Anyagtudomány - 13. Előadás
Ötvözött acélok
Anyagtudomány
1
13. előadás
Az ötvözött acélok • Fogalma: A Fe és C alkotókon kívül más, szándékoltan adagolt további ötvözőket is tartalmaz • Az acélötvözés célja: – olyan fizikai, – kémiai, – mechanikai, vagy – egyéb különleges tulajdonságok biztosítása, amelyek az ötvözetlen acélokkal nem valósítható meg.
Anyagtudomány
2
13. előadás
Az acélok fő ötvözőelemei és jellemzőik a leggyakoribb acélötvöző elemek: Mn, Ni, Cr, W, V, Mo, Ti, Co, Nb, B, N az ötvözőelemeket leggyakrabban aszerint csoportosíthatjuk, hogy milyen kapcsolatba kerülnek az alapfémmel, tehát a vassal (Fe), illetve hogyan viszonyulnak az alapötvözőhöz a karbonhoz (C)
Anyagtudomány
3
13. előadás
Az ötvöző elemek kapcsolata az alapfémmel • Szilárd oldatot képeznek – szubsztitúciós szilárd oldatot alkotnak, amelyek atomátmérője számottevően nem különbözik a vasétól (Mn, Ni, Cr, Co, V) – interstíciós szilárd oldatot alkotnak, amelyek atomátmérője lényegesen kisebb a vasénál (N, B) • Fémes vegyületet képeznek – Nitrogén (Fe2N, Fe4N), alumínium (FeAl2), szilícium (FeSi), a foszfor (Fe3P, Fe2P), titán (Fe2Ti), vanádium (FeV), króm (FeCr), molibdén (FeMo), wolfram (Fe2W, Fe3W) Anyagtudomány
4
13. előadás
Az ötvöző elemek kapcsolata az alapötvözővel, a karbonnal • Az ötvözőelemek karbonhoz való viszonya számos tulajdonság, pl. – keménység, – kopásállóság szempontjából meghatározó jelentőségű • A karbonnal való kapcsolat szerint – vannak ötvözők, amelyek a karbonnal soha nem képeznek karbidokat (Ni, Cu) – vannak, amelyek más ötvözetekben képeznek karbidokat, az acélban soha (Al, Si) – legfontosabbak a karbidképző ötvözők (Mn, Cr, Mo, W, Ti, V) Anyagtudomány
5
13. előadás
Az ötvözött karbidok legfontosabb jellemzői • a karbidok keménysége természetes keménység – keménységüket lényegesen magasabb hőmérsékletig megtartják, mint a martensit • stabilitásuk függ – a rácsszerkezettől (legstabilabb a köbös karbid) – a képződési hőtől (minél nagyobb annál stabilabb) – az olvadáspontjuktól (minél magasabb annál stabilabb)
Anyagtudomány
6
13. előadás
Ötvözött karbidok jellemzői és stabilitási sorrendje A karbidok jele
rácsszerkezete
olvadáspontja T, oC
keménysége HV
Fe3C
rombos
1250
900
Mn3C
rombos
1050
1100
Cr3C2
rombos
1890
1300
Mo2C
hexagonális
2690
1500
Cr7C3
hexagonális
1665
2100
WC
hexagonális
2850
2400
W 2C
hexagonális
2860
3000
Cr23C6
köbös
1550
1650
VC
köbös
2810
2800
TiC
köbös
3140
3200
Anyagtudomány
7
13. előadás
Az ötvözött karbidok további jellemzői • egyes ötvözőelemek a vassal (Fe, Me)xCy jelű, ún. komplex karbidokat képeznek • lehűlés során a csökkenő oldóképességnek megfelelően először a stabilabb, ötvözött karbidok válnak ki – az átalakulási diagramokon ezt karbidkiválási vonalak jelzik – a karbidkiválás szabályozásával az ötvözött acélok tulajdonságai tág intervallumban módosíthatók • ez az ötvözött acélok hőkezelésének fontos elvi alapját képezi
Anyagtudomány
8
13. előadás
Az acélötvözők hatásmechanizmusainak összefoglalása • Az acélötvözők az acél használati tulajdonságait – az ún. oldódási mechanizmussal (az alapfémmel alkotott szilárd oldatok révén) – az ún. vegyületképződési mechanizmussal (az alapfémmel alkotott fémes vegyületek révén), valamint – az ún. karbidképződési mechanizmussal (az alapötvözővel, a karbonnal alkotott karbidok révén), módosítják
Anyagtudomány
9
13. előadás
Az ötvözőelemek hatása az egyensúlyi diagramokra • Austenitképző ötvözők – nyitott -mezőt hoznak létre (Mn, Ni) – tágítják a -mezőt (Cu, C, N) • Ferritképző ötvözők – zárt -mezőt, nyitott -mezőt hoznak létre (Cr, V) – részben nyitott -mezőt hoznak létre (Al, Si, Ti, Mo, W) – tágítják, de nem nyitják az -mezőt (B, Zr, Nb, Ta) • az -mezőt tágítja, de meghatározott összetétel felett nyitott -mezőt hoz létre (Co) Anyagtudomány
