Stal nierdzewna martenzytyczna: jak dobrać i ocenić właściwości

Stal nierdzewna martenzytyczna to grupa wysokowytrzymałych stopów o zawartości 11,5-18% chromu i do ok. 1,2% węgla. Stopy te są zazwyczaj ferromagnetyczne. Dzięki hartowaniu osiągają twardość rzędu 40-62 HRC. Multistal & Lohmann dostarcza certyfikowane pręty i blachy docięte na wymiar dla branży B2B. 

Co to jest martenzytyczna stal nierdzewna 

Stal martenzytyczna nierdzewna to stop żelaza, chromu i węgla, w którym nikiel dodawany jest w niewielkiej ilości (0-4%). Taki skład chemiczny wyraźnie odróżnia ją od stali austenitycznych. 

Zgodnie z normą klasyfikacyjną EN 10088-1 minimalna zawartość chromu w tej grupie wynosi 10,5%, jednak w praktyce przemysłowej mieści się ona w przedziale 11,5-18%. Zawartość węgla waha się od ok. 0,08% do nawet 1,2%, co w połączeniu z obróbką cieplną umożliwia uzyskanie wysokiej twardości niedostępnej dla stali nierdzewnych nieutwardzalnych cieplnie (np. austenitycznych). 

Do często spotykanych gatunków stali nierdzewnej martenzytycznej należą AISI 410, AISI 420 oraz AISI 440C. Oznaczenie AISI 420 bywa wiązane z więcej niż jednym gatunkiem europejskim (1.4021, a czasem również 1.4028).

Spawalność stali martenzytycznych jest zróżnicowana i w wielu gatunkach ograniczona. Zwłaszcza tam, gdzie wyższa zawartość węgla sprzyja powstawaniu twardej, kruchej mikrostruktury w strefie wpływu ciepła, zwiększając ryzyko pęknięć wodorowych. W zależności od gatunku, grubości elementu i stopnia utwierdzenia złącza może być konieczne podgrzanie wstępne oraz odpowiednia obróbka po spawaniu.

Stale martenzytyczne są zazwyczaj ferromagnetykami, co wynika przede wszystkim ze struktury ich osnowy. Poziom magnetyczności zależy dodatkowo od gatunku, obróbki cieplnej oraz udziału austenitu szczątkowego. 

Zastosowanie stali martenzytycznej w przemyśle maszynowym

Wysoka twardość uzyskiwana po hartowaniu sprawia, że stal martenzytyczna znajduje szerokie zastosowanie tam, gdzie liczy się odporność na ścieranie i wysoka wytrzymałość mechaniczna:

• przemysł maszynowy: wały, trzpienie, sworznie oraz inne elementy narażone na intensywne obciążenia mechaniczne i zużycie cierne,
• przemysł petrochemiczny i chemiczny: wybrane elementy armatury i zaworów, dobierane indywidualnie pod kątem odporności na konkretne medium,
• narzędzia tnące i ostrza noży,
• narzędzia chirurgiczne,
• formy do tworzyw sztucznych.

Sprawdź również: stal na formy i matryce.

Odporność na korozję stali martenzytycznej zależy od gatunku, środowiska pracy oraz stanu powierzchni. Gładka, dobrze wyszlifowana i wypolerowana powierzchnia ogranicza ryzyko korozji lokalnej i ułatwia utrzymanie warstwy pasywnej, nie zastępuje to jednak właściwego doboru gatunku do rodzaju, stężenia i temperatury medium, z którym element będzie miał kontakt. 

Zastosowania stali o osnowie martenzytycznej w sektorze specjalistycznym

Wysoka twardość oraz odporność na zużycie sprawiają, że stale o osnowie martenzytycznej znajdują zastosowanie w wybranych elementach sprzętu sportowego i specjalistycznego. Wykorzystuje się je między innymi na noże outdoorowe i survivalowe, które muszą utrzymywać ostrość krawędzi tnącej mimo intensywnej eksploatacji, a także na ostrza łyżew i inne elementy narażone na intensywne zużycie ścierne. To właśnie wysoka twardość oraz odpowiednio dobrana wytrzymałość osnowy martenzytycznej decydują o trwałości takich elementów w warunkach dużych obciążeń mechanicznych.

Dobór konkretnego gatunku do tego typu zastosowań powinien uwzględniać nie tylko twardość, ale też wymaganą ciągliwość, odporność na uderzenia oraz warunki eksploatacji. Element zbyt twardy, ale niedostatecznie odpuszczony, może być bardziej podatny na pęknięcia.

