Spawalność stali C45, 40HM i 42CrMo4 – podgrzewanie i ryzyko pęknięć

Najważniejszy wniosek: to nie są stale do beztroskiego spawania

Spawalność stali C45, 40HM i 42CrMo4 jest ograniczona – to stale do ulepszania cieplnego, w których strefa wpływu ciepła utwardza się szybciej, niż zdąży się odprężyć. Przy C45 zawartość węgla sięga ok. 0,42-0,50%, przy 42CrMo4 dochodzi jeszcze chrom (0,90-1,20%) i molibden (0,15-0,30%) według EN 10083-3:2006. Efekt: martenzyt w SWC, wodór dyfundujący i naprężenia własne – klasyczny zestaw pod pękanie zimne (EN 1011-2:2001).

Z mojej praktyki warsztatowej najgorsze awarie nie wynikają z braku wiedzy, tylko z pośpiechu. Wał z C45 o średnicy 90 mm, spawany “na szybko” w piątek po południu, bez podgrzania, w sztywnym mocowaniu. Pęknięcie pojawia się nie od razu. Przychodzi po kilkunastu godzinach, czasem po dwóch dniach – i wtedy nikt już nie kojarzy go ze spawaniem.

• C45 – stal niestopowa średniowęglowa wg EN 10083-2:2006, spawalna warunkowo, przy grubszych przekrojach praktycznie zawsze z podgrzewaniem wstępnym.
• 40HM – polskie oznaczenie stali chromowo-molibdenowej, zastosowaniowo bliskie 42CrMo4, ale odpowiedniki potwierdzaj atestem 3.1, nie tabelą z forum.
• 42CrMo4 – stal stopowa Cr-Mo do ulepszania cieplnego, w stanie +QT spawanie lokalnie niszczy uzyskane właściwości.
• Wodór dyfundujący – elektrody rutylowe trzymane w wilgotnej szafce potrafią zniweczyć poprawnie dobrane podgrzewanie.
• Sztywność złącza – element zamocowany w przyrządzie nie może się skurczyć, więc naprężenia idą w spoinę i SWC.
• WPS – przy elementach obciążonych technologia powinna być kwalifikowana wg EN ISO 15614-1:2017.

“Ryzyko pękania zimnego w złączach stali ferrytycznych ocenia się na podstawie składu chemicznego, grubości złącza, poziomu wodoru w stopiwie i energii liniowej – podgrzewanie wstępne dobiera się z tych czterech parametrów łącznie.” — CEN, EN 1011-2 (Welding – Recommendations for welding of metallic materials), 2001

C45, 40HM i 42CrMo4 – charakterystyka materiałowa

C45 to niestopowa stal średniowęglowa do ulepszania cieplnego według EN 10083-2:2006, charakteryzująca się zawartością węgla 0,42-0,50%, manganem 0,50-0,80% i wytrzymałością po hartowaniu z odpuszczaniem rzędu 700-850 MPa w mniejszych przekrojach. 40HM i 42CrMo4 to stale chromowo-molibdenowe, w których dodatki stopowe podnoszą hartowność – i to właśnie hartowność, a nie sam węgiel, decyduje o problemie spawalniczym.

Czym różni się C45 od 42CrMo4 przy spawaniu?

Różnica sprowadza się do hartowności i grubości krytycznej. C45 hartuje się na wskroś tylko w cienkich przekrojach, więc przy cienkich blachach SWC bywa jeszcze do opanowania. 42CrMo4 z chromem i molibdenem hartuje się w powietrzu przy sporych przekrojach – martenzyt powstaje nawet przy stosunkowo wolnym chłodzeniu spoiny.

