Pierwiastki stopowe w stali

O właściwościach stali decyduje jej skład chemiczny. Do jej otrzymania stosuje się stopy żelaza z węglem oraz innych pierwiastków, czyli dodatków stopowych. Ich ilość powinna przekraczać minimalne stężenie, przy którym nie występują zmiany we właściwości i strukturze stali. Najczęściej stosowanymi dodatkami stopowymi są takie pierwiastki jak: nikiel, tytan, wanad, chrom, krzem, molibden, wolfram, kobalt, glin, miedź, niob oraz mangan.

Pierwiastki stopowe wprowadzane są nie tylko, żeby nadać stali określone właściwości, ale również dla zwiększenia hartowności, ułatwienia obróbki cieplnej, zwiększenia odporności na korozję i zużycie oraz podwyższenia własności fizycznych, fizykochemicznych, technologicznych oraz mechanicznych. Każdy z dodatków w inny sposób zmienia właściwości stali. Nie wszystkie jednak mogą wpłynąć na nią korzystnie, dlatego rozróżnia się domieszki pożyteczne i szkodliwe.

Molibden zwiększa odporność stali na korozję. W stalach kwasoodpornych austenitycznych jego zawartość wynosi około 2,5%, ale może sięgnąć nawet do 7%. Pierwiastek jest odpowiedzialny za zwiększenie wytrzymałości i hartowności stali, zmniejszenie kruchości oraz podniesienie odporności na pełzanie.

Miedź składnik stopowy stali charakteryzuje się zbliżonymi właściwościami fizycznymi do żelaza, ale jest dużo odporniejsza na korozję. Dodatek tego pierwiastka jest coraz bardziej doceniany, zwłaszcza jeśli chodzi o wytapianie nowej stali.

Nikiel dodawany do stali nie tylko ułatwia proces hartowania i zwiększa jego głębokość, ale obniża również temperaturę przemiany austenitycznej, a po rozpuszczeniu w ferrycie umacnia stal oraz zwiększa wytrzymałość na uderzenie. Pierwiastek jest ważnym składnikiem stali kwasoodpornych (acid-proof steel), ponieważ zapewnia dobrą spawalność oraz możliwość przeróbki plastycznej. Nikiel w ilości 0,5% – 4% dodaje się do ulepszenia cieplnego, natomiast powyżej 8% – 10% do stali kwasoodpornej.

Chrom podobnie jak nikiel wpływa na hartowność stali oraz zwiększa jej wytrzymałość i przyczynia się do rozdrobnienia ziarna. Jest to dodatek, który często stosowany jest w stalach konstrukcyjnych, żaroodpornych, nierdzewnych oraz narzędziowych. W przypadku stali nierdzewnej, to właśnie chrom jest tym składnikiem, który decyduje o nierdzewności. Zawartość tego dodatku waha się pomiędzy 12% a 30% – w zależności od gatunku stali.

Krzem uważany jest zazwyczaj za dodatek niepożądany, wpływa na kruchość, twardość, sprężystość i wytrzymałość stali. Domieszka krzemu największe zastosowanie znajduje jako składnik w stalach sprężynowych, zmniejsza również odporność na uderzenia i podnosi odporność na działanie wysokich temperatur. Składnik dodawany jest do tych gatunków stali, które pracują w wysokich temperaturach oraz mających kontakt ze stężonym kwasem azotowym i siarkowym.

Mangan wpływa korzystnie na odporność stali na uderzenia i ścieranie, jednocześnie nie zmieniając jej ciągliwości. Jest to pierwiastek, dzięki któremu stal jest bardziej wytrzymała.

Wśród domieszek szkodliwych należy wspomnieć przede wszystkim o siarce, która utrudnia kucie stali oraz o fosforze, który zmniejsza wytrzymałość oraz odporność na uderzenie, zwiększając jej twardość oraz powodując kruchość na zimno.

Ze względu na udział pierwiastków stopowych, stale można podzielić na:

– niskostopowe – o stężeniu jednego pierwiastka poniżej 2% (stosowane są one przede wszystkim w produkcji wyrobów o niskich wymaganiach mechanicznych, np. blachy, drutu czy rur);

– średniostopowe – o stężeniu jednego pierwiastka mniej niż 8% (stosowane są one w produkcji elementów maszyn, np. wałów, tulei czy kół zębatych);

– wysokostopowe – o stężeniu jednego pierwiastka więcej niż 8% (stosowana jest w produkcji elementów budowlanych, np. rur czy kształtowników).

Ze względu na zastosowanie, rozróżniamy stale:

Narzędziowe — gatunki stali stosowane w produkcji narzędzi skrawających, takich jak noże, wiertła, frezy, a także narzędzi formujących, takich jak matryce czy stemple. Stale narzędziowe muszą cechować się twardością i odpornością na zużycie, ponieważ narzędzia skrawające muszą utrzymać ostrość przez długi czas, aby skutecznie wykonywać swoją pracę. Dlatego w skład takiej stali wchodzą składniki, takie jak węgiel, chrom, molibden, wanad czy kobalt, które poprawiają jej właściwości.

Konstrukcyjne — są gatunkami stali do budowy konstrukcji, np. mostów, budynków, maszyn czy urządzeń. Ich cechą charakterystyczną jest duża wytrzymałość i odporność na naprężenia, co zapewnia stabilność i bezpieczeństwo konstrukcji. W skład stali konstrukcyjnych wchodzą m.in. węgiel, mangan, krzem, fosfor czy siarka, a ich właściwości są ulepszane przez hartowania.

Stale o szczególnych właściwościach to gatunki stali, które posiadają wyjątkowe cechy, co pozwala na ich wykorzystanie w specjalistycznych zastosowaniach. Wśród takich gatunków znajduje się stal nierdzewna, charakteryzująca się odpornością na korozję i stosowana w produkcji narzędzi chirurgicznych, sprzętu AGD oraz w przemyśle spożywczym. Inne przykłady to stale elektrotechniczne, posiadające właściwości magnetyczne i elektryczne, dzięki czemu znajdują zastosowanie w produkcji silników elektrycznych czy transformatorów.

Stale o szczególnych właściwościach to również stale specjalne, które charakteryzują się wysoką odpornością na korozję. Mogą być one sklasyfikowane według struktury na ferrytyczne, martenzytyczne, martenzytyczne umacniane wydzielinowo, austenityczne oraz ferrytyczno-austenityczne. Mogą być także podzielone na kategorie według składu chemicznego, np. na wysokochromowe, chromowo-niklowe oraz chromowo-niklowo-manganowe. Takie stale specjalne znajdują zastosowanie w przemyśle chemicznym, petrochemicznym, energetycznym i w innych dziedzinach wymagających wysokiej odporności na korozję.