Najwcześniejsza znana produkcja stali sięga 1800 roku pne i znajduje się w żelaznych narzędziach, odkrytych na stanowiskach archeologicznych w Anatolii. Oznacza to, że ten materiał jest używany co najmniej od 4000 lat! Przez wieki ten produkt pomagał konstruować i budować cywilizację. Służy dla podstawowych materiałów konstrukcyjnych, a także w przemyśle motoryzacyjnym, czy ekologicznym. W jaki sposób można ją obrabiać? Jaki ma skład i właściwości mechaniczne? O tym piszemy poniżej!
Skład stali
Stal konstrukcyjna ogólnego przeznaczenia jest stopem żelaza i węgla, zawierającym do 2% węgla (materiał o wyższej zawartości węgla nazywany jest żeliwem). Stal jest zdecydowanie najpopularniejszym materiałem używanym do budowy światowej infrastruktury i przemysłu, wykorzystywanym do produkcji wszystkiego, od igieł do szycia po tankowce. Dodatkowo narzędzia potrzebne do budowy i produkcji takich przedmiotów również są wykonane ze stali. Analizując jej strukturę w sposób bardziej szczegółowy trzeba wskazać, że jest to stop żelazowo-węglowy zawierający mniej, niż 2% węgla i 1% manganu z niewielkimi ilościami:
- krzemu,
- fosforu,
- siarki,
- tlenu.
Ponieważ jest ona stopem, a nie czystym pierwiastkiem, nie należy ona do dziedziny metali. Chociaż sama stal zawiera żelazo należące do tej grupy, to jednak węgiel i inne pierwiastki, również zawarte w tym składzie stopowym, wykluczają możliwość klasyfikacji stali jako metalu. Obecnie stal jest najważniejszym na świecie materiałem konstrukcyjnym, istniejącym w każdym aspekcie naszego życia. Jej szerokie zastosowanie możemy zobaczyć na przykład w:
- samochodach,
- produktach budowlanych,
- lodówkach,
- pralkach,
- statkach towarowych,
- nożach chirurgicznych,
oraz oczywiście w wielu wielu innych dziedzinach przemysłu.
Właściwości stali
Stal ma wiele właściwości, w tym szczególną twardość, plastyczność, wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności, wydłużenie, wytrzymałość zmęczeniową, odporność na korozję i inne.
Wśród parametrów określających właściwości stali należy wskazać:
- Twardość – to zdolność materiału do wytrzymania tarcia i zużycia. Warto zauważyć, że o ile w języku potocznym oznacza to to samo, co wytrzymałość i plastyczność, o tyle w kontekście właściwości metalu jest czymś zupełnie innym, niż wytrzymałość i plastyczność.
- Wytrzymałość – odnosi się do zdolności do pochłaniania energii, bez pęknięć, czy rozdarć. Jest również definiowana jako odporność materiału na pękanie pod wpływem naprężeń. Zwykle jest mierzona w dżulach na centymetr kwadratowy. Ważne jest, aby odróżnić to od twardości, ponieważ materiał, który odkształca się poważnie bez pękania, można uznać za bardzo mocny, ale nie sztywny.
- Rozszerzalność i plastyczność – Wyraża się ją jako procent długości testowej i mieści się pomiędzy wytrzymałością na rozciąganie a granicą plastyczności (tj. procentem materiału, który wygina się przed zerwaniem). Ta cecha stali pozwalająca na jej obrabianie jest niezwykle cennym aspektem dla operatorów CNC. Granica plastyczności to momentem do którego stal nie ulega uszkodzeniu w trakcie rozciągania.
Powyższe właściwości mechaniczne stali sprawiają, że jest ona niezwykle praktycznym materiałem.
Podstawowe właściwości fizyczne stali
Stal ma gęstość 7,850 kg/m3, co oznacza, że jest 7,85 razy gęstsza od wody. Ma temperaturę topnienia 1510 C, wyższą niż większość metali. Dla porównania, brąz ma temperaturę topnienia 1040°C, miedź 1083°C, żeliwo 1300°C, a nikiel 1453°C. Z kolei wolfram ma temperaturę topnienia 3410 stopni Celsjusza, co nie jest zaskakujące, ponieważ pierwiastek ten jest stosowany w żarówkach. Współczynnik rozszerzalności liniowej stali (wyrażony w µm na metr na stopień Celsjusza) wynosi 11,1 w temperaturze 20°C, co czyni ją mocniejszą od miedzi (16,7), cyny (21,4) czy ołowiu (29,1).
