Najważniejsze parametry techniczne stali

Stal to jeden z najważniejszych materiałów wykorzystywanych w zastosowaniach przemysłowych, ponieważ za sprawą swoich właściwości może spełniać bardzo różne funkcje, wymagające nieraz zupełnie innych parametrów użytkowych. Swą wszechstronność stal zawdzięcza zarówno stosowanym do uzyskania rozmaitych stopów dodatkom, jak i podatności na procesy technologiczne oraz metody poprawiania najistotniejszych cech.

Znaczenie poszczególnych charakterystyk konkretnego gatunku zależy ściśle od sposobu, w jaki ma zostać wykorzystana oraz planowanych metod obróbki stali i ewentualnego ulepszania. Wśród najbardziej znaczących pozycji w specyfikacji danego gatunku stali główną rolę odgrywają zwykle jej właściwości mechaniczne, np. twardość czy udarność, oraz procesy, jakim można ją poddawać, m.in. spawanie i hartowanie. Przekonajmy się, które z licznych parametrów technicznych stali mają szczególnie duże znaczenie i zobaczmy, co się z nimi wiąże.

Własności fizykochemiczne, mechaniczne oraz podatność technologiczna stali

Stal powstaje jako połączenie żelaza i węgla, a także dodatków w postaci innych metali, spośród których najczęściej wykorzystuje się chrom, nikiel, krzem, mangan, molibden, wolfram, tytan, wanad oraz aluminium, niob i kobalt. Parametry stali zależą ściśle od proporcji, w których zostały połączone poszczególne składniki, a także od zawartości innych pierwiastków, których śladowe ilości pozostają w niej po wytopie. Stale, które zawierają wyłącznie węgiel i żelazo oraz pewną ilość zanieczyszczeń nazywane są węglowymi, zaś te, do których wprowadzono inne metale – stalami stopowymi. Zawartość dodatków w stalach stopowych może być różna i sięgać od kilku do kilkudziesięciu procent. W stalach niskostopowych będzie to do 3,5%, a w wysokostopowych nawet 55%.

Zastosowania stali obejmują ogromną ilość sposobów jej wykorzystania, jednak najbardziej ogólny podział rozróżnia stale konstrukcyjne oraz narzędziowe. W obu grupach znajdują się zarówno stale węglowe, jak i stopowe. Przydatność stali do konkretnej aplikacji określa się na podstawie jej właściwości fizykochemicznych, mechanicznych oraz przydatności technologicznej. W przypadku właściwości fizykochemicznych ważną rolę może odgrywać m.in. rozszerzalność cieplna, która wskazuje na zakres zmian wymiarów elementów wykonanych z konkretnego gatunku stali w razie jej ogrzania albo ochłodzenia, czy przewodność cieplna i elektryczna, pokazująca jak szybko element wykonany z danej stali będzie się rozgrzewał i ochładzał oraz jaki jest jego opór przy przewodzeniu ładunków elektrycznych. Bardzo istotna może być wytrzymałość na działanie środków chemicznych, pokazująca np. odporność na różne rodzaje korozji.

Jeśli chodzi o właściwości mechaniczne stali, to są one uzależnione od budowy krystalicznej konkretnego stopu, czyli od sposobu, w jaki są ułożone w sieć tworzące go atomy. Przy wyborze gatunku stali na konkretny element konstrukcyjny najczęściej zwraca się uwagę m.in. na wytrzymałość statyczną, charakterystykę zmęczeniową, wydłużenie względne związane z plastycznością i ciągliwością, a także twardość i udarność, czyli odporność na pękanie.

Wytrzymałość stali pokazuje, w jakim stopniu jest ona odporna na działające na nią siły. Im wyższa wytrzymałość, tym mniejsza szansa na odkształcenie metalu wskutek obciążeń ściskających, zginających, skręcających, a także rozciągających. Wytrzymałość przekłada się również na odporność na obciążenia statyczne, czyli równomierne i działające w długim horyzoncie czasowym oraz dynamiczne, oddziałujące krótkotrwale w efekcie udaru albo rozłożonych w czasie serii krótkich oddziaływań tzw. zmęczeniowych. Pojawiające się w metalu naprężenia mogą mieć destrukcyjny wpływ na jego strukturę i prowadzić do zmiany parametrów użytkowych lub powstania uszkodzeń.

Własności technologiczne metalu mają natomiast kluczowe znaczenie dla możliwości jego obróbki. Do najważniejszych z punktu widzenia przygotowania do późniejszego wykorzystania materiału do wykonania określonych elementów są skrawalność i plastyczność, a także spawalność oraz hartowność.

