Korozivzdorné a žáruvzdorné oceli Ing. Karel Němec, Ph.D.

Koroze Podle charakteru probíhajících dějů se koroze člení na: chemickou koroze v oxidačně působících plynech (vzduch, O2, CO2, SO, SO2, H2S) koroze v redukčně působících plynech (H2, CH4, NH4) elektrochemickou koroze probíhající ve vodivých prostředích, tj. v elektrolytech (i v půdách)

Chemická koroze Chemická koroze je chemická reakce probíhající mezi povrchem součásti a elektricky nevodivým prostředím (nejčastěji plynem) za normálních, ale hlavně za vysokých teplot. Lze sem zařadit například tvorbu okují při tváření oceli za tepla . K posouzení korozní reakce je třeba znát tyto faktory: afinitu kovu ke koroznímu prostředí, termodynamiku probíhajícího děje, kinetiku korozního procesu, Pillingovo-Bedworthovo pravidlo.

Elektrochemická koroze Při elektrochemické korozi je součást ve vodivém prostředí, tzn. v elektrolytu. Tento děj probíhá při normální teplotě. Materiál koroduje, když se vytvoří galvanický článek (makročlánek, mikročlánek, submikročlánek). η = E - E r Kde E potenciál elektrody, Er rovnovážný potenciálu,  je přepětí (V), určující směr reakce následovně :   0 reakce probíhá ve směru oxidace   0 reakce probíhá ve směru redukce Potenciálový rozdíl, vyjádřený hodnotou přepětí , současně charakterizuje hnací sílu příslušné korozní reakce.

Elektrochemická koroze Koroze elektronegativnějšího zinku ve spojení s ocelí Tvorba rzi na oceli ve spojení s elektropositivnější mědí

Korozivzdorné a žáruvzdorné oceli Mají zvýšenou odolnost proti korozi za normální i zvýšené teploty. I tyto oceli postupně korodují, avšak mnohem pomaleji, takže zvýšená životnost vyváží vyšší cenu. Volba korozivzdorné oceli je obtížná, nezáleží jen na požadovaných mechanických vlastnostech, ale i na druhu prostředí, teplotě a tlaku. Korozivzdornost - odolnost vůči korozi (elektrochemické) za normálních teplot (20°C) Žáruvzdornost - odolnost vůči korozi (chemické) za zvýšených teplot (nad 600°C).

Korozivzdorné a žáruvzdorné oceli Mezi korozivzdorné řadíme oceli schopné pasivování. Podmínkou pasivace oceli je min. 11,74 % Cr rozpuštěného v tuhém roztoku, resp. Žáruvzdornost ocelí způsobuje chrom, nikoliv však pasivací tuhého roztoku, ale ochranným povlakem oxidů. Dalšími pozitivně působícími přísadovými prvky jsou hlavně Al a Si. Cr = 11,74% + 14,5% C

Rozdělení korozivzdorných a žáruvzdorných ocelí Podle chemického složení Chromové Oceli s přísadou 12 - 30 %Cr Chrom-niklové Společnou přísadou Cr a Ni se dosahuje větší korozní odolnosti a vyšší houževnatosti a plasticity než u chromových ocelí Chrom-manganové Cr-Mn oceli využívají k úplné nebo částečné náhradě drahého niklu obdobně působící prvek, a to mangan. Nevýhodou je nižší korozivzdornost a žáruvzdornost oproti Cr-Ni ocelím.

