12. KONSTRUKCYJNE STALE STOPOWE

1. Charakterystyka ogólna

Przez pojęcie stali konstrukcyjnych rozumie się stale stosowane do wyrobu części maszyn, urządzeń i konstrukcji pracujących w zwykłych warunkach, tzn. w temperatu­rach nie przekraczających 300°C i nie niższych od temperatur występujących w okresach zimowych ( — 40°C) oraz w środowiskach nie oddziałujących szkodliwie na te elementy. Stale przeznaczone na elementy pracujące w wysokich i niskich temperaturach lub w środowiskach chemicznie aktywnych zalicza się do stali o określonych właściwościach fizycznych lub chemicznych.

Stale konstrukcyjne powinny odznaczać się dostatecznymi właściwościami wytrzyma­łościowymi przy dobrych właściwościach plastycznych, aby elementy maszyn i urządzeń wykonane z tych stali mogły przenosić obciążenia zarówno o charakterze statycznym, jak i dynamicznym. Istotna jest zwłaszcza wysoka granica plastyczności, gdyż elementy nie mogą się w czasie pracy odkształcać plastycznie, oraz temperatura przejścia plastyczno-kruchego (T_pk). Ponadto przy obciążeniach zmiennych stale te muszą mieć wysoką wytrzymałość zmęczeniową. W przypadku elementów podlegających ścieraniu muszą one wykazywać wysoką twardość powierzchniową ł odporność na ścieranie. W zasadzie również i stale węglowe (niestopowe) wykazują dobre właściwości mechaniczne, lecz tylko przy małych przekrojach z uwagi na ich ograniczoną hartowność. Elementy z tych stali o średnicy lub grubości większej od 25 mm nie hartują się na wskroś, co po następnym odpuszczeniu nie pozwala na uzyskanie jednakowych właściwości na całym przekroju obrabianych cieplnie elementów. Podwyższenie właściwości mechanicznych stali stopowych jest wynikiem wpływu dodatków stopowych, który polega na:

1) zwiększeniu hartowności stali,

2) umocnieniu ferrytu przez rozpuszczenie w nim dodatków stopowych,

3) rozdrobnieniu ziarna,

4) opóźnieniu procesów odpuszczania wraz ze wzrostem temperatury,

5) wzroście stopnia dyspersji produktów przemiany przechłodzonego austenitu.

Wysoka efektywność wpływu dodatków stopowych na właściwości stali występuje dopiero po obróbce cieplnej; z tego względu stale stopowe stosuje się głównie w stanie obrobionym cieplnie. Do konstrukcji stali stopowych zalicza się następujące rodzaje stali:

stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości,

2) stale do nawęglania,

3) stale do ulepszania cieplnego,

4) stale do azotowania,

5) stale sprężynowe,

6) stale na łożyska toczne.

2. Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości

Mimo że stale stopowe podlegają zwykle obróbce cieplnej, jednak w pewnych szczególnych przypadkach, z uwagi na specjalne właściwości, czy też brak możliwości obróbki cieplnej, stosuje się konstrukcyjne stale stopowe w stanie normalizowanym, przy czym wymaga się od tych stali dobrych właściwości mechanicznych, a zwłaszcza podwyższonej granicy plastyczności (min R_e = 300 ÷ 460 MPa), przy zachowaniu moż­liwości spawania tych stali. Ten ostatni wzgląd był powodem, że podwyższenie właściwo­ści mechanicznych nie było możliwe na drodze podwyższenia zawartości węgla, która w tych stalach nie przekracza 0,22%. Równoważnik zawartości węgla określa się według składu chemicznego stali za pomocą wzoru:

(wartości w procentach).

Z uwagi na strukturę stale te można podzielić na dwie grupy:

1) stale perlityczne,

2) stale bainityczne.

Stale perlityczne mają w stanie normalizowanym strukturę ferrytyczno-perlityczną. Dodatki stopowe występują w tych stalach w postaci roztworu stałego w ferrycie lub jako węgliki w perlicie. Mają one wyższe właściwości wytrzymałościowe od stali niestopowych (węglowych), o tej samej zawartości węgla, a to z następujących przyczyn:

1) rozpuszczone w ferrycie dodatki stopowe podwyższają jego twardość, wytrzyma­łość i granicę plastyczności,

2) dodatki stopowe zwiększają ilość perlitu w strukturze stali,

3) dodatki stopowe powodują rozdrobnienie ziarna stali.

Jako dodatki stopowe w stalach perlitycznych występują najczęściej mangan, miedź, krzem oraz aluminium, a także w niektórych gatunkach stali wanad i niob. Szczególnie częstym dodatkiem stopowym jest mangan w ilości 1,0 ÷ 1,8%, który podnosi granicę plastyczności, odporność na ścieranie i polepsza spawalność, oraz krzem w ilości 0,20 ÷ 0,60%.