10
13. előadás
Az austenitképző ötvözők a) nyitott -mezőt létrehozó ötvözők oC
A5 A4
A4
A3
A3
Mn, Ni
Fe Anyagtudomány
11.1. a) ábra
Me
a) 11
13. előadás
Az austenitképző ötvözők b) -mezőt tágító ötvözők o
C
A4
e
11.1. b) ábra
A3
e Fe
Anyagtudomány
Cu, C, N Me
b) 12
13. előadás
Ferritképző ötvözők
c) nyitott -mezőt (zárt -mezőt) létrehozó ötvözők o
C A5 V
A4
A4
11.1. c) ábra
Cr
A3
Cr, V Fe Anyagtudomány
c
Me
c) 13
13. előadás
Ferritképző ötvözők e) részben nyitott -mezőt létrehozó ötvözők o
C A5 A4
A4
A3 A 3 Fe c Anyagtudomány
Me
11.1. e) ábra
Al, Si, Ti, Mo, W Me
e) 14
13. előadás
Ferritképző ötvözők d) -mezőt tágító ötvözők oC
A4 A3
Me Me
11.1. d) ábra
Me B, Zr, Nb, Ta
Fe c Anyagtudomány
Me
d) 15
13. előadás
-mezőt tágító, nyitott -mezőt létrehozó ötvözők oC
A5 A4
A4 11.1. f) ábra
A3 A3 Fe Anyagtudomány
Co
f) 16
13. előadás
Az ötvözőelemek hatása a nem-egyensúlyi átalakulásokra • Az ötvözőelemek mennyiségének növelése – növeli a legrövidebb lappangási időket, azaz az átalakulási diagramokat • az időtengely mentén jobbra • a hőmérséklet tengely mentén lefelé tolják el – ezáltal csökkentik a kritikus hűtési sebességeket • erősen ötvözött acéloknál különváló perlites és bainites mezőket hoznak létre
Anyagtudomány
17
13. előadás
Gyengén ötvözött 40Cr jelű acél izotermás átalakulási diagramja Austenitesítés: 860 oC 1000 a 900 800
A3
Hőmérséklet (oC)
700
A1 f
600
p
20 HRC 29 HRC 33 HRC 34 HRC
f+p
a
p
500 b 400
50% 90 %
300
38 HRC 44 HRC 48 HRC
b
Ms
11.2. ábra
m+a
200 100 1
Anyagtudomány
10
10 2
103
104
18
105
Idő (s)
13. előadás
Ledeburitos Cr-acél izotermás átalakulási diagramja Austenitesítés 970 oC 1000
a + k1
900 Ac1v 797 oC
358 327
800
Hőmérséklet (oC)
700
Ac1k 768 oC
p
a + k1 + k2
p + k1 + k2
600 419 429
500
11.3. ábra
467
400 b
300
50
Ms
200
50 %
100 920
610 90
b + k 1 + k2 m + a + k 1 + k2
90 %
0,1
Anyagtudomány
1
10
10 2
103
19
104
105 Idő (s)
13. előadás
Ledeburitos Cr-acél folyamatos hűtésre érvényes átalakulási diagramja Austenitesítés 970 oC 1000 900 a + k1
Ac1v 797 oC
800 a + k1
Hőmérséklet (oC)
700
p
600
Ac1k 768 oC
100
a + k 1 + k2
50
100
98
10
p + k1 + k2
2
500
tm
tp
tm = 240 s
11.4. ábra
400 tp = 1700 s
b
300
6
1
Maradék ausztenit
Ms
200
a~10%
100
m + a + k 1 + k2 0,1
Anyagtudomány
1
946
920 933
10
10 %
1% 566
890 905
10 2
807
103
20
360
301
260
230
387
104
105 Idő (s)
13. előadás
Főbb ötvözött acélok - a Mn-acélok • A Mn mint ötvöző legfontosabb jellemzői – legerőteljesebb austenit képző – a kritikus hűtési sebességet radikálisan csökkenti – átalakulás csak 10-12 % Mn-tartalomig van • csak az Mn < 10-12 % tartalmú acélok edzhetők • efölött szobahőmérsékleten is austenites szövet – a szövetszerkezetet a C-tartalom is befolyásolja: ezt szemlélteti a Guillet-diagram
Anyagtudomány
21
13. előadás
A Fe - Mn egyensúlyi diagram 1600 1400
1000
800
600
400 300
Ar3 10
A3
Hőmérséklet ( oC)
1200
20
11.5. ábra 30
40
50
Mn-tartalom (%) Anyagtudomány
22
13. előadás
Mn-tartalom (%)
Mn-acélok Guillet-diagramja 16 Austenit 14 12 Mar t. + au 10 st. 8 Martenzit 6 Mart. + Mart. + per perl. 4 l. Perlit 2 1 2
3
Austenit + Karbid P+K
11.6. ábra
0,5 1,0 C-tartalom (%) Anyagtudomány
23
1,5 1,65 13. előadás
Mn-acélok jellegzetes alkalmazási területei • Legismertebb típusa az austenites Mn-acél (kidolgozója után Hadfield-acél) – 1,2 - 1,4 % C – 12 - 14 % Mn – jellemzői • gyors hűtéskor homogén austenites szövet • jó alakíthatóság • kiváló szívósság, nagy keményedőképesség – fő alkalmazási területek • kőtörők, baggerek, markolók, sínkereszteződések, váltónyelvek Anyagtudomány
