Stal jest stopem żelaza z węglem, którego zawartość nie przekracza 2,11%, oraz z niewielkimi ilościami innych pierwiastków. Jej rodzaj zależy przede wszystkim od składu chemicznego, struktury, właściwości użytkowych i przeznaczenia. Właściwy gatunek wpływa między innymi na wytrzymałość, twardość, plastyczność, spawalność i odporność na korozję.
Czym jest stal i dlaczego dzieli się ją na rodzaje?
W ujęciu normowym stal to stop żelaza z węglem o zawartości węgla do 2,11% masy. Po przekroczeniu tej granicy materiał klasyfikuje się jako żeliwo. O właściwościach stali decydują jednak nie tylko żelazo i węgiel, lecz także dodatki stopowe, zanieczyszczenia, sposób obróbki oraz struktura metalograficzna.
Istnieje ponad 3500 gatunków stali. Tak duża różnorodność wynika z potrzeby uzyskania materiałów do odmiennych zastosowań – od belek i rur, przez koła zębate i sprężyny, aż po narzędzia, elementy instalacji chemicznych i wyroby medyczne. Dlatego nazwa „stal” nie określa jeszcze, czy materiał nadaje się do spawania, hartowania, pracy w wysokiej temperaturze albo kontaktu z wilgocią.
Podstawowa klasyfikacja przebiega według składu chemicznego. Wyróżnia się stale niestopowe i stopowe. Drugi podział uwzględnia zastosowanie. W tej grupie znajdują się między innymi stale konstrukcyjne, narzędziowe, nierdzewne, sprężynowe, łożyskowe i żaroodporne.
Jakie są główne grupy stali?
Najczęściej używany podział łączy kryterium składu z przeznaczeniem. Poszczególne grupy częściowo się nakładają. Na przykład stal nierdzewna jest stalą stopową, a stal narzędziowa może być zarówno niestopowa, jak i stopowa.
| Grupa stali | Charakterystyka | Główne zastosowanie |
|---|---|---|
| Stal niestopowa, czyli węglowa | Zawiera przede wszystkim żelazo i węgiel, a ilości pozostałych pierwiastków nie przekraczają wartości granicznych dla stali niestopowej. | Konstrukcje, blachy, rury, elementy maszyn, części samochodowe |
| Stal stopowa | Zawiera dodatki w ilościach nadających materiałowi określone właściwości, takie jak większa hartowność, odporność na zużycie lub korozję. | Przemysł maszynowy, energetyka, motoryzacja, instalacje i konstrukcje specjalne |
| Stal narzędziowa | Wyróżnia się dużą twardością, odpornością na ścieranie i możliwością zachowania właściwości po obróbce cieplnej. | Wiertła, frezy, noże, matryce, wykrojniki, formy |
| Stal nierdzewna | Zawiera odpowiednią ilość chromu, który umożliwia powstawanie warstwy pasywnej ograniczającej korozję. | Budownictwo, przemysł spożywczy, chemia, medycyna, urządzenia i wyposażenie |
Stal konstrukcyjna nie tworzy odrębnej kategorii chemicznej. Jest określeniem funkcjonalnym dla gatunków przeznaczonych do wykonywania konstrukcji i części przenoszących obciążenia. Może być niestopowa, niskostopowa albo wysokostopowa.
Czym charakteryzują się stale niestopowe?
Stale niestopowe, nazywane też węglowymi, zawierają węgiel oraz niewielkie ilości innych pierwiastków. Zgodnie z klasyfikacją stosowaną w normach PN-EN o zakwalifikowaniu materiału do tej grupy decydują wartości graniczne zawartości poszczególnych dodatków. Przykładowo limit dla manganu wynosi 1,65%, dla krzemu 0,5%, dla chromu i niklu 0,3%, a dla molibdenu 0,08%.
Największy wpływ na zachowanie stali niestopowej ma węgiel. Jego większa zawartość zwykle podnosi twardość, wytrzymałość i hartowność, ale zmniejsza plastyczność, ciągliwość oraz spawalność. Granice zawartości węgla w poniższym podziale są orientacyjne, ponieważ konkretne normy gatunków mogą stosować odmienne zakresy:
- Stal niskowęglowa – zawiera zwykle do około 0,25–0,30% węgla. Jest plastyczna, ciągliwa i łatwa w obróbce. Stosuje się ją do blach, rur, profili, elementów giętych i konstrukcji spawanych.
- Stal średniowęglowa – zawiera około 0,25–0,60% węgla. Łączy większą wytrzymałość z umiarkowaną plastycznością. Wykonuje się z niej między innymi osie, wały, koła zębate i części samochodowe.