Rozdělení korozivzdorných a žáruvzdorných ocelí Podle struktury Martenzitické (0,15 - 1,5 %C, 12 - 18 %Cr) Feritické (zpravidla  0,1 %C, 12 - 30 %Cr) Austenitické ( 0,1 %C, 12 - 25 %Cr, 8 - 30 %Ni nebo  0,1 %C, 10 - 18 %Cr, 14 - 25 %Mn) Dvoufázové austeniticko-feritické (20 – 30 %Cr, 2,5 – 7 %Ni, Ti, Mo) feriticko-martenzitické (0,1 – 0,4 %C, 7 – 18 %Cr) Vytvrditelné (Cr-Ni základ + Mo, Cu, Al, Ti, Nb, V)

Rozdělení korozivzdorných a žáruvzdorných ocelí Podle nutnosti tepelného zpracování tepelně zpracovávané Martenzitické oceli – žíhání naměkko, kalení a popouštění, příp. žíhání ke snížení pnutí Feritické oceli – homogenizační žíhání (750 – 900°C) s rychlým ochlazením Austenitické oceli – rozpouštěcí žíhání (950 – 1150°C) s rychlým ochlazením Dvoufázové A-F oceli – rozpouštěcí žíhání (1000 – 1150°C) s rychlým ochlazením a následně stárnutí (450°C) Vytvrditelné oceli – rozpouštěcí žíhání (950 – 1150°C) s rychlým ochlazením a následné precipitační vytvrzování bez tepelného zpracování Některé feritické oceli se tepelně nezpracovávají

Vliv přísadových prvků na strukturu korozivzdorných a žáruvzdorných ocelí Feritotvorné prvky Prvky, které zvětšují oblast existence feritu Hlavním představitelem je chrom Dalšími jsou Mo, Si, Ti, Al, Nb, Be, V, W aj. Austenitotvorné prvky Prvky, které rozšiřují a otevírají oblast austenitu Hlavním představitelem je nikl Dalšími jsou Mn, Cu, C a N Vliv feritotvorných a austenitotvorných prvků na strukturu ocelí znázorňuje Schaefflerův diagram.

Schaefflerův diagram

Rovnovážný diagram soustavy Fe-Cr

Struktura chromových ocelí c – začátek přeměny F → A (nad touto křivkou nemají slitiny fázovou přeměnu v tuhém stavu) d – konec přeměny F → A (mezi čarami c a d probíhá pouze částečná přeměna F → A, pod křivkou d je oblast úplné přeměny F → A, je to oblast kalitelných ocelí.) a – eutektoidní koncentrace b – maximální rozpustnost uhlíku v austenitu

Řez ternárním rovnovážným diagramem Fe-Cr-C při konstantním obsahu chrómu a) 12% Cr b) 15% Cr c) 20% Cr Pozn.: Kc = M3C, K1 = M23C6, K2 = M7C

Martenzitické oceli Charakteristika martenzitických ocelí přijatelná cena možnost ovlivnění vlastností pomocí TZ široká oblast pevnostních hodnot sklon k popouštěcí křehkosti sklon k vodíkové křehkosti sklon ke koroznímu praskání pod napětím Používají se hlavně na namáhané dílce v korozním prostředí (čerpadla, vodní turbíny) nebo na drobné nástroje (nůžky, chirurgické nástroje, žiletky, atd.)

Feritické oceli Charakteristika feritických ocelí přijatelná cena vysoká žáruvzdornost (1100°C) dobrá korozivzdornost (i v prostředí S) odolnost proti korozi pod napětím (Cl-) nízká mez kluzu nízká plasticita tranzitní chování sklon ke zkřehnutí (při ochlazování z T > 950°C a při 475°C) Používají se hlavně na rekuperátory, málo namáhané součásti tepelných zařízení, topné odpory, atd.

Austenitické oceli Charakteristika austenitických ocelí výborná svařitelnost vysoká houževnatost vysoká žáruvzdornost (až do 1150°C) žáropevnost (až do 750°C) vysoká cena (vysoké množství Ni) nižší mez kluzu špatná tepelná vodivost obtížná obrobitelnost nejsou feromagnetické, jen paramagnetické sklon ke koroznímu praskání pod napětím Používají se v chemickém průmyslu (bez přítomnosti síry), jako součásti sklářských a keramických pecí, na topné odpory, kuchyňské náčiní atd.

