Stal 1.4028

Stal o oznaczeniu 1.4028 to jeden z powszechnie stosowanych gatunków stali nierdzewnej z grupy martenzytycznych. Charakteryzuje się równowagą pomiędzy możliwością uzyskania wysokiej twardości a stosunkowo prostą obróbką cieplną, co czyni ją atrakcyjną dla wielu zastosowań wymagających odporności na ścieranie i umiarkowanej odporności na korozję. Poniższy artykuł przedstawia budowę, własności, technologie produkcji, obróbkę cieplną, metody wykańczania, typowe zastosowania oraz wskazówki praktyczne dotyczące stosowania tej stali.

Charakterystyka chemiczna i strukturalna

Stal oznaczona symbolem 1.4028 należy do grupy stali martenzytycznych chromowych. Jej podstawowy skład chemiczny determinuje zdolność do przemiany fazowej (austenit → martenzyt) podczas szybkiego chłodzenia, co pozwala na znaczne zwiększenie twardości i wytrzymałości. Typowy skład tego gatunku obejmuje wyższy udział węgla i około 12–14% chromu, przy niewielkich ilościach innych pierwiastków stopowych. Przybliżone wartości składu (mogą się różnić w zależności od producenta) to:

• węgiel (C): ok. 0,40–0,50%
• chrom (Cr): ok. 12–14%
• mangan (Mn): do ~1,0%
• krzem (Si): do ~1,0%
• siarka (S), fosfor (P): śladowe ilości zgodne z normami

W strukturze po zahartowaniu przeważa martenzyt – twarda, szczelinowa faza żelaza przesycona węglem. Presence chromu pozwala na tworzenie pasywnej warstwy tlenkowej, zapewniającej umiarkowaną odporność korozyjną, jednak nie tak wysoką jak w przypadku stali ferrytycznych lub austenitycznych o wyższej zawartości chromu i niklu.

Właściwości mechaniczne i fizyczne

Po odpowiedniej obróbce cieplnej stal 1.4028 osiąga wysokie parametry mechaniczne, szczególnie w zakresie twardości i odporności na ścieranie. Typowe cechy to:

• możliwość uzyskania dużej twardości (w zależności od składu i technologii hartowania), co przekłada się na dobrą odporność na ścieranie;
• relatywnie wysoka wytrzymałość na rozciąganie po zahartowaniu i odpuszczeniu;
• stępienie właściwości udarowych przy bardzo wysokiej twardości — konieczność kompromisu pomiędzy twardością a udarnością;
• magnetyczność — cecha typowa dla stali martenzytycznych;
• umiarkowana odporność na korozję w środowiskach niesprzyjających (woda pitna, wilgoć, słaba atmosfera), ale gorsza niż stali austenitycznych.

W praktyce parametry mechaniczne są silnie zależne od zastosowanego cyklu hartowania i odpuszczania. Przykładowo, zwiększenie temperatury odpuszczania poprawia udarność kosztem twardości.

Technologia produkcji i formowanie

Produkcja stali 1.4028 odbywa się standardowymi metodami stosowanymi dla stali stopowych i nierdzewnych. Najczęściej etapom tym towarzyszą:

• wytapianie w piecach elektrycznych łukowych (EAF) lub konwertorach z odpowiednim oczyszczaniem;
• oczyszczanie metalu z gazów i niepożądanych domieszek (degazowanie, oczyszczanie kadziowe);
• krzepnięcie i odlewanie (ingot lub ciągłe odlewy);
• obróbka plastyczna na gorąco — walcowanie, kucie w celu uzyskania półfabrykatów (taśmy, pręty, płaskowniki);
• wyżarzanie homogenizujące i płynne zmniejszanie naprężeń oraz zabiegi końcowe jak płatkowanie i wybielanie powierzchni.

