Stal jest w zasadzie żelazem i węglem stopowym z pewnymi dodatkowymi pierwiastkami. Proces stopowania służy do zmiany składu chemicznego stali i poprawy jej właściwości w stosunku do stali węglowej lub dostosowania ich do wymagań konkretnego zastosowania.
Zalety środków do stapiania stali:
Różne pierwiastki stopowe mają swój własny wpływ na właściwości stali. Niektóre właściwości, które można poprawić dzięki stopowaniu obejmują:
- Stabilizujący austenit : elementy takie jak nikiel , mangan , kobalt i miedź zwiększają zakres temperatur, w których austenit istnieje.
- Stabilizujący ferryt : chrom , wolfram , molibden , wanad, glin i krzem mogą mieć wpływ na obniżenie rozpuszczalności węgla w austenicie. Powoduje to wzrost ilości węglików w stali i zmniejsza zakres temperatur, w których występuje austenit.
- Tworzenie węglików : wiele mniejszych metali, w tym chrom , wolfram, molibden, tytan , niob, tantal i cyrkon, tworzy silne węgliki, które - w stali - zwiększają twardość i wytrzymałość. Takie stale są często wykorzystywane do wytwarzania stali narzędziowej do stali szybkotnącej i stali narzędziowej do pracy na gorąco.
- Grafityzacja : krzem, nikiel, kobalt i aluminium mogą obniżyć stabilność węglików w stali, sprzyjając ich rozpadowi i tworzeniu się wolnego grafitu.
- Zmniejszenie stężenia eutektoidów : tytan, molibden, wolfram, krzem, chrom i nikiel obniżają stężenie eutektoidów w węglu.
- Zwiększona odporność na korozję : Aluminium, krzem i chrom tworzą ochronne warstwy tlenków na powierzchni stali, chroniąc w ten sposób metal przed dalszym niszczeniem w niektórych środowiskach.
Typowe środki do stapiania stali:
Poniżej znajduje się lista powszechnie stosowanych pierwiastków stopowych i ich wpływ na stal (standardowa zawartość w nawiasach):
- Aluminium (0,95-1,30%): odtleniacz. Stosowany w celu ograniczenia wzrostu ziaren austenitu.
- Bor (0,001-0,003%): Środek utwardzalny, który poprawia podatność na odkształcanie i skrawalność. Bor dodaje się do w pełni zabitej stali i należy go dodawać tylko w bardzo małych ilościach, aby uzyskać efekt utwardzania. Dodatki boru są najbardziej skuteczne w stalach niskowęglowych.
- Chrom (0,5-18%): kluczowy składnik stali nierdzewnych. Przy zawartości przekraczającej 12 procent, chrom znacząco poprawia odporność na korozję. Metal poprawia także hartowność, wytrzymałość, reakcję na obróbkę cieplną i odporność na zużycie.
- Kobalt : Poprawia wytrzymałość w wysokich temperaturach i przenikalność magnetyczną.
- Miedź (0,1-0,4%): Najczęściej spotykana jako pozostałość w stali, dodaje się także miedź, aby uzyskać właściwości utwardzania wydzieleniowego i zwiększyć odporność na korozję.
- Ołów : Chociaż ołów jest praktycznie nierozpuszczalny w stali ciekłej lub stałej, czasami dodaje się go do stali węglowych poprzez dyspersję mechaniczną podczas odlewania w celu poprawy skrawalności.
- Mangan (0,25-13%): Zwiększa wytrzymałość w wysokich temperaturach, eliminując tworzenie się siarczków żelaza. Mangan poprawia również hartowność, plastyczność i odporność na zużycie. Podobnie jak nikiel, mangan jest elementem tworzącym austenit i może być stosowany w austenitycznych stalach nierdzewnych AISI 200 jako substytut niklu.
- Molibden (0,2-5,0%): molibden, występujący w niewielkich ilościach w stalach nierdzewnych, zwiększa hartowność i wytrzymałość, szczególnie w wysokich temperaturach. Często stosowane w austenitycznych stalach chromowo-niklowych, molibden chroni przed korozją wżerową spowodowaną przez chlorki i związki siarki.
- Nikiel (2-20%): Kolejny pierwiastek stopowy o kluczowym znaczeniu dla stali nierdzewnych, dodaje się nikiel o zawartości ponad 8% do stali nierdzewnej o wysokiej zawartości chromu. Nikiel zwiększa wytrzymałość, udarność i wytrzymałość, a także poprawia odporność na utlenianie i korozję. Zwiększa również wytrzymałość w niskich temperaturach, gdy dodaje się ją w niewielkich ilościach.
- Niob : ma tę zaletę, że stabilizuje węgiel poprzez tworzenie twardych węglików i często występuje w stalach wysokotemperaturowych. W niewielkich ilościach niob może znacznie zwiększyć granicę plastyczności i, w mniejszym stopniu, wytrzymałość stali na rozciąganie, a także umiarkowane opady, wzmacniając efekt.
- Azot : Zwiększa austenityczną stabilność stali nierdzewnych i poprawia wytrzymałość plastyczną takich stali.
- Fosfor: Fosfor jest często dodawany z siarką, aby poprawić skrawalność stali niskostopowych. Ponadto zwiększa wytrzymałość i zwiększa odporność na korozję.
- Selen : zwiększa skrawalność.
- Krzem (0,2-2,0%): ten metaloamid zwiększa wytrzymałość, elastyczność, odporność na kwasy i prowadzi do większych rozmiarów ziarna, co prowadzi do większej przepuszczalności magnetycznej. Ponieważ krzem jest stosowany w środku odtleniającym w produkcji stali , prawie zawsze występuje w procentach we wszystkich gatunkach stali.
- Siarka (0,08-0,15%): dodawana w niewielkich ilościach siarka poprawia skrawalność, nie powodując gorącej krótkości. Z dodatkiem gorącej manganowej krótkości zmniejsza się dodatkowo ze względu na to, że siarczek manganu ma wyższą temperaturę topnienia niż siarczek żelaza.
- Tytan : Poprawia wytrzymałość i odporność na korozję, jednocześnie ograniczając wielkość ziarna austenitu. Przy 0,25-0,60 procent zawartości tytanu, węgiel łączy się z tytanem, umożliwiając chromowi pozostanie na granicach ziaren i jest odporny na utlenianie.
- Wolfram : wytwarza stabilne węgliki i poprawia rozmiar ziarna, aby zwiększyć twardość, szczególnie w wysokich temperaturach.
- Wanad (0,15%): Podobnie jak tytan i niob, wanad może wytwarzać stabilne węgliki, które zwiększają wytrzymałość w wysokich temperaturach. Poprzez promowanie struktury drobnoziarnistej można zachować plastyczność.
- Cyrkon (0,1%): Zwiększa wytrzymałość i ogranicza rozmiary ziaren. Wytrzymałość można szczególnie zwiększyć w bardzo niskich temperaturach (poniżej zera). Stal, która zawiera cyrkon do zawartości około 0,1%, będzie miała mniejsze rozmiary ziaren i będzie odporna na pękanie.
Źródła: SubsTech. Substancje i technologia. Wpływ elementów Alloying na właściwości stali. (www.substech.com) Chase Alloys. Wpływ elementów stopowych w stali. (www.chasealloys.co.uk)
Obserwuj Terence w Google+