Stal bez wątpienia jest jednym z najpopularniejszych i najczęściej stosowanych materiałów na świecie. Wykorzystuje się ją w budownictwie, motoryzacji, gastronomii, a nawet medycynie. Jednak stal stali nierówna i nie wszystkie gatunki nadają się do stawiania metalowych konstrukcji czy użytku w kuchni. Stworzono już wiele typów tego tworzywa, a każdy z nich służy do czegoś innego. Z tego artykułu dowiesz się więcej nt. rodzajów i zastosowania stali.
Stal bez wątpienia jest jednym z najpopularniejszych i najczęściej stosowanych materiałów na świecie. Wykorzystuje się ją w budownictwie, motoryzacji, gastronomii, a nawet medycynie. Jednak stal stali nierówna i nie wszystkie gatunki nadają się do stawiania metalowych konstrukcji czy użytku w kuchni. Stworzono już wiele typów tego tworzywa, a każdy z nich służy do czegoś innego. Z tego artykułu dowiesz się więcej nt. rodzajów i zastosowania stali.
Co to jest stal i jak powstaje?
Pomimo swojej popularności niewiele osób tak naprawdę wie, czym różni się stal od pozostałych metali. Na początku należy wspomnieć o tym, że jest ona stopem żelaza i węgla. Zgodnie z Polskimi Normami pierwszy składnik powinien stanowić znaczną większość mieszanki, a drugi nie więcej niż 2,11%. W przypadku większej zawartości węgla mówimy już o żeliwie. Ponadto w składzie stali pojawiają się też inne metale, pierwiastki czy wtrącenia niemetaliczne, które mogą wpłynąć na jej właściwości. Więcej na ten temat dowiesz się w dalszej części artykułu.
Do wyprodukowania stopu wykorzystuje się przeważnie dwie metody – wielkiego pieca oraz elektrycznego pieca łukowego. W pierwszym sposobie stosuje się rudę żelaza, węgiel i dodatki, z których wytwarza się tzw. surówkę. Następnie poddaje się ją świeżeniu, czyli selektywnemu utlenianiu usuwającemu niepożądane składniki w tym żużel. Mieszanka jest odlewana i np. walcowana w celu uzyskania wyrobów hutniczych jak pręty, blachy czy rury. Metoda z elektrycznym piecem łukowym opiera się na wykorzystaniu złomu stalowego z recyklingu. Topi się go za pomocą energii elektrycznej przepływającej między naładowanym materiałem a elektrodami. W związku z tym, że stal cechuje się wysoką trwałością, ilość odpadków zdatnych do przetworzenia w piecach łukowych jest stosunkowo niewielka. Przekłada się to na częstsze wykorzystanie metody wielkiego pieca.
Właściwości mechaniczne i technologiczne stali
Jak każdy materiał stal również cechuje się różnymi parametrami, które mają znaczenie dla konkretnej branży. W tym rozdziale skupimy się na charakterystyce istotnej dla budownictwa, ponieważ są w niej zawarte najważniejsze punkty. Oto one:
- Sprężystość – zdolność materiału do odzyskania pierwotnego kształtu po tym, jak przestaje działać na niego siła powodująca odkształcenia. Często podaje się również wartość granicy sprężystości. Po jej przekroczeniu tworzywo ulega trwałej deformacji i nie powraca do poprzedniej formy.
- Wytrzymałość na rozciągnięcia – poziom naprężenia spowodowany przez siłę rozrywającą.
- Plastyczność – zachowanie odkształconej formy wynikającej z działania naprężenia. Podobnie jak w przypadku sprężystości tutaj również pojawia się pojęcie granicy plastyczności. Jest to punkt, po przekroczeniu którego powstają nieodwracalne deformacje plastyczne.
- Ciągliwość – zachowanie właściwości stali w trakcie tłoczenia, zaginania, prostowania i innych rodzajów obróbki.
- Udarność – wytrzymałość na obciążenia dynamiczne.
- Twardość – siła z jaką przeciwstawia się stal podczas wciskania materiałów twardszych od niej.
- Spawalność – zdolność umożliwiająca na tworzenie trwałych połączeń za pomocą spawania. W zależności od gatunku stopu można stosować metody MAG, MIG, MIG/MAG oraz TIG. Na rynku znajdziesz wiele urządzeń przystosowanych do spawania stali, w tym spawarki marki Stamos.
