Wszystko o obróbce stali

Bez względu na to czy zdajemy sobie sprawę z tego jak często codziennie korzystamy z dobrodziejstwa takiego stopu, jakim jest stal, musimy zgodzić się z faktem, że jest ona obecna w wielu dziedzinach naszego życia – od samochodów, którymi się poruszamy, przez używane każdego dnia narzędzia aż po konstrukcje ogromnych budynków górujących nad naszymi aglomeracjami. Stal stała się jedną z tych oczywistych rzeczy, które mijamy codziennie i których nie zauważamy, przyjrzyjmy się więc ogromnemu potencjałowi tego materiału.

Od samego początku

Odbywający się w bardzo wysokiej temperaturze proces wytopu stali czyni ją jednym z trwalszych materiałów wykorzystywanych w przemyśle, co wpływa z kolei na jej bardzo szerokie zastosowanie. Według definicji i oficjalnych klasyfikacji stal jest stopem żelaza, węgla i innych dodatków zawierającym nie więcej niż 2% węgla, w praktyce jest to nie więcej niż 1,5% zawartości tego pierwiastka. Procent zawartości innych składników pozwala klasyfikować rodzaje stali na rozmaite sposoby, warto więc wspomnieć o kilku podstawowych podziałach.

Skład chemiczny – podstawowy wyznacznik podziału

Główne rozróżnienie zakładające podział stali na stopową i niestopową opiera się na odróżnieniu stali, w której składzie, poza żelazem i węglem, występują tylko znikome ilości innych pierwiastków pozostałe po procesie wytwarzania od stali zawierającej tzw. dodatki stopowe mające zmienić właściwości pozyskiwanego materiału. “Czysta” stal – stal niestopowa (in. węglowa) może zawierać niewielkie ilości pozostałości procesu produkcji, które zarówno pozytywnie, jak i negatywnie wpływają na jej jakość. Stal nie traci swoich właściwości, kiedy zawiera np. krzem, który tworząc tlenki krzemu, obniża stężenie tlenu w stali czy mangan również odtleniający materiał, a ponad to zwiększający jego wytrzymałość. Inaczej na stal wpływają zanieczyszczenia, które pochodzą głównie z rud, a należą do nich między innymi siarka powodująca kruchość stali na gorąco oraz fosfor zmniejszający jakość stali w niskich temperaturach. W przypadku stali stopowej dodatkowe pierwiastki poza żelazem i węglem wprowadzane są celowo dla uzyskania konkretnych właściwości umożliwiających dane zastosowanie. W toku procesu produkcji w stali mogą się pojawić także inne pierwiastki. Każdy z nich charakteryzuje się inną wartością graniczną, po przekroczeniu której stal uznawana jest już za niestopową. Wartość ta oznacza maksymalny udział masowy danego pierwiastka w stali.

Jakość ważnym kryterium podziału

Na to z jakiej jakości stalą mamy do czynienia, główny wpływ ma jej procentowa zawartość siarki i fosforu. Przyjmuje się tutaj podział stali na trzy grupy według następujących granic procentowych:

jakość zwykła – do 0,05%
jakość wyższa – do 0,04%
szczególne rodzaje stali (mające konkretne przeznaczenia), dla których zawartość fosforu i siarki określają osobne normy.

Podział ze względu na strukturę stali

Bardzo szerokim zagadnieniem jest podział stali ze względu na jej strukturę. Podziału tego dokonuje się w przypadku stali stopowych i jest on rzeczą o tyle skomplikowaną, że wygląda inaczej w przypadku stali wyżarzanych, a inaczej w przypadku tych chłodzonych na powietrzu. Biorąc pod uwagę strukturę stali w stanie wyżarzonym, dzieli się ją z uwzględnieniem wykresu równowagi układu żelazo – węgiel i w zależności od procentowej zawartości węgla wyróżnia się stale stopowe podeutektoidalne (zawierają mniej niż 0,8% węgla, ich struktura charakteryzuje się występowaniem – obok perlitu – wolnego ferrytu), eutektoidalne (zawierają około 0,8% węgla, mają strukturę perlityczną) i nadeutektoidalne (zawierają między 0,8 a 2,0% węgla, w ich strukturze występują wydzielone węgliki wtórne). Inne struktury stali możliwe do otrzymania w wyniku wyżarzania to stal ferrytyczna i austenityczna powstające w wyniku zwiększenia zawartości dodatków stopowych względem zawartości węgla.

