JEKLA ZA DELO PRI POVIŠANIH IN VISOKIH TEMPERATURAH

Jekla za delo pri povišanih temperaturah ali jekla odporna proti lezenju se uporabljajo

povsod, kjer so sestavni deli ali naprave podvržene mehanskim obremenitvam pri

povišanih ali visokih temperaturah. Primer za to so termocentrale, plinske turbine in

letalski motorji, naprave v procesni in kemični industriji. Za te namene se uporabljajo

plošče, cevi, odkovki in ulitki.

Termocentrale obratujejo s temperaturo pare od 300 do 650°C, pri čemer mnogo

komponent prenaša konstantne obremenitve pri konstantnih temperaturah. Primer za

to so generatorji pare in cevovodi za prenos pare.

Preizkus lastnosti povezanih z odpornostjo materialov proti lezenju pri povišanih

temperaturah je preizkus pri konstantni mehanski napetosti ali preizkus pri konstantni

deformaciji, zaradi česar je potrebno zmanjševati napetost.

Določitev signifikantnih in zanesljivih lastnosti materialov za dolgotrajne čase

uporabe (200000 do 300000 ur), kar je danes osnova za komponente obremenjene

na lezenje, zahteva nesorazmerno dolge čase. Različne metode pa omogočajo

oceniti karakteristične parametre za dolge čase obremenjevanja s pomočjo

ekstrapolacije rezultatov kratkotrajnih preizkusov. Vendar do danes še nobena teh

metod, ki slone zgolj na numeričnem vrednotenju fizikalno metalurških sprememb ni

dala zadovoljivih rezultatov. Zaradi tega so potrebni časi preizkušanja 70000 do

100000 ur, da se ugotovi lastnosti materiala, ki pokrivajo zgoraj omenjeni čas

obratovanja konstrukcije.

Lastnosti, ki karakterizirajo odpornost materialov proti lezenju so:

Trajna mirujoča trdnost lezenja – največja napetost, ki jo prenaša material pri

določeni temperaturi neskončno dolgo časa

Časovna mirujoča trdnost – napetost, ki jo material pri določeni temperaturi

zdrži določen čas.

Meja lezenja – napetost, pri kateri pride v materialu pri določeni temperaturi in

po določenem času do določeno velike deformacije.

1

1. Jekla s feritno mikrostrukturo

1.1. Jekla za delo pri temperaturah do približno 400°C

Za delo pri temperaturah do 400°C so primerna drobnozrnata jekla. Najbolj

pomemben legirni element v teh jeklih je mangan, trdnost teh jekel pa se kontrolira

še z manjšimi dodatki bakra, niklja ali molibdena. Z aluminijem, dušikom, niobijem in

vanadijem, posamič ali v kombinacijah pa se vpliva na velikost kristalnega zrna. Ta

jekla so normalizirana ali poboljšana. Mangan in nikelj znižujeta temperaturo in

podaljšujeta čase obstojnosti avstenita. Povečujeta trdnost in žilavost ferita. Podobno

vpliva na transformiranje avstenita tudi baker, ki pa prispeva še k precipitacijskem

utrjevanju. Aluminij, dušik, niobij in vanadij pa so najbolj pomembni za zmanjševanje

velikosti kristalnega zrna. Za dobro varivost teh jekel mora biti omejena vsebnost

ogljika.

Mangan-nikljevo jeklo za te namene ima npr. poprečno kemično sestavo 0,16%C –

1,5%Mn – 0,7%Ni.

Nasprotni pojav od žilavosti je pri teh jeklih poznana krhkost pri dolgotrajnem žarjenju

med temperaturama 350 in 400°C ter popuščna krhkost. Pripisujejo jo

oligoelementom arzenu, antimonu, kositru in fosforju, ki je zanesljiv krivec popuščne

krhkosti.

1.2. Jekla odporna proti lezenju

Najbolj preprost način za izboljšanje trdnosti jekel pri povišanih temperaturah je

povečanje vsebnosti mangana. Največji učinek mangana je utrjevanje trdne

raztopine, vendar pa povečanje vsebnosti mangana nad 1,5 m.% ni učinkovito.

