Pierwiastki stopowe, czyli co dodaje się do stali, aby zmienić jej właściwości
Stal jest jednym z kluczowych materiałów otaczającego nas świata. Jej definicja nie powinna stanowić tajemnicy dla kogoś kto w jakiś stopniu zetknął się z materiałoznawstwem. Dotyczy to zwłaszcza studentów kierunków mechanicznych. Podstawą w tym wypadku będzie znajomość układu równowagi fazowej żelazo-węgiel. Z racji nazwy właśnie te dwa pierwiastki przykuwają największą uwagę.
Temat ten jest jednak dużo bardziej złożony niż mogłoby się wydawać. Bowiem uzyskanie stali bazującej wyłącznie na żelazie i węglu jest dość trudne a zdecydowanie nieuzasadnione ekonomicznie. Wynika to z prostego faktu jakim jest proces oczyszczania żelaza z różnych zanieczyszczeń. Nie jest to tak proste jak mogłoby się wydawać. W efekcie stal zawiera więc więcej niż tylko żelazo i węgiel.
Jednak nie zawsze będą to tylko wspomniane zanieczyszczenia. W większości przypadków dodanie poszczególnych składników będzie celowe, tak aby polepszyć właściwości stali. Nazywane są one dodatkami lub pierwiastkami stopowymi.
W tym materiale sprawdzimy jak każdy z nich wpływa na stal oraz co dzięki nim możemy uzyskać. Ale przyjrzymy się także poszczególnym zanieczyszczeniom oraz temu jak krytyczne mogą one być. Zaczniemy jednak od samych podstaw, czyli dobrze wszystkim znanego żelaza oraz węgla. Miłej lektury!
W skrócie
Czytając ten artykuł dowiesz się:
- Co to jest stal i jak się dzieli ze względu na skład chemiczny.
- Jaką rolę pełni żelazo w stali.
- Jak właściwości stali zależą od węgla.
- Z jakimi zanieczyszczeniami w stali możemy mieć do czynienia i skąd one właściwie się biorą.
- Co to są pierwiastki stopowe i jak wpływają one na właściwości stali.
Co to jest stal i jakie są kryteria jej podziału?
Stal jest to stop żelaza z węglem oraz innymi pierwiastkami, który został obrobiony plastycznie i jest obrabialny cieplnie. Graniczna zawartość węgla w stali wynosi 2,11%.
Stopy o stężeniu węgla powyżej 2,11%, ale i mniejszym niż 6,67% nazywane są żeliwem.
Stal może być klasyfikowane ze względu na różne kryteria. Wśród nich wymienić możemy skład chemiczny, sposób odtlenienia, metody wytwarzania, zastosowanie, jakość, czy chociażby stan. Przy czym najważniejszym podziałem ze względu na pierwiastki stopowe będą kryteria powiązane ze składem chemicznym.
Stal niestopowa
Stal niestopowa znana jest również jako stal węglowa. Jej głównymi składnikami są żelazo, węgiel a także inne pierwiastki, których zawartość nie przekracza wartości stężenia granicznego. Jest to istotne, bowiem większa ich zawartość mogłaby wpływać zarówno na strukturę jak i właściwości stali. Obecność różnych pierwiastków w stali niestopowej wynika z zanieczyszczeń pochodzących z rudy żelaza lub procesu metalurgicznego.
Stal niestopowa dzieli się na:
- stal niskowęglową – zawartość węgla nie przekracza 0,25%
- stal średniowęglową – o zawartości węgla w przedziale od 0,25% do 0,6%
- stal wysokowęglową – zawiera węgiel powyżej 0,6%, ale i nie więcej niż graniczna zawartość dla stali, czyli 2,11%
Stężenie węgla w stali niestopowej wpływa na różne jej właściwości, o których powiemy sobie w dalszej części artykułu.
Stal stopowa
Stal stopowa jest to stop żelaza z węglem a także innymi pierwiastkami, przy czym dla co najmniej jednego z nich przekroczone zostało stężenie graniczne. Ich obecność wynika z celowego dodania, aby zmienić ostateczne właściwości oraz strukturę stali.
