Stale nierdzewne martenzytyczne i umacniane wydzieleniowo – charakterystyka, różnice i zastosowanie

Stale nierdzewne martenzytyczne- charakterystyka 

Stale nierdzewne martenzytyczne należą do grupy stali wysokostopowych zawierających co najmniej 10,5% chromu, które mogą być hartowane, dzięki czemu uzyskują wysoką twardość i wytrzymałość mechaniczną. To odróżnia je od innych grup stali nierdzewnych, takich jak stale austenityczne czy ferrytyczne, które są stosunkowo miękkie i nie podlegają klasycznemu hartowaniu.

Dzięki unikalnym właściwościom, stale martenzytyczne są szeroko stosowane w przemyśle, szczególnie tam, gdzie wymagana jest duża odporność mechaniczna, wysoka twardość oraz umiarkowana odporność na korozję. Typowe zastosowania obejmują narzędzia tnące, elementy konstrukcyjne o wysokiej wytrzymałości oraz części maszyn i urządzeń pracujących w wymagających warunkach.

Główne cechy: hartowność, wysoka twardość, dobra odporność na ścieranie

Hartowność

Stale martenzytyczne charakteryzują się zdolnością do hartowania, co oznacza, że poprzez szybkie chłodzenie można uzyskać w nich strukturę martenzytyczną o bardzo wysokiej twardości. Jest to możliwe dzięki zawartości chromu i węgla, które wpływają na przemiany fazowe podczas obróbki cieplnej. Hartowność tych stali umożliwia uzyskanie bardzo szerokiego zakresu właściwości mechanicznych, co czyni je wszechstronnymi w zastosowaniach przemysłowych.

Wysoka twardość

Po odpowiedniej obróbce cieplnej (hartowaniu i odpuszczaniu) stale martenzytyczne osiągają twardość nawet powyżej 60 HRC (np. AISI 440C, 1.4125, H18), co sprawia, że są często stosowane w narzędziach tnących, ostrzach chirurgicznych oraz częściach mechanicznych wymagających odporności na zużycie.

Dobra odporność na ścieranie

Dzięki bardzo twardej strukturze martenzytycznej, stale te cechują się doskonałą odpornością na ścieranie, co czyni je idealnymi do zastosowań w przemyśle narzędziowym, motoryzacyjnym i lotniczym. Odporność na ścieranie jest szczególnie ważna w elementach maszyn, które muszą pracować w warunkach intensywnego tarcia i obciążeń dynamicznych.

Rola chromu i węgla w tworzeniu struktury martenzytycznej

Chrom i węgiel odgrywają kluczową rolę w formowaniu struktury martenzytycznej:

• Chrom (Cr) – kluczowy pierwiastek nadający stalom nierdzewnym ich odporność na korozję. Odpowiada za tworzenie pasywnej warstwy tlenków, która chroni stal przed utlenianiem. Dodatkowo wpływa na zwiększenie hartowności.
• Węgiel (C) – jego zawartość w stalach martenzytycznych wynosi zwykle 0,1–1,2%. Im wyższa zawartość węgla, tym większa twardość po hartowaniu. Jednak wysoka zawartość węgla może negatywnie wpływać na odporność na korozję.

Struktura martenzytyczna powstaje podczas hartowania, czyli gwałtownego chłodzenia stali. W wyniku tego procesu austenit zamienia się w martenzyt, który ma bardzo twardą, ale stosunkowo kruchą strukturę.

Skład chemiczny i wpływ pierwiastków stopowych

Ostateczne właściwości stali nierdzewnych martenzytycznych są determinowane przez ich skład chemiczny. Oprócz chromu i węgla, istotną rolę odgrywają inne pierwiastki stopowe:

• Chrom (Cr, 11–18%) – poprawia odporność na korozję, zwiększa hartowność, stabilizuje strukturę martenzytyczną.
• Molibden (Mo, 0,2–1,5%) – zwiększa odporność na korozję w agresywnych środowiskach, poprawia hartowność.
• Wanad (V, 0,1–0,5%) – zwiększa odporność na ścieranie, poprawia wytrzymałość poprzez tworzenie twardych węglików wanadu.
• Nikiel (Ni, 0–4%) – poprawia ciągliwość, zmniejsza kruchość, wpływa na odporność na korozję.
• Wolfram (W, 0–1%) – zwiększa odporność na ścieranie i poprawia stabilność struktury martenzytycznej.

