Stal nierdzewna do pracy w kontakcie z ciekłym magnezem

Czy jest Pan w stanie doradzić jaki materiał ze stali nierdzewnej byłby odpowiedni do pracy w podwyższonych temperaturach do temp. 800-900C o niskiej zawartości węgla. Elementy te będą pracować w styku z ciekłym magnezem. Udało mi się znaleźć taką publikację: http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/47510.pdf

 

Dobór elementu ze stali nierdzewnej do pracy w wysokiej temperaturze musi uwzględniać kilka czynników:

• skład chemiczny stali i jego odziaływanie na odporność korozyjną w środowisku pracy,
• odporność chemiczną na oddziaływanie środowiska (żaroodporność w przypadku elementów pracujących w temperaturze powyżej 550°C, związaną z powstawaniem ochronnej warstwy zgorzeliny na powierzchni stali),
• własności mechaniczne w wysokiej temperaturze, odporność na pełzanie,
• własności fizyczne w wysokiej temperaturze, współczynnik rozszerzalności cieplnej odpowiedzialny za stabilność wymiarową elementów.

W zależności od przyjętych kryteriów do pracy w środowisku ciekłego cynk w temperaturze 800-900°C można zastosować stale nierdzewne ferrytyczne i martenzytyczne oraz stale żaroodporne. W grupie stali nierdzewnych z powodzeniem można stosować podstawowe gatunki chromowe 1.4016 (AISI 430) oraz z dodatkiem tytanu i molibdenu 1.4521 (AISI 444). Stężenie węgla w podanych gatunkach jest ograniczone do 0,08%C w 1.4016 oraz do 0,03% w gatunku 1.4512.  Dla elementów o wyższych wymaganiach mechanicznych oraz podwyższonej odporności na zużycie ścierna stosuje się gatunki martenzytyczne stali nierdzewnych z 13% stężeniem chromu np. 1.4006 (AISI 410), 1.4021 (AISI 420) oraz z 17% dodatkiem Cr oraz dodatkiem tytanu i molibdenu, np. gatunki typu AISI 440 (EN 1.4125). W gatunkach martenzytycznych stężenie węgla, wymagane do uzyskania struktury martenzytu, jest wyższe niż w stalach ferrytycznych i może wynosić do 1,2%C.

W podanym zastosowaniu można także zastosować stale nierdzewne żaroodporne o strukturze ferrytycznej typu 1.4742, 1.4762, zawierające odpowiednio 18% i 24%Cr oraz dodatki krzemu i aluminium zwiększające żaroodporność. Stale żaroodporne wymienionych gatunków zawierają ok. 0,12% węgla.

Dodatek węgla w stalach odpornych na korozję jest istotny ze względu na kilka czynników. Pierwszym z nich są własności mechaniczne stali w wysokiej temperaturze, które rosną wraz z dodatkiem węgla. Podobnie wzrasta żarowytrzymałość (odporność na pełzanie) wynikająca z obecności węglików w strukturze stali. Wyższa zawartość węgla i tym samym wytrzymałość i twardość przekładają się na większą stabilność wymiarową w wysokiej temperaturze. Pod względem odporności korozyjnej, dodatek węgla w stalach nierdzewnych jest ograniczony do możliwie najniższego poziomu (0,01%; 0,03%; 0,08%) w celu zapewnienia podstawowej cechy tych materiałów, czyli nierdzewności w środowiskach gdzie występuje korozja w roztworach wodnych. W stalach żaroodpornych i żarowytrzymałych w trakcie eksploatacji najistotniejszym czynnikiem jest zapewnienie odporności korozyjnej w gorących gazach oraz zachowanie niezmiennych własności mechanicznych w wysokiej temperaturze, co można uzyskać przez zwiększenie zawartości węgla oraz dodatki krzemu i aluminium (stale żaroodporne) oraz dodatki pierwiastków silnie węglikotwórczych – wanad, wolfram, kobalt, niob, itd. (stale żarowytrzymałe).

Do pracy w środowisku ciekłego magnezu nie zaleca się stosować stali nierdzewnych o strukturze austenitycznej, które są bardzo podatne na zubożenie warstwy wierzchniej stali w nikiel pod wpływem kontaktu z ciekłym magnezem i wynikające z tego zjawiska korozyjne. Z tego względu początkowo powszechnie stosowane w kontakcie z ciekłymi metalami stopy austenityczne żaroodporne typu 1.4841 (AISI 310) zastąpiono stalą ferrytyczna nierdzewna typu 1.4016 (AISI 430).

Spośród wymienionych materiałów, ferrytyczna stal nierdzewna typu 1.4521, spełnia wymogi niskiego stężenia węgla, maksymalnej temperatury pracy w powietrzu (do 850°C w warunkach pracy ciągłej i 870°C dla pracy przerywanej). Podany gatunek ma także udokumentowane zastosowania na elementy do kontaktu z ciekłym magnezem – tygle do topienia metalu. Należy jednak pamiętać, że jest to gatunek nierdzewny, czyli zoptymalizowany pod względem odporności korozyjnej w temperaturze pokojowej. Gatunek 1.4521 może być stosowany do pracy w temperaturze wysokiej, choć należy pamiętać, że jego odporność na utlenianie w tych warunkach będzie niższa niż stali żaroodpornej o zbliżonym składzie.  Gatunek ten z pewnością będzie  stanowić najbardziej optymalny wybór pod względem kosztów materiałowych. W zastosowaniu wysokotemperaturowym wysoką trwałość (odporność na utlenianie, korozję, zachowanie własności mechanicznych) może zapewnić gatunek żaroodporny o porównywalnym składzie tj. 1.4742 z dodatkiem aluminium i krzemu zwiększających żaroodporność do 1000°C w powietrzu. Gatunek żaroodporny 1.4762 charakteryzuje się jeszcze wyższą żaroodpornością w powietrzu do 1150 °C. Stale żaroodporne ferrytyczne gatunków 1.4742 i 1.4762 wykazują dobrą lecz ograniczoną wytrzymałość na stopione metale w trym magnez.

Literatura

[1]. F.  Czerwinski, Magnesium Alloys - Properties in Solid and Liquid States, ISBN 978-953-51-1728-5, 178 pages, Publisher: InTech, Chapters published, www.intechopen.com

[2]. A. Venugopal Reddy, Investigation of Aeronautical and Engineering Component Failures, CRC Press, 2004, USA.