פלדה עמידה בחום מתייחסת לפלדה בעלת יציבות תרמית וחוזק תרמי בתנאי טמפרטורה גבוהים. יציבות תרמית מתייחסת ליציבות הכימית (עמידות בפני קורוזיה, אי חמצון) של פלדה בתנאי טמפרטורה גבוהים. חוזק תרמי מתייחס לחוזק מספיק של פלדה בתנאי טמפרטורה גבוהים. עמידות החום מובטחת בעיקר על ידי יסודות סגסוגת כגון כרום, מוליבדן, ונדיום, טיטניום וניוביום, ולכן יש לקבוע את בחירת חומרי הריתוך בהתאם לתכולת האלמנטים המסגסוגים של המתכת הבסיסית. פלדה עמידה בחום נמצאת בשימוש נרחב בבניית התקנה של תעשיית נפט ופטרוכימיה. לעתים קרובות אנו יכולים לבוא במגע עם פלדה עמידה בחום פרלייט עם תכולת סגסוגת נמוכה, כגון 15CrMo, 1Cr5Mo וכן הלאה.
בדרך כלל, תכולת יסודות הסגסוגת של פחות מ-50 אחוז נקראת פלדה עמידה בחום. תקן פלדה יפני עמיד בחום JIS G4311, G4312, בנוסף למספר תקנים מסדרת SUH. בהתאם למבנה המיקרו השונה של שלב האב, ניתן לחלק את הפלדה עמידה בחום לפלדה עמידה בחום פריטי, פלדה עמידה בחום מרטנסיטית, פלדה עמידה בחום אוסטניטית ופלדה עמידה בחום מתקשות משקעים. JIS G5122 מספק פלדה יצוקה עמידה בחום מסדרת SUH, אך אינה מסווגת את דרגת הפלדה לפי מבנה שלב האב, ומערבבת יחד את הפלדה עמידה בחום פריטי, פלדה עמידה בחום מרטנסיטית ופלדה עמידה בחום אוסטניטית.
פלדה עמידה בחום פריטית
הפלדה המייצגת עמידה בחום פריטי בשימוש נרחב היא SUS430 עם C-17 אחוז Cr נמוך. Cr הוא האלמנט שיכול לשפר את עמידות הפלדה בפני קורוזיה בטמפרטורה גבוהה והוא אלמנט הכרחי בפלדה עמידה בחום. ל-SUS430 עמידות טובה לחמצון. SUS430 זול יותר מכיוון שאין אלמנטים אחרים בפלדה. עם זאת, SUS430 אינו מתקשה לאחר מרווה בטמפרטורה גבוהה, וחוזק הטמפרטורה הגבוה שלו נמוך, כך שניתן להשתמש בו רק עבור חלקים שאינם דורשים חוזק רב. מצד שני, מכיוון שמקדם ההתפשטות התרמית של SUS430 קטן, ומקדם ההתפשטות התרמית של פלדה עמידה בחום אוסטניטית הוא גדול, ולכן, עבור שינויי הטמפרטורה שוב ושוב, קל לייצר חלקי עייפות תרמית, SUS430 עדיף. בנוסף, כאשר משתמשים ב-SUS430 במשך זמן רב ב-500 מעלות בערך, תתרחש שבריריות עקב משקעים של שלב שביר, שאליו יש לשים לב. בנוסף, אל הוא גם יסוד המשפר את יכולת נוגדי החמצון. בטמפרטורה גבוהה, Al יוצר Al2O3 על פני יריעת התחמוצת, שהופך לסרט מגן חזק ומשחק תפקיד בשיפור עמידות החמצון. הפלדה עמידה בחום המשתמשת באפקט זה של Al היא FCH1. FCH1 היא פלדה עמידה בחום עם 5 אחוזים אל מתווספים ב-25 אחוז פלדת Cr. יש לו עמידות חמצון טובה מתחת ל-1200 מעלות.
