Czym są i do czego są stosowane stale konstrukcyjne 30HGSA i 35HGSA.

Stale konstrukcyjne 30HGSA i 35HGSA

Definicja stali konstrukcyjnych stopowych

Stale konstrukcyjne stopowe to grupa materiałów metalowych, w których składzie chemicznym, oprócz żelaza i węgla, występują pierwiastki stopowe, takie jak chrom, nikiel, mangan, molibden czy wanad. Ich dodatek poprawia określone właściwości mechaniczne, takie jak wytrzymałość, twardość, odporność na ścieranie czy odporność na korozję. Stale te stosuje się w elementach konstrukcyjnych, które muszą wytrzymać wysokie naprężenia i obciążenia dynamiczne.

Zastosowanie stali o podwyższonej wytrzymałości

Stale typu 30HGSA i 35HGSA są szeroko wykorzystywane w:

• przemyśle lotniczym, do produkcji elementów konstrukcyjnych samolotów, takich jak podwozia czy elementy nośne,
• przemyśle motoryzacyjnym, gdzie stosowane są w częściach wymagających wysokiej odporności na obciążenia dynamiczne,
• produkcji narzędzi i form do obróbki plastycznej metali,
• budowie maszyn, szczególnie w elementach narażonych na intensywne obciążenia eksploatacyjne.

Ich właściwości, takie jak podwyższona twardość i odporność na zużycie, czynią je cennym materiałem w wielu gałęziach przemysłu ciężkiego i precyzyjnego.

Charakterystyka stali konstrukcyjnych 30HGSA i 35HGSA

Skład chemiczny i normy

Skład chemiczny stali 30HGSA: Stal 30HGSA to niskostopowa stal konstrukcyjna, hartowana i odpuszczana, wykorzystywana w przemyśle lotniczym i zbrojeniowym. Jej typowy skład chemiczny (% wagowy) to:

• Węgiel (C): 0,28-0,34
• Krzem (Si): 0,17-0,37
• Mangan (Mn): 0,70-1,00
• Chrom (Cr): 0,80-1,10
• Nikiel (Ni): max 0,25
• Miedź (Cu): max 0,30
• Fosfor (P): max 0,035
• Siarka (S): max 0,035

Skład chemiczny stali 35HGSA: Stal 35HGSA również należy do grupy stali konstrukcyjnych wysokowytrzymałych, o zbliżonych właściwościach mechanicznych, jednak o nieco wyższej zawartości węgla:

• Węgiel (C): 0,33-0,40
• Krzem (Si): 0,17-0,37
• Mangan (Mn): 0,70-1,00
• Chrom (Cr): 0,80-1,10
• Nikiel (Ni): max 0,25
• Miedź (Cu): max 0,30
• Fosfor (P): max 0,035
• Siarka (S): max 0,035

Klasyfikacja według norm

Porównanie składów chemicznych

Główne różnice między stalami 30HGSA a 35HGSA dotyczą zawartości węgla, która wpływa na twardość i właściwości wytrzymałościowe:

• 30HGSA: niższa zawartość węgla, bardziej plastyczna, lepsza podatność na obróbkę plastyczną na zimno.
• 35HGSA: wyższa zawartość węgla, większa twardość i wytrzymałość na rozciąganie, ale kosztem obniżonej plastyczności.

Obie stale mają zbliżoną zawartość pierwiastków stopowych, co zapewnia podobną odporność na zużycie i hartowność. Stal 35HGSA jest preferowana tam, gdzie wymagana jest wyższa twardość, podczas gdy 30HGSA znajduje zastosowanie w elementach narażonych na dynamiczne obciążenia.

Właściwości mechaniczne i fizyczne

1. Wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności, wydłużenie:

• 30HGSA:
  • Wytrzymałość na rozciąganie (Rm): 1100-1300 MPa
  • Granica plastyczności (Re): min. 900 MPa
  • Wydłużenie: 10-12%
• 35HGSA:
  • Wytrzymałość na rozciąganie (Rm): 1200-1350 MPa
  • Granica plastyczności (Re): min. 950 MPa
  • Wydłużenie: 9-11%

2. Twardość i udarność:

• 30HGSA:
  • Twardość: 320-380 HB
  • Udarność: 35-50 J (przy temp. pokojowej)
• 35HGSA:
  • Twardość: 340-400 HB
  • Udarność: 30-45 J (przy temp. pokojowej)

