Vysokopevnostní oceli

Ocel Temper Tough byla široce prezentována, avšak bez větší publicity zůstala ocel stejného složení Carpenter PremoMet s nepatrnými odchylkami hodnot houževnatosti a meze únavy, vztahující se mimo kruhové tyče i na drát.

Nikl-chrom-molybden-vanadové UHSS oceli k zušlechťování Temper Tough a PremoMet typu 40Ni3,8Cr1,2MoV představují svými pevnostními vlastnostmi - mezí kluzu R_p0,2 = 1 631 MPa a pevností v tahu R_m= 2 023 MPa při lomové houževnatosti K_IC=70 MPa.m^1/2, resp. 67,4 MPa.m^1/2 ve stavu po zušlechtění levnou (a o 0,3 g.cm^-3 lehčí) alternativu k drahým martenziticky vytvrditelným ocelím maraging nižších typů s 18 % niklu, 8-8,5 % kobaltu, 3-5 % molybdenu a 1 % titanu. Jsou ukázkou toho, jak moderní tepelné zpracování dokáže ekonomicky využít všech možností nabízených složením a strukturou materiálu.

Při zušlechtění kalení se zamrazením

Obě oceli vděčí za svou vysokou pevnost zvýšení obsahu křemíku, přísadám molybdenu a vanadu a zušlechtění kalením z teploty 918 °C se zamrazením při -38 °C s dlouhou výdrží k úplné přeměně zbytkového austenitu s následným popuštěním při 260 °C, na rozdíl od běžných Cr-Ni ocelí zušlechťovaných kalením při 830-860 °C s vyšším popuštěním. Oceli mají i vynikající únavové vlastnosti (mez únavy R_C = 1 241 MPa při 10⁷ cyklů 25 Hz tah-tlak u oceli PremoMet) a lomovou houževnatost při korozním praskání. Používají se na vysoce namáhané automobilové a letecké motorové díly, součásti převodovek, díly turbín aj. Příklady užití a podrobnosti o tvarovém a rozměrovém sortimentu nejsou uvedeny.

Tváření a obrábění

Pro zápustkové i volné kování výrobce doporučuje předehřev na 1 150 °C s průběhem tváření do 982 °C a dotvářením těsně pod 900 °C. Po tváření se normalizuje při 927 °C/1h a žíhá při teplotách kolem 680 °C s cílem optimální tvrdosti pro obrábění. Ocel má obtížnější obrábění než známá vysoce pevná ocel AISI/SAE 4340 s HRC 40. V tabulce 2 jsou uvedeny výrobcem doporučené podmínky obrábění pro hrubování po žíhání s HRC 35 a dokončování v zušlechtěném stavu s HRC 54.

Oceli Ni-Cr-(Mo-V) v Československu

Niklchromové oceli s obsahem uhlíku 0,20-0,40 %, chromu 0,70-1,30 % a niklu 2,20-5,30 %, zpravidla bez molybdenu a vanadu, byly vyráběny Poldiho hutí již v předválečném Československu jako později normované - ocel 16 440 typu 35Ni3,5Cr1 (Poldi CNS a Škoda ART), ocel 16 540 typu 40Ni3,2Cr1,1Mo, ocel 16 640 typu 38 Ni5Cr1,2 (Poldi CNL), ocel 16 720 typu 20 Ni4,5Cr1,5W1 (Poldi HOR), ocel 16 730 typu 28Ni4,5Cr1,6W1,2 (Poldi RWR) a slavná ocel ze 20. let Poldi Victrix Special, typu 20Ni4Cr1Mo, pozdější 16 521, která dosahovala po zušlechtění pevnosti v tahu R_m až 1 180 MPa. Složením nejbližší československou ocelí byla 16 445 typu 38Cr1,1Ni3,2MoV. Originální popouštěcí diagram oceli Poldi CNS z roku 1954 ukazuje, jaké pevnosti byly tehdejší Ni-Cr oceli bez Mo a V schopny.

Naší zvyklostí legování bylo minimální užití molybdenu, přestože zvyšuje účinek Cr a Ni na pevnost, zlepšuje prokalitelnost a spolu s vanadem chrání před zhrubnutím zrna při kalení z vyšších teplot. Své sehrála i omezená dostupnost molybdenu po roce 1950 (převážně z USA) a jeho nahrazování dostupnějším wolframem (z Číny), jehož nevýhodou je nutnost použití vyšších obsahů a tvorba stabilních karbidů, obtížně rozpustných při rozpouštěcím žíhání.  