Stężenie graniczne jest inne dla każdego pierwiastka a także może się różnić ze względu na zastosowaną normę. Podział stali stopowej bazuje na stężeniu co najmniej jednego pierwiastka, z wyłączeniem żelaza i węgla.
Stal stopowa dzieli się na:
- stal niskostopową – stężenie, żadnego z pierwiastków stopowych nie przekracza 2% a sumaryczna zawartość dla wszystkich dodatków nie przekracza 3,5%
- stal średniostopową – stężenie pierwiastka stopowego mieści się w zakresie od 2 do 8%, zaś całkowita zawartość dla wszystkich nie przekracza 12%
- stal wysokostopową – stężenie jednego z pierwiastków stopowych przekracza 8%, zaś sumarycznie nie przekracza 55%
Jakościowiec teraz także na LinkedIn!
Jaka jest rola żelaza w stali?
Żelazo jest głównym składnikiem stali, którego zawartość zależy od stężenia innych pierwiastków, w tym oczywiście węgla. Jest metalem o liczbie atomowej 26 i w przyrodzie występuje w postaci rud. Najczęściej jako tlenki bogate w żelazo. Są to przykładowo:
- magnetyt – Fe3O4 – 72,4% żelaza
- hematyt – Fe2O3 – około 70% żelaza
- syderyt – FeCO3 – 62% żelaza
Żelazo występuje w czterech odmianach alotropowych. Trzy z nich są stabilne w ciśnieniu atmosferycznym i różnią się temperaturą, zaś czwarta występuje wyłącznie w wysokim ciśnieniu.
Odmiany alotropowe żelaza:
- żelazo α – zwane również żelazem niskotemperaturowym α, występuje poniżej 912°C
- żelazo γ – występuje w przedziale od 912°C do 1394°C
- żelazo δ – nazywane także żelazem wysokotemperaturowym α(δ), występuje od 1394°C do 1538°C, czyli temperatury topnienia żelaza
- żelazo ε – odmiana wysokociśnieniowa, przykładowo dla temperatury otoczenia występuje powyżej 130 kbar
Przemiany alotropowe, które występują w żelazie wraz ze zmianą temperatury, powodują przebudowę jego sieci krystalicznej. Wpływa to na zmiany jego właściwości chemicznych, fizycznych oraz mechanicznych.
Żelazo zapewnia stali plastyczność. Ma jednak przy tym pewną wadę – jest mało wytrzymałe. Stąd też potrzeba łączenia go z węglem a także różnymi pierwiastkami w celu poprawy innych właściwości. Do temperatury 770°C żelazo jest ferromagnetyczne. Natomiast powyżej staje się paramagnetykiem.
Jak węgiel wpływa na stal?
Węgiel jest kolejnym po żelazie pierwiastkiem, który jest niezbędny do uzyskania stali. Jego graniczna zawartość w stopie wynosi 2,11%. W przypadku wyższych stężeń, ale nie przekraczających 6,67% mamy do czynienia z żeliwem.
Zawartość węgla zarówno w stali jak i żeliwie a także temperatura powodują występowanie różnych składników strukturalnych. O tym dokładnie jakich mówi nam układ żelazo-węgiel.
Węgiel ma dominujący wpływ zarówno na strukturę jak i właściwości stali niestopowych. Im większa jego zawartość tym rośnie również twardość stali, jej wytrzymałość na rozciąganie a także granica plastyczności. Jednak im stal twardsza tym również bardziej krucha. Spada też jej plastyczność i ciągliwość.
Właściwości te wynikają ze wspomnianych składników strukturalnych. Uboga w węgiel stal zbudowana jest z miękkiego i mało wytrzymałego, ale jednocześnie plastycznego ferrytu. Natomiast wraz ze wzrostem stężenia węgla, ferryt zastępowany jest twardym i mniej plastycznym cementytem.
| Zawartość węgla | Twardość | Kruchość | Wytrzymałość na rozciąganie | Granica plastyczności | Przewężenie | Wydłużenie |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ↑ | ↑ | ↓ | ↑ | ↑ | ↓ | ↓ |
Kolejną ważną kwestią jest hartowność stali. Im większa zawartość węgla tym spada krytyczna prędkość chłodzenia a jednocześnie rośnie również grubość warstwy zahartowanej. Dlatego w przypadku stali o niskim stężeniu węgla zahartowana może być wyłącznie warstwa powierzchniowa.
