Czym są materiały do pracy w ogniu H13JS, H18JS, H24JS (1.4724, 1.4742, 1.4762).

Mechanizm odporności – dlaczego stale Cr-Al zachowują trwałość w wysokiej temperaturze

Odporność ferrytycznych stali chromowo-aluminiowych na działanie wysokiej temperatury wynika z kontrolowanego tworzenia warstwy tlenkowej Al₂O₃, która pełni funkcję szczelnej bariery dyfuzyjnej między metalem a atmosferą pieca. Jej powstawanie jest efektem odpowiednio dobranego składu chemicznego:

• Cr: ok. 13–25 % – odpowiada za ogólną odporność na utlenianie i stabilność struktury ferrytycznej
• Al: ok. 1–2,5 % – umożliwia tworzenie zwartej warstwy tlenku glinu

W początkowej fazie nagrzewania na powierzchni pojawiają się tlenki mieszane, jednak wraz ze wzrostem temperatury dominującą fazą staje się Al₂O₃ o bardzo małej prędkości wzrostu. To kluczowa cecha – im wolniej narasta zgorzelina, tym mniejsze jest zużycie materiału bazowego.

Warstwa ta:

• ma wysoką przyczepność do podłoża,
• jest odporna na pękanie podczas zmian temperatury,
• regeneruje się w miejscach lokalnych uszkodzeń,
• skutecznie ogranicza dyfuzję tlenu, azotu i siarki.

Dla porównania – w stalach opartych wyłącznie na chromie dominującą fazą ochronną jest Cr₂O₃, która przy cyklicznym nagrzewaniu wykazuje większą skłonność do spękań i odspajania. Po utracie ciągłości takiej warstwy proces utleniania gwałtownie przyspiesza. W stalach Cr-Al mechanizm ten jest wyraźnie spowolniony.

Rola krzemu i strefy przejściowej metal–zgorzelina

Krzem nie jest dodatkiem przypadkowym. Tworzy cienką podwarstwę tlenków SiO₂, która:

• poprawia adhezję zgorzeliny,
• uszczelnia granicę faz,
• ogranicza powstawanie mikropęknięć.

Dzięki temu nawet przy długotrwałej pracy w atmosferze zawierającej produkty spalania, tlen i związki siarki warstwa ochronna pozostaje ciągła.

Znaczenie struktury ferrytycznej w warunkach cyklicznych

Osnowa ferrytyczna (α-Fe) jest stabilna w całym zakresie temperatur roboczych tych stali – nie zachodzą w niej przemiany fazowe powodujące zmiany objętości. Ma to bezpośrednie przełożenie na zachowanie konstrukcji:

• niższa rozszerzalność cieplna → mniejsze naprężenia podczas nagrzewania i chłodzenia,
• wyższa przewodność cieplna → bardziej równomierny rozkład temperatury w przekroju,
• większa odporność na zmęczenie cieplne → brak deformacji przy pracy cyklicznej.

W praktyce oznacza to, że element nie „pracuje” wymiarowo tak jak stal austenityczna – nie wypacza się, nie traci geometrii i nie powoduje rozszczelnień w układzie.

Kinetyka utleniania i zużycie materiału

Proces utleniania stali Cr-Al przebiega zgodnie z prawem parabolicznym – wraz z upływem czasu jego szybkość maleje. Oznacza to, że:

• początkowa faza tworzenia zgorzeliny jest najintensywniejsza,
• później warstwa Al₂O₃ działa jak bariera hamująca dalsze reakcje.

Efektem jest bardzo mały ubytek grubości materiału nawet po wielu tysiącach godzin pracy.

Odporność na atmosfery przemysłowe

Warstwa Al₂O₃ wykazuje wysoką stabilność w środowiskach zawierających:

• tlen,
• spaliny gazowe,
• produkty spalania paliw stałych,
• związki siarki w umiarkowanych stężeniach.

