Stal

Profesjonaliści z branży często mówią o stali również tak, że znajduje się w pewnej fazie produkcji (wtedy chodzi o cementyt, ledeburyt, perlit, austenit, ferryt α), które są opisane w fazowym diagramie binarnym żelazo-węgiel w szeregu struktur (sorbit, martenzit, bainit), które opisują tzw. diagramy IRA (lub ARA).

W praktyce technicznej i chemicznej wyrażeń „żelazo“ używa się zwykle tylko do specyfikacji pierwiastka chemicznego, ewentualnie chemicznie czystego żelaza jako takiego. Gdybyśmy jednak mówili o technicznych stopach, to o nich mówi się zawsze jako o „stalach“ lub „żeliwach“ (te pojęcia znane są dobrze również laikom i użytkownikom).

Jak się produkuje stal?

Gdy nie liczymy starożytności i średniowiecza, to nowoczesne czasy przyniosły liczne zmiany także do tego procesu. Chodzi dzisiaj ponownie o proces metalurgiczny, w ramach którego z tzw. „surowego żelaza“ (które jak wiadomo jest produkowane w wielkim piecu) uzyskuje się na koniec stop węgla, żelaza i innych pierwiastków chemicznych. Podczas procesu obniża się zawartość węgla i zanieczyszczeń (w pierwszym rzędzie siarki i fosforu) do pewnego poziomu + dodaje się także inne pierwiastki stopowe poprawiające właściwości stali (nikiel, chrom, aluminium, mangan, krzem, …).

Czym jest chemiczne obróbka cieplna stali?

Co się tyczy procesu chemiczno-cieplnej obróbki stali, to zawiera wiele stylów dalszej obróbki, w jego ramach nasyca się powierzchnię stali innymi pierwiastkami. Zmienia to skład chemiczny w górnych warstwach danej części stalowej (zwykle przy podwyższeniu temperatury i za pomocą innego pierwiastka typu węgiel czy azot – lub też ich kombinacji). Celem logicznie jest, aby dla danego konkretnego typu stali osiągnąć przez producenta wymagane parametry: zwłaszcza chodzi o zwiększenie odporności na zmęczenie i zużycie, zwiększenie odporności na korozję, zwiększenie odporności na wysokie temperatury, twardości, …

Dziś najczęściej stosowanymi metodami chemiczno-cieplnej obróbki są te:

• Karbonitrydowanie
• Borowanie
• Siarkowo-azotowanie – to jest nasycanie powierzchni stali zarówno azotem, jak i siarką jednocześnie.
• Azotowanie – obejmuje nasycanie powierzchni stali, jednak wyłącznie azotem.
• Nitrocementacja – tutaj chodzi o nasycanie powierzchni stali azotem i węglem jednocześnie.
• Szerydowanie – to z kolei nasycanie powierzchni elementów stalowych cynkiem.
• Sulfinizacja – wyłącznie chodzi o nasycanie powierzchni stali siarką.
• Cementowanie – to z kolei nasycanie powierzchni stali niskowęglowej węglem (choć tylko do 0,25 %).

Jakie właściwości ma stal?

Każdy wie, że stal (a tym bardziej żelazo) jest w naszej cywilizacji najczęstszym materiałem metalicznym. Gdy ustopimy ją węglem lub innym materiałem (i przyspieszymy wszystko procesem cieplno-mechanicznym i cieplnym), nagle mamy tutaj inne właściwości stali. I to nawet w niespodziewanie dużym zakresie. To oczywiście daje szerokie pole poszczególnym producentom, jak właśnie swoje stalowe produkty dopracować do prawdziwej doskonałości (inaczej mówiąc, każdy typ i podtyp stali można użyć tylko do zastosowań, w których rzeczywiście błyszczą).

Jakie mają właściwości fizyczne stal (średnio)?