Stale bainityczne mają w stanie normalizowanym strukturę bainityczną. Dodatki stopowe występują w tych stalach w roztworze przesyconego węglem ferrytu oraz w postaci węglików. Zawierają one zwykle niewielkie ilości (około 1%) dodatków stopowych zmniejszających trwałość przechłodzonego austenitu w zakresie bainitycznym, jak molibden oraz bor, i opóźniających przemianę dyfuzyjną, np. mangan i chrom, co pozwala uzyskać przy chłodzeniu na powietrzu wytrzymałość R_m = 1100 ÷1200 MPa. Przykłady niskostopowej stali o podwyższonej wytrzymałości zgodne z normą PN-86/H-84018 podaje tabl. 12.1.

Tablica 12.1Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości (przykłady) wg PN-86/H-84018

Znak stali	Skład chemiczny w % (wartości średnie)
		C max	Mn	Si		Cu	Mo max		V	Nb		N2
09G2	0,12	1,50	0,30		—	0,10		max 0,10	—		—
18G2ACu	0,20	1,30	0,40		0,40	—		—	—		max 0,009
18G2AY	0,20	1,50	0,40		—	—		0,15	—		0,015
18G2AVCu	0,20	1,40	0,40		0,40	—		0,15	—		0,20
Znak stali	Właściwości mechaniczne
		granica plastyczności ^1) Re min MPa			wytrzymałość na rozciąganie Rm MPa			wydłużenie A5 min %			udarność ^2) KCU2 min J/cm^2
09G2 18G2Acu 18G2AV 18G2AVCu	290 345 410 410			440 ÷ 580 490 ÷ 625 540 ÷ 675 560 ÷ 715			22 22 19 18			30 30 30 30
Uwaga: temperatura badania 20°C. ^1) Dla grubości 16 ÷ 30 mm. ^2) Po starzeniu dla grubości 16 ÷ 30 mm.

3. Stale do nawęglania

Do nawęglania stosuje się stale o niskiej zawartości węgla (0,104 ÷ 0,25%), aby przy twardej warstwie powierzchniowej rdzeń miał dobre właściwości plastyczne. Stale wę­glowe stosuje się do wytwarzania elementów drobnych o małych przekrojach lub w przypadku, gdy oprócz dużej odporności na ścieranie nie stawia się wymagań co do odpowiedniej wytrzymałości rdzenia. Z uwagi na małą hartowność stali węglowych, elementy o większych przekrojach wykonane z tych stali po nawęglaniu i zahartowaniu uzyskują jedynie wysoką twardość powierzchniową; natomiast właściwości wytrzymało­ściowe rdzenia nie ulegną podwyższeniu. Ponadto dla zapewnienia dużej twardości powierzchniowej elementów wykonanych ze stali węglowych należy je hartować w wo­dzie, w związku z czym powstają w nich duże naprężenia i odkształcenia. Z tego względu do nawęglania stosuje się stale stopowe (stanowią one obok stali do ulepszania cieplnego najliczniejszą grupę konstrukcyjnych stali stopowych). Są one ujęte normą PN-89/H-84030 oraz PN-72/H-84035 (tabl. 12.2). Mają one zwiększoną hartowność, co umożliwia uzyskanie po procesie nawęglania na drodze dalszej obróbki cieplnej wysokiej wytrzymałości rdzenia; ponadto możliwość hartowania nawęglonych elementów w oleju zmniejsza skłonność do odkształceń. Zawartość dodatków stopowych nie może być jednak zbyt duża, gdyż prowadzi do zwiększenia ilości austenitu szczątkowego w war­stwie nawęglonej i w konsekwencji do obniżenia jej twardości.

Tablica 12.2Stale stopowe konstrukcyjne do nawęglania (przykłady) wg PN-89/H-84030 i PN-72/H-84035

Znak stali		Skład chemiczny w % (wartości średnie)
				C	Mn		Si		Cr		Ni		Inne
20H		0,20	0,65		0,25		0,85		—		—
12HN3A		0,12	0,45		0,25		0,75		3,0		—
15HN		0,15	0,50		0,25		1,5		1,5		—
18HGM		0,20	1,05		0,25		1,05		—		Mo = 0,25
18HGT		0,20	0,95		0,25		1,15		max 0,30		Ti = 0,08
18H2N4WA		0,17	0,40		0,25		1,50		4,2		W = l,0
				Właściwości mechaniczne
Znak stali	Wytyczne obróbki cieplnej próbek kwalifikacyjnych			wytrzyma­łość na roz­ciąganie		granica plasty­czności		wydłużenie A 5 min		przewę­żenie Z min		udarność KCU 2 min
				MPa		MPa		%		%		J/cm^2
20H	I H-880°C olej II H — 800°C olej O —180°C			785		637		11		40		58
12HN3A	I H — 860°Colej II H — 780°Colej O — 190°C			932		686		11		55		88
15HN	H — 860°Colej O — 190°C			981		834		12		45		78
18HGM	H — 860°C olej O — 190°C			1079		883		10		50		88
18HGT	I H — 870°Colej II H — 820°Colej O — 200°C			981		834		9		50		78
18M2N4WA	I H — 950°C olej II H — 850°Colej O — 550°C			1030		785		12		50		118
H — hartowanie, O — odpuszczanie.

