Hogyan viselkedik az rozsdamentes acél öntése magas hőmérsékleten?

Az ausztenites anyagok előnye magasabb hőmérsékleten

A rozsdamentes acélöntvények nagy hőmérsékleten is jól teljesítenek, főként az ausztenites szerkezetük miatt. A CF8 és a CF8M típusú öntvények – amelyek a 304-es és a 316-os ötvözetek öntött megfelelői – szobahőmérséklettől a olvadáspontig is fenntartják a lapközepes kockarácsos kristályszerkezetüket. Ez a szerkezet nem megy keresztül olyan fázisátalakuláson, mint a ferrit acélok, így nincs hirtelen szilárdságvesztés a kristályszerkezet változása miatt. Ehelyett a szilárdság fokozatosan csökken a hőmérséklet emelkedésével, így a tervezők előrejelezhető teljesítménytartományt kapnak olyan alkatrészekhez, mint kemenceállványok, csőtartók és égőfúvókák.

Léptékképződés-állóság és a króm-oxid szerepe

Azt, ami valójában tönkreteszi az acél alkatrészeket magas hőmérsékleten, nem csupán a lágyulás, hanem az oxidáció is. A rozsdamentes acélöntvények ellenállnak a felszíni réteg leválásának (skálázódásnak), mert az ötvözetben található króm sűrű, jól tapadó krómoxid-réteget képez a felületen. Ez a réteg diffúziós gátat alkot, lassítva a további oxigénhatást. A hatás koncentrációfüggő. Egy 18 százalékos krómtartalmú ötvözet viszonylag jól bírja a 870 °C-os hőmérsékletet, de ha a krómtartalmat például a CK20 öntött minőség esetében 25 százalékra növeljük, a gyakorlati üzemelési határ 1000 °C fölé emelkedik. A nikkel szintén hozzájárul a hatékonysághoz: stabilizálja az ausztenitet és javítja az oxidréteg tapadását hőciklusok során.

Kúszási viselkedés öntött rozsdamentes alkatrészekben

A lassú, állandó terhelés hatására magas hőmérsékleten bekövetkező maradandó alakváltozás – a csúszás – meghatározza sok kemencealkatrész élettartamát. A öntött szemcsestruktúra, amelyet a szemcsehatárokat átszövő karbidok alkotnak, egyszerre lehet áldás és átok. A finom, egyenletesen eloszló karbidok rögzítik a szemcsehatárokat, és kezdetben gátolják a csúszási üregek kialakulását. Azonban ezrek órája elteltével ezek a karbidok durvulhatnak, és új fázisok – például a szigma-fázis – is kiválthatnak, fokozatosan csökkentve a csúszással szembeni szilárdságot. A magas hőmérsékleten történő üzemre tervezett öntött rozsdamentes acélminőségek – különösen az ASTM A297 szabvány szerinti minőségek – krom, nikkel és szén arányát úgy egyensúlyozzák, hogy a karbidhálózat stabil maradjon a komponens teljes üzemideje során.

A megfelelő minőség kiválasztása: adatvezérelt összehasonlítás a 304-es, 316-os és 310-es típusokról

Minden ötvözetnek van egy hőmérsékleti felső határa, amely felett a oxidáció gyorsulni kezd, és a szilárdság meredeken csökken. Az alábbi táblázat három széles körben használt öntött rozsdamentes acélminőséget hasonlít össze.

Az hőálló ötvözetekre vonatkozó irodalom – többek között az ASM Specialty Handbook on Stainless Steels – adatai szerint a CF8-ról a CK20-ra történő áttérés ciklikus oxidációs körülmények között több mint kétszeresére növelheti a gyakorlati üzemelési élettartamot. A CF8M-ben található molibdén csak csekély mértékben javítja a folyási ellenállást; a tartós magas hőmérsékleten való működés fő meghatározó tényezője a króm és a nikkel aránya.

Egy hőkezelő rögzítőelem meghibásodásának tanulságai

Egy kereskedelmi hőkezelő műhely Ohio államban kosár alakú, CF8 öntött acélból készült rögzítőelemeket használt 925 °C-os karburálási ciklusokhoz. Kb. négy hónapos folyamatos üzemeltetés után a rögzítőelemek több milliméterrel lehajlottak, és torzították a szállított alkatrészeket. A későbbi vizsgálat súlyos oxidációt tárt fel a kristályhatárokon, valamint jelentős karbid-egyedülállást. A műhely a rögzítőelemeket CK20 öntvényekre cserélte. A magasabb króm- és nikáli-tartalom kétszeresére növelte a cserének időközét, és a javult méretstabilitás kb. 15 százalékkal csökkentette a torzított alkatrészekből származó hulladékot. A váltás egy év alatt megtérült, annak ellenére, hogy a CK20 öntvények kezdeti ára kb. 30 százalékkal magasabb volt.

Hőtágulás és ciklikus üzem kiegyensúlyozása

A rozsdamentes acélöntvények jobban tágulnak, mint a széntartalmú vagy alacsony ötvözetű acélok. Olyan alkatrész esetében, amely naponta többször is ciklizik szobahőmérséklet és 900 °C között, a hőmérsékleti fáradás megrepedtetheti az oxidréteget, és új fémfelületet nyithat meg az oxidációnak. A nagy sugarú lekerekítések beépítése, az éles keresztmetszet-változások elkerülése, valamint olyan minőség kiválasztása, amely elegendő képlékenységgel rendelkezik az üzemelési hőmérsékleten, ugyanolyan fontos, mint az összetétel. Az öntési folyamat maga itt előnyt jelent, mert sima átmeneteket és egyenletes falvastagságot képes létrehozni, csökkentve ezzel a feszültségkoncentrációkat, ahol a hőmérsékleti repedések gyakran kezdődnek. Azok a öntödések, amelyek specializálódnak magas hőmérsékleten használható ötvözetek gyártásában – például a JBD – a mintatervezésükre és a dermedésmodellezésükre támaszkodnak, hogy ezeknek az öntvényeknek az élettartamát jelentősen meghaladják annak a durva gyártásnak a határait, amit más módszerekkel elérhetnének.