Anyagok-termékek
M. F. ASHBY, OXFORD Anglia
„Mérnöki” anyagaink relatív fontossága
M. F. ASHBY, OXFORD Anglia
Anyag-, technológia-, konstrukció (költség) egysége Konstrukció (igénybevétel)
KÖLTSÉG Anyag
Technológia 3
Fémek technológiája – 2016/17
Acélok 1-2.(előadásvázlat) szeptember 21. de-du
dr Németh Árpád
[email protected]
Miért acél? A vas, réz, alumínium összesen a fémek 97%-a, előállításuk energiaigénye (GJ/t): Elsődleges feldolgozásnál Titán rúd 560 Saválló acél 110 Magnézium extrudált 425 Réz cső 100 rúd Alumínium öntecs 280 Horgany öntött 70 Alumínium lemez 300 Acél hengerelt 60 PVC 180 Öntöttvas 50 Nylon 180 Üveg 20 Polietilén 110 Cement 8 Másodlagos feldolgozáskor felhasznált energia Alumínium
45
Hengerelt acél
20
Réz
30
Öntöttvas
17
• Földkéregben van bőven (O, N, Si, Al, Fe) • Az ásványokban kellően dúsan fordul elő • Gazdaságosan előállítható • Nagyüzemi előállítása jó hatásfokú • Újrafeldolgozhatósága igen jó • Széles tartományban befolyásolható tulajdonságok (varrótű, híd, autókarosszéria, atomerőmű…) • Évi 217 kg/fő acél termelés (2016. szept. 11-én 7,449 milliárd ember, 2015-ben kb. 1,623 milliárd t acél)
Hazai példák Repülőtér
Mercedes gyár Kecskemét
Acélgerenda gyártása
2001. szeptember. 11-ig
2011. szeptember 15-ig
Ha a csúcsra ráépítik a jelzővilágítást is, akkor a torony magassága – az amerikai függetlenség kikiáltásának évére utalva – 1776 láb, azaz 541 méter.
És az AUTÓGYÁRTÁS
Autógyártás • Alumínium kontra nagyszilárdságú acél Pl az új Suzuki 20% súlycsökkenést ért el a nagyszilárdságú acélok alkalmazásával Az OPEL új modelljeiben szintén nagyszilárdságú acélokat használ
Az Európai Unió előzményei • Európai Szén- és Acélközösséget (ESZAK, angolul European Coal and Steel Community, ECSC) más néven Montánuniót 1951-ben Párizsban alapította Franciaország, az NSZK, Olaszország, Belgium, Luxemburg és Hollandia 1952-ben lépett élete az 50 éves szerződés • Az Európai Gazdasági Közösség (EGK), közismert nevén Közös Piac. Az Európai Közösség (EK) elődjeként 1957-ben a Római szerződéssel alapította Belgium, Franciaország, Hollandia, Luxemburg, az NSZK és Olaszország. Az EGK (később az EK) a legfontosabb ama három szervezet közül, amely 1967-től az Európai Közösségeket alkotja.
• Magyarország 2004. május 1-jén lett az Európai Unió tagja,
Acélok csoportosítása 1. • Összetétel szerint – Szénacélok v. ötvözetlen acélok: Határ előírások (Mnmax 1,8, Al max 0,3, Bmax 0,0008% …)
– Gyengén ötvözött acélok: Σ ötvöző < 5 % – Ötvözött acélok: 5 % Σ ötvöző < 10 % – Erősen ötvözött acélok: Σ ötvöző 10 % (X...)
Acélok csoportosítása 2. • Szövetszerkezet szerint: – – – – – – – –
Ferrites (F) Félferrites (FF) Hipoeutektoidos (F+ P) Eutektoidos (P) Hipereutektoidos (P + S.c.) Ledeburitos (L) Félausztenites (FA) Ausztenites (A) Egyensúlyi szövetszerkezetek
Ötv., %
FF
F
L
F+P
P + S.c.
