Stal nie trafia do użytku w formie przypadkowej — każdy etap jej przetwarzania to efekt precyzyjnie zaplanowanego ciągu technologicznego. Od momentu wytopienia aż po zabezpieczenie antykorozyjne materiał przechodzi przez szereg procesów wpływających na jego trwałość, strukturę i właściwości użytkowe. W tym artykule dowiesz się, jakie wyróżniamy procesy technologiczne stali, jak przebiega ich podział oraz czym się charakteryzują.
Transformacja surówki w gotowy wyrób stalowy to złożony ciąg operacji technologicznych, które różnią się zakresem, celem oraz momentem zastosowania w procesie produkcyjnym. Przemysł stalowy opiera się na logicznie uporządkowanym systemie, w którym każda grupa procesów pełni ściśle określoną funkcję — od pierwotnego uzyskania ciekłej stali, przez modyfikację jej struktury, po formowanie, łączenie i zabezpieczenie powierzchni. Klasyfikacja tych operacji pozwala lepiej zrozumieć kolejność oraz techniczne powiązania między nimi, co ma istotne znaczenie na etapie projektowania wyrobu, kontroli jakości oraz późniejszego doboru wyrobu.
Z punktu widzenia praktyki przemysłowej procesy technologiczne stali można pogrupować według ich głównego przeznaczenia. Taki podział uwzględnia funkcje fizykochemiczne procesów, rodzaj ingerencji w materiał oraz ich miejsce w łańcuchu przetwórczym.
Oto procesy technologiczne stali przedstawione w tabeli:
|
Procesy pierwotne (produkcyjne) |
|
|
Obróbka cieplna |
|
|
Obróbka chemiczna i powierzchniowa |
|
|
Łączenie materiałów |
|
|
Obróbka mechaniczna |
|
|
Obróbka plastyczna |
|
|
Obróbka ścierna |
|
Procesy pierwotne to pierwszy i fundamentalny etap przetwórstwa stali, w którym z rud żelaza, złomu lub surówki powstaje stal o odpowiednich właściwościach chemicznych i strukturalnych. Etap ten obejmuje głównie wytapianie, czyli proces termicznego przekształcania wsadu w ciekły metal. W Polsce i krajach UE dominuje produkcja w elektrycznych piecach łukowych oraz konwertorach tlenowych, zgodnie z wytycznymi norm takich jak PN-EN ISO 4957.
Kolejnym elementem jest obróbka pozapiecowa, podczas której stal ciekła jest oczyszczana i doprecyzowywana chemicznie. To kluczowy moment dla uzyskania odpowiedniego poziomu siarki, fosforu czy zawartości węgla, szczególnie w produkcji jakościowych gatunków. Ostatnim procesem tej fazy jest odlewanie stali – najczęściej w technologii ciągłego odlewania, co pozwala na uzyskanie półwyrobów takich jak kęsy, slaby, bloomsy, kęsiki.
Warto zaznaczyć, że to właśnie na tym etapie często klasyfikuje się wyroby ze względu na gatunek. Przykładem może być stal w drugim gatunku, czyli stal spełniającą podstawowe wymagania, lecz niespełniającą rygorystycznych kryteriów jakościowych lub norm atestowych. Czasami do procesów pierwotnych zalicza się również pierwsze etapy oczyszczania wsadu, np. sortowanie złomu lub odgazowywanie próżniowe, choć w klasyfikacji przemysłowej są traktowane jako działania pomocnicze.
Obróbką cieplną nazywamy kontrolowany proces zmiany struktury wewnętrznej stali pod wpływem temperatury, mający na celu uzyskanie określonych właściwości mechanicznych i użytkowych. Klasyczne operacje w tej grupie to hartowanie, polegające na nagrzaniu do temperatury austenityzacji (od 750 do 1150oC, w zależności od potrzeb) i szybkim schłodzeniu w wodzie lub oleju, oraz odpuszczanie, które zmniejsza kruchość stali zahartowanej i poprawia jej plastyczność. Procesy te są precyzyjnie opisane w normie PN-EN 10052:2023-02. Kolejnym zabiegiem jest wyżarzanie polegające na zmniejszeniu twardości i zwiększeniu plastyczności materiału poprzez takie etapy jak nagrzewanie, wygrzewanie i chłodzenie.
Do ważnych operacji należy również normalizacja – nagrzewanie i chłodzenie stali w warunkach naturalnych, stosowana w celu ujednolicenia struktury i poprawy obrabialności. Nawęglanie z kolei służy wzbogaceniu warstwy powierzchniowej w węgiel, co zwiększa twardość przy jednoczesnym zachowaniu ciągliwego rdzenia.