O tym czym właściwie jest hartowanie a także więcej na temat procesów obróbki cieplnej przeczytacie w krótkiej serii poświęconej temu tematowi:
Jak widzimy większa zawartość węgla często może wiązać się z pozytywnymi właściwościami stali. Nie wszystko jest jednak tak różowe jak mogło by się wydawać. Bo wzrost stężenia węgla to także więcej problemów w trakcie wspomnianej obróbki cieplnej. Zaliczyć do nich możemy większy poziom naprężeń cieplnych co wiąże się ze zwiększoną podatnością na pękanie w trakcie procesu.
Nieco inaczej wygląda kwestia spawalności. Im mniejsza zawartość węgla tym lepiej się go spawa. Większość materiałów, które najlepiej nadają się do spawania ma stężenie węgla nie przekraczające 0,5%.
| Zawartość węgla | Hartowność | Spawalność |
|---|---|---|
| ↑ | ↑ | ↓ |
A jeszcze inaczej jest z obróbką mechaniczną. Stale niskowęglowe, czyli o dużym udziale ferrytu, obrabia się źle ze względu na ich dużą ciągliwość. Analogicznie jest ze stalą wysokowęglową, ale o zawartości węgla powyżej 0,77%. W tym przypadku rośnie udział twardego a co za tym idzie kruchego cementytu. Najlepszą skrawalności cechują się stale o stężeniu węgla w przedziale od 0,25% do 0,77%.
Zanieczyszczenia i domieszki w stali
Podczas produkcji stali ruda żelaza jest topiona a znaczącą rolę w tym procesie odgrywa wapień. Jego zadaniem jest nie tylko obniżenie temperatury topnienia żelaza, stąd nazywany jest on topnikiem, ale również związanie wydzielających się z rudy zanieczyszczeń. Na dalszych etapach odbywa się również chociażby odsiarczanie, którego celem jest zredukowanie poziomu siarki. Jednak całkowite usunięcie wszystkich zanieczyszczeń nie jest za prostym procesem. A przede wszystkim, jak wspominaliśmy nie jest ekonomicznie uzasadnione. Stąd też w stali obecność innych pierwiastków, które nie zostały tam wprowadzone celowo. Nie każdy z nich działa jednak na stal niekorzystnie.
Najpowszechniejsze zanieczyszczenia w stali:
- Siarka
- Fosfor
- Tlen
- Azot
- Wodór
Jako zanieczyszczenie często traktowany jest również krzem, który jednak posiada pozytywny wpływ na sprężystość stali. Dlatego w tym materiale zaliczony został on do grona pierwiastków stopowych.
Siarka
Symbol: S
Siarka w większości przypadków traktowana jest jako krytyczne zanieczyszczenie dlatego usuwana jest ze stali poprzez wspomniany proces odsiarczania. Wpływa ona na obniżenie parametrów wytrzymałościowych: przewężenia oraz wydłużenia a także odporności na zmęczenie materiału. Wraz z udziałem siarki w stali rośnie również jej kruchość na gorąco co znacząco utrudnia proces kucia. Jej obecność niekorzystnie wpływa także na spawalność danego stopu.
Jednak siarka bywa niekiedy traktowana też jako pierwiastek stopowy, bowiem korzystnie wpływa na skrawalność stali.
Fosfor
Symbol: P
Fosfor analogicznie jak siarka również jest traktowany jako zanieczyszczenie, ale także może być dodawany jako pierwiastek stopowy. Wpływa na zwiększenie twardości a co za tym idzie kruchości, ale w przeciwieństwie do siarki, jest to kruchość na zimno. Utrudnia również obróbkę plastyczną stali.
Podobnie jak siarka polepsza także skrawalność stopu, chociaż w nieco mniejszym stopniu. Dodatkowo fosfor może być wykorzystywany do zwiększenia wytrzymałości niektórych stopów.
