pierwiastki stopowe stali

Pierwiastki stopowe stali

Wpływ zawartości składników stopowych na własności stali
Węgiel ( C )
składnik decydujący o własnościach mechanicznych stali. Wraz ze wzrostem zawartości węgla, zwiększa się wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności i twardość, zmniejsza się natomiast udarność, wydłużenie i przewężenie. Większa zawartość węgla pogarsza spawalność, ale polepsza hartowność.
W stalach narzędziowych, a szczególnie w stalach szybkotnących, zawartość węgla musi być powyżej 1%, gdyż dopiero wówczas będą właściwie wykorzystane inne dodatki stopowe (m. in. wanad, wolfram, kobalt).
W stalach nierdzewnych i kwasoodpornych występowanie węgla powyżej 0,03% stwarza podatność na korozje międzykrystaliczną.

Chrom ( Cr )
w stalach niskostopowych i niskowęglowych wpływa na wzrost wytrzymałości i twardości oraz podwyższa udarność. Stanowi zasadniczy dodatek stali do ulepszania cieplnego i narzędziowych, gdzie zwiększa hartowność, głębokość hartowania i powoduje otrzymanie wysokiej twardości. Narzędzia, dzięki łagodnemu hartowaniu, nie odkształcają się, są mniej narażone na pękanie oraz są bardziej odporne na ścieranie.

Nikiel ( Ni )
ze wszystkich dodatków stopowych najkorzystniej wpływa na podwyższenie wytrzymałości i twardości, przy zachowaniu wysokiej udarności. Nie tworzy węglików. Znacznie obniża temperaturę progu kruchości stali. Wpływa na dobrą hartowność, zwłaszcza w obecności chromu i molibdenu.
W stalach narzędziowych, do pracy na gorąco, nikiel zwiększa ciągliwość i hartowność. W stalach, o zawartości od 3 – 9%, nikiel zapewnia wysoką udarność i dobre własności plastyczne, nawet w bardzo niskich temperaturach.
Jako pierwiastek austenitotwórczy, nikiel znalazł szerokie zastosowanie w produkcji stali odpornych na korozje, kwasoodpornych, żaroodpornych i żarowytrzymałych.

Mangan ( Mn )
zwiększa twardość i wytrzymałość stali, obniża natomiast własności plastyczne. Stale manganowe cechuje podwyższona granica sprężystości i większa odporność na ścieranie. W stalach narzędziowych natomiast mangan zwiększa hartowność, ale jednocześnie wpływa na większą skłonność stali na przegrzewanie. W stalach odpornych na korozje, może częściowo zastępować nikiel.

Krzem ( Si )
w procesie metalurgicznym stosowany jest jako odtleniacz. Zawartość krzemu podwyższa wytrzymałość i twardość stali. Stale zawierające krzem, po ulepszeniu, mają podwyższoną granicę plastyczności i sprężystości oraz większą odporność na działanie sił dynamicznych. Krzem ma szerokie zastosowanie w stalach sprężynowych i resorowych.
W stalach narzędziowych stosowany jest łącznie z pierwiastkami węglikotwórczymi, ponieważ zwiększa własności plastyczne po hartowaniu i hamuje spadek twardości po odpuszczaniu.
W połączeniu z chromem i molibdenem zwiększa żaroodporność i żarowytrzymałość. Stale krzemowe stosuje się również jako materiały o specjalnych własnościach magnetycznych i elektrycznych.

Molibden ( Mo )
intensywnie zwiększa hartowność stali – dużo bardziej niż chrom czy wolfram. Znacznie zmniejsza kruchość stali występującą przy wysokim odpuszczaniu. W stalach narzędziowych wykorzystuje się węglikotwórczość molibdenu i związane z tym zjawisko twardości wtórnej podczas odpuszczania, co zwiększa odporność na ścieranie. W stalach martenzytycznych, ferrytycznych i austenitycznych zwiększa odporność na korozje.

Wolfram ( W )
pierwiastek węglikotwórczy, jednakże znacznie mniej niż molibden, chrom czy nikiel. Dodatek wolframu czyni stal bardzo odporną na odpuszczanie, co powoduje, że zachowuje ona własności mechaniczne, uzyskane w wyniku hartowania do ok. 600 °C. Zawartość bardzo twardych i trwałych węglików wolframu uodparnia stal na ścieranie i zużycie, nadając stalom narzędziowym wysoką zdolność skrawania i odporność ostrza na ścieranie.

Kobalt ( Co )
pierwiastek austenitotwórczy, nie tworzy węglików, zwiększa krytyczną szybkość chłodzenia, zmniejszając tym samym hartowność stali. Stosowany przede wszystkim w wysokostopowych stalach narzędziowych. Podwyższa temperaturę topnienia i przeciwdziała przegrzewaniu się stali podczas hartowania, umożliwiając stosowanie wyższych temperatur hartowania i zwiększając nasycenie roztworu węglikami stopowymi, co z kolei podwyższa odporność na odpuszczające działanie wysokich temperatur. Narzędzia wykonane ze stali zawierających kobalt, są bardzo trwałe i odporne na ścieranie.

Wanad ( V )
posiada dużą zdolność do tworzenia węglików. Dodatek wanadu zwiększa odporność na przegrzanie i powoduje drobnoziarnistość stali. W stalach narzędziowych intensywnie łączy się z węglem i tworzy twarde węgliki, zwiększając odporność na ścieranie i opóźniając spadek twardości, spowodowany odpuszczającym działaniem temperatury do 600 °C.

Aluminium ( Al. )
w stalach wykorzystuje się duże powinowactwo aluminium do azotu i tlenu, co działa silnie odtleniająco i odazotowująco, przeciwdziała również rozrostowi ziarna austenitu.

Tytan ( Ti )
obok niobu jest pierwiastkiem o największym powinowactwie do węgla, czyli bardzo silnie ferrytotwórczym. W stalach odpornych na korozję stabilizuje węgiel ograniczając korozję międzykrystaliczną.

Azot ( N )
rozpuszczony w stali tworzy azotki powodujące obniżenie własności plastycznych. Doprowadzony w postaci atomowej łatwo wnika do stali w stanie stałym, co wykorzystywane jest w procesie azotowania. W stalach chromo-niklowych wprowadzany w celu podwyższenia ich własności wytrzymałościowych.

Wodór ( H )
działa niekorzystnie na własności mechaniczne stali, łatwo rozpuszcza się w stali, tworząc pęcherzyki w postaci tzw. płatków śnieżnych stanowiących wadę stali. Usuwa się je przez długotrwałe wygrzewanie w temperaturze ok. 650°C – tzw. przeciwpłatkowe.

Siarka ( S )
jest szkodliwym zanieczyszczeniem stali, występuje w postaci siarczków. Jako FeS powoduje kruchość stali przy przeróbce plastycznej na gorąco. Celowo wprowadzana do stali automatowej w obecności manganu, gdyż polepsza skrawalność.

Fosfor ( P )
zawartość tego pierwiastka obniża własności plastyczne stali, powodując jej kruchość.