Do zasadniczych dodatków stopowych w stalach do naweglania należy chrom, który występuje we wszystkich gatunkach tych stali w ilościach przeważnie l ÷ 2%. Ponadto w stalach do naweglania występuje mangan, nikiel, molibden oraz rzadziej wolfram, wanad i tytan. Do wytwarzania mniej obciążonych części maszyn o niedużych przekrojach stosuje się stale chromowe 15H, 20H zawierające około 1% chromu. Chrom nieznacznie zwiększa po hartowaniu wytrzymałość rdzenia, a możliwość chłodzenia elementów z tych stali w oleju zmniejsza skłonność do odkształceń. W celu zwiększenia hartowności wprowadza się do stali do nawęglania oprócz chromu nikiel, co pozwala uzyskać po obróbce cieplnej wysokie właściwości mechaniczne rdzenia oraz zmniejszenie naprężeń w warstwie powierzchniowej. Są to na przykład stal 15HN o średniej hartow­ności i stal 18H2N2 o dużej hartowności. Stale chromowo-niklowe do nawęglania mają wysokie właściwości mechaniczne i stosowane są do wyrobu ważnych części w precyzyj­nych urządzeniach i silnie obciążonych części maszyn. Są one jednak stosowane rzadko z uwagi na zawartość deficytowego niklu, w przypadku gdy wymagana jest bardzo duża ciągliwość rdzenia. Na części o dużych przekrojach i najwyższej wytrzymałości (1200 ÷ 400 MPa) i dobrej ciągliwości używa się stali o wyższej zawartości chromu i niklu, np. stali wyższej jakości 12H2N4A i 20H2N4A. Dla uzyskania wysokiej wytrzymałości rdzenia i twardości warstwy powierzchniowej wprowadza się do stali chromowo-niklowych 0,2 ÷ 0,3% molibdenu lub 0,8 ÷ 1,2% wolframu (np. stale 17HNM lub 18H2N4WA). Nikiel można częściowo zastąpić manganem, jak to jest w stali 18HGN zawierającej około 1% manganu i 1% niklu o stosunkowo małej hartowności. Zamiast stali chromowo-niklowych poddaje się nawęglaniu stale chromowo-manganowe, np. 14HG, 20HG, które mają jednak niższe właściwości mechaniczne od stali chromowo-niklowych; mangan w tych stalach sprzyja niekorzystnemu rozrostowi ziarna, czemu przeciwdziała się, stosując dodatek molibdenu w ilości około 0,2% (stale 15HGM, 18HGM) lub tytanu w ilościach 0,1% (stal 18HGT). Te dodatki stopowe rozdrabniają ziarno stali i przez to wpływają na podwyższenie właściwości mechanicznych.

4. Stale do ulepszania cieplnego

Stale stopowe do ulepszania cieplnego stosuje się do wytwarzania części maszyn podlegających dużym obciążeniom. Dzięki ulepszeniu cieplnemu, tj. hartowaniu z na­stępnym wysokim odpuszczaniem można uzyskać wysoką wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności i sprężystości przy dość dużej ciągliwości oraz udarności. Ponadto przez odpuszczenie usuwa się naprężenia wewnętrzne powstające w przedmiotach stalo­wych podczas ich wytwarzania, zapewniając jednocześnie możliwość obróbki mechani­cznej po ulepszeniu.

Stale do ulepszania cieplnego obejmują kilka gatunków stali węglowych wyższej jakości o zawartości 0,25 ÷ 0,65% węgla (omówionych uprzednio) oraz stale stopowe o zawartości węgla zwykle 0,25 ÷ 0,50%. Z pierwiastków stopowych stale te zawierają maksymalnie: 3% chromu, 5% niklu, 0,6% molibdenu, 3% wanadu, 1% wolframu, 2% manganu, 1,5% krzemu.

Przy małych przekrojach stosuje się stale węglowe, które w stanie ulepszonym cieplnie wykazują dostatecznie dobre właściwości mechaniczne, jeśli elementy z nich wykonane zahartują się na wskroś. Elementy o grubości czy też średnicy większej od 20 ÷ 25 mm wykonuje się ze stali stopowych o odpowiednio większej hartowności.

Obróbka cieplna tych stali polega na hartowaniu (zazwyczaj w oleju) z następnym odpuszczaniem w temperaturze 500 ÷ 700⁰C w celu uzyskania struktury sorbitycznej, co pozwala osiągnąć wytrzymałość na rozciąganie R_m = 750 ÷ 1500 MPa, granicę plasty­czności R_e = 550 ÷ 1350 MPa, wydłużenie A₅ = 15%, przewężenie Z = 35 ÷ 50% i udarności KCU2 = 40 ÷ 100 J/cm². W zależności od temperatury odpuszczania można uzyskać wyższe właściwości wytrzymałościowe przy niższych właściwościach plastycznych lub odwrotnie, dobre właściwości plastyczne przy gorszych właściwościach wytrzymało­ściowych. Wpływ temperatury odpuszczania na udarność ma jednak złożony charakter, co widać na rys. 12.1. Występujące w temperaturze około 300°C zmniejszenie udarności świadczy, że przy odpuszczaniu w tej temperaturze stal staje się krucha. Drugie minimum udarności występuje powyżej 500°C; w tym przypadku jednak kruchość ta występuje wtedy, gdy chłodzenie po odpuszczeniu było wolne (krzywa 2); przy­spieszone chłodzenie po odpuszczaniu w tym zakresie temperatur (w wodzie lub w oleju) pozwala tej kruchości uniknąć (krzywa 1); zjawisko to nosi nazwę kruchości odpusz­czania.