Obróbka cieplna i właściwości mechaniczne

Proces hartowania i odpuszczania

Obróbka cieplna stali nierdzewnych martenzytycznych składa się z kilku kluczowych etapów:

1. Austenityzacja – nagrzanie stali do temperatury 950–1100°C, w której przyjmuje ona strukturę austenityczną.
2. Hartowanie – gwałtowne schłodzenie (najczęściej w oleju lub powietrzu), co powoduje przemianę austenitu w martenzyt, zapewniający wysoką twardość.
3. Odpuszczanie – podgrzanie stali do temperatury 200–700°C, co zmniejsza kruchość i poprawia ciągliwość przy zachowaniu wysokiej twardości.

Zakres twardości i wytrzymałości po obróbce cieplnej

Twardość i wytrzymałość stali martenzytycznych różnią się w zależności od składu chemicznego i obróbki cieplnej:

• AISI 410 – twardość: 40–50 HRC, dobra odporność na korozję.
• AISI 420 – twardość: 50–58 HRC, szeroko stosowana w nożach i narzędziach tnących.
• AISI 431 – wysoka wytrzymałość mechaniczna, dobra odporność na korozję.
• AISI 440C – najwyższa twardość (58–62 HRC), doskonała odporność na ścieranie.

Przykłady i zastosowania stali martenzytycznych nierdzewnych

Przemysł narzędziowy

• Noże kuchenne i przemysłowe (AISI 420, , AISI 440C, 1.4125).
• Ostrza chirurgiczne i narzędzia medyczne.
• Dłuta, piły, narzędzia skrawające.

Przemysł motoryzacyjny

• Wały napędowe, elementy zawieszenia (AISI 410, 1H13, 1.4006, X12Cr13, AISI 431, 1.4057, 2H17N2, X17CrNi16-2).
• Elementy przekładni – wymagające odporności na zużycie i obciążenia dynamiczne.

Przemysł lotniczy i energetyczny

• Komponenty turbin gazowych i silników lotniczych (AISI 431, 2H17N2, 1.4057, X17CrNi16-2).
• Śruby, łożyska i elementy konstrukcyjne.

Przykłady konkretnych gatunków

• AISI 410 (1H13, 1.4006, X12Cr13) – dobra wytrzymałość i odporność na korozję.
• AISI 420 (2H13, 1.4021 X20Cr13) – doskonała twardość, szeroko stosowana w nożach.
• AISI 431 (1.4057, 2H17N2, X17CrNi16-2) – bardzo dobra odporność na korozję.
• AISI 440C ( H18, 1.4125, 1.4112 )– najwyższa twardość i odporność na zużycie.

Stale nierdzewne umacniane wydzieleniowo (PH – Precipitation Hardening)

Stale nierdzewne umacniane wydzieleniowo (PH, Precipitation Hardening) to specjalna grupa stali nierdzewnych, które łączą wysoką wytrzymałość mechaniczną i dobrą odporność na korozję, dzięki procesowi umacniania wydzieleniowego. W przeciwieństwie do stali martenzytycznych, które uzyskują wysoką twardość przez hartowanie, stale PH wykorzystują mechanizm kontrolowanego starzenia do wytrącania faz wydzieleniowych, które wzmacniają ich strukturę. Dzięki temu osiągają doskonałą kombinację wytrzymałości, plastyczności i odporności na zmęczenie.