Skrawalność i plastyczność stali

Skrawalność wiąże się z podatnością metalu na prowadzenie obróbki ubytkowej za pomocą różnych metod odspajania od materiału niewielkich fragmentów w postaci wiórów. Skrawanie może być realizowane za pomocą różnych procesów technologicznych, w zależności od formy, jaką ma przybrać gotowy wyrób. Skrawanie może być wykonywane przez toczenie, kiedy efektem obróbki ma być dowolna bryła obrotowa, np. walec lub stożek. Podczas toczenia stal, zwykle w postaci pręta jest wprawiana w ruch obrotowy a naddatek, czyli zbędne fragmenty metalu są kolejno zdejmowane wskutek zbliżania i oddalania noża tokarskiego poruszającego się wzdłuż osi obrotu i zbliżającego się do niej. Innym sposobem obróbki skrawającej jest frezowanie. W czasie tego procesu ruch obrotowy wykonuje narzędzie zwane frezem, które poruszając się w różnych osiach, nadaje kawałkowi stali pożądany kształt. Wśród metod obróbki skrawaniem można też wyróżnić m.in. dłutowanie oraz różne typy wiercenia.

Plastyczność metalu jest cechą, która pokazuje jego skłonność do trwałego odkształcania się w efekcie działania na niego odpowiednio dużej siły. Pod obciążeniem metal przekracza swoją granicę sprężystości, czyli odwracalnej zmiany kształtu i podlega tzw. płynięciu. Podczas płynięcia dochodzi do przemieszczenia się poszczególnych warstw atomów stanowiących strukturę metalu. Odkształcenie uzyskane w ten sposób ma charakter trwały, a dodatkowo wpływa na jego właściwości, powodując m.in. wzrost naprężeń i związaną z nim zmianę wytrzymałości.

Plastyczność metalu jest wykorzystywana w różnych procesach technologicznych związanych z jego kształtowaniem. Do najpowszechniej wykorzystywanych należy cięcie metalu, np. z użyciem wykrojnika, który pozwala na uzyskanie detalu o kształcie odpowiadającym użytemu wykrojnikowi albo gilotyny. Często korzysta się z możliwości gięcia metalu, zarówno w postaci blach, jak i rozmaitych kształtowników i prętów. Do uzyskiwania wyrobów o bardziej złożonej geometrii wykorzystuje się też tzw. kucie matrycowe, które za sprawą nacisku umożliwia nadanie elementowi kształtu użytej formy. Gdy potrzebne są elementy o nieco mniej zróżnicowanej charakterystyce albo takie, których rozmiary są ponadstandardowe, często korzysta się z tzw. kucia swobodnego. Jednymi z częściej używanych metod obróbki plastycznej są też walcowanie i przeciąganie. W pierwszym przypadku metal jest przepuszczany przez zespoły obracających się walców, które wywierając odpowiedni nacisk, kształtują jego powierzchnię, w drugim profil elementu jest zmieniany za sprawą formy z otworem o odpowiednio dobranym profilu, np. przy produkcji drutów czy prętów.

Spawalność i hartowność stali

Spawalność i hartowność są związane z łączeniem metalu oraz ze zmianą jego właściwości wskutek działania wysokiej temperatury. Obróbka termiczna metali prowadzi do zmian ich struktury. Powodują one uelastycznienie materiału i pozwalają na przemieszczanie się w jego obrębie poszczególnych atomów. W przypadku spawania daje to możliwość trwałego scalenia struktury dwóch kawałków stali, podobnie jak w procesach metalurgicznych, a przy hartowaniu umożliwia doprowadzenie do przemian w strukturze ziaren żelaza tworzących dany stop.

Przy spawaniu metal jest rozgrzewany do wysokiej temperatury za pomocą łuku elektrycznego, strumienia plazmy albo rozgrzanego gazu a coraz częściej także wskutek działania skoncentrowanej wiązki światła laserowego. Prowadzi do to upłynnienia łączonych powierzchni i po wprowadzeniu materiału dodatkowego w postaci pręta, drutu czy topliwej elektrody tworzy po ostygnięciu trwałą spoinę. Różne stopy stali wymagają stosowania odmiennych metod spawalniczych, a część z nich ze względu na swój skład i właściwości nie pozwala na taki sposób łączenia.

Hartowność pokazuje czy stal jest podatna na obróbkę cieplną, która prowadzi do jej utwardzenia. Hartowane stali polega na jej rozgrzaniu do określonej temperatury i odpowiednio rozłożonego w czasie ochładzania, które doprowadza do powstania zmian w jej strukturze. Stale o różnej charakterystyce muszą być rozgrzewane do odmiennych temperatur, które mogą sięgać nawet ponad 1200°C. Podczas chłodzenia zachodzą w nich przemiany banityczne lub austenityczne, w zależności od tempa chłodzenia. Następnie stal jest poddawana odpuszczaniu, w ramach którego jest ponownie nagrzewana, by przy określonym poziomie temperatury zyskać większą twardość albo plastyczność.

Warto pamiętać, że poza typową obróbką cieplną można stosować również odmiany obróbki cieplno-chemicznej, które polegają na wysyceniu powierzchni metalu dodatkowymi związkami wpływającymi na cechy użytkowe stali, np. jej twardość powierzchniową czy odporność antykorozyjną. Wśród procesów tego typu często wykonuje się np. nawęglanie lub azotowanie, co prowadzi do dyfuzji i rozchodzenia się tych pierwiastków w zewnętrznej warstwie metalu.

 

W celu zapewnienia maksymalnej wygody użytkowników przy korzystaniu z witryny ta strona stosuje pliki cookies.
Kliknij "Zgadzam się", aby ta informacja nie wyświetlała się więcej.