Rys. 12.1. Wpływ temperatury odpuszczania na udarność: 1 — chłodzenie przyspieszone, 2 — chłodzenie wolne

Stal w stanie ulepszonym cieplnie jest konglomeratem kulkowych węglików o dużym stopniu dyspersji oraz ferrytu. Z tego względu właściwości stali stopowej w stanie ulepszonym cieplnie zależą od:

1) ilości i stopnia dyspersji węglików, przy czym skład chemiczny węglików nie ma zasadniczego znaczenia,

2) właściwości osnowy ferrytycznej, w której te węgliki znajdują się.

Ze względu na to, że właściwości wytrzymałościowe stali zależą głównie od ilości i stopnia dyspersji węglików, zasadniczym czynnikiem, od którego zależy wytrzymałość stali, jest zawartość węgla, natomiast dodatki stopowe powinny zapewnić wymaganą hartowność obrabianych cieplnie elementów. Wobec tego przy doborze gatunku stali do ulepszania kierujemy się:

1) przede wszystkim zawartością węgla i związanymi z nią właściwościami wy­trzymałościowymi,

2. hartownością stali zależną od zawartości dodatków stopowych,

3) w dalszej kolejności uwzględniamy szczególne właściwości związane z indywidual­nym wpływem poszczególnych dodatków stopowych.

Tablica 12.3Stale stopowe konstrukcyjne do ulepszania cieplnego (przykłady) wg PN-89/H-84030 i PN-72/H-84035

Znak stali		Skład chemiczny w % (wartości średnie)
				C	Mn		Si		Cr		Ni		Inne
30H		0,30	0,65		0,25		0,95		—		_
50H		0,50	0,65		0,25		0,95		—
40HM		0,40	0,55		0,25		1,05		—		Mo = 0,20
30HN3A		0,30	0,45		0,25		0,75		3,0		—
36HNM		0,36	0,65		0,25		1,0		1,0		Mo = 0,20
37HGNM		0,37	0,90		0,25		0,50		0,55		Mo = 0,35
40H2MF		0,40	0,65		0,25		1,75		—		V = 0,20
25H2N4WA		0,25	0,40		0,25		2,0		4,0		W = l,0
30HGS		0,30	0,95		1,05		0,95		—		—
Znak stali	Wytyczne obróbki cieplnej próbek kwalifikacyjnych			Właściwości mechaniczne
								wytrzyma­łość na roz­ciąganie Rm min MPa		granica plastycz­ności Re min MPa		wydłu­żenie A5 min %		przewę­żenie Z min %		udarność KCU2 min J/cm^2
30H	H — 860°C olej O — 500°C olej			883		736		12		45		68
50H	H — 830°C olej O — 500°C olej			1079		931		8		40		39
40HM	H — 840°C olej O — 550°C olej			1030		883		10		45		68
30HN3A	H — 820°C olej O — 530°C olej			1079		883		10		50		78
36HNM	H — 850°C olej O — 550°C olej			981		785		11		50		78
37HGNM	H — 850°C olej O — 525°C olej			932		785		13		50		78
40H2MF	H — 830°C olej O — 570°C po­wietrze			1226		1030		9		40		68
25H2N4WA	H — 850°C olej O — 560°C olej			1079		932		11		45		88
30HGS	H — 880°C olej O — 540°C olej			1079		834		10		45		44
H — hartowanie, O — odpuszczanie.

Stale stopowe konstrukcyjne do ulepszania cieplnego ujęte są normą PN-89/H-84030 (tabl. 12.3), a dla elementów szczególnie obciążonych — normą PN-72/H-84035. Podstawowym dodatkiem stopowym większości współczesnych stali do ulepszania cieplnego jest chrom. Zwiększa on hartowność stali oraz opóźnia procesy odpuszczania, co umożliwia osiągnięcie dobrej wytrzymałości przy dobrej ciągliwości. Z tego względu stale chromowe są często stosowane (np. 30H, 40H, 50H). Dla zwiększania hartowności i przeciwdziałania kruchości odpuszczania stosuje się w tych stalach dodatek 0,15 ÷ 0,25% molibdenu (np. stale 35HM, 40HM). Obok chromu podstawowym skład­nikiem stali do ulepszania jest nikiel. Nikiel zwiększa silnie hartowność stali, tak że jednoczesna obecność w stali chromu i niklu umożliwia hartowanie na wskroś elementów o dużym przekroju. Nikiel polepsza ponadto właściwości plastyczne, tak że stale chromowo-niklowe po ulepszaniu cieplnym wykazują wysokie właściwości wytrzymało­ściowe przy dużej plastyczności i udarności. Poza tym nikiel obniża temperaturę pojawiania się kruchości na zimno, co widać z porównania zależności udarności od temperatury dla stali bezniklowej (40HM) oraz stali z niklem (40HNM) (rys. 12.2).