Strukturę stali można rozpatrywać również w zależności od tego, jak kształtuje się ona po chłodzeniu na powietrzu. Tutaj wyróżnia się cztery podstawowe klasy stali. Stal o małej zawartości pierwiastków stopowych zalicza się do klasy perlitycznej lub banitycznej, przy większej zawartości tych pierwiastków, stal klasyfikuje się jako martenzytyczną, natomiast gdy zawartość pierwiastków stopowych jest największa, mówi się o stali klasy austenitycznej.

Podział ze względu na zastosowanie

Dla większości ludzi najbardziej praktycznym podziałem będzie ten, który klasyfikuje stal ze względu na jej przeznaczenie. Tego typu rozróżnienie jest niezbędne, jeśli weźmiemy pod uwagę niezwykle szerokie zastosowanie tego materiału we współczesnym przemyśle. Warto zatem przyjrzeć się i po krótce opisać najczęściej spotykane rodzaje stali.

Stal konstrukcyjna

Stal konstrukcyjna to najczęściej spotykany rodzaj stali wykorzystywany do produkcji przede wszystkim części maszyn, konstrukcji pojazdów. Duże zróżnicowanie środowisk, w których wykorzystuje się tę stal sprawia, że poszczególne jej podgatunki mogą różnić się pomiędzy sobą pierwiastkiem stopowym wykorzystywanym do uzyskania wymaganego poziomu hartowności. Nie zmienia to faktu, że wszystkie stale stopowe konstrukcyjne klasyfikowane są jako niskostopowe, nisko- lub średniowęglowe. Celem wywołania niektórych cech dodaje się pierwiastki stopowe takie jak: mangan, chrom, nikiel, molibden (odpowiadają za zwiększenie hartowności, wraz z procesem hartowania w wysokim odpuszczaniu pozwalają na uzyskanie dobrze plastycznej stali o bardzo wysokiej wytrzymałości). Nikiel odpowiada również za dobrą odporność na zmęczenie i kruche pękanie, a ponad to zapewnia dobrą udarność stali w niskich temperaturach. Mangan i krzem przy współudziale średniej temperatury odpuszczania pozwalają na uzyskanie stali o wysokiej sprężystości – stali resorowej. Bardzo twarda, odporna na ścieranie stal powstaje z kolei przez podwyższenie zawartości chromu i węgla oraz odpuszczanie w niskiej temperaturze.

Stal narzędziowa

W celu sprostania wymaganiom bardzo różnych środowisk, w których wykorzystywana jest stal narzędziowa, produkuje się bardzo wiele rodzajów tego materiału, dążąc zawsze do uzyskania stali jak najwyższej jakości, której właściwości przełożą się na trwałość i funkcjonalność wykonywanych z niej narzędzi. Istnieją jednak pewne uniwersalne wymagania stawiane przed stalami narzędziowymi, które przytaczam za dr Marią Głowacką. Badaczka wymienia następujące kryteria, które powinna spełniać stal narzędziowa bez względu na późniejsze środowisko jej funkcjonowania:

Wysoka twardość (najczęściej ponad 60 HRC). Wynika to ze stosowania stali do obróbki innych materiałów, od których musi ona być twardsza, aby możliwe było uzyskanie wymaganych efektów obróbki.
Odporność na zużycie ścierne, co zapewni wykonanym ze stali narzędziom większą trwałość przy intensywnym użytkowaniu.
Odpowiednia hartowność w celu uzyskania i utrwalenia wymaganych parametrów urządzeń.
Odporność na odpuszczające działanie podwyższonych temperatur, która również zapewni wysoką jakość obróbki stalowymi narzędziami przez długi czas.