Mechanizm umacniania wydzieleniowego

Różnice w składzie chemicznym w porównaniu do stali martenzytycznych

Podstawową różnicą między stalami PH a stalami martenzytycznymi jest ich skład chemiczny i mechanizm umacniania:

• Stale PH zawierają dodatki stopowe, które umożliwiają umacnianie przez wydzielanie faz wzmacniających.
• Stale martenzytyczne uzyskują twardość głównie dzięki wysokiej zawartości węgla i hartowaniu.
• Stale PH są bardziej plastyczne i łatwiejsze w obróbce przed procesem starzenia, w przeciwieństwie do tradycyjnych stali martenzytycznych, które po hartowaniu stają się kruche.
• W stalach PH niska zawartość węgla powoduje lepszą spawalność w porównaniu do stali martenzytycznych, co sprawia, że spawanie stali nierdzewnej tego typu jest mniej wymagające i nie prowadzi do nadmiernego utwardzenia strefy wpływu ciepła.

Kluczowe pierwiastki odpowiedzialne za umacnianie (Ni, Cu, Nb, Al)

Mechanizm utwardzania wydzieleniowego zależy od obecności odpowiednich pierwiastków stopowych, które tworzą stabilne fazy wydzieleniowe:

• Nikiel (Ni) – stabilizuje fazę austenityczną i poprawia odporność na korozję.
• Miedź (Cu) – tworzy bardzo drobne wydzielenia, które zwiększają wytrzymałość materiału.
• Niob (Nb) – zwiększa twardość przez tworzenie węglików i azotków, stabilizuje mikrostrukturę.
• Aluminium (Al) – bierze udział w tworzeniu wydzieleń fazy γ’ (gamma prime), szczególnie w stopach wysokowytrzymałych.

Proces starzenia i tworzenie faz wydzieleniowych

Mechanizm umacniania wydzieleniowego składa się z trzech etapów:

1. Rozpuszczanie faz międzymetalicznych
   • Próbka jest nagrzewana do ok. 1000–1100°C w celu rozpuszczenia składników stopowych w osnowie.
   • Szybkie schłodzenie powoduje powstanie przesyconego roztworu stałego.
2. Starzenie w temperaturze 450–750°C
   • Podczas starzenia drobne wydzielenia faz Ni3(Al, Nb, Cu) tworzą się w osnowie, zwiększając wytrzymałość stali.
   • Wydzielenia te blokują ruch dyslokacji, powodując wzrost twardości i wytrzymałości mechanicznej.
3. Utrwalanie struktury
   • Po zakończeniu procesu starzenia stal uzyskuje maksymalną wytrzymałość, nie tracąc przy tym odporności na korozję.

Obróbka cieplna i właściwości mechaniczne stali nierdzewnych umacnianych wydzieleniowo

Proces hartowania i starzenia

W przeciwieństwie do stali martenzytycznych, stale PH nie wymagają klasycznego hartowania, lecz przechodzą przez proces przesycania i starzenia:

1. Przesycanie – nagrzanie do temperatury 1000–1100°C, a następnie szybkie schłodzenie.
2. Starzenie – nagrzanie do temperatury 450–750°C, co prowadzi do powstawania wydzieleń stopowych.
3. Finalne właściwości mechaniczne są kontrolowane przez dobór temperatury starzenia.

Wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności

Stale PH oferują wytrzymałość porównywalną lub wyższą od klasycznych stali martenzytycznych, ale przy zachowaniu lepszej plastyczności. Przykładowe wartości:

17-4PH po starzeniu:

• • Granica plastyczności (Rp0,2): 1100–1400 MPa
  • Wytrzymałość na rozciąganie (Rm): 1200–1500 MPa
  • Twardość: do 44 HRC
    

    17-7PH:

    • Granica plastyczności (Rp0,2): 1200–1350 MPa
    • Wytrzymałość na rozciąganie (Rm): 1400 MPa

Równowaga między twardością a odpornością na udary

Dzięki mechanizmowi starzenia stale PH mogą osiągnąć wysoką wytrzymałość przy zachowaniu plastyczności, co czyni je bardziej odpornymi na pękanie niż stale martenzytyczne.