Dzięki temu stale Cr-Al zachowują szczelność i gładkość powierzchni w warunkach typowych dla:

• pieców przemysłowych,
• komór spalania,
• instalacji energetycznych,
• urządzeń przemysłu ceramicznego i szklarskiego.

Stabilność geometryczna elementów

Połączenie niskiej rozszerzalności cieplnej, dobrej przewodności cieplnej i odporności na pełzanie powoduje, że:

• elementy zachowują pierwotny kształt,
• nie dochodzi do falowania blach,
• prowadnice i ruszty nie blokują się podczas pracy,
• szczeliny dylatacyjne mogą być mniejsze niż w konstrukcjach z austenitu.

To właśnie ta cecha w wielu aplikacjach decyduje o przewadze stali Cr-Al nad droższymi gatunkami wysokoniklowymi.

Efekt eksploatacyjny

W warunkach długotrwałej pracy w temperaturach 900–1100 °C mechanizm ochronny tych stali sprowadza się do trzech zjawisk:

1. utworzenia szczelnej warstwy Al₂O₃,
2. zahamowania dyfuzji tlenu do wnętrza materiału,
3. ograniczenia naprężeń cieplnych dzięki strukturze ferrytycznej.

W rezultacie zużycie materiału jest minimalne, a element zachowuje swoje właściwości mechaniczne i wymiarowe przez wielokrotnie dłuższy czas niż w przypadku klasycznych stali chromowych.

H13JS (1.4724 / X10CrAlSi13)

Podstawowy gatunek do zastosowań w temperaturach do ok. 850 °C.

Charakterystyka

• ok. 13 % Cr i ok. 1 % Al
• dobra odporność na utlenianie w powietrzu i gazach spalania
• dobra skrawalność i stosunkowo łatwa obróbka

Nie jest przeznaczona do atmosfer silnie redukujących ani środowisk o wysokiej zawartości siarki.

Typowe zastosowania

• mufy i osłony cieplne
• elementy grzejne małej mocy
• deflektory i osłony palników
• lekkie konstrukcje pieców laboratoryjnych

Spawanie

Wymaga podgrzewania wstępnego (ok. 200–300 °C) i kontrolowanego chłodzenia – ferryt jest wrażliwy na szybkie studzenie. https://www.chojnice.com/wiadomosci/teksty/Jakie-materialy-wytrzymuja-1100C-Poznaj-1.4724-1.4742-1.4762/39107 

H18JS (1.4742 / X10CrAlSi18)

Gatunek pośredni przeznaczony do pracy w temperaturach do ok. 1000 °C, stanowiący w wielu konstrukcjach kompromis pomiędzy kosztem materiału a trwałością eksploatacyjną.

Charakterystyka

• ok. 18 % Cr i 1,2–1,5 % Al
• wyższa odporność na korozję gazową
• dobra stabilność przy pracy cyklicznej
• ograniczona podatność na pełzanie

Zwiększona zawartość chromu powoduje, że warstwa ochronna jest bardziej stabilna w atmosferach zawierających produkty spalania paliw stałych i gazowych. W porównaniu z H13JS wolniej postępuje ubytek grubości materiału, a powierzchnia dłużej pozostaje gładka i szczelna. Ma to szczególne znaczenie w elementach, w których przepływ gazów jest intensywny – ogranicza się zjawisko erozji zgorzeliny i wtórnego utleniania.

Struktura ferrytyczna zapewnia niewielkie zmiany wymiarów podczas nagrzewania i chłodzenia, dlatego elementy z H18JS zachowują osiowość i nie powodują blokowania się układów prowadzących. W długotrwałej eksploatacji obserwuje się również mniejszą tendencję do falowania cienkich blach niż w stalach austenitycznych.

Materiał ten jest często wybierany jako zamiennik gatunków wysokoniklowych w instalacjach energetycznych i cieplnych, gdzie decydujące znaczenie ma odporność na zmęczenie cieplne, a nie wysoka plastyczność w temperaturze pokojowej.