0,8 Ötv., %
2,1 A
FA F+P
C, %
L P+S.c. 0,8
C, % 2,1
Acélok csoportosítása 3. • Felhasználás szerint: – Szerkezeti acélok ( C = 0 …. 0,6 % ) – Szerszámacélok ( C = 0,4 …. 2,1 % ) – Különleges acélok ( vasötvözet, ha Σ ötv. < 55 % ) • • • • •
Hő- és korrózióálló acélok Nem mágnesezhető acélok Kopásálló acélok Adott hőtágulású acélok … stb.
Acél ötvözői, szennyezői • Alapalkotók – C, Mn, Si, – Szennyezők: S, P, O, N, H,
• Ötvözők – Cr, Ni, Mo – V, Ti, W, Nb – stb.
Alapalkotók hatásai: C • Karbon hatása – Szilárdságot növeli – Alakváltozó képességet csökkenti – Az ütőmunkát csökkenti, ha a C > 0,6 % az ütőmunka 40 J alá csökken, szerkezeti célokra nem használható – Szerkezeti acélok: C 0,6 %
C hatása edzett állapotban • Edzett állapotban – Szilárdság nagymértékben nő – Alakváltozó képesség 0,4 % C – tartalomnál gyakorlatilag 0 !! – A C = 0,4 % - nál már eléri lényegében a maximális szilárdságot – C 0,4 % a szerszámacélok C – tartalom határa – Kis C – tartalom, ( C < 0,2 % ) esetén edzés hatására a szívósság nő Betétben edzhető acélok
KV
Rm
Edzett állapot Lágy állapot Rm
KV 0,2
0,4
C, %
Mangán hatása Rm
• Dezoxidens • KÉNTELENÍTÉS
KV
FeS Mn MnS Fe
Hegeszthető acéloknál a 1,7 szilárdság növelésére ötvözik, pl.”52”-es acélokban többek között 1,7 % Mn ötvöző van A mangán a szilárdságot növeli és az ütőmunkát sem rontja el 1,7 % alatt. Mn %
Az átedzhető szelvényátmérőt növeli
Szilícium hatása Rm
KV Si, %
• Fő dezoxidens • Az acél dezoxidált, (csillapított) ha Si ≥ 0,12 % Félig csillapított: 0,07 % ≤ Si < 0,12% Csillapítatlan, ha Si < 0,07 %
A szilícium ridegít, így maximum 0,5 %-ot ötvöznek, kivéve a hőálló acélokat és egyéb speciális acélokat.
Kén hatása
986 ºC
Fe
FeS
• Képlékenyalakításnál a vörös-törékenységet okozza. • Hegesztésnél a kristályosodási repedésérzékenységet fokozza. • Ok a kis olvadáspontú FeFeS eutektikum.(Mn ötvözés megköti a S-t) • Teraszos repedés érzékenységért is a kén a felelős. • S ≤ 0,035 % általában.
Foszfor hatása
Rm
KV P, %
• Ridegít (hidegtörékenységet okoz) • Hegesztésnél nem tudjuk csökkenteni a P mennyiségét • Kénteleníteni és foszfortalanítani egyszerre nem lehet. A kéntelenítést kell végrehajtani, a P mennyiségét acélgyártáskor csökkentik • Szokásos mennyiség: P ≤ 0,035 %
Oxigén hatása • Oldott állapotban Rm
KV
O, %
• Zárványok formájában • FeO formájában is ridegít • Kedvezőbb a nemes oxidok alakja, a gömb alakú zárványok kedvezőbbek. – MnO, SiO2, Al2O3,
TiO2, V2O3, CaO Nagy mértékben ridegít az oxigén. A dezoxidálás nagyon fontos az acéloknál:
Nitrogén hatása Rm
KV Kis N-tart.
Nagy N-tart. Öregedés
KV
T, ºC N,% A nitrogén ridegít és öregedést okoz
A nitrogén csökkenése: Denitrálás • A nitrogén ridegít és öregedést okoz. Az öregedés azt jelenti, hogy az átmeneti hőmérséklet nő, az ütőmunka csökken. • Az öregedés elkerülésére az acélokat denitrálni kell. • Denitrálás:
FeN Me MeN Fe
• Denitrálásra használható ötvözők: Al, V, Ti, Nb, Zr tehát a nemes dezoxidensek • Azok az acélok, amelyek nemes dezoxidenssel is dezoxidáltak, öregedésállók is.
