To rodzaj stali stopowej, do której dodaje się śladowe ilości boru, aby znacznie zwiększyć zdolność do hartowania przy stosunkowo niskiej zawartości węgla. W efekcie powstaje materiał o wysokiej wytrzymałości, który można produkować i obrabiać stosunkowo tanio. Stal borowa jest dziś jednym z podstawowych materiałów w motoryzacji, produkcji maszyn i sprzętu rolniczego. Dobrze zaprojektowany skład i obróbka pozwalają osiągnąć połączenie twardości, udarności i odporności na ścieranie, które trudno uzyskać innymi sposobami. Warto ją poznać, bo w praktyce często zastępuje kosztowniejsze stale stopowe.
Co to jest stal borowa – skład i idea
Stale borowe to grupa stali niskostopowych, w których dodatek boru wynosi typowo od 0,0005 do 0,006% (5–60 ppm). Tak mała ilość pierwiastka znacząco wpływa na strukturę i właściwości po obróbce cieplnej.
Najczęściej są to stale o niskiej lub średniej zawartości węgla, rzędu 0,15–0,30% C, z dodatkami manganu, krzemu i czasem chromu, niklu czy molibdenu. Bor sam w sobie nie wzmacnia materiału „z marszu” – jego rola polega na modyfikacji przemian fazowych podczas chłodzenia.
Boron w stali nie podnosi znacząco twardości w stanie surowym, ale silnie zwiększa hartowność, czyli zdolność uzyskania struktury martenzytycznej w całym przekroju elementu przy hartowaniu.
Dzięki temu można hartować grubsze detale lub obniżyć zawartość węgla i innych drogich dodatków stopowych, zachowując wysoką wytrzymałość.
Właściwości stali borowej
Najbardziej charakterystyczną cechą tych stali jest właśnie wysoka hartowność. Przy odpowiednim doborze parametrów można osiągać twardości rzędu 450–700 HB (w zależności od gatunku i zakresu odpuszczania), przy relatywnie dobrej ciągliwości.
Do kluczowych właściwości należą:
- wysoka wytrzymałość na rozciąganie po hartowaniu i odpuszczaniu (często > 1200 MPa),
- dobra odporność na ścieranie – szczególnie ważna w narzędziach roboczych maszyn,
- możliwość uzyskania korzystnego kompromisu twardość/udarność przez dobór temperatury odpuszczania,
- stosunkowo dobra spawalność w stanie wyżarzonym lub normalizowanym, przy zachowaniu ostrożności.
Istotne jest też zachowanie w przekroju. Dzięki borowi, przy odpowiednim chłodzeniu, nawet grubsze elementy (kilkadziesiąt milimetrów) uzyskują strukturę martenzytu/M, bainitu, zamiast perlitu. Oznacza to bardziej równomierne własności mechaniczne od powierzchni do rdzenia.
Zastosowania stali borowej
Stale borowe pojawiają się wszędzie tam, gdzie liczy się duża wytrzymałość przy stosunkowo niskiej masie oraz odporność na zużycie. Szczególnie mocno widać to w motoryzacji i maszynach roboczych.
Motoryzacja i bezpieczeństwo bierne
W przemyśle samochodowym stal borowa jest standardem w elementach konstrukcji nadwozia odpowiedzialnych za bezpieczeństwo. Wykorzystuje się ją m.in. na:
- wzmocnienia słupków A, B, czasem C,
- belki zderzakowe,
- wzmocnienia progów i belek poprzecznych,
- ramy foteli i prowadnice.
Po procesach takich jak hartowanie w prasie (press hardening) uzyskuje się bardzo wysoką wytrzymałość, co pozwala zmniejszyć grubość blach przy zachowaniu sztywności i zdolności do pochłaniania energii zderzenia.
Maszyny rolnicze i budowlane
W maszynach rolniczych stal borowa wykorzystywana jest do elementów roboczych narażonych na intensywne ścieranie: lemiesze, talerze uprawowe, zęby, noże rozdrabniające. Po hartowaniu otrzymuje się twardą warstwę odporną na wycieranie przez glebę i kamienie, przy zachowaniu wystarczającej udarności, aby element nie pękał przy uderzeniach.
W sprzęcie budowlanym i górniczym z tych stali produkuje się np. okładziny, zęby łyżek, osłony, płyty antyścierne. Tu liczy się długi czas pracy między wymianami – każda godzina przestoju maszyny to wymierny koszt.
Obróbka cieplna stali borowej
Cały sens dodatku boru ujawnia się w procesach cieplnych. Bez właściwej obróbki taka stal zachowuje się bardzo podobnie do zwykłej stali niskostopowej.
Hartowanie i odpuszczanie
Typowy proces obejmuje nagrzanie do temperatury austenityzowania (np. 850–930°C w zależności od gatunku), wygrzanie i szybkie chłodzenie w wodzie, oleju lub intensywnie chłodzonym powietrzu. Bor spowalnia powstawanie ferrytu i perlitu, dzięki czemu w czasie chłodzenia zdąży się utworzyć martenzyt w większej objętości materiału.
Po hartowaniu najczęściej stosuje się odpuszczanie, aby zmniejszyć kruchość i dopasować własności do wymagań: dla wysokiej twardości – niższe temperatury (np. 200–250°C), dla wyższej udarności i plastyczności – wyższe (np. 450–600°C). Odpuszczanie jest kluczowe, bo nieodpuszczony martenzyt z borowej stali może być bardzo kruchy.
