Stal to stop żelaza z węglem, którego zawartość nie przekracza 2,11%. O jej właściwościach decydują także dodatki stopowe, obróbka cieplna i struktura krystaliczna. Dlatego stale dzieli się między innymi na niestopowe, stopowe, nierdzewne, konstrukcyjne i narzędziowe.
Czym dokładnie jest stal?
Stal składa się przede wszystkim z żelaza i węgla. Według przyjmowanej klasyfikacji zawartość węgla wynosi maksymalnie 2,11%. Po przekroczeniu tej wartości materiał zalicza się do żeliw, które mają inną strukturę i właściwości użytkowe.
W składzie stali mogą występować także mangan, krzem, chrom, nikiel, molibden i inne pierwiastki. Ich ilość wpływa między innymi na twardość, plastyczność, hartowność, odporność na korozję, spawalność oraz zachowanie materiału w podwyższonej temperaturze.
Podział stali ze względu na skład chemiczny
Stale niestopowe i stopowe
Stale niestopowe, nazywane też węglowymi, zawierają tylko ograniczone ilości dodatków innych niż węgiel. Ich właściwości zależą przede wszystkim od zawartości węgla oraz obróbki cieplnej. Graniczne stężenia składników dla tej grupy określa między innymi PN-EN 10020.
Stale stopowe zawierają celowo wprowadzone pierwiastki w ilościach, które zmieniają ich strukturę i właściwości. Dzięki temu można uzyskać większą hartowność, odporność na ścieranie, wytrzymałość albo odporność korozyjną.
W stalach niestopowych zawartość węgla wpływa na kompromis między twardością a plastycznością. Im jest go więcej, tym materiał zwykle lepiej opiera się odkształceniom i zużyciu, ale trudniej go kształtować oraz spawać:
| Rodzaj stali | Orientacyjna zawartość węgla | Właściwości | Typowe zastosowanie |
|---|---|---|---|
| Niskowęglowa | Do około 0,3% | Duża plastyczność, ciągliwość i dobra podatność na obróbkę | Blachy, elementy tłoczone, proste konstrukcje |
| Średniowęglowa | Około 0,3–0,6% | Większa twardość i wytrzymałość, mniejsza plastyczność | Części maszyn, elementy samochodowe, wały |
| Wysokowęglowa | Powyżej około 0,6% | Wysoka twardość i odporność na zużycie, większa kruchość | Sprężyny, druty, narzędzia i elementy odporne na ścieranie |
Podane przedziały mają charakter orientacyjny, ponieważ szczegółowa klasyfikacja zależy od normy i konkretnego gatunku. Stal wysokowęglowa może osiągać dużą twardość po obróbce cieplnej, ale zwykle traci wtedy część plastyczności.
Jak pierwiastki stopowe zmieniają właściwości stali?
Dodatek stopowy nie działa w oderwaniu od pozostałych składników. Ten sam pierwiastek może wywoływać różny efekt zależnie od stężenia, struktury materiału i zastosowanej obróbki cieplnej. Najczęściej wykorzystywane dodatki wpływają na stal w następujący sposób:
- Chrom zwiększa twardość, wytrzymałość i hartowność, a przy odpowiedniej zawartości tworzy podstawę odporności korozyjnej stali nierdzewnych.
- Nikiel poprawia hartowność, ciągliwość i odporność na kruche pękanie, szczególnie w połączeniu z chromem i molibdenem.
- Mangan podnosi twardość, wytrzymałość oraz odporność na ścieranie, lecz jego większa ilość może ograniczać plastyczność.
- Molibden zwiększa hartowność i pomaga ograniczać kruchość po odpuszczaniu, a w stalach nierdzewnych poprawia odporność na korozję w środowisku zawierającym chlorki.
- Krzem działa jako odtleniacz i może zwiększać wytrzymałość oraz twardość materiału.
W praktyce stosuje się często kilka dodatków jednocześnie. Przykładem jest stal zawierająca chrom, nikiel i molibden, w której można połączyć odporność korozyjną z dobrą wytrzymałością i stabilnością struktury.
Stale nierdzewne i ich struktura
Stale nierdzewne zawierają odpowiednią ilość chromu, dzięki czemu na ich powierzchni powstaje samoodnawiająca się warstwa pasywna ograniczająca korozję. Sama nazwa nie oznacza jednak całkowitej odporności na rdzewienie. Zachowanie materiału zależy od składu, środowiska, temperatury, naprężeń i stanu powierzchni.
