Stale do ulepszania cieplnego. Charakterystyka

Stal jest materiałem, który dzięki swoim specyficznym cechom: wysokiej wytrzymałości na obciążenia mechaniczne, sprężystości, ciągliwości oraz plastyczności może być szeroko stosowany, jako półprodukt do budowy różnych konstrukcji oraz surowiec do wykonywania elementów maszyn i urządzeń. W zależności od dodatkowych pierwiastków, które wzbogacają stop żelaza i węgla stal może osiągać różne właściwości, które umożliwiają lepsze spełnianie poszczególnych wymagań. Stal może być również ulepszana za sprawą wpływania na jej strukturę oraz modyfikację jej powierzchni. Jednym z szerzej wykorzystywanych sposobów na zmianę właściwości stali jest ulepszanie cieplne. W jego ramach pod wpływem wysokiej temperatury dochodzi do poprawy cech użytkowych stali, m.in. twardości, odporności na zmęczenie, rozciąganie czy skręcanie albo pękanie.

Istnieje wiele gatunków stali do ulepszania cieplnego, które mogą być używane do produkcji elementów i podzespołów szczególnie narażonych na obciążenia, takich jak części maszyn np. korpusy, wały, koła zębate, sworznie, pierścienie. Przyjrzyjmy się bliżej temu, jak wyglądają procesy ulepszania cieplnego oraz zobaczmy, jakie stale mogą być w nich wykorzystywane.

Procesy obróbki cieplnej stali

Obróbka cieplna to zabiegi, których celem jest zmiana struktury materiału pod wpływem ogrzewania do określonej temperatury oraz chłodzenia, które zachodzą w precyzyjnie ustalonym czasie. W ramach obróbki cieplnej stosowane są procesy wyżarzania, hartowania i odpuszczania, a także przesycania. Wykonuje się również obróbkę cieplno-chemiczną, cieplno-magnetyczną, jak również cieplno-mechaniczną.

Jednymi z najczęściej stosowanych rodzajów obróbki stali są różne rodzaje obróbki cieplno-chemicznej oraz hartowanie z odpuszczaniem. Podczas obróbki cieplno-chemicznej stal jest rozgrzewana, a do jej struktury są wprowadzanie dodatkowe substancje. Wykonuje się np. azotowanie, chromowanie, aluminiowanie czy nawęglanie. Za sprawą dyfuzji tych pierwiastków powierzchnia elementu zyskuje dodatkowe właściwości, np. większą twardość w przypadku nawęglania, czy odporność na obciążenia termiczne podczas chromowania albo wytrzymałość na korozję po azotowaniu.

Ulepszanie cieplne przez hartowanie i odpuszczanie stali to proces, który służy zmianie struktury na martenzytyczną lub banityczną. W jego trakcie materiał jest nagrzewany do temperatury powstawania austenitu, w przypadku stali podeutektoidalnych (czyli takich, które zawierają do 0,8% węgla), a stale nadeutektoidalne (o zawartości węgla w przedziale 0,8–1,35%) do temperatury współwystępowania austenitu i cementytu. Temperatury, do których musi być rozgrzana stal zależą od jej składu, np. stale wysokostopowe nagrzewa się aż do 1100–1200°C.

Następnym etapem jest chłodzenie, podczas którego w materiale dochodzi do zmiany austenitu w banit lub martenzyt, w zależności od tempa, w jakim obniżana jest temperatura. Do chłodzenia wykorzystuje się wodę, która powoduje szybszy spadek temperatury na poziomie zbliżonym do 600°C na sekundę albo olej dla około 200°C na sekundę.

Ostatnim procesem niezbędnym dla uzyskania odpowiedniej twardości jest odpuszczanie. W jego ramach stal jest ponownie nagrzewana tak, by struktura stali z metastabilnej przekształciła się do stabilnej. Temperatura odpuszczania wpływa na właściwości materiału. Odpuszczanie niskie (100–250°C) daje wysoką twardość, średnie (250–500°) wysoką sprężystość i poprawę plastyczności, wysokie (500–600°C) niższą twardość oraz wyższą plastyczność.