Rys. 12.2. Wpływ niklu na temperaturę przejścia plastyczno-kruchego: 1 - stal 40HNM, 2 - stal 40HM

Z tych względów stale chromowo-niklowe należą do najlepszych wśród stopowych stali do ulepszania (np. stal 30HN3A). Główną wadą stali chromowo-niklowych jest ich skłonność do kruchości odpuszczania. Dodatek molibdenu w ilości średnio 0,2% zmniejsza tę skłonność i jednocześnie zwiększa hartowność, tak że stale te mogą być stosowane do wytwarzania elementów o dużych średnicach; są to np. stale 36HNM, 30H2N2M. Po wysokim odpuszczaniu w temperaturze 600°C mają one wytrzymałość R_m powyżej 1000 MPa przy udarności KCU2 powyżej 150 J/cm². Dodatek do stall chromowo-niklowo-molibdenowych niewielkich ilości wanadu (0,1 ÷ 0,2%) zwiększa jeszcze bardziej hartowność i opóźnia procesy zachodzące przy odpuszczaniu. Dlatego też stale chromowo-molibdenowo-wanadowe stosowane są do wytwarzania elementów o bardzo dużych przekrojach w przypadku konieczności uzyskania wysokich właściwości wytrzymałościowych (stal 45HNMF) przy jednoczesnej dobrej ciągliwości. Dodatek wanadu występuje również w stalach chromowo-molibdenowych (np. stal 40H2MF). Stosowane są również stale chromowo-niklowe z wolframem. Ogólnie biorąc, zarówno molibden jak i wolfram czy też wanad należą do najdroższych dodatków stopowych stosowanych tylko w przypadku konieczności uzyskania wysokich właściwości wy­trzymałościowych. W stalach chromowo-niklowych lub chromowo-niklowo-molibdeno­wych część niklu może być zastąpiona manganem, który podobnie jak i nikiel zwiększa hartowność (np. stal chromowo-manganowo-niklowo-molibdenowa 37HGNM). Wpły­wa on jednak niekorzystnie na właściwości stali określane na próbach wyciętych poprzecznie do kierunku walcowania i sprzyja kruchości odpuszczania.

Do najtańszych stali stopowych do ulepszania zaliczamy stale manganowe (np. 30G2 i 45G2). Mangan zwiększa wprawdzie hartowność stali, lecz przy większych zawartoś­ciach wpływa niekorzystnie na udarność stali oraz zwiększa skłonność do rozrostu ziarna i z tego względu zawartość manganu w stalach do ulepszania nie przekracza 1,8%. W celu zmniejszenia niekorzystnego wpływu manganu, zastępuje się go częściowo jeszcze tańszym dodatkiem, jakim jest krzem, który sprzyja drobnoziarnistości, a ponadto wpływa na podwyższenie granicy sprężystości, co może mieć w niektórych konstrukcjach istotne znaczenie, np. stal 35SG; stale te są stosunkowo dobrymi i tanimi stalami zastępczymi zamiast droższych stali zawierających chrom. Wymienione stale manganowo-krzemowe mają jednak stosunkowo niedużą hartowność. Znacznie większą hartow­ność mają stale chromowo-manganowo-krzemowe (30HGS i 35HGS), przy czym obec­ność chromu przeciwdziała również szkodliwej tendencji do rozrostu ziarna. Stale te stosuje się do wytwarzania części maszyn o średnich przekrojach i znacznej wytrzymało­ści. Stal 35HGS po hartowaniu izotermicznym osiąga R_m= 1600 ÷ 1800 MPa. Wadą tych stali jest skłonność do kruchości odpuszczania i dlatego też po odpuszczaniu w wysokiej temperaturze należy je chłodzić w oleju. Hartowanie z następnym odpuszczaniem, ale w niskich temperaturach (150°C) można stosować do konstrukcyjnych stali stopowych o niskiej zawartości węgla (0,10 ÷ 0,25%). Otrzymuje się wówczas odpuszczony nisko-węglowy martenzyt o dobrych właściwościach plastycznych. W ten sposób obro­biona cieplnie stal wykazuje dobre właściwości wytrzymałościowe i plastyczne (R_m = 1300 ÷ 1400 MPa przy Z = 50 ÷ 60% i KCU2 = 120 ÷ 140 J/cm²).

