Stale do ulepszania cieplnego – właściwości, zastosowanie, gatunki

Stale do ulepszania cieplnego od dziesięcioleci stanowią podstawowy materiał konstrukcyjny wykorzystywany w budowie maszyn, motoryzacji, lotnictwie, energetyce oraz przemyśle ciężkim. Ich popularność wynika z możliwości uzyskania bardzo wysokiej wytrzymałości mechanicznej przy jednoczesnym zachowaniu dobrej plastyczności, udarności oraz odporności zmęczeniowej. W przeciwieństwie do zwykłych stali konstrukcyjnych, właściwości tych materiałów nie wynikają wyłącznie z ich składu chemicznego, lecz przede wszystkim z odpowiednio przeprowadzonego procesu ulepszania cieplnego.

Dzięki hartowaniu i wysokiemu odpuszczaniu stale te osiągają parametry umożliwiające pracę w najbardziej wymagających warunkach. Z tego względu są powszechnie wykorzystywane do produkcji wałów napędowych, osi, kół zębatych, przekładni, sworzni, elementów zawieszeń oraz licznych części maszyn narażonych na duże obciążenia statyczne i dynamiczne.

Czym są stale do ulepszania cieplnego?

Stale do ulepszania cieplnego to grupa stali konstrukcyjnych przeznaczonych do obróbki cieplnej polegającej na hartowaniu oraz wysokim odpuszczaniu. Celem tego procesu jest uzyskanie możliwie najlepszego połączenia wytrzymałości, twardości, plastyczności oraz odporności na obciążenia zmienne.

Najczęściej są to stale średniowęglowe zawierające od około 0,25 do 0,60% węgla. Oprócz węgla zawierają dodatki stopowe poprawiające hartowność i właściwości mechaniczne, takie jak:

• chrom,
• mangan,
• krzem,
• molibden,
• nikiel,
• wanad,
• wolfram.

Dobór odpowiednich dodatków pozwala uzyskać materiały przeznaczone do konkretnych zastosowań – od części maszyn rolniczych po elementy konstrukcji lotniczych pracujące pod ogromnymi obciążeniami.

Na czym polega ulepszanie cieplne?

Ulepszanie cieplne jest procesem składającym się z dwóch podstawowych etapów.

Pierwszym z nich jest hartowanie. Materiał nagrzewa się do temperatury austenityzowania, najczęściej wynoszącej od 820 do 900°C, a następnie gwałtownie schładza. W wyniku tego procesu w strukturze powstaje martenzyt charakteryzujący się bardzo wysoką twardością.

Sama stal zahartowana nie nadaje się jednak do pracy jako element konstrukcyjny, ponieważ jest zbyt krucha. Dlatego drugim etapem jest wysokie odpuszczanie prowadzone zazwyczaj w temperaturze od 500 do 680°C. Podczas odpuszczania usuwane są naprężenia wewnętrzne, a materiał odzyskuje odpowiednią plastyczność i udarność, zachowując jednocześnie wysoką wytrzymałość.

Efektem końcowym jest mikrostruktura odpuszczonego martenzytu, która zapewnia bardzo korzystne właściwości mechaniczne.

Zalety stali do ulepszania cieplnego

Do najważniejszych zalet tej grupy materiałów należą:

• wysoka wytrzymałość na rozciąganie,
• wysoka granica plastyczności,
• dobra odporność na obciążenia dynamiczne,
• wysoka odporność zmęczeniowa,
• dobra udarność,
• możliwość uzyskania wysokiej twardości,
• dobra obrabialność przed hartowaniem,
• szerokie możliwości dalszej obróbki mechanicznej.

W praktyce oznacza to możliwość produkcji elementów o dużej trwałości eksploatacyjnej nawet przy wieloletniej pracy pod znacznymi obciążeniami.

W jakiej postaci dostępne są stale do ulepszania cieplnego?

Materiały tej grupy oferowane są w wielu postaciach, dzięki czemu mogą być wykorzystywane zarówno przez producentów maszyn, jak i zakłady zajmujące się dalszą obróbką mechaniczną.

Najczęściej spotykane są:

• pręty okrągłe,
• pręty płaskie,
• odkuwki,
• wałki,
• rury,
• formatki,
• blachy 30HGSA, które znajdują zastosowanie między innymi w produkcji wysoko obciążonych konstrukcji spawanych, elementów lotniczych oraz części maszyn poddawanych późniejszemu ulepszaniu cieplnemu.

Coraz większa dostępność blach ze stali stopowych sprawia, że projektanci mogą wykonywać bardziej skomplikowane konstrukcje bez konieczności stosowania ciężkich odkuwek.

Najpopularniejsze gatunki

30HGSA

Jednym z najbardziej znanych gatunków jest 30HGSA (30ХГСА). Stal ta zawiera chrom, mangan oraz krzem, dzięki czemu charakteryzuje się bardzo wysoką wytrzymałością mechaniczną i dobrą odpornością zmęczeniową.

