Rodzaje stali w przemyśle

Stal, będąca stopem żelaza z węglem (zazwyczaj do około 2,11% masowo) oraz często innymi pierwiastkami stopowymi, jest bezsprzecznie jednym z najważniejszych materiałów konstrukcyjnych i narzędziowych we współczesnym przemyśle. Jej wszechstronność wynika z możliwości modyfikacji właściwości mechanicznych, fizycznych i chemicznych poprzez zmianę składu chemicznego oraz obróbkę cieplną i cieplno-plastyczną. Zrozumienie różnych rodzajów stali i ich specyficznych cech jest kluczowe dla inżynierów, projektantów i technologów w celu optymalnego doboru materiału do danego zastosowania.

Podstawowy podział stali opiera się na zawartości węgla oraz obecności i ilości pierwiastków stopowych.

Podstawowy podział stali

Stale węglowe (niestopowe): Głównymi składnikami są żelazo i węgiel. Zawartość innych pierwiastków (mangan, krzem, fosfor, siarka) jest ograniczona do wartości wynikających z procesu technologicznego wytwarzania stali i nie wpływa znacząco na jej podstawowe właściwości w sposób zamierzony.
Stale stopowe: Oprócz żelaza i węgla zawierają celowo wprowadzone pierwiastki stopowe (np. chrom, nikiel, molibden, wanad, wolfram, tytan, kobalt) w ilościach wpływających na zmianę jej właściwości fizycznych, chemicznych lub mechanicznych.

Stale węglowe

Stale węglowe są najczęściej stosowaną grupą stali ze względu na ich stosunkowo niski koszt i szeroki zakres właściwości, które można uzyskać poprzez regulację zawartości węgla i obróbkę cieplną. Dzieli się je zazwyczaj ze względu na zawartość węgla:

Stal niskowęglowa (miękka): Zawartość węgla poniżej 0,25%. Charakteryzuje się dużą plastycznością, ciągliwością, dobrą spawalnością i podatnością na obróbkę plastyczną na zimno. Jest stosunkowo tania. Ma jednak niską twardość i wytrzymałość.
- Zastosowania: Blachy karoseryjne, profile konstrukcyjne, elementy złączne (śruby, nity), druty, gwoździe, elementy tłoczone.
Stal średniowęglowa: Zawartość węgla od 0,25% do 0,6%. Posiada wyższą wytrzymałość i twardość niż stal niskowęglowa, ale niższą plastyczność i spawalność. Dobrze nadaje się do hartowania i odpuszczania, co pozwala na uzyskanie optymalnego kompromisu między wytrzymałością a ciągliwością.
- Zastosowania: Elementy maszyn (osie, wały korbowe, koła zębate), szyny kolejowe, elementy konstrukcyjne o podwyższonej wytrzymałości, narzędzia rolnicze.
Stal wysokowęglowa: Zawartość węgla powyżej 0,6%. Charakteryzuje się wysoką twardością, wytrzymałością na rozciąganie i odpornością na ścieranie po odpowiedniej obróbce cieplnej (hartowaniu). Jest jednak bardziej krucha i trudniejsza w spawaniu oraz obróbce plastycznej.
- Zastosowania: Narzędzia tnące (noże, wiertła – choć tu często stosuje się stale narzędziowe stopowe), sprężyny, liny stalowe, elementy odporne na ścieranie, matryce.

Tabela 1: Podział i charakterystyka stali węglowych

Rodzaj stali węglowej	Orientacyjna zawartość C [%]	Główne właściwości	Przykładowe zastosowania
Niskowęglowa	< 0,25	Wysoka plastyczność, dobra spawalność, niska twardość	Blachy, profile, druty, elementy tłoczone
Średniowęglowa	0,25 - 0,6	Dobra wytrzymałość, twardość, podatność na hartowanie	Osie, wały, koła zębate, szyny, elementy maszyn
Wysokowęglowa	> 0,6	Wysoka twardość, odporność na ścieranie, kruchość	Narzędzia (proste), sprężyny, liny, elementy odporne na ścieranie

Stale stopowe

Dodatek pierwiastków stopowych pozwala na uzyskanie właściwości niemożliwych do osiągnięcia w stalach węglowych lub znaczące polepszenie już istniejących. W zależności od sumarycznej zawartości dodatków stopowych (nie licząc węgla), stale stopowe dzieli się na:

Stale niskostopowe: Sumaryczna zawartość dodatków stopowych zazwyczaj nie przekracza 5%. Dodatki te mają na celu głównie podwyższenie wytrzymałości, hartowności czy odporności na korozję atmosferyczną. Przykładem są stale HSLA (High Strength Low Alloy) – stale o podwyższonej wytrzymałości, często stosowane w konstrukcjach.
Stale średniostopowe: Sumaryczna zawartość dodatków stopowych mieści się zazwyczaj w przedziale 5-10%.
Stale wysokostopowe: Sumaryczna zawartość dodatków stopowych przekracza 10%. Do tej grupy należą m.in. stale nierdzewne i żaroodporne oraz wiele stali narzędziowych.