Wśród stali narzędziowych wyróżnia się cztery podstawowe gatunki ze względu na zróżnicowanie procesu ich wytwarzania, który warunkuje ich konkretne właściwości i przeznaczenie. Są to: stale narzędziowe niestopowe, stopowe do pracy na zimno, stopowe do pracy na gorąco oraz szybkotnące.

Stale narzędziowe niestopowe dedykowane są do wytwarzania narzędzi o prostych kształtach służących do pracy na zimno. Ich skład chemiczny warunkuje niską hartowność. Gatunki tej stali zawierające więcej węgla służą do wyrobu narzędzi do obróbki metali o małej szybkości skrawania (wiertła, gwintowniki, narzynki, frezy). Niska zawartość węgla umożliwia uzyskanie stali wykorzystywanej do wyrobu narzędzi takich jak piły, dłuta, przebijaki, siekiery i młotki.

Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno

Duża zawartość trwalszych od cementu węglików stopowych warunkuje ich dobrą odporność na ścieranie. Stosuje się je do wyrobu narzędzi o bardziej skomplikowanych kształtach (pierścienie do przeciągania, szczęki i rolki do walcowania, płyty tnące do wykrojników). Powierzchnia narzędzia wykonanego z tego rodzaju stali nie powinna przekraczać 200°C.

Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco

Wymaga się od nich dużej hartowności, wysokiej wytrzymałości na duże chwilowe amplitudy temperatur a także – co oczywiste – odporności na utratę właściwości mechanicznych w wysokich temperaturach. Wykorzystuje się je do produkcji narzędzi nagrzewających się powyżej 600°C, przykładowe zastosowania to narzędzia do wyciskania, formy odlewnicze, matryce i walce hutnicze.

Stale narzędziowe szybkotnące

Wykorzystywane w bardzo trudnych warunkach, przez co wymaga się od nich odporności na ścieranie w temperaturach do 600°C. Stale szybkotnące mają bardzo wysoką zawartość węgla i dodatków stopowych używanych w zależności od pożądanych właściwości danej partii materiału. Najczęściej spotykane tutaj dodatki stopowe to: chrom (dla zwiększenia hartowności), wanad (w celu uzyskania i utrwalenia odporności na ścieranie), kobalt (dla zwiększenia przewodności cieplnej oraz zapewnienia twardości w podwyższonych temperaturach).

Stale o szczególnych właściwościach

Na uwagę zasługują szczególnie dwa rodzaje tej stali, a mianowicie przeznaczone na czynne magnetycznie elementy urządzeń elektrotechnicznych oraz stale automatowe. Pierwsze z nich opisuje się jako niskowęglowe, mające dodatkowo ograniczoną zawartość siarki i fosforu. Do ich właściwości należy duża przenikalność i mała koercja magnetyczna. Stale automatowe cechuje z kolei duża zawartość fosforu i siarki co warunkuje ich dobrą skrawalność. Pozwala to wytwarzać ze stali automatowej drobne elementy wymagające skrawania na szybkobieżnych obrabiarkach i automatach (nakrętki, śruby, sworznie).

Obróbka plastyczna na zimno i gorąco

Plastyczna obróbka stali, czyli walcowanie na zimno lub na gorąco to bardzo popularna metoda obróbki pozwalająca uzyskać przede wszystkim stalowe kształtowniki będące powszechnie i z powodzeniem wykorzystywanym materiałem konstrukcyjnym różnego rodzaju budowli i konstrukcji – od lekkich konstrukcji halowych, przez bramy i ogrodzenia, po maszty telefonii komórkowej i łączności radiowej. Walcowanie pozwala też na uzyskanie różnego rodzaju blach i prętów.