Stopy metali, a stal
Żelazo, jako główny składnik stali, jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków w skorupie ziemskiej. W większości stalach stopowych głównym składnikiem jest żelazo z 0,002-2,1% wag. węgla. W tym zakresie wiązania węgiel-żelazo tworzą silną strukturę molekularną. Powstała w ten sposób mikrostruktura sieci pomaga osiągnąć niektóre właściwości stali, od których jesteśmy zależni, takie jak wytrzymałość na rozciąganie i twardość. Chociaż cała stal składa się z żelaza i węgla, to różne jej rodzaje zawierają określone procenty tych pierwiastków. Może ona zawierać również inne pierwiastki, takie jak:
- nikiel,
- molibden,
- mangan,
- tytan,
- bor,
- kobalt
- wanad.
Dodanie różnych pierwiastków do „receptury” stopu stali wpływa na jej właściwości materiałowe. Metody produkcji i obróbki stali dodatkowo zwiększały te możliwości. Godna uwagi grupa stopów stali zawiera chrom. Wszystkie te stopy są powszechnie określane jako stale nierdzewne.
Jaka jest temperatura topnienia stali?
Zakres temperatur topnienia tego stopu mieści się w przedziale 2500-2800°F lub 1370-1540°C. Dlaczego taki zakres? Ponieważ są różne rodzaje stopów. Słowo “stop” jest obecnie prawie zawsze nadużywane. W praktyce słowo to naprawdę oznacza mieszaninę metali, dowolny rodzaj metalu. Prawie wszystkie stosowane obecnie metale to mieszaniny, a zatem stopy. Do większości stali dodaje się inne metale w celu dostrojenia ich właściwości, takich jak wytrzymałość, odporność na korozję lub łatwość produkcji. Stal to po prostu żelazo, które zostało przetworzone w celu kontrolowania zawartości węgla. Żelazo topi się w temperaturze około 1510 stopni Celsjusza (2750 stopni Fahrenheita). Stal zazwyczaj topi się w temperaturze około 1370 stopni Celsjusza (2500 stopni Fahrenheita).
Co to jest temperatura topnienia stali nierdzewnej?
Temperatura topnienia stali nierdzewnej mieści się w zakresie od 2550 do 2790°F lub od 1400 do 1530°C. Temperatura topnienia danego rodzaju stali nierdzewnej zależy od jej dokładnego składu chemicznego. Każdy pierwiastek wnosi do równania swoją własną temperaturę topnienia. Głównymi pierwiastkami tworzącymi stal nierdzewną są żelazo, chrom i nikiel. Czyste żelazo ma stałą temperaturę topnienia 1535°C, chrom 1890°C, a nikiel 1453°C. Porównaj te liczby z zakresem temperatur 1400-1530°C dla stali nierdzewnej.
Każdy gatunek stali nierdzewnej ma nieco inną kombinację pierwiastków. Stąd też dokładna temperatura topnienia zmienia się w zależności od gatunku.
Jak temperatura topnienia różni się w różnych gatunkach?
Istnieje pięć serii i ponad 150 gatunków stali nierdzewnej. Jednak w praktyce tylko 15 z tych kategorii jest stosowanych na co dzień w rozmaitych konstrukcjach. Dwa najpopularniejsze gatunki to
- 304
- 316.
Należą one do austenitycznych stali nierdzewnych, cechując się sześcienną strukturą krystaliczną skoncentrowaną na powierzchni, oraz tym, że pozostają w formie stałej we wszystkich temperaturach od kriogenicznej do topnienia. Temperatura topnienia stali nierdzewnej 316 waha się od 1375 ° C, oraz do 1510 ° C dla stali klasy 430. Najpopularniejszy gatunek, 304, ma temperaturę topnienia 1400-1450 ° C.
Różne rodzaje stali
Cztery główne gatunki stali są następujące:
- Węglowa
- Stopowa
- Nierdzewna
- Narzędziowa
Stal węglowa
Wygląda matowo i jest bardzo podatna na korozję. Ogólnie rzecz biorąc, ta stal jest podzielona na trzy podtypy:
- stal niskowęglowa,
- średniowęglowa,
- stal wysokowęglowa.