Tlen
Symbol: O
Tlen wiąże się z różnymi pierwiastkami i w takiej formie najczęściej występuje w stopie. Celowo wprowadzany jest do kąpieli stalowej, aby usunąć z niej między innymi siarkę i fosfor. Nie wpływa on jednak korzystnie na właściwości stali dlatego usuwany jest z niej w procesie odtleniania. Jego obecność powoduje obniżenie wytrzymałości a także plastyczności danego stopu.
Azot
Symbol: N
Z jednej strony azot może powodować obniżenie plastyczności stali poprzez tworzenie azotków, z drugiej zaś może mieć także pozytywny wpływ na różne jej właściwości. Zwiększa wytrzymałość a także twardość stopu. Poprawia także odporność korozyjną oraz wytrzymałość zmęczeniową.
Azot może być również wprowadzany do stali celowo już na etapie procesu technologicznego danej części. Proces ten nazywa się azotowaniem i powoduje wytworzenie cienkiej i bardzo twardej warstwy na powierzchni materiału. Jej grubość mieści się w przedziale 0,02–0,25 mm, zaś twardość może sięgać nawet 70 HRC.
Wodór
Symbol: H
Jednym ze źródłem wodoru w stali może być chociażby złom stalowy dodawany do kąpieli w celu obniżenia zawartości poziomu węgla. Dzięki czemu zamiast żeliwa możemy otrzymać stal. Sam pierwiastek jest niekorzystny dla stopu powodując jego kruchość a także różne formy nieciągłości materiałowych jak chociażby porowatość.
Wodór jest krytyczny zwłaszcza w przypadku procesów chemicznych stosowanych najczęściej jako zabezpieczenie antykorozyjne części. Dotyczy to przede wszystkim kąpieli kwaśnych. Wodór przenika do struktury stali powodując jej nawodorowanie. Z racji tego, że obecność tego pierwiastka wpływa na obniżenie wytrzymałości i plastyczności danego stopu istotne może być jego usunięcia. Jest to szczególnie ryzykowne w przypadku stali wysokowytrzymałych. Wodór usuwany jest ze stali w procesie termicznym zwanym odwodorowaniem. Krytyczny jest w tym wypadku czas jaki upłynął od momentu nawodorowania danej części a także długość i temperatura samego procesu wygrzewania.
Pierwiastki stopowe w stali
Pierwiastki stopowe są to pierwiastki, które zostały celowo wprowadzone do stali. Ich stężenie przekracza wartości graniczne dzięki czemu mają zasadniczy wpływ zarówno na strukturę jak i właściwości stali. Często nazywane są również dodatkami stopowymi.
Najpopularniejsze pierwiastki stopowe w stali:
- Mangan
- Krzem
- Chrom
- Molibden
- Glin (Aluminium)
- Kobald
- Nikiel
- Wanad
- Wolfram
Mangan
Symbol: Mn
Mangan, podobnie jak krzem, bierze udział w procesie odtleniania. Dodatkowo wiąże siarkę w stopie w efekcie czego otrzymujemy siarczek manganu. Związek o temperaturze topnienia wyższej niż żelazo.
Stal z dodatkiem manganu cechuje się podwyższoną odpornością na ścieranie oraz lepszą udarnością. Stopy zawierające mangan mają większą twardością oraz wytrzymałością na rozciąganie.
Mangan jest najpowszechniej stosowanym pierwiastkiem stopowym podczas produkcji stali. Wpływ na to ma przede wszystkim jego niska cena, brak problemów z dostępnością oraz bardzo wysoka rozpuszczalność w żelazie γ.
Krzem
Symbol Si
Stopy zawierające krzem cechują się wysoką sprężystością. Jednak wpływa on również niekorzystnie na niektóre właściwości stali, dlatego bardzo często traktowany jest przede wszystkim jako zanieczyszczenie. Jego obecność związana jest z procesem odtleniania kąpieli stalowej, w którym bierze aktywny udział. Krzem w znacznym stopniu obniża odporność stali na zużycie oraz zmniejsza jej udarność.