Učinek dušika se zmanjša, če se ga veže iz trdne raztopine v nitride (npr. z Al).Zelo

pomembna in znana so krom-molibdenova jekla odporna proti lezenju , v katerih je

od 0,5 do 2%Mo in 0,5 do12%Cr. Velike razlike v možnih koncentracijah obeh

legirnih elementov so vidne tudi v razlikah v faznih transformacijah posameznih jekel.

Malolegirana jekla imajo mikrostrukturo iz ferita in perlita, ki ga v legiranih jeklih

nadomešča bainit. Jekla s 5 in 9%Cr pa imajo delno ali povsem martenzitno

2

mikrostrukturo že po malo hitrejšem ohlajanju. Med popuščanjem nastajajo v teh

jeklih karbidi M2C ali M23C6 v odvisnosti od kemične sestave jekla.

Največjo odpornost proti lezenju imajo iz skupine krom molibdenovih jekel tista, ki so

legirana z 8 do 12%Cr, ki imajo zaradi tega tudi boljšo odpornost proti oksidaciji

(škajanju), pri čemer je koncentracija molibdena od 1% in se bliža optimalni vrednosti

pri okoli 2 ali celo več m. %Mo.

Trdnost pri povišanih temperaturah se tem jeklom poveča še z legiranjem z

vanadijem ali skupaj z niobijem, ki imata oba veliko afiniteto do ogljika in dušika, kar

omogoča izločanje stabilnih karbidov ali nitridov, katerih učinek na povečanje

odpornosti proti lezenju zavisi od njihove velikosti in razdelitve v kovinski osnovi po

toplotni obdelavi.

Vanadijev, še bolj pa niobijev karbid imata zelo majhno možnost rasti, kar je

bistveno, da zadrži veliko trdnost pri povišanih temperaturah dolgo časa. Prav tako

se v jekla s feritno mikrostrukturo legira tudi Ti, W ali Si. W vpliva podobno kot

molibden, titan ugodno vpliva na trdnost pri povišanih temepraturah, silicij pa se

legira za odpornost proti oksidaciji, ki pa je pri jeklih, ki delajo na temperaturah čez

550°C praviloma dosežena z legiranjem z do 12%Cr.

Jekla s feritno mikrostrukturo za pločevine in cevi.

mas.%C Si Mn Cr Mo Ni V

15Mo3 0,12…0,20 0,1…0,35 0,4…0,8 - 0,25…0,35 - -10CrMo9 10 0,08…0,15 do 0,5 0,4…0,7 2,0…2,5 0,9…1,2 - -

14MoV63 0,10…0,18 0,1…0,35 0,4…0,7 0,3…0,6 0,5…0,7 - 0,22…0,32X 20CrMoV12 0,17..0,23 do 0,5 do 1,0 10,0…12,5 0,8…1,2 0,3…0,8 0,25…0,35

2. Avstenitna jekla

K trdnosti avstenitnih jekel pri povišanih in visokih temperaturah prispevata

pomemben delež majhna energija napake zloga in v primerjavi s feritom tudi majhni

koeficient difuzije.

Osnovna legirna elementa v avstenitnih jeklih sta krom in nikelj. Dušik in ogljik tvorita

lahko drobne precipitate karbidov in nitridov, ki povečujejo odpornost proti lezenju.

Titan in niobij se legirata zato, da preprečita nastanek kromovih karbidov. Molibden,

volfram, vanadij in kobalt malo povečajo napetost tečenja, temperaturo

3

rekristalizacije in kar skupaj s precipitati različnih vrst povečuje odpornost proti

lezenju.

V sodobna avstenitna jekla je legiran tudi bor, ki zavira predvsem drsenje po mejah

kristalnih zrn in difuzijo v njihovi okolici (že v koncentracijah okoli 0,0005%).

