Czysty metal nie zawsze ma korzystne właściwości chemiczne i mechaniczne. Jednak wystarczy dodać do niego inny pierwiastek, nawet w niewielkich ilościach, by znacznie zmienić wytrzymałość czy ciągliwość tak powstałego stopu. Nowoczesne materiały pozwalają na zupełnie nowe możliwości, dzięki nadzwyczajnej wytrzymałości i niezwykłej odporności.
Z tego artykułu dowiesz się o:
- stali niestopowej oraz stopowej;
- dodatkach do stali oraz ich wpływie na właściwości uzyskanych materiałów;
- stopach aluminium;
- stopach miedzi.
Podstawowe materiały konstrukcyjne
W przemyśle stal stanowi podstawowy materiał poddawany obróbce. Choć sama stal jest już z definicji stopem żelaza oraz węgla, w praktyce dopiero inne dodatki traktuje się jako stopowe. Dlatego też można spotkać nazwę stali niestopowej, inaczej węglowej. W jej składzie obecny jest naturalnie węgiel, ale mogą znajdować się także śladowe ilości innych pierwiastków, najczęściej jako zanieczyszczenia z procesu wytwarzania. Ich wpływ na właściwości materiału jest jednak znikomy w dopuszczalnych normami ilościach.
O wiele większą grupę stanowią jednak stale stopowe, które podzielić można na jeszcze mniejsze grupy. W ich składzie chemicznym znaleźć można inne, ważne pierwiastki, które decydują o końcowych parametrach uzyskanych materiałów, a tym samym o zastosowaniu tych materiałów.
Stal węglowa
Stal niestopowa stanowi połączenie żelaza oraz węgla. Tego drugiego nie może być jednak więcej, niż 2%. Powyżej tej wartości mamy już bowiem do czynienia z żeliwem, również szeroko stosowanym w przemyśle. Ze względu na jego kruchość, służy głównie do odlewania gotowych korpusów i elementów, natomiast nie poddaje się go obróbce plastycznej.
O właściwościach stali niestopowej decyduje głównie zawartość węgla. Jednak równie ważnym czynnikiem jest obróbka cieplna, jakiej stal jest poddawana. W zależności od szybkości schładzania oraz ilości węgla, w strukturze stali wydzielają się inne fazy: ferryt, cementyt, austenit i inne. Każda faza charakteryzuje się inną twardością, kruchością oraz wytrzymałością.
Stal węglowa wykorzystywana jest do wykonywania elementów przenoszących niewielkie obciążenia. Najczęściej poddawana jest ona obróbce cieplnej, dzięki której można znormalizować jej strukturę, a w przypadku szybkiego schładzania, nazywanym hartowaniem, znacząco zmienić właściwości wytrzymałościowe. Oznacza się ją za pomocą litery C, przypisanej węglowi w układzie okresowym pierwiastków, oraz liczbą będącą stukrotnością zawartości tego pierwiastka w stopie. Dla przykładu stal C35 (lub stal gatunku 35) charakteryzuje się zawartością węgla na poziomie 0,35%.
Dodatki stopowe
Do stali można wprowadzić celowo większe ilości poszczególnych pierwiastków, aby uzyskać odpowiednie zmiany właściwości. Najczęściej dodatkami stopowymi są:
- Nikiel (Ni) – ułatwia hartowanie poprzez spowolnienie jego tempa. Zwiększa odporność stali o strukturze ferrytycznej.
- Chrom (Cr) – sprzyja rozdrobnieniu ziarna w strukturze krystalicznej, podwyższa hartowność, a w dużych ilościach pozwala zapobiegać rdzewieniu.
- Mangan (Mn) – wpływa na zwiększenie wytrzymałości na uderzenie, rozciąganie oraz ścieranie.
- Wolfram (W) – odpowiada za wzrost wytrzymałości, odporności na ścieranie (narzędzia do obrabiania stali) oraz drobnoziarnistości struktury krystalicznej stali.
- Molibden (Mo) – zwiększa odporność na pełzanie, a jednocześnie zmniejsza kruchość materiału, wpływa również na hartowność oraz wytrzymałość.
- Wanad (V) – wprowadzany jest do stali narzędziowej ze względu na znaczne zwiększenie twardości.
- Kobalt (Co) – odpowiada za większą twardość i drobnoziarnistość stali.
Nie są to wszystkie pierwiastki, które wprowadza się do stali w celu polepszenia ich właściwości. Często dana stal posiada kilka dodatków stalowych, w rezultacie jej właściwości ulegają jeszcze większej modyfikacji. Warto pamiętać, że dodatnie dwóch pierwiastków nie spowoduje takich samych zmian charakterystyki stali, jak suma zmian każdego z tych pierwiastków. Dlatego też cały czas naukowcy starają się tworzyć nowe stopy i sprawdzają ich właściwości.
