Stal kojarzy się z czymś twardym i niezmiennym, ale w piecu hutniczym czy podczas spawania zachowuje się jak gęsta ciecz o wysokiej temperaturze, którą da się kształtować niemal dowolnie; zrozumienie, w jakiej temperaturze topi się stal, pozwala świadomie podchodzić do obróbki metalu zamiast działać „na wyczucie”. Zakres topnienia stali jest szeroki – od około 1350°C do nawet 1520°C – i zależy głównie od składu chemicznego oraz struktury stopu. W praktyce inna temperatura będzie w piecu odlewniczym, inna przy spawaniu, a jeszcze inna przy kuciu czy hartowaniu. Poniżej znajdują się konkretne liczby, przykłady z warsztatu i krótkie wyjaśnienie, skąd biorą się różnice. Tekst jest nastawiony na osoby, które chcą przejść od ogólnych sformułowań „bardzo wysoka temperatura” do realnych wartości w stopniach Celsjusza.
Czym właściwie jest stal i od czego zależy temperatura topnienia
Stal to stop żelaza z węglem oraz dodatkami stopowymi (np. chrom, nikiel, molibden, mangan). Formalnie zawartość węgla mieści się najczęściej w zakresie 0,02–2,0% C. To pozornie niewiele, ale ta mała ilość węgla i dodatków potrafi drastycznie zmienić zarówno własności mechaniczne, jak i temperaturę topnienia.
Podstawowy punkt odniesienia to czyste żelazo, które topi się w okolicach 1538°C. Dodanie węgla i innych pierwiastków zwykle obniża temperaturę topnienia, czasem o kilkadziesiąt, a czasem o nawet ponad 150°C. Im więcej składników stopowych, tym bardziej stal zachowuje się jak układ wieloskładnikowy: nie ma jednej, ostrej temperatury topnienia, tylko zakres przejścia z ciała stałego w ciecz.
Typowe temperatury topnienia stali – tabela
Poniżej zestawiono orientacyjne zakresy topnienia dla najczęściej spotykanych grup stali. Konkretny gatunek może się różnić o kilkanaście–kilkadziesiąt stopni, ale tabela daje realne, „robocze” wartości do planowania procesów.
| Rodzaj stali | Przykładowe oznaczenie | Zakres topnienia [°C] | Uwagi |
|---|---|---|---|
| Stal węglowa niskowęglowa | S235, S355 | 1460–1500°C | Typowe profile, blachy konstrukcyjne |
| Stal węglowa średnio- i wysokowęglowa | C45, 42CrMo4 (niskostop.) | 1420–1480°C | Wały, elementy maszyn, narzędzia |
| Stal narzędziowa (stopowa) | H13, 1.2379 | 1380–1450°C | Większa zawartość stopów, niższa temp. topnienia |
| Stal nierdzewna austenityczna | 304, 316 | 1370–1450°C | Wysoki udział Cr i Ni |
| Stal nierdzewna ferrytyczna | 430, 409 | 1420–1510°C | Nieco wyższa temp. topnienia niż austenityczne |
| Stale specjalne wysokostopowe | np. żaroodporne | 1350–1450°C | Silnie zależy od składu stopu |
Praktyczna reguła: większość stali technicznych zaczyna mięknąć i wyraźnie tracić wytrzymałość już powyżej 500–600°C, choć topi się dopiero w okolicach 1400–1500°C. W obliczeniach konstrukcyjnych te niższe temperatury bywają ważniejsze niż sama temperatura topnienia.
Dlaczego stal nie ma jednej temperatury topnienia
Czysty metal, taki jak żelazo, topi się w jednym, dość dobrze zdefiniowanym punkcie. Stal jest natomiast stopem wieloskładnikowym, więc przejście ze stanu stałego do ciekłego odbywa się w zakresie temperatur – dolną granicą jest temperatura solidus, a górną liquidus.
Skład chemiczny i zawartość węgla
Węgiel w żelazie powoduje powstanie różnych faz (np. austenit, cementyt, ferryt), które mają odmienne własności i inne temperatury przemian. Gdy zawartość węgla rośnie do okolic 4,3% C (czyli już bardziej w kierunku żeliwa), temperatura topnienia całego układu wyraźnie spada.