Avstenitna jekla za delo pri povišanih temperaturah.

mas. %C Cr Mo Ni Nb Ti ostali

X6CrNi1811 0,06 18,0 do 0,5 11 - - -X8CrNiMoNb1616 0,07 16,5 1,8 16,5 10xC - -

X10NiCrMoTiB1515 0,10 15,0 1,15 15,5 - 0,45 0,0005 BX12CrCoNi2120 0,12 21,0 3 20,0 1,0 - 20Co; 0,15N;2,5WX5NiCrTi2615 0,08 14,5 1,25 26,0 - 2,1 0,35Al; 0,0007B; 0,30V

Pri razvoju jekel za delo pri visokih temperaturah so imeli vedno velik pomen legirni

elementi krom, nikelj in kobalt.

Nikelj in kobalt tvorita skupaj s kromom zlitine, ki imajo kubično ploskovno centrirano

kristalno mrežo, ki je eno od zagotovil za dobre mehanske lastnosti pri povišanih

temperaturah.

Temperaturno obstojne nikljeve ali kobaltove zlitine imajo železo kot spremljajoči

legirni element, katerega koncentracija doseže do 20 m.%, v mnogih zlitinah pa ga

sploh ni. Krom (10 do 30%) skrbi za odpornost proti oksidaciji, k čemer pripomore

tudi legiranje z redkimi zemljami. Pomemben legirni element sta tudi volfram in

molibden, ki v trdni raztopini ali v obliki karbidov povečujeta trdnost pri visokih

temperaturah.

Kobaltove zlitine vsebujejo nikelj zato, da stabilizira kubično ploskovno centrirano

kristalno strukturo. V nekaterih nikljevih zlitinah pa je kobalt zato, da zmanjša

energijo napake zloga kovinske matice in poveča učinek izločevalnega utrjevanja z

intermetalno spojino Ni3(Al,Ti). Koncentracija ogljika je v nikljevih zlitinah nizka in

večja v kobaltovih, kjer je posebej pomembno utrjevanje s pomočjo karbidov.

Mikrostrukturna stabilnost nikljevih in kobaltovih zlitin je bistvena za njihovo

odpornost proti lezenju.

Nikljeve in kobaltove zlitine za delo pri visokih temperaturah.

mas.%C Al Cr Mo Ni Nb Ti W Co Te ostali

NiCr20TiAl 0,05 1,4 20 - 75 - 2,4 - - - -NiCo18Cr15MoAlTi 0,08 4,3 15 5,2 53 - 3,5 - 18 - -

CoCr20W15Ni 0,1 - 20 - 10 - - 15 52 1 -60NiCo10W10CrAlTa 0,15 5,5 9 2,5 60 - 1,5 10 10 - 1,5Ta;0,05Zr

4

Toplotne obdelave železovih zlitin

Železove zlitine je možno toplotno obdelati na različne načine pri čemer se dosežejo

različne lastnosti za različne namene uporabe. Najbolj pogoste in pomembne

toplotne obdelave železovih zlitin so naslednje: normalizacija, poboljšanje in žarjenja

(popolno, sferoidizacijsko, žarjenje za odpravo notranjih napetosti, rekristalizacijsko,

…)

NormalizacijaJe toplotna obdelava, s katero dobi jeklo normalno mikrostrukturo. Normalna

mikrostrukturna sestavina jekel in drugih železovih zlitin je perlit. To pomeni, da so v

jeklih ob perlitu glede na njegovo kemično sestavo najpogostejše še ferit ali

sekundarni cementit; ne sme pa biti (ni) v normaliziranem jeklu mikrostrukturnih

sestavin, ki so značilne za kaljenje jekla npr. martenzita, bainita.

Z normalizacijo se povečata predvsem napetost tečenja in žilavost. Obe skupaj

predvsem zaradi zmanjšanja velikosti kristalnega zrna ferita, ki je v večini jekel, ki se

normalizirajo glavna sestavina mikrostrukture. Nekaterim jeklom se z normalizacijo

zboljša obdelovalnost z odrezavanjem ali pa se z normalizacijo pripravijo za kaljenje.