Stale stopowe
Do niektórych gatunków stali wystarczy dodać niewielkie ilości jednego pierwiastka, w innych stosuje się znacznie większe dodatki. Dlatego też pod tym kątem można wyróżnić trzy rodzaje stali stopowej:
- Stal niskostopowa, w której pojedynczy dodatek nie przekracza 2%, natomiast suma wszystkich pierwiastków (oprócz węgla i żelaza) jest mniejsza niż 3,5%.
- Średniostopowe gatunki posiadają domieszki w łącznej ilości do 12 % lub jeden pierwiastek w ilości między 2% a 8%.
- Natomiast stal wysokostopowa posiada dodatek ponad 8% jednego pierwiastka, natomiast łącznie zawartość dodatków może dochodzić nawet do 55%.
Przeznaczenie stali stopowych jest bardzo szerokie. Wyróżnić można stale narzędziowe, szybkotnące, maszynowe, nierdzewne, żaroodporne czy elektrotechniczne. Ciekawym przykładem są stale nierdzewne, zawierające co najmniej 10,5% chromu i mniej niż 1,2% węgla. Gdy Cr stanowi powyżej 8% składu materiału, mamy do czynienia ze stalą wysokostopową.
W oznaczeniu stali stopowych wykorzystuje się ciąg literowo-cyfrowy. Na pierwszym miejscu stoi litera mówiąca o zastosowaniu danej stali. Może to być X dla stali wysokostopowej czy HS dla szybkotnącej. Kolejna liczba stanowi stukrotność zawartości węgla. W końcu wymienione są pierwiastki stopowej oraz ich zawartość podana w procentach. Dla przykładu stal X5CrNi18-10 zawiera 0,5% węgla, 18% chromu oraz 10% niklu.
Wyjątek stanowi stal szybkotnąca, w której pomija się pierwiastki stopowe. Zawsze będzie to wolfram, molibden, wanad oraz kobalt – i w tej kolejności podawana jest zawartość procentowa poszczególnych dodatków, na przykład: HS2-9-1-8.
Metale nieżelazne i ich stopy
W przemyśle wykorzystuje się również inne metale oraz ich stopy. Dużą powszechnością cieszy się miedź i aluminium. Pozostałe materiały, jak tytan, stosowane są dużo rzadziej. Dlatego poniżej zajmiemy się stopami dwóch najpopularniejszych metali nieżelaznych.
Aluminium odlewnicze
Głównymi dodatkami do odlewniczych stopów aluminium są krzem, miedź i magnez. Czasem stosuje się także mangan, nikiel i tytan. Przykładem może być stop znany pod nazwą silusil, oznaczany jako AlSi21CuNi, zawierający 20 do 23% krzemu. Zawartość miedzi to około 1,1 do 1,5%, magnezu do 0,5-0,9%, do 0,3% manganu oraz 0,8-1,1% niklu. Dzięki tym dodatkom stopowym materiał ten może być używany do budowy mocno obciążonych toków silników spalinowych.
Nieco mniejszą zawartość krzemu, od 10 do 13%, mają siluminy. Przykładem może być AlSi11, który stosuje się do skomplikowanych odlewów części o średnim obciążeniu. Może pracować w podwyższonych temperaturach. Odporny jest również na korozję – nawet w nieprzyjaznej chemicznie wodzie morskiej.
Połączenie miedzi oraz aluminium pozwala uzyskać bardzo dobre własności odlewnicze. Stopy takie odporne są również na korozję. Niestety, są skłonne do pęknięć na gorąco, co znacząco ogranicza ich stosowanie. Jednak AlCu4, o zawartości około 4% miedzi, znalazł swoje miejsce jako materiał na galanterię stołową.
Aluminium do obróbki plastycznej
Odporność na korozję znacząco zwiększa też dodatek magnezu. Wykorzystywany jest szczególnie w stopach do obróbki plastycznej. W tej roli wykorzystywane są również miedź, mangan, krzem, nikiel, żelazo, cynk, chrom i tytan. Przykładem takiego stopu jest hydronalium (AlMg2 lub AlMg5).
Dużą popularność zyskały Durale, jak AlCu4Mg czy AlCu4M1. Wykorzystywane są one do wytwarzania konstrukcji lotniczych oraz pojazdów samochodowych. Spotkać je można także w budownictwie. Charakteryzują się bardzo dużą odpornością na korozję, a po utwardzeniu – wysoką wytrzymałością nawet do 440 MPa. Dla porównania, w przypadku czystego aluminium parametr ten wynosi 70 MPa, a dla stali konstrukcyjnej C35 będzie to 500 MPa. Zatem dodatek miedzi pozwala uzyskać stopy o wytrzymałości zbliżonej do stali, ale przy zachowaniu charakterystycznej lekkości (niska gęstość duraluminium).
Materiałami do pracy w wysokich temperaturach są stopy z dodatkiem żelaza i niklu. Natomiast cynk to doskonały dodatek do stopów pracujących pod dużym obciążeniem, szczególnie w lotnictwie.
Poszczególne stopy aluminium, zgodnie z normą PN-EN 5731:2006, posiadają czterocyfrowe oznaczenia. Pierwsza cyfra oznacza przynależność do jednej z grup:
- 1xxx to aluminium niestopowe o czystości powyżej 99%.