3. Właściwości fizyczne:

• Gęstość:
  • 30HGSA i 35HGSA: ok. 7,85 g/cm³
• Przewodność cieplna:
  • 30HGSA: 37 W/(m·K)
  • 35HGSA: 36 W/(m·K)
  • Hartowanie: Zarówno stal 30HGSA, jak i 35HGSA, wymagają hartowania w celu uzyskania wysokiej twardości. Proces ten polega na szybkim schłodzeniu stali w wodzie lub oleju po wcześniejszym podgrzaniu do temperatury około 850-900°C. W wyniku tego procesu w stali powstaje martensyt, co znacząco zwiększa jej twardość i wytrzymałość na rozciąganie.
  • Odpuszczanie: Po hartowaniu stal poddawana jest odpuszczaniu, co ma na celu złagodzenie naprężeń wewnętrznych i uzyskanie pożądanej twardości. Temperatura odpuszczania dla stali 30HGSA i 35HGSA wynosi zwykle od 200 do 600°C, w zależności od pożądanej właściwości końcowej (twardości, wytrzymałości, plastyczności). Odpuszczanie zwiększa także odporność na pękanie i zmęczenie materiału.
  • Normalizowanie: Stale te mogą być również normalizowane, czyli poddane obróbce cieplnej w wyższej temperaturze (około 900-950°C) i schłodzone w powietrzu. Normalizowanie poprawia jednorodność mikrostruktury oraz usuwa z materiału naprężenia wewnętrzne, co może wpłynąć na polepszenie właściwości plastycznych i mechanicznych materiału.
  • W wyniku obróbki cieplnej stali 30HGSA i 35HGSA, szczególnie po hartowaniu i odpuszczaniu, w mikrostrukturze dominują ziarna martensytu oraz w mniejszym stopniu bainit i perlit. Tego typu struktura zapewnia dobrą twardość, wytrzymałość oraz odporność na zużycie, jednak zwiększa podatność na pęknięcia w warunkach dynamicznych. Obróbka cieplna pozwala na dopasowanie właściwości do wymagań konkretnego zastosowania.
  • Po procesie normalizowania mikrostruktura stali staje się bardziej jednorodna, z drobnoziarnistym perlitowym układem. To wpływa na poprawę właściwości mechanicznych, takich jak plastyczność i udarność, szczególnie w niższych temperaturach.
  • Obie stale, 30HGSA i 35HGSA, wykazują stabilność mikrostrukturalną w standardowych warunkach eksploatacyjnych, jednak przy wyższych temperaturach mogą przechodzić przemiany fazowe, co wpływa na ich właściwości. Podczas długotrwałej pracy w wysokich temperaturach możliwe jest przejście z martensytu do bainitu lub perlitów, co zmienia właściwości mechaniczne stali.
  • Podatność na przemiany fazowe zależy głównie od składu chemicznego oraz parametrów obróbki cieplnej. W przypadku stali 30HGSA i 35HGSA, ich stosunkowo wysoka zawartość węgla (około 0,3-0,35%) czyni je podatnymi na przejścia fazowe w warunkach wysokotemperaturowych, co wymaga odpowiednich parametrów obróbki cieplnej, by utrzymać wymagane właściwości materiału.

Stale te są stosowane w konstrukcjach wymagających wysokiej wytrzymałości i twardości, takich jak części lotnicze, wały, osie, korpusy przekładni oraz inne elementy obciążone dynamicznie.