Ternární rovnovážný diagram Fe-Cr-Ni

Rovnovážný diagram soustavy Fe–C–Cr–Ni pro 18% Cr a 9 % Ni V chromniklových korozi-vzdorných ocelích se se zvyšujícím se množstvím přísady niklu zužuje oblast delta feritu a rozširuje se oblast austenitu. Při 8% niklu (u oceli s 18% Cr) je již oblast feritu delta uza-vřená a pod křivkou solidu se vyskytuje oblast homo-genního austenitu.

Karbidy chromu v austenitických ocelích Při pomalém ochlazování po odlití, tváření nebo svařování se na hranicích zrn vylučují karbidy chrómu (převážně Cr23C6). Následkem toho může místně klesnout obsah chrómu v tuhém roztoku pod 12%, což znamená ztrátu schopnosti pasivace. Jak lze tvorbě nežádoucích karbidů chrómu zabránit? Snížením obsahu uhlíku (pod 0,02 %). Rozpouštěcím žíháním s následným rychlým ochlazením. Vázáním uhlíku na prvky s vyšší afinitou k uhlíku, než má chrom, na Ti nebo Nb. Přísada prvků, tvořících v korozivzdorných a žáruvzdorných ocelích stabilní karbidy, se nazývá stabilizace.

Dvoufázové oceli Austeniticko-feritické oceli Optimální je struktura s 40-50% feritu Kombinují výhody feritických a austenitických ocelí až dvojnásobná mez kluzu dobrá houževnatost a plasticita (lepší než u feritických ocelí) podstatně lepší obrobitelnost než u austenitických ocelí zvýšená odolnost proti koroznímu praskání přijatelná cena díky sníženému obsahu Ni Použití hlavně v chemickém a petrochemickém průmyslu Feriticko-martenzitické oceli (poloferitické) Kombinují vlastnosti feritických a martenzitických ocelí lepší korozivzdornost než u martenzitických ocelí vyšší hodnoty pevnostních charakteristik než u feritických ocelí

Precipitačně vytvrditelné oceli Požadavky na vysoké mechanické vlastnosti při zachování korozní odolnosti vedou ke komplexně legovaným Cr-Ni ocelím s velmi nízkým obsahem uhlíku, zpevněných intermedi-árními fázemi, na nichž se podílejí Mo, Cu, Al, Ti, Nb a V. Některé z těchto ocelí se řadí spíše mezi žáropevné. Vliv obsahu titanu na tvrdost Cr-Ni oceli po vytvrzování, při němž vznikají precipitáty intermediární fáze Ni3Ti.

Žáropevné oceli Žáropevné oceli odolávají creepu (viz. BUM), při vysokých teplotách až do cca 750°C. Znamená to, že si zachovávají až do těchto teplot dostatečné mechanické vlastnosti. Jedná se o oceli legované většinou karbidotvornými prvky (Cr, Mo, V, W, Nb atd.), které zajišťují stabilitu za zvýšených teplot, a niklem. Některé žáro-pevné oceli mají strukturu i chemické složení podobné ocelím korozivzdorným a žáruvzdorným (martenzitické, austenitické) se zvýšenými obsahy prvků tvořících stabilní karbidy. Tyto oceli se využívají na parní potrubí, součásti parních nebo plynových turbín atd.

Doporučená literatura Ptáček, L. a kol.: Nauka o materiálu I. Akademické nakla-datelství CERM, Brno, 2001, (2. opravené a doplněné vydání 2003) Číhal, V.: Korozivzdorné oceli a slitiny. Academia, Praha, 1999 Fremunt, P., Podrábský, T.: Konstrukční oceli. CERM, Brno, 1996 Pluhař, J. a kol.: Nauka o materiálech. SNTL, Praha,1989 Askeland, D.R., Phulé, P.P.: The Science and Engineering of Materials. Thomson-Brooks/Cool, 4th ed. 2003 (5th ed. 2005) Callister, W.D., Jr.: Materials Science and Engineering. An Introduction. John Wiley & Sons, Inc., 6th ed., 2003