Wybrane gatunki stali do ulepszania cieplnego

Rodzaje stali różnią się od siebie podatnością na ulepszanie cieplne. Hartowność stali, czyli podatność na wytworzenie się martenzytu zależy od składu stali. W przypadku stali niestopowych hartowność będzie niska, a stale wysokostopowe mają hartowność na wyższym poziomie. Istotna jest również budowa materiału, znaczenie dla hartowności ma także rozmiar ziaren austenitu. Stale gruboziarniste mają większą hartowność niż drobnoziarniste. Hartowność jest związana z czystością stali. Stale wysokojakościowe mają hartowność na wyższym poziomie, te gdzie znajduje się sporo dodatkowego materiału, np. tlenków mają niższą hartowność.

Ważnym parametrem dla określenia hartowności jest również utwardzalność, która pokazuje maksymalną możliwą do uzyskania twardość stali. Liczy się również przehartowność określająca przyrost twardości w zależności od odległości od powierzchni materiału i szybkości schładzania.

Wybór stali do ulepszania cieplnego, która będzie spełniała określone wymogi co do twardości oraz plastyczności wyrobu wymaga znalezienia materiału o odpowiednim składzie chemicznym i zastosowania precyzyjnie wyliczonych warunków hartowania i odpuszczania.

Wśród stali do ulepszania cieplnego można znaleźć takie rodzaje materiału jak m.in. popularna stal 40H/41Cr4, C45 oraz 35HGS.

Stal 40H/41Cr4 to stal chromowa, która zawiera 0,8–1,2% chromu oraz 0,36–0,45 węgla. Nadaje się do hartowania powierzchniowego oraz obróbki cieplno-chemicznej. Jest trudno spawalna (spawalna po podgrzaniu, co wymaga późniejszej obróbki cieplnej). Można z niej wykonywać elementy o wielkości do 40 mm, które będą podlegały silnym obciążeniom. Wytwarza się z niej m.in. koła zębate, tłoki i tłoczyska, wały korbowe, korpusy i formy. Można z niej wykonywać elementy złączne, osie oraz tuleje.

Stal C45 to stal jakościowa niestopowa o zawartości węgla 0,42–0,5%. Ma wysoką ciągliwość oraz wytrzymałość. Można ją hartować powierzchniowo do twardości 50–60 HRC. Jest trudno spawalna. Nadaje się do produkcji elementów odpornych na ścieranie o średniej wytrzymałości. Wytwarza się z niej wały silników elektrycznych, wirniki pomp, a także wały, wrzeciona oraz elementy złączne. Wykorzystuje się ją jako materiał na drążki, piasty kół, dźwignie, a także narzędzia, np. noże. Służy również do wykonywania niehartowanych kół zębatych.

Stal 35HGS to stal konstrukcyjna, która zawiera 0,28–0,35% węgla. Nadaje się do hartowania powierzchniowego. Jest odporna na ścieranie i ma dużą wytrzymałość. Może osiągać twardość 52–57 HRC. Charakteryzuje się trudnospawalnością. Można z niej wykonywać elementy o przekroju do 90 mm. Wykorzystuje się ją do wytwarzania elementów mocno obciążonych. Produkuje się z niej półosie napędowe, wałki, wrzeciona oraz korbowody.

Stal oznaczona gatunkiem 40HM również nadaje się do ulepszania cieplnego. Jest odporna na ścieranie i  wytrzymała. Stosować ją można między innymi na łączniki rur lub do wytwarzania części urządzeń wykorzystywanych w przemyśle naftowym.

 

W celu zapewnienia maksymalnej wygody użytkowników przy korzystaniu z witryny ta strona stosuje pliki cookies.
Kliknij "Zgadzam się", aby ta informacja nie wyświetlała się więcej.