Základy hutnické výroby oceli 1. Surové železo se vyrábí redukcí železných rud ve vysoké peci, která pracuje nepřetržitě několik let Suroviny: železné rudy: magnetit (magnetovec), hematit (krevel), limonit (hnědel), siderit (ocelek); palivo: metalurgický koks; struskotvorné látky: vápenec, dolomitický vápenec; vzduch: pro spalování paliva Složení: 3 až 4% C, 0,5 až 2% Si, cca 1% Mn, 0,1% P a pod 0,05% S vysoká pec 00-str.3
VÝROBA SUROVÉHO ŽELEZA VE VYSOKÉ PECI V pásmu nižších teplot se železné rudy redukují oxidem uhelnatým nepřímou redukcí (je hospodárnější a její podíl na výrobě je 90 až 95%) 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 FeO + CO = Fe + CO2 (CO2 se ihned redukuje uhlíkem na CO, který znova redukuje rudu)
V omezené míře přímou redukcí uhlíkem (stoupá spotřeba koksu) FeO + C = Fe + CO CO2 a C v koksu jsou základní redukční látky ve vysoké peci (viz poznámka)
3
2. zkujňování: cíl procesu: odstranit ze surového železa a ocelového odpadu nežádoucí příměsové prvky (C, Mn, Si, P, S) v takové míře, aby vyrobená ocel měla požadované mechanické a technické vlastnosti. Odstranění prvků ze vsázky se děje jejich oxidací. Oxidačním činidlem je FeO - oxid železnatý (přidává se ve formě rudy do vsázky, nebo vzniká oxidací vsázky během tavení). Produkty oxidace jsou buď plynné (CO), nebo jako oxidy přecházejí do strusky a se struskou jsou odstraněny. FeO oxiduje nežádoucí součásti vsázky: - uhlík na CO, křemík na SiO2, mangan na MnO, fosfor na P205, síru na CaS desoxidace se uskutečňuje přidáním FeMn, FeSi a Al do lázně. Na konci každé tavby zůstává v oceli kyslík vázaný na železo jako oxid železnatý. Pokud nesnížíme desoxidací jeho obsah dostatečně hluboko, proběhne při poklesu teploty reakce: FeO + C = Fe + CO → uhlíkový var Oxid uhelnatý (CO) v tuhnoucí tavenině probublává v počátku tuhnutí do atmosféry. Po ztuhnutí zůstává uzavřen v oceli a tvoři bubliny. Podle toho, jak hluboko je snížen v oceli obsah FeO, rozdělujeme tvářené oceli na uklidněné oceli - přísadou desoxidačního prvku (Mn, Si, Al) se zamezí reakci rozpuštěného kyslíku s uhlíkem neuklidněné oceli - vyrábí se bez desoxidace nebo jen s velmi omezenou desoxidací polouklidněné - vzniknou přerušením varu před ukončením reakce uhlíku s kyslíkem (mechanicky zvýšením tlaku, nebo chemicky přísadou silnějších dezoxidačních prvků, popř. oběma těmito postupy) 3. Do kyslík. konvertoru se nalévá surové železo o teplotě ~ 1300°C. Zkujňování vsázky se provádí čistým kyslíkem (99,5%), který se dmýchá tryskou kolmo na lázeň pod tlakem 0,9 až 1,2 MPa. Spotřeba kyslíku je asi 40 až 60 m3.t-1 oceli. Velikost konvertorů dosahuje až 400 t. Doba tavby je cca 30 až 40 min. Lze v něm vyrábět všechny druhy ocelí včetně nástrojových a některých legovaných. Hlavními metalurgickými úkony konvertoru jsou: snížení obsahů C, P a ohřev vsázky na požadovanou teplotu cca 1600°C. Zdrojem tepla je oxidace C, P, Si a Ca. Obloukové pece pracují s třífázovým střídavým proudem. Mezi elektrodami a vsázkou vzniká elektrický oblouk, jehož délka je automaticky upravována. Převážně jsou vyzděny zásaditě (magnezit, dolomit). Vsázkou je obvykle ocelový odpad a vratný materiál (nálitky, vtoky apod.). Obsah vsázky dosahuje až 300 t. Hlavní metalurgické pochody: první je oxidační perioda kdy se odstraní největší část nežádoucích doprovodných prvků a sníží se obsah vodíku, následuje redukční perioda (desoxidace), při níž se odstraňuje největší část kyslíku