Jakie są rodzaje stali?
Klasyfikacja stali wynika z wielu czynników. Jednym z najważniejszych jest skład chemiczny. Pod tym względem wyróżnia się dwa główne rodzaje: stale niestopowe i stale stopowe. To, co je rozróżnia to zawartość domieszek stosowanych w celu poprawienia lub uzyskania nowych właściwości. Kolejny powszechnie stosowany podział uwzględnia zastosowanie tworzywa. Tutaj wymienia się m.in. stale konstrukcyjne, narzędziowe czy stale specjalne w tym odporne na korozję.
Stale niestopowe
Stale niestopowe są również nazywane stalami węglowymi. W ich składzie znajdują się znikome ilości innych pierwiastków. W Polskiej Normie PN-EN 10020:2003 zawarto graniczne stężenie masowe dodatkowych składników znajdujących się w mieszance. W poniższej tabeli znajdziesz dane z obowiązujących przepisów.
| Pierwiastki chemiczne | Stężenie masowe [%] |
| Glin | < 0,3 |
| Bor | < 0,0008 |
| Bizmut | < 0,1 |
| Chrom | < 0,3 |
| Kobalt | < 0,3 |
| Krzem | < 0,6 |
| Mangan | < 1,65 |
| Miedź | < 0,4 |
| Molibden | < 0,08 |
| Nikiel | < 0,3 |
| Niob | < 0,06 |
| Ołów | < 0,40 |
| Selen | < 0,1 |
| Tellur | < 0,1 |
| Tytan | < 0,05 |
| Wanad | < 0,1 |
| Wolfram | < 0,3 |
| Inne (oprócz C, P, S, N) | < 0,05 |
Dalszy podział stali niestopowych związany jest m.in. z zawartością węgla nazywanymi stalami węglowymi. Pierwiastek wpływa na ogólną twardość i plastyczność materiału. Dlatego stosuje się go w różnych ilościach, aby uzyskać zamierzony efekt. Wyróżnia się następujące rodzaje stali:
- Stal niskowęglowa – nazywana także stalą miękką. W jej składzie znajduje się do ok. 0,3% węgla. Cechuje się dużą plastycznością i ciągliwością, a także łatwością obróbki. Stosuje się ją do tworzenia elementów wymagających tłoczenia i kształtowania.
- Stal średniowęglowa – stanowi kompromis między wytrzymałością a plastycznością. Za sprawą zawartości węgla od 0,3 do 0,6% jest twardsza od wcześniej opisywanej, a co za tym idzie trudniejsza w obróbce. Można ją za to wzmocnić przez utwardzanie i hartowanie za pomocą ciepła. Robi się z niej części samochodowe.
- Stal wysokowęglowa – najmocniejsza z tego podziału. Duża zawartość węgla (do 0,6%) wpływa na odporność na cięcie i wyginanie tego stopu. Dlatego idealnie nadaje się do produkcji np. sprężyn. Można ją poddać obróbce cieplnej w celu utwardzenia, jednak wiąże się to ze zwiększeniem podatności na kruszenie.
Stal stopowa
Zdarza się, że istnieje potrzeba zastosowania materiału o określonych właściwościach, których nie ma zwykła stal niestopowa. W tym celu podczas produkcji tworzywa dodaje się pierwiastki nadające nowe cechy. Tym właśnie jest stal stopowa. Zgodnie z Polskimi Normami zawartość jednego dodatkowego składnika powinna być równa lub większa od tej zawartej w tabeli z dopuszczalnym stężeniem masowym. Jakie korzyści płyną z zastosowania domieszek?
- Podwyższa się hartowność stali.
- Uzyskuje się określone własności wytrzymałościowe.
- Następują zmiany w strukturze stopu.
- Obróbka termiczna przebiega łatwiej i daje lepsze efekty.
- Stal nabiera nowych własności chemicznych i fizycznych.