Poleg drobnega kristalnega zrna se z normalizacijo doseže tudi enakomerno

kristalno zrno, kar je prav tako pomembno za enakomerne lastnosti po celem

jeklenem izdelku.

Normalizirajo se ogljikova in legirana jekla in jeklene litine, podevtektoidne,

evtektoidne in nadevtektoidne sestave. Pri nadevtektoidnih jeklih lahko nastane na

mejah kristalnih zrn perlita sekundarni cementit. Zato se normalizacija teh jekel

opušča ali zamenjuje z žarjenjem. Zaradi svojih značilnih učinkov na mikrostrukturo

jekel, jeklenih in drugih železovih litin se normalizacija uporablja za odpravo velikega

in neenakomernega kristalnega zrna v teh materialih, kjer je nastalo zaradi pogojev

pri eni od izdelovalnih tehnologij v ulitkih, pri preoblikovanju s kovanjem ali valjanjem,

v zvarih, pri nekaterih kemotermičnih obdelavah ipd.

Normalizacija zamenjuje tudi poboljšanje pri takih delih, kjer sta njihove oblike in

velikosti takšni, da onemogočata kaljenje v vodi. Večkratna (dvojna) normalizacija,

sestavljena iz zaporedja dveh normalizacij od katerih poteka prva pri višji temperaturi

(pribl. 100K nad temperaturo Ac3, druga pa pri običajni temperaturi 30…50K nad

5

temperaturo Ac3) da se raztope vse neobičajne in neprimerne mikrostrukturne

sestavine jekla, nakar se z drugo normalizacijo poskrbi za drobno in enakomerno

kristalno zrno.

Poboljšanje jeklaPoboljšanje je iz kaljenja in popuščanja sestavljena toplotna obdelava. S

poboljšanjem se doseže za dano uporabo jeklenega dela optimalno kombinacijo

lastnosti trdnosti, trdote in žilavosti. Največji učinek se doseže pri jeklih za

poboljšanje (0,3…0,6m.%C brez ali z legirnimi elementi z Mn, Cr, Mo, Ni do 5 m.%).

Pogoji kaljenja so zelo natančno definirani (temp. kaljenja Ac3 + 20…40K) tako, da

imajo jekla po kaljenju praviloma maksimalno trdoto in trdnost, so pa praviloma

krhka. Zato jih je potrebno popustiti, da se jim izboljša žilavost. Povečanje žilavosti je

na račun trdnosti in trdote. Lastnosti pri popuščanju se uravnavajo predvsem s

temperaturo popuščanja (od spodnje pribl. 100°C do blizu Ac1 (pribl. 720°C pri

ogljikovih jeklih). Ker so lastnosti jekla po kaljenju praviloma zelo natančno določena,

lahko predvsem s temperaturo popuščanja uravnavamo lastnosti poboljšanega jekla.

Popuščni diagrami jekel za pobljšanje so v večini primerov zelo natančni in poznani.

Zato tudi z njihovo pomočjo ponovljivo in natančno izpeljemo celotno toplotno

obdelavo in dobimo načrtovane in pričakovane mehanske lastnosti jekla.

Žarjenje jekelV skupino toplotnih obdelav s skupnim imenom žarjenja spada več toplotnih obdelav:

t.i. popolno žarjenje (ali samo žarjenje), sferoidizacijsko žarjenje, žarjenje za odpravo

notranjih napetosti, rekristalizacijsko (ali medfazno) žarjenje,…

Jekla se žarijo iz več razlogov:

Za zmanjšanje trdote

Za izboljšanje obdelovalnosti z odrezavanjem

Za pripravo za preoblikovanje v hladnem

Za dosego določene mikrostrukture ali mehanskih lastnosti

Za pripravo za druge toplotne obdelave (npr. kaljenje).

