Jak pierwiastki stopowe w składzie stali zmieniają jej właściwości

Stal to stop żelaza z węglem, w którym zawartość węgla nie przekracza około 2%. Wszystko ponad to zaliczamy do żeliw. Poza węglem w składzie stali są pierwiastki dodawane celowo, żeby zmienić jej właściwości, oraz domieszki, które zostają po procesie wytopu i ograniczamy je do minimum. Poniżej zebrano, jak poszczególne składniki wpływają na twardość, wytrzymałość, spawalność i odporność na korozję.

Żelazo i węgiel: podstawa każdej stali

Żelazo stanowi zdecydowaną większość masy każdej stali. Czyste żelazo jest miękkie i plastyczne, więc o charakterze materiału decyduje dodatek węgla. Już kilka dziesiątych procenta wyraźnie zmienia zachowanie stali, a oznaczenie wielu gatunków wprost podaje jego zawartość, jak w przypadku stali o średniej zawartości węgla opisanej w artykule o stali C45.

Zwiększanie ilości węgla podnosi twardość i wytrzymałość oraz umożliwia hartowanie, ale obniża plastyczność, udarność i spawalność. Stale o małej zawartości węgla łatwo się spawa i formuje na zimno. Stale o dużej zawartości są twarde i kruche, dlatego stosuje się je na narzędzia, sprężyny i elementy ścierne.

Pierwiastki stopowe i ich wpływ

Pierwiastki stopowe dodaje się w ilościach od dziesiątych części procenta do kilkunastu procent. Zestawienie poniżej pokazuje główne role najczęściej spotykanych dodatków.

Dodatki działają razem, a nie osobno. Chrom z niklem i molibdenem daje stale do ulepszania cieplnego o dużej hartowności, a chrom z niklem w odpowiednich proporcjach buduje stale nierdzewne.

Domieszki szkodliwe: siarka, fosfor, gazy

Siarka i fosfor trafiają do stali z rudy i paliwa. Siarka tworzy siarczki, które pogarszają udarność i sprzyjają pękaniu podczas obróbki plastycznej na gorąco. Fosfor powoduje kruchość, szczególnie w niskich temperaturach. Normy ograniczają ich zawartość do setnych części procenta, a stale wyższej jakości mają jej jeszcze mniej.

Wyjątkiem są stale automatowe, w których siarkę dodaje się celowo. Wióry łamią się wtedy krótko, a obrabiarka pracuje szybciej, kosztem plastyczności i wytrzymałości zmęczeniowej. Szkodliwe bywają też gazy rozpuszczone w stali: wodór sprzyja pęknięciom, a tlen i azot tworzą wtrącenia pogarszające własności mechaniczne.

Węgliki, ferryt i perlit: co dzieje się w strukturze

Pierwiastki nie działają w stali jako luźna mieszanina. Węgiel częściowo rozpuszcza się w żelazie, a częściowo tworzy z nim twardy węglik żelaza zwany cementytem. Tak powstają ferryt, czyli miękka faza o małej zawartości węgla, i perlit, czyli przemiennie ułożone płytki ferrytu i cementytu. Im więcej węgla, tym więcej perlitu i tym twardsza, ale mniej plastyczna stal.

Pierwiastki stopowe zmieniają ten układ. Chrom, wanad, molibden i wolfram tworzą własne, jeszcze twardsze węgliki. Nikiel i mangan stabilizują austenit, czyli fazę, którą stal przyjmuje w wysokiej temperaturze i która po szybkim chłodzeniu daje twardy martenzyt. To właśnie dlatego dodatki stopowe zwiększają hartowność: przemiana zachodzi nawet przy wolniejszym chłodzeniu i w grubszych przekrojach.

Jak skład przekłada się na grupy stali

Od ilości dodatków zależy podział stali na grupy. Stale węglowe zawierają tylko węgiel i niewielkie ilości manganu oraz krzemu. W stalach stopowych umownie wyróżnia się stale niskostopowe i wysokostopowe, a granicą jest łączna zawartość dodatków. Stal nierdzewna to osobna grupa, w której minimalna zawartość chromu wynosi około 10,5%, bo dopiero od tego poziomu tworzy się szczelna warstwa pasywna chroniąca przed rdzewieniem. Przegląd wszystkich grup znajdziesz w tekście o rodzajach stali, a opis stali kwasoodpornych w artykule o stali nierdzewnej.

Skład to połowa informacji o stali. Drugą połową jest obróbka cieplna, która z tego samego materiału potrafi zrobić zarówno miękki półwyrób, jak i twardy element o dużej wytrzymałości. Metody omawia artykuł o obróbce cieplnej stali.

Jak czytać skład w praktyce

1. Sprawdź zawartość węgla: ona wyznacza zakres twardości po hartowaniu i ocenę spawalności.
2. Zobacz, czy w składzie jest chrom, nikiel i molibden: razem oznaczają większą hartowność i zwykle wyższą cenę materiału.
3. Porównaj siarkę i fosfor z wymaganiami normy dla zastosowania, szczególnie przy pracy w niskiej temperaturze.
4. Dla stali nierdzewnych oceń zawartość chromu, niklu i molibdenu, bo od nich zależy odporność na konkretne środowisko.
5. Zachowaj atest materiałowy z numerem wytopu, żeby dało się powiązać element z jego składem.