1. Stale do azotowania

W zasadzie azotować można każdą stal konstrukcyjną, jednak w praktyce stosuje się tylko te stale, które po azotowaniu wykazują najlepsze właściwości warstwy dyfuzyjnej; określa się je mianem stali do azotowania. Są to stale średniowęglowe, zawierające aluminium, chrom, molibden, a czasami także tytan i wanad. Składniki te tworzą bardzo twarde azotki. Zawartość węgla 0,25 ÷ 0,45% w stalach do azotowania umożliwia uzyskanie wysokich właściwości mechanicznych rdzenia po zastosowaniu przed azotowaniem ulepszania cieplnego.

Tablica 12.4Stale do azotowania wg PN-89/H-84030/03

Znak stali	Skład chemiczny w %
		C	Mn	Si	Cr	Mo	Inne składniki
38HMJ	0,35 ÷ 0,42	0,30 ÷ 0,60	0,17 ÷ 0,37	1,35 ÷ 1,65	0,15 ÷ 0,25	Al = 0,7 ÷ 1,1
33H3MF	0,29 ÷ 0,36	0,50 ÷ 0,80	0,17 ÷ 0,37	2,40 ÷ 2,80	0,35 ÷ 0,45	V = 0,2 ÷ 0,3
25H3M	0,20 ÷ 0,30	0,40 ÷ 0,65	0,17 ÷ 0,37	2,90 ÷ 3,50	0,40 ÷ 0,55	—

Początkowo stosowano do azotowania wyłącznie stale aluminiowo-chromowe zawie­rające 0,5 ÷ 1,20% Al i 14 ÷ 1,8% Cr. Stale zawierające aluminium odznaczają się wprawdzie po azotowaniu najtwardszą powierzchnią, jednakże zawartość aluminium nie może być zbyt duża z uwagi na dużą kruchość warstwy dyfuzyjnej. Ponieważ stale aluminiowo-chromowe są skłonne do kruchości odpuszczania, wprowadzono do tych stali dodatek molibdenu i tego typu stale są obecnie najczęściej stosowane. Zgodnie z normą PN-89/H-84030/03 do azotowania przewidziano stale 38HMJ, 33H3MF i 25H3M (tabl. 12.4), które przed azotowaniem poddaje się ulepszaniu cieplnemu. Temperatura odpuszczania powinna być wyższa od temperatury azotowania, aby w cza­sie tego ostatniego zabiegu nie następowały w materiale żadne przemiany.

2. Stale sprężynowe

Najistotniejszą cechą sprężyn i resorów jest zdolność do przyjmowania pierwotnego kształtu po odciążeniu. Z tego względu stale używane na sprężyny i resory powinny się odznaczać wysoką granicą sprężystości oraz znaczną wytrzymałością zmęczeniową. Ponadto muszą one także wykazywać dobre właściwości plastyczne, aby w przypadku przekroczenia granicy sprężystości nastąpiło jedynie trwałe odkształcenie elementu bez jego zniszczenia. Zasadnicze znaczenie dla okresu eksploatacyjnego sprężyny ma stan jej powierzchni (niedopuszczalne jest jej utlenienie, czy też odwęglenie). Wszelkie wady powierzchniowe powodują miejscową koncentrację naprężeń, co prowadzi do szybkiego pęknięcia zmęczeniowego.

Sprężyny wykonuje się ze stali węglowej w stanie surowym, z taśm walcowanych na zimno oraz drutu ciągnionego i patentowanego (o zawartości węgla powyżej 0,5%) oraz ze stali stopowych, w których głównymi składnikami są krzem, a następnie mangan, chrom i wanad. Obróbka cieplna stali sprężynowych polega na hartowaniu od temperatur 800 ÷ 850°C w oleju lub w wodzie, z następnym odpuszczaniem w temperaturze 350 ÷ 500°C. Po tego rodzaju obróbce cieplnej stale sprężynowe mają wysoką wy­trzymałość na rozciąganie (1000 ÷ 1600 MPa) przy wysokiej również granicy plastyczno­ści (8004-1400 MPa).

Tablica 12.5Stale sprężynowe i resorowe (przykłady) wg PN-74/H-84032

Znak stali	Skład chemiczny w % (wartości średnie)
		C	Mn	Si	Cr	V
85	0,85	0,65	0,25	—	—
65G	0,65	1,10	0,25	—	—
45S	0,45	0,75	1,10	—	—
60S2	0,60	0,75	1,65	—	—
50HSA	0,50	0,40	1,00	1.05	—
50HFA	0,50	0,65	0,25	1,00	0,15

Do najtańszych stali sprężynowych należą stale węglowe 65, 75 i 85 oraz stal manganowa 65G. Z uwagi na ich małą hartowność używa się ich na sprężyny średnio obciążone o małych wymiarach (PN-74/H-84032, tabl. 12.5).

Podstawowym dodatkiem stopowym w stalach sprężynowych najintensywniej zwięk­szającym granicę sprężystości jest krzem. Z tego względu na sprężyny używa się stali krzemowych o zawartości 0,35 ÷ 0,75% węgla, np. 45S, 50S2, 60S3A. Z uwagi na małą hartowność można używać ich na sprężyny o niewielkich przekrojach. Na silnie ob­ciążone sprężyny o dużej wytrzymałości i o większych przekrojach używa się stali chromowych z dodatkami manganu, krzemu i wanadu, np. stali 50HG, 50HS, 50HF, które mają większą hartowność. Ponadto do pracy w wyższych temperaturach (do 500°C) stosuje się stale wolframowo-chromowo-molibdenowo-wanadowe zbliżone skła­dem chemicznym do stali szybkotnących, a do wytwarzania sprężyn, od których wymaga się odporności chemicznej, kwasoodporną stal chromowo-niklową.