• C45 – CEV zwykle w okolicach 0,55-0,65 przy typowym składzie z atestu; brak celowych dodatków stopowych.
• 42CrMo4 – CEV zazwyczaj powyżej 0,75, co w praktyce spawalniczej oznacza materiał wymagający pełnego reżimu cieplnego.
• 40HM – skład zbliżony do 42CrMo4 (Cr ok. 0,9-1,2%, Mo ok. 0,15-0,25%), ale rozstrzyga atest konkretnej wsadu.
• Typowe zastosowania C45 – wały, osie, sworznie, koła zębate niższych klas, tuleje, elementy maszyn rolniczych.
• Typowe zastosowania 42CrMo4 – wały korbowe, wrzeciona, śruby wysokiej klasy 10.9/12.9, elementy hydrauliki, tłoczyska.

Dlaczego stan dostawy ma znaczenie?

Stan dostawy zmienia całą strategię spawania, bo określa, co spawanie zniszczy. Materiał w stanie +QT (ulepszony cieplnie) ma już gotową, odpuszczoną strukturę – ciepło łuku odpuszcza ją lokalnie w jednym pasie i hartuje w drugim. Materiał w stanie +A (wyżarzony) czy +N wybacza znacznie więcej.

W zakupach pytam zawsze o to samo: symbol stanu na atescie. Zdarzyło mi się dostać pręt opisany jako “42CrMo4” bez dopisku, który okazał się +QT – a klient planował dospawać kołnierz. Rozmowa o technologii wyglądała potem zupełnie inaczej.

• +A – wyżarzony zmiękczająco, najłatwiejszy do obróbki i najbardziej wyrozumiały przy spawaniu.
• +N – normalizowany, struktura ferrytyczno-perlityczna, umiarkowane ryzyko.
• +QT – hartowany i odpuszczany, spawanie lokalnie kasuje właściwości mechaniczne w SWC.
• +FP – z określonym zakresem ferrytyczno-perlitycznym, spotykany przy prętach do obróbki.
• Brak oznaczenia – traktuj jak materiał niezidentyfikowany i wymagaj atestu 3.1 wg EN 10204.

Mechanizm pęknięć: węgiel, hartowność, wodór i naprężenia

Pękanie zimne to pękanie ujawniające się po ostygnięciu złącza poniżej ok. 150 °C, najczęściej w strefie wpływu ciepła, powodowane jednoczesnym wystąpieniem trzech czynników: twardej mikrostruktury martenzytycznej, wodoru dyfundującego w stopiwie i naprężeń rozciągających (EN 1011-2:2001). Usunięcie któregokolwiek z tych trzech elementów wyraźnie obniża ryzyko – i na tym opiera się cała technologia.

Co dokładnie powoduje pękanie zimne?

Pierwszy krok mechanizmu to szybkie chłodzenie SWC poniżej temperatury Ms, przy którym austenit zamienia się w martenzyt o twardości nierzadko przekraczającej 400-450 HV. Taka struktura ma znikomą zdolność do odkształceń plastycznych. Drugi krok: wodór, który wszedł do jeziorka spawalniczego z wilgoci otuliny, rdzy, oleju czy powietrza, dyfunduje do obszarów o wysokich naprężeniach i obniża energię pękania.

• Twardość SWC powyżej ok. 350 HV – powszechnie przyjmowany próg zwiększonej podatności na pękanie zimne dla stali C-Mn i niskostopowych.
• Wodór dyfundujący – klasy oznaczane jako H5, H10, H15 (ml/100 g stopiwa); dla stali Cr-Mo celuj w H5.
• Naprężenia własne – rosną ze sztywnością konstrukcji, grubością i liczbą złączy zbiegających się w jednym punkcie.
• Opóźnienie w czasie – pęknięcia mogą ujawnić się po 16-48 godzinach, dlatego badania NDT wykonuje się z opóźnieniem.
• Rdza, olej, wilgoć – każdy z nich jest źródłem wodoru; szlifowanie do metalicznego połysku na szerokości min. 20-25 mm od rowka to minimum.

Dlaczego wodór jest szczególnie groźny przy 42CrMo4?

