stal
 
Encyklopedia PWN
stal
[niem.],
przerobiony plastycznie techniczny stop żelaza z węglem zawierający do 2,11% węgla oraz inne pierwiastki pochodzące z surowców i paliw stosowanych podczas otrzymywania stali (składniki zwykłe i domieszki) lub dodawane celowo (składniki stopowe).
Materiałem wyjściowym do wytwarzania stali jest surówka wielkopiecowa oraz złom stalowy; zależnie od rodzaju urządzenia użytego do wytapiania rozróżnia się proces konwertorowy (w tym najbardziej rozpowszechniony tlenowy proces konwertorowy), elektryczny (m.in. w piecu łukowym, piecu indukcyjnym, piecu przemysłowym) oraz, stosowany do niedawna, proces martenowski; obecnie wszystkie te procesy wymagają zastosowania metod metalurgii pozapiecowej, której celem jest poprawa czystości stali (zmniejszenie zawartości szkodliwych domieszek: gazów, siarki i fosforu) oraz zwiększenie jednorodności składu chemicznego i temperatury ciekłej stali, a tym samym poprawa jakości odlanych wlewków. Stal odlewa się metodami konwencjonalnymi (odlewanie syfonowe, z góry), ciągłymi (pionowe, łukowe, poziome, na gotowy wymiar) lub w procesach zintegrowanych (odlewanie i walcowanie blach). Stal nieprzerobiona plastycznie (lana), w odlewach, nazywa się staliwem. Odlana stal jest poddawana obróbce plastycznej, celem nadania jej odpowiedniej postaci (stal kuta, walcowana na gorąco lub na zimno, ciągniona i in.), a następnie odpowiedniej obróbce cieplnej lub cieplno-chemicznej, w wyniku których uzyskuje bardzo różnorodne i cenne właściwości. Występowanie składników strukturalnych (np. austenitu, cementytu, martenzytu; żelaza stopy) w stali, a więc i właściwości stali, zależą od jej składu chemicznego (zawartości węgla oraz dodatków stopowych) i od sposobu chłodzenia ciekłej stali oraz jej obróbki cieplnej.
Podstawą klasyfikacji stali może być, oprócz sposobu jej wytwarzania: stopień odtlenienia, stopień czystości, skład chemiczny, podstawowe zastosowanie, rodzaj wyrobów, postać. Najczęściej, ze względów praktycznych, klasyfikację przeprowadza się na podstawie składu chemicznego lub zastosowania. Stale węglowe (stale niestopowe) zawierają, oprócz żelaza, głównie węgiel oraz niewielkie ilości pierwiastków pochodzących z procesów hutniczych; są to zanieczyszczenia (siarka, fosfor, tlen, wodór, azot) oraz domieszki, których zawartość nie może przekraczać określonych umownych ilości. Stale węglowe dzieli się na: niskowęglowe (do 0,25% węgla), średniowęglowe (0,35–0,6% węgla) i wysokowęglowe (powyżej 0,6% węgla). Stale stopowe zawierają, oprócz żelaza i węgla, jeden lub więcej pierwiastków (dodatków stopowych) w ilości przekraczającej granicę ustaloną dla stali węglowych; wprowadza się je podczas wytapiania lub obróbki pozapiecowej w celu nadania określonych właściwości (chemicznych, elektrycznych, mechanicznych); najczęściej stosowanymi dodatkami stopowymi są: chrom, nikiel, wolfram, molibden, mangan, krzem, wanad, tytan, kobalt, aluminium. Rozróżnia się: stale niskostopowe (zawartość jednego pierwiastka — oprócz węgla — nie przekracza 2,5%, a suma zawartości pierwiastków stopowych łącznie nie przekracza 3,5%), stale średniostopowe (zawartość jednego pierwiastka wynosi 2–8%, a suma zawartości pierwiastków stopowych łącznie nie przekracza 12%), stale wysokostopowe (zawartość jednego pierwiastka przekracza 8%, a suma zawartości pierwiastków stopowych w stali łącznie nie przekracza 55%). W zależności od głównego pierwiastka lub kilku pierwiastków występujących w stali stopowej rozróżnia się m.in. stal: manganową, krzemową, manganowo-krzemową, niklową, chromową, chromowo-niklową, chromowo-molibdenową, chromowo-manganowo-krzemową, chromowo-niklowo-molibdenową.