To, które parametry zostaną poprawione za pomocą domieszek stopowych, zależy od wybranego pierwiastka. Każdy z nich daje inne własności. Często korzysta się z kilku dodatków jednocześnie, w celu uzyskania kompletnie nowych cech. Oto kilka z popularniejszych pierwiastków stosowanych do produkcji stali stopowych:
- Chrom – poprawia wytrzymałość, twardość oraz udarność materiału. W niektórych rodzajach np. stalach narzędziowych wpływa pozytywnie na hartowność. Z kolei w stalach nierdzewnych odpowiada za odporność na korozję.
- Nikiel – nadaje podobne własności jak Cr. Ponadto zmniejsza temperaturę progu kruchości. W połączeniu z chromem i molibdenem poprawia hartowność stali.
- Mangan – również zwiększa twardość i wytrzymałość. Z drugiej strony zmniejsza plastyczność stopu. Wpływa to na podwyższenie granicy sprężystości oraz wzmocnienie odporności na ścieranie.
- Krzem – dodaje się go do surówki ze względu na właściwości odtleniające. Podnosi wytrzymałość i twardość.
- Molibden – stosowany w celu zwiększenia hartowności stali. Zmniejsza też jej kruchość po wysokim odpuszczeniu.
Stal stopową można podzielić ze względu na ilość dodatków wykorzystanych do jej stworzenia. Występują trzy rodzaje:
- Stal niskostopowa – zawartość głównego dodatku jest mniejsza niż 2%, a suma wszystkich domieszek nie przekracza 3,5%.
- Stal średniostopowa – zawartość głównego dodatku wynosi od 2 do 8%, a suma wszystkich domieszek nie przekracza 12%.
- Stal wysokostopowa – zawartość głównego dodatku jest wyższa niż 8%, a suma wszystkich domieszek nie przekracza 55%.
Podział stali ze względu na zastosowanie
Bardzo szerokie wykorzystanie stali w różnych branżach sprawia, że można ją podzielić ze względu na zastosowanie. Każdy rodzaj wyróżnia się innymi cechami mechanicznymi i technologicznymi, które pozwalają realizować różne zadania.
Stal konstrukcyjna stanowi jeden z przykładów tego podziału. Ja sama nazwa wskazuje, stosuje się ją do wykonywania konstrukcji, ale też części maszyn czy wzmacniania innych stopów. Wyróżnia się szereg rodzajów stali konstrukcyjnej:
- stale konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia
- stale konstrukcyjne wyższej jakości
- stale konstrukcyjne niskostopowe
- stale konstrukcyjne do nawęglania
- stale konstrukcyjne do azotowania
- stale konstrukcyjne do ulepszania cieplnego
- stale konstrukcyjne sprężynowe
- stale konstrukcyjne automatowe
- stale konstrukcyjne łożyskowe
- stale konstrukcyjne transformatorowe
Kolejnym popularnym typem są stale narzędziowe. Wyróżniają się one bardzo dużą twardością i odpornością na ścieranie. Nie odkształcają się nawet po długim użytkowaniu oraz są niewrażliwe na przegrzania. Dlatego stosuje się je do produkcji narzędzi, przyrządów pomiarowych i nie tylko. Stosunkowo duża zawartość węgla, a także odpowiednia obróbka cieplna umożliwiają uzyskanie tych własności. Podział stali narzędziowych wygląda następująco:
- stale narzędziowe węglowe
- stale narzędziowe stopowe
- do pracy na zimno
- do pracy na gorąco
- szybkotnące
Do stali specjalnych zalicza się stopy zawierające bardzo dużo dodatkowych pierwiastków. Wyróżniają się bardzo specyficznymi parametrami i wymagają skomplikowanej obróbki cieplnej. Często do tej grupy zalicza się stale cechujące się wysoką odpornością na konkretne czynniki zewnętrzne. Poniżej znajdziesz przykładowe stale specjalne:
- stal nierdzewna
- stal austenityczna
- stal ferrytyczna
- stal martenzytyczna
- stal duplex
- stal kwasoodporna
- stal żarowytrzymała
- stal żaroodporna
- stal magnetyczna
Oznaczenia stali. Czyli jak rozpoznać gatunek stali?