- Stal wysokowęglowa – zawiera około 0,60–2,11% węgla. Po obróbce cieplnej może osiągać dużą twardość i odporność na zużycie, ale jest mniej plastyczna oraz trudniejsza w spawaniu. Używa się jej do sprężyn, drutów i wybranych narzędzi.
W praktyce dobór stali węglowej zależy od tego, czy ważniejsza jest łatwość gięcia i spawania, czy odporność na obciążenia i ścieranie. Gatunek o większej zawartości węgla nie jest automatycznie lepszy, ponieważ może wymagać bardziej wymagającej obróbki i zabezpieczenia przed pękaniem.
Jak dodatki stopowe zmieniają właściwości stali?
Stal stopowa zawiera co najmniej jeden pierwiastek w ilości osiągającej wartość graniczną określoną w normie. Dodatki mogą zmieniać strukturę materiału, zwiększać hartowność, poprawiać odporność na ścieranie lub umożliwiać pracę w podwyższonej temperaturze. Ostateczny efekt zależy od rodzaju pierwiastka, jego stężenia, zawartości węgla i zastosowanej obróbki cieplnej.
Najczęściej spotykane pierwiastki stopowe pełnią następujące funkcje:
- Chrom – zwiększa twardość, wytrzymałość i hartowność. W odpowiedniej ilości tworzy podstawę odporności korozyjnej stali nierdzewnych.
- Nikiel – poprawia ciągliwość i odporność na kruche pękanie, zwłaszcza w niższych temperaturach. W połączeniu z chromem stabilizuje struktury odporne na korozję.
- Mangan – zwiększa wytrzymałość, hartowność i odporność na ścieranie. Jego większa zawartość może jednak ograniczać plastyczność.
- Molibden – poprawia hartowność, odporność na odpuszczanie i pracę w podwyższonej temperaturze. W stalach nierdzewnych zwiększa odporność na korozję wżerową.
- Krzem – działa odtleniająco, a także podnosi wytrzymałość i twardość.
- Wanad i wolfram – sprzyjają uzyskaniu dużej twardości oraz odporności na ścieranie. Są ważne między innymi w stalach narzędziowych.
Stale stopowe dzieli się także według ilości dodatków na niskostopowe, średniostopowe i wysokostopowe. W tej klasyfikacji znaczenie ma nie tylko masa pojedynczego pierwiastka, lecz również suma wszystkich dodatków. Szczegółowe progi należy sprawdzać w normie właściwej dla danego gatunku.
Przykładem stali niskostopowej jest 42CrMo4. Oznaczenie wskazuje na obecność chromu i molibdenu, a materiał po właściwej obróbce cieplnej może uzyskać wysoką wytrzymałość i hartowność. Nie oznacza to jednak, że sam zapis zastępuje wymagania dotyczące stanu dostawy, wymiarów czy parametrów mechanicznych.
Stale nierdzewne i specjalne – czym się różnią?
Stale nierdzewne należą do wysokostopowych stali odpornych na korozję. Ich podstawowym dodatkiem jest chrom, który na powierzchni tworzy cienką, samoczynnie odnawiającą się warstwę pasywną. Odporność nie jest jednak absolutna. Zależy od składu, środowiska, temperatury, stanu powierzchni i obecności takich czynników jak chlorki.
Ze względu na strukturę wyróżnia się cztery główne grupy:
Stale austenityczne
Są zwykle niemagnetyczne w stanie wyżarzonym, dobrze plastyczne i łatwe do kształtowania. Nie utwardza się ich przez klasyczne hartowanie, lecz mogą umacniać się podczas odkształcenia. Typowe gatunki to 1.4301, znany jako AISI 304, oraz 1.4401, odpowiadający AISI 316. Ten drugi zawiera molibden i lepiej znosi środowisko zawierające chlorki.
W grupie elementów złącznych spotyka się oznaczenia A2 i A4. A2 odpowiada najczęściej stalom chromowo-niklowym do typowych warunków atmosferycznych. A4, dzięki dodatkowi molibdenu, jest przeznaczona do bardziej wymagających środowisk, ale jej odporność także ma swoje granice.
Stale ferrytyczne
Stale ferrytyczne są magnetyczne i nie podlegają hartowaniu przez chłodzenie z wysokiej temperatury. Zwykle mają mniejszą plastyczność niż stale austenityczne, ale dobrze znoszą niektóre środowiska utleniające i mogą być korzystne kosztowo. Stosuje się je między innymi w urządzeniach, elementach wyposażenia i wybranych częściach motoryzacyjnych.
Stale martenzytyczne
Można je hartować, dzięki czemu osiągają dużą twardość i wytrzymałość. Są magnetyczne, ale na ogół mniej odporne na korozję niż stale austenityczne. Wykorzystuje się je do produkcji noży, narzędzi, elementów zaworów i części narażonych na ścieranie.
