Legovanie oceli
Kategorie: Fyzika a astronómia (celkem: 480 referátů a seminárek)
Informace o referátu:
- Přidal/a: anonymous
- Datum přidání: 12. března 2007
- Zobrazeno: 6731×
Příbuzná témata
Legovanie oceli
ÚvodOceľ je technické železo s obsahom Uhlíku do 1,7% zbavená väčšej časti nečistôt a vyznačujúce sa kujnosťou. Oceľ sa vyrába v oceliarňach zo surového železa spálením uhlíku a ďalších prímesí a pretavovaním oceľového odpadu (šrotu). Oceľ zliatinová (legovaná) je oceľ, u ktorej určité prvky (napr. Mangán, nikel, chróm, molybden, wolfram, vanád, titán a kobalt) sú pridávané vo väčšej miere aby spoluurčovali jej vlastnosti. Podľa pomeru pridaných kovov poznáme veľa druhpv oceli. Napr. Oceľ betonárska - jej súdržnosť s betónom sa podporuje prierezom v tvare štvorlístka s opornými rebríkmi v úžlaboch. Oceľ ušlachtilá je buť uhlíková alebo zliatinová u ktorých je zaručená väčšia čistota chemického zloženia a tým rovnomernejšie a lepšie vlastnosti. Oceľ nástrojová sa kalí a popúšťa aby sa u inej dosiahla maximálna tvrdosť. Ocele špeciálne sa nazývajú podľa rôznych fyzikálnych vlastností. Napr. Oceľ nemagnetická (nemagnetizuje), Oceľ žiaruvzdorná a žiaropevná (stála a pevná aj za vyšších teplôt). Oceľ automatová (ľahko obrábateľná). Oceľ magnetová má veľkú koercityvnú silu a remanenciu a malú tepelnú rozťažnosť. Oceľ s bórom (do 6% bóru) používa sa na regulačné a tieniace orgány jadrových reaktorov
Nerezovú oceľ objavil náhodou roku 1913 britský metalurg Harry Brearley, keď robil pokusy oceľovými zliatinami (zliatiny sú zmesi kovov) na výrobu hlavní kovov. Po niekoľkých mesiacoch si všimol, že kým väčšina vzoriek, ktoré zavrhol, zhrdzavela, vzorka obsahujúca 14% chrómu zostala neporušená. Od tadiaľ bol už len krôčik k nerezovej oceli ako ju poznáme dnes. Obyčajná oceľ hrdzavie, lebo ľahko reaguje so vzdušným kyslíkom a na jej povrchu sa tvoria drobné červené oxidy železa. Ostatné kovy ako hliník, nikel, chróm a i. reagujú s kyslíkom rovnako. Ich oxidy však tvoria lipnúcu nepriepustnú vrstvu, ktorá znemožňuje ďalšiu reakciu kyslíka s odkrytým kovom. To bol aj prípad Brearlyho ocele, keď vrstva oxidov chrómu zabránila aby nekrytú oceľ napadla hrdza. Dnes sa vyrába veľa druhov nerezovej ocele. Jednou z najbežnejších zliatin je 18% chrómu a 8% niklu ( známa ako 18:8), ktorá sa používa na výrobu kuchynských drezov. Kuchynské nože sa vyrábajú z ocele, obsahujúcej 13% chrómu.
Pridaním malého množstva molybdénu vznikne ešte dokonalejšia zliatina, ktorá sa používa na obkladanie budov.
1. Pôsobenie legujúcich prvkov v oceliach
V priemysle vyrábaných legovaných oceliach, ktoré sú viaczložkovými zliatinami môžu byť legujúce prvky prítomné ako:
a) Môžu so železom vytvárať tuhé roztoky
b) Môžu sa rozpúšťať v cementite cestou nahradzovania atómov železa, čím vytvárajú tzv. legovaný cementit alebo reagujú s uhlíkom za vzniku špeciálnych karbidov
c) Môžu reagovať so železom a tak vytvárajú intermetalické zlúčeniny
d) Reagujú s ďalšími prfvkami v oceliach za vzniku oxidov, sulfidov a iných nekovových zlúčenín
e) Vystupujú ako samostatné fázy
Z hľadiska základného vplyvu na mikroštruktúru a vlastnosti majú efektívny vklad prvky, ktoré sú rozpustené v základných fázach zliatin železo – uhlík, t.j. vo ferite, austenite, cementite, alebo vytvárajú špeciálne karbidy. Prvky, ktoré sú v periodickej tabuľke na ľavo od železa môžu vytvárať so železom substitučné tuhé roztoky, alebo vytvárajú karbidy. Prvky ležiace v pravo od železa vytvárajú so železom len tuhé roztoky.
