Termički obradivi čelik – konstrukcijska legura
Karakteristike i primjene
Termički obradivi čelik (12HN3A, 1.5752, 20HN3A, 30HGSNA, 30HGSA, 30H2N2M, 30CrNiMo8, 1.6580, 36HNM, 1.6773, 1.6511, 37HS, 40H2MF, 40HNMA, 40NiCrMo7, 1.6565, 45HN, 45HNMF) pripada grupi legiranih konstrukcijskih čelika koji se koriste za kritične mašinske dijelove. Karakteriše ga kombinacija:
- visoka čvrstoća (granica razvlačenja, čvrstoća na zamor),
- znatna duktilnost,
- visoka udarna čvrstoća (otpornost na krhki lom).
Čelici za termičku obradu i proces obrade
Optimalna mehanička svojstva čelika postižu se upotrebom sorbitne strukture dobijene procesom termičke obrade koji uključuje:
- otvrdnjavanje,
- visoko kaljenje.
Ovaj proces dovodi do poboljšanih mehaničkih svojstava u poređenju sa sirovim ili normalizovanim čelikom. Normalizovani čelik ne podleže strukturnim promjenama povezanim sa kaljenjem i otpuštanjem.
Historija termina "čelik za termička poboljšanja"
Termin "kaljeni čelik" pojavio se prije nekoliko decenija, a odnosio se na čelike koji se koriste za kritične mašinske dijelove sa visokim zahtjevima čvrstoće. Trenutno, ovaj termin nije dovoljno precizan, jer se proces termičke obrade primjenjuje i na druge konstrukcijske čelike, kao što su:
- stalno za rad na niskim temperaturama.
Savremena razlika između termina
Trenutno treba praviti razliku između:
- Termički obrađeni čelici – čelici podvrgnuti procesu kaljenja i otpuštanja, bez obzira na njihovu kasniju upotrebu.
- Stalno se treba poboljšavati – tradicionalni naziv za grupu mašinskih čelika sa strogo definisanom namjenom.
Kriteriji za klasifikaciju kao čelika koji se može termički obraditi
Grupa čelika za termičku obradu obuhvata čelike namijenjene za kritične mašinske dijelove koji:
- imaju sorbitolnu strukturu u upotrebi i ispunjavaju zahtjeve čvrstoće na sobnoj temperaturi.
Čelici koji ne pripadaju ovoj grupi
Čelici za termičku obradu ne uključuju čelike:
- dizajniran za rad na temperaturama ispod -10°C i iznad +300°C,
- koja zahtijeva povećanu otpornost na koroziju,
- sa posebnim tehnološkim svojstvima (npr. lako se zavaruju ili obrađuju mašinski),
- podvrgnuti dodatnim tretmanima nakon termičkog poboljšanja (npr. nitriranje, površinsko kaljenje).
Primjeri čelika izvan grupe čelika koji se mogu termički obraditi
Čelici koji ne ispunjavaju gore navedene kriterije klasifikuju se u posebne grupe, kao što su:
- zavarljivi čelici sa povećanom čvrstoćom,
- čelik za lako rezanje,
- površinski kaljeni čelik,
- čelici za nitriranje,
- stalno za rad na niskim temperaturama,
- čelik otporan na koroziju.
Neki čelici za posebne namjene su također isključeni iz grupe čelika za kaljenje:
- Opružni čelici – tradicionalno izolovan, razlikuje se od ostalih kaljenih čelika po većem sadržaju ugljika i nižoj temperaturi otpuštanja, što omogućava veću čvrstoću.
- Čelici namijenjeni za vrlo velike otkovke – karakterizira ga visoka bainitna prokaljivost, što omogućava postizanje dobrih svojstava čvrstoće čak i kod velikih poprečnih presjeka.
Čelik za termičku obradu – definicija i sastav
Nakon uzimanja u obzir svih ograničenja, tzv. čelici opće namjene uključeni u standarde PN-72/H-84030 i PN-72/H-84035 smatraju se pogodnima za kaljenje i otpuštanje . To su čelici sa srednjim sadržajem ugljika (obično 0,30÷0,40% C), uglavnom niskolegirani čelici , kod kojih ukupni sadržaj legirajućih elemenata ne prelazi 3% , rjeđe srednjelegirani čelici sa sadržajem ovih elemenata u rasponu od 3-5% , a samo u izuzetnim slučajevima prelazi 5%.
Osnovni legirajući elementi koji se nalaze u ovim čelicima su:
- mangan, silicijum, hrom, nikl, molibden.
Manje korišteni elementi uključuju vanadij i volfram.
Hemijski sastav ovih čelika ponekad je osnova za njihovu dalju podjelu, npr.:
- hrom-nikl čelici,
- hrom-molibdenski čelik,
- hrom-nikl-molibdenski čelici.
