Stale konstrukcyjne stopowe-stal do nawęglania 15HN,18H2N2,18HGT,17HNM,1.6587,18H2N4MA,18H2N4WA,20H2N4A

Stale konstrukcyjne stopowe do nawęglania

Stale stopowe do nawęglania to grupa stali zawierających do 0,25% węgla, które są przeznaczone do utwardzania powierzchniowego metodą nawęglania, lub cyjanowania ( jednoczesne azotowanie i nawęglanie ). Po nawęglaniu uzyskuje się twardą powierzchnię przy zachowaniu ciągliwości rdzenia w stanie zahartowanym i nisko odpuszczonym 150-180oC. Stale konstrukcyjne do nawęglania stosowane są w przypadku potrzeby uzyskania dużej odporności powierzchni na ścieranie oraz kiedy konieczne jest uzyskanie dużej twardości. Ścieralność powierzchni jest tym mniejsza, im większa jest jej twardość, dużą twardość osiąga się przez wzbogacenie warstwy powierzchniowej w węgiel i następne zahartowanie. Największą twardość po nawęglaniu uzyskują stale w których składzie występują chrom i molibden. Części o małych przekrojach wykonuje się ze stali zawierającej chrom i mangan, duże elementy wykonuje się ze stali zawierającej chrom i nikiel lub chrom+nikiel+molibden.

Na własności warstwy nawęglonej wywierają wpływ zarówno warunki przeprowadzania procesu nawęglania, jak i własności zastosowanego gatunku stali.
Własności warstwy nawęglonej charakteryzują następujące czynniki:
-Głębokość nawęglenia zależna przede wszystkim od temperatury i czasu nawęglania, mniejsze znaczenie ma skład chemiczny stali i ośrodek nawęglający
-Zawartość węgla w strefie przypowierzchniowej, zależna jest przede wszystkim od składu chemicznego ośrodka nawęglającego i od składu chemicznego stali, mniejsze znaczenie ma temperatura i czas przeprowadzanego nawęglania,
-Sposób przejścia od strefy powierzchniowej do rdzenia, zależny od zawartości węgla na powierzchni i w rdzeniu oraz od głębokości nawęglenia, niezależny jest od składu chemicznego stali. Jeżeli w warstwie powierzchniowej osiągnie się dużą zawartość węgla, a głębokość nawęglenia jest niewielka, przejście to będzie zawsze gwałtowne.

Bardzo płytkie nawęglenie obniża twardość powierzchniową, głębokie zaś może wywołać zbytnią kruchość całego elementu. Strefa powierzchniowa jest tym twardsza, (jednocześnie bardziej krucha), im więcej zawiera węgla, a maksymalną twardość osiąga się przez zastosowanie odpowiedniego hartowania, przy możliwie jak najniższej temperaturze.
Najwyższą twardość powierzchni osiąga się przez nawęglenie stali chromowych i chromowo-molibdenowych, które odznaczają się wytwarzaniem dużej ilości węglików, zwłaszcza przy nieco wyższej zawartości chromu w stali. Aby zapobiec nadmiernemu wzbogaceniu w węgiel, należy stosować łagodnie działające środki nawęglające.
Twardość zbliżoną do stali chromowych i chromowo-molibdenowych, można osiągnąć również na stalach węglowych, zawartość węglików w warstwie powierzchniowej jest przy tym mniejsza niż w stalach z zawartością chromu.
Mniejszą twardość osiąga się przy nawęglaniu stali chromowo-niklowych, które  w pewnych warunkach wykazują skłonność do tworzenia niepożądanej siatki węglików, w celu uniknięcia jej należy po nawęgleniu stosować szybkie chłodzenie lub nie dopuszczać do wytworzenia się wolnych węglików przez łagodnie działające środki nawęglające kosztem zmniejszenia twardości.

Wybór gatunku

Przy wyborze stali do nawęglania, istotną sprawą jest wytrzymałości rdzenia nawęglonego przedmiotu. Zależnie od przeznaczenia wytrzymałość na rozciąganie zmienia się w stalach do nawęglania w szerokich granicach – od 490 do około 1370 MPa, granica  plastyczności Re (Rp0,2) od 245 do około  880 MPa, jednocześnie najczęściej  wymaga się od rdzenia dużej udarności i ciągliwości, aby skompensować niebezpieczeństwo, które przedstawia warstwa powierzchniowa o dużej twardości i kruchości. Z tego względu zawartość węgla w stalach do nawęglania wynosi zazwyczaj od 0,10 do 0,25% C, wytrzymałość ponad 735 MPa, uzyskuje się dzięki obecności pierwiastków stopowych.
Stałe stopowe do nawęglania, w porównaniu ze stalami węglowymi mają znacznie większą wytrzymałość na rozciąganie zarówno w stanie zmiękczonym, jak i zahartowanym. Dzięki większej hartowności tak dużą wytrzymałość na rozciąganie można prócz tego uzyskać w przedmiotach o większych rozmiarach, przy jednoczesnej dobrej ciągliwości, to znaczy o dużym wydłużeniu, przewężeniu i udarności.