Stale umacniane wydzieleniowo – przykłady i zastosowania.

Lotnictwo i przemysł kosmiczny

• Części konstrukcyjne samolotów – stale PH są stosowane do budowy lekkich, wytrzymałych elementów.
• Osłony silników odrzutowych – np. w stopach 17-4PH ze względu na odporność na wysoką temperaturę.
• Podzespoły rakietowe – w wymagających środowiskach próżni kosmicznej.

Przemysł naftowy i gazowy

• Złącza, zawory i rury – stale PH, np. 17-4PH, są stosowane w agresywnych środowiskach korozyjnych.
• Zbiorniki ciśnieniowe – odporność na wysokie naprężenia i ciśnienie wiertnicze.

Medycyna i biotechnologia

• Implanty ortopedyczne – stale PH, np. 17-4PH, są stosowane do implantów, śrub i płytek kostnych.
• Narzędzia chirurgiczne – nożyczki, szczypce i inne narzędzia wymagające wysokiej wytrzymałości.

Przykłady konkretnych gatunków stali

• 17-4PH (1.4542, 1.4548, AISI 630 ) – najpopularniejsza stal PH, szeroko stosowana w przemyśle lotniczym i medycznym.
• 15-5PH – podobna do 17-4PH, ale o lepszej ciągliwości i odporności na korozję.
• 17-7PH – stosowana w aplikacjach wymagających wysokiej odporności na zmęczenie.
• A286 – wykorzystywana w turbinach gazowych i przemyśle kosmicznym.

Stale nierdzewne umacniane wydzieleniowo oferują unikalne połączenie wytrzymałości, plastyczności i odporności na korozję, co czyni je idealnym wyborem w przemyśle lotniczym, medycznym i naftowym. Dzięki zaawansowanej obróbce cieplnej mogą przewyższać stale martenzytyczne pod względem trwałości i możliwości zastosowania w ekstremalnych warunkach.

Porównanie i zależności między stalami martenzytycznymi a stalami umacnianymi wydzieleniowo

Stale nierdzewne martenzytyczne i stale nierdzewne umacniane wydzieleniowo (PH – Precipitation Hardening) są dwiema grupami wysokowytrzymałych stopów o różnych mechanizmach wzmacniania i odmiennych właściwościach użytkowych.

Podstawowa różnica między nimi polega na sposobie uzyskiwania wysokiej twardości i wytrzymałości:

• Stale martenzytyczne uzyskują wysoką twardość dzięki przemianie martenzytycznej podczas hartowania.
• Stale umacniane wydzieleniowo – PH osiągają wytrzymałość poprzez proces wydzieleniowego umacniania w wyniku starzenia.

Mimo że oba typy stali mogą mieć strukturę martenzytyczną, nie każda stal martenzytyczna może być umacniana wydzieleniowo. Kluczowe znaczenie ma skład chemiczny oraz zdolność do tworzenia faz wydzieleniowych w osnowie metalowej.

Czy stal nierdzewna może być jednocześnie martenzytyczna i PH?

Przykłady stali martenzytycznych, które są również umacniane wydzieleniowo

Niektóre stale nierdzewne mają strukturę martenzytyczną, a jednocześnie umacniają się przez wydzielanie faz stopowych. Są to głównie stale PH, które w stanie przesyconym mogą zawierać martenzyt. Do tej grupy należą m.in.:

• 17-4PH (1.4542, 1.4548, AISI 630) – jedna z najczęściej stosowanych stali nierdzewnych PH, która w stanie surowym zawiera martenzyt, a dodatkowo może być utwardzana przez wydzielanie faz Ni3(Ti, Al).
• 15-5PH – bardzo podobna do 17-4PH, ale o lepszej udarności i nieco wyższej odporności na korozję.
• 17-7PH – stosowana w przemyśle lotniczym, ma strukturę martenzytyczno-austenityczną przed starzeniem, a po procesie utwardzania uzyskuje bardzo wysoką wytrzymałość.

