Krzem – wpływ na właściwości stali sprężynowej, żaroodpornej i innych
Odkrycie krzemu i jego znaczenie w metalurgii
Krzem jako pierwiastek chemiczny został odkryty w 1823 roku przez Jönsa Jakoba Berzeliusa, co zapoczątkowało jego późniejsze zastosowanie w metalurgii. Choć początkowo jego rola nie była doceniana, dynamiczny rozwój przemysłu stalowego w XIX wieku pozwolił na dokładniejsze poznanie wpływu krzemu na właściwości stali. Kluczowym momentem było odkrycie, że krzem poprawia wytrzymałość oraz odporność na korozję, co umożliwiło jego szerokie wykorzystanie w różnych gałęziach przemysłu.
Krzem – właściwości fizykochemiczne
| Parametr | Starsze dane (encyklopedia) | Współczesne dane (IUPAC / CRC 2023) |
| Symbol chemiczny | Si | Si |
| Liczba atomowa Z | 14 | 14 |
| Masa atomowa [u] | 28,09 | 28,085 |
| Grupa w ukł. okresowym | 14 (węglowce) | 14 (węglowce) |
| Konfiguracja elektronowa | [Ne] 3s²3p² | [Ne] 3s²3p² |
| Gęstość (20 °C) [g/cm³] | 2,33 | 2,329 |
| Temperatura topnienia [°C] | 1410 °C | 1414 °C |
| Temperatura wrzenia [°C] | 2355 °C | 3265 °C |
| Twardość (Mohsa) | ~6,5–7 | 6,5–7 |
| Kolor i wygląd | szarawy, połysk metaliczny, kruchy | szarawy, połysk metaliczny, kruchy |
| Moduł Younga (E) [GPa] | brak danych | ~130–188 (zależnie od kierunku krystalicznego) |
| Przewodność elektryczna | półprzewodnik | półprzewodnik |
| Przewodność cieplna [W·m⁻¹·K⁻¹] | brak danych | ~148 |
| Ciepło właściwe cp [J·kg⁻¹·K⁻¹] | brak danych | 705 |
| Entalpia topnienia [kJ/mol] | brak danych | ~50,2 |
| Entalpia parowania [kJ/mol] | brak danych | ~359 |
| Elektroujemność (Pauling) | ~1,8 | 1,90 |
| Izotopy stabilne | ²⁸Si, ²⁹Si, ³⁰Si | ²⁸Si (92,2%), ²⁹Si (4,7%), ³⁰Si (3,1%) |
Charakterystyka chemiczna
- Krzem jest półmetalem, ma budowę krystaliczną diamentu.
- W normalnych warunkach odporny na działanie tlenu dzięki warstewce pasywacyjnej SiO₂.
- Nie reaguje z wodą i większością kwasów (wyjątek: HF, gdzie tworzy lotne SiF₄).
- Reaguje z zasadami, tworząc krzemiany.
- Ważny dodatek stopowy w stalach – poprawia hartowność, odporność na pełzanie, działa jako odtleniacz i stabilizator struktury ferrytycznej.
- W elektronice jest podstawowym półprzewodnikiem – baza mikroprocesorów, ogniw fotowoltaicznych i sensorów.
Wczesne zastosowanie krzemu w metalurgii
W pierwszej połowie XIX wieku krzem zaczęto stosować głównie jako odtleniacz w procesach hutniczych. Jego zdolność do wiązania tlenu i tworzenia żużli pozwalała na usuwanie niepożądanych wtrąceń z ciekłej stali, co poprawiało jej jednorodność, eliminowało porowatość i zwiększało czystość strukturalną. Z czasem zaczęto dostrzegać, że wyższa zawartość krzemu wpływa na własności mechaniczne stali, prowadząc do celowego dodawania tego pierwiastka 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%, natomiast w żelazie α (ferrycie) krzem osiąga rozpuszczalność nawet do 18,5%, co czyni go niezwykle istotnym w stalach poddawanych wysokim obciążeniom mechanicznym i termicznym.
Wpływ krzemu na właściwości stali
Krzem znacząco wpływa na mikrostrukturę i właściwości użytkowe stali. Jego obecność powoduje:
- Zwiększenie twardości i wytrzymałości na rozciąganie – krzem redukuje liczbę defektów w strukturze stali i poprawia jej jednorodność.