Obróbka cieplna i mikrostruktura

Wpływ obróbki cieplnej na mikrostrukturę i właściwości

Stabilność mikrostrukturalna i podatność na przemiany fazowe

Zastosowanie stali 30HGSA i 35HGSA

• Przemysł lotniczy i kosmiczny
  Stale 30HGSA i 35HGSA, ze względu na swoją wysoką wytrzymałość, odporność na zmęczenie oraz stabilność w warunkach dynamicznych, są wykorzystywane w przemyśle lotniczym i kosmicznym. Stosuje się je do produkcji elementów konstrukcyjnych, które muszą spełniać rygorystyczne wymagania dotyczące wytrzymałości na obciążenia statyczne i dynamiczne. Przykłady zastosowań to elementy kadłubów, silników, a także detale nośne w statkach kosmicznych.
• Przemysł motoryzacyjny
  Stale 30HGSA i 35HGSA są szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, głównie do produkcji części obciążeniowych. Dzięki swoim właściwościom mechanicznym, takim jak wysoka wytrzymałość na rozciąganie, twardość oraz odporność na zużycie, są wykorzystywane do produkcji sprężyn, wałów napędowych, elementów zawieszenia, a także innych części, które muszą wytrzymywać duże siły i intensywne warunki eksploatacji.
• Inne zastosowania inżynieryjne
  Stale 30HGSA i 35HGSA znajdują również zastosowanie w innych gałęziach przemysłu inżynieryjnego, w tym w produkcji narzędzi, maszyn, a także w konstrukcjach wymagających wysokiej wytrzymałości, odporności na zużycie i niskiej podatności na zmęczenie materiału. Mogą być wykorzystywane do produkcji elementów takich jak pręty, tuleje, a także w budowie konstrukcji stalowych narażonych na duże obciążenia.
• Porównanie stali 30HGSA i 35HGSA
  • Różnice w składzie chemicznym
    Stale 30HGSA i 35HGSA różnią się nieco zawartością węgla oraz innych pierwiastków stopowych, co ma wpływ na ich właściwości mechaniczne. Stal 30HGSA zawiera około 0,30% węgla, podczas gdy 35HGSA ma go nieco więcej – około 0,35%. Ta różnica w zawartości węgla wpływa na twardość i wytrzymałość obu gatunków stali. Ponadto, różnice w zawartości innych pierwiastków stopowych, takich jak krzem, mangan czy chrom, mogą wpływać na ich odporność na korozję oraz właściwości mechaniczne w ekstremalnych warunkach.
  • Porównanie właściwości mechanicznych
    Obie stale charakteryzują się wysoką wytrzymałością, jednak stal 35HGSA, ze względu na wyższą zawartość węgla, może osiągać wyższą twardość i wytrzymałość na rozciąganie w porównaniu do stali 30HGSA. Stal 30HGSA, choć nieco mniej twarda, wykazuje lepszą plastyczność, co czyni ją bardziej odporną na pękanie przy zmiennym obciążeniu. Oba gatunki mają dobre właściwości w zakresie odporności na zmęczenie, ale stal 35HGSA może lepiej sprawdzać się w aplikacjach wymagających większej wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie.
  • Zalety i ograniczenia obu gatunków
    • Zalety 30HGSA:
      • Lepsza plastyczność.
      • Bardziej jednorodna mikrostruktura po obróbce cieplnej.
      • Odpowiednia do zastosowań w przemyśle motoryzacyjnym oraz w produkcji elementów wymagających dobrej odporności na zmęczenie.
    • Ograniczenia 30HGSA:
      • Niższa twardość i wytrzymałość na rozciąganie w porównaniu do 35HGSA.
      • Może być mniej odporna na ścieranie w warunkach ekstremalnych.
    • Zalety 35HGSA:
      • Wyższa twardość i wytrzymałość na rozciąganie.
      • Bardzo dobra odporność na zużycie i ścieranie.
      • Lepsza odporność na zmęczenie przy dużych obciążeniach.
    • Ograniczenia 35HGSA:
      • Mniejsza plastyczność w porównaniu do 30HGSA.
      • Może być bardziej podatna na pęknięcia w przypadku dużych wahań temperatury.
• Zakończenie
  • Podsumowanie kluczowych właściwości i zastosowań
    Stale 30HGSA i 35HGSA, choć podobne pod względem ogólnych właściwości mechanicznych, różnią się nieco w kontekście zawartości węgla, co wpływa na ich twardość, wytrzymałość i plastyczność. 30HGSA oferuje lepszą plastyczność i jest bardziej odporną na zmęczenie, co sprawia, że jest odpowiednia do zastosowań w motoryzacji i konstrukcjach, gdzie ważna jest elastyczność. 35HGSA, dzięki wyższej twardości, lepiej sprawdza się w aplikacjach wymagających dużej odporności na zużycie, takich jak elementy obciążeniowe w przemyśle lotniczym i kosmicznym.
  • Wskazówki dotyczące doboru materiału w kontekście konkretnych zastosowań
    W przypadku wyboru między stalą 30HGSA a 35HGSA, należy kierować się wymaganiami dotyczącymi wytrzymałości na rozciąganie, odporności na zmęczenie oraz plastyczności. 30HGSA będzie lepszym wyborem tam, gdzie ważniejsza jest elastyczność i odporność na zmęczenie, np. w przemyśle motoryzacyjnym. Z kolei 35HGSA sprawdzi się w zastosowaniach, które wymagają większej twardości, odporności na ścieranie oraz dużych obciążeń, takich jak w przemyśle lotniczym czy kosmicznym.