Wpływ pierwiastków na właściwości stali
Węgiel ( C )
Składnik stali decydujący o własnościach mechanicznych. Wraz ze wzrostem zawartości węgla zwiększa się wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności i twardość, zmniejsza się 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 właściwie będą wykorzystane inne dodatki stopowe (wanad; wolfram; kobalt). W stalach nierdzewnych i kwasoodpornych występowanie węgla powyżej 0,03 % stwarza podatność tych stali 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 jednoczesne podwyższenie wytrzymałości i twardości przy zachowaniu wysokiej udarności. Nie tworzy węglików. Znacznie obniża temperaturę progu kruchości stali. Wpływa na dobrą hartowność stali a 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, obniża natomiast własności plastyczne. Stale manganowe cechuje podwyższona granica sprężystości i większa odporność na ścieranie. W stalach narzędziowych 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 krzem 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, dlatego ma szerokie zastosowanie w stalach sprężynowych i resorowych. W stalach narzędziowych krzem stosowany łącznie z pierwiastkami węglikotwórczymi zwiększa własności plastyczne po hartowaniu i hamuje spadek twardości po odpuszczaniu. W połączeniu z chromem i molibdenem zwiększa żaroodporność i żarowytrzymałość stali. 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 stali na ścieranie. W stalach martenzytycznych, ferrytycznych i austenitycznych zwiększa odporność na korozje.
Wolfram ( W )
Pierwiastek węglikotwórczy jednak 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 stali w temperaturze ok. 650 °C – tzw. wygrzewanie przeciwpłatkowe.
Siarka ( S )
Siarka 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 polepsza skrawalność.
Fosfor ( P )
Zawartość fosforu obniża własności plastyczne stali powodując jej kruchość.
„Multistal & Lohmann – Wpływ pierwiastków na właściwości stali” otwórz PDF