Najważniejszy podział stali nierdzewnych opiera się na strukturze krystalicznej. Wyróżnia się stale austenityczne, ferrytyczne, martenzytyczne oraz ferrytyczno-austenityczne, nazywane duplex.
| Typ stali | Magnetyczność | Charakterystyka | Główne zastosowanie |
|---|---|---|---|
| Austenityczna | Zwykle nie | Dobra odporność korozyjna, wysoka plastyczność, dobra spawalność, brak możliwości klasycznego hartowania | Urządzenia spożywcze, AGD, instalacje, budownictwo i przemysł chemiczny |
| Ferrytyczna | Tak | Dobra odporność na korozję, umiarkowana plastyczność, brak hartowania przez przemianę martenzytyczną | Elementy wyposażenia, motoryzacja, urządzenia pracujące w łagodnym środowisku |
| Martenzytyczna | Tak | Możliwość hartowania, duża twardość i odporność na ścieranie, mniejsza odporność korozyjna niż w odmianach austenitycznych | Noże, narzędzia, części maszyn i elementy wymagające twardości |
| Duplex | Tak | Połączenie struktury ferrytycznej i austenitycznej, wysoka wytrzymałość oraz odporność na korozję wżerową i naprężeniową | Przemysł chemiczny, morski, oczyszczalnie i instalacje procesowe |
Brak przyciągania przez magnes nie jest uniwersalnym testem jakości stali nierdzewnej. Austenityczne gatunki, takie jak AISI 304, są zwykle niemagnetyczne w stanie wyżarzonym, ale obróbka plastyczna może wywołać częściową magnetyczność. Stale ferrytyczne, martenzytyczne i duplex są natomiast zasadniczo magnetyczne.
Najczęściej spotykane grupy austenityczne
W systemie stosowanym dla elementów złącznych spotyka się oznaczenia A2 i A4. Gatunki grupy A2, często kojarzone z AISI 304, mają dobrą odporność na korozję w typowych warunkach atmosferycznych. A4, związana między innymi z AISI 316, zawiera molibden i lepiej znosi środowiska z chlorkami, dlatego stosuje się ją między innymi w przemyśle morskim i chemicznym.
Oznaczenie AISI jest systemem amerykańskim. W Europie ten sam lub zbliżony gatunek może mieć oznaczenie numeryczne, na przykład AISI 304 odpowiada najczęściej stali 1.4301 według systemu europejskiego. Nie należy jednak zamieniać oznaczeń bez sprawdzenia pełnej specyfikacji, ponieważ warianty o podobnej nazwie mogą różnić się zawartością węgla, dodatkami i wymaganiami normowymi.
Podział stali ze względu na zastosowanie
Ten sposób klasyfikacji opisuje nie tyle sam skład chemiczny, ile funkcję, jaką stal ma pełnić. Jeden gatunek może należeć jednocześnie do kilku grup, na przykład stal stopowa może być zarazem konstrukcyjna i sprężynowa:
- Stale konstrukcyjne stosuje się do budowy konstrukcji stalowych, części maszyn, wałów, osi, sprężyn, łożysk oraz elementów poddawanych obciążeniom. W tej grupie występują między innymi stale ogólnego przeznaczenia, niskostopowe, do nawęglania i do ulepszania cieplnego.
- Stale narzędziowe projektuje się z myślą o wysokiej twardości, odporności na ścieranie i zachowaniu wymiarów. Dzielą się między innymi na węglowe, stopowe do pracy na zimno, do pracy na gorąco oraz szybkotnące.
- Stale specjalne mają właściwości dostosowane do konkretnego środowiska lub funkcji. Należą do nich między innymi stale nierdzewne, żaroodporne, żarowytrzymałe, magnetyczne i odporne na działanie określonych mediów.
Przy wyborze gatunku znaczenie mają przede wszystkim środowisko pracy, wymagana granica plastyczności, odporność na zużycie, możliwość obróbki oraz spawalność. Sama nazwa „stal nierdzewna” albo „stal konstrukcyjna” nie wystarcza do oceny przydatności materiału.
Jak czytać oznaczenia stali?
Oznaczenia europejskie często przekazują informację o przeznaczeniu, minimalnej granicy plastyczności i udarności. Przykładem jest S235JR:
- S oznacza stal konstrukcyjną.
- 235 wskazuje minimalną granicę plastyczności wyrażoną w MPa dla określonego zakresu grubości wyrobu.
- JR określa klasę udarności, związaną z pracą łamania 27 J w temperaturze 20°C.
W podobny sposób odczytuje się oznaczenia S355, S420 czy S460, ale szczegółowe wymagania zawsze trzeba sprawdzić w konkretnej normie wyrobu. Symbole J0 i J2 odnoszą się do badań udarności odpowiednio w temperaturze 0°C i −20°C. Litera K oznacza wyższą klasę wymaganej pracy łamania niż grupa J.
Inne litery wskazują przeznaczenie materiału. S oznacza stal konstrukcyjną, L stal na rury przewodowe, B stal na pręty zbrojeniowe, R stal na szyny, Y stal na struny sprężające, a P stal na urządzenia ciśnieniowe. Oznaczenia AISI, takie jak AISI 304, działają według innego systemu niż symbole EN, dlatego nie należy interpretować ich według schematu S235.
Rodzaj stali dobiera się więc na podstawie kilku informacji naraz: składu chemicznego, struktury, wymaganych parametrów mechanicznych oraz warunków pracy. Dopiero takie zestawienie pozwala ocenić, czy dany gatunek będzie plastyczny i łatwy w obróbce, odporny na ścieranie, podatny na spawanie albo odporny na korozję.