Zależnie od zastosowania stale węglowe i stopowe dzieli się na stale: konstrukcyjne, narzędziowe i specjalne (o szczególnych właściwościach). Stale konstrukcyjne są przeznaczone na elementy konstrukcji, części maszyn i urządzeń technologicznych pracujących w temperaturze od –40°C do +300°C w środowisku chemicznie nieagresywnym; odznaczają się wysoką wytrzymałością na obciążenia przy dobrych właściwościach plastycznych. Wśród stali konstrukcyjnych rozróżnia się: a) stale niestopowe (węglowe); b) stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości (stale z mikrododatkami), o zawartości 0,02–0,2% węgla, do 1,6% manganu, do 0,1% niobu, wanadu, tytanu, boru i aluminium; c) stale do nawęglania, o zawartości do 0,25% węgla i do kilku procent chromu, niklu, molibdenu, manganu; d) stale do azotowania, zawierające 0,25–0,45% węgla oraz aluminium, chrom i molibden; e) stal do ulepszania cieplnego zawierające 0,25–0,5% węgla oraz chrom, nikiel, molibden, wanad, mangan i krzem; f) stale łożyskowe (przeznaczone na elementy łożysk tocznych) o zawartości 0,9–1,1% węgla, do 2% chromu, 1% manganu oraz do 0,5% krzemu i molibdenu; g) stale sprężynowe (na sprężyny, resory itp.) zawierające ok. 0,5% węgla, 1–2% krzemu oraz do 1% manganu i chromu. Konstrukcyjne stale stopowe mają lepsze właściwości wytrzymałościowe i technologiczne niż stale węglowe, zależnie od składu chemicznego, charakteryzuje je wysoka granica sprężystości, odporność na ścieranie i stabilność wymiarowa. Stale narzędziowe są stosowane do wyrobu różnego rodzaju narzędzi (pilników, pił, wierteł) służących do kształtowania materiałów, głównie przez skrawanie lub obróbkę plastyczną; odznaczają się przede wszystkim bardzo dużą twardością i odpornością na ścieranie, a także — zależnie od zawartości dodatków stopowych — wytrzymałością na obciążenia, odpornością na działanie podwyższonej temperatury, stabilnością wymiarową. Do stali narzędziowych zalicza się: stale do pracy na zimno (przeznaczone do wyrobu narzędzi, które podczas pracy nie nagrzewają się powyżej temperatury 250°C) — pierwiastkami stopowymi w tych stalach są głównie chrom, wolfram i wanad; stale do pracy na gorąco (przeznaczone do wyrobu narzędzi, które podczas pracy mogą się nagrzewać do temperatury 700°C), zawierające: 0,3–0,55% węgla, 1–5% chromu, 0,1–1,8% wanadu, 0,4–3% molibdenu; stale szybkotnące, przeznaczone na narzędzia skrawające umożliwiające obróbkę mechaniczną z dużymi szybkościami skrawania (ok. 30 m/min) i in., wymagające zachowania twardości i odporności na ścieranie w temperaturze 500–650°C. Stale specjalne są przeznaczone do pracy w warunkach specjalnych (np. w wysokich temperaturach, w agresywnych chemicznie środowiskach); odznaczają się szczególnymi właściwościami fizycznymi i chemicznymi; są to m.in.: stale nierdzewne, zawierające do 0,4% węgla i minimum 13% chromu, wykazujące odporność na korozyjne działanie środowisk utleniających (powietrza, pary wodnej, roztworów zasadowych, słabych kwasów organicznych), stosowane do wyrobu urządzeń dla przemysłu chemicznego, na narzędzia medyczne, pomiarowe i in.; stale kwasoodporne, zawierające ok. 0,1% węgla oraz 16–25% chromu, 4–30% niklu, niekiedy molibden (do 5%), tytan (do 0,8%) lub niob (do 1%), odznaczające się odpornością na działanie środowisk utleniających, a także większości kwasów nieorganicznych i organicznych oraz barwników, stosowane m.in. do wyrobu urządzeń dla przemysłu chemicznego i spożywczego; stale żaroodporne, zawierające zwykle 0,1–0,2% węgla oraz chrom (5–25%), krzem, aluminium, molibden, odznaczające się odpornością na działanie gazów utleniających w wysokiej temperaturze (żaroodporność); stale żarowytrzymałe, zawierające 0,1–0,4% węgla oraz chrom (15–30%), nikiel (8–25%), molibden, wolfram, wanad, wykazujące zdolność zachowywania dobrych właściwości mechanicznych w wysokiej temperaturze (żarowytrzymałość); stale żaroodporne i żarowytrzymałe są stosowane m.in. do wyrobu aparatury chemicznej, osłon pirometrów, armatury piecowej, urządzeń energetycznych, silników odrzutowych; stale automatowe, zawierające zwykle 0,1–0,4% węgla, 0,1–0,35% siarki i 0,035–0,8% fosforu, czasami mangan (0,5–1,8%), odznaczające się bardzo dobrą skrawalnością, przeznaczane do wyrobu śrub, nakrętek, sworzni itp.; stale o specjalnych właściwościach magnetycznych, stanowiące zarówno miękkie, jak i twarde materiały magnetyczne; do pierwszych zalicza się stale niskowęglowe i stale krzemowe, stosowane do produkcji prądnic, rdzeni transformatorów itp., do drugich — stale wysokowęglowe (1–1,5% węgla), a także stale stopowe zawierające ok. 1% węgla oraz wolfram, chrom, molibden i kobalt, stosowane jako magnesy trwałe; stale o specjalnych właściwościach mechanicznych: stale o specjalnej odporności na ścieranie, np. stal Hadfielda, zawierająca 1–1,3% węgla, 11–14% manganu i 0,3–0,5% krzemu, stosowana na elementy rozjazdów kolejowych i tramwajowych, wykładziny młynów kulowych, gąsienice i in.; stale o bardzo wysokiej wytrzymałości, do których należy stal maraging — wysokostopowa, niskowęglowa stal odporna na korozję, o zawartości do 0,03% węgla, do 18% niklu, 8–20% kobaltu, 3–10% molibdenu, 0,1–1,6% tytanu, ok. 0,1% aluminium, stosowana jako materiał konstrukcyjny do wytwarzania elementów pracujących w szerokim zakresie temperatur: od –200°C do +600°C.
Stal jest jednym z najważniejszych materiałów stosowanych we wszystkich gałęziach gospodarki. W 2007 światowa produkcja stali wyniosła 1344 mln t, w tym Chiny — 489 mln t, Japonia — 120 mln t, USA — 97 mln t (Polska — 11 mln t). Historia wytwarzania stali wiąże się z hutnictwem.
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia