Stal nierdzewna martenzytyczna – charakterystyka i właściwości

Stale nierdzewne martenzytyczne to grupa stali nierdzewnych, które dzięki specyficznemu składowi chemicznemu i możliwości hartowania wykazują wysoką wytrzymałość mechaniczną oraz umiarkowaną odporność na korozję. Zawartość węgla w tych stalach wynosi powyżej 0,35%, co pozwala na uzyskanie struktury martenzytycznej po odpowiedniej obróbce cieplnej. Stale te łączą wyjątkową twardość z odpornością na ścieranie, co czyni je odpowiednimi do zastosowań wymagających dużej wytrzymałości.

Struktura i skład chemiczny

Stale martenzytyczne wyróżniają się wyższą zawartością węgla w porównaniu do innych grup stali nierdzewnych (ferrytycznych i austenitycznych), zwykle w zakresie od 0,35% do 1,2%. Główne składniki chemiczne to:

• Chrom (Cr): 12–18% – zapewnia odporność na korozję i stabilność martenzytycznej struktury.
• Węgiel (C): >0,35% – odpowiada za możliwość hartowania i uzyskanie wysokiej twardości.
• Molibden (Mo) lub Nikiel (Ni) – w wybranych gatunkach zwiększają odporność na korozję i poprawiają właściwości mechaniczne.

Struktura martenzytyczna powstaje podczas szybkiego chłodzenia (hartowania) stali z zakresu temperatur austenitycznych. W wyniku tego procesu materiał uzyskuje wysoką twardość, ale wymaga odpuszczania w celu poprawy plastyczności i jednorodności strukturalnej.

Właściwości mechaniczne

Właściwości mechaniczne stali martenzytycznych można modyfikować w szerokim zakresie dzięki odpowiedniej obróbce cieplnej, obejmującej hartowanie i odpuszczanie. Najważniejsze cechy to:

1. Wysoka twardość:
   Struktura martenzytyczna zapewnia wyjątkową odporność na ścieranie, co jest kluczowe w zastosowaniach narzędziowych i mechanicznych.
2. Dobra wytrzymałość mechaniczna:
   Stale te są zdolne do przenoszenia dużych obciążeń mechanicznych, co czyni je idealnym materiałem do części maszyn i urządzeń.
3. Niska plastyczność:
   W stanie zahartowanym stale martenzytyczne są kruche, dlatego wymagają odpuszczania, aby zredukować naprężenia wewnętrzne i zwiększyć plastyczność.

Właściwości chemiczne i odporność na korozję

Odporność na korozję stali martenzytycznych jest uzależniona od kilku czynników, takich jak zawartość chromu, jednorodność struktury oraz stan powierzchni. Aby zapewnić maksymalną odporność na korozję, powierzchnia stali powinna być metalicznie czysta, bez śladów tlenków i, o ile to możliwe, szlifowana lub polerowana. Pozostałości tlenków znacznie obniżają odporność na działanie czynników korozyjnych.

Zasadniczo, odporność chemiczna stali martenzytycznych wzrasta wraz ze spadkiem zawartości węgla, ale pełny potencjał antykorozyjny można osiągnąć tylko wtedy, gdy stal jest poddana odpowiedniej obróbce cieplnej, takiej jak hartowanie i odpuszczanie. Proces ten poprawia jednorodność struktury, co ma kluczowe znaczenie dla ochrony przed korozją.

Gatunki i zastosowania

Wśród stali martenzytycznych wyróżnia się różne gatunki, które stosuje się w zależności od wymagań technicznych:

• Stale nierdzewne ulepszane cieplnie:
  Gatunki takie jak 2H13, 3H13, 4H13, H17N2, 2H17N2, 3H17M, H18 powinny być stosowane w stanie ulepszonym, czyli po hartowaniu i odpuszczaniu. Dzięki temu uzyskują optymalną kombinację wytrzymałości i odporności na korozję.
• Stale nierdzewne w stanie zmiękczonym:
  Gatunki 0H13, 1H13 i H17, ze względu na niską zawartość węgla, można stosować w stanie zmiękczonym, co ułatwia ich obróbkę i zmniejsza kruchość.

Przykładowe zastosowania:

1. Przemysł narzędziowy:
   Ostrza noży, narzędzia chirurgiczne, części tnące maszyn.
2. Przemysł energetyczny:
   Turbiny wodne i gazowe, części zaworów, osłony termiczne.
3. Przemysł motoryzacyjny i lotniczy:
   Elementy przekładni, wały, komponenty wymagające wysokiej odporności na ścieranie.