Prítomnosť legujúcich prvkov v mriežke Fe má vplyv na kritické teploty premien a tiež na tvar rovnovážnych diagramov. Schématické vyjadrenie vplyvu legujúcich prvkov na polohu kritických teplôt premien železa s uvedením typu rovnovážneho diagramu je uvedené v tab. 1.
Vplyv na teplotu Prvky
Hore A4 dole A3 Mn, Ni, Cu, C, N, Zn
Hore A4 hore A3 Co
Dole A4 horeA3 W, Mo, Ti, Si, Al, V, P, Ta, Zr, B, S, O
Dole A4 doleA3 Cr
Tab. 1
1.2. Vplyv legujúcich prvkov na charakteristické body v diagrame Fe – Fe3C
Na obr. 2 vidiet závilsosť vplyvu obsahu legujúcich prvkov na eutektoidnú teplotu. Väčšina legujúcich prvkov túto teplotu zvyšuje, Mn a Ni túto teplotu znižujú. 1.3. Vplyv legúr na valstnosti feritu
Vplyv na legujúcich prvkov na vrubovú húževnatosť je nasledujúci:
• Chróm znižuje vrubovú húževnatosť len veľmi slabo
• Nikel ju zvyšuje
• No molybdén a wolfrám znižujú
• A mangán ju zvyšuje pri obsahoch vyšších ako 1 %
Najpriaznivejším legujúcim prvkom pre ferit je nikel, ktorý dostatočne spevňuje ferit a pritom neznižuje vrubovú húževnatosť. Ferit legovaný Cr, Mn a Ni pri rýchlom ochladení z oblasti stability γ tuhého roztoku prekonáva premenu cestou bezdifúznej martenzitickej premeny.
2. Vplyv legujúcich prvkov na mech. vlastnosti ocelí
Pridávaním niektorých prvkov do železa získavame ocel. Každý z prvkov obsiahnutých v konečnom materiály má dané určité vlastnosti. Najdôležitejším prvkom, ktorý dáva materiálu tvrdosť je uhlík, avšak ktorý dáva oceli aj krehkosť. Vplyv ďaľších legujúcich prvkov na mechanické vlastnosti ocelí.
Nikel (Ni): Obsah tohto prvku má vplyv na pevnosť a tuhosť ocele, ale nemá vplyv na tvrdosť.
Používa sa v rozmedzí 1-4% no niektoré nerezové ocele až 30% tohto prvku.
Chróm (Cr): Má vplyv na tvrdosť a odolnosť voči korózii ocele. Pridáva sa väčšinou spolu s niklom do nerezových ocelí, kde môže byť v množstve do 20%.
Mangán (Mn): Tento prvok je obsiahnutí v každej oceli. Pôsobí dezoxidačne a má vplyv na tepelné spracovanie. Jeho obsah sa pohybuje 0,5 – 2%.
Kremík (Si): Znižuje vnútorné pnuite a zvyšuje tvrdosť. V kombinácii s ostatnými prvkami zvyšuje pevnosť materiálu.
Vanád (V): Spomaľuje rast kryštálov pri dlhom vystavení zvýšeným teplotám a pomáha riadiť ich štruktúru pri tepelnom spracovaní. Používa sa veľmi málo a v množstvách 0,15 – 0,2%.
Wolfrám (W): Vo veľmi malých množstvách má dobrý vplyv pri vytváraní kryštalickej štruktúry. Spôsobuje odolnosť voči vyšším teplotám a tým zhoršuje kujnosť.
Molybdén (Mo): Zlepšuje penetráciu kalenia a zvyšuje tuhosť materiálu. Spôsobuje odolnosť voči mäknutiu pri vyšších teplotách a preto vyšší obsah spôsobuje problémy pri kutí.
Síra (S): Je obsiahnutá v každej oceli ako nečistota pri výrobe. Na jednej strane spôsobuje ťažkosti pri tepelnom spracovaní, na druhej strane zlepšuje opracovateľnosť materiálu.
Fosfor (P): Rovnako ako síra je vlastne nečistotou pri výrobe a je teda obsiahnutá v každej oceli. Zvyšuje pevnosť v ťahu a odolnosť voči atmosferickej korózii.
3. Typy legovaných ocelí
3.1. Nízko legované ocele
Účinok prísady legujúcich prvkov v uhlíkových oceliach bol študovaný niekoľko rokov. Prísady legujúcich prvkov netvoriacich karbidy, ako je napríklad nikel, kobalt, kremík, nezvyšujú úroveň žiarupevných vlastností. Iba prísada týchto prvkov, ktoré tvoria karbidy, ako je napríklad chróm, molybdén a vanád, priaznivo ovplyvňuje žiarupevné charakteristiky nízkolegovaných ocelí.
Prísady chrómu a vanádu nemajú samostatne výraznejší vplyv; ich hlavnou funkciou je modifikovať a ďalej zvyšovať základný priaznivý účinok molybdénu.
Dôležitú spevňujúcu úlohu má i vzájomná interakcia rozpustených atómov s dislokáciami. Tieto mechanizmy ukazujú na dôležitý vplyv prítomnosti intersticiálnych atómov (C, N) a substytučne rozpustených legujúcivh prvkov (napr. Mo, V) a vylúčenie karbidov obsahujúcich chróm, molybdén a vanád.
Prísadaa vyššie uvedených karbidotvorných legujúcich prvkov vedie síce ku zvýšeniu žiarupevnosti, ale zároveň ovplyvňuje i ďaľšie vlastnosti ocelí. Tak napríklad u bežnej molybdénovej ocele, pri zrovnaniu s uhlíkovými ocelami, klesajú hodnoty deformácie pri lome pri tečení (obr. 1).
Prísada chrómu síce nepatrne zvyšuje žiarupevnosť uhlíkových ocelí, ale v spojení s molybdénom (0,5%) je veľmi dôležitá. Bolo zistené, že prísada okolo obsahu 1% Cr iba mierne zvyšuje odolnosť ocelí pri tečení a pevnosť pri tečení, vyšie prísady chrómu žiarupevnosť znižujú. Prísada chrómu približne 1% síce nezvyšuje žiarupevnosť ocelí, ale vedie ku zlepšeniu odolnosti ocelí poti pôsobeniu vodíka.
Ďaľšiu technicky významnú skupinu tvoria ocele legované na báze 21/4% Cr a 1% Mo. Uvedený typ ocelí má veľmi dobré plastické vlastnosti a používa sa napríklad pre ropovody a v chemickom priemysle, kde je dôležitá odolnosť proti pôsobeniu vodíka.
Prísada vanádu ďalej zvyšuje žiarupevné charakteristiky nízkolegovaných ocelí a ich stabilitu (danou vysokou stabilitou V4C3).
3.2. Vysoko legované ocele
Vysoko legované ocele zahrňujú v prevažnej miere ocele obsahujúce od 3% až do 12% Cr, obvykle komplexne legované.
Zvýšenie žiarupevnosti 10-12% chrómových ocelí je v súčasnej dobe venovaná značná pozornosť. Vedľa vplyvu východzej štruktúry sa upresňuje i konštitúcia týchto ocelí napríklad (optimalizácia prísady Mo,V, Nb) a stanovenie ich optimálnej teploty popúštania. Pri vyššom obsahu chrómu (10-12 %) je účinok vanádu, z hľadiska vytvrdzovania základnej kovovej matrice, pomerne malý, lebo vanád je rozpustený v karbide M23C6. Zvýšená odolnosť proti tečeniu po prísade nióbu je prvom rade vyvolaná precipitáciou veľmi jemného Nb(CN).