פלדה עמידה בחום מרטנסיטית
פלדות עמידות בחום מרטנסיטיות אופייניות הן 12% פלדות Cr SUS403 ו-SUS410J1 עם תכולת פחמן של כ-0.1%. פלדות עמידות בחום אלו מוקשחות על ידי כיבוי בטמפרטורה גבוהה ולאחר מכן מחוסמות כדי לזרז M23C6 על המרטנזיט של שלב האב, תוך שמירה על חוזק גבוה ב-500-600 מעלות. אם מוסיפים Mo כדי לשפר את ההתנגדות לריכוך מזג האוויר, ניתן לשמור על החוזק הגבוה יותר. פלדה עמידה בחום מרטנסיטית תתרכך בטמפרטורה גבוהה מעל 500-600 מעלות, וכתוצאה מכך ירידה חדה בחוזק. לכן, פלדה עמידה בחום מרטנסיטית מתאימה לטמפרטורת עבודה מתחת ל-500-600 מעלות, הדורשת רכיבי חוזק בטמפרטורה גבוהה. בנוסף, מכיוון שתכולת הכרום של פלדה עמידה בחום מרטנסיטית היא פחותה (12 אחוזים), וחלק מהכרום עדיין נמצא בקרביד, לא יכולה להבטיח את תכולת הכרום בשלב האב, ולכן עמידות החמצון של פלדה עמידה בחום מרטנסיטית. הוא לעתים קרובות פחות מזה של פלדה עמידה בחום פריטי ופלדה עמידה בחום אוסטניטית. Si ו-Al יכולים גם ליצור סרט מגן על יריעת התחמוצת של פלדה עמידה בחום מרטנסיטית. פלדות עמידות בחום SUH3 ו-SUH11 בתוספת Si כדי לשפר את עמידות החמצון שלהן. פלדות עמידות חום אלו משמשות לשסתומי יניקה של מנוע וברגים עמידים בחום.
פלדה עמידה בחום אוסטינית
תוספת Cr לפלדה מלווה בתוספת של אלמנט מייצב Austenite Ni, מה שהופך את מבנה האוסטניט הפלדה ליציב בכל הטמפרטורות. פלדות מבנה אוסטניטי רגילות הן SUS304 ו-SUS310. כפי שכולנו יודעים, SUS304 היא נירוסטה עמידה בפני קורוזיה, אך ניתן להשתמש ב-SUS304 גם כפלדה עמידה בחום. מתחת ל-600 מעלות, החוזק של פלדה עמידה בחום אוסטניטית הוא בין פלדה עמידה בחום מרטנסיטית לפלדה עמידה בחום פריטי, ומעל 600 מעלות, החוזק גדול יותר מפלדה עמידה בחום מרטנסיטית. בנוסף, SUS304 מתחת ל-800 מעלות, SUS310 מתחת ל-1000 מעלות, חימום חוזר - קירור, בעל עמידות טובה לחמצון. עם זאת, בשימוש במשך זמן רב ב-700-900 מעלות, יהיו משקעים של שלב שביר, כך שהחומר הופך שביר. בנוסף, מכיוון שמקדם ההתפשטות התרמית של SUS304 ו-SUS310 גדול יותר מזה של פלדות עמידות בחום מרטנסיטית ופריטית, קל להתרחש נזק לעייפות תרמית, ויש לשים לב לשתי נקודות אלו.
כאשר נדרש חוזק בטמפרטורה גבוהה, ניתן לשפר עוד יותר את החוזק של פלדה עמידה בחום אוסטניטית על ידי חיזוק משקעים וחיזוק תמיסה. הפלדה עמידה בחום האוסטניטית המשמשת לשסתום הפליטה של המנוע היא SUH35. חוזק הטמפרטורה הגבוהה של SUH35 שופר על ידי חיזוק משקעי קרביד וחיזוק תמיסה מוצקה על ידי הוספת C לפלדה. ניתן לקבל את המבנה האוסטניט גם אם תכולת Ni היא 4 אחוזים על ידי הגדלת תכולת Mn. ה-SUH660 המשמש עבור ברגים וקפיצים עמידים בחום התחזק על ידי משקעים של 'פאזה (Ni3 (Al, Ti)) עקב תוספת של Al ו-Ti.
פלדה עמידה בחום מחוזקת משקעים
המותג המייצג של פלדה עמידה בחום מרטנסיטית הוא SUS630. לאחר יישון ב-500 מעלות, שלב ε (שלב Cu) משקע בשלב אב מרטנזיט נמוך של C של SUS630 כדי לשפר את חוזק הפלדה. עם זאת, כאשר הטמפרטורה עולה על 500 מעלות, שלב ה-ε הופך גס יותר ומבנה המרטנסיט משתנה, מה שגורם לירידה בחוזק הפלדה. לכן, ה-SUS630 משמש בעיקר עבור רכיבי טורבינה מתחת ל-500 מעלות. המרכיב העיקרי של פלדת SUS630 הוא 17Cr-4Ni-4Cu, תכולת ה-Ni אינה גבוהה מדי, ובהתחשב ביציבות האוסטניטית, לא ניתן להפחית את תכולת ה-Ni, כך שזה לא משאב- חיסכון בפלדת פיתוח.