24
13. előadás
Az austenites Mn-acélok problémái és megoldásuk • Az austenitből lassú hűtéskor (FeMn)3C karbid válik ki a szemcsék határára – ridegítő hatású, az egyébként szívós austenit nyúlása 1 % körüli értékre csökken • elkerülése – az ún. austenites lehűtés alkalmazásával • T = 950oC-on homogenizálás • ezt követően vízben való gyors hűtés a karbidkiválás elkerülésére • az így nyert acél nagy szilárdságú (Rm=900-1200 Mpa) és nagy nyúlású (A=30-60 %) Anyagtudomány
25
13. előadás
A Mn-acélok további alkalmazásai • Mn-ötvözésű szerkezeti acélok – C=0,3-0,5 % – Mn=1-1,5 % – alkalmazás: a Mn átmeneti hőmérsékletet csökkentő hatása miatt külső környezeti hőmérsékleten üzemelő szerkezetek anyagaként • Mn-ötvözésű szerszám acélok – C=0,8-0,9 % – Mn=1-1,5 % – alkalmazás: elhúzódás-mentes szerszámacélként, sorjázó szerszámok, idomszerek anyagaként • jó méret- és alaktartás a kis Ms-hőmérséklet miatt Anyagtudomány
26
13. előadás
Ni-acélok • A Ni mint ötvöző hatásai – a Mn-hoz hasonló hatások, de ugyanazon hatás eléréséhez kétszer annyi (Ni = 2xMn) Ni tartalom szükséges, mint a Mn-ból – hatását az acél szövetszerkezetére a Guillet-diagram mutatja (11.7. ábra) – jellemzően a fizikai tulajdonságok ötvözője • növeli a mágneses permeabilitást állandó mágnesek kedvelt ötvözője • a rugalmassági modulust és • a hőtágulási együtthatót tág intervallumban módosítja Anyagtudomány
27
13. előadás
Ni-tartalom (%)
Ni-acélok Guillet-diagramja 32 28 24 Mart .+ au 20 st. 16 Martenzit 12 Ma rt . + perl. 8 4 Perlit
Austenit
11.7. ábra
0,5 1,0 C-tartalom ( %) Anyagtudomány
28
1,5 1,65 13. előadás
Hőtágulási együttható,
A Ni ötvözés hatása a hőtágulási együtthatóra
20 15 10 5
Anyagtudomány
20 40 60 80 100 Ni-tartalom ( %) 29
11.8. ábra 13. előadás
Ni-acélok alkalmazási területei
• A hőtágulási tényezőre gyakorolt hatás hasznosítása – Ni=36 % : invar acél, legkisebb hőtágulási együttható • precíziós műszerek, idomszerek, óraingák – Ni=25 % : legnagyobb hőtágulási együttható: az invar acéllal párban bimetall készítésre – Ni=41 % : üveggel azonos hőtágulási együttható: izzószál bevezetésként üvegburákhoz • szerkezeti és szerszámacélként leggyakrabban Crötvözővel együtt alkalmazzák (ld. ott)
Anyagtudomány
30
13. előadás
Cr-acélok • A Cr mint ötvöző hatásai – a Cr az acélok egyik legszélesebb körben alkalmazott ötvözője: „a kémiai tulajdonságok ötvözője” – ferritképző ötvöző, – zárt -mezőt hoz létre (11.9. ábra), amelyet a Ctartalom növekedése tágít – jellegzetes szöveteleme a 42 % Cr-tartalomnál keletkező, ún. -fázis • rendezett rácsú szilárd oldat • a fémes vegyületekre jellemző rideg viselkedés jellemzi
Anyagtudomány
31
13. előadás
A Fe - Cr egyensúlyi diagram olv
Hőmérséklet ( oC)
1800
A
1400
1000
a + olv
C=0% C = 0,25 % C = 0,4 %
4
820 oC A
2
600
200 Fe
13
20
40
45
60
80
100
11.9. ábra
Cr-tartalom ( %) Anyagtudomány
32
13. előadás
A Cr, mint a kémiai tulajdonságok ötvözője • A sav- és korrózióálló acélok egész sorozatát képezi ezt az erőteljesen passzíváló hatású, védőoxidrétegnek köszönheti – ferrites korrózióálló Cr-acélok • KO1 … KO6 • Ekvivalensek: X8Cr13 – X10Cr17 – perlit-martensites korrózióálló Cr-acélok • KO11 … KO18 • Ekvivalensek: X20Cr13 – X105CrMo17 – austenites korrózióálló Cr-acélok • KO31 … KO41 • Ekvivalens: X12CrMnNi17-7-5 – X6CrNiTi18-10 Anyagtudomány
33
13. előadás
Ferrites korrózióálló Cr-acélok – jellemzői • C=0,05-0,11 %, Cr=12-18 % • nincs átalakulás nem edzhetők – alkalmazási terület • enyhébb savaknak ellenálló élelmiszeripari eszközök, berendezések