rozpuštěného v lázni, snižuje se obsah síry a upravuje se chemické složení V indukčních pecích se taví vsázka indukčním účinkem střídavého proudu o frekvencích 0,5 až cca 800 kHz (rozlišujeme nízko-,středo- a vysokofrekvenční pece). Vsázka musí být čistá, bez nežádoucích příměsí. V pecích lze tavit pouze kov a ne strusku. Struska se taví pouze ve styku s kovem a nemá potřebné rafinační účinky V pecích se přetavují kovy bez rafinace. Vsázka musí být připravena tak, aby svým složením odpovídala požadovanému složení oceli. 4. Plynulé odlévání oceli je moderní a progresivní technologie výroby oceli. V současné době je používáno pro výrobu více než 750 miliónů tun oceli a 20 miliónu tun hliníku a mnoha tun jiných slitin každý rok v celém světě. Produktem je předlitek jako polotovar k dalšímu zpracování. Plynulé odlévání přineslo zvýšení kvality, produktivity a celkové efektivnosti a stalo se hlavní technologií výroby oceli. 00-str.18 a dál
-1-
TYPICKÉ USPOŘÁDÁNÍ ZPO PRO LITÍ SOCHORŮ
SCHÉMA ZAŘÍZENÍ PLYNULÉHO ODLÉVÁNÍ (ZPO)
Výběhová část osmiproudého radiálního sochorového ZPO
Ocel proudí z pánve (1) do mezipánve (2) a vodou chlazené měděné formy (krystalizátoru) (3). Tuhnutí začíná ve formě a kontinuálně pokračuje v primární zóně sekundárního chlazení (4) a prochází tažnými válci (5). V některch konfiguracích následuje rovnací prvek (6), dále následuje odpojení zaváděcí zátky (7), dělící zařízeni (8), dopravní zařízení (9), příčný dopravník (10), značkovací zařízení (11), doprava polotovaru horkou cestou pro konečné válcování nebo do skladu (12)
Pánev - odlévací pánev s otočným nebo pevným stojanem; mezipánev mezipánev s mezipánvovým vozem; krystalizátor - krystalizátor s oscilací a primárním okruhem chlazení; sekundární chlazení - oblast zahrnující vodní chlazení a vodo-vzdušné chlazení 18
20
Chemické složení slitin železa
2 – Chemické složení slitin železa
1. slitina Fe a C, která obsahuje max. 2% C, hmotnostní podíl Fe je větší, jak kteréhokoliv jiného prvku, slitina obsahuje i jiné prvky (prvky 01str.3) -> 2. kritérium – chemické složení : nelegované (Zvané také uhlíkové oceli. Obsah legujících prvků je nižší než 2,11%. Zpravidla nejsou tepelně zpracovány.) legované (pomocí tepel. Zpracování se u nich dosahuje potřebných mechanických, fyzikálních a chemických vlastností)
Prvky ve slitinách Fe + C Prvky doprovodné ze surovin používaných k výrobe (precházejí do ocelí i litin v ruzných fázích jejich výroby)
prospešné
škodlivé (necistoty)
Mn, Si, Al
P, S, H, O, N
Prvky prísadové (legury)
Cr, Mn, Ni, Si, Mo, W, V, Nb, Ti, Al, … 3. Doprovodné prvky prospěšné – Mn přítomen v ocelích jako dezox. a jsou zámerne pridávány do slitin Fe + C odsiřovací přísada (0.1 až 0.8%); zvyšuje pevnost a houževnatost feritu; zvyšuje stabilitu cementitu; zvyšuje prokalitelnost; zvětšuje hysterezi při transformaci; spolu s fosforem podporuje vývin popouštěcí křehkosti Si dezoxidační přísada (do 0.5%); substitučně zpevňuje oce; zpomaluje fázové přeměny v tuhém stavu; zhoršuje tvárnost za studena, NE u hlubokotažných ocelí; omezuje oblast vývinu nízkoteplotní popouštěcí křehkosti; podporuje růst zrna; podporuje grafitizaci – litin Al silná dezoxidační a denitrifikační přísada (do 0.05%); omezení růstu zrna, dědičně jemnozrnné oceli; silně feritotvorný, zvyšuje aktivitu uhlíku v oceli a podporuje grafitizaci; nevhodný u žárupevných ocelí (váže dusík); žáruvzdorné a speciální žárupevné oceli (sedla ventilů) 3