Popolno žarjenje je žarjenje, ki obsega avstenitizacijo in počasno ohlajanje skozi

interval transformacij. Pomembna sta dva intervala temperatur avstenitizacije: tik nad

temperaturo Ac3 (Ac3 + 30K), ko ostane dolgo časa nehomogeni avstenit z

neraztopljenimi ostanki karbidov in približno 50K nad Ac3, ko nastane relativno hitro

6

homogeni avstenit. Prvi avstenit je osnova za nastanek zrnatega cementita oz.

zrnatega perlita po transformaciji, drugi pa je osnova za nastanek lamelarnih

mikrostruktur (lamelarnega perlita).

Nizka temperatura transformacije (manj od Ac1 – 30K) je pogoj za nastanek drobnih

mikrostruktur, višja temperatura (več od Ac1 – 30K) pa je pogoj za nastanek grobih

mikrostrukturnih sestavin. Pri tem žarjenju lahko dobimo najmanj štiri različne vrste

mikrostruktur, ki se razlikujejo po mehanskih in tehnoloških lastnostih.

Žarjenje za sferoidizacijo da mikrostrukturo sestavljeno iz ferita in kroglastih, zrnatih

delcev karbidov. Taka jekla imajo praviloma minimalne trdote, največjo duktilnost in

preoblikovalnost v hladnem, pri mnogoogljičnih jeklih pa tudi najboljšo obdelovalnost

z odrezavanjem.

Temperaturni potek sferoidizacijskega žarjenja je prilagojen oz. je odvisen od vrste

jekla:

Podevtektoidna jekla se žare dolgo časa (več kot 10 ur) tik pod temperaturo Ae1

(zato, ker je proces dolgotrajen in se temperatura približa ravnotežni premeni)

približno 10K.

Temperaturo je potrebno nadzorovati in natančno držati na tej vrednosti. Najbolj

primerna začetna mikrostruktura je z lamelarnim perlitom. Delež kroglastega

cementita (karbidov) napram lamelarnem oz. celotni količini karbidov je stopnja

sferoidizacije. Po končanem izotermnem žarjenju se jeklo počasi (10K/h) ohlaja do

temperature 600°C tako, da se večina ogljika iz ferita izloči v obliki karbidov in

racionalno najbolj zmanjša utrditev zaradi raztopljenega ogljika. Po 600°C se jeklo

lahko hitro ohlaja, da se celoten čas žarjenja čimbolj skrajša.

Nadevtektoidna jekla, posebej če imajo po mejah perlita mrežo sekundarnega

cementita se žarijo tako, da temperatura parkrat (npr. 3x) zaniha okoli temperature

Ac1, (za pribl. ± 10K), tako da nastane del avstenita in se zniža pri ohlajanju in po

kratkem izotermnem zadržanju tik pod temperaturo Ac1 transformira v zrnati perlit. Na

ta način se lamelarni karbidi znotraj zrn perlita in mreža karbidov po mejah kristalnih

zrn spremene v kroglasto obliko, ki je ugodna tako za preoblikovanje kot za

odrezavanje.

Jekla, v katerih so kalilne mikrostrukturne sestavine (martenzit, bainit) se

sferoidizacijsko žarijo tako, da se segrejejo v področje avstenita (malo nad Ac3) ali v

7

medkritično področje (med temperaturami Ac1 in Ac3) in ohlade pod temeperaturo

Ac1, kjer se avstenit transformira v zrnati perlit.

Žarjenje za rekristalizacijo (medfazno žarjenje) služi za odpravo deformacijske

utrditve jekla zaradi deformacije v hladnem zato, da lahko jeklo naprej deformiramo.

Žarjenje za odpravo notranjih napetosti služi za odpravo napetosti, ki so nastale

zaradi različnih načinov obdelave. Jeklo se segreje na temperaturo, pri kateri je

napetost tečenja jekla manjša od velikosti notranjih napetosti. Običajno je to med 550

in 650°C, Jeklo se na temperaturo žarjenje segreje počasi, čas zadrževanja na tej

temperaturi je običajno 4 ure, ohladi pa se prav tako počasi, da zaradi tega ne bi

nastale nove notranje napetosti.

8