Anyagtudomány
34
13. előadás
Perlit-martensites korrózióálló Cr-acélok – jellemzői • C=0,2-0,8 %, • Cr=12-14 % • edzhetők, de rosszul hegeszthetők – alkalmazási terület • különféle korróziónak kitett gépalkatrészek • turbinalapátok • orvosi szikék, orvosi eszközök készítésére alkalmazzák
Anyagtudomány
35
13. előadás
Austenites korrózióálló Cr-Ni acélok • A korrózióálló Cr-acélok legnépszerűbb típusa az austenites Cr-Ni acél – jellemzői • C=0,05-0,11 %, Cr=18 %, Ni=8 % • a legjobb sav- és korrózióálló acélok, jól hegeszthetők (korrózióállóságát a passzíváló oxidréteg mellett alapvetően a homogén austenites szerkezetnek köszönheti) – fő alkalmazási terület • különféle vegyipari berendezések • saválló tartályok Anyagtudomány
36
13. előadás
A szemcsehatár korrózió az austenites Cr-Ni acélokban • Lassú hűtés során Cr23C6 karbid válik ki az austenit szemcsék határára • a korrózióállóság két okból is csökken – megbomlik a homogén austenites szerkezet – a szemcsehatárra kiváló Cr23C6 karbid elvonja a Crot a szemcsehatárok mentén a kisebb Cr-tartalmú részek korrózióállósága számottevően romlik ez a szemcsehatár fokozott korróziós hajlamában nyilvánul meg – kimutatása az ún. Strauss-oldatban való főzéssel Anyagtudomány
37
13. előadás
A szemcsehatár korrózió elkerülésének lehetőségei az austenites Cr-Ni acélokban
• A C<0,05 % feltétel teljesítésével – nem tud a szemcsehatárokon Cr23C6 karbid kiválni • Ti=5xC %, illetve Nb=10xC % ötvözéssel – TiC, illetve NbC formájában a C megkötése • az ún. austenites lehűtés alkalmazásával – a Cr23C6 karbid kiválásának megakadályozása
Anyagtudomány
38
13. előadás
Cr-acélok további alkalmazási területei • A Cr számos szerkezeti és szerszámacél fontos ötvözője, amelyet az alábbi tulajdonságainak köszönheti – nagy vegyrokonsága a C-hoz, N-hez és O-hez • oxidok, nitridek, karbidok képződése, • finomszemcsés acél biztosítása – a karbidok egész sorozatát képezi • nagy természetes keménység, • magas hőmérsékletig megmaradó kopásálló karbidok – az átedzhetőség növelése a kritikus hűtési sebesség csökkentésével Anyagtudomány
39
13. előadás
A Cr hatása a kritikus hűtési sebességre 11.2. táblázat
Króm tartalom
A martensites átalakulást jellemző idő
A kritikus hűtési sebesség vkrit, oC/s
Cr, %
tm, s
0,15
1,5
270
1
1,02
8,0
50
1/5
1,70
50,0
8
1/30
13,00
600,0
Anyagtudomány
0,67
40
viszonyszám
1/400
13. előadás
Cr-acélok további alkalmazási területei • Betétben edzhető és nemesíthető szerkezeti acélok – hőerőgépek nagy hőszilárdságú elemei – nagy hőterhelésnek kitett alkatrészek – különféle golyóscsapágy acélok (C=1 %, Cr=1,5 %) • nagy keménységű, kiváló kopásállóságú szerszámacélok – ledeburitos Cr-acél (C=2 %, Cr=12 %)
Anyagtudomány
41
13. előadás
A Cr-acélok hőállóságának rezisztencia lépcsői 1200
Hőállóság (oC)
1100 1000 900
11.10. ábra
800 700 3 6
Anyagtudomány
12
18
24 42
30
Cr, % 13. előadás
W-acélok • A W, mint ötvöző hatásai sok tekintetben a Cr hatásához hasonló – a -mezőt szűkíti és részben nyitott -mezőt hoz létre (11.11. ábra), – átalakulás csak W < 8 % esetén található: az ennél nagyobb W-tartalmú acélok ezért nem edzhetők – a C mennyiségének növelése tágítja a - mezőt, ezzel az edzhetőség határát is kitolja – a W növeli a megeresztés-állóságot és a hőszilárdságot – a C-nal nagy keménységű karbidok sorozatát alkotja ezért is a szerszámacélok egyik legfontosabb ötvözője – a gyorsacélok egyik legfontosabb ötvözője – klasszikus példa az R3-as gyorsacél (1-18-4-1) C = 1%, W = 18, Cr = 4%, V = 1% Anyagtudomány
43
