Wraz z podwyższeniem ciśnień, naprężeń i temperatur stosowanych w szerokim zakresie techniki, konieczne było rozwinięcie nowych gatunków stali, których celem było sprostanie nowym, bardziej wyśrubowanym wymaganiom. Tak powstały stale żaroodporne i żarowytrzymałe.

Żaroodporność – zwana również żarowytrwałością – jest cechą charakteryzującą odporność metalu na oddziaływanie na niego czynników chemicznych w podwyższonych temperaturach, zwłaszcza gazów utleniających. Utlenianie metali oraz stopów w podwyższonych temperaturach to wielopoziomowy i złożony proces cieplno-chemiczny, który polega zarówno na łączeniu tlenu z metalem, jak i dyfuzji atomów tlenu przez warstwę tlenków.

Tlenki żelaza i jego wytrzymałość na utlenianie

Żelazo wytwarza z tlenkiem trzy odmiany tlenków: wustyt FeO, magnetyt Fe₃O₄ i hematyt Fe₂O₃. Skład warstwy tlenkowej uzależniony jest od temperatury. Powyżej temperatury 560 stopni Celsjusza szybkość utleniania żelaza gwałtownie przyśpiesza, a utworzona w tej temperaturze warstwa tlenkowa składa się głównie z FeO.

Zwiększanie wytrzymałości żelaza oraz stali na utlenianie w podwyższonych temperaturach możliwe jest poprzez wprowadzanie do nich chromu, krzemu lub aluminium, które wykazują większe powinowactwo do tlenu od żelaza, przez co tworzą: Cr₂O₃, Al₂O₃ lub SiO₂. Tak utworzone warstwy tlenków są o wiele bardziej szczelne oraz znacząco utrudniają dyfuzję tlenu w głąb metalu, co chroni go przed dalszym utlenianiem.

Trzy rodzaje warstw tlenków na powierzchni metali

Utlenianie atmosfery w podwyższonej temperaturze na powierzchni metali może prowadzić do powstania kilku rodzajów warstw tlenków. Są to warstwy: porowate przylegające, nieporowate przylegające i nieporowate nieprzylegające.

• Warstwa porowata przylegająca stanowi pewną barierę przed utlenianiem głębszych warstw metalu, a utlenianie postępować będzie do czasu, gdy przekrój warstwy nie zostanie utleniony.
• Warstwa nieporowata nieprzylegająca (nieprzyczepna) jest nieustannie pękającą i odpryskująca z powierzchni warstwą, która odsłania kolejne warstwy metalu, prowadząc do jego dalszego utleniania się.
• Warstwa nieporowata przylegająca (zwarta) dobrze przylegająca warstwa tlenków, która dobrze chroni głębsze warstwy metalu. Silnie powiązanie tej warstwy z podłożem powoduje spadek szybkości utleniania, zwykle warstwa nieporowata przylegająca powstaje w stopach o dużej zawartości chromu i niklu.

Poza samym utlenianiem się metali w podwyższonych temperaturach możemy obserwować także zjawisko ubytku dodatków stopowych i nasycania powierzchniowego pierwiastkami.

Procentowy skład stali zaworowych

• H9S2: 0,35 – 0,45 C, max 0,7 Mn, 2 – 3 Si, max 0,035 Pmax, max 0,03 Smax, 8 – 10 Cr, max 0,6 Ni, żaroodporność w powietrzu do 850^oC.
• H10S2M: 0,35 – 0,45 C, max 0,7 Mn, 1,9 – 2,6 Si, max 0,035 Pmax, max 0,03 Smax, 9 – 10,5 Cr, max 0,5 Ni, 0,7 – 0,9 Mo, żaroodporność w powietrzu do 900^oC.
• 4H14N14W2M: 0,4 – 0,5 C, max 0,7 Mn, max 0,8 Si, max 0,03 Pmax, max 0,03 Smax, 13 – 15 Cr, 13 – 15 Ni, 0,25 – 0,4 Mo, 2 – 2,75 W, żaroodporność w powietrzu do 900^oC.
• 50H21G9N4: 0,47 – 0,57 C, 0,8 - 11 Mn, max 0,5 Si, max 0,03 Pmax, max 0,03 Smax, 20 – 22 Cr, 3,25 – 4,5 Ni, 0,38 – 0,5 N, żaroodporność w powietrzu do 900^oC.

Żaroodporność i żarowytrzymałość

Miarą żaroodporności jest temperatura, w której próbka o precyzyjnie określonych wymiarach uzyskuje graniczną wartość przyrostu ciężaru na poziomie 0,025 g/cm² jej powierzchni w czasie do 250 godzin.

Żarowytrzymałość stanowi z kolei własność materiału do zachowania parametrów mechanicznych w warunkach podwyższonej temperatury przy jednoczesnym działaniu krótko- lub długotrwałego obciążenia na metal. Żarowytrzymałość to złożone pojęcie, na które składa się wiele czynników i zespół własności materiałów. Materiały żarowytrzymałe powinny być jednocześnie żarotrwałe, ponieważ wysoka żaroodporność zapewnia stałość wymiarów elementów w trakcie ich pracy.

Materiał pracujący w podwyższonych temperaturach charakteryzują przede wszystkim takie parametry i własności jak:

• granica pełzania,
• żaroodporność,
• wytrzymałość na zmęczenie cieplne,
• wytrzymałość na pełzanie.

Żarowytrzymały stop powinien odznaczać się:

• dużymi siłami międzyatomowymi, które determinują ruch dyslokacji oraz wytrzymałość stopu na pełzanie,
• submikroskopową niejednorodnością struktury i umocnionym stanem stref przygranicznych,
• stabilnością struktury w warunkach jednoczesnego działania naprężenia i temperatury.

Siła wiązań międzyatomowych w stopie określa: temperaturę topnienia, amplitudę drgań atomów w temperaturze, ciepło sublimacji, energię aktywacji samodyfuzji i dyfuzji, wartość modułu sprężystości.

O stabilności struktury możemy mówić wtedy, gdy jednocześnie roztwór będący osnową stopu, jak i fazy wydzielone nie zmieniają składu, wielkości i kształtu w szerokim zakresie temperatur. Stan ten możliwy jest do osiągnięcia m.in. przez dobór domieszek hamujących procesy dyfuzyjne.

Jednym z kolejnych istotnych warunków do zapewnienia żarowytrzymałości materiału jest wytrzymałość stopu na zmęczenie cieplne. Występuje ono wówczas, gdy materiał narażony jest na cykliczne zmiany temperatury, co doprowadza do powstawania naprężeń w wyniku rozszerzalności cieplnej. Naprężenia mogą przekraczać granicę plastyczności i po odpowiedniej ilości cyklów doprowadzić do pęknięć wzdłuż granic ziaren. Odporność materiału na zmęczenie cieplne uzależnione jest od jego ciągliwości w maksymalnej temperaturze cyklu.