Wpływ zawartości składników stopowych na własności 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.