13. előadás
A Fe-W kétalkotós egyensúlyi diagram T (oC) 1637oC 1600
1538oC
1548oC Fe7W6)
B 1400
o
1215oC
1190 C
1200
H
1060oC
1000
770oC - Curie hőmérséklet
600 K
400 0
10
Fe
Anyagtudomány
20
30
FeW)
Fe2W)
800
11.11. ábra
40
50
60
W-tartalom ( %)
44
70
80
90
100 W
13. előadás
A gyorsacélok kiválásos keményítő hőkezelése T, oC T edzés
• Nagy hőmérsékletű, T= 1250 - 1290 oC-ról elvégzett edzésből és
Gyors hűtés
• egy nagy hőmérsékletű, T= 550 oC-on elvégzett megeresztésből (kiválásos kikeményítésből) áll
T megeresztés
lg t, s
Anyagtudomány
45
13. előadás
Az edzés paraméterei és jellemzői – a rossz hővezető-képesség miatt az edzési hőmérsékletre több (rendszerint három) lépcsőben végzett felhevítés – az edzési hőmérsékleten néhány perces hőntartás is elegendő • a nagy hőmérséklet miatt gyors austenitesedés • az austenit szemcsedurvulását az ekkor is jelenlévő primer karbidok (k1-karbidok) megakadályozzák – az erősen jobbra tolódott átalakulási diagram miatt olaj, esetleg a levegőn való hűtés is megfelel a nagy keménységű martensites szövet eléréséhez Anyagtudomány
46
13. előadás
A megeresztés paraméterei és jellemzői • Az edzést nagy hőmérsékletű (T 550 oC) megeresztés követi • a megeresztés jellegzetessége az ún. másodlagos kikeményedés – a nagy keménységű ötvözött karbidok (k2-karbidok) kiválásának tulajdonítható – helyesen megválasztott edzési és megeresztési paraméterek esetén az elért keménység-növeke-dés az edzési keménységet is meghaladja – az ötvözött karbidok minél teljesebb kiválása érdekében rendszerint 2-3 szoros 0,5-1 órás megeresztés biztosítja Anyagtudomány
47
13. előadás
Gyorsacélok megeresztési diagramja HV
HRC
1000
68,5
1230°
1290°
66,0 800
63,0 58,8
1000° 600
53,7
900°
48,1 400
40,5 29,7
200 0
200 400 600 Megeresztési hőmérséklet (°C)
Anyagtudomány
48
15,0 800
11.12. ábra
13. előadás
Egyéb acélötvözők jellemzői Az acélok további fontos ötvözői Molibdén Vanádium Titán Nióbium Bór Szilícium Alumínium Anyagtudomány
49
13. előadás
Molibdén • A Mo-nek vassal képezett ötvözetei a W-acélokéhoz teljesen hasonló állapotábra szerint kristályosodnak. • A Mo is megoszlik az -vasban és a Mo-karbidokban, valamint kettős karbidokban. • Hatása a megeresztés állóság, és • a hőszilárdság fokozása. Ezért hőszilárd acélok 14-15 % Cr mellett 0,5 % Mo-t is tartalmaznak. • A Mo-t önmagában acélötvözésre nem használják, hanem csak járulékos ötvözőként – a CrNi acélokba a megeresztés állóság növelésére, – a 18/8 austenites CrNi acélokba a kénsavval és klórmésszel szemben való ellenállás fokozására, valamint – a gyorsacélokba a megeresztés-állóság fokozására. Anyagtudomány
50
13. előadás
Vanádium • A Fe-V egyensúlyi diagramja teljesen hasonló az Fe-Cr-éhoz, tehát a V is bezárja a -mezõt • A vassal FeV fémes vegyületet, a karbonnal V4C3 karbidot képez. • Metallográfiai hatásai: – szemcsefinomítás, – erős dezoxidálás és nitrid képzés. Mindezeket az ötvözött acélok járulékos ötvözőjeként fejti ki. • Erős oxigén- és nitrogén-affinitásánál fogva a nemesacélkohászatban alkalmazzák, mint megnyugtató és mikroötvöző szert. • Nitridképző hatása a nitrálható acélok ötvöző anyagává teszi. • Főleg szerszámacélok járulékos ötvözője, mert jól dezoxidált tömör, finomszemcsés és így szívós acélt lehet vele előállítani. Anyagtudomány
51
13. előadás
