Podział stali konstrukcyjnych

Materiały wykorzystywane jako elementy konstrukcyjne maszyn, urządzeń, struktur nośnych lub rozmaitych instalacji muszą się wyróżniać właściwymi parametrami wytrzymałościowymi. Ważna jest odporność na naprężenia, odpowiednia udarność, twardość czy znoszenie naprężeń zmęczeniowych. Jednym z materiałów, który najlepiej spełnia tego rodzaju kryteria, jest stal konstrukcyjna, która występuje w wielu różniących się właściwościami gatunkach.

Charakterystyka stali konstrukcyjnych i różnorodność jej gatunków

Stal jest materiałem, którego właściwości pozwalają na wykorzystanie w niezliczonych zastosowaniach wymagających wysokiej wytrzymałości na obciążenia statyczne i dynamiczne, a także w zależności od potrzeb dużej sztywności lub elastyczności. Dzięki swej charakterystyce oferuje ona bardzo korzystny stosunek masy do wielkości potencjalnie przenoszonych obciążeń, a jednocześnie dobrze znosi wpływ warunków zewnętrznych takich jak wysoka albo mocno obniżona temperatura, działanie związków chemicznych, wibracje czy udary. Wszechstronność stali wynikająca z istnienia wielu gatunków o składzie specjalnie dopasowanym do szczególnych wymagań sprawia, że jest ona podstawowym materiałem wykorzystywanym do wykonywania zarówno poszczególnych elementów maszyn, urządzeń, pojazdów oraz wszelkiego typu konstrukcji, jak i detali, przedmiotów codziennego użytku czy różnych instalacji – zauważa przedstawiciel firmy  MTM Stal, dostarczającej stal jakościową w postaci prętów, odkuwek, rur oraz blach.

Podstawowy podział na poszczególne typy stali obejmuje przede wszystkim jej skład chemiczny. Stale niestopowe zawierają wyłącznie połączenie żelaza z dodatkiem węgla w różnych proporcjach, jego udział nie przekracza jednak 2%. W powstałym w ten sposób materiale znajdują się niewielkie ilości zanieczyszczeń, takich jak choćby siarka, potas, glin albo krzem. Rodzaj i ilość domieszek są uzależnione od technologii pozyskiwania stali oraz metod jej obróbki. Poza stalami węglowymi (niestopowymi) wytwarzane są także stale, do których celowo wprowadza się dodatkowe komponenty, których obecność ma poprawiać właściwości materiału w określonym zakresie. Stale stopowe mogą zawierać od 3,5 do nawet ponad 50% różnych substancji wpływających na ich poszczególne cechy – odporność mechaniczną, twardość powierzchniową, wytrzymałość na wysoką temperaturę czy też sprężystość. Część dodatków stopowych jest także wprowadzana w celu ułatwienia przeprowadzenia procesów technologicznych związanych np. z ulepszaniem stali czy konkretnymi metodami obróbki. Stale stopowe mogą zawierać domieszki wielu pierwiastków, wśród najczęściej stosowanych znajdują się chrom i nikiel, wolfram, molibden, tytan oraz krzem, mangan, a także wanad, niob i kobalt oraz aluminium.

Kolejną ważną cechą stali jest grupowanie gatunków według możliwości zastosowania stali do wykonania konkretnych wyrobów. Jedną z największych grup stali stanowią stale konstrukcyjne, które mogą być wykorzystane do wytwarzania stosunkowo dużych elementów o znacznej odporności na obciążenia. Ze stali konstrukcyjnej powstają m.in. duże struktury nośne, wzmocnienia i ramy budynków, korpusy, a także obudowy maszyn i urządzeń, zbiorniki, części rurociągów, mostów, wiaduktów, wsporników, dźwigów, jak również podzespoły pojazdów – wagonów, lokomotyw samochodów oraz maszyn budowlanych i rolniczych – ale też statki i barki. Poza stalami konstrukcyjnymi wyróżnia się także stal maszynową, przeznaczoną do produkcji części urządzeń, które działają w szczególnie wymagających warunkach – łożysk, kół zębatych, wałków, kół pasowych oraz stal narzędziową. Dostępne są także stale narzędziowe. Znajdują zastosowanie głównie w produkcji oprzyrządowania pomiarowego, precyzyjnych i wytrzymałych narzędzi obróbkowych. Produkowane są także stale specjalne, których używa się do wytwarzania elementów, które muszą się wyróżniać szczególnymi właściwościami, jak np. odporność na korozję, działanie agresywnych substancji chemicznych lub wysoką temperaturę. Do stali specjalnych zalicza się m.in. stal kwasoodporną, żarowytrzymałą czy też nierdzewną.

Do stali konstrukcyjnych można zaliczyć wiele gatunków stali stopowych i niestopowych o szczególnych właściwościach. Wśród stali konstrukcyjnych można znaleźć stale ogólnego przeznaczenia (o zwykłej jakości) i o podwyższonej wytrzymałości, a także stale spawalne. Wśród stali konstrukcyjnych znajdą się również gatunki stali stopowych przeznaczone do ulepszania cieplnego, nawęglania oraz azotowania. W tej grupie znajdzie się m.in. stal automatowa, łożyskowa, sprężynowa oraz transformatorowa.

Stale konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia

Stale ogólnego przeznaczenia (o zwykłej jakości) są stosowane tam, gdzie nie istnieją szczególne wymagania co do obciążeń czy wytrzymałości. W stali tego rodzaju znajdują się większe ilości zanieczyszczeń – zazwyczaj siarki, fosforu i krzemu – ponieważ stal ogólnego przeznaczenia jest wytwarzana w niższych reżimach technologicznych. Stali o takich parametrach nie poddaje się ulepszaniu cieplnemu, nie ma więc możliwości poprawy jej parametrów. Najczęściej używa się jej do mało obciążonych konstrukcji i części maszyn oraz urządzeń. Przykładem stali tego typu może być gatunek St3S, oznaczany też S235JR, którego używa się do wykonywania konstrukcji z profili stalowych, słupów trakcyjnych czy belek stropowych.

Stale konstrukcyjne spawalne o podwyższonej wytrzymałości

Stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości charakteryzują się niższą zawartością węgla, który nie przekracza w tym przypadku 0,22–0,25%. Z uwagi na to, że obniżona ilość węgla przyczynia się do zmniejszenia wytrzymałości, stale spawalne powstają dzięki wprowadzeniu odpowiednich pierwiastków pozwalających na jej podniesienie. Wśród stali spawalnych o podwyższonej wytrzymałości znajdą się stale zawierające dodatek manganu lub manganu i krzemu, a często także niewielkiej domieszki miedzi. Ilość manganu może być różna i wynosić 2%, a w przypadku wprowadzania także 0,5% krzemu, zawartość manganu wyniesie 1,5%. Ilość miedzi w stopach tego rodzaju nie przekracza 0,5% i nie jest związana z wytrzymałością mechaniczną, a odpornością na warunki zewnętrzne. Stale spawalne PW to często także tzw. stale mikroskopowe, w których znajduje się niewielka ilość takich pierwiastków jak glin, tytan czy niob. Stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości są często wykorzystywane przy budowie infrastruktury przesyłowej, zbiorników ciśnieniowych, a także pojazdów i maszyn roboczych. Przykładem stali spawalnej o podwyższonej wytrzymałości może być gatunek S355J2G3.

Stale konstrukcyjne do ulepszania cieplnego

Stale konstrukcyjne do ulepszania cieplnego dzięki swemu składowi zapewniającemu odpowiednią hartowność umożliwiają poprawę parametrów wytrzymałościowych stali przed lub po jej obróbce. Podatność na obróbkę cieplną oznacza, że struktura stali po podgrzaniu do odpowiedniej temperatury, schłodzeniu i ponownym ogrzewaniu w ramach odpuszczania ulega zmianie w efekcie przemian banitycznych lub martenzytycznych w zależności szybkości ochładzania, co prowadzi do zwiększenia jej twardości. Stale tego rodzaju mogą być używane do wykonywania bardzo różnych elementów – wytwarza się z nich np. rury do ulepszania cieplnego, pręty, z których można uzyskiwać mniejsze detale – wały, korbowody lub wirniki – jak również korpusy maszyn, na które działają duże obciążenia lub poszczególne podzespoły, narażone na wpływ znacznych siły lub czynników w postaci tarcia czy podwyższonej temperatury.

W stalach przeznaczonych do ulepszania cieplnego zawartość węgla utrzymywana jest na poziomie między 0,25 a 0,65%. Jako dodatki stopowe wpływające zarówno na hartowność, jak i w pewnym zakresie na uzyskaną twardość znajdują się mangan, krzem, chrom, molibden oraz wanad, a także nikiel. Stosunkowo najniższy poziom wytrzymałości w efekcie hartowania można uzyskać dla stali manganowych, zdecydowanie wyższy dla stali chromowo-molibdenowo-wanadowych, a najwyższy w przypadku chromowo-niklowo-molibdenowych, co jednak bezpośrednio przekłada się na ich koszt. Warto wspomnieć, że podstawowy wpływ na hartowalność stali ma jej utwardzalność, uwarunkowana zawartością węgla w stopie, która oznacza maksymalną możliwą do osiągnięcia twardość, a ponadto przehartowalność, która pokazuje, na jaką głębokość można utwardzić materiał, zależącą zarówno od dodatków stopowych, jak i zawartości węgla. Największą twardość można uzyskiwać dzięki obecności molibdenu i chromu, najsłabiej oddziałuje nikiel i mangan. Wśród stali konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego można znaleźć np. 30CrNiMo8, 25CrMo4 czy też 28Mn6.

