Za co odpowiadają poszczególne pierwiastki w składzie stali?

Dzisiejszym wpisem chcielibyśmy zacząć cykl artykułów poszerzających waszą wiedzę na temat stali oraz technik jej obróbki, z których wykonywane są oferowane przez naszą firmę noże.

Zaczynamy od niełatwego, ale fascynującego tematu – roli pierwiastków w stalach.

Opisanie wpływu pierwiastków na właściwości stali nie jest łatwym zadaniem, przede wszystkim ze względu na to, że określenie ich wpływu nie zawsze jest jednoznaczne. A mianowicie, działanie poszczególnych pierwiastków zależne jest od wielu czynników m.in.: typu stali, do której dodajemy poszczególne pierwiastki (dla stali austenitycznych oraz perlitycznych działanie np. manganu lub niklu może być przeciwstawne), warunków obróbki i przeznaczenia stali (dla przykładu siarka, która w większości stali jest niepożądana, dla stali szybkotnących stanowi pożądany dodatek poprawiający ich skrawalność) oraz przede wszystkim składu chemicznego stali – pierwiastki potrafią zmieniać swój wpływ w zależności od innych dodatków, z którymi mogą „współpracować”. Dodatkowo warto zwrócić uwagę, że nie istnieją „pierwiastki idealne”, które poprawiałyby wszystkie parametry użytkowe, zwykle, kiedy część parametrów ulega poprawie, inne ulegają pogorszeniu.

Cała sztuka polega więc na takim dobraniu składu chemicznego stali

Aby zbilansować działanie wszystkich dodatków. W związku z tym, że Japońscy Metalurdzy do produkcji swoich niezawodnych noży wykorzystują głównie stale węglowe (z ograniczoną ilością dodatków stopowych) oraz stale odporne na korozję (popularnie nazywane nierdzewnymi, których głównym pierwiastkiem stopowym jest chrom, którego według amerykańskiej normy AISI powinno być minimum 11 %) skupimy się na roli poszczególnych pierwiastków właśnie w tych dwóch typach stali. Warto zaznaczyć również, że nasz opis dotyczy pierwiastków, które można znaleźć w stalach, z których wykonane są noże przez nas oferowane, czyli przede wszystkim: węgiel, chrom, molibden, wanad, wolfram, kobalt, krzem oraz zanieczyszczeń w postaci fosforu i siarki.

Węgiel – Według popularnej definicji stal to „stop żelaza z węglem, poddany obróbce plastycznej
o zawartości węgla do 2,11 %”, a więc węgiel to pierwiastek podstawowy. Można by stwierdzić, że to on decyduje, że stal jest stalą, a nie żeliwem (nie bierzemy też pod uwagę stali, w których zawartość węgla jest znacząco ograniczona, pomimo tego, on zawsze tam jest). Węgiel jest pierwiastkiem kluczowym w kwestii właściwości mechanicznych stali (i to nie tylko przez swoją obecność w strukturze stali, ale również przez zdolność do tworzenia węglików z innymi pierwiastkami). Zwiększenie ilości węgla w stali powoduje zmniejszenie zawartości miękkiego składnika strukturalnego (ferrytu), a zwiększenie ilości składnika twardego (cementytu) w stali. Najprościej mówiąc im więcej węgla w stali, tym większe własności wytrzymałościowe (np. twardość, wytrzymałość, odporność na ścieranie), a właściwości plastyczne (np. ciągliwość) maleją. Dodatkowo węgiel jest najbardziej kluczowym pierwiastkiem, jeśli chodzi o hartowanie-zwiększa hartowność stali. Stopy żelaza z węglem (do zawartości 2,11% ;) ) z większą jego zawartością po zahartowaniu i odpuszczeniu mają mniejszą tendencję do pękania. Przy hartowaniu twardość uzyskanej struktury stali (martenzytu) również zależy głównie od węgla.

Chrom – Jest pierwiastkiem, który ma znaczący wpływ na właściwości stali. Jest podstawowym składnikiem wykorzystywanym w stalach odpornych na korozję (również żaroodpornych oraz żarowytrzymałych). W mniejszych ilościach (0,2% - 2%) jest wykorzystywany w celu poprawy hartowności. W ilościach powyżej 10,5% zapewnia stalom wysoką odporność na korozję i utlenianie (tak jak w stalach Gingami, AUS-8, ZDP-189, 420, VG 5 i 10 oraz wanadowo-molibdenowej). Jest pierwiastkiem węglikotwórczym, a więc poprawia odporność na ścieranie, twardość, a więc również odporność na zużycie. Niestety dodatek chromu wiąże się ze zmniejszeniem właściwości plastycznych jak wydłużenie i przewężenie. Pierwiastek ten zmniejsza również udarność, a więc odporność stali na obciążenie dynamiczne – np. uderzenie.