Modyfikowanie warstwy wierzchniej stali pozwala znacząco poprawić jej odporność na korozję, zwiększyć trwałość eksploatacyjną oraz przygotować powierzchnię do kolejnych etapów przetwórstwa. W praktyce przemysłowej najczęściej stosuje się cynkowanie, polegające na nałożeniu warstwy ochronnej z cynku – metodą ogniową lub elektrolityczną. W efekcie tego procesu, opisanego m.in. w normie PN-EN ISO 1461, powstaje stal ocynkowana, odpowiednio zabezpieczona przed korozją i stosowana do produkcji elementów eksploatowanych na zewnątrz.
Równie istotne technologicznie jest trawienie, czyli chemiczne oczyszczanie powierzchni z tlenków, zgorzeliny i zanieczyszczeń przy użyciu odpowiednio dobranych roztworów kwasowych. W zależności od potrzeb, stosuje się techniki zanurzeniowe, natryskowe lub trawienie pastą. Efektem tego procesu jest m.in. stal trawiona, stanowiąca półprodukt przygotowany do dalszego formowania lub zabezpieczania powierzchniowego.
Dokładność wymiarowa i wykończenie powierzchni to parametry, których nie da się osiągnąć bez zastosowania obróbki mechanicznej. Procesy te opiera się na metodach skrawania, w których usuwany jest naddatek materiału przy pomocy narzędzi tnących. Jednym z kluczowych rodzajów obróbki jest toczenie, stosowane do kształtowania elementów obrotowych – od prostych wałków po złożone profile techniczne.
W zależności od geometrii detalu i wymaganej precyzji, stosuje się toczenie wzdłużne, poprzeczne lub kopiowe, realizowane na obrabiarkach CNC, zgodnie z normą PN-EN ISO 23125. W przemyśle technologicznym obróbka mechaniczna ma zastosowanie nie tylko przy produkcji komponentów maszynowych, ale także przy wykończeniu specjalistycznych gatunków, takich jak stal transformatorowa i stal prądnicowa, która wymaga zachowania bardzo wąskich tolerancji ze względu na swoje właściwości elektromagnetyczne i zastosowanie w elementach wirujących.
Frezowanie to jedna z najbardziej uniwersalnych metod obróbki mechanicznej, pozwalająca na kształtowanie płaszczyzn, rowków, uzębień czy konturów nieregularnych. Proces ten realizowany jest z użyciem narzędzia wieloostrzowego – freza – i może być prowadzony czołowo lub obwodowo, w zależności od geometrii detalu. Stosowane jest zarówno przy produkcji jednostkowej, jak i seryjnej, także w układach sterowanych numerycznie.
Szlifowanie natomiast to proces wykańczający, który umożliwia osiągnięcie bardzo wysokiej dokładności wymiarowej i niskiej chropowatości powierzchni. Wykorzystywane są tu ściernice o różnej granulacji, a obróbka może dotyczyć płaszczyzn, otworów, wałów czy krawędzi. Stosuje się je m.in. przy obróbce hartowanych powierzchni, gdzie wymagane są tolerancje rzędu mikrometrów.
Obróbka plastyczna stali polega na trwałym odkształceniu materiału pod wpływem siły mechanicznej, bez naruszania jego ciągłości. Procesy te stosuje się zarówno w stanie zimnym, jak i gorącym, zależnie od grubości, gatunku stali i oczekiwanych parametrów mechanicznych.
Najważniejsze metody obróbki plastycznej obejmują:
W cyklu technologicznym przetwórstwa stali łączeniem nazywamy etap, w którym półprodukty lub elementy konstrukcyjne są scalane w trwałą całość. Dominującym procesem w tej grupie jest spawanie, realizowane w różnych wariantach, zależnie od wymagań projektu. W dużym skrócie – spawanie MIG/MAG umożliwia szybkie i wydajne łączenie przy użyciu łuku elektrycznego oraz osłony gazowej, podczas gdy spawanie TIG zapewnia najwyższą jakość złącza w przypadku elementów cienkościennych. W zastosowaniach warsztatowych i montażowych nadal stosuje się spawanie elektrodą otuloną (SMAW), cenione za uniwersalność i prostotę zastosowania.
Parametry procesu spawania dobiera się indywidualnie do gatunku i grubości pozycji spawania materiału. Inne wymagania stawia np. stal wysokostopowa, a inne typowa stal czarna, powszechnie używana w konstrukcjach nośnych, balustradach czy instalacjach przemysłowych.