Pierwsza z podtypów zawiera około 0,30% węgla, w drugiej ilość tego pierwiastka wynosi 0,60%, a w przypadku stali wysokowęglowej wynosi 1,5%. Sama nazwa pochodzi od tego, że zawiera ona bardzo małe ilości innych pierwiastków stopowych.
Stal stopowa
Innym rodzajem jest stal stopowa, która powstaje poprzez połączenie stali węglowej z różnymi pierwiastkami stopowymi, które nadają jej unikalne właściwości. Istnieje wiele rodzajów stali stopowych. Ze względu na szeroką gamę stali stopowych można używać pierwiastków do tworzenia stali o prawie każdej możliwej do wyobrażenia właściwości. W związku z powyższym niektóre z nich są stosunkowo drogie. Są one zwykle bardziej odporne na korozję i bywają preferowanym wyborem dla niektórych części samochodowych, rur, kadłubów łodzi i elementów mechanicznych.
Stal narzędziowa
Stale narzędziowe są znane z wytrzymałości, odporności na ciepło i zarysowania. Nazwa wzięła się stąd, że bardzo powszechnie używa się ich do wyrobu metalowych narzędzi, takich jak na przykład młotki. Zwykle składają się z molibdenu, wanadu, wolframu i kobaltu. Warto zaznaczyć, że stale narzędziowe są
- odporne na ciepło,
- trwałe
- mocne.
Istnieje 5 gatunków stali narzędziowej:
- Stale węglowe.
- Stale służące do pracy na zimno.
- Stale służące do pracy na gorąco.
- Stale spiekane stopowe.
- Stale Szybkotnące.
Stal nierdzewna
Stal nierdzewna jest prawdopodobnie najpopularniejszym rodzajem tego materiału na rynku. Ten typ jest błyszczący i na ogół zawiera około 10% do 20% chromu, który jest jego głównym pierwiastkiem stopowym. Powyższa kombinacja sprawia, że stal jest odporna na korozję i może być łatwo formowalna w różne kształty. Ze względu na łatwość obsługi, elastyczność i jakość stal nierdzewna jest stosowana w sprzęcie chirurgicznym, zastosowaniach domowych, sztućcach, a nawet jako okładziny zewnętrzne w budynkach komercyjnych, czy przemysłowych.
Zastosowania stali
Stal jest przyjazna dla środowiska i zrównoważona. Charakteryzuje się dużą wytrzymałością. W porównaniu z innymi materiałami, wymaga bardzo mało energii do produkcji lekkich konstrukcji stalowych. Stal jest najczęściej przetwarzanym materiałem na świecie i można ją łatwo poddać recyklingowi. Jej wyjątkowe właściwości magnetyczne sprawiają, że jest to materiał, który można łatwo wychwycić na przykład z dna zbiorników wodnych. Konstrukcje wykonane ze stali są stosowane w inżynierii ogólnej i przemyśle wytwórczym. Szerokie zastosowanie ma również w przemyśle motoryzacyjnym. W nadwoziu, drzwiach, silniku, zawieszeniu i wnętrzu samochodu stosowane są różne rodzaje stali. Średnio 50% części powszechnych samochodów jest z niej wykonane. W zasadzie wszystkie rodzaje sektorów energetycznych wymagają stali do budowy infrastruktury i wydobywania zasobów.
Jej nierdzewny odpowiednik jest używany w platformach morskich i rurociągach, ale także przy odnawialnych źródłach energii, takich jak:
- energia słoneczna,
- energia wodna
- energia wiatrowa,
gdzie pewne elementy wykonane są właśnie z tego materiału. Do tego stal nierdzewna zapewnia higieniczne środowisko, stąd jej zastosowanie ujawnia się szczególnie w implantach chirurgicznych. Większość urządzeń gospodarstwa domowego, takich jak lodówki, telewizory, piekarniki, zlewozmywaki itp. jest również wykonana ze stali. Dzięki łatwości spawania i estetycznym wykończeniu stal stała się charakterystycznym elementem nowoczesnej architektury. Te parametry charakteryzujące przydatność stali sprawiają, że jest ona najpopularniejszym materiałem konstrukcyjnym.