Warto pamiętać, że nadmierna zawartość azotu lub tlenu w stali może wiązać bor w niekorzystne związki (np. BN), co osłabia jego działanie. Dlatego produkcja tych stali wymaga dobrej kontroli metalurgicznej.
Hartowanie w prasie (press hardening)
Szczególnym przypadkiem jest hartowanie w prasie, szeroko stosowane przy wytwarzaniu cienkościennych elementów karoserii. Blacha borowa jest nagrzewana do temperatury austenityzowania, tłoczona na zimnej lub chłodzonej matrycy i jednocześnie szybko chłodzona w kształcie docelowym.
Takie połączenie kształtowania i hartowania pozwala uzyskać bardzo skomplikowane kształty o jednorodnie wysokiej wytrzymałości (typowo > 1500 MPa). Jednocześnie minimalizuje się sprężyste odkształcenia po procesie, bo detal „zamraża się” w matrycy.
Spawalność i obróbka plastyczna
Stale borowe w stanie wyżarzonym lub normalizowanym są stosunkowo podatne na gięcie, tłoczenie i cięcie. Problemy pojawiają się w stanie zahartowanym – wysoka twardość przekłada się na większe ryzyko pęknięć przy obróbce mechanicznej i formowaniu na zimno.
Spawanie stali borowych
Spawalność zależy silnie od stanu materiału. W stanie surowym (przed hartowaniem) większość gatunków borowych można spawać klasycznymi metodami (MAG, TIG, MMA), z zachowaniem zasad typowych dla stali o podwyższonej hartowności:
- kontrola wprowadzonego ciepła,
- często konieczny podgrzew wstępny – szczególnie przy większych grubościach,
- chłodzenie w kontrolowanych warunkach, aby ograniczyć tworzenie się bardzo twardej strefy wpływu ciepła (SWC).
Po zahartowaniu spawanie staje się dużo trudniejsze – w strefie spoiny i SWC mogą powstawać obszary o bardzo wysokiej twardości i niskiej udarności, podatne na pęknięcia. W konstrukcjach krytycznych często stosuje się spawanie przed obróbką cieplną, a następnie hartuje i odpuszcza całość. W naprawach maszyn rolniczych i roboczych praktykuje się z kolei lokalne podgrzewanie, dobór miękkich spoiw i kontrolowane chłodzenie.
Przy obróbce skrawaniem stali borowych po hartowaniu potrzebne są narzędzia z węglików spiekanych lub pokrywane, często z zastosowaniem chłodziwa i odpowiednio dobranych prędkości. Twardość powyżej 500 HB bywa odczuwalna także dla obrabiarki – rośnie zużycie narzędzi i wymagane są stabilne warunki mocowania.
Oznaczenia i typowe gatunki stali borowej
W normach europejskich (EN) stale borowe często oznacza się przez dodanie liter B w symbolu gatunku, np. 22MnB5 – stal z ok. 0,22% C, dodatkiem manganu i boru. W systemach krajowych lub handlowych producenci wprowadzają własne nazwy, zwykle podkreślając zakres twardości po hartowaniu (np. 400, 450, 500 HB).
Przykładowe zastosowania wybranych gatunków:
- 22MnB5 – klasyczna blacha do hartowania w prasie dla przemysłu motoryzacyjnego.
- Stale borowe 27–30MnB – elementy narzędzi rolniczych, dyski talerzowe, lemiesze.
- Blachy borowe o twardości 400–500 HB – okładziny antyścierne, zęby łyżek, części maszyn do przerobu kruszyw.
Dodatek boru rzędu kilku setnych promila może „zastąpić” dużo większe ilości droższych dodatków stopowych, co czyni stal borową ekonomiczną alternatywą dla wielu klasycznych stali narzędziowych i konstrukcyjnych.
Typowe problemy i dobre praktyki w stosowaniu stali borowej
W praktyce użytkowania pojawia się kilka powtarzalnych tematów. Pierwszy to oczekiwanie, że stal borowa „będzie dobra do wszystkiego”. Tymczasem jest to materiał zaprojektowany przede wszystkim pod obróbkę cieplną i wysoką wytrzymałość.
Bez hartowania i odpuszczania właściwości mogą być zbliżone do zwykłych stali konstrukcyjnych i nie widać przewagi. Z kolei nadmierna twardość po obróbce może skutkować podatnością na pęknięcia, jeśli projekt nie uwzględnia promieni zaokrągleń, rozkładu naprężeń czy warunków pracy (uderzenia, skręcanie).
W projektowaniu i eksploatacji warto zwrócić uwagę na kilka zasad:
- dobrać gatunek i twardość do realnych warunków – skrajnie twardy element nie zawsze jest najlepszy,
- zaplanować kolejność: cięcie, gięcie, spawanie → dopiero potem hartowanie/odpuszczanie, jeśli to możliwe,
- nie traktować stali borowej jak „zwykłej” przy naprawach – dobrać technologię spawania i chłodzenia,
- kontrolować jakość krawędzi po cięciu termicznym – strefa przycięcia może mieć zwiększoną twardość i wymagać obróbki.
Przy właściwym podejściu stal borowa pozwala uzyskać elementy lżejsze, trwalsze i tańsze w eksploatacji niż przy użyciu wielu tradycyjnych stali. Wymaga jednak świadomego zaplanowania zarówno procesów wytwarzania, jak i późniejszych napraw.