Hidrogén hatása Pelyhesedés jelenségét okozza • Mikroüregekbe [H] [H] bediffundált hidrogén, molekulákat alkotva H Szubmikroszkópikus bezáródik. Nagy nyomás repedés alakulhat ki, amelyből [H] Mikroüreg adódó feszültség töréshez vezethet. A szubmikroszkópikus repedések • Fényes felületű terjedése mikroszkópikus, majd szubmikroszkópikus repedések, a „pelyhek”. makro-repedésekhez vezethet. A pelyhesedés hegesztési varratban hidegrepedések kiindulása lehet. 2
Halszem képződés • Képlékeny alakváltozás utáni töretfelületeken képződik az un. „halszem”. Pl. szakító próbatest, hajlító-próba töretfelületén • A nagy hidrogén tartalomra utal
Átalakulási hőmérsékletre kifejtett hatás alapján • Ferritképzők: A4-t csökkentik, A3-t növelik – Más néven ferrit stabilizátorok, ezek az ötvözők a ferritben oldódnak: • Pl. Cr, Si, Mo, V, Ti, Nb, W stb. • Mindazon ötvözők, amelyek nem ausztenitképzők
• Ausztenitképzők: A4-t növelik, A3-t csökkentik – Más néven ausztenit stabilizátorok, ezek az ötvözők ausztenitben oldódnak: • Ni, Mn, N, C és a Cu
Acélok ötvözőinek hatása • Az ötvözők hatásait célszerű vizsgálni – Az átalakulási hőmérsékletekre kifejtett hatás alapján – Kritikus lehűlési sebességre kifejtett hatás alapján – Karbidképzés szempontjából – Oldódás szempontjából – Mechanikai tulajdonságokra kifejtett hatás alapján – Hőkezelési tulajdonságokat hogyan befolyásolják.
Ferritképzők
T
T A4
A4 A3
A3 Mo, V, Ti, Nb, Si, stb.
Cr ötv.
Ausztenitképzők T A4 A3
Ni, Mn, C, N, Cu
Kritikus lehűlési sebességre kifejtett hatás alapján • Az ötvözők jobbra tolják el az átalakulási görbéket, kritikus T sebességek csökkennek • Mk és Mv hőmérsékleteket csökkentik • Az ötvözők általában növelik az M M átedzhető átmérőt • Co kivétel és a V, 950 és 1100 °C - os ausztenitesítésnél
A
F
P
k
B
Ötvözők lg t
v
Ötvözők hatása a karbidképzés szempontjából • Karbidképző ötvözők: Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Zr, Ti AFFINITÁS A C – HOZ NŐ
• A karbidképzők növelik a melegszilárdságot is, mert a rekrisztallizációs hőmérsékletet növelik
Ötvözők oldódása az acélban • Az ötvözők általában szubsztitúciósan oldódnak a vasban – Korlátlanul oldódik a: Cr és a V – Korlátoltan oldódik: • Co 75% Ni 34% • Mn 10% Mo 32% • Ti 6% Cu < 1%
Si 14 % W 32%
– Nem oldódik: Pb, Ag – Intersztíciósan oldódik: C, N, O, B
Az ötvözők hatása a mechanikai tulajdonságokra Rm
Ti Si, W Mn, Mo Al Ni V Co
A
Ni
Cr
Cr W Mn
Ötvöző,%
Az ötvözők a rácsot torzítják, így a szilárdságot növelik
1,7
Si Ti Ötvöző, %
Az ötvözők a képlékenységet általában rontják
Az ötvözők hatása a szívóssági jellemzőkre Ni és Cr ötvözés kedvező KV hatásuk miatt gyakori
KV
Ni - ötvözés Ni Cr Mn
C -acél
Mo
T
W
Si Ötvöző, %
TTKV
Ötvözők hatása hőkezeléskor - Átedzhető szelvényátmérőt növelik az ötvözők - Nemesítéskor is kedvező a hatásuk A
Ötvözött acél
Rm
Ötvözött acél
C - acél
C - acél
KV Rm
Tmeg
Az ötvözők megeresztés-állóságot okoz
Megeresztési ridegedés Mn, Cr, Cr – Ni ötvözésű acélokban: Rm Gyors hűtés KV
Lassú hűtés 500 … 550 °C
Tmeg Elkerülés: Gyors hűtéssel, vagy Mo, illetve W ötvözéssel
Szabványok 1995. évi XXVIII. törvény a nemzeti szabványosításról
• 4. § (1) A szabvány elismert szervezet által alkotott vagy jóváhagyott, közmegegyezéssel elfogadott olyan műszaki (technikai) dokumentum, amely tevékenységre vagy azok eredményére vonatkozik, és olyan általános és ismételten alkalmazható szabályokat, útmutatókat vagy jellemzőket tartalmaz, amelyek alkalmazásával a rendező hatás az adott feltételek között a legkedvezőbb.