- Zwiększenie sprężystości – istotne w stalach sprężynowych i konstrukcyjnych.
- Poprawę odporności na korozję gazową i utlenianie – kluczowe w stalach żaroodpornych i kwasoodpornych.
- Zmniejszenie udarności – wysoka zawartość krzemu może sprawić, że stal staje się bardziej krucha, co wymaga kontroli jego ilości w składzie stopu.
Do poziomu 0,4% krzem jest traktowany jako naturalna pozostałość po procesie odtleniania stali. Natomiast w wyższych zawartościach staje się kluczowym składnikiem stopowym, decydującym o parametrach użytkowych różnych gatunków stali.
Krzem w stalach sprężynowych
W stalach sprężynowych krzem występuje w połączeniu z chromem, wanadem lub manganem. Taka kombinacja pierwiastków poprawia odporność na zmęczenie materiału, co jest kluczowe w elementach narażonych na wielokrotne obciążenia dynamiczne. Stale te znajdują zastosowanie w:
- Motoryzacji – sprężyny zawieszenia, amortyzatory, stabilizatory.
- Przemyśle maszynowym – elementy narażone na cykliczne obciążenia.
- Lotnictwie – podzespoły lotnicze wymagające dużej sprężystości i odporności na pękanie.
Krzem w stalach żaroodpornych
Dzięki zdolności do tworzenia stabilnej warstwy tlenków na powierzchni stopu, krzem zwiększa odporność stali na utlenianie w wysokich temperaturach. W stalach żaroodpornych jest często stosowany w połączeniu z chromem, molibdenem i aluminium, co zapewnia wyjątkową stabilność strukturalną w temperaturach sięgających 900–1100°C. Stale tego typu stosuje się m.in. w:
- Kotłach i turbinach parowych – elementy narażone na działanie gorących gazów.
- Piecach przemysłowych – ruszty, paleniska, osłony termiczne.
- Układach wydechowych i zaworach silnikowych – gdzie istotna jest odporność na utlenianie i gazową korozję siarkową.
Krzem w stalach specjalistycznych
W stalach zaworowych, stosowanych w silnikach spalinowych, zawartość krzemu sięga 3%, co poprawia odporność na wysokie temperatury i agresywne działanie gazów spalinowych.
Stopy żelaza z 12–18% krzemu wykazują wyjątkową odporność na działanie kwasu siarkowego i azotowego, co czyni je niezastąpionymi w przemyśle chemicznym. Takie stale znajdują zastosowanie w:
- Zbiornikach do przechowywania agresywnych substancji chemicznych.
- Rurociągach przemysłowych odpornych na korozję kwasową.
- Aparaturze chemicznej, gdzie wymagana jest wysoka odporność na środowisko kwaśne.
Krzem a hartowność i obróbka plastyczna
Dodatek krzemu wpływa na hartowność stali, zwłaszcza gdy występuje wraz z pierwiastkami węglikotwórczymi, takimi jak mangan, chrom czy molibden. Stale z wysoką zawartością krzemu cechują się lepszą odpornością na ścieranie i zmniejszonymi stratami energetycznymi w procesach eksploatacyjnych.
Jednak nadmierna ilość krzemu może utrudniać obróbkę plastyczną na zimno, ograniczając jego zastosowanie w stalach konstrukcyjnych do zakresu 4–7%. Powyżej tej wartości stal staje się trudna do formowania i obróbki mechanicznej.
Stale magnetyczne – kluczowe zastosowanie krzemu
Jednym z najważniejszych zastosowań krzemu w stalach jest jego rola w stalach elektrotechnicznych. Krzem w ilości 1–3% znacząco zmniejsza straty histerezowe, co poprawia wydajność transformatorów, generatorów i silników elektrycznych.
Właściwości krzemu w stalach magnetycznych:
- Zwiększa oporność elektryczną, redukując straty prądów wirowych.
- Poprawia przepuszczalność magnetyczną, co pozwala na lepsze działanie rdzeni transformatorowych.
- Zmniejsza magnetostrykcję, co ogranicza hałas generowany przez urządzenia elektryczne.
Dzięki tym cechom stale krzemowe są szeroko stosowane w przemyśle energetycznym i produkcji sprzętu elektrycznego.
Krzem, jako wszechstronny pierwiastek stopowy, pełni kluczową rolę w produkcji stali o zróżnicowanych właściwościach. Jego wpływ na twardość, odporność na korozję i temperaturę pozwala na tworzenie wyspecjalizowanych stopów, takich jak:
Stale sprężynowe – zwiększona wytrzymałość i sprężystość.