3. Stale łożyskowe

Część łożysk tocznych, jak kulki, wałki i pierścienie, powinny odznaczać się dużą twardością oraz odpornością na ścieranie i ściskanie. Wszelkie niejednorodności materia­łu są niedopuszczalne. Ponadto powinny one mieć dobrą hartowność, umożliwiającą uzyskanie na całym przekroju struktury martenzytycznej bez szczątkowego austenitu, nie paczyć się podczas hartowania oraz mieć dobrą obrabialność. Huty dostarczają stali łożyskowych w stanie zmiękczonym, muszą one mieć bardzo równomierne rozłożenie skoagulowanych węglików w osnowie ferrytycznej. Niedopuszczalne jest wyraźne pas­mowe ułożenie węglików, obecność siatki węglików oraz resztek płytkowego perlitu. Jako stale łożyskowe stosuje się u nas zgodnie z normą PN-74/H-84041 stal chromową ŁH15 o zawartości około 1% węgla i l,30 ÷ l,65% chromu oraz stal chromo-wo-krzemowo-manganową ŁH15SG (tabl. 12.6) o zwiększonej zawartości manganu i krzemu. Obróbka cieplna stali łożyskowych polega na hartowaniu w oleju (HRC = 62 ÷ 66) z następnym niskim odpuszczaniem w temperaturze około 180°C, co pozwala uzyskać strukturę drobnoiglastego martenzytu odpuszczonego z równomiernie rozłożonymi drobnymi węglikami chromu. Na łożyska pracujące w warunkach korozyj­nych używa się nierdzewnych stali, a na łożyska pracujące w wysokich temperaturach stali o składzie podobnym do stali szybkotnących.

Tablica 12.6Stal na łożyska toczne wg PN-74/H-84041

Znak stali	Skład chemiczny w %
		C	Mn	Si	Cr
	ŁH15 ŁH15SG	0,95-1,10	0,25 ÷ 0,45	0,15 ÷ 0,35	1,30 ÷ 1,65
				0,95 ÷ 1,25		0,40 ÷ 0,65

4. Stale do hartowania powierzchniowego

Stale do hartowania powierzchniowego dobiera się tak, aby równocześnie uzyskać dużą twardość powierzchniową i odpowiednie właściwości wytrzymałościowe rdzenia (nie są one ujęte oddzielną normą). Do tego celu stosuje się stale z gatunku stali do ulepszania cieplnego o zawartości węgla w granicach 0,4 ÷ 0,6% zarówno węglowe, jak i stopowe. Przy wymaganej niezbyt dużej wytrzymałości rdzenia stosuje się stale węglowe w stanie normalizowanym. Przy większych wymaganiach co do właściwości wytrzymało­ściowych rdzenia stale węglowe można stosować tylko do wyrobu mniejszych elementów, z uwagi na ich małą hartowność; natomiast na elementy o dużych przekrojach używa się stali stopowych, przy czym przed hartowaniem powierzchniowym przeprowadza się ulepszanie cieplne. Z częściej stosowanych stali do hartowania powierzchniowego wymie­nić można stale węglowe 45, 50, 55 oraz stale stopowe 40H, 40HM, 40H2MF, 50HN.

5. Stale maraging

W przypadku dużych wymagań co do właściwości mechanicznych, których nie mogą spełnić konstrukcyjne stale stopowe nawet o najwyższych właściwościach, znalazły zastosowanie w ostatnich latach stopy żelaza z niklem (8 ÷ 24%Ni), zwane stopami z zestarzonym martenzytem lub stalami maraging. Stopy te zawierają ponadto dodatki kobaltu, molibdenu, aluminium i tytanu.

Przemiana martenzytyczna w stopach maraging zachodzi nawet przy małych szybko­ściach chłodzenia z uwagi na zawartość niklu. Obróbka cieplna tych stopów polega na hartowaniu z 810 ÷ 850°C z następnym starzeniem. W stanie zahartowanym stale maraging mają strukturę miękkiego martenzytu niklowego; są bardzo plastyczne i łatwo odkształcają się oraz są dobrze obrabialne wiórowo. Utwardzenie uzyskuje się przez następne starzenie w zakresie 420 ÷ 485°C, dzięki wydzielaniu się z martenzytu faz międzymetalicznych typu Ni₃Mo, Ni₃T, Ni(TiAl), Ni₃(TiAl). Na tej drodze otrzymuje się wysoką wytrzymałość (2000 ÷ 2400 MPa) przy dobrej plastyczności (przewężenie 30 ÷ 50%). Ponadto wykazują one wiele zalet technologicznych i użytkowych. Zawartość węgla w stalach maraging nie powinna przekraczać 0,02%, gdyż tworzące się węgliki zmniejszają efekt starzenia. Oczywiście wysoki koszt wytwarzania tych stopów, związany przede wszystkim z dużą zawartością niklu, powoduje, że są one stosowane tylko w szczególnych przypadkach.