Dalsze operacje obróbcze obejmują toczenie, frezowanie, szlifowanie i obróbkę cieplną. Ze względu na zawartość węgla i chromu, stal dobrze poddaje się obróbce mechanicznej, jednak w stanie utwardzonym staje się trudniejsza do obrabiania skrawaniem — wymaga narzędzi o wysokiej twardości i chłodzenia.

Obróbka cieplna: hartowanie i odpuszczanie

Obróbka cieplna decyduje o ostatecznych własnościach stali 1.4028. Typowy cykl obejmuje:

• nagrzewanie do temperatury austenityzacji — w zależności od składu zwykle w przedziale średnio-wysokim;
• szybkie chłodzenie (hartowanie) w celu przemiany austenitu w martenzyt;
• odpowiednie odpuszczanie w celu uzyskania kompromisu pomiędzy twardością a udarnością.

W praktyce, wybór parametrów hartowania i odpuszczania zależy od przeznaczenia elementu: narzędzia tnące wymagają maksymalnej twardości, natomiast części mechaniczne narażone na udary wymagają wyższego poziomu odpuszczenia. W procesach produkcyjnych często stosuje się szybkie ochładzanie olejem lub powietrzem (zależnie od wymaganej twardości), a następnie odpuszczanie w temperaturach dostosowanych do celu projektowego.

Spawalność, łączenie i wykończenia powierzchni

Stal martenzytyczna 1.4028 wykazuje ograniczoną spawalność w porównaniu ze stalami austenitycznymi. Wysoka zawartość węgla i chromu sprzyja tworzeniu twardych stref przemiany oraz pęknięć kruchych w strefie wpływu ciepła. W praktyce stosuje się następujące zasady:

• stosowanie technik spawania z kontrolą ciepła wejściowego i zastosowaniem niskich prądów,
• przy grubszych przekrojach zalecane jest wstępne podgrzewanie oraz kontrolowane chłodzenie po spawaniu,
• po spawaniu często konieczne jest pełne odpuszczenie i/lub ponowne hartowanie, aby przywrócić jednorodne właściwości mechaniczne.

Wykończenia powierzchni obejmują mechaniczne polerowanie, pasivację, elektropolerowanie, powłoki PVD, nitriding oraz pokrycia ochronne (np. powłoki ceramiczne). Elektropolerowanie i pasywacja znacząco poprawiają odporność na korozję przez usunięcie zanieczyszczeń i wzmocnienie warstwy tlenkowej. Dla zastosowań narzędziowych często stosuje się dodatkowe powłoki zwiększające twardość i odporność na ścieranie.

Zastosowania i przeznaczenie

Stal 1.4028 znajduje szerokie zastosowanie wszędzie tam, gdzie potrzebne jest połączenie wysokiej twardości, dobrej odporności na ścieranie i rozsądnej odporności na korozję. Typowe obszary użycia obejmują:

• narzędzia skrawające i tnące, noże przemysłowe;
• elementy maszyn pracujące w warunkach ściernych, takie jak wałki, tłoki, sworznie;
• części pomp i zaworów — w zastosowaniach, gdzie nie wymagana jest najwyższa odporność korozyjna;
• sprzęt medyczny i chirurgiczny o lokalnych wymaganiach sterylności, aczkolwiek w medycynie częściej stosuje się stopy austenityczne o lepszej biokompatybilności;
• komponenty przemysłu spożywczego i farmaceutycznego tam, gdzie możliwe do zaakceptowania są warunki środowiskowe bez silnych mediów korozyjnych;
• produkty konsumenckie, takie jak akcesoria, ostrza oraz elementy dekoracyjne wymagające polerowalnej powierzchni i trwałości.

Dobór 1.4028 jest szczególnie uzasadniony tam, gdzie elementy muszą być hartowane do wysokiej twardości, a jednocześnie oczekuje się pewnej odporności na korozję bez stosowania stali droższych, zawierających nikiel.