Titán és a Nióbium • A Ti-nak igen nagy az affinitása az O-hez és N-hez, tehát ez a legerõsebb dezoxidáló és denitráló acélötvözõ. • Oxidja könnyen salakba megy és így a ferrotitánnal megnyugtatott acél salakmentes. • Nagy nitrogén-affinitása miatt alkalmazzák szerkezeti acélok mikroötvözésére a szilárdság növelése céljából. • Affinitása a karbonhoz jóval nagyobb, mint a Cr-é. • Ezt használják ki a 18/8 CrNi austenites saválló acélok hegesztés és hõhatás után bekövetkezõ szemcsehatár-korróziójának elhárítására. – az austenites CrNi acélok C-tartalmát Ti-karbid alakjában lekötve megakadályozza a Cr-karbidok kiválását az austenitszemcsék határára és így az austenitszemcse határának Cr-ban való elszegényedését. – A szemcsehatár-korrózió elhárítására • Ti = 5 x C % • Nb = 10 x C
Anyagtudomány
52
13. előadás
A bór • A bór a legújabb időkben előtérbe került acélötvöző, • különlegessége, hogy belőle az összes ötvöző anyag közül a legkisebb mennyiség adagolása is erőteljesen növeli az átedzhetőséget és ezzel a nemesíthetőséget. – Már 0,0005 % bór is hat, a 0,0025 % pedig szokásos ötvöző anyag tartalom. – A nagy keresztmetszetű acélok ötvözésére bevált – hátránya • a bórral való ötvözés gyakran a mechanikai tulajdonságok "megmagyarázhatatlan" szórását okozza, • hatása a C-tartalommal csökken. Anyagtudomány
53
13. előadás
Szilícium • Affinitása az oxigénhez nagyobb, mint a vasé, az acélok csillapításának legfontosabb eszköze. • A Si az Fe-Si egyensúlyi diagramban a -mezõt erõsen szûkíti, mintegy 2 % Si-nál zárja, de már 0,3 % C-tartalom 8 % Si-ig tágítja. • 8-15 % Si-tartalomig az ún. szilíciumos ferritmezõ terjed. 15 %-on felül már megjelenik az Fe3Si2 vegyület, amely nagyon rideg, de savhatással szemben nagy ellenállást fejt ki. • A Si-ot 1-3 % között szerkezeti acélok ötvözésére használják. • Egyik leggyakoribb felhasználási területe a rugóacélgyártás. • 3,6-4,4 % a transzformátor lemezek szokásos Si-tartalma, amely a watt-veszteséget csökkenti. • 15 % Si-tartalom felett keletkező Fe3Si2 a forró kénsavnak és salétromsavnak is ellenáll salétromsav és kénsav besűrítők gyártására 15-18 % Si-tartalommal
Anyagtudomány
54
13. előadás
Si ötvöző alkalmazása • A Si-nak a Mn-nal ellentétes hatása az öntöttvasaknál, hogy a grafitkiválást elősegíti, ezért a grafitos szürkevas fontos ötvözője. • Ez a tulajdonsága a szerkezeti acélokban az A1 hőmérséklet körüli izzításnál bekövetkező grafitkiválás miatt a "fekete törés" veszedelmét okozza, – ezért a szilíciumos szerkezeti acélok igen gondos és óvatos hőkezelést igényelnek. – Izzításukat a szükséges hőmérsékletköz alsó határán, a szükséges legrövidebb ideig kell végezni. Anyagtudomány
55
13. előadás
Alumínium • Az Al az -vasban 15 %-ig oldódik, a -mezõt szûkíti. • Az acélgyártásnál az O-hez és N-hez való nagy affinitását használják fel (dezoxidálás) – A keletkezett alumíniumoxid apró, idegen csírák gyanánt hat és finomszemcséssé teszi az acélt. • A N-hez való affinitása, alumínium-nitrid (AlN) fémes vegyület képződéséhez vezet – leköti a szabad nitrogént és a lágyacél öregedését, elridegedését megszünteti. – Ezen hatásait a korszerű acélgyártásban mikroötvözőként is hasznosítják. • Az Al-ot alkalmazzák az acél felületi keményítésére is: 1-1,5 % Al-ot ötvözve N bediffundáltatásával (nitrálás) igen kemény AlN réteget létesítenek a nitrálható acélból készült alkatrész kopásnak kitett felületén. • 1-3% Al a hőálló Cr-acélokhoz ötvözve növeli azok hőállóságát. 8-15% Almal ötvözik az igen erős Al-Ni és Al-Ni-Co állandó mágneseket. Anyagtudomány
56
13. előadás
Az acélok szennyezői • Az acélok szennyező anyagai közé számítjuk azokat a nem kívánatos elemeket, amelyek a gyártási folyamat (nyersvasgyártás, acélgyártás, további feldolgozás) során akaratunk ellenére kerülnek az acélba. • Ilyen szennyező anyagnak számíthatjuk – a nitrogén – az oxigén – a hidrogén – a foszfor és – a kén elemeket.