Kształtowniki walcowane na gorąco

Walcowanie stali na gorąco jest procesem wymagającym bardzo wysokiej temperatury sięgającej nawet 1 700° F. Tak wysoka temperatura umożliwia formowanie nawet bardzo dużych partii metalu stających się pod jej wpływem bardzo plastycznymi. Walcowanie stali na gorąco polega na przepuszczaniu rozgrzanej blachy przez serię spłaszczających rolek dociskowych aż do nadania jej wymaganego kształtu. Kolejny etap to pozostawienie stali do wystygnięcia, co powoduje jej silne kurczenie. Ze względu na brak możliwości kontrolowania tego procesu, kształtownikom walcowanym na gorąco nie można nadać konkretnych wymiarów, co czyni je zdatnymi do użytku tylko w mniej precyzyjnych konstrukcjach. W wyniku tego procesu uzyskuje się blachę nieznacznie zniekształconą w procesie chłodzenia, o lekko zaokrąglonych krawędziach i dobrze wyskalowanych powierzchniach. Dodatkowo wielokrotnie zgniatanie powoduje polepszenie mikrostruktury stali przez jej zagęszczenie. Wadami tego procesu są wspomniane już odkształcenia, a oprócz nich możliwe zmęczenie materiału i niestabilność wynikająca z nierównomiernego chłodzenia.

Kształtowniki walcowane na zimno

Walcowanie na zimno przeprowadza się w temperaturze poniżej temperatury rekrystalizacji materiału poddawanego obróbce. Proces ten zaczyna się podobnie jak walcowanie na gorąco, jednak tutaj materiał poddawany jest dodatkowej obróbce przez zwijanie jej w sposób, który umożliwi później jej bardziej precyzyjne kształtowanie. Walcowanie na zimno stosuje się celem uzyskania cienkich wyrobów (0,16-3mm) – blach, folii, rur o małych średnicach, taśm. Ten proces wyróżnia się szybkością, dużą wydajnością oraz niepowodowaniem mechanicznych uszkodzeń powłoki stali. Wady walcowania na zimno to większe zużycie energii podczas procesu produkcyjnego oraz mniejsza grubość wytwarzanej blachy.

Spawanie

Jedną z właściwości stali jest jej spawalność, czyli – według definicji Janusza Mikuły – “przydatność materiału do spawania”. Bardzo dobrą spawalnością charakteryzują się stale nierdzewne, będące w przeciwieństwie do stali węglowych czy niskostopowych materiałem odpornym na korozję. Spawanie jest procesem wykorzystującym zdolność stali do przemiany w bardzo wysokiej temperaturze. Oznacza to, że po przekroczeniu odpowiedniej temperatury (innej dla każdego rodzaju materiału) rozpoczyna się w stali proces ujednolicania austenitu i rozrostu ziaren. Zwykle proces ten przebiega najintensywniej po szybkim zwiększeniu temperatury do ok. 1100°C, choć istnieją też przypadki, kiedy ma to miejsce już w fazie chłodzenia. W praktyce oznacza to, że istnieje możliwość połączenia dwóch kawałków stalowego materiału przy udziale wysokiej temperatury powstałej w łuku spawalniczym, z użyciem lub bez użycia spoiwa.

Spawanie MIG/MAG

Wykorzystywane głównie do łączenia stalowych elementów w przemyśle ciężkim, są do siebie pod wieloma względami podobne. Oba te rodzaje spawania opierają się na wytworzeniu łuku za pomocą impulsu elektrycznego ze źródła prądu. Ów łuk pomiędzy drutem spawalniczym a spawanym elementem stapia stal, powodując powstanie spoiny. To, czym różnią się od siebie metody MIG i MAG to aktywność gazu osłonowego podczas procesu spawania. Spawanie MIG wykorzystuje elektrodę topliwą w osłonie gazu obojętnego niebiorącego udziału w spawaniu. Spawanie MAG z kolei opiera się na działaniu elektrody topliwej w osłonie aktywnego gazu, który bierze udział w procesie spawania. Obecnie spawanie MIG/MAG to najbardziej popularna metoda spawania. Wykorzystuje się ją na co dzień w przemyśle ciężkim, samochodowym, warsztatach blacharskich, ale także wśród hobbystów. Spawanie MIG/MAG to dobre rozwiązanie ze względu na dobrą jakość spoiny, wysoką wydajność oraz możliwość pracy w różnych płaszczyznach. Niedogodności przy używaniu tej metody to konieczność wcześniejszego przygotowania brzegów łączonych elementów, ale też jakość spoiwa uzależniona od umiejętności spawacza. Dodatkowo w przypadku metody MAG przy zastosowaniu osłony z CO₂ istnieje ryzyko wystąpienia rozprysku materiału.