50HS – Stal sprężynowa o podwyższonej zawartości krzemu i manganu, charakteryzująca się wysoką sprężystością i odpornością na zmęczenie. Stosowana w produkcji resorów, sprężyn zawieszenia i elementów amortyzujących.
C67S – Stal sprężynowa węglowa o zawartości ok. 0,67% C, wykazująca dobrą hartowność i wysoką odporność na ścieranie. Znajduje zastosowanie w produkcji sprężyn, taśm sprężynowych oraz narzędzi o podwyższonej twardości.
C75S – Stal sprężynowa z zawartością ok. 0,75% C, charakteryzująca się wysoką wytrzymałością mechaniczną i dobrą sprężystością. Wykorzystywana w produkcji sprężyn technicznych, narzędzi ręcznych i ostrzy.
C85S – Stal wysokowęglowa (ok. 0,85% C) o dużej twardości po hartowaniu i wysokiej odporności na zużycie. Stosowana do produkcji noży, sprężyn, ostrzy i narzędzi wymagających dużej wytrzymałości mechanicznej.
C100S – Stal sprężynowa o bardzo wysokiej zawartości węgla (ok. 1,00% C), zapewniająca najwyższą twardość i odporność na ścieranie. Wykorzystywana w produkcji sprężyn precyzyjnych, ostrzy narzędziowych i elementów wymagających ekstremalnej twardości.
Stale żaroodporne – odporność na utlenianie w wysokich temperaturach.
H13JS – Stal żaroodporna ferrytyczna z ok. 13% Cr i dodatkiem krzemu, który poprawia odporność na utlenianie i działanie gazów agresywnych. Stosowana w wymiennikach ciepła, paleniskach i elementach pieców pracujących w wysokich temperaturach.
H18JS – Stal żaroodporna z ok. 18% Cr oraz dodatkiem krzemu, który zwiększa stabilność tlenkowej warstwy ochronnej. Wykazuje wysoką odporność na utlenianie i korozję gazową, co sprawia, że jest używana w piecach przemysłowych, przewodach spalinowych i aparaturze chemicznej.
H24JS – Stal żaroodporna o wysokiej zawartości chromu (ok. 24% Cr) i znaczącym udziale krzemu, który zwiększa odporność na działanie atmosfer utleniających i siarkowych. Znajduje zastosowanie w instalacjach wysokotemperaturowych, w przemyśle hutniczym i energetycznym.
1.4828 – Stal austenityczna żaroodporna (ok. 19% Cr, 11% Ni) z dodatkiem krzemu, który poprawia odporność na utlenianie do 1000°C i stabilność strukturalną w wysokich temperaturach. Wykorzystywana w układach wydechowych, palnikach gazowych i częściach pieców przemysłowych.
1.4841 – Stal austenityczna żaroodporna (ok. 25% Cr, 20% Ni) z dodatkiem krzemu, który wzmacnia odporność na utlenianie i korozję gazową do 1100°C. Stosowana w turbinach, kotłach przemysłowych, systemach grzewczych i piecach hutniczych, gdzie wymagana jest wysoka stabilność w ekstremalnych warunkach temperaturowych.
Stale zaworowe – wytrzymałość na wysokie temperatury w silnikach spalinowych.
H9S2 – Stal żaroodporna ferrytyczna z ok. 9% Cr i dodatkiem 2% Si, gdzie krzem poprawia odporność na utlenianie i korozję gazową w wysokich temperaturach. Stosowana w elementach pieców, wymiennikach ciepła i instalacjach pracujących w warunkach wysokotemperaturowych.
H10S2M – Stal żaroodporna ferrytyczna z ok. 10% Cr, 2% Si i dodatkiem molibdenu, który zwiększa odporność na korozję w atmosferach siarkowych. Dzięki obecności krzemu wykazuje wysoką stabilność w temperaturach do 1000°C. Wykorzystywana w energetyce i przemyśle chemicznym.
Stale magnetyczne – optymalizacja strat energetycznych w urządzeniach elektrycznych.
Dzięki ciągłym badaniom nad wpływem krzemu na stal można spodziewać się dalszego rozwoju nowych, jeszcze bardziej zaawansowanych technologii metalurgicznych.