6. Obróbka cieplno-plastyczna

Efekt utwardzenia i umocnienia stali można uzyskać zarówno w wyniku hartowania, jak i poprzez zgniot. Obróbka cieplno-plastyczna stali polega na połączeniu tych dwóch operacji: odkształcony plastycznie austenit hartujemy w taki sposób, aby nie zdążył zajść proces rekrystalizacji. Martenzyt, który powstaje z odkształconego plastycznie austenitu, „dziedziczy" po nim defekty struktury krystalicznej, a przede wszystkim zwiększoną gęstość dyslokacji, co powoduje, że jego twardość, a zwłaszcza wytrzymałość, jest wyraźnie wyższa. Równocześnie dzięki rozdrobnieniu ziarna martenzytu lepsze są właściwości plastyczne stali.

Obróbka cieplno-plastyczna może być prowadzona kilkoma różnymi sposobami. Najczęściej stosuje się wysokotemperaturową obróbkę cieplno-plastyczna (WOCP) i nis­kotemperaturową obróbkę cieplno-plastyczna (NOCP).

WOCP polega na odkształceniu plastycznym stali w temperaturze nieco wyższej od A₃, a warunki oziębiania powinny być tak dobrane, aby przemiana A → M zaszła na całym przekroju obrabianego przedmiotu wcześniej niż rekrystalizacja austenitu. Jest rzeczą korzystną, jeśli w austenicie zajdzie proces poligonizacji. Optymalna wielkość gniotu zależy od składu stali, ale najczęściej wynosi około 30 ÷  40%. Duże gnioty bardzo przyspieszają rekrystalizację, co utrudnia lub nawet uniemożliwia przepro­wadzenie procesu. WOCP można stosować do wyrobów o niezbyt dużej grubości (około 40 ÷ 50 mm).

NOCP można stosować do stali, które wykazują dużą trwałość przechłodzonego austenitu, a więc do stali stopowych. Od temperatury austenityzacji oziębiamy stal do temperatury leżącej pomiędzy temperaturą T_r (temperatura rekrystalizacji) i M_s (po­czątek przemiany martenzytycznej). W temperaturze tej (praktycznie 600 ÷ 400°C) od­kształcamy plastycznie stal na tyle szybko, aby nie rozpoczęła się przemiana dyfuzyjna (A + P lub A + B), a następnie hartujemy. Można tu stosować większe gnioty niż w przypadku WOCP, trzeba jednak pamiętać, że w tych temperaturach opór plastyczny metalu jest znacznie większy.

Schematycznie przebieg WOCP i NOCP pokazano na rys. 12.3. Zarówno po WOCP, jak i po NOCP stal musi być odpuszczona. Najczęściej stosuje się odpuszczanie niskie.

Rys. 12.3. Schemat obróbki cieplno-plastycznej

W porównaniu z klasyczną obróbką cieplną (hartowanie i niskie odpuszczanie) stal poddana obróbce cieplno-plastycznej ma wytrzymałość wyższą o około 15 ÷ 30% i nie gorsze, a nawet nieco lepsze, właściwości plastyczne (udarność, wydłużenie). Tak na przykład właściwości stali konstrukcyjnej zawierającej około 0,4% C są następujące:

po zwykłym hartowaniu i niskim odpuszczaniu

R_m = 1700 ÷ 2200 MPa, A₅ = 5 ÷ l%;

po WOCP

R_m = 2100 ÷ 2600 MPa, A₅ = 7 ÷ 8%;

po NOCP

R_m = 2500 ÷ 3200 MPa, A₅ = 5 ÷ 7%.

Obróbka cieplno-plastyczna wyraźnie zwiększa wytrzymałość zmęczeniową (kilka­krotnie), odporność na ścieranie i wytrzymałość na pełzanie. Duża twardość stali po obróbce cieplno-plastycznej uniemożliwia w praktyce obróbkę skrawaniem. Trudność tę można ominąć, stosując po OCP wysokie odpuszczenie, licząc się jednak z obniżeniem wytrzymałości.

Obecnie obróbkę cieplno-plastyczna, głównie WOCP, stosuje się na skalę przemy­słową, przede wszystkim przy produkcji takich wyrobów jak resory, elementy sprężynu­jące (np. wałki skrętne, sprężyny zaworów), pierścienie łożysk tocznych, koła łań­cuchowe, sworznie, szyny i inne profile walcowane. Prowadzone są również próby obróbki cieplno-plastycznej narzędzi, takich jak walce, matryce, narzędzia skrawające ze stali szybkotnących i in. Ponieważ zastosowanie obróbki cieplno-plastycznej eliminuje konieczność nagrzewania przed hartowaniem, pozwala to na oszczędność energii i czasu pracy.

1

10

---