Zalety i ograniczenia

• Zalety:
  • Wysoka wytrzymałość i twardość.
  • Możliwość precyzyjnej modyfikacji właściwości poprzez obróbkę cieplną.
  • Dobra odporność na korozję w umiarkowanych środowiskach korozyjnych.
• Ograniczenia:
  • Niższa odporność na korozję w porównaniu do stali ferrytycznych i austenitycznych.
  • Konieczność stosowania odpowiedniej obróbki cieplnej, aby osiągnąć optymalne właściwości.
  • Wyższy koszt produkcji w porównaniu do mniej wymagających stali.

Stale nierdzewne martenzytyczne łączą wyjątkową twardość i wytrzymałość mechaniczną z umiarkowaną odpornością na korozję. Dzięki możliwości hartowania i odpuszczania znajdują zastosowanie w środowiskach, gdzie wymagane są wysokie parametry mechaniczne i umiarkowana odporność na korozję. Są niezastąpione w narzędziowniach, przemyśle maszynowym i energetyce, a ich wybór zależy od specyficznych wymagań technicznych oraz warunków pracy.

Symbole oznaczeń gatunków stali nierdzewnych wg PN

Oznaczenia gatunków stali nierdzewnych martenzytycznych są wzorowane na starszych normach stali GOST i opierają się na precyzyjnym systemie liter i cyfr, które informują o składzie chemicznym danej stali. Dzięki temu możliwe jest szybkie określenie zawartości kluczowych pierwiastków stopowych oraz ich wpływu na właściwości materiału.

Oznaczenia literowe

Litery w symbolach gatunków stali odnoszą się do głównych pierwiastków stopowych, które kształtują właściwości mechaniczne i chemiczne materiału. Przykłady oznaczeń literowych:

• H – Chrom (podstawowy składnik zwiększający odporność na korozję).
• N – Nikiel (poprawia plastyczność, odporność na korozję oraz stabilizuje strukturę).
• J – Glin (wpływa na odporność na utlenianie i stabilność w wysokich temperaturach).
• M – Molibden (zwiększa odporność na korozję w środowiskach chemicznych i morskich).
• T – Tytan (zapobiega wytrącaniu węglików chromu, zwiększa odporność na korozję międzykrystaliczną).

Oznaczenia cyfrowe

Cyfry występujące po literach określają średnią zawartość pierwiastka w procentach (%). Na przykład w oznaczeniu H17N2:

• H17 – Stal zawiera 17% chromu.
• N2 – Stal zawiera 2% niklu.

Rozróżnienie gatunków stali na podstawie zawartości węgla

W przypadkach, gdy stal różni się jedynie zawartością węgla, stosuje się dodatkowe cyfry umieszczone przed literą H. Na przykład:

• 0H13 – Stal zawiera minimalną ilość węgla, co przekłada się na wyższą odporność na korozję.
• 1H13 – Niska zawartość węgla, wyższa odporność na korozję niż w wyższych numerach.
• 2H13, 3H13, 4H13 – Stale z rosnącą zawartością węgla, co zwiększa ich twardość, ale obniża odporność na korozję.

Przykłady oznaczeń i ich znaczenie

1. H17N2
   • Stal nierdzewna o zawartości chromu 17% i niklu 2%.
   • Dzięki obecności niklu i wysokiej zawartości chromu, stal ta jest bardziej odporna na korozję i stabilna w agresywnych środowiskach.
2. 2H13
   • Stal z zawartością chromu 13% i umiarkowaną ilością węgla.
   • Charakteryzuje się wyższą twardością, ale niższą odpornością na korozję w porównaniu z 0H13.
3. 3H17M
   • Stal o zawartości chromu 17% i molibdenu.
   • Idealna do zastosowań w środowiskach korozyjnych, takich jak woda morska, dzięki dodatkowej ochronie zapewnianej przez molibden.

System oznaczania gatunków stali nierdzewnych opiera się na czytelnych zasadach, które pozwalają na precyzyjne określenie składu chemicznego i właściwości materiału. Litery wskazują kluczowe pierwiastki stopowe, podczas gdy cyfry informują o ich zawartości procentowej. Dodatkowe oznaczenia przed literą H służą do rozróżnienia stali różniących się zawartością węgla. Taki system umożliwia szybki wybór odpowiedniego gatunku stali do konkretnych zastosowań, od elementów konstrukcyjnych po narzędzia i sprzęt przemysłowy.