Popularne gatunki o strukturze martenzytycznej i ich oznaczenia normatywne

Poszczególne gatunki stali martenzytycznej różnią się przede wszystkim zawartością węgla i dodatków stopowych, co przekłada się na osiągalną twardość, ciągliwość i odporność korozyjną. Poniższa tabela zestawia oznaczenia europejskie (EN) z orientacyjnymi odpowiednikami AISI.

Gatunki o mniejszej zawartości węgla (np. 1.4006, 1.4021) sprawdzają się zwykle tam, gdzie ważniejsza jest kombinacja wytrzymałości i ciągliwości niż maksymalna twardość. Gatunki wysokowęglowe (np. 1.4034, 1.4125) umożliwiają uzyskanie wyższej twardości i lepszej odporności na zużycie, co czyni je popularnym wyborem na noże i narzędzia tnące.

Obróbka cieplna stali martenzytycznej a regulacja twardości 

Twardość stali martenzytycznej reguluje się poprzez hartowanie i odpuszczanie, poprzedzone zwykle wyżarzaniem zmiękczającym przed obróbką mechaniczną. Mechanizm utwardzania polega na przemianie austenityzowanej struktury w martenzyt podczas szybkiego chłodzenia, a następnie na odpuszczaniu, które redukuje kruchość przy zachowaniu wysokiej twardości. 

Dokładne temperatury austenityzowania, rodzaj ośrodka chłodzącego oraz parametry odpuszczania zależą od gatunku, przekroju elementu i wymaganej kombinacji twardości i ciągliwości. Nie należy podawać jednej uniwersalnej wartości dla całej grupy. Przykładowo wyżarzanie zmiękczające dla 1.4021 mieści się orientacyjnie w zakresie 745-825 °C.

Osiągalna twardość zależy przede wszystkim od gatunku: dla AISI 410 wynosi orientacyjnie 40-50 HRC, dla AISI 420: 50-58 HRC, a dla AISI 440C: nawet 58-62 HRC. Na hartowność wpływają głównie chrom, węgiel oraz molibden, wanad czy wolfram.

Warto odróżnić ten mechanizm od utwardzania stali PH (umacnianych wydzieleniowo), gdzie twardość uzyskuje się przez kontrolowane starzenie, a nie klasyczne hartowanie. Przykładowo 17-4PH osiąga do ok. 44 HRC przy Rm 1200-1500 MPa, a 17-7PH: Rm ok. 1400 MPa.

Wymiary prętów i blach oraz tolerancje cięcia na wymiar

Stal martenzytyczna dostępna jest m.in. jako pręty okrągłe, blachy zimnowalcowane oraz płyty cięte na wymiar. Obrabialność silnie zależy od stanu materiału. W stanie wyżarzonym poddaje się obróbce mechanicznej stosunkowo dobrze, po zahartowaniu staje się znacznie trudniejsza.

Tolerancja cięcia nie jest stałą właściwością materiału. Wpływa na nią technologia cięcia, grubość i długość wyrobu. Warto rozróżnić tolerancję hutniczą stali, tolerancję samej usługi cięcia oraz naddatek technologiczny na dalszą obróbkę. 

Multistal cięcie realizuje m.in. na przecinarkach CNC, w tym taśmowych, zgodnie z Ogólnymi Warunkami Sprzedaży (OWS) Multistal & Lohmann. 

Stal martenzytyczna a ferrytyczna i austenityczna — porównanie 

Stal martenzytyczna jest zwykle wybierana wtedy, gdy ważna jest możliwość hartowania i uzyskania wysokiej twardości, czym wyraźnie różni się od pozostałych dwóch grup. Stale ferrytyczne, mimo zbliżonej zawartości chromu, nie są klasycznie hartowane w celu uzyskania martenzytu i często zapewniają lepszą odporność korozyjną niż podstawowe gatunki martenzytyczne. Stale austenityczne mają zwykle większą ciągliwość i lepszą spawalność, a ich odporność korozyjna jest najwyższa w tym zestawieniu, jednak i one nie uzyskują wysokiej twardości przez klasyczne hartowanie. Niższy koszt surowca dla stali martenzytycznych wynika najczęściej z braku lub minimalnej zawartości niklu.

Dla kogo przeznaczona jest stal o osnowie martenzytycznej

Wybór stali martenzytycznej jest uzasadniony, gdy element wymaga jednocześnie wysokiej twardości po obróbce cieplnej, dobrej odporności na zużycie ścierne oraz co najmniej umiarkowanej odporności korozyjnej (np. w narzędziowniach, przy formach wtryskowych czy w przemyśle maszynowym). 