Stale konstrukcyjne do nawęglania i azotowania

Stale do nawęglania oraz azotowania są przeznaczone do wykorzystania w zastosowaniach, w których potrzebne jest uzyskanie innych własności użytkowych w obrębie rdzenia materiału, a innych na jego powierzchni. Oba rodzaje stali są podatne na dyfuzję cząsteczek, które wysycają ich powierzchnię na założonej głębokości, prowadząc do zmiany jej właściwości, głównie poprawy twardości. Nawęglanie i azotowanie jest prowadzone w ramach procesu obróbki cieplno-chemicznej, gdzie podwyższona temperatura podnosi efektywność dyfuzji, czyli przenikania cząstek do struktury ulepszanego materiału.

Podczas nawęglania do stali wprowadzane są cząsteczki węgla, które mają poprawić twardość i odporność na ścieranie. Węgiel jest wprowadzany zwykle w postaci proszku zawierającego węgiel drzewny oraz węglany lub gazu ziemnego, butanu albo propanu, a także cieczy w postaci metanolu z octanem etylu. Stale przeznaczone do nawęglania charakteryzują się zawartością węgla na poziomie 0,1–0,25%, a po nawęglaniu w strefie powierzchniowej jego ilość wynosi ok. 0,8%. Warto pamiętać, że proces nawęglania jest zawsze wykonywany z hartowaniem i niskim odpuszczaniem. Przykładem stali konstrukcyjnej do nawęglania może być 20Cr4, 21TiMnCr12 lub 17CRNI6-6.

W procesie ulepszania stali przeznaczonych do azotowania, a zatem zawierających między 0,2 a 0,45% węgla, od 1,0 do 3,5% chromu, 0,15–1,1% molibdenu, a także 0,8–1,2% glinu czy 0,1–0,25% wanadu, wykonuje się najczęściej utwardzanie, choć możliwe jest też użycie azotu do ochrony przeciwkorozyjnej. W przeciwieństwie do nawęglania azotowanie wykonuje się po hartowaniu i odpuszczaniu wysokim. W wyniku azotowania można uzyskać warstwę o grubości 0,2 do 0,8 mm. Celem azotowania jest zwykle uzyskanie warstwy o wysokiej odporności na ścieranie. Stalami konstrukcyjnymi do azotowania są np. 41CrAlMo7-10, 31CrMoV9 albo 31CrMo12.

Stale konstrukcyjne o szczególnym przeznaczeniu

Stale konstrukcyjne to także stale sprężynowe czy łożyskowe. W przypadku stali sprężynowych, które są wykorzystywane na elementy wykazujące się bardzo wysoką sprężystością, takich jak elementy resorujące w ciężkim sprzęcie budowlanym, transportowym czy kolejnictwie albo sprężyny spiralne mogą być używane zarówno stale niestopowe, jak i stopowe. Dla stali niestopowych zawartość węgla wynosi 0,6–0,8%, a dla stopowych 0,3–0,7%, a najczęściej wprowadzanym dodatkiem jest krzem podnoszący granicę sprężystości. W stalach konstrukcyjnych sprężynowych zawartość krzemu może wynosić od 0,3 do 2,0%, możliwymi dodatkami stopowymi są też pierwiastki wpływające na przehartowalność – jak wanad, chrom i mangan. Warto  pamiętać, że stale sprężynowe charakteryzują się też wysoką odpornością zmęczeniową i wytrzymałością na rozciąganie. Przykładem stali konstrukcyjnych sprężynowych mogą być 66Mn4 lub 75Cr1.

Stal konstrukcyjna łożyskowa może być wykorzystywana do produkcji elementów wszelkiego rodzaju łożysk – pierścieni wewnętrznych, zewnętrznych, koszyków oraz elementów tocznych – kulek, wałków lub igiełek. Stale tego rodzaju wyróżniają się wysoką jednorodnością i bardzo niewielką liczbą zanieczyszczeń. Zawartość węgla wynosi do 1%, a odpowiednią przehartowalność daje dodatek chromu wynoszący do około 1,5%. Możliwe jest także dodawanie krzemu oraz manganu. W przypadku stali łożyskowej najważniejszymi cechami jest wysoka twardość oraz odporność na ścieranie. Przykładami stali łożyskowej może być stal 100Cr6 albo 100CrMnSi6-4.