Chrom
Symbol: Cr
Chrom w znaczącym stopniu obniża krytyczną prędkość chłodzenia dzięki czemu ma duży wpływ na hartowność stali. Poprawia też właściwości mechaniczne stopu, w tym twardość, wytrzymałość na rozciąganie a w nieco mniejszym stopniu również sprężystość i żarowytrzymałość.
Jednak najważniejszą zaletą chromu jest zwiększenie odporności na korozję. Jest to możliwe dzięki wytworzeniu się na powierzchni twardej warstwy tlenku chromu.
Molibden
Symbol: Mo
Molibden jako pierwiastek stopowy ułatwia proces hartowania poprzez obniżenie krytycznej prędkości chłodzenia. Zwiększa również wytrzymałość stopu na pełzanie a także poprawia jego spawalność. Dodatkowo w stalach nierdzewnych poprawia odporność na korozję wżerową, dlatego jest on niezbędnym elementem tych stopów.
Glin (Aluminium)
Symbol: Al
Bierze aktywny udział w procesie odtleniania. Jednak poza tlenem usuwa z kąpieli również azot. Zapobiega rozrostowi ziarna austenitu co ma duży wpływ na wytrzymałość stopu na rozciąganie.
Zawartość glinu w stali ma jednak negatywny wpływ na jego spawalność oraz obróbkę plastyczną.
Kobalt
Symbol: Co
Pierwiastki stopowe bardzo często cechują się polepszeniem hartowności stali. Kobalt jest jednak ich przeciwieństwem, bowiem podnosi on krytyczną prędkość chłodzenia. Posiada jednak inne korzystne właściwości. Poprawia on twardość stopu, jego żarowytrzymałość a także w istotny sposób zwiększa jego odporność na ścieranie. Dzięki czemu stale z dodatkiem kobaltu znajdują zastosowanie przede wszystkim w produkcji narzędzi.
Nikiel
Symbol: Ni
Dodatki stopowe w postaci niklu mają wpływ na polepszenie hartowności stali. Stosowany jest on w celu poprawy wytrzymałości stopu, zwłaszcza w niskich temperaturach. Zwiększa jego udarność. Jest pierwiastkiem, który stabilizuje austenit w stali.
Wanad
Symbol: V
Może być stosowany w różnym celu. Zwiększa odporność na zużycie, dlatego świetnie sprawdzi się stalach szybkotnących. Poprawia również sprężystość a także wytrzymałość na pełzanie. Podobnie jak glin hamuje rozrost ziarna austenitu, dzięki czemu zwiększa wytrzymałość stopu na rozciąganie.
Wolfram
Symbol: W
Wolfram poprawia twardość i wytrzymałość stopu. Jednak największy wpływ ma na zwiększenie żarowytrzymałość stali a także odporności na zużycie. Obniża również krytyczną prędkość chłodzenia ułatwiając hartowanie stali.
Stopy z dodatkiem wolframu cechują się gorszą skrawalnością i są trudniejsze w obróbce plastycznej.
Kolejne artykuły w każdy poniedziałek!
Obserwuj Jakościowca w mediach społecznościowych i bądź na bieżąco.
Podsumowując
Ze względu na skład chemiczny stale dzielą się na niestopowe i stopowe. Ich skład bazuje na żelazie, węglu oraz innych pierwiastkach. Mogą stanowić one zanieczyszczenie po procesie metalurgicznym, którego nie udało się w pełni wyeliminować lub też być tam wprowadzone celowo. Istotne jest to co znajduje się w stopie oraz w jakim jest stężeniu.
Pierwiastki stopowe to dodatki, które wpływają zarówno na strukturę jak i właściwości stali. Ich zawartość przekracza graniczną wartość, która jest inna dla każdego z pierwiastków i może się różnić w zależności od stosowanej normy materiałowej.
Mam nadzieję, że temat ten przybliżył Wam tematykę budowy stali. Jak widać, to nie tylko żelazo i węgiel a wiele różnych dodatków stopowych, które korzystnie wpływają na obniżenie hartowności stali, poprawę jej właściwości mechanicznych czy też zwiększenie odporności na zużycie. Do zobaczenia w następny poniedziałek!
