Czym jest czarna stal i jak ją spawać?

Co to jest czarna stal?

Stal czarna jest formą stali nieocynkowanej. Nazwa „czarna stal” pochodzi od wyglądu stali; posiada ciemną barwę na powierzchni stali dzięki powłoce tlenku żelaza. Stal ta jest ważna w zastosowaniach, w których nie jest wymagana stal ocynkowana. Stal jest stopem lub mieszaniną żelaza z węglem i niewielką ilością innych metali. Czyste żelazo można topić i kształtować, ale zwykle jest miękkie. Dodanie węgla wzmocni metal, a większość stali węglowych zawiera od 1 do 2 procent węgla. Czarna stal węglowa powstaje podczas procesu produkcyjnego, gdy wysokie temperatury tworzą cienką warstwę utlenionego żelaza na zewnętrznej powierzchni.

Węgiel wiąże się chemicznie z żelazem w stopach stali, tworząc znacznie twardszy materiał niż czyste żelazo. Wraz ze wzrostem zawartości węgla materiał staje się twardszy, ale bardziej kruchy lub podatny na pękanie pod wpływem naprężeń lub obciążeń. Stal zawierająca węgiel w ilości powyżej 2% jest uważana za żeliwo, może być stosowany do rurociągów i materiałów niekonstrukcyjnych, ale jest uważany za zbyt kruchy dla stali konstrukcyjnej.

Żelazo łatwo reaguje z tlenem w powietrzu, tworząc tlenek żelaza lub rdzę , które powodują awarię części, dlatego często jest powlekane, aby zapobiec rdzewieniu powierzchni. Jedną z zalet czarnej stali węglowej jest naturalne właściwości antykorozyjne powłoki z czarnego tlenku żelaza, ponieważ tlenek działa jak bariera zatrzymująca tlen z żelaza znajdującego się poniżej. Cienka warstwa tlenku powstaje w wysokich temperaturach, tworząc trwałą warstwę, która nie wymaga dalszej obróbki ani powlekania.

W przypadku zastosowań, w których ochrona przed korozją ma kluczowe znaczenie, stal węglowa może być malowana lub galwanizowana. Stal jest galwanizowana przez mycie kwasem, a następnie zanurzanie w kąpieli ze stopionym cynkiem . Cynk tworzy warstwę na zewnętrznej stronie stali i najpierw koroduje pod wpływem powietrza lub wilgoci. Cynkowanie poprawia żywotność części stalowych, ale nie jest stosowane na czarnej stali węglowej, ponieważ warstwa tlenku już chroni stal.

Zastosowanie czarnej stali

W niektórych przypadkach pojawia się konieczność trwałego połączenia stali czarnej z kwasoodporną. Problem w tym przypadku leży nie we właściwościach samych stopów, ale raczej w różnicach między nimi. Podstawowa zasada mówi, że spoina powinna jak najmniej różnić się od materiału bazowego pod względem charakterystyki, natomiast w takich przypadkach pojawia się kłopot, bo zamiast mówić o jednym materiale, mowa jest o dwóch materiałach bazowych.

Niewłaściwe spawanie czarneej stali może powodować kruchość połączeń i być bardzo niebezpieczne, do spawania czarnych blach zazwyczaj wykorzystuję się metodę MIG.

Spawanie stali czarnej drutem nierdzewnym

Spawanie stali czarnej metodą TIG jest skomplikowanym procesem. Przy spawaniu stali czarnej z nierdzewną wykorzystywane są nierdzewne druty wysokostopowe typu 309 (L-Si, L, HF). Ostatni w wymienionych drutów ma podwyższoną zawartość ferrytu, przez co tworzy lepsze, trwalsze spoiny o dużej grubości, natomiast najczęściej używanym do spawania czarnej stali jest nierdzewny drutem 309L.

Ta wyższa zawartość ferrytu może zminimalizować rozcieńczenie spoiny i zapobiec pękaniu spoiny. Drut 309LSi ma niską zawartość węgla i wyższą zawartość krzemu, stąd „LSi” w oznaczeniu. Niższa zawartość węgla jest idealna do zastosowań, w których występuje ryzyko międzykrystalicznego pękania korozyjnego. Wyższa zawartość krzemu służy jako odtleniacz i pomaga usunąć zanieczyszczenia spawalnicze i zwiększyć płynność jeziorka spawalniczego.

Problemy ze spawami 309LSi na stali węglowej mogą być wynikiem zanieczyszczenia. Spróbuj wyczyścić stal zatwierdzonym środkiem czyszczącym, aby usunąć tłuszcz, olej lub farbę. Pomocne może być również szlifowanie zgorzeliny walcowniczej o ½ cala od spoiny.

W przypadku spawania stali niskostopowej i kwasoodpornej bardzo ważne jest, aby w okolice spoiny dostarczać jak najmniej energii cieplnej. Zalecany pułap maksymalny to około półtora kilodżula na milimetr. Niezbędne jest też właściwego ukosowania, dzięki czemu spaw będzie trwalszy i mniej podatny na pęknięcie.

Należy zadbać o to, aby do minimum ograniczone zostało topienie spoiny przez stal niskostopową,a drut powinien być pochylony (spawanie ręczne) lub przesunięty (SAW, spawanie łukiem krytym) w stronę stali nierdzewnej.

Ważnym aspektem, który pojawia się zawsze przy okazji spawania stali kwasoodpornej z czarną, jest ryzyko korozji. Wprawdzie sam materiał bazowy wysokostopowy jest tak samo bezpieczny, jak był, stal niskostopowa również (choć oczywiście pozostaje bardziej podatna na korozję), natomiast elementem kluczowym może okazać się spaw. Łączenia między stalą czarną a kwasoodporną są często podatne na korozję elektrochemiczną, więc najlepiej już na etapie kładzenia spawów wiedzieć jak najwięcej o przyszłym zastosowaniu elementów, aby zastosować odpowiednie środki ochronne.

Korozja galwaniczna najczęściej pojawia się w obecności elektrolitu, o co jednak nietrudno, biorąc pod uwagę, że większość tego rodzaju spawów jest umieszczona w wilgotnym i częściowo zjonizowanym powietrzu atmosferycznym.

Połączenia stali czarnej z kwasoodporną są punktami newralgicznymi wielu konstrukcji, co wynika przede wszystkim z właściwości materiałów bazowych, natomiast z pewnością właściwe położenie spawu, co w tym przypadku nie jest już technicznie proste, gwarantuje przedłużoną trwałość połączenia. Co ważne, w przypadku wielu połączeń tego rodzaju za późniejsze problemy eksploatacyjne odpowiada na przykład użycie niewłaściwego drutu spawalniczego, a więc popełniony przez spawacza błąd podręcznikowy.