Klasyczne stale nierdzewne martenzytyczne, które nie mogą być PH

Nie wszystkie stale martenzytyczne nadają się do utwardzania wydzieleniowego. Klasyczne stale nierdzewne 1.4006, 1.4021, AISI 431 i 1.4125 są hartowane i odpuszczane, ale nie posiadają odpowiednich dodatków stopowych do wzmacniania wydzieleniowego.

• 1H13, 1.4006, X12Cr13, AISI 410 – zawiera zbyt mało niklu i innych pierwiastków wzmacniających, aby można było stosować mechanizm starzenia.
• 2H13, 1.4021 X20Cr13, AISI 420 – podobna do AISI 410, ale o wyższej zawartości węgla, stosowana głównie w narzędziach tnących.
• H18, 1.4125, AISI 440C, 1.4112  – jedna z najtwardszych stali nierdzewnych (58-62 HRC), ale krucha i podatna na pękanie.

Stale te nie mogą być wzmacniane wydzieleniowo, ponieważ nie zawierają dodatków stopowych potrzebnych do formowania faz wydzieleniowych, takich jak miedź, aluminium czy niob.

Granice między stalami uamcnianymi wydzieleniowo i stalami martenzytycznymi – od czego zależy klasyfikacja?

Podział między stalami martenzytycznymi a PH nie zawsze jest oczywisty i zależy od kilku czynników:

Obecności faz wydzieleniowych

Klasyczne stale martenzytyczne opierają się na utwardzaniu przez przemianę martenzytyczną. Stale PH są wzmacniane przez kontrolowane wydzielanie faz międzymetalicznych.

Zawartości pierwiastków stopowych

Stale martenzytyczne nie zawierają wystarczającej ilości pierwiastków umożliwiających wydzieleniowe utwardzanie. Stale PH zawierają Ni, Cu, Nb, Al, które umożliwiają utwardzanie wydzieleniowe.

Procesu obróbki cieplnej

Stale PH są starzone w umiarkowanych temperaturach (450–750°C). Stale martenzytyczne wymagają hartowania i odpuszczania w znacznie szerszym zakresie temperatur (200–700°C).

Kluczowe różnice i porównanie

Twardość i wytrzymałość po obróbce cieplnej

• Stale nierdzewne martenzytyczne mogą osiągać wyższą twardość, ale są bardziej kruche.
• Stale umacniane wydzieleniowo – PH oferują lepszą równowagę między wytrzymałością a udarnością, dzięki czemu są bardziej odporne na zmęczenie.

Odporność na korozję – gdzie PH przewyższają martenzytyczne?

Stale PH są bardziej odporne na korozję niż stale martenzytyczne, ponieważ zawierają więcej niklu i miedzi, które poprawiają ich pasywację.

• Jeśli kluczowa jest odporność na korozję, stal PH będzie lepszym wyborem.
• Stale martenzytyczne mogą korodować szybciej w środowiskach agresywnych.

Koszt produkcji i łatwość obróbki mechanicznej

• Stale martenzytyczne są tańsze w produkcji, ponieważ nie wymagają procesów starzenia.
• Stale PH są droższe, ale łatwiejsze do obróbki przed utwardzaniem.

• Jeśli liczy się koszt, stal martenzytyczna jest lepszym wyborem.
• Jeśli ważniejsza jest łatwość obróbki przed hartowaniem, stal PH będzie lepsza.

Stale nierdzewne umacniane wydzieleniow (PH)  przewyższają stale martenzytyczne pod względem odporności na korozję i plastyczności, ale są droższe w produkcji. Stale martenzytyczne mają wyższą twardość, co czyni je idealnymi do narzędzi i części o dużym zużyciu mechanicznym.

👉 Wybór zależy od zastosowania! 😊