Dla klientów B2B równie ważne jak same właściwości materiału jest stabilne zaopatrzenie. Dzięki zautomatyzowanemu magazynowi wysokiego składowania Multistal zapewnia ciągłość dostaw nawet przy dużych, powtarzalnych zamówieniach.

Gdzie kupić certyfikowane wyroby hutnicze z atestem 3.1 

Stal martenzytyczną z dokumentacją odbioru warto zamawiać u autoryzowanych dystrybutorów obsługujących sektor B2B. Dokument 3.1, wydawany zgodnie z normą EN 10204, potwierdza wyniki kontroli właściwej dla dostarczonej partii lub wytopu, w zakresie określonym przez normę wyrobu i zamówienie, i jest zatwierdzany przez upoważnionego przedstawiciela kontroli producenta, niezależnego od produkcji. 

To dokument odnoszący się do konkretnej dostawy, a nie ogólna gwarancja przydatności materiału do zastosowania. Multistal potwierdza dostępność dokumentu 3.1 dla danego wyrobu i partii po złożeniu zapytania.

Dobór odpowiedniego materiału powinien zawsze wynikać z konkretnych warunków pracy elementu. Jeżeli stal martenzytyczna nie jest trafnym rozwiązaniem, jej alternatywą lub uzupełnieniem mogą być inne gatunki stali:

• stal narzędziowa do pracy na gorąco: do form, matryc i narzędzi pracujących w podwyższonej temperaturze,
• stal sprężynowa: do elementów wymagających wysokiej sprężystości i wytrzymałości zmęczeniowej,
• stal łożyskowa: do elementów narażonych na duże obciążenia ścierne i kontaktowe,
• stal szybkotnąca: do narzędzi skrawających pracujących przy wysokich prędkościach,
• stal do ulepszania cieplnego: do elementów konstrukcyjnych wymagających wysokiej wytrzymałości po hartowaniu i odpuszczaniu.

Pytania i odpowiedzi

Dlaczego stal nierdzewna martenzytyczna jest magnetyczna?

Stal martenzytyczna jest zazwyczaj ferromagnetyczna ze względu na strukturę jej osnowy. Niektóre gatunki martenzytyczne zawierają nikiel (np. 1.4057) i mimo to pozostają magnetyczne. Poziom magnetyczności zależy również od gatunku, obróbki cieplnej oraz udziału austenitu szczątkowego. 

Jak wygląda obróbka skrawaniem stali martenzytycznej w różnych stanach?

Obróbka skrawaniem jest najefektywniejsza w stanie wyżarzonym (zmiękczonym) i większość operacji zgrubnych warto wykonać przed hartowaniem. Po utwardzeniu skrawalność zależy od osiągniętej twardości. Stosuje się m.in. szlifowanie, toczenie na twardo lub obróbkę elektroerozyjną, dobierane do gatunku i wymaganej dokładności. 

Jak zachowuje się stal martenzytyczna w środowisku o wysokiej kwasowości?

Stale martenzytyczne wykazują ograniczoną odporność w środowiskach kwaśnych i mogą korodować w kontakcie z mocnymi kwasami, zależnie od stężenia, temperatury i czasu ekspozycji. Gładka, czysta powierzchnia ogranicza korozję lokalną. 

Dlaczego spawanie stali martenzytycznej wiąże się z wysokim ryzykiem pęknięć?

W wielu gatunkach szybkie chłodzenie strefy wpływu ciepła prowadzi do powstania twardej, kruchej mikrostruktury, co w połączeniu z wodorem i naprężeniami zwiększa ryzyko pęknięć. Wymagane podgrzewanie wstępne i obróbka po spawaniu zależą od gatunku, grubości elementu i kwalifikowanej instrukcji. 

Czym różnią się oznaczenia numeryczne EN od klasyfikacji AISI dla tych stali?

Numer materiałowy EN (np. 1.4034) identyfikuje konkretny gatunek zgodnie z normą, natomiast AISI (np. 420) to amerykańska klasyfikacja grupowa. Nie zawsze występuje między nimi relacja jeden do jednego. AISI 420 bywa wiązany z kilkoma gatunkami EN o różnym składzie, dlatego zamiennik warto potwierdzić poprzez porównanie norm źródłowych. 

Jak sprawdzić zgodność dostarczonej stali z normą EN 10204?

Zgodność sprawdza się poprzez weryfikację dokumentu 3.1, który zawiera wyniki kontroli właściwej w zakresie określonym przez normę wyrobu i zamówienie, powiązane z numerem wytopu lub partii naniesionym na materiał. Dostępność dokumentu 3.1 dla danego wyrobu potwierdzana jest indywidualnie.