Dla typowych stali konstrukcyjnych w zakresie 0,1–0,5% C różnice nie są dramatyczne, ale zauważalne. Stale niskowęglowe (np. S235) potrafią topić się o kilkadziesiąt stopni wyżej niż stale narzędziowe o większej zawartości węgla i dodatków stopowych. W praktyce odlewniczej oznacza to inną wymaganą temperaturę w piecu dla uzyskania odpowiedniej płynności ciekłego metalu.
Dodatki stopowe (chrom, nikiel, molibden, wolfram, wanad itd.) dodatkowo komplikują obraz. Tworzą się nowe fazy, eutektyki i wydzielenia, które topią się w innym zakresie. Stąd np. stal szybkotnąca, bogato stopowa, może mieć temperaturę topnienia zauważalnie niższą niż prosta stal węglowa, mimo że w użytkowaniu jest wyraźnie „twardsza” i bardziej odporna.
Warto zwrócić uwagę, że podawane w kartach katalogowych zakresy topnienia to zwykle przybliżenia. Dla precyzyjnej obróbki cieplnej, odlewnictwa precyzyjnego czy druku 3D z metalu stosuje się dane znacznie bardziej szczegółowe, oparte na badaniach konkretnych partii materiału.
Struktura wewnętrzna i przemiany fazowe
Oprócz samego składu ważny jest też stan strukturalny stali. W zależności od temperatury i historii obróbki cieplnej stal może mieć strukturę ferrytyczną, perlityczną, martenzytyczną, bainityczną czy austenityczną. Każda z nich ma inne własności mechaniczne i inny sposób „zachowania” przy zbliżaniu się do temperatury topnienia.
Przed całkowitym stopieniem zachodzą liczne przemiany fazowe. Już w zakresie kilkuset stopni struktura zaczyna się zmieniać, ziarna rosną, pojawiają się nowe fazy. Dla praktyki oznacza to, że stal może stracić twardość, sztywność czy odporność zmęczeniową dużo wcześniej, zanim faktycznie zamieni się w ciecz.
Stąd w inżynierskich tabelach często pojawiają się dodatkowe temperatury: temperatura rekrystalizacji, zakresy wyżarzania, normalizowania czy hartowania. O ile temperatura topnienia jest istotna przy topieniu i odlewaniu, o tyle w klasycznej obróbce cieplnej częściej pracuje się w przedziałach 700–1100°C, celowo zatrzymując się daleko od pełnego stopienia.
W materiałoznawstwie zwraca się również uwagę na zjawiska takie jak topienie się wydzieleń na granicach ziaren czy segregacja składników stopowych. Potrafią one powodować lokalne, częściowe „przelewanie się” struktury przy temperaturach niższych niż nominalne solidus całego stopu. W ekstremalnych warunkach, np. w turbinach gazowych, ma to ogromne znaczenie dla trwałości elementów.
Przykłady z praktyki: spawanie, odlewanie, kucie
Z samych liczb trudno wyciągnąć wnioski, dopóki nie zostaną odniesione do codziennych procesów obróbki. W różnych zastosowaniach stal nagrzewa się do innej temperatury i z innych powodów.
Spawanie stali konstrukcyjnych i nierdzewnych
Podczas spawania stal jest miejscowo stopiona, ale tylko w bardzo wąskiej strefie. Temperatury w łuku spawalniczym sięgają kilku tysięcy stopni, jednak stal w jeziorku spawalniczym ma temperaturę zbliżoną do swojej temperatury topnienia, czyli około 1450–1500°C dla prostych stali węglowych i 1370–1450°C dla stali nierdzewnych.
Wokół spoiny znajduje się tzw. strefa wpływu ciepła (SWC), gdzie temperatura jest niższa, ale wciąż na tyle wysoka, by zmienić strukturę i własności materiału. W wielu konstrukcjach to właśnie SWC jest najsłabszym miejscem, mimo że sama spoina jest poprawnie przetopiona.
Przy doborze parametrów spawania bierze się więc pod uwagę nie tylko „czy materiał się przetopi”, ale też jak szeroka będzie strefa przegrzana i czy nie przerodzi się to w nadmierne naprężenia, pęknięcia czy utratę udarności. Świadomość, że stal zaczyna gwałtownie tracić wytrzymałość już powyżej 600–700°C, pomaga zrozumieć, czemu kontrola wprowadzonego ciepła jest tak istotna.