Bo 42CrMo4 tworzy martenzyt łatwiej niż stale niestopowe, a martenzyt jest znacznie wrażliwszy na wodór niż struktura ferrytyczno-perlityczna. Przy dużej hartowności twardą strukturę dostaniesz nawet przy umiarkowanej prędkości chłodzenia, więc “poczekam, aż wystygnie samo” nie jest strategią.

Obserwuję to regularnie przy naprawach tłoczysk i wrzecion. Spoina wygląda idealnie, penetracyjnie czysta, a po weekendzie wzdłuż linii wtopienia pojawia się włos. Elektrody z otwartego opakowania, brak podgrzania, sztywne mocowanie w tokarce. Trzy błędy naraz.

Równoważnik węgla CEV i podgrzewanie wstępne

Równoważnik węgla CEV oblicza się ze wzoru IIW: CEV = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15, gdzie wszystkie wartości podstawia się w procentach masowych z atestu konkretnej wytopki, nie z tabeli zakresowej normy. CEV powyżej ok. 0,45 sygnalizuje potrzebę rozważenia podgrzewania wstępnego, a powyżej 0,65 – pełnego reżimu cieplnego z kontrolą temperatury międzyściegowej (EN 1011-2:2001).

Jak obliczyć CEV krok po kroku?

Weź atest 3.1, wypisz analizę wytopu i podstaw. Przykład dla realistycznego składu 42CrMo4: C 0,41%, Mn 0,72%, Cr 1,05%, Mo 0,22%, V 0,01%, Ni 0,15%, Cu 0,18%.

1. Człon węglowy: 0,41.
2. Człon manganowy: 0,72 / 6 = 0,12.
3. Człon Cr+Mo+V: (1,05 + 0,22 + 0,01) / 5 = 1,28 / 5 = 0,256.
4. Człon Ni+Cu: (0,15 + 0,18) / 15 = 0,33 / 15 = 0,022.
5. Suma: 0,41 + 0,12 + 0,256 + 0,022 = CEV ≈ 0,81 – materiał wysoko podatny na pękanie zimne.

Dla porównania C45 o składzie C 0,45%, Mn 0,65% i śladowych dodatkach daje CEV ≈ 0,45 + 0,11 = ok. 0,56. Różnica 0,25 punktu przekłada się w praktyce na zupełnie inny reżim cieplny. Więcej o samej metodzie znajdziesz w karcie równoważnik węgla CEV w stali.

Kiedy stosować podgrzewanie wstępne?

Podgrzewanie stosuj, gdy iloczyn czynników ryzyka rośnie: wysokie CEV, duża grubość zastępcza złącza, wysoka sztywność, niska energia liniowa i wyższa klasa wodoru w spoiwie. EN 1011-2 nie podaje jednej liczby – podaje metodę doboru na podstawie tych parametrów, i tak należy z niej korzystać.

Praktyczna uwaga, którą powtarzam każdemu spawaczowi: podgrzewaj strefę, nie linię. Palnik prowadzony wyłącznie po rowku daje gradient, który sam w sobie generuje naprężenia. Grzej pas o szerokości co najmniej 4-krotnej grubości materiału po obu stronach złącza, minimum 75 mm, i mierz termoparą albo kredką termiczną po przeciwnej stronie – nie na powierzchni świeżo omiecionej płomieniem.

Dobór spoiwa, metoda spawania i obróbka po spawaniu

Dobór spoiwa dla C45, 40HM i 42CrMo4 zaczyna się od decyzji, czy spoina ma dorównywać wytrzymałością materiałowi rodzimemu, czy celowo być od niego bardziej plastyczna. Przy naprawach elementów maszyn często wybiera się rozwiązanie o niższej granicy plastyczności i wyższej udarności, żeby spoina przejęła odkształcenie zamiast pękać – decyzja zawsze wynika z funkcji części i WPS.

Jakie spoiwo i metoda sprawdzają się w praktyce?