- 2xxx oznaczają stopy aluminium i miedzi.
- 3xxx to stopy z dodatkiem manganu.
- 4xxx oznaczają aluminium z dodatkiem krzemu.
- 5xxx to dodatek gównie magnezu.
- 6xxx to stopy ze znaczącym dodatkiem magnezu i krzemu.
- 7xxx oznacza dużą zawartość cynku.
- 8xxx oznacza inne pierwiastki stopowe.
- 9xxx została natomiast zarezerwowana dla stopów opracowanych dopiero w przyszłości. Aktualnie z takiego oznaczenia nie korzysta żaden gatunek.
Ostatnie dwie cyfry wskazują na ilość czystego aluminium w stopie. Natomiast druga cyfra pozwala określić skalę modyfikacji aluminium.
Miedź
Miedź była pierwszym metalem przetwarzanym przez ludzi, głównie z powodu stosunkowo niskiej temperatury topnienia oraz dostępności. Wśród podstawowych grup stopów miedzi wyróżniamy:
- Miedź stopową, w której domieszki nie przekraczają 3%.
- Miedź arsenową, zawierającą od 0,3 do 0,5% Arsenu. Znalazła zastosowanie w aparaturze chemicznej dzięki odporności na utlenianie w wysokich temperaturach.
- Miedź chromową, w której znaleźć można od 0,4 do 1,2% chromu oraz do 0,5% cynku. Wykorzystuje się ją do wytwarzania elektrod do zgrzewarek.
- Miedź kadmową z dodatkiem 0,9 do 1,2% kadmu, służąca do wykonywania przewodów trakcji elektrycznej.
- Miedź srebrową.
- Miedź manganową.
- Miedź cynową.
- Miedź cynkową.
- Miedź telurową.
Jednak lista ta nie wyczerpuje wszystkich stopów, w których występuje miedź. Historycznie wyróżnić można kilka szczególnych stopów tego metalu.
Mosiądz
W mosiądzu znaleźć można od zaledwie 46% do aż 97% miedzi. Drugim, ważnym składnikiem jest cynk. Oprócz nich występować może także mangan, ołów, żelazo, aluminium, krzem, nikiel oraz cyna.
Mosiądz charakteryzuje się doskonałymi własnościami plastycznymi i odlewniczymi. Im większa zawartość cynku w stopie, tym większa wytrzymałość stopu. Natomiast powyżej 42% zawartości cynku materiał staje się kruchy.
Brąz
Brązy podzielić można na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Te pierwsze są wieloskładnikowe, z podstawowymi domieszkami takimi jak: cyna (do 11%), ołów (do 33%), aluminium (do 11%), krzem (do 4,5%), cynk (do 7%), mangan (do 2%), żelazo (5,5%), nikiel (do 5,5%) oraz fosfor (do 1,5%). Natomiast zastosowanie tego typu stopów jest bardzo szerokie: od części maszyn, przez łożyska ślizgowe aż po przemysł lotniczy, papierniczy czy górniczy.
Brązy do obróbki plastycznej zawierają z kolei: mangan (do 5,5%), aluminium (do 11%), cynę (do 7%), krzem (do 3,5%), nikiel (poniżej 6,5%), beryl (nawet do 8,6%), fosfor (poniżej 0,3%), cynk (o 5%), ołów (do 3,5%) oraz żelazo poniżej 5,5%. Niższe zawartości dodatków pozwalają uzyskać lepsze własności plastyczne.
Najczęściej wykorzystywane są jednak brązy cynowe, w których zawartość cyny ogranicza się zazwyczaj do 11%.
Szeroki dobór metali o optymalnych właściwościach
Duża ilość stopów i metali pozwala wybrać do produkcji najlepszy materiał. Odpowiednia wytrzymałość, plastyczność oraz dodatkowe własności materiału muszą pozwalać na docelowe zastosowanie wytwarzanego detalu lub komponentu. Z kolei przy produkcji mało wymagających elementów, istotna będzie cena stopu, decydująca o ostatecznej cenie gotowego produktu.
Znajomość charakterystyki poszczególnych stopów stali, aluminium, miedzi, a także innych metali umożliwia tworzenie nowatorskich i ciekawych rozwiązań, podnoszących jakość gotowych wyrobów, a jednocześnie obniżających koszty produkcji (wybór miększego stopu znacząco zmniejsza koszty obróbki plastycznej).
4Dustry ułatwia obróbkę wszystkich materiałów. Znajdziesz u nas wykonawców specjalizujących się w obróbce stali szybkotnących czy nierdzewnych, którzy od lat obrabiają brązy, mosiądze oraz inne stopy nieżelazne. Na naszej platformie dostępni są użytkownicy z parkami maszynowymi, dopasowanymi do kompozytów czy tworzyw sztucznych. Dzięki temu możesz na platformie 4Dustry złożyć zamówienie na dowolny komponent, a użytkownicy posiadający odpowiednie, wolne moce produkcyjne zgłoszą się do Ciebie ze swoją ofertą.