4. viz. kata 5.škodlivé: P, S, H, O, N 6. viz kata 7. 01- str. 11,12 2 – Chemické složení slitin železa
Vliv prvků na typ tuhých roztoků ve slitinách Fe - C
2 – Chemické složení slitin železa
Vliv prvků na podmínky eutektoidní přeměny ve slitinách Fe - C Prvky austenitotvorné a) snižují teplotu eutektoidní přeměny b) ovlivňují koncentraci uhlíku v eutektoidním bodě
Prvky austenitotvorné a) otevírají oblast austenitu Ni, Mn, Co b) pouze rozšiřují oblast austenitu C, N, Zn
Prvky feritotvorné a) zvyšují teplotu eutektoidní přeměny b) ovlivňují koncentraci uhlíku v eutektoidním bodě
Prvky feritotvorné a) uzavírají oblast austenitu Cr, Si, Al, W, Mo, V, Ti b) pouze zužují oblast austenitu Ta, Zr, B, S, Ca, O
11
-2-
12
8. 01 – str. 13 2 – Chemické složení slitin železa
Vliv prvků na vlastnosti slitin Fe - C - mechanické vlastnosti (Mn, Si, Ni, Mo,V, W, Cr) Např. tvrdost a pevnost feritu
-
procesy tepelného zpracování (Cr, Ni, Mn, Mo, V, Si) fyzikální vlastnosti – elektrické a magnetické (Si) odolnost proti opotřebení V, Cr, W, Mo růst zrna za vyšších provozních teplot (Al, Nb, V, Ti) žáropevnost (Cr, Mo, W, V) korozivzdornost (Cr, Ni, Mo, Si, Cu) žáruvzdornost (Cr, Si, Al) 13
Fázové přeměny při tepelném zpracování A 1. TZ=technologický proces=ohřev, prodleva na teplotě, chladnutí. Cílem je změna struktury (=změna vlastností) TZ bez překrystalizace – buď nepolymorfní základní komponenta, nebo teplota ohřevu pod nejnižší překrystalizační teplotou nebo TZ s překrystalizací – polymorfní základní komponenta a teplota ohřevu alespoň nad nejnižší překrystalizační teplotou. Důvody: 02 – str.6 ->
Cetné možnosti TZ slitin Fe - C Duvody : • Fe - polymorfní kov (αFe, γFe, δFe) • Tuhé roztoky v modifikacích αFe – ferit, γFe - austenit – C,N aj. intersticiálne – Mn,Si aj. substitucne • Rozdílná rozpustnost prísad ve feritu a v austenitu
2. ???
• Rozdílná difuzivita prísad ve feritu a v austenitu • Existence soustavy železo-cementit a železo-grafit
3. 1.fázová přeměna je kdy vzniká přesycený tuhý roztok. A to buď rychlým ochlazením u slitin, jejichž koncentrace leží v Vznik a precipitacní rozpad rozmezí křivky poklesu rozpustnosti – např. alfa roztok v presycených tuhých roztoku I duralu, ferit a austenit ve slitinách Fe-C nebo bezdifuzní přeměnou tuhého roztoku s vyšší rozpustností přísady na tuhý Presycený roztok vzniká: roztok s nižší rozpustností přísady – např. přeměna austenitu • bud rychlým ochlazením u slitin, na přesycený ferit, tj. martenzit (kolik C bylo v A tolik zůstane jejichž koncentrace leží v rozmezí v F a do F se vejde míň a tak ho tam je víc než je rovnováha) krivky poklesu rozpustnosti – napr. Přesycený tuhý roztok je nerovnovážný, rozpad ho přesouvá alfa roztok v duralu, ferit a austenit směrem k rovnováze, rovnováha nastane když Gibs.energie je ve slitinách Fe-C minimální a max. entropie (02- str. 7 obrázky) -> • nebo bezdifuzní premenou tuhého 2.fází je přeměna precipitačního roztoku, což je difuze atomů přísadového prvku mřížkou přesyceného tuhého roztoku, hromadění atomů přísad ve vhodných místech (např. v okolí poruch mřížky) a vznik drobných částic příslušné intermediální fáze (tj. vznik precipitátů)
6
roztoku s vyšší rozpustností prísady na tuhý roztok s nižší rozpustností prísady – napr. premena austenitu na presycený ferit (tj. martenzit) 7