Spawanie TIG

Spawanie metodą TIG opiera się na wytworzeniu łuku pomiędzy nietopliwą elektrodą wolframową (w osłonie gazu obojętnego) a materiałem spawanym. Obojętnym gazem osłonowym niebiorącym udziału w procesie spawania jest tu zwykle argon mający za zadanie zapobiegać utlenianiu jeziorka spawalniczego oraz elektrody uchwytu. W tym spawaniu nie zawsze jest konieczne używanie materiału dodatkowego, niekiedy wystarczy stopienie samego rowka. W zależności od potrzeb stosuje się spawanie TIG prądem stałym (TIG DC), prądem zmiennym (TIG AC) lub spawanie impulsowe TIG. Spawanie TIG jest najczęściej wykorzystywane do spawania rur i rurociągów, a także do łączenia bardzo cienkich lub specjalnych elementów w lotnictwie i blacharstwie. Zaletami tego rozwiązania są bardzo dobra jakość połączeń oraz możliwość zastosowania do elementów bardzo różnej grubości (od poniżej 1mm do około 10mm). Wada spawania TIG to konieczność używania osłony przy spawaniu na otwartych przestrzeniach.

Spawanie MMA

Ta metoda spawania polega na wytworzeniu jarzącego się łuku pomiędzy prętem elektrody a elementem spawanym. W tym przypadku zamontowana w uchwycie spawalniczym elektroda jest równocześnie źródłem gazu osłonowego. Podstawowa różnica pomiędzy spawaniem MMA a spawaniem MIG/MAG czy TIG polega na tym, że w metodzie MMA wykorzystuje się elektrodę, która w trakcie pracy nieustannie się skraca. Podczas spawania trzeba więc ciągle zbliżać uchwyt elektrodowy do jeziorka spawalniczego, aby utrzymać jednakową odległość pomiędzy elektrodą a elementem spawanym. Spawanie MMA jest bardzo popularnym sposobem łączenia stalowych elementów wykorzystywanym chętnie ze względu na łatwość przenoszenia sprzętu oraz możliwość używania tej metody na zewnątrz. Na korzyść metody MMA przemawia niewątpliwie możliwość zastosowania jej przy łączeniu wielu rodzajów stali zarówno stopowych, jak i niestopowych oraz duża dostępność i wygoda używania narzędzi przeznaczonych do tego rodzaju spawania. Z drugiej strony spawanie MMA charakteryzuje się małą wydajnością, co jest szczególnie uciążliwe przy łączeniu grubych elementów. Ta metoda wymaga też dużych umiejętności ze strony spawacza, który przez cały proces spawania musi pilnować jednej odległości pręta od elementu spawanego przy ciągle zmniejszającej się elektrodzie.

Cięcie stali

Wytwarzanie grubych ogromnych arkuszy blach stalowych powoduje, że aby uczynić je przydatnymi wszędzie tam, gdzie w praktyce się ich używa, konieczne jest pocięcie ich na mniejsze elementy. W tym celu wykorzystuje się kilka metod cięcia stali, które zostaną omówione poniżej.