Po ulepszeniu cieplnym osiąga wytrzymałość przekraczającą 1000 MPa, zachowując jednocześnie dobrą udarność. Z tego względu od wielu lat wykorzystywana jest w przemyśle lotniczym, maszynowym oraz motoryzacyjnym.

Najczęściej wykonuje się z niej:

• wały,
• wrzeciona,
• osie,
• sworznie,
• koła zębate,
• elementy zawieszeń,
• części samolotów,
• wysoko obciążone konstrukcje spawane.

30HGSNA

30HGSNA jest rozwinięciem gatunku 30HGSA. Dodatek niklu poprawia hartowność oraz udarność materiału.

Dzięki temu stal znacznie lepiej sprawdza się w elementach o dużych przekrojach oraz konstrukcjach poddawanych bardzo dużym obciążeniom dynamicznym.

Znajduje zastosowanie między innymi w lotnictwie oraz przemyśle wojskowym.

37HS

37HS jest stalą chromowo-krzemową przeznaczoną do produkcji elementów wymagających wysokiej wytrzymałości i odporności na ścieranie.

Dzięki większej zawartości węgla możliwe jest uzyskanie wyższej twardości niż w przypadku gatunku 30HGSA.

Materiał wykorzystywany jest przede wszystkim do produkcji:

• wałów,
• przekładni,
• wrzecion,
• tulei,
• elementów maszyn przemysłowych.

25HM

25HM należy do grupy stali chromowo-molibdenowych.

Molibden poprawia odporność na wysokie temperatury oraz zwiększa wytrzymałość podczas długotrwałej eksploatacji.

Dlatego materiał ten znajduje zastosowanie między innymi w:

• energetyce,
• przemyśle petrochemicznym,
• produkcji turbin,
• urządzeniach ciśnieniowych,
• sprężarkach.

65S2WA

65S2WA jest wysokowęglową stalą krzemowo-wanadową wykorzystywaną głównie do produkcji elementów sprężystych.

Po odpowiedniej obróbce cieplnej materiał uzyskuje bardzo wysoką sprężystość oraz odporność zmęczeniową.

Najczęściej wykonywane są z niego:

• sprężyny,
• resory,
• podkładki sprężyste,
• elementy zawieszeń,
• części maszyn rolniczych.

Zastosowanie stali do ulepszania cieplnego

Zakres zastosowań tej grupy materiałów jest niezwykle szeroki. W zależności od gatunku oraz parametrów obróbki cieplnej stale te wykorzystywane są do produkcji elementów pracujących pod bardzo dużymi obciążeniami.

Najczęściej są to:

• wały napędowe,
• wały korbowe,
• wrzeciona,
• koła zębate,
• osie,
• przekładnie,
• sworznie,
• korbowody,
• elementy pras,
• części maszyn budowlanych,
• elementy urządzeń górniczych,
• części turbin,
• elementy hydrauliki siłowej,
• konstrukcje lotnicze,
• elementy sprzętu wojskowego.

W wielu przypadkach są to części, od których zależy bezpieczeństwo pracy całej maszyny. Dlatego odpowiedni dobór gatunku oraz prawidłowo przeprowadzone ulepszanie cieplne mają kluczowe znaczenie dla trwałości gotowego wyrobu.

Jak wybrać odpowiednią stal?

Nie istnieje jeden uniwersalny gatunek odpowiedni do wszystkich zastosowań. Wybór powinien uwzględniać między innymi:

• wymagane parametry wytrzymałościowe,
• rodzaj obciążeń,
• warunki pracy,
• wielkość przekroju elementu,
• możliwość wykonania obróbki cieplnej,
• wymagania dotyczące obrabialności i spawalności.

W przypadku konstrukcji narażonych na bardzo duże obciążenia dynamiczne jednym z najczęściej wybieranych materiałów pozostaje 30HGSA. Jeżeli element będzie pracował w podwyższonej temperaturze, lepszym rozwiązaniem może okazać się 25HM. Z kolei do produkcji elementów sprężystych najczęściej wybierana jest stal 65S2WA.

Stale do ulepszania cieplnego należą do najważniejszych materiałów konstrukcyjnych wykorzystywanych we współczesnym przemyśle. Odpowiednio przeprowadzony proces hartowania i odpuszczania pozwala uzyskać bardzo korzystne połączenie wysokiej wytrzymałości, dobrej udarności oraz odporności zmęczeniowej. Dzięki temu materiały takie jak 30HGSA, 30HGSNA, 37HS, 25HM czy 65S2WA od wielu lat znajdują zastosowanie w produkcji najbardziej odpowiedzialnych elementów maszyn, urządzeń energetycznych, konstrukcji lotniczych oraz komponentów pracujących w ekstremalnych warunkach.

Źródło grafiki: Canva Pro