: 14/10/2020

Jak oznacza się gatunki stali wg własności i zastosowania?

Stal należy do materiałów, które są wykorzystywane do produkcji wielu elementów wymagających odpowiedniej trwałości i wytrzymałości na czynniki zewnętrzne. Dla szybkiego i łatwego rozróżniania poszczególnych gatunków stali przeznaczonej do wykonania konkretnych konstrukcji, części czy podzespołów niezbędne jest precyzyjne podanie jej dokładnie oznaczonego gatunku. Taka dokładność jest konieczna do tego, by materiał miał wymagane przez konstruktora czy projektanta właściwości i nie spowodował niebezpiecznego uszkodzenia, czy skrócenia czasu eksploatacji. Jest to szczególnie ważne w przypadku metalu, który ma być zastosowany do wytworzenia części pracującej pod dużym obciążeniem, jak np. stal łożyskowa. Przyjrzyjmy się bliżej kluczowym właściwościom stali i zapoznajmy się, z metodami ich oznaczania.

Jakie są kluczowe właściwości stali i metody jej klasyfikacji?

Stal jest rodzajem stopu żelaza i węgla, którego zawartość jest mniejsza niż 2%. Może ona zawierać także inne dodatki, zarówno takie, które są zanieczyszczeniami nieusuniętymi w procesie pozyskiwania i obróbki stali, jak i specjalnie wprowadzonymi w celu poprawy własności użytkowych i parametrów stali. Domieszkami pochodzącymi z procesów metalurgicznych, ściśle uzależnionych od metody wytopu są glin, mangan i krzem, siarka oraz potas, a niekiedy również arsen i cyna. W stali mogą się też znaleźć śladowe ilości tlenu, azotu oraz wodoru. W stalach węglowych (niestopowych) poza ściśle określoną zawartością zanieczyszczeń oraz pierwiastków śladowych nie znajdują się inne związki. W stalach stopowych będą natomiast obecne również celowo dodane: chrom, nikiel, krzem, mangan, molibden, wolfram, tytan, wanad oraz aluminium, niob i kobalt. Dodatki stopowe mogą stanowić od 3,5 do przeszło 55% składu stali. Ich obecność i zestawienie pozwala na osiągnięcie różnych rezultatów – np. chrom podnosi wytrzymałość termiczną, nikiel wpływa na odporność mechaniczną, a kobalt poprawia twardość stali. Wprowadzanie pierwiastków stopowych daje też efekt w postaci zmiany parametrów procesów technologicznych – taką rolę odgrywa m.in. wolfram, molibden czy wanad.

Podział na stale stopowe i niestopowe jest podstawowym rozróżnieniem rodzajów stali, jednak w obrębie tych grup istnieją dalsze podziały, np. ze względu na zastosowanie – na stal konstrukcyjną (używaną do wykonywania m.in. szkieletów budynków, ram i obudów maszyn i urządzeń), maszynową (przeznaczoną na mocno obciążane elementy urządzeń – koła zębate, wałki, łożyska), specjalną (do zastosowań wymagających szczególnych właściwości – np. produkcji narzędzi chirurgicznych) i narzędziową (do narzędzi obróbkowych i pomiarowych czy oprzyrządowania niezbędnego do produkcji różnych metali). Podziałów jest jednak więcej – możemy mieć do czynienia ze stalą podstawową, jakościową (z bardzo precyzyjnie określoną zawartością poszczególnych składników) oraz specjalną – gdzie wymagana dokładność pod względem składu jest jeszcze wyższa.

Stal może być również rozróżniana ze względu na swoje właściwości mechaniczne, związane z budową sieci krystalicznej, która ją tworzy oraz podatność na różne formy obróbki. Do najistotniejszych parametrów pierwszego rodzaju należą m.in. wytrzymałość stali, określająca jakie siły są w stanie ją odkształcić w efekcie obciążenia statycznego (oddziałującego przez dłuższy czas) lub dynamicznego (przejawiającego się szybkim i krótkim działaniem). Wśród różnych obciążeń tego rodzaju znajdują się m.in. ściskające, zginające, skręcające, czy rozciągające.
Do charakterystyki związanej z metodami obróbki stali zalicza się zdecydowanie więcej czynników. Między własnościami technologicznymi znajdziemy skrawalność, a zatem podatność na różne metody obróbki ubytkowej – wiórowej za pomocą skrawania (toczenia, frezowania, wiercenia, przeciągania czy dłutowania) oraz ściernej przez szlifowanie czy obróbkę erozyjną, np. strumieniowo-ścierną. Bardzo istotna jest również plastyczność metalu, czyli zdolność do odkształcania się, a zatem przekroczenia granicy plastyczności i trwałej zmiany kształtu, która może być wykorzystywana przy gięciu, cięciu, kuciu, wykrawaniu, walcowaniu albo przeciąganiu. Bardzo ważna jest podatność na obróbkę cieplną stali, w tym jej spawalność czy możliwość ulepszania cieplnego za sprawą np. przesycania lub hartowania.