Cięcie tlenowe (inaczej gazowe lub płomieniowe)

Kilkuetapowy proces cięcia tlenowego zaczyna się od rozgrzania stali do temperatury zapłonu. W momencie, w którym zaczyna się jej utlenianie, pod wysokim ciśnieniem wdmuchiwany jest tlen. Ze względu na różną temperaturę zapłonu różnych materiałów, cięcie tlenowe najlepiej sprawdza się w przypadku stali konstrukcyjnych niskostopowych i niskowęglowych. Cięcie gazowe jest też z powodzeniem stosowane do cięcia skorodowanych powierzchni lub blach stalowych występujących w pakietach. Palnik wykorzystywany do cięcia tlenowego pozwala uzyskać równą, prostopadłą powierzchnię cięcia, jego zaletą jest możliwość cięcia pod różnymi kątami. Oprócz tego cięcie tlenowe jest metodą ekonomiczną możliwą do zastosowania przy szerokim zakresie materiałów różnej grubości. Ten sposób cięcia charakteryzuje się jednak również długim czasem trwania procesu przebijania, co jest spowodowane wstępnym ogrzewaniem.

Cięcie plazmowe

Jeśli przeznaczona do cięcia stal jest stosunkowo cienka (6 – 40 mm), dobrym sposobem dzielenia jej na mniejsze arkusze będzie cięcie plazmowe. Polega ono na oddziaływaniu na cięty materiał plazmą, czyli zjonizowaną materią, pod względem stanu skupienia zbliżoną do gazu. Plazma wytwarzana jest za pomocą przeznaczonego do tego palnika, a powstały pomiędzy palnikiem a ciętym materiałem silnie skoncentrowany łuk elektryczny o dużej energii kinetycznej topi materiał i wyrzuca go ze szczeliny cięcia. Przeprowadzenie tego procesu wymaga wysokiej temperatury w jądrze łuku plazmowego (10000 – 30000K) oraz bardzo dużej prędkości strumienia plazmy. Strumień plazmy nadaje się do cięcia materiałów przewodzących prąd elektryczny, między innymi stali węglowych i stopowych. Zaletami tego sposobu cięcia stali są przede wszystkim duże prędkości cięcia, szybkie przebijanie dzięki brakowi konieczności podgrzewania materiału oraz niewielka szczelina cięcia. Cięcie plazmowe niesie też za sobą pewne ryzyko polegające głównie na wytwarzaniu silnego promieniowania UV oraz licznych gazów i dymów szkodliwych dla zdrowia.

Cięcie laserowe

Miękką stal (do około 30mm) najlepiej ciąć metodą laserową, która w gruncie rzeczy jest procesem przepalania materiału skupioną wiązką lasera o bardzo wysokiej temperaturze przy udziale gazu technicznego o dużej czystości. Dla uzyskania dobrej jakości cięcia ważne jest odpowiednie przygotowanie i wysoka jakość wszystkich elementów biorących udział w procesie (stal, gaz używany do cięcia, dysza podająca gaz, ale też wiązka tnąca). W zależności od materiału przeznaczonego do cięcia, wyróżnia się trzy rodzaje cięcia laserowego: spalanie, stapianie i sublimację. Ponieważ cięcie laserowe opiera się na interakcji przedmiotu obrabianego i wiązki lasera, cięcie następuje bezdotykowo. Dzięki temu narzędzia nie zużywają się, a obrabiany przedmiot pozbawiony jest jakichkolwiek mechanicznych uszkodzeń. Kolejnym powodem, dla którego warto postawić na cięcie laserowe jest duża elastyczność tej metody, co oznacza, że niezależnie od konturów jakie mają być uzyskane, laser sprawdzi się dobrze, nie pozostawiając nieestetycznie wykończonych krawędzi. Należy pamiętać jednak o tym, że cięcia laserem nie da się zastosować do blach większej grubości niż 30mm oraz o tym, że jest to dość droga metoda wymagająca specjalistycznego sprzętu i pewnych umiejętności.