Elektrody zasadowe niskowodorowe (typ B wg EN ISO 2560) suszone zgodnie z kartą producenta – to punkt wyjścia dla MMA. Przy MAG stosuje się druty lite z gazem osłonowym o kontrolowanej wilgotności, a przy TIG pręty pod czystym argonem. Metoda ma znaczenie mniejsze niż reżim cieplny i klasa wodoru.

• MMA (111) – elektrody zasadowe, suszenie 300-350 °C wg karty technicznej, przechowywanie w termosie 100-150 °C.
• MAG (135/138) – dobra kontrola energii liniowej, druty niskowodorowe, gaz M21 o niskim punkcie rosy.
• TIG (141) – najczystsze metalurgicznie, wskazany przy cienkich i precyzyjnych naprawach oraz przy warstwie graniowej.
• Spoiwo austenityczne – stosowane w naprawach, gdy zależy nam na plastycznej spoinie tolerującej wodór; ogranicza jednak możliwość późniejszej obróbki cieplnej i nie nadaje się przy pracy zmęczeniowej wysokoobciążonej.
• Napawanie C45 – warstwa buforowa o niższej wytrzymałości przed warstwą roboczą zmniejsza ryzyko pęknięć podwarstwowych.
• Energia liniowa – zbyt niska daje szybkie chłodzenie i martenzyt; zbyt wysoka rozrost ziarna i spadek udarności. Zakres podaje WPS.

Czy po spawaniu potrzebne jest wyżarzanie odprężające?

To zależy – przy 42CrMo4 i 40HM w elementach obciążonych praktycznie zawsze należy je rozważyć, przy cienkim, swobodnym C45 często wystarczy powolne chłodzenie. Wyżarzanie odprężające prowadzi się poniżej temperatury odpuszczania materiału rodzimego, żeby nie obniżyć jego twardości – i to jest twardy warunek przy stanie +QT.

• Temperatura odprężania – dobierana zawsze co najmniej ok. 30 °C poniżej temperatury odpuszczania danej wytopki; wartość wynika z atestu i WPS, nie z tabeli ogólnej.
• Powolne chłodzenie – przykrycie matą ceramiczną, wełną mineralną lub zasypanie suchym piaskiem; alternatywa dla pieca w małym warsztacie.
• Temperatura międzyściegowa – utrzymywana na poziomie nie niższym niż temperatura podgrzewania, kontrolowana przed każdym kolejnym ściegiem.
• Wygrzewanie odwodorowujące – zabieg po spawaniu w umiarkowanej temperaturze przez kilka godzin, ułatwiający ucieczkę wodoru zanim powstanie pęknięcie.
• Kontrola twardości – pomiar HV lub HRC w SWC i spoinie, porównanie z wymaganiami rysunku lub specyfikacji.
• NDT z opóźnieniem – badania penetracyjne lub magnetyczno-proszkowe minimum 24-48 h po spawaniu; pękanie zimne bywa opóźnione.

“Kwalifikacja technologii spawania polega na wykazaniu, że złącze wykonane według proponowanego WPS spełnia wymagania w zakresie właściwości mechanicznych i braku niedopuszczalnych niezgodności spawalniczych.” — CEN/ISO, EN ISO 15614-1 (Specification and qualification of welding procedures for metallic materials), 2017

Checklist przed spawaniem elementu z C45, 40HM lub 42CrMo4

Zanim zapalisz łuk, przejdź przez sześć punktów: identyfikacja gatunku i stanu cieplnego, obliczenie CEV z atestu, ocena grubości i sztywności, dobór podgrzewania i temperatury międzyściegowej, wybór spoiwa niskowodorowego oraz plan kontroli po spawaniu. Pominięcie któregokolwiek z nich przenosi ryzyko z technologii na użytkownika gotowej części.

Co sprawdzić w WPS i atestach przed naprawą elementu?

1. Gatunek i grupa materiałowa – potwierdzona atestem 3.1 wg EN 10204, nie oznaczeniem na tabliczce czy pamięcią operatora.
2. Stan cieplny – +A, +N, +QT; przy +QT ustal, czy element może być ponownie ulepszony po naprawie.
3. Analiza wytopu – kompletny skład C, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu do obliczenia CEV.
4. Zakres WPS – czy dana grubość, pozycja, metoda i spoiwo mieszczą się w zakresie kwalifikacji.
5. Klasa wodoru spoiwa – H5 przy stalach Cr-Mo, potwierdzona kartą techniczną i warunkami przechowywania.
6. Plan kontroli – metoda NDT, moment badania, wymagana twardość, kryteria akceptacji.
7. Funkcja elementu – obciążenie statyczne czy zmęczeniowe, praca w niskiej temperaturze, ciśnienie, konsekwencje awarii.

Kiedy potrzebny jest inżynier spawalnik?

Zawsze, gdy element przenosi obciążenia, których awaria zagraża ludziom lub kosztownemu majątkowi – wały napędowe, elementy dźwignic, zbiorniki ciśnieniowe, konstrukcje nośne. Wtedy technologię kwalifikuje się badaniem wg EN ISO 15614-1:2017, a spawacz pracuje na zatwierdzonym WPS, nie na własnym doświadczeniu.

Przy prostszych sprawach – dospawanie ucha do wspornika z C45 o grubości 8 mm, w warsztacie, bez obciążeń dynamicznych – wystarcza rzetelna technologia i zdrowy rozsądek. Granica między jednym a drugim bywa cieńsza, niż się wydaje. Jeśli masz wątpliwość, po której stronie stoi Twój przypadek, stoisz po tej trudniejszej.

Treść ma charakter techniczno-informacyjny i nie zastępuje kwalifikacji technologii spawania ani decyzji uprawnionego inżyniera spawalnika (IWE/EWE). Parametry dla konkretnego złącza wynikają z atestu materiału, obliczeń wg EN 1011-2 i zatwierdzonego WPS. Dane sprawdzone: lipiec 2026, wydania norm wg stanu CEN/PKN.

Powiązane karty gatunków: C45 – właściwości, zastosowanie i obróbka cieplna, 40HM – odpowiedniki i właściwości, 42CrMo4 – karta gatunku oraz obróbka cieplna stali do ulepszania.

Najczęściej zadawane pytania

Czy stal C45 jest dobrze spawalna?

Nie, C45 ma ograniczoną spawalność ze względu na zawartość węgla 0,42-0,50% wg EN 10083-2:2006. Spawanie jest możliwe, ale przy grubszych przekrojach wymaga podgrzewania wstępnego, spoiw niskowodorowych i kontrolowanego chłodzenia. Przy elementach obciążonych technologia powinna wynikać z WPS, a nie z wprawy spawacza.

Czy 42CrMo4 trzeba podgrzewać przed spawaniem?

W większości praktycznych przypadków tak, szczególnie przy grubościach powyżej kilkunastu milimetrów, sztywnych złączach i materiale w stanie +QT. Temperaturę dobiera się z CEV obliczonego z atestu, grubości zastępczej złącza, klasy wodoru spoiwa i energii liniowej według EN 1011-2:2001. Jedna uniwersalna wartość dla wszystkich złączy nie istnieje.

Co to jest pękanie zimne po spawaniu?

Pękanie zimne to pękanie ujawniające się po ostygnięciu złącza, zwykle poniżej ok. 150 °C i najczęściej w strefie wpływu ciepła. Powstaje z połączenia twardej struktury martenzytycznej, wodoru dyfundującego i naprężeń rozciągających. Bywa opóźnione o 24-48 godzin, dlatego badania NDT wykonuje się z odstępem czasowym po spawaniu.

Czy 40HM i 42CrMo4 to ta sama stal?

