Stal to jeden z najważniejszych materiałów konstrukcyjnych, jakie stworzył człowiek. Stosuje się ją powszechnie na całym świecie, nie tylko w przemyśle i budownictwie, ale również w medycynie, gastronomii czy motoryzacji. Oczywiście, w każdej z tych branż wykorzystuje się stal o innych właściwościach chemicznych, fizycznych i środowiskowych – tak, aby jak najlepiej odpowiadała na określone wymagania. Eksperci szacują, że na ten moment można wyróżnić ponad 3500 rodzajów stali. W poniższym wpisie omówimy najpopularniejsze z nich i wskażemy, gdzie znajdują one zastosowanie.

Czym jest stal i w jaki sposób się ją produkuje?

Stal to stop żelaza z węglem oraz innymi pierwiastkami (metalami lub pierwiastkami niemetalicznymi), plastycznie obrabiany i przetwarzany w warunkach cieplnych. Stosunek żelaza do węgla w stali określają normy PN-EN 10020:2003. Zgodnie z nimi żelazo musi stanowić większą część stopu, podczas gdy zawartość węgla nie może przekraczać 2,11%. Kiedy jest większa, uzyskany materiał nie może być określany jako stal – to żeliwo lub stal stopowa.
W jaki sposób produkuje się stal? Surówkę – stop żelaza z węglem powstający w piecach hutniczych, o wysokiej zawartości węgla oraz dużej ilości zanieczyszczeń, takich jak tlen, azot czy siarka – poddaje się procesom, które usuwają z niej niepożądane składniki. Do tego celu wykorzystuje się tzw. świeżenie, czyli selektywne utlenianie stopu, oraz przetwarzanie w piecach konwertorowych, próżniowych i łukowych.

Uzyskany materiał odlewany jest w gotowe formy i zabezpieczany przed korozją.

Właściwości a skład chemiczny stali

O właściwościach poszczególnych gatunków stali decyduje dodatek konkretnego pierwiastka. W produkcji materiału zwykle stosuje się:

• aluminium – ma właściwości odtleniające, dzięki czemu poprawia wytrzymałość stali;
• chrom – zwiększa wytrzymałość, twardość oraz udarność stali, zabezpiecza przed korozją stal nierdzewną;
• krzem – zwiększa wytrzymałość i twardość stali;
• mangan – zwiększa sprężystość, wytrzymałość i twardość stali, jednocześnie zmniejszając jej plastyczność;
• miedź – zwiększa odporność na korozję;
• nikiel – zwiększa wytrzymałość i twardość stali;
• wolfram – zwiększa wytrzymałość i zapewnia wysoką odporność na ścieranie materiału.

W zależności od przeznaczenia stali w produkcji wzbogaca się ją o jeden lub więcej z wymienionych powyżej pierwiastków. Wtrącenia niemetaliczne – np. tlen czy siarka – zanieczyszczają stal i pogarszają jej właściwości, dlatego ich obecność jest niepożądana.

Rodzaje stali: stal stopowa i niestopowa

Istnieje kilka kryteriów, według których dokonuje się podziału stali. Pierwszy z nich uwzględnia skład chemiczny i wyróżnia na tej podstawie dwa główne rodzaje: stal niestopową i stopową.

• Stal niestopowa określana jest również jako stal węglowa. To materiał, który w swojej masie zawiera do 2,11% węgla i nie jest wzbogacany innymi pierwiastkami, które obecne są jedynie w śladowych ilościach. Wśród stali niestopowych wyróżnia się następujące rodzaje:
• Stal niskowęglowa – o zawartości do 0,3% węgla. Jest bardzo elastyczna i wyjątkowo łatwa w obróbce. Szeroko wykorzystuje się ją w wielu branżach.
• Stal średniowęglowa – o zawartości od 0,3% do 0,6% węgla. Ten materiał jednocześnie pozostaje plastyczny, jak i wytrzymały. Wykorzystuje się go przede wszystkim w branży motoryzacyjnej, do produkcji osi, kół zębatych i innych elementów konstrukcyjnych.
• Stal wysokowęglowa – o zawartości od 0,6% do 1% węgla. To stal o najwyższej wytrzymałości, odporna na uszkodzenia mechaniczne. Wykorzystuje się ją do produkcji narzędzi (z tego powodu często określa się ją mianem stali narzędziowej).
• Stal stopowa zawiera od kilku do nawet kilkudziesięciu procent określonych pierwiastków takich jak chrom, cyna, cynk, kobalt, mangan, miedź, nikiel, ołów, tytan, wanad, wolfram i innych.

Jak wspominaliśmy wcześniej, domieszki wybranych pierwiastków zwiększają wytrzymałość stali, wpływają na jej strukturę, ułatwiają procesy obróbki.

Stal stopowa, podobnie jak niestopowa, klasyfikuje się na podstawie zawartości węgla i innych domieszek, wyróżniając:

• stal niskostopową,
• stal średniostopową,
• stal wysokostopową.

Wszystkie rodzaje stali stopowej wykorzystuje się do produkcji specjalistycznych urządzeń i maszyn, korzystających z właściwości, jakie zapewnia konkretny rodzaj stopu. Materiał ten stosuje się w produkcji silników elektrycznych, elementów silników odrzutowych i reaktorów jądrowych.

Stal – podział ze względu na możliwe zastosowanie

Inna klasyfikacja stali uwzględnia przeznaczenie stopu i na tej podstawie dokonuje podziału.
Jednym z najpopularniejszych rodzajów stali jest stal konstrukcyjna, wykorzystywana do budowy maszyn, elementów budowlanych i architektonicznych. Wyróżnia się między innymi:

• stal o przeznaczeniu ogólnym – to stal niższego gatunku, stosowana do produkcji części maszyn i konstrukcji, które nie wymagają szczególnych parametrów;
• stal konstrukcyjna – w ten sposób określa się stal ogólnego przeznaczenia wyższego gatunku, spełniająca ściśle określone standardy w zakresie zawartości węgla i dopuszczalnego poziomu zanieczyszczeń, wykonuje się z niej oraz części motoryzacyjne oraz elementy maszyn;
• niskostopowa stal konstrukcyjna – wyjątkowo wytrzymały rodzaj stali, który wykorzystuje się do budowania elementów architektury i części maszyn narażonych na bardzo duże obciążenia;
• stal automatowa – wykorzystywana do produkcji drobnych elementów konstrukcyjnych, takich jak śruby czy nakrętki;
• stal sprężynowa – wykorzystywana do produkcji resorów, sprężyn i innych elementów, które muszą wykazywać się dużą elastycznością i wytrzymałością.
• Stal narzędziowa, jak sama nazwa wskazuje, stosowana jest w produkcji różnego rodzaju narzędzi i przyrządów. Dzięki wysokiej zawartości węgla jest odporna na ścieranie, działanie wysokiej temperatury i odkształcanie.

Dodatkowo wyróżnia się kilka gatunków stali o specyficznych właściwościach. Jest to m.in.: odporna na korozję stal nierdzewna, stal odporna na działanie kwasów (kwasoodporna), wysokiej temperatury, gazów utleniających oraz intensywne użytkowanie. Warto wspomnieć również o stali magnetycznej, którą wykorzystuje się do produkcji magnesów stałych.

Jak widzisz, stal to bardzo różnorodny materiał, przy pomocy którego można produkować nieskończenie wiele elementów i przedmiotów niezbędnych w przemyśle i całym szeregu branż – od gastronomii aż po medycynę.