Cięcie strumieniem wody

Inny sposób cięcia cieńszych arkuszy stali to cięcie strumieniem wody. Tutaj rozpiętość jeśli chodzi o grubość jest nieco większa, gdyż strumieniem wody z powodzeniem można podzielić nawet blach o grubości 150 – 200mm. Proces cięcia strumieniem wody opiera się na wykorzystaniu ekstremalnie wysokiego ciśnienia wody w celu uzyskania bardzo precyzyjnego cięcia (precyzja do 0,1mm) i jest wykorzystywany zarówno w przypadku stali węglowej jak i nierdzewnej. Duże ciśnienie wody jest niezbędne dla nadania niewyobrażalnej prędkości ścierniwu, którym najczęściej jest granat. Struga wody i ścierniwa u wyjścia z wylotu dyszy osiąga prędkość nawet 300m/s. Cięcie strumieniem wody jest najbardziej precyzyjnym ze wszystkich sposobów dzielenia stali. Dodatkowo nie wykorzystuje wysokiej temperatury, więc nie powoduje narażenia materiału na rysy czy mikropęknięcia, jak w przypadku cięcia chociażby laserem, które wykorzystuje bardzo duże ciepło. Cięcie strumieniem wody pozwala uzyskać gładkie, niewymagające dodatkowej obróbki krawędzie oraz umożliwia wycinanie w tworzywie dowolnych kształtów. Należy pamiętać jednak o tym, że ten sposób obróbki stali pociąga za sobą duże koszty, dość długi czas pracy nad materiałem (wydłużający się w miarę tego, z jak grubą i twardą stalą mamy do czynienia) oraz rosnący wraz z nim koszt cięcia.

Malowanie proszkowe stali

Jednym z końcowych etapów obróbki stali jest jej malowanie, do którego najczęściej i najchętniej wykorzystuje się ekologiczną i wydajną metodę malowania proszkowego. Malowanie to nie tylko zapewni malowanej powierzchni estetyczny wygląd, ale też – przy zastosowaniu odpowiednej obróbki przed nałożeniem koloru – zapewni materiałowi ochronę przed niszczeniem. Odpowiednie przygotowanie do nałożenia farby powinno składać się z odtłuszczania, piaskowania, suszenia, odpylania i malowania środkami antykorozyjnymi. O tym czy poszczególne czynności zostaną wykonane, czy pominięte decyduje się na podstawie przyszłego przeznaczenia przedmiotu oraz oczekiwanej skuteczności procesu malowania. Po wstępnym przygotowaniu powierzchni, przystępuje się do malowania. Polega ono na napylaniu sypkiego pigmentu o naładowanych w pistolecie cząsteczkach na przewodzącą powierzchnię malowaną. Naniesiona w ten sposób farba utrzymywana jest w miejscu dzięki siłom elektrostatycznym. Pomalowany przedmiot umieszcza się w piecu w temperaturze około 200°C, gdzie następuje polimeryzacja i utwardzanie powłoki. Pokrycie przedmiotu farbą w ten sposób odpowiada jego kilkukrotnemu pomalowaniu tradycyjnymi materiałami rozpuszczalnikowymi (grubość uzyskanej warstwy waha się pomiędzy 60 a 120 mikronów). Oprócz wspomnianego na początku braku szkodliwego wpływu na środowisko, malowanie proszkowe charakteryzuje się też dużym poziomem dokładności i równomierności pokrywania nawet przedmiotów o skomplikowanych kształtach. Jest ponad to dobrą ochroną przed korozją, uszkodzeniami mechanicznymi, wysoką temperaturą oraz chemikaliami. Ograniczeniami w używaniu techniki malowania proszkowego w przypadku stali są konieczność posiadania dedykowanego do tego sprzętu oraz ryzyko ukazania wszystkich niedociągnięć procesu przygotowawczego.

Cynkowanie stali

Bardzo efektywną metodą ochrony stali przed uszkodzeniami mechanicznymi oraz szkodliwym działaniem środowiska jest jej cynkowanie. Stosuje się dwie podstawowe metody przeprowadzania tego procesu, które pozwalają pokryć stal powłoką o nieco innej w każdym przypadku charakterystyce.

