Stale konstrukcyjne stopowe do ulepszania cieplnego
Cechy i zastosowanie
Do grupy stali konstrukcyjnych stopowych do ulepszania cieplnego zalicza się stale stosowane na odpowiedzialne części maszynowe. Charakteryzują się one połączeniem:
- dużej wytrzymałości (granica plastyczności, wytrzymałość na zmęczenie),
- znaczną ciągliwością,
- wysoką udarnością (odporność na kruche pękanie).
Proces ulepszania cieplnego
Optymalne własności mechaniczne stali osiąga się poprzez zastosowanie struktury sorbitu, uzyskiwanej dzięki procesowi ulepszania cieplnego, który obejmuje:
- hartowanie,
- wysokie odpuszczanie.
Proces ten prowadzi do poprawy właściwości mechanicznych w porównaniu do stali surowej lub poddanej normalizowaniu. W przypadku stali normalizowanej nie zachodzą zmiany strukturalne związane z hartowaniem i odpuszczaniem.
Historia pojęcia „stale do ulepszania cieplnego”
Termin „stale do ulepszania cieplnego” pojawił się kilkadziesiąt lat temu, odnosząc się do stali stosowanych na odpowiedzialne części maszyn o wysokich wymaganiach wytrzymałościowych. Obecnie nazwa ta nie jest dostatecznie precyzyjna, ponieważ proces ulepszania cieplnego obejmuje również inne stale konstrukcyjne, np.:
- stale do pracy w niskich temperaturach.
Współczesne rozróżnienie terminów
Obecnie należy rozróżniać:
- Stale ulepszane cieplnie – stale poddane procesowi hartowania i odpuszczania, niezależnie od późniejszego zastosowania.
- Stale do ulepszania – tradycyjna nazwa grupy stali maszynowych o ściśle określonym przeznaczeniu.
Kryteria zaliczenia do stali do ulepszania cieplnego
Do grupy stali do ulepszania cieplnego zalicza się stale przeznaczone na odpowiedzialne części maszyn, które:
- mają w stanie użytkowania strukturę sorbitu, spełniają wymagania wytrzymałościowe w temperaturze otoczenia.
Stale, które nie należą do tej grupy
Do stali do ulepszania cieplnego nie zalicza się stali:
- przeznaczonych do pracy w temperaturach poniżej -10°C i powyżej +300°C,
- wymagających zwiększonej odporności na korozję,
- o szczególnych własnościach technologicznych (np. łatwe do spawania lub obróbki skrawaniem),
- poddawanych dodatkowym zabiegom po ulepszaniu cieplnym (np. azotowanie, hartowanie powierzchniowe).
Przykłady stali spoza grupy stali do ulepszania cieplnego
Stale niespełniające powyższych kryteriów zalicza się do odrębnych grup, takich jak:
- stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości,
- stale automatowe,
- stale do hartowania powierzchniowego,
- stale do azotowania,
- stale do pracy w niskich temperaturach,
- stale odporne na korozję.
Z grupy stali do ulepszania wyłącza się ponadto jeszcze niektóre stale o specjalnym zastosowaniu:
- Stale sprężynowe – tradycyjnie wyodrębniane, wyróżniające się od pozostałych stali do ulepszania większą zawartością węgla i niższą temperaturą odpuszczania, co umożliwia uzyskanie większej wytrzymałości.
- Stale przeznaczone na bardzo duże odkuwki – charakteryzujące się dużą hartownością bainityczną, co umożliwia uzyskanie dobrych właściwości wytrzymałościowych nawet przy dużych przekrojach.
Stale do ulepszania cieplnego – definicja i skład
Po uwzględnieniu wszystkich ograniczeń, za stale do ulepszania uważa się tzw. stale ogólnego przeznaczenia ujęte w normach PN-72/H-84030 oraz PN-72/H-84035. Są to stale o średniej zawartości węgla (najczęściej 0,30÷0,40% C), w większości niskostopowe, w których łączna zawartość pierwiastków stopowych nie przekracza 3%, rzadziej średniostopowe o zawartości tych pierwiastków w zakresie 3-5%, a tylko w wyjątkowych przypadkach przekraczające 5%.
Podstawowe pierwiastki stopowe występujące w tych stalach to:
- mangan, krzem, chrom, nikiel,, molibden.
Rzadziej stosowane pierwiastki to: wanad i wolfram.
Skład chemiczny tych stali jest niekiedy podstawą do dalszego ich podziału, np.:
- stale chromowo-niklowe,
- stale chromowo-molibdenowe,
- stale chromowo-niklowo-molibdenowe.
Ograniczenia zawartości zanieczyszczeń
Ze względu na wysokie wymagania jakościowe – (według starszych norm PN), w stalach tych zawartość zanieczyszczeń jest ściśle kontrolowana. Ogranicza się zawartość:
W niektórych przypadkach, szczególnie dla stali o wysokiej czystości metalurgicznej, takich jak stale przetapiane elektrożużlowo, dopuszczalna zawartość fosforu i siarki jest jeszcze niższa i wynosi max. 0,025% lub nawet mniej.
Struktura i właściwości stali do ulepszania
W definicji stali do ulepszania kluczowym elementem jest struktura uzyskana w wyniku procesu hartowania i odpuszczania, warunkująca osiągnięcie optymalnych właściwości mechanicznych.
Proces ulepszania cieplnego nie zawsze jednak prowadzi do uzyskania identycznych efektów strukturalnych. Stopień poprawy właściwości mechanicznych może być różny:
- Efekt pełny – odpowiada uzyskaniu struktury sorbitu, co zapewnia optymalne właściwości wytrzymałościowe.
- Efekt niepełny – powstaje, gdy struktura jest mieszanką sorbitu i innych składników strukturalnych, takich jak odpuszczony dolny bainit. W tym przypadku nie osiąga się maksymalnych właściwości mechanicznych.
Zasięg tego efektu może być także ograniczony powierzchniowo, gdy podczas hartowania osiągnięto krytyczną szybkość chłodzenia jedynie w warstwach zewnętrznych materiału.
Zmienność struktury w stalach do ulepszania
Istotną cechą stali konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego jest możliwość uzyskania różnorodnej struktury, zależnie od:
- składu chemicznego,
- hartowności,
- wymiarów hartowanego przedmiotu,
- sposobu chłodzenia podczas hartowania.
W konsekwencji, właściwości mechaniczne tych stali mogą charakteryzować się znaczną rozpiętością, co wpływa na ich różnorodne zastosowanie w przemyśle.
Struktura i własności wytrzymałościowe stali do ulepszania cieplnego
Optymalne własności mechaniczne stali do ulepszania cieplnego zależą od struktury powstałej w wyniku procesu hartowania i odpuszczania. Kluczowe znaczenie ma precyzyjne określenie warunków technologicznych, w jakich możliwe jest uzyskanie pożądanej struktury.
Cechy charakteryzujące stal konstrukcyjną do ulepszania cieplnego
Na możliwość uzyskania optymalnych właściwości mechanicznych wpływają dwie zasadnicze cechy stali:
- Hartowność – zdolność do tworzenia struktury martenzytycznej podczas hartowania, która zależy od składu chemicznego stali i jest określana na podstawie:
- wykresów przemian austenitu,
- krzywych hartowności,
- średnic krytycznych.
- Podatność martenzytu na odpuszczanie – czyli zdolność struktury martenzytycznej do zmiany swoich właściwości mechanicznych pod wpływem odpuszczania.
Wpływ struktury na właściwości wytrzymałościowe
Właściwości mechaniczne stali po hartowaniu mogą się znacznie różnić w zależności od:
- hartowności stali, wielkości przekroju hartowanego przedmiotu, sposobu chłodzenia.
Na tej podstawie można wyróżnić trzy najbardziej charakterystyczne przypadki:
1. Struktura martenzytyczna z dominującym sorbitem
Jeżeli po hartowaniu w stali dominuje struktura martenzytyczna lub występuje ona w przeważającym udziale, to po odpuszczeniu powstaje struktura sorbityczna. Charakteryzuje się ona optymalnym połączeniem:
- dużej wytrzymałości na rozciąganie (Re, Rm),
- wysokiej ciągliwości (A, Z, K).
Cechy sorbitu:
- Wysoki stosunek Re : Rm, wynoszący około 90%, niezależnie od składu chemicznego stali.
- Niska temperatura przejścia w stan kruchy, zależna od:
- składu chemicznego, szybkości chłodzenia po odpuszczaniu, innych czynników technologicznych.
Właściwości mechaniczne zależą od temperatury odpuszczania – wyższa temperatura powoduje obniżenie twardości, ale zwiększenie plastyczności i udarności.
2. Struktura mieszana (martenzyt, bainit, perlit, ferryt)
W miarę zmniejszania udziału martenzytu w strukturze hartowania i zwiększania udziału innych składników strukturalnych (bainit dolny, bainit górny, perlit, ferryt), przy tej samej temperaturze odpuszczania, wytrzymałość na rozciąganie ulega stopniowemu obniżeniu.
Cechy struktury mieszanej:
- Zmniejszenie wartości stosunku Re : Rm, zależne od ilości i rodzaju niemartenzytycznych składników:
- dla bainitu: 74-85%, dla struktury ferrytyczno-perlitycznej: 60-70%, a czasem mniej.
- Podwyższenie przejściowej temperatury kruchości do około 0°C lub powyżej, co skutkuje pogorszeniem udarności w temperaturze pokojowej w porównaniu do sorbitu.
- Brak poprawy plastyczności – wydłużenie (A) i przewężenie (Z) nie ulegają istotnej poprawie, pomimo zmniejszenia wytrzymałości na rozciąganie.
Struktura ta charakteryzuje się pogorszeniem wytrzymałości dynamicznej, co ogranicza jej zastosowanie w elementach narażonych na udary i obciążenia cykliczne.
3. Struktura bainityczna dla dużych przekrojów
W przypadku bardzo dużych przekrojów, gdy nie jest możliwe uzyskanie pełnej struktury martenzytycznej z powodu ograniczonej szybkości chłodzenia, stosuje się struktury bainityczne.
Cechy struktury bainitycznej:
- W standardowych stalach do ulepszania cieplnego powstają niemartenzytyczne składniki o:
- niskiej twardości,
- niskiej granicy plastyczności (poniżej 40 kG/mm², tj. ok. 30 N/mm²).
- Przy modyfikacji składu chemicznego można uzyskać bainit dolny powstający z austenitu w temperaturach zbliżonych do przemiany martenzytycznej.
- Struktura bainitu dolnego wykazuje zbliżone właściwości mechaniczne do martenzytu, z wysoką wytrzymałością po odpuszczeniu:
- Granica plastyczności Re do 7 kG/mm² (ok. 690 N/mm²).
- Dostateczna ciągliwość, obejmująca dobrą udarność, wydłużenie (A) i przewężenie (Z).
Przykład: Taki zespół właściwości wytrzymałościowych osiąga tylko część stali do ulepszania, np. 25H2N4WA, natomiast jest on typowy dla tzw. stali bainitycznych, przeznaczonych na ciężkie odkuwki o dużej wytrzymałości (wg normy BN-65/0661-01).
Struktura martenzytyczna z sorbitem daje optymalne połączenie wytrzymałości i ciągliwości. Struktura mieszana obniża wytrzymałość i udarność, zwłaszcza przy obecności ferrytu i perlitu. Struktura bainityczna stosowana jest dla dużych przekrojów, gdzie nie można uzyskać martenzytu, jednak zapewnia dobrą równowagę między wytrzymałością a plastycznością.
Dobór odpowiedniej struktury zależy od wymagań wytrzymałościowych i technologicznych dla danego zastosowania, a kontrola procesu hartowania i odpuszczania odgrywa kluczową rolę w kształtowaniu końcowych właściwości stali do ulepszania cieplnego.
Symbol gatunku stali według PN w oznaczeniu gatunku: cyfra na początku oznacza średnią zawartość węgla w setnych częściach %, następnie litery oznaczające:
H – Chrom
G – Mangan
S – Krzem
N – Nikiel
M – Molibden
F – Wanad
W – Wolfram
następnie jeśli występują cyfry po literach oznaczają średnią zawartość danego składnika w %. Jeśli występuje litera A na końcu znaku stali, oznacza wyższą jakość czyli zmniejszoną zawartość siarki i fosforu np 35HGSA, 30HGSA, 12HN3A
Stal konstrukcyjna do ulepszania cieplnego (gatunki według PN, odpowiedniki i zamienniki stali, składy chemiczne i charakterystyka wg norm GOST, EN, DIN, ASTM i inne)
12HN3A -stal chromowo-niklowa 1.5752,15CrNi13, 16NiCrMo12
20HN3A -stal chromowo-niklowa
30HGSA -stal chromowo-manganowo-krzemowo
30HGSNA -stal chromowo-manganowo-krzemowo-niklowa
30H2N2M -stal chromowo-niklowo-molibdenowa 30CrNiMo8,1.6580
30HM -stal chromowo-molibdenowa 34CrMo4, 1.7220
36HNM -stal chromowo-niklowo-molibdenowa 36CrNiMo4, 1.6511, 1.6773, 36NiCrMo16, 39NiCrMo3, 1.6510
37HS – stal chromowo-krzemowa
40H2MF -stal chromowo-molibdenowo-wanadowa
40HNMA -stal chromowo-niklowo-molibdenowa AISI 4340, 40NiCrMo6, 40NiCrMo7,1.6565
45HN -stal chromowo-niklowa
45HNMF / 45HNMFA -stal chromowo-niklowo-molibdenowo
-wanadowa
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