Anyagtudomány
57
13. előadás
Nitrogén az acélban • A nitrogénnek az acélgyártás során az acélba kerülő mennyisége általában csekély – az eljárások szerint 0,001-0,03 % között változhat. – Ötvözés útján az acélba vihető mennyisége 0,2-0,3 %. • A nitrogént a nitridálás néven ismert felületötvöző eljárás során szándékosan ötvözzük az acélba ezáltal – kiváló felületi jellemzőkkel (nagy keménységgel, jó kopásállósággal és kedvező csúszási tulajdonságokkal rendelkező felületi réteget tudunk előállítani.) • A N tehát lehet káros szennyező anyag, de lehet hasznos ötvözőelem is. Anyagtudomány
58
13. előadás
A N mint káros szennyezőanyag • A N káros hatása abban jelentkezik, hogy az O-nel együttesen az acél ún. öregedését és lúgos (vagy szódás) elridegedését okozza. • Öregedés: a ferrites lágyacél elridegedése – az acél alsó és felső folyáshatár-különbségének növekedése, valamint – az acél nyúlásának csökkenése jelzi. • A lágyacélok öregedésének oka: – a szabadon mozgó N-atomok a rendszer energiatartalmának csökkentésére a diszlokációs helyeken gyűlnek össze, mintegy reteszelik azokat és a képlékeny alakításhoz szükséges mozgásukat gátolják. – A 0,004 % N-nél nagyobb N-tartalmú acél öregedésre hajlamos.
Anyagtudomány
59
13. előadás
Az öregedés kimutatása • A lágyacél öregedési hajlamát ún. mesterséges öregítő próbával ellenőrzik. Ennek lényege: – 10 %-os mértékű képlékeny hidegalakítás után a lágyacél próbadarabot egy óráig 250 °C-on főzik. Az alakítást a diszlokációk számának növelése, a hevítést a diffúziós folyamat gyorsítása miatt alkalmazzák. – Az ilyen mesterségesen öregített állapotban végzett fajlagos ütőmunka vizsgálat eredménye az eredeti állapotban kapott fajlagos ütőmunkához képest az acél öregedési hajlamával arányos csökkenést mutat.
Anyagtudomány
60
13. előadás
A lúgos elridegedés • A lúgos elridegedés a szemcsehatár-maródásnak (korróziónak) egy vállfaja, az öregedésre hajlamos, N-nel és O-nel szennyezett acéloknál, főleg kazánlemezeknél jelentkezik. • Az ilyen lágyacélok húzófeszültségi állapotban meleg lúgok, vagy sóoldatok maró hatásának kitéve, törékenyekké válnak és a feszültségek hatására a szemcsehatárok mentén tovaterjedő, sokszor az egész keresztmetszeten átmenő repedést szenvednek. • lIyen jelenségek a kémiai iparban használt lúgbesűrítő kazánoknál és a szódával lágyított tápvízzel táplált gőzkazánoknál fordulnak elő. Anyagtudomány
61
13. előadás
Az öregedés és a lúgos elridegedés elhárítása • Mindkét káros jelenség, az öregedésre és a szódás elridegedésre való hajlam elhárítására az acélgyártás során főleg Al-mal való kezelést, ún. megnyugtatást alkalmaznak. – A folyékony acélba Al-ot adagolnak a tuskóvá való kiöntés elõtt. – Az Al-nak egyaránt igen nagy a vegyrokonsága az Ohez és a N-hez, így azokat állandó vegyületek, Al2O3 és AlN alakjában leköti, – ezzel megszünteti a lágyacél öregedési és szódás elridegedési hajlamát egyaránt. Ezért tartják a szódás elridegedés okának ugyanazt, mint az öregedésének. Anyagtudomány
62
13. előadás
A Nitrogén mint hasznos ötvözőelem • A N mint hasznos ötvözőelem több területen is szerepel: – korszerű felületötvöző eljárásnál, a nitridálásnál, mint természetes keménységet adó diffúziós ötvözőelem, – mint a -mezőt tágító ötvözőelem, amely minőségében 0,2 % N 2-4% nikkelt helyettesíthet az austenites CrNi acélokban. – Normalizált szerkezeti acélokban elsősorban Vmal Nb-mal stabil nitrideket képez: • így, mint mikroötvöző egyrészt növeli az acél szilárdságát, másrészt megakadályozza a szemcsedurvulást. Anyagtudomány
63
13. előadás
