40HNMA, AISI 4340,30HGSA,36NiCrMo16, 1.6773, 39NiCrMo3 Stale konstrukcyjne stopowe-stal do ulepszania cieplnego

Do grupy stali konstrukcyjnych stopowych do ulepszania cieplnego zalicza się stale stosowane na odpowiedzialne części maszynowe, które powinno cechować połączenie dużej wytrzymałości (granicy plastyczności, wytrzymałości na zmęczenie) ze znaczną ciągliwością i udarnością (odpornością na kruche pękanie).

Tę optymalną – z użytkowego punktu widzenia – kombinację własności mechanicznych osiąga się dzięki uzyskaniu struktury sorbitu w wyniku zastosowania ulepszania cieplnego, tj. połączonych zabiegów hartowania z następnym wysokim odpuszczeniem. Zastosowanie tego zabiegu powoduje pewnego rodzaju „ulepszenie” własności w stosunku do stali stosowanej w stanie surowym, lub podlegającej tylko normalizowaniu, w której nie nastąpiły zmiany strukturalne wywołane przez hartowanie i odpuszczanie. Ponieważ ulepszanie cieplne w sposób decydujący określa zespół użytkowych własności wytrzymałościowych części konstrukcyjnej, nazwa zabiegu „ulepszanie cieplne” przyjęta została przed kilkudziesięciu laty do określenia grupy stali, stosowanej na odpowiedzialne, bardzo obciążone części maszyn, które powinny odznaczać się optymalnym zespołem takich własności.

Współcześnie ta nazwa nie jest dostatecznie ścisła, dotyczy bowiem tylko części gatunków stali poddawanych ulepszaniu. Zabieg ulepszania cieplnego stosuje się obecnie także do pewnych stalowych materiałów konstrukcyjnych o specjalnym przeznaczeniu, nieróżniących się w pod względem składu chemicznego i struktury, które zostały z biegiem czasu wyodrębnione z pierwotnej grupy stali do ulepszania. Podstawą do tego wyodrębnienia i nadania im osobnej nazwy był ściśle określony kierunek zastosowania. np. stal konstrukcyjna do pracy w niskich temperaturach. Natomiast nazwa „stale do ulepszania” zachowana została tradycyjnie jedynie dla pierwotnej grupy, tak zwanych stali maszynowych. Należy więc rozróżniać określenia: „stale ulepszane cieplnie” i „stale do ulepszania” (tradycyjna nazwa umownej grupy stali).