Nie są formalnie tym samym gatunkiem – 40HM to polskie oznaczenie stali chromowo-molibdenowej, a 42CrMo4 europejskie wg EN 10083-3:2006. Zakresy składu i zastosowań są bliskie, więc bywają traktowane jako odpowiedniki zastosowaniowe. Przy spawaniu i obliczaniu CEV opieraj się jednak wyłącznie na analizie wytopu z atestu.

Jakie spoiwo stosować do C45?

Punktem wyjścia są materiały niskowodorowe – przy MMA elektrody zasadowe wg EN ISO 2560, suszone i przechowywane zgodnie z kartą producenta. Wytrzymałość spoiwa dobiera się do funkcji elementu, czasem świadomie niższą niż materiał rodzimy, żeby spoina przejęła odkształcenia. Finalny wybór powinien wynikać z WPS i wymagań konstrukcyjnych.

Czy po spawaniu 42CrMo4 trzeba wykonać obróbkę cieplną?

Przy elementach obciążonych obróbkę cieplną po spawaniu należy przynajmniej rozważyć, bo spawanie zmienia mikrostrukturę i wprowadza naprężenia w SWC. Wyżarzanie odprężające prowadzi się poniżej temperatury odpuszczania materiału rodzimego, żeby nie obniżyć jego twardości. Decyzja zależy od stanu +QT, wymagań rysunkowych i wyników kontroli twardości.

Jak sprawdzić twardość po spawaniu?

Pomiar wykonuje się metodą Vickersa (HV10) na przekroju próbki technologicznej albo twardościomierzem przenośnym na powierzchni w obszarze SWC, spoiny i materiału rodzimego. Przekroczenie progu ok. 350 HV w SWC stali C-Mn i niskostopowych sygnalizuje podwyższone ryzyko pękania zimnego. Kryteria akceptacji podaje specyfikacja lub norma wyrobu.

Czy można spawać C45 bez podgrzewania?

Tak, ale tylko w wąskich warunkach: cienki przekrój do kilku milimetrów, złącze swobodne bez sztywnego zamocowania, spoiwo niskowodorowe, czysta powierzchnia i brak obciążeń dynamicznych. Przy wale, grubym wsporniku albo naprawie w przyrządzie ta droga kończy się pęknięciem, często kilkanaście godzin po zakończeniu pracy.

Źródła i literatura

1. CEN, EN 1011-2:2001 – Welding. Recommendations for welding of metallic materials. Part 2: Arc welding of ferritic steels, Bruksela 2001.
2. CEN/ISO, EN ISO 15614-1:2017 – Specification and qualification of welding procedures for metallic materials. Welding procedure test. Part 1: Arc and gas welding of steels, 2017.
3. CEN, EN 10083-2:2006 – Steels for quenching and tempering. Part 2: Technical delivery conditions for non-alloy steels, 2006.
4. CEN, EN 10083-3:2006 – Steels for quenching and tempering. Part 3: Technical delivery conditions for alloy steels, 2006.
5. CEN, EN 10204 – Metallic products. Types of inspection documents (dokumenty kontroli, m.in. atest 3.1).
6. TWI Global, Job Knowledge – hydrogen cracking and preheat, twi-global.com (materiał branżowy, zalecana weryfikacja aktualnego wydania).
7. Karty techniczne producentów spoiw (klasy wodoru H5/H10, warunki suszenia i przechowywania) – do sprawdzenia przed każdą realizacją.

inż. Paweł Sokołowski

Inżynier metalurg z ponad 15-letnim doświadczeniem w laboratorium badań materiałowych i dziale kontroli jakości stali. Na co dzień zajmuje się badaniami własności mechanicznych, analizą składu chemicznego wytopów i oceną zgodności gatunków z normami PN-EN. Współpracował z hutami, kuźniami i zakładami obróbki cieplnej przy doborze stali do zastosowań konstrukcyjnych i narzędziowych. Na Gatunkistali.pl porządkuje wiedzę o gatunkach stali i stopów – od oznaczeń i odpowiedników po praktyczne porównania.