Ograničenja sadržaja zagađivača
Zbog visokih zahtjeva kvalitete (prema starijim poljskim standardima), sadržaj nečistoća u ovim čelicima je strogo kontroliran. Sljedeće je ograničeno:
U nekim slučajevima, posebno kod čelika visoke metalurške čistoće, kao što su čelici pretopljeni elektrošljakom, dozvoljeni sadržaj fosfora i sumpora je još niži i iznosi maksimalno 0,025% ili čak i manje.
Struktura i svojstva čelika za kaljenje
U definiciji čelika za kaljenje, ključni element je struktura dobijena kao rezultat procesa kaljenja i otpuštanja, koja određuje postizanje optimalnih mehaničkih svojstava.
Međutim, proces termičke obrade ne postiže uvijek identične strukturne rezultate. Stepen poboljšanja mehaničkih svojstava može varirati:
- Puni efekat – odgovara dobijanju sorbitne strukture, koja osigurava optimalna svojstva čvrstoće.
- Nepotpuni efekat – javlja se kada je struktura mješavina sorbitola i drugih strukturnih komponenti, kao što je popušteni donji bainit. U ovom slučaju se ne postižu maksimalna mehanička svojstva.
Obim ovog efekta može biti ograničen i na površini kada se, tokom kaljenja, kritična brzina hlađenja dostigne samo u vanjskim slojevima materijala.
Varijacija strukture čelika koji se kaljuju
Važna karakteristika konstrukcijskih čelika za termičko poboljšanje je mogućnost dobijanja različitih struktura, ovisno o:
- hemijski sastav,
- prokaljivost,
- dimenzije očvrslog predmeta,
- metoda hlađenja tokom kaljenja.
Kao posljedica toga, mehanička svojstva ovih čelika mogu znatno varirati, što utiče na njihovu raznoliku primjenu u industriji.
Struktura i svojstva čvrstoće čelika za termička poboljšanja
Optimalna mehanička svojstva čelika koji se može termički obraditi zavise od strukture stvorene procesom kaljenja i otpuštanja. Precizno definiranje tehnoloških uslova pod kojima se može postići željena struktura je ključno.
Karakteristike konstrukcijskog čelika za termička poboljšanja
Dvije osnovne karakteristike čelika utiču na mogućnost dobijanja optimalnih mehaničkih svojstava:
- Temperament – sposobnost formiranja martenzitne strukture tokom kaljenja, koja zavisi od hemijskog sastava čelika i određuje se na osnovu:
- dijagrami transformacije austenita,
- krivulje prokaljivosti,
- kritični prečnici.
- Osjetljivost martenzita na otpuštanje – tj. sposobnost martenzitne strukture da promijeni svoja mehanička svojstva pod utjecajem otpuštanja.
Utjecaj strukture na svojstva čvrstoće
Mehanička svojstva čelika nakon kaljenja mogu značajno varirati ovisno o:
- prokaljivost čelika, veličina poprečnog presjeka kaljenog predmeta, metoda hlađenja.
Na osnovu toga, mogu se razlikovati tri najkarakterističnija slučaja:
1. Martenzitna struktura s dominantnim sorbitom
Ako martenzitna struktura dominira ili preovladava u čeliku nakon kaljenja, nakon otpuštanja se formira sorbitna struktura . Ovu strukturu karakterizira optimalna kombinacija:
- visoka čvrstoća zatezna čvrstoća (Re, Rm),
- visoka duktilnost (A, Ž, K).
Karakteristike sorbitola:
- Visok odnos Re:Rm, što iznosi otprilike 90%, bez obzira na hemijski sastav čelika.
- Niska temperatura prijelaza krhkosti, ovisno o:
- hemijski sastav, brzina hlađenja nakon popuštanja, drugi tehnološki faktori.
Mehanička svojstva zavise od temperature otpuštanja - viša temperatura uzrokuje smanjenje tvrdoće, ali povećanje duktilnosti i udarne žilavosti.
2. Mješovita struktura (martenzit, bainit, perlit, ferit)
Kako se udio martenzita u strukturi koja se kali smanjuje, a udio ostalih strukturnih komponenti (donji bainit, gornji bainit, perlit, ferit) povećava, pri istoj temperaturi otpuštanja, zatezna čvrstoća postepeno se smanjuje.
Karakteristike mješovite strukture:
- Smanjenje vrijednosti odnosa Re:Rm, ovisno o količini i vrsti nemartenzitnih komponenti:
- za bainit: 74-85%, za feritno-perlitnu strukturu: 60-70%, a ponekad i manje.
- Povećanje temperature krhkog prelaza to around 0 ° C ili više, što rezultira pogoršanjem udarne čvrstoće na sobnoj temperaturi u poređenju sa sorbitolom.