Cynkowanie ogniowe

Ten rodzaj cynkowania ma na celu nałożenie na stal bardzo trwałej powłoki cynku. Przed przystąpieniem do właściwych czynności konieczne jest wykonanie kilku działań poprzedzających, które pozwolą na uzyskanie powłoki wysokiej jakości. Po pierwsze przeprowadza się odtłuszczanie materiału, następnie usuwa się wszelkie substancje niemetaliczne takie jak rdza czy zgorzelina, by na końcu poddać stal topnikowaniu, które przygotuje ją na wszelkie chemiczne przemiany zachodzące podczas cynkowania. Po osuszeniu stalowe elementy zanurzane są w płynnym cynku. Robocza temperatura kąpieli cynkowej wynosi od 440 do 460°C w tej temperaturze dochodzi do silnych reakcji cynku z żelazem, co w efekcie prowadzi do wytworzenia kilku warstw o różnej zawartości cynku i żelaza. Zewnętrzna warstwa prawie w całości składa się z czystego cynku. Cynkowanie ogniowe ma szereg zalet, z których najważniejsza to duża wytrzymałość ocynkowanego materiału, szczególnie na tarcie i uderzenia, niska szkodliwość tej metody dla środowiska oraz niska cena. Wady cynkowania ogniowego to możliwe odkształcenia materiału oraz konieczność dodatkowej obróbki po cynkowaniu w celu poprawienia otworów czy usunięcia zacieków.

Cynkowanie galwaniczne

Jeśli wysoce skuteczna ochrona antykorozyjna nie jest głównym celem cynkowania, dobrym rozwiązaniem może okazać się cynkowanie galwaniczne (in. elektrolityczne). Do uzyskania powłoki cynku na stali wykorzystuje on proces elektrolizy, gdzie jako główne źródło napięcia stosuje się prąd elektryczny. W wyniku przemian elektrochemicznych na stali pozostaje gładka, cienka i jednolita warstwa cynku. O dużej popularności cynkowania galwanicznego decyduje fakt, że daje umożliwia ono zabarwienie powłoki, głównie na czarno oraz opcjonalnie z żółtą bądź oliwkową pasywacją. Stwarza to możliwość cynkowania dekoracyjnych elementów wykończenia wnętrz oraz elementów ogrodzeń. Podobnie jak w przypadku cynkowania ogniowego, galwanicznie naniesiona warstwa cynku również chroni przed mechanicznymi uszkodzeniami, choć w dużo mniejszym stopniu, uzyskiwana powłoka jest bowiem kilkukrotnie cieńsza. Ochrona przed korozją i innymi szkodliwymi skutkami wpływu środowiska również stanowi argument za zdecydowaniem się na cynkowanie galwaniczne. Wadą tego rozwiązania jest możliwość wystąpienia tzw. efektu klatki Faradaya. Powstaje on w wyniku nierównomiernego rozprowadzenia ładunków elektrycznych po przewodzącym materiale klatki, co w praktyce oznacza możliwe trudności z dokładnym ocynkowaniem trudniej dostępnych elementów stali (zgięcia, rowki), a w efekcie ich nieodporność na niszczenie.

Materiał powstał w oparciu o:

Pater Z., “Procesy stalownicze” w: “Podstawy metalurgii i odlewnictwa”: http://bc.pollub.pl/Content/8711/PDF/metalurgia.pdf

Głowacka M. “Stale narzędziowe”: http://www.pg.gda.pl/~kkrzyszt/stale_narz.pdf

Mikuła J. “Teoretyczne podstawy oceny spawalności stali” w: “Spawalność stali”: http://riad.pk.edu.pl/~mnykiel/iim/KTM/SPAWALNICTWO/DOWNLOAD/MIKULA/SPAW/Spawalnosc%20stali.pdf

Głowacka M. “Stale narzędziowe”, Opracowanie dostępne pod adresem: http://www.pg.gda.pl/~kkrzyszt/stale_narz.pdf