Bieżące eksploatacyjne kwestie i konserwacja

W eksploatacji elementów ze stali 1.4028 warto pamiętać, że odporność na korozję jest umiarkowana — w środowiskach chemicznie agresywnych lub w obecności chlorków konieczne są środki ochronne lub dobór innego gatunku stali. Zalecenia eksploatacyjne obejmują:

• regularne czyszczenie i odtłuszczanie powierzchni, aby nie dopuszczać do tworzenia ognisk korozyjnych;
• stosowanie pasywacji i powłok ochronnych tam, gdzie występuje ryzyko korozji punktowej;
• kontrolę stanu ostrzy i powierzchni ścieranych, z możliwością regeneracji przez szlifowanie i ponowne hartowanie;
• dla elementów spawanych — monitorowanie spoin i obróbka cieplna po spawaniu, aby uniknąć pęknięć.

Badania i kontrola jakości

Aby zapewnić powtarzalność właściwości, produkcja i przyjęcie elementów ze stali 1.4028 opierają się na szeregu badań i badań kontrolnych:

• analiza składu chemicznego (spektrometria),
• badania mechaniczne: próbki na rozciąganie, twardościomierz (Rockwell, Vickers), badania udarności,
• badania mikrostruktury (mikroskopia metalograficzna) — ocena procentowego udziału martenzytu i ewentualnych wtrąceń,
• badania nieniszczące dla krytycznych detali: badania penetracyjne, ultradźwiękowe, RTG (dla odlewów i spoin),
• testy korozyjne (np. testy solne, testy w środowiskach chemicznych) dla weryfikacji odporności.

Porównanie z innymi gatunkami stali i dobór materiału

Wybór 1.4028 zamiast innych gatunków stali zależy od kompromisów między kosztem, twardością, odpornością na korozję i skłonnością do obróbki. W porównaniu:

• do stali austenitycznych (np. 304, 316) — 1.4028 daje wyższą twardość po utwardzeniu, ale gorszą odporność korozyjną i mniejszą podatność na formowanie plastyczne,
• do innych martenzytycznych gatunków — różnice sprowadzają się do zawartości węgla i chromu; 1.4028 cechuje się umiarkowaną zawartością chromu i średnio-wysoką zawartością węgla, co wpływa na jej specyficzne właściwości tnące i ścierne,
• do węglowych stali narzędziowych — 1.4028 przewyższa je odpornością na korozję, ale często ma niższą maksymalną twardość niż stopy szybkotnące (HSS) czy stal narzędziowa z dodatkami stopowymi jak wanad, molibden.

Wskazówki projektowe i praktyczne

Przy projektowaniu elementów z 1.4028 warto uwzględnić:

• konieczność przewidzenia obróbki cieplnej po ostatecznym kształtowaniu (jeżeli element ma pracować w stanie utwardzonym),
• projektowanie z uwzględnieniem ograniczonej plastyczności w stanie utwardzonym — unikanie ostrych radii i koncentratorów naprężeń,
• jeśli planowane są prace spawalnicze — uwzględnienie procedur pre- i post-heat treatment,
• zastosowanie powłok lub pasywacji w celu poprawy trwałości w środowiskach korozyjnych,
• dobór narzędzi skrawających i parametrów obróbki dla osiągnięcia ekonomicznej produkcji — stosowanie płynów chłodząco-smarujących oraz narzędzi z węglików spiekanych lub powłokowanych.

Podsumowanie

Stal 1.4028 jest wszechstronnym gatunkiem martenzytycznym, łączącym możliwość osiągania wysokiej twardości i dobrej odporności na ścieranie z umiarkowaną odpornością na korozję. Nadaje się do narzędzi, części mechanicznych i aplikacji przemysłowych, w których wymagane są wytrzymałość i trwałość pracującej krawędzi. Poprawa zachowania w środowiskach agresywnych wymaga stosowania pasywacji, powłok ochronnych lub specjalnych procedur obróbki powierzchni. Przy projektowaniu, produkcji i spawaniu elementów z tej stali kluczowe są odpowiednie procedury obróbki cieplnej i kontrola jakości, aby osiągnąć oczekiwane właściwości użytkowe.