Oxigén az acélban • Az oxigén az acélban kétféle alakban fordul elő – oldott állapotban a ferritben és – kötött állapotban, mint oxid-záródmány. • Előbbi alakjában a N-nel együtt hozzájárul az acél öregedésének és lúgos elridegedésének előidézéséhez. • Az oxid-záródmányok nem kívánatos tisztátlanságok, amelyek főleg akkor okoznak bajt, ha olvadáspontjuk kis hőmérsékletű és lesüllyed a kovácsolás hőmérsékletére. – Az ilyen kis hőmérsékleten olvadó oxid-záródmányok kovácsolás közben fellépő vöröstörést okozhatnak éppúgy, mint a Fe-FeS eutektikum. • Károsak a nagy hőmérsékleten olvadó oxid-záródmányok is, – soros, vagy szálas szerkezetet okoznak – a szálas szerkezetű hengerelt acél szilárdsági, és főleg nyúlási tulajdonságai keresztirányban kisebbek, mint hosszirányban. Anyagtudomány
64
13. előadás
Hidrogén az acélban • A H az acélban nemcsak oldott, hanem elnyelt gáz állapotban (H2) is jelen van és minden körülmények között káros szennyezőnek számít. • Az acél H2 elnyelő képessége a hőmérséklettel csökken és így dermedés közben a korábban elnyelt H2 nagy részét, kb. felét kilöki. • A megszilárdult acélból a még benne rekedt H2 gáz kiszabadulni igyekszik. • Távozását 200 °C-ra való hevítéssel lehet elősegíteni. • Az elnyelt H2 az acélt ridegíti, nyúlását erősen csökkenti. • H2-t vehet fel az acél az újrakristályosító izzítás után alkalmazott, a revét eltávolító pácolás, savmaratás közben is. – Következménye: a pácridegség – elkerülése: – néhány napos pihentetés, vagy – 200 °C-on ki kell főzni Anyagtudomány
65
13. előadás
A Hidrogén további kedvezőtlen hatásai • Jól ismert veszedelmes betegsége sok acélnak, elsősorban a krómnikkel- és króm-acéloknak az ún. pelyhesség, vagy fénylő foltosság, – a helyenként összegyűlő és a nagy feszültség alatt távozni igyekvő, de bezárt H2 repesztő hatása folytán keletkezik – a törésfelületen kerek, fényes foltok alakjában jelentkezik • A H-nek káros hatása még az acélra az erős C-elvonó hatása • A hidrogénnek jelentős szerepe van az acélok hegesztésénél is: – a hidrogén növeli a varratok szomszédságában keletkező repedések veszélyét. A varratba kerülő hidrogéntartalom a hegesztő elektródák lényeges jellemzője.
Anyagtudomány
66
13. előadás
Foszfor az acélban • A foszfor általában szennyező anyagnak számít, mert – az ütőmunkát, tehát a szívósságot már 0,1%-nál kisebb mennyiségben is nagyon rontja. – Szerkezeti acélokban megtűrt felső határát 0,05 %ban adják meg. • Alkalmazzák az ún. automataacélokban a forgács törékennyé tételére. • Az öntöttvasat hígfolyóssá teszi, azért a vékony falú, tagozott öntvények adagjaiba ötvözőként is adják
Anyagtudomány
67
13. előadás
Kén az acélban • A kén az acélban az ún. "vöröstörés" és "melegtörés" veszedelmét okozza. – A vöröstörés a nagy (néha már a 0,03 %-nál nagyobb) Startalmú acél kovácsolása, vagy hengerlése közben fellép, tehát 900-1000 °C hőközben jelentkezik. – Oka az, hogy a Fe-FeS eutektikuma 985 °C-on megolvad, sõt olvadáspontja vas-oxidul jelenlétében még mélyebbre tolódik. A vas-szulfid, valamint a nikkel-szulfid, mint a legkésőbben, a szemcsehatáron dermedő anyag hálós elrendezésű és így kovácsolásnál könnyen repedést okoz. • A melegtörés 1200 °C körüli hőmérsékleten következhet be a hálós vas-szulfidnak az acélhoz képest alacsonyabb hőmérsékleten való dermedése miatt. Anyagtudomány
68
13. előadás
A vöröstörés , illetve a melegtörékenység csökkentése • Mindkét törési veszedelem elkerülhető az olvadt acélnak Mn-nal való kezelésével. • A Mn-nak a S-hoz való vegyrokonsága nagyobb lévén, ekkor inkább MnS (mangánszulfid) keletkezik, amelynek olvadáspontja (1620 °C) nagyobb a vasénál. • Ezen kívül nem hálósan, hanem pontszerű zárványok alakjában helyezkedik el az acélban és így nem okoz repedést. • Hasznos ötvözője a S az automata-acéloknak, amelyekben 0,15-0,30 %-ban ötvözve, a forgácsot törékennyé teszi és így a lágyacélnak automatákon való megmunkálását javítja. Az ilyen acél nem kenődik el a forgácsoláskor. Anyagtudomány
69
13. előadás