V Československu se Cr-Ni-Mo(W) oceli Poldi úspěšně používaly na klikové, zalomené a drážkované hřídele leteckých a automobilových motorů firmy Walter.  Již v roce 1926 Walter Mittelholzer, pozdější zakladatel společnosti Swissair, přeletěl Kilimandžáro letadlem Dornier Merkur s ocelí Poldi Victrix Special v motoru. Oceli Poldi BOZ a CNS byly v roce 1938 dodány pro automobil Thunderbolt, jenž překonal rychlost 500 km.h^-1. V pístových a turbovrtulových leteckých motorech Walter a později Motorlet byly užívány do 90. let. Jejich éra zde v podstatě skončila nešťastnou privatizací českého leteckého průmyslu a Poldi Kladno po roce 1989, kdy byla část značek jako neekonomické oceli vyřazena jak z výroby, tak z čs. norem a potřebné materiály získávány z dovozu.

Srovnatelné zahraniční oceli

Nejbližší sovětskou ocelí od 50. let byla u nás nenormovaná ocel 37ChN3A  typu 37Cr1,6Ni3,5. Blízkými francouzskými Ni-Cr-Mo ocelemi jsou oceli 819B a 819AW značek 35NiCrMo16, resp. 36NiCrMo16 se 3,8-4 % Ni a 820 značky 40NiCrMo18 se 4,5 % Ni, novější Ni-Cr-Mo-V oceli Clarm HB3 a Clarm HB7 (speciální oceli pro dělové hlavně, závěry a úsťové brzdy) značek 33NiCrMoV 15, resp. 40NiCrMoV15 firmy Albert & Duval, součásti skupiny Eramet. Z ocelí podle nové EN 10083 (také ČSN a DIN) jsou nejbližšími značkami 36NiCrMo 16 (1.6773) typu 36Cr1,8Ni3,8Mo a 30NiCrMo 16-6 (1.6747) typu 30Cr1,4Ni3,8Mo s min. mezí kluzu R_p0,2 = 1 050 MPa, resp. 880 MPa a min. pevností v tahu R_m až 1 450 MPa, resp. 1 230 MPa v zušlechtěném stavu pro Ø 16-40 mm. ArcelorMittal má značku Astralloy-V typu 29Ni4Cr2Mo s mezí kluzu R_p0,2 = 1 082 MPa a pevností v tahu R_m = 1 662 MPa.

Široce užívanou standardní nízkolegovanou americkou ocelí je AISI/SAE 4340 (UNS G43400), typu 40Ni1,8Cr0,8Mo, u níž lze podle způsobu tepelného zpracování dosáhnout pevností blízkých oceli Temper Tough. Celá skupina těchto ocelí se používá mj. na strukturní součásti letadel, raket, turbín, převodovek, dělové hlavně, díly pěchotních zbraní a na spojovací materiály.

Oceli QuesTek z počítačového vývoje Materials by Design

Vedle zmíněných maraging ocelí nahrazuje ocel Temper Tough s nižšími nároky na odolnost vůči koroznímu praskání i nové a dražší americké oceli vývojové firmy QuesTek Innovations Ferrium S53 (UNS S10500) s R_p0,2 = 1 550 a R_m = 1 984 MPa a zčásti i Ferrium M54 s R_p0,2 = 1 726 MPa a R_m = 2 023 MPa a vysokou houževnatostí KV = 32,5 J a lomovou houževnatostí až K_IC = 130 MPa.m^1/2. Obě oceli včetně tepelného zpracování se zmrazením při teplotě -73 °C (i níže) vyvinula QuesTek originálním počítačovým programem Materials by Design.

Po tepelném zpracování mají martenzitickou strukturu vytvrzenou jemným precipitátem karbidů (Cr, Mo, V, Fe)₂C. Přestože ocel S53 má jen 10 % Cr, považuje se korozivzdornou na úrovni kalitelné nerezavějící oceli AISI 440C (110Cr17Mo). Ocel M54 s 1 % Cr není korozivzdorná, má však vysokou odolnost vůči koroznímu praskání s K_ISCC min. 90 MPa.m^1/2. Pro korozně náročná prostředí (např. zkoušky v solné mlze podle ČSN EN ISO 9227) vyžadují oceli M54, Temper Tough, PremoMat a S53 povrchovou úpravu, zpravidla stále používaným galvanickým kadmiováním.

Ocel Ferrium S53 typu 20Co14Cr10Ni5,5Mo2W1V0,3 vyrábí v licenci QuesTek firmy Carpenter Technology a Latrobe Speciality Steels, na ocel Ferrium M54 typu 30Co7Cr1Ni10Mo2W1,3V0,1 má licenci Latrobe. Jsou určeny pro nejnáročnější použití např. na hřídele rotorů vrtulníků, záchytné háky námořních letadel, komponenty podvozků, závěsníky zbraní, vysokopevnostní šrouby a golfové hole.

Alexandr Abušinov

abusinov@seznam.cz

On-line verzi časopisu MM Průmyslové spektrum si můžete nově zakoupit v digitální trafice PUBLERO. 

Tabulky a grafy naleznete v tištěné verzi časopisu MM Průmyslové spektrum.