• MSZ EN…………………
• A nemzeti szabványosítás célja • 1. § A nemzeti szabványosítással elő kell segíteni: • a) az általános és ismételten alkalmazható eljárások, műszaki megoldások közrebocsátásával a termelés korszerűsítését, a szolgáltatások színvonalának javítását, • b) a nemzetgazdasági igények érvényesítését a nemzetközi és az európai szabványosítási tevékenységben, • c) a kereskedelem műszaki akadályainak elhárítását, • d) a műszaki fejlesztés eredményeinek széles körű bevezetését, • e) az élet, az egészség, a környezet, a vagyon, a fogyasztói érdekek védelmét és a biztonságot, • f) a megfelelőségtanúsítás követelményrendszerének kialakítását, • g) a hazai termékek és szolgáltatások nemzetközi elismertetését.
Acélok felhasználás szerinti jelölése (MSZ EN 10027 -1) G S 355 J2 G2 W Cu5 Csak öntvényeknél és csak G lehet
Cu * 10 W: időjárás álló Fő tulajdonság Kieg. tulajdonság, G2: csillapított
S - szerkezeti ReH=355 MPa acél P – nyomástartó edény
Kiegészítő jel: 27J -20 ºC
L – csővezeték acél
M – Termomechanikusan kezelt
E – gépacél
N – Normalizált
B - betonacél
Q - Nemesített
Kiegészítő jelek ISO Dezoxidálás módja
TKV,ºC
KV 27J
KV 40 J
KV 60 J
+ 20
JR
KR
LR
B
Si - al dezoxidált, csillapított
0
J0
K0
L0
C
" + nemes dezoxidens (Al, Ti)
- 20
J2
K2
L2
D
"+ finom szemcse
- 40
J4
K4
L4
E
"+ Ni ötvözés 53
Acélok jelölése vegyi összetétel alapján • Ötvözetlen (szén)acélok: Cnn (nn= C%*100)
(gyártáshoz szükséges ötvözők és szennyezők vannak a meghatározott tartalom alatt) (Mnmax1,6%, Bmax0,0008%
stb.) pl.: C22, C15, C60, • Ötvözött acélok: nn ÖTVÖZŐK vegyjele számok (ötvözők vegyjele
a mennyiség csökkenő sorrendjében, számok arányosak az ötvözők mennyiségével, szorzók: C*100, Cr* 4, B* 1000)
pl. 14NiCrMo13-4 (C=0,14%, Ni=3,2%, Cr=1, Mo 1% alatt)
• Erősen ötvözött acélok (ötvöző tartalom 5% felett) X nn ÖTVÖZŐK vegyjele számok (számok az egyes
ötvözők közepes mennyiségét mutatják) Pl.: X8CrNiTi18 -10 (C=0,08%, Cr=18%, Ni=10%, Ti is van) 54
Az ötvöző mennyiségének szorzói az acél szabványos jelölésében Az ötvöző vegyjele
Szorzótényező
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W
4
Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr
10
Ce, N, P, S
100
B
1000
55