Jeżeli nie jesteś profesjonalnym hutnikiem i nie umiesz na pierwszy rzut oka powiedzieć, z którym gatunkiem stali masz do czynienia, to na szczęście nie musisz się martwić. W celu ułatwienia rozpoznawania różnych rodzajów stopów wprowadzono specjalne oznaczenia mówiące o zastosowaniu oraz mechanicznych właściwościach tworzywa. Składają się one z dwóch głównych symboli oraz przynajmniej jednego dodatkowego. Pierwszy element informuje o tym, do czego jest przeznaczona dana stal. Wykorzystuje się w tym celu dużą literę alfabetu łacińskiego. Poniżej znajdziesz oznaczenia dla poszczególnych rodzajów stopów:
- S – stal konstrukcyjna
- L – stal na rury przewodowe
- B – stal na pręty zbrojeniowe do betonu
- R – stal na szyny
- Y – stal na struny sprężające
- P – stal na urządzenia ciśnieniowe
- G – staliwo
Drugim symbolem są trzycyfrowe liczby określające minimalną granicę plastyczności Re (MPa). Dla większości stali przyjmuje się ją dla wyrobów o grubości mniejszej niż lub równej 16 mm. Wyjątek stanowią ulepszane na ciepło stale stopowe. Dla nich ta wartość wynosi maks. 5 mm. W stali konstrukcyjnej min. granica plastyczności wynosi zwykle 235, 275, 355, 420 lub 460 MPa. Warto wspomnieć, że dla stopów z oznaczeniami R i Y opisywana trzycyfrowa liczba odnosi się do minimalnej wytrzymałości na rozciąganie Rm (MPa).
Ostatni, dodatkowy symbol stali konstrukcyjnej zależy od jej rodzaju. W przypadku stali niestopowej stosuje się dwa znaki. Pierwszy związany jest z plastycznością wyrażoną uśrednioną pracą łamania w danej temperaturze. Dla pracy o sile 24 J w temperaturach 20°C, 0°C i -20°C wykorzystuje się odpowiednio JR, J0 i J2. Jeżeli wartość pracy wynosi 40 J, a temperatura jest taka sama, wtedy zamiast J używa się K (KR, K0, K2). Drugim symbolem dodatkowym jest Gn, przy czym n może wynosić od 1 do 4:
- G1 – stal nieuspokojona
- G2 – stal półuspokojona
- G3 – stan uspokojony
- G4 – stan określa wytwórca
Tak wyglądają przykładowe oznaczenia dla stali niestopowych konstrukcyjnych: S235J0, S235J2G3, S355K2G3.
Podobne oznaczenia stosuje się do stali stopowych trudno rdzewiejących. Różnica polega na zastosowaniu na końcu znaku W lub WP, który oznacz podwyższoną zawartość fosforu. Przykłady: S355J2WP, S355J0W, S355J2G1W, S355K2G1W.
Dla stali stopowej drobnoziarnistej również korzysta się z innych symboli dodatkowych. Pierwszy z nich wskazuje na stan dostawy:
- N – stal normalizowana lub walcowana normalizująco
- M – stal walcowana termomechanicznie
- Q – stal ulepszona cieplnie
- A – stal utwardzona wydzieleniowo
Z kolei drugi znak (L, L1, L2) określa pracę łamania dla stopów z oznaczeniami dodatkowymi N, M, Q. Przykłady dla stali stopowej drobnoziarnistej: S275M (lub ML), S355M (lub ML).
Oznaczenia stali nierdzewnych, kwasoodpornych oraz żaroodpornych są szczególnie ciekawe. Na świecie istnieje wiele różnych norm dotyczących symboli przypisanych do gatunków tego stopu. Dlatego w zależności od tego, gdzie szukasz, możesz natrafić na inne znaki określające ten sam rodzaj. Np. stal austenityczna z Polską Normą 1H18N9 w Niemczech ma oznaczenie X10CrNi18-8. Na szczęście w sieci znajdziesz ogólnodostępne tabele gatunków stali nierdzewnych i nie tylko zawierające wszystkie potrzebne dane ułatwiające ich identyfikację.
Ile metod wytwarzania, tyle rodzajów stali
Na temat stali, jej gatunków, właściwości i wszystkich wątków z nią powiązanych można pisać w nieskończoność. Zwłaszcza że wraz z rozwojem technologii liczba nowych rodzajów stopów z pewnością będzie rosła. Na szczęście posiadasz już najpotrzebniejszą wiedzę dotyczącą stali, więc nowinki w tej sferze nie powinny stanowić dla Ciebie kłopotu.
Udostępnij