Stale duplex
Łączą strukturę austenityczną i ferrytyczną. Zapewniają wysoką wytrzymałość, dobrą odporność na korozję wżerową oraz odporność na korozję naprężeniową. Stosuje się je w instalacjach chemicznych, energetyce, przemyśle morskim i innych środowiskach o podwyższonych wymaganiach.
Do stali specjalnych zalicza się również stale żaroodporne, żarowytrzymałe, odporne na ścieranie, magnetyczne oraz stale narzędziowe. W ich przypadku nazwa opisuje konkretną właściwość użytkową, a nie zawsze jedną, zamkniętą grupę pod względem składu.
[
Jak czytać oznaczenia gatunków stali?
Oznaczenia według systemu PN-EN mogą opisywać przeznaczenie, właściwości mechaniczne, skład chemiczny albo stan dostawy. Przed wyborem materiału trzeba sprawdzić właściwą normę wyrobu, ponieważ znaczenie cyfr i liter zależy od rodzaju stali.
Dobrym przykładem jest oznaczenie S355J2. Litera S oznacza stal konstrukcyjną. Liczba 355 odnosi się do minimalnej granicy plastyczności Re wynoszącej 355 MPa dla określonego zakresu grubości wyrobu, zwykle do 16 mm. Symbol J2 wskazuje wymaganie dotyczące udarności, czyli pracy łamania 27 J w temperaturze −20°C. Nie jest to oznaczenie odporności na korozję.
| Symbol | Znaczenie | Przykładowe zastosowanie lub informacja |
|---|---|---|
| S | Stal konstrukcyjna | Elementy konstrukcji stalowych |
| L | Stal na rury przewodowe | Rurociągi i przewody |
| B | Stal na pręty zbrojeniowe | Zbrojenie betonu |
| P | Stal na urządzenia ciśnieniowe | Zbiorniki i elementy pracujące pod ciśnieniem |
| R | Stal na szyny | Transport szynowy |
| Y | Stal na struny sprężające | Elementy sprężające w konstrukcjach betonowych |
W oznaczeniach konstrukcyjnych mogą występować także symbole JR, J0 i J2. Informują one o wymaganej pracy łamania w temperaturze odpowiednio +20°C, 0°C i −20°C, przy wartości 27 J. Oznaczenia KR, K0 i K2 stosuje się przy wymaganiu pracy łamania 40 J. Dodatkowy symbol G może informować o stanie uspokojenia stali lub pozostawiać sposób wytworzenia do określenia przez producenta.
W przypadku stali drobnoziarnistych spotyka się między innymi litery N, M i Q. Oznaczają one odpowiednio stal normalizowaną lub walcowaną normalizująco, walcowaną termomechanicznie oraz ulepszoną cieplnie. Litera W na końcu oznaczenia może wskazywać stal trudno rdzewiejącą, zgodnie z właściwą normą.
Stale stopowe często mają oznaczenia opisujące skład, na przykład 42CrMo4. W systemie numerów materiałów ten sam gatunek może występować jako numer zaczynający się od 1. Dlatego przy zamawianiu materiału trzeba porównywać pełne oznaczenie, numer materiału, normę oraz stan dostawy, a nie tylko potoczną nazwę.
Najczęstsze pytania o rodzaje stali
Na podstawowe wątpliwości można odpowiedzieć krótko:
- Czym różni się stal czarna od nierdzewnej? Stal czarna to potoczne określenie zwykle niestopowej lub niskostopowej stali o niewielkiej odporności na korozję. Stal nierdzewna zawiera chrom i jest projektowana do pracy w środowiskach, w których potrzebna jest większa odporność korozyjna.
- Czy stal nierdzewna jest odporna na każdą substancję? Nie. Jej odporność zależy od gatunku i środowiska. Chlorki, kwasy, szczeliny, wysoka temperatura oraz zanieczyszczenia powierzchni mogą prowadzić do korozji.
- Co oznacza stal uspokojona? Jest to stal, z której podczas wytwarzania usunięto rozpuszczone gazy, przede wszystkim tlen, przez zastosowanie odpowiednich dodatków odtleniających. Ma bardziej jednorodną strukturę i przewidywalne właściwości niż stal nieuspokojona.
- Czy stal narzędziowa zawsze jest wysokowęglowa? Nie. Występują stale narzędziowe węglowe i stopowe, a ich właściwości wynikają także z dodatków oraz obróbki cieplnej. Do tej grupy należą stale do pracy na zimno, na gorąco i szybkotnące.
Najważniejsza zasada doboru jest prosta: najpierw określ obciążenie, temperaturę, środowisko i technologię wykonania, a dopiero potem wybierz gatunek. Samo określenie „stal konstrukcyjna”, „czarna” czy „nierdzewna” nie zastępuje pełnego oznaczenia normowego.