Gdy najpierw rozważymy skład strukturalny stali, to te są tradycyjnie opisane w binarnym diagramie z pierwiastkami żelazo-węgiel. Standardowa gęstość stali wynosi 7850 kg/m³. Jej pojemność cieplna (jest to ilość ciepła, które jest potrzebne do ogrzania 1 kilograma danej substancji o 1 stopień Celsjusza) z kolei sięga około 469 J·kg-1·K-1 (w dużej mierze zależy od zawartości innych domieszek). Punkt topnienia dla stali wynosi z kolei około 1539 °C.

Właściwości fizyczne stali

Te zależą ponownie bardzo mocno od tego, jaką masę ma stal, ale również od zawartości węgla, więc poniższe wartości nie zawsze obowiązują i nie w każdej sytuacji – to tylko orientacyjne wartości.

• Liczba Poissona – v = 0,3
• Moduł sprężystości – E = 210 000 MPa
• Moduł sprężystości ścinanej – G = 81 000 MPa

Jakie dzisiaj produkuje się i używa rodzaje stali?

Do dzisiaj liczba produkowanych stali jest bardzo wysoka (ogółem około 2500 typów i wariantów!). Są one dalej określone i podzielone w ramach poszczególnych norm (DIN, ČSN, ...) według typu (czyli składu chemicznego), dalej według struktury, ale także według ich właściwości fizycznych i mechanicznych.

Z kolei według dalszego składu chemicznego stal dzieli się na te grupy:

Stale niestopowe

Czasami nazywa się je „stali węglowych“. W nich zawartość niektórych pierwiastków stopowych jest niższa niż ich maksymalna tabelaryczna wartość dla danego pierwiastka. Obowiązuje, że dla przeważającej większości pierwiastków, których to dotyczy chodzi o maksymalnie o masowy udział około 2 %. I właściwości mechaniczne wszystkich stali węglowych można oczywiście modyfikować dalszą obróbką: przez obróbkę cieplną (hartowanie, odpuszczanie, żarzenie), cieplno-mechaniczną i cieplno-chemiczną (azotowanie i cementowanie).

Stale niskostopowe

Dla tych obowiązuje, że po odjęciu zawartości węgla, ich zawartość węgla jest mniejsza niż 5 %. Są podobne pod względem właściwości do stali niestopowych, ale nadają się także do dalszej obróbki cieplnej (poprzez obróbkę cieplną można bowiem zmieniać ich właściwości mechaniczne). Jak zwiększa się zawartość węgla, rośnie także ich twardość po hartowaniu (i to aż do zawartości 0,85 % masy węgla). Dalsze hartowanie nie przynosi korzyści, ponieważ twardość potem już się nie zwiększa. Ale zawartość węgla również mówi o wytrzymałości stali (tu obowiązuje proporcjonalność bezpośrednia = im wyższa zawartość węgla, tym stal jest wytrzymalsza).

Dla przykładu – kiedyś w Polsce produkowano lemiesze do pługów ze stali typu 11700, gdzie producent twierdził, że nie trzeba ich hartować, ponieważ stal o tym składzie węgla jest wystarczająco twarda sama w sobie.

Stale wysokostopowe

Gdy zawartość pierwiastków stopowych przekracza w sumie granicę 5 %, stal określa się jako wysokostopowa. Tutaj również każdy pierwiastek wpływa na właściwości końcowego produktu.

Jak się dzieli stal według obszaru zastosowania?