Typowe zastosowania

• przegrody i prowadnice pieców
• elementy wentylatorów gorącego powietrza
• płyty i osłony komór spalania
• kanały spalinowe

W tych aplikacjach kluczowa jest zdolność do długotrwałego utrzymania geometrii oraz odporność na cykliczne zmiany temperatury, które w stalach austenitycznych prowadzą do deformacji i odspajania zgorzeliny.

H24JS (1.4762 / X10CrAlSi25)

Najbardziej odporna stal w tej grupie – przeznaczona do pracy w temperaturach powyżej 1100 °C, w warunkach bezpośredniego oddziaływania płomienia i intensywnego strumienia gorących gazów.

Charakterystyka

• ok. 24–25 % Cr i do 2,5 % Al
• bardzo zwarta warstwa tlenkowa
• wysoka odporność na pełzanie
• minimalne deformacje podczas pracy długotrwałej

Wysoka zawartość aluminium umożliwia szybkie wytworzenie ciągłej warstwy Al₂O₃, która praktycznie zatrzymuje dalsze utlenianie. Dzięki temu tempo ubytku materiału jest bardzo małe nawet przy wielotysięcznych czasach pracy. Warstwa ochronna pozostaje przyczepna również podczas częstych cykli rozruch–postój, co eliminuje problem łuszczenia zgorzeliny i wtórnego utleniania powierzchni.

W porównaniu ze stalami typu 1.4841 i 1.4828 H24JS wykazuje znacznie mniejszą rozszerzalność cieplną, co ogranicza powstawanie naprężeń w dużych konstrukcjach. Ma to bezpośredni wpływ na trwałość spoin, połączeń śrubowych oraz elementów prowadzących. Jednocześnie wysoka odporność na pełzanie pozwala na pracę pod obciążeniem w temperaturach, w których stale austenityczne zaczynają tracić nośność.

Materiał ten zachowuje stabilną strukturę ferrytyczną nawet przy długotrwałym wygrzewaniu, co oznacza brak zmian objętościowych i bardzo dobrą stabilność wymiarową w czasie całego cyklu życia elementu.

Typowe zastosowania

• ruszty i płyty paleniskowe
• mufy piecowe
• elementy kotłów i pieców tunelowych
• komponenty systemów spalania

W takich warunkach decydująca jest odporność na bezpośredni kontakt z płomieniem oraz zdolność do przenoszenia obciążeń w wysokiej temperaturze bez trwałych odkształceń. H24JS stosowana jest wszędzie tam, gdzie wymagana jest wieloletnia praca bez utraty geometrii i szczelności układu. Charakterystyka stali H24JS (1.4762 / X10CrAlSi25)

Ferryt czy austenit – różnica praktyczna

Stale austenityczne

• bardzo dobra plastyczność
• łatwe spawanie
  – wysoka rozszerzalność cieplna
  – większe naprężenia podczas cykli
  – wyższy koszt (nikiel)

Stale ferrytyczne Cr-Al

• niska rozszerzalność cieplna
• wysoka odporność na zmęczenie cieplne
• stabilność wymiarowa
• niższy koszt wytopu
  – mniejsza plastyczność
  – większe wymagania spawalnicze

Zakres stosowania temperatur

• H13JS – do ok. 850 °C
• H18JS – do ok. 1000 °C
• H24JS – do ok. 1100–1150 °C

Wnioski

Ferrytyczne stale chromowo-aluminiowe są projektowane do pracy w warunkach, w których inne materiały zaczynają tracić ciągłość ochronnej zgorzeliny i ulegają deformacjom. Ich kluczowe cechy to:

• stabilność wymiarowa,
• bardzo wolne tempo utleniania,
• odporność na cykle cieplne,
• brak dodatku niklu.

Dlatego w piecach, kotłach, instalacjach spalania i przemyśle ceramicznym gatunki H13JS, H18JS i H24JS należą do najbardziej trwałych rozwiązań konstrukcyjnych dla pracy w wysokiej temperaturze.