- Nema poboljšanja plastičnosti – izduženje (A) i sužavanje (Z) nisu značajno poboljšani uprkos smanjenju zatezne čvrstoće.
Ovu strukturu karakterizira pogoršanje dinamičke čvrstoće, što ograničava njenu upotrebu u elementima izloženim udarnim i cikličnim opterećenjima.
3. Bainitna struktura za velike poprečne presjeke
Za vrlo velike poprečne presjeke, kada nije moguće dobiti punu martenzitnu strukturu zbog ograničene brzine hlađenja, koriste se bainitne strukture.
Karakteristike bainitne strukture:
- Kod standardnih termički obradivih čelika, nemartenzitne komponente se formiraju sa:
- niska tvrdoća,
- niska granica tečenja (ispod 40 kg/mm², tj. cca. 30 N/mm²).
- Modifikacijom hemijskog sastava moguće je dobiti donji bainit nastaje iz austenita na temperaturama bliskim martenzitnoj transformaciji.
- Donja bainitna struktura pokazuje mehanička svojstva slična martenzitu, s visokom čvrstoćom nakon otpuštanja:
- Granica tečenja Re do 7 kg/mm² (otprilike 690 N/mm²).
- Dovoljna duktilnost, uključujući dobru udarnu čvrstoću, izduženje (A) i sužavanje (Z).
Primjer: Ovaj skup svojstava čvrstoće postižu samo neki od čelika koji se poboljšavaju, npr. 25H2N4WA , ali je tipičan za tzv. bainitne čelike namijenjene za teške, visokočvrste otkivke (prema standardu BN-65/0661-01 ).
Martenzitna struktura sa sorbitom
pruža optimalnu kombinaciju čvrstoće i duktilnosti. Mješovita struktura smanjuje čvrstoću i otpornost na udar, posebno uz prisustvo ferita i perlita. Bainitna struktura se koristi za velike poprečne presjeke gdje se martenzit ne može dobiti, ali pruža dobru ravnotežu između čvrstoće i duktilnosti.
Izbor odgovarajuće strukture zavisi od čvrstoće i tehnoloških zahtjeva za datu primjenu, a kontrola procesa kaljenja i otpuštanja igra ključnu ulogu u oblikovanju konačnih svojstava čelika za termičku obradu.
Simbol klase čelika prema PN u oznaci klase: broj na početku označava prosječni sadržaj ugljika u stotim dijelovima %, a zatim slova koja označavaju:
H – Krom
G – Mangan
S – Silicijum
N – Nikl
M – Molibden
F – Vanadijum
W – Volfram
zatim, ako se iza slova nalaze brojevi, oni označavaju prosječan sadržaj date komponente u %. Ako se na kraju oznake čelika nalazi slovo A, to označava viši kvalitet, tj. smanjeni sadržaj. sumpor i fosfor npr. 35HGSA, 30HGSA, 30HGSNA, 12HN3A, 20HN3A, 40HNMA, 45HNMFA
Konstrukcijski čelik za termičku obradu (klase prema PN, ekvivalenti i zamjene čelika, hemijski sastavi i karakteristike prema GOST, EN, DIN, ASTM i drugim standardima)
12HN3A – hrom-nikl čelik 1.5752, 16NiCrMo12, 15CrNi13
20HN3A – hrom-nikl čelik za popuštanje
30HGSA – čelik za popuštanje 35HGSA, 35HGS
30HGSNA – čelik za kaljenje hrom-mangan-silicijum-nikl
30H2N2M – hrom-nikl-molibdenski čelik 30CrNiMo8,1.6580
30HM – hrom-molibdenski čelik 34CrMo4, 1.7220
36HNM – hrom-nikl-molibdenski čelik 36CrNiMo4, 36NiCrMo16, 1.6773, 1.6511
37HS – čelik za kaljenje hromom i silicijem
40H2MF – čelik za kaljenje hrom-molibden-vanadij
40HNMA – hrom-nikl-molibdenski čelik (AISI 4340, 40NiCrMo6, 40NiCrMo7, 36NiCrMo16, 1.6565)
45HN – čelik za kaljenje hrom-nikla
45HNMF / 45HNMFA - hrom-nikl-molibden-vanadij čelik za termičku obradu
Ostali konstrukcijski legirani čelici
legirani konstrukcijski čelici za cementaciju
konstrukcijski legirani čelik za nitriranje
konstrukcijski legirani opružni čelik
konstrukcijski legirani čelici za ležajeve
konstrukcijski legirani čelik za termičku obradu
legirani konstrukcijski čelik za rad na povišenim temperaturama – kotlovski čelik
telefon: + 48 63 2610519
kontakt@alfa-tech.com.pl