Odlewanie stali i dobór temperatury w piecu
W odlewniach stal topi się w piecach do temperatur z reguły o 100–200°C wyższych niż górna granica zakresu topnienia. Dla stali konstrukcyjnych oznacza to zwykle około 1550–1650°C. Taki zapas temperatury poprawia płynność ciekłej stali i umożliwia dokładne wypełnienie formy.
Zbyt niska temperatura topienia powoduje problemy z zalewaniem cienkich przekrojów i może prowadzić do wad odlewniczych (niedolewki, zimne złącza). Z kolei zbyt wysoka temperatura sprzyja utlenianiu, przyciąganiu zanieczyszczeń, a także zwiększa zużycie pieca i form.
W porównaniu z żeliwem (topiącym się zwykle w okolicy 1150–1250°C) stal jest trudniejsza w topieniu i odlewaniu, właśnie ze względu na wyższe temperatury i mniejszą płynność. To jeden z powodów, dla których w wielu zastosowaniach nadal używa się żeliwa, mimo że stal bywa wytrzymalsza mechanicznie.
Kucie i obróbka plastyczna na gorąco
Przy kuciu czy walcowaniu na gorąco stal nie jest doprowadzana do temperatury topnienia. Typowe temperatury dla kucia stali węglowych mieszczą się w zakresie 1100–1250°C na początku procesu i spadają do około 800–900°C na końcu obróbki.
Stal jest wtedy wciąż ciałem stałym, ale na tyle plastycznym, że można ją kształtować stosunkowo niewielką siłą (w porównaniu z temperaturą pokojową). Gdyby wejść za wysoko w temperaturę, zbliżając się do zakresu topnienia, stal stałaby się „czerwona i miękka”, ale utrata kontroli nad strukturą, rozrost ziarna czy miejscowe nadtopienia byłyby dużym ryzykiem.
Dlatego w kuźniach i walcowniach używa się ściśle określonych zakresów temperatur, wyznaczonych nie tylko przez „odległość” od punktu topnienia, ale też przez optymalny kompromis między plastycznością, a jakością końcowej struktury.
Jak mierzy się temperaturę topnienia stali
W warunkach przemysłowych nie sprawdza się temperatury topnienia „eksperymentalnie” co chwilę. Używa się zarówno danych katalogowych, jak i pomiarów temperatury ciekłego metalu w piecu czy kadzi.
- Pirometry optyczne – mierzą temperaturę na podstawie promieniowania podczerwonego; przydatne do bardzo wysokich temperatur.
- Termopary – druty z dwóch metali wprowadzane do ciekłego metalu lub do pieca, generujące napięcie zależne od temperatury.
- Dylatometria – do badań laboratoryjnych; obserwuje się zmiany wymiarów próbki przy nagrzewaniu.
W praktyce hutniczej podaje się raczej temperaturę ciekłej stali w kadzi (np. 1600°C) niż dokładną temperaturę, przy której zaczęło się topienie. Ten moment jest zwykle przewidywany na podstawie wykresów równowagi fazowej i doświadczeń z danym gatunkiem stali.
Co z tego wynika dla początkujących
Dla osób zaczynających przygodę z metalami ważne jest, by nie traktować stali jako materiału „niezniszczalnego”. Zakres topnienia około 1400–1500°C to tylko jeden punkt odniesienia. Znacznie wcześniej pojawiają się zmiany strukturalne, uplastycznienie, utrata wytrzymałości czy pełzanie materiału pod obciążeniem.
Przy prostych pracach warsztatowych wystarczy wiedza rzędu: stal żarzy się na czerwono od około 600–700°C, do kucia nadaje się w zakresach 800–1100°C, a pełne topienie zaczyna się dopiero w okolicach 1400°C. W bardziej zaawansowanych zastosowaniach przydają się konkretne dane z tabel gatunkowych i zrozumienie, że każda zmiana składu chemicznego przesuwa nieco cały obraz temperatur.
Znajomość temperatur topnienia i przemian fazowych pozwala lepiej zaplanować spawanie, obróbkę cieplną czy dobór materiału. Zamiast opierać się na luźnych określeniach typu „czerwone, więc gorące”, można krok po kroku przenieść pracę z metalu na język stopni Celsjusza i świadomych decyzji.