• Stal damasceńska – to stal przeznaczona głównie do produkcji ostrzy wszelkiego typu (miecze, szable, noże, …), która jest sprężysta i wytrzymała. Paradoksalnie, ten typ nie jest złożony z jednej stali, ale z kilku i to zgrzanych na ogniu za pomocą kowalstwa (technicznie jest to łączenie na gorąco).
• Stale narzędziowe – węglowe, wysoko i średnio stopowe. Mają przedrostek „19“.
• Stale odporne na korozję, temperaturę i rozciąganie – zawsze są to stale wysokostopowe, gdzie jest dużo niklu (zapewnia odporność na kwasy) i chromu (gdy jest go co najmniej 8 %, zapobiega korozji).
• Stale do ulepszania – to są typy, które mają średnią zawartość węgla i które są jeszcze hartowane, aby osiągnąć wymagane właściwości przy zachowaniu tych dobrych istniejących.
• Blachy głębokotłoczne – używane wyłącznie do produkcji tzw. blach głębokotłocznych.
• Stale do blachy elektrotechnicznej – aby można je było przetworzyć i użyć jako rdzeń transformatora (i maszyn obracających), muszą zapewniać określone parametry i właściwości magnetyczne. Mają od 1 do 4,5% krzemu i mało węgla.
• Stale do cementowania – niska zawartość węgla, ale po hartowaniu z doskonałymi parametrami mechanicznymi. Powierzchnia jest u nich jeszcze przy dalszym hartowaniu wzbogacana węglem.
• Stale na sprężyny – znana jako stal sprężynowa lub stal sprężysta. U tych warunkiem użycia jest dobra statyczna i mechaniczna wytrzymałość i super wysoka żywotność na zmęczenie materiału.
• Stale zbrojeniowe – znajdziesz je w prętach w branży budowlanej lub w drutach zbrojeniowych.
• Stale maszynowe – stale węglowe z podwyższoną zawartością siarki i manganu lub nawet ołowiu. Mają dobrą obrabialność, a ich wióry łatwo się łamią.
• Stale konstrukcyjne – typowo niestopowe i dla branży budowlanej oraz inżynieryjnej.

Gdzie dziś wykorzystuje się stal?

Pewnie sami to wiecie – wystarczy przejechać gdzieś koło placu budowy i na pewno nie umknie to Waszej uwadze, że tutaj buduje się za pomocą właśnie stalowych elementów nośnych. Jedynym słowem, stal jest wykorzystywana na konstrukcje nośne budynków. Stal, w porównaniu z innymi materiałami, jest stosunkowo bardzo wytrzymała i jednocześnie sprężysta oraz ma niską masę. W przypadku konstrukcji mocno obciążonych (i wielorozpiętych) nie można wybrać inaczej. Wiedząc, że konstrukcje mocno obciążone oraz hale, do tego wszystkiego stal nadaje się wspaniale. Bardzo często egzemplarze stali można dziś spotkać jako mosty, schody, kładki nad rzekami i inne. Należy jednak podkreślić, że stal ma także swój duży wpływ estetyczny (dlatego często sięgają po nią również rzeźbiarze oraz architekci domów i ogrodów).

Fragmenty stali są dziś bardzo powszechnie używane również jako złącza / wzmacniające inne konstrukcje (szczególnie szklane, drewniane i betonowe). Znajdują swoje zastosowanie również w różnych specjalnych i bardziej złożonych formach unikalnych budowli (architekci muszą liczyć z tym, że gdy na przykład niskostopowy kawałek stali się nagrzeje, jego granica plastyczności i granica wytrzymałości zmniejszają się w zasadzie o połowę). W stal się dziś często wykorzystuje jako mocne zbiorniki / silosy / rurociągi, gdzie to ma sens, lub jest to potrzeba (przemysł, energetyka, …). Bez stali oczywiście nie obejdzie się też żadna sekcja przemysłu maszynowego.

Na korzyść stali mówi także to, że łatwo je w pełni poddać recyklingowi (obniża zużycie energii o 75% podczas przetwarzania!) i bardzo łatwo wzmacnia się lub ewentualnie poprawia ich konstrukcję.

Na poniższych linkach można zobaczyć poszczególne rodzaje stali, z którymi można się spotkać w naszym sklepie internetowym, zwłaszcza przy nożach, ale także przy maczetach i wielofunkcyjnych narzędziach, niektórych narzędziach lub na przykład przy menażkach i innych naczyniach turystycznych:

• 440A
• 440B
• 440C
• 8CrMoV
• AUS 8
• CrNi 1810
• D2
• Niolox
• PGK
• Sleipner

Uwaga na koniec: w niektórych nożach można spotkać się również z ceramicznym ostrzem.