Główne grupy stali stopowych według zastosowania lub właściwości:

Stale nierdzewne: Najważniejszą cechą jest wysoka odporność na korozję, uzyskiwana głównie dzięki dodatkowi chromu (minimum 10,5%). Chrom tworzy na powierzchni stali cienką, szczelną i trwałą warstwę pasywną (tlenkową), chroniącą materiał przed agresywnym środowiskiem. Często zawierają również nikiel (poprawia odporność korozyjną i właściwości mechaniczne), molibden (zwiększa odporność na korozję wżerową i szczelinową), tytan lub niob (stabilizacja węglików). Dzielą się na kilka głównych grup strukturalnych: austenityczne, ferrytyczne, martenzytyczne, ferrytyczno-austenityczne (Duplex).
- Zastosowania: Przemysł chemiczny, petrochemiczny, spożywczy, farmaceutyczny, medycyna (implanty, narzędzia chirurgiczne), energetyka, budownictwo (elementy architektoniczne, balustrady), AGD.
Stale narzędziowe: Przeznaczone do produkcji narzędzi skrawających, tnących, matryc, form, narzędzi pomiarowych. Muszą charakteryzować się odpowiednią kombinacją właściwości, takich jak: wysoka twardość, odporność na ścieranie, udarność (odporność na pękanie pod wpływem obciążeń dynamicznych), stabilność wymiarowa podczas obróbki cieplnej, a często także odporność na pracę w podwyższonej temperaturze (stale szybkotnące). Są to zazwyczaj stale wysokowęglowe z dodatkami stopowymi takimi jak wolfram, molibden, wanad, chrom, kobalt.
- Zastosowania: Wiertła, frezy, noże tokarskie, gwintowniki, przeciągacze, matryce kuźnicze, formy wtryskowe, narzędzia do obróbki plastycznej na zimno.
Stale konstrukcyjne stopowe: Używane tam, gdzie wymagana jest wyższa wytrzymałość, lepsza hartowność, większa udarność (szczególnie w niskich temperaturach) lub inne specyficzne właściwości, których nie zapewniają stale węglowe. Mogą to być stale niskostopowe (np. do ulepszania cieplnego) lub wysokostopowe (np. pracujące w ekstremalnych warunkach).
- Zastosowania: Odpowiedzialne elementy maszyn i pojazdów, konstrukcje mostowe, wieżowce, rurociągi przesyłowe, zbiorniki ciśnieniowe, elementy pracujące w niskich lub wysokich temperaturach.
Stale specjalne: Grupa obejmująca stale o bardzo specyficznych właściwościach, np.:
- Stale żaroodporne i żarowytrzymałe: Odporne na utlenianie w wysokich temperaturach i zachowujące wystarczającą wytrzymałość mechaniczną w tych warunkach (np. w piecach przemysłowych, turbinach gazowych). Zawierają głównie Cr, Ni, Si, Al.
- Stale odporne na pełzanie: Zachowujące stabilność wymiarową pod długotrwałym obciążeniem w podwyższonej temperaturze (np. elementy kotłów energetycznych). Zawierają często Cr, Mo, V.
- Stale o określonych właściwościach fizycznych: Np. stale o niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej (Invar), stale magnetyczne.

Tabela 2: Wybrane grupy stali stopowych

Grupa stali stopowej	Główne pierwiastki stopowe (przykładowe)	Kluczowe właściwości	Przykładowe zastosowania
Nierdzewne	Cr (>10,5%), Ni, Mo, Ti	Wysoka odporność na korozję	Przemysł chemiczny, spożywczy, medycyna, architektura, AGD
Narzędziowe	W, Mo, V, Cr, Co (w szybkotnących), C	Wysoka twardość, odporność na ścieranie, udarność	Narzędzia skrawające, matryce, formy, narzędzia pomiarowe
Konstrukcyjne stop.	Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V	Podwyższona wytrzymałość, hartowność, udarność, spawalność	Odpowiedzialne elementy maszyn, konstrukcje, mosty, rurociągi, zbiorniki ciśnieniowe
Żaroodporne/Wytrzym.	Cr, Ni, Si, Al, Mo, W	Odporność na utlenianie i obciążenia w wysokich temperaturach	Elementy pieców, turbin gazowych, kotłów energetycznych, wymienniki ciepła

Inne kryteria podziału

Oprócz składu chemicznego, stale można klasyfikować również według:

Zastosowania: (jak wyżej: konstrukcyjne, narzędziowe, specjalne).
Metody wytwarzania: (np. stali konwertorowej, stali elektrycznej).
Stopnia odtlenienia: (uspokojona, półuspokojona, nieuspokojona).
Struktury uzyskanej po obróbce cieplnej lub w stanie dostawy: (np. ferrytyczna, perlityczna, bainityczna, martenzytyczna, austenityczna).

Podsumowanie

Różnorodność dostępnych gatunków stali jest ogromna, co pozwala na precyzyjne dopasowanie materiału do specyficznych wymagań aplikacji przemysłowej. Wybór odpowiedniego rodzaju stali jest kluczową decyzją inżynierską, wpływającą na trwałość, bezpieczeństwo, wydajność i koszt finalnego produktu lub konstrukcji. Znajomość klasyfikacji, właściwości i zastosowań poszczególnych grup stali jest fundamentem nowoczesnej inżynierii materiałowej.

Źródła

Informacje na temat klasyfikacji i właściwości stali można znaleźć w normach krajowych i międzynarodowych (np. serie PN-EN 10020, PN-EN 10025, PN-EN 10027, PN-EN 10083, PN-EN 10088), a także w licznych podręcznikach akademickich i poradnikach inżynierskich z zakresu materiałoznawstwa i metalurgii. Przykładowe pozycje:

Dobosiewicz J., Materiały Konstrukcyjne Metalowe i Niemetalowe, WNT, Warszawa.
Blicharski M., Inżynieria Materiałowa - Stal, WNT, Warszawa.
Przybyłowicz K., Metaloznawstwo, WNT, Warszawa.
Normy serii PN-EN dotyczące wyrobów stalowych.
Katalogi i dane techniczne producentów stali.