Wpływ krzemu na własności stali sprężynowej, żaroodpornej i innych
Krzem jako pierwiastek chemiczny został odkryty w 1823 roku przez Jönsa Jakoba Berzeliusa, co zapoczątkowało jego późniejsze zastosowanie w metalurgii. Choć początkowo nie doceniano jego roli, rozwój przemysłu stalowego w XIX wieku pozwolił na lepsze zrozumienie wpływu tego pierwiastka na właściwości stali. Odkrycie, że krzem poprawia wytrzymałość i odporność na korozję, stało się kluczowe dla zastosowań przemysłowych.
Wczesne wykorzystanie krzemu w metalurgii
W pierwszej połowie XIX wieku krzem zaczęto stosować głównie jako odtleniacz w procesach hutniczych. Jego zdolność do wiązania tlenu w postaci żużli poprawiła jakość stali, eliminując porowatość i inne wady strukturalne. Na początku XX wieku badania nad stalami specjalnymi wykazały, że większe ilości krzemu znacząco wpływają na właściwości mechaniczne i chemiczne stali, co pozwoliło na jego celowe dodawanie jako składnika stopowego. W strukturach żelaza krzem wykazuje zróżnicowaną rozpuszczalność. W żelazie γ (austenicie) rozpuszcza się do 2%, ale w obecności 0,35% węgla jego rozpuszczalność wzrasta do 9%. W żelazie α (ferrycie) krzem osiąga rozpuszczalność nawet do 18,5%. Dzięki tym właściwościom krzem stał się niezbędnym elementem w stalach, które muszą wytrzymywać wysokie obciążenia mechaniczne i termiczne.
Wpływ krzemu na właściwości stali
Krzem zwiększa twardość, wytrzymałość na rozciąganie i sprężystość stali, ale jego nadmiar negatywnie wpływa na udarność. Do poziomu około 0,4% krzem nie jest traktowany jako dodatek stopowy, ponieważ pochodzi z żelazokrzemu stosowanego jako odtleniacz. Jednak przy wyższych zawartościach jego rola w kształtowaniu właściwości stali staje się kluczowa. W stalach sprężynowych krzem jest stosowany w połączeniu z chromem lub wanadem. Taka kombinacja poprawia sprężystość oraz odporność na zmęczenie materiału. Stale te znajdują zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym (sprężyny zawieszenia, amortyzatory) oraz w maszynach przemysłowych, gdzie wymagane są wysokie parametry wytrzymałościowe. Krzem zwiększa odporność stali na korozję gazową, co czyni go istotnym składnikiem w stalach żaroodpornych i żarowytrzymałych. W połączeniu z chromem i molibdenem tworzy stale o wyjątkowej stabilności w wysokich temperaturach, stosowane w piecach przemysłowych, turbinach i kotłach.
Krzem w stalach specjalistycznych
W stalach zaworowych, które są przeznaczone do produkcji elementów silników spalinowych narażonych na działanie gorących gazów spalinowych, krzem stanowi około 3% składu. W takich stalach odpowiada za odporność na utlenianie w wysokich temperaturach i długą żywotność elementów. Stopy żelaza zawierające 12–18% krzemu są wyjątkowo odporne na działanie kwasów azotowego i siarkowego. Znajdują zastosowanie w przemyśle chemicznym, gdzie agresywne środowiska wymagają materiałów o szczególnej odporności na korozję. Z tego względu krzem jest stosowany w stalach kwasoodpornych używanych do produkcji zbiorników, rurociągów oraz aparatury chemicznej.
Krzem a hartowność i obróbka plastyczna
Krzem zwiększa hartowność stali, zwłaszcza w obecności składników węglikotwórczych, takich jak mangan czy chrom. Pozwala to na uzyskanie stali o wysokiej wytrzymałości i odporności na zużycie. Jednocześnie nadmiar krzemu powoduje trudności w obróbce plastycznej na zimno, co ogranicza jego zawartość w stalach stopowych do 4–7%. Bardzo rzadko przekracza się ten poziom, ponieważ utrudnienia technologiczne przeważają nad korzyściami mechanicznymi.
Stale magnetyczne i inne zastosowania
Krzem jest podstawowym składnikiem blach magnetycznych i prądnicowych. Zawartość krzemu w takich materiałach wynosi od 1 do 3%, co pozwala na zmniejszenie strat histerezowych i poprawę właściwości magnetycznych. Materiały te są szeroko stosowane w maszynach elektrycznych, generatorach i transformatorach, gdzie konieczna jest wysoka sprawność energetyczna. W stalach dla elektrotechniki krzem odpowiada również za redukcję strat prądów wirowych, co czyni go niezastąpionym w technologii maszyn elektrycznych o wysokiej wydajności.
Krzem, jako pierwiastek o wszechstronnym zastosowaniu w stalach, odgrywa kluczową rolę w ich wytwarzaniu i obróbce. Poprawia twardość, wytrzymałość i odporność na korozję, a także umożliwia tworzenie specjalistycznych materiałów, takich jak stale sprężynowe, żaroodporne, żarowytrzymałe, zaworowe, kwasoodporne czy magnetyczne. Jego znaczenie w przemyśle chemicznym, energetycznym i motoryzacyjnym jest nie do przecenienia, a badania nad właściwościami stali z dodatkiem krzemu wciąż prowadzą do nowych zastosowań i udoskonaleń technologicznych.