W jaki sposób oznacza się obecnie gatunek stali?

Dokładne określenie gatunku stali ma duże znaczenie dla szybkiego rozpoznawania konkretnego zestawu cech, niezbędnego przy danym zastosowaniu, rodzaju obróbki czy planowanym obciążeniu elementów. Stal jest oznaczana zgodnie z PN-EN 10027 „Systemy oznaczania stali”. W ramach przyjętego podziału na oznaczenie rodzaju stali może być użyty kod literowo-cyfrowy albo cyfrowy, z których każdy jest unikalny i przypisany wyłącznie do jednego produktu. W obrębie kodów dwuczęściowych stosuje się dwa niezależne systemy – jeden określa skład chemiczny stali, drugi możliwe dla niej zastosowanie albo właściwości mechaniczne.

Kod związany z przeznaczeniem stali ma postać litery określającej zastosowanie stali (mogą to być m.in. S – stal konstrukcyjna, P – stal ciśnieniowa, E – stal maszynowa, B – stal zbrojeniowa), 3 cyfr określających kluczowe własności przy danym zastosowaniu oraz informacji dodatkowej. Cyfry związane z własnościami stali są związane z jej rodzajem. I tak np. dla stali P i L dodaje się informację o granicy plastyczności podanej w MPa, dla stali Y używanej do betonu sprężonego i stali R wykorzystywanej do produkcji szyn podaje się wytrzymałość na rozciągania. Ostatnie oznaczenie literowe w kodzie stali oznacza właściwości dodatkowe i tak np. Q to stal po ulepszaniu cieplnym, M – stal walcowana, MC – stal walcowana na zimno, N stal wyżarzona spawalna, a H stal na kształtowniki, zaś JR – stal o udarności 27 J w temp 20°C, J0 – przy 0°C, a J2 przy –20°C. Przykładowe oznaczenia stali wg tego kodu to choćby S235, czyli stal konstrukcyjna o granicy plastyczności 235 MPa, czy też B500, a zatem stal zbrojeniowa o granicy plastyczności 500 MPa.

Kody związane z budową chemiczną mają nieco bardziej złożoną strukturę, a ich postać zależy od podgrupy, do której jest zaliczany konkretny gatunek stali. Stale niestopowe, gdzie średnia zawartość manganu jest niższa niż 1%, oznacza się literą C oraz 100-krotnością zawartości węgla, a także symbolem dodatkowym, np. E – oznaczającym zawartość siarki na poziomie 0,035%. Oznaczenie takie może mieć postać np. C35E (0,35% węgla oraz 0,035% siarki, albo C60, zawierającą 0,6 węgla).

Dla stali niestopowych, które zawierają poniżej 5% pierwiastka stopowego, oznaczenie składa się z kodu podającego zawartość węgla, nazwy dodatków stopowych oraz mnożnika pozwalającego na określenie ich zawartości, przy czym odnoszą się one kolejno do wymienianych dodatków. Zapis ten może mieć postać 42CrMo8-6, co oznacza stal o zawartości węgla na poziomie 0,42%, chromu o zawartości 2% (ze względu na wartość mnożnika wynoszącego dla chromu 4) oraz molibdenu o zawartości 0,6% (z uwagi na wartość mnożnika wynoszącego dla molibdenu 10). Oznaczenie może zawierać większą liczbę dodatków, dla 55NiCrMo6-2-2 skład będzie się przedstawiał następująco: 0,55% węgla, 1,5% niklu, 0,5% chromu oraz 0,2% molibdenu.

Dla stali stopowych oznaczenie będzie miało postać litery X oznaczającej stal stopową, 100-krotności zawartości węgla, symbole dodatków stopowych według zawartości od największej, wartości określającej zawartość kolejnych pierwiastków. I tak dla stali X1NiCrMoCu25-20-5 będzie to 0,1% węgla, 25% niklu, 20% chromu, 5% molibdenu oraz mniej niż 0,1% miedzi (na co wskazuje brak wartości cyfrowej dla tego pierwiastka).

W przypadku kodu cyfrowego numer stali zawiera 5 cyfr, z których pierwsza oddzielona kropką to oznaczenie stali. Pozostałe 2 cyfry odpowiadają grupie stali, a ostatnie 2 gatunkowi stali w danej grupie. Przykładowe oznaczenie stali wg tej metody to 1.4301, co odpowiada stali X10CrNi18-1.

Stal