Ponieważ nazwa „stale do ulepszania” nie definiuje dokładnie grupy stali, zachodzi więc potrzeba ścisłego określenia, które gatunki stali zalicza się do niej. Będą to stale przeznaczone na odpowiedzialne części maszyn, które w stanie użytkowania mają strukturę sorbitu oraz spełniają określone wymagania wytrzymałościowe w temperaturze otoczenia.
Do tej grupy nie zalicza się natomiast stali:
– przeznaczonych do pracy przy temperaturach wywołujących wyraźne zmiany własności wytrzymałościowych (poniżej ok. -10°C i powyżej ok. +300°C),
– przeznaczonych do pracy w środowiskach wymagających zwiększonej odporności na korozję,
– o szczególnych własnościach technologicznych (szczególnej podatności na spawanie lub obróbkę skrawaniem),
– które po ulepszeniu cieplnym poddaje się dodatkowym innym zabiegom (np. azotowanie, hartowanie powierzchniowe itp.).
Stale, od których wymaga się spełnienia tych dodatkowych wymagań, zalicza się do odrębnych grup, np. stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości, stale automatowe, stale do hartowania powierzchniowego lub stale do azotowania, stale do pracy w niskich temperaturach, stale odporne na korozję.
Z tak określonej grupy stali do ulepszania wyłącza się ponadto jeszcze niektóre stale o specjalnym zastosowaniu:
– tradycyjnie wyodrębniane stale sprężynowe, wyróżniające się od pozostałych stali do ulepszania nieco większą zawartością węgla i niższą temperaturą odpuszczania,
co umożliwia uzyskanie większej wytrzymałości,
– stale, przeznaczone na bardzo duże odkuwki, wyróżniające się dużą hartownością bainityczną, co umożliwia uzyskanie dobrych wytrzymałości na dużych przekrojach.
Po uwzględnieniu tych wszystkich ograniczeń za „stale do ulepszania” uważa się tzw. stale ogólnego przeznaczenia ujęte w normach PN-72/H-84030
PN-72/H-84035. Są to stale o średniej zawartości węgla (najczęściej 0,30÷0,40% C), w większości niskostopowe, o łącznej zawartości pierwiastków stopowych nieprzekraczającej 3%, rzadziej średniostopowe, w których łączna zawartość tych składników wynosi 3-5%, w wyjątkowych tylko przypadkach przekraczając 5%.
Podstawowymi pierwiastkami stopowymi, występującymi w tych stalach są: mangan, krzem, chrom, nikiel i molibden, rzadziej wanad i wolfram.
Skład chemiczny tych materiałów jest niekiedy podstawą dalszego ich podziału, np. na stale chromowo-niklowe, chromowo-molibdenowe, chromowo-niklowo-molibdenowe itp. Ze względu na wysokie wymagania użytkowe są to stale wyższej jakości, w których zawartość fosforu i siarki jest ograniczona do max. 0,035% każdego pierwiastka, a w niektórych przypadkach do max. 0,025% lub nawet jeszcze mniej (stale przetapiane elektrożużlowo).
W podanej wyżej definicji stali do ulepszania należy zaznaczyć, że istotną i wyróżniającą cechą tych materiałów jest struktura uzyskana w wyniku ulepszania, warunkująca osiągnięcie optymalnych własności mechanicznych. Zabieg ulepszania cieplnego nie zawsze umożliwia uzyskanie tych samych efektów strukturalnych, a w związku z tym stopień „ulepszania” własności może być różny. Efekt ten może być pełny (odpowiadający uzyskaniu struktury sorbitu) albo niepełny (mieszaniny sorbitu i innych składników strukturalnych, struktury odpuszczonego dolnego bainitu); w tym ostatnim przypadku nie osiąga się optymalnych własności. Zasięg tego efektu może być również ograniczony tylko do powierzchniowych warstw części konstrukcyjnej, w których przy hartowaniu osiągnięto krytyczną szybkość chłodzenia.
Istotną cechą występującą w stalach konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego jest możliwość uzyskania różnorodnej struktury (zależnie od wielu zmiennych czynników, jak skład chemiczny stali i jej hartowność, wymiary hartowanego przedmiotu, sposób chłodzenia przy hartowaniu), konsekwencją zaś tego jest możliwość znacznej rozpiętości wartości własności wytrzymałościowych.
Struktura i własności wytrzymałościowe stali do ulepszania cieplnego
Optymalne własności mechaniczne stali do ulepszania cieplnego zależą od struktury powstałej w wyniku ich zahartowania i odpuszczenia. Bardzo istotne jest określenie warunków, w jakich tę pożądaną strukturę można uzyskać. Informacji na ten temat dostarczają dwie podstawowe cechy charakteryzujące stal konstrukcyjną do ulepszania cieplnego:
hartowność, tj. zdolność do tworzenia przy hartowaniu struktury martenzytycznej, o której to właściwości można wnioskować z wykresów przemian austenitu, krzywych hartowności lub średnic krytycznych,
podatność struktury martenzytycznej na odpuszczanie
Własności wytrzymałościowe stali konstrukcyjnych zależą od struktury uzyskanej po hartowaniu. Własności te mogą zmieniać się w szerokich granicach, zależnie od hartowności stali, wielkości przekroju hartowanego przedmiotu i sposobu chłodzenia; jako najbardziej charakterystyczne należy tu wymienić trzy następujące przypadki:
1. Jeżeli w stali po hartowaniu występuje wyłącznie struktura martenzytyczna lub przynajmniej o dużym, przeważającym udziale martenzytu, to po następnym odpuszczeniu otrzymuje się strukturę sorbityczną, wykazującą optymalne połączenie dużej wytrzymałości (Re, Rm) i ciągliwości (A, Z, K);  osiągnięte wartości tych własności zależą od temperatury odpuszczania. W porównaniu z innymi strukturami sorbit wykazuje przede wszystkim:
– dużą wartość stosunku (Re : Rm) • 100, która zwykle wynosi ok. 90% i praktycznie nie zależy od składu chemicznego stali,
– niską temperaturę przejścia w stan kruchy, zależną jednak od składu chemicznego stali, sposobu chłodzenia po odpuszczaniu i innych czynników.
2. W miarę zmniejszania się udziału martenzytu w strukturze hartowania i zwiększania się udziału innych składników strukturalnych (bainit dolny i górny, perlit i ferryt) przy tej samej temperaturze odpuszczania wytrzymałość na rozciąganie będzie coraz to mniejsza, przy czym taką strukturę (składającą się „z sorbitu i innych składników strukturalnych) cechuje:
– zmniejszenie wartości stosunku (Re : Rm) • 100, zależne od rodzaju niemartenzytycznych składników i ich udziału w strukturze hartowania;
dla bainitu stosunek ten zwykle waha się w granicach 74÷85%,
dla struktur ferrytyczno-perlitycznych w granicach 60÷70%, a niekiedy mniejszy,
-podwyższenie przejściowej temperatury kruchości do około 0°C, a nawet powyżej, wskutek czego w temperaturze pokojowej „obserwuje się zwykle zmniejszenie udarności w porównaniu ze strukturą sorbityczną;
-mimo znacznego zmniejszenia wytrzymałości na rozciąganie — brak poprawy wydłużenia (A) i przewężenia (Z).
3. W pewnych szczególnych przypadkach uzyskanie dużej wytrzymałości możliwe jest tylko, gdy struktura stali jest bainityczna. Dotyczy to mianowicie hartowania bardzo dużych przekrojów, których nie można chłodzić z szybkością warunkującą uzyskanie martenzytu. W zwykłych stalach stopowych do ulepszania uzyskuje się wówczas niemartenzytyczne składniki strukturalne o małej twardości i malej granicy plastyczności, zwykle mniejszej od 40 kG/mm2 (ok. 30 N/mm2). Zmieniając skład chemiczny stali można jednak niekiedy uzyskać w szerokim zakresie szybkości chłodzenia strukturę bainitu dolnego, powstającego z austenitu w temperaturach zbliżonych do temperatury przemiany martenzytycznej. Ze względu na to, że własności wytrzymałościowe bainitu dolnego i martenzytu są podobne, więc po odpuszczeniu uzyskuje się przy znacznej wytrzymałości (Re do 7 kG/mm2, -tj. około 690 N/mm2) dostatecznie dużą ciągliwość, tj. udarność, wydłużenie i przewężenie. Taki zespół własności wytrzymałościowych w grupie stali do ulepszania cieplnego wykazują tylko niektóre stale (np. 25H2N4WA); jest on natomiast typowy dla tzw. stali bainitycznych, przeznaczanych na ciężkie odkuwki o dużej wytrzymałości wg normy branżowej BN-65/0661-01.

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. Laurahutte walcowania blach grubych 1920

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
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