Po nawęgleniu i zahartowaniu, elementy wykonane ze stali stopowej charakteryzuje duża wytrzymałość rdzenia, której nie można uzyskać przy użyciu stali węglowych. Z tego względu stal stopową do nawęglania stosuje się na wysoko obciążone, ważne elementy konstrukcyjne silników, pojazdów mechanicznych i samolotów oraz części maszyn, które ze względu na warunki pracy muszą mieć dużą twardość powierzchniową zapewniającą znaczną odporność na ścieranie.
Żądanych w rdzeniu własności wytrzymałościowych nie można jednak osiągnąć właściwą i normalną metodą zwykłego ulepszania (hartowania i odpuszczania), ponieważ już po odpuszczeniu przy 150°C twardość warstwy nawęglonej zaczyna się zmniejszać. Poza tym, aby uzyskać najwyższą twardość powierzchniową, warunki hartowania trzeba dostosować do składu chemicznego warstwy nawęglonej, dla której właściwa temperatura hartowania leży znacznie niżej niż temperatura hartowania właściwa dla rdzenia. Wskutek tego rdzeń ulega jedynie częściowemu zahartowaniu i zazwyczaj wykazuje własności wytrzymałościowe niższe od optymalnych, możliwych do osiągnięcia przy całkowitym zahartowaniu.
Wobec tego, że własności stali do nawęglania nie można, zmieniać przez odpuszczanie, skład chemiczny stali jest zasadniczym czynnikiem rozstrzygającym o własnościach wytrzymałościowych rdzenia. Określa on również hartowność stali, lecz w odniesieniu do przedmiotów nawęglonych własność ta ma mniejsze znaczenie ze względu na niezupełne zahartowanie, któremu ulega zazwyczaj rdzeń nawęglonego przedmiotu.
W przypadku stosowania tych stali bez nawęglania (jako miękkich stali do ulepszania), hartowność stanowi istotne kryterium ich użytkowania, podobnie jak przy właściwych stalach stopowych do ulepszania cieplnego. Dobierając odpowiednio zawartość pierwiastków stopowych można uzyskać jednocześnie potrzebną wytrzymałość rdzenia w wymaganym przekroju i pożądaną twardość powierzchniową po nawęgleniu.

Ponieważ każdy gatunek pozwała na osiągnięcie tylko bardzo wąskiego zakresu wytrzymałości rdzenia oraz charakterystycznej dla siebie struktury i twardości warstwy nawęglonej, aby pokryć szeroką rozpiętość Rm (490 do około 1370 MPa) i różnorodne wymagania dotyczące twardości powierzchniowej, potrzebne jest stosowanie różnych gatunków stali do nawęglania.

W znaku gatunku według PN, cyfra na początku oznacza średnią zawartość węgla w setnych częściach %, następnie litery oznaczające
H – Chrom
G – Mangan
N – Nikiel
M – Molibden
W – Wolfram
T – Tytan
jeśli występują cyfry po literach oznaczają średnią zawartość danego składnika w %.
Jeśli występuje litera A na końcu znaku stali, oznacza mniejszą zawartość siarki i fosforu.
Np. oznaczenie stali 12H2N4A informuje iż średnia zawartość węgla wynosi 0,12% ,stal zawiera około 2% chromu i 4% niklu, oraz że zawartość siarki i fosforu zostały obniżone.

Huta Piłsudski 1935-193912HN3A – stal chromowo-niklowa
12H2N4A – stal chromowo-niklowa
15HN – stal chromowo-niklowa
17HNM – stal chromowo-niklowo-molibdenowa
18HGT – stal chromowo-manganowo-tytanowa
18H2N2 – stal chromowo-niklowa
18H2N4WA,(18H2N4MA) – stal chromowo-niklowo-wolframowa
20H2N4A – stal chromowo-niklowa

Pozostałe stale konstrukcyjne stopowe

stal konstrukcyjna stopowa do nawęglania
stal konstrukcyjna stopowa do azotowania
stal konstrukcyjna stopowa sprężynowa
stal konstrukcyjna stopowa łożyskowa
stal konstrukcyjna stopowa do ulepszania cieplnego
stal konstrukcyjna stopowa do pracy w podwyższonych temperaturach – stal kotłowa