Molibden – Podobnie jak chrom ma działanie węglikotwórcze. W mniejszych ilościach do 2,5% jest stosowany w celu poprawy hartowności oraz zwiększenia twardości wtórnej (uzyskiwanej podczas odpuszczania stali po hartowaniu, związanej z przemianą austenitu szczątkowego oraz wydzieleniem nowych węglików stopowych). Zastosowanie większych ilości molibdenu (tak jak w stalach FAX 40, R -2) powoduje powstanie węglików Mo6C, co prowadzi do zwiększenia twardości, wytrzymałości i granicy plastyczności, jednakże w mniejszym stopniu niż chrom. Podobnie jak w przypadku chromu znaczne dodatki molibdenu mogą prowadzić do zmniejszenia tych właściwości plastycznych oraz udarności. Molibden zwiększa również odporność stali na korozję, zwłaszcza w obecności jonów Cl^-. Dzięki węglikom Mo2C C pierwiastek ten przy wzroście temperatury opóźnia mięknięcie stali.

Wanad – Jest często dodawany do stali w celu zwiększenia hartowności. W ilości od 0,2 % (stal VG 5 i 10, Super Aogami, R -2, AUS 8) wpływa również na wystąpienie w stali zjawiska umocnienia wydzieleniowego (poprzez wydzielenie rozpuszczonego składnika z przesyconego roztworu stałego). Większe ilości wanadu powodują znaczne zwiększenie odporności na ścieranie, twardości, wytrzymałości i granicy plastyczności. Co ciekawe, zastosowanie wanadu zwiększa również udarność oraz sprężystość stali. Jego stosowanie nie powoduje zmniejszenia wydłużenia i przewężenia. Pierwiastek ten jest więc fenomenem, poprawia zarówno właściwości wytrzymałościowe, jak i plastyczne.

Wolfram - Również należy do grupy pierwiastków węglikotwórczych. Jego zastosowanie prowadzi do wytworzenia się w stali węglików W6C, które w znaczny sposób polepszają odporność stali na ścieranie. Wolfram poprawia również inne właściwości wytrzymałościowe (stale FAX 40, Aogami i Super Aogami). Jednocześnie zmniejsza wydłużenie i przewężenie stopu. Podczas odpuszczania stali można dzięki dodatkowi wolframu uzyskać twardość wtórną.

Kobalt – Pierwiastek ten może zmniejszać hartowność stali poprzez zwiększenie krytycznej szybkości chłodzenia, z drugiej jednak strony przeciwdziała przegrzewaniu się stali, podczas hartowania. Przez co umożliwia zwiększenie jego temperatury. Dzięki wyższej temperaturze możemy zwiększyć, nasycenie stali węglikami stopowymi (np. wanadu, molibdenu, wolframu) przez co znacząco wzrasta jej odporność na zużycie. Noże ze stali z dodatkiem kobaltu charakteryzują się wysoką trwałością. Kobalt zmniejsza jednak właściwości plastyczne.

Mangan – W ilościach do 0,8 % jest dodawany do stali w celu związania tlenu i siarki, zapobiega to tworzeniu się niepożądanego siarczku żelaza, który powoduje kruchość na gorąco. W większych ilościach dodawany jest w celu umocnienia roztworowego stali, poprawienia hartowności oraz zmniejszenia ziarna ferrytu (co poprawia odporność stali na pękanie). Poprawia właściwości wytrzymałościowe, zaś zmniejsza właściwości plastyczne.

Krzem – Również jest stosowany jako odtleniacz. W ilościach 0,5 % - 1% umacnia ferryt. Znacząco zwiększa granicę plastyczności, trochę mniej zwiększa twardość i wytrzymałość. Bardzo dobrze wpływa na sprężystość stali. Krzem niestety zmniejsza wydłużenie i udarność, jednakże przy udziale pierwiastków węglikotwórczych zwiększa właściwości plastyczne stopu i zmniejsza spadek twardości po odpuszczaniu.

Przyszła pora na „czarne charaktery” w naszej stali. Pierwiastki tzw. zanieczyszczeń to pierwiastki, które w większości przypadków (ale nie zawsze) są w stalach niepożądane, ponieważ wywołują
w niej negatywne efekty o dużym znaczeniu dla ich jakości.

Najczęściej spotykanymi pierwiastkami zanieczyszczeń są:

Siarka – Do stali przedostaje się z koksu i rudy podczas procesów wytopu. Jest niepożądana w stali ze względu na tworzenie wtrąceń niemetalicznych, które są miejscami zarodkowania pęknięć. Górną granicę ilości siarki stanowi 0,05% (żadna ze stali, z których wykonywane są noże oferowane na naszej stronie nie zbliża się do tej wartości). W stalach bez dodatku manganu może powstawać FeS, który ma bardzo szkodliwy wpływ na właściwości plastyczne stali.

Fosfor – Przedostaje się do stali z rudy. Nie jest pożądany w stalach ze względu na segregację do granic ziarn, ułatwiając kruche pękanie. Fosfor jest ograniczony w stalach o wysokiej jakości do 0,05% (żadna ze stali, z których powstają oferowane przez nas noże, nie przekracza tej granicy).

Źródła:

[1] Blicharski M., Wstęp do Inżynierii Materiałowej, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2001 r.

[2] Dobrzański  L.A.,  Materiały inżynierskie i projektowanie materiałowe – Podstawy nauki o materiałach i metaloznastwo, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2006 r.

[3] Przybyłowicz K.,  Metaloznastwo, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1999 r.

[4] Pacyna J., Metaloznastwo – wybrane zagadnienia, Wydawnictwo AGH, Kraków, 2005 r.