4. polymorfní ocel = F ve smíšené struktuře Po rychlém ochlazení ferit přesycen C a N (vliv křivky poklesu rozpustnosti C v alfaFe) - přesycení tím větší, čím větší je obsah C a N a čím vyšší je rychlost ochlazování – atomy C a N umístěny náhodně → není výrazná Re. Stárnutí = rozpad přesyceného tuhého roztoku. Podstatou je vylučování precipitátů (tvrdé malé částice, tvoří se rozpadem, jsou bohaté na C,N) Tyto prvky jsou koncentrovány do míst dislokací, vytváří se tzv. Cottrelovy atmosféry (=zakotvení dislokací) Stárnutí F je nepříznivý jev, zvláště u ocelí do 0,2% C. Typy stárnutí po zakalení(=po Rychlém ochlazeni); deformační stárnutí 5. Nepolymorfní oceli - vysokolegované oceli -legur (např. Cr při 13%, Ni při 10%), struktura je tvořena buď jen feritem nebo jen austenitem, z nichž precipitují karbidy a nitridy. Rozpad vzniká při ochlazení. Negativní dopad: tvorba karbidů a nitridů v matrici → zvýšení křehkosti; odčerpání legur z matrice → snížení zvláštních vlastností, např. korozivzdornosti → mezikrystalová koroze. Pozitivní dopad: vytvrditelné austenitické oceli – Ni, Cr; W, Mo, V, Ti, B, Al – rozpouštěcí žíhání a stárnutí → výrazné zpevnění. Bezdifuzní přeměna austenitu na přesycený ferit = martenzit. Důvodem přesycení feritu je zde větší rozpustnost C a N v austenitu než ve feritu. Přeměna bez difuze → všechen C a N, který byl rozpuštěn v austenitu, zůstane uzavřen ve feritu.
-3-
6. Austenitizace - u ocelí proces přeměny výchozí feritocementitické struktury (která existuje za pokojové teploty) na austenit (při zvýšení teploty nad A1 = částečná austenitizace=nadeutektoidní, nebo nad A3 příp. Acm = úplná austenitizace=podeut.). Cílem je získat homogenní austenit.matrici, jedná se o přeměnu s překrystalizací. Tvorba A: za rovnovážných podmínek – přeměna perlitu na austenit při teplotě A1, dále přeměna feritu na austenit mezi A1 a A3, příp. rozpouštění sekundárního cementitu v austenitu mezi A1 a Acm. V reálných (nerovnovážných) podmínkách je nutné přehřátí nad uvedené teploty Charakter difuzní přeměna: difuze atomů C; heterogenní nukleace zárodků A v perlitickém feritu (hlavně na rozhraní kolonií P nebo na mezifázovém rozhraní F/Cem); růst zárodků až do vzniku 100% A. Rovnice viz.protokol 3SV-4 Eutektoidní ocel Podeutektoidní ocel Premeny prechlazeného austenitu VII Nadeutektoidní ocel • „Kinetika“ martenzitické premeny (závislost na teplote premeny, ne na case): 7. Homogenizace austenitu - proces závislý na teplotě a na čase; také na výchozí struktuře: austenitizační diagram (izotermický a anizotermický); austenit + zbytky perlitického cementitu; chemicky nehomogenní austenit – místní rozdíly v obsahu uhlíku a ostatních prvků; homogenní austenit – po difuzních přesunech atomů přísad, určující je difuzivita substitučních prvků. Kinetika 02-str.25 Rovnice viz.protokol 3SV-4 ->
Vetšinou atermický charakter premeny – dané teplote v intervalu Ms a Mf odpovídá urcitý podíl martenzitu, který vznikne prakticky okamžite (vysoká rychlost rustu útvaru martenzitu rychlost šírení zvuku v oceli) Premena muže pokracovat je po dalším snížení teploty, až na teplotu Mf Martenzitická krivka ocelí = podíl martenzitu v závislosti na teplote premeny
8. Austenit. zrno: licí (dendrity) – po ukončené krystalizaci; Zbytkový austenit velikost menší při nižší licí teplotě a vyšší rychlosti ochlazování • Vliv prísadových prvku na martenzitickou primární – po granulaci dendritů (tvorba polyedrických zrn) při premenu dalším ochlazování; zjemnění přísadou Mo,Ti,Zr,Nb,Ta sekundární – vytvoří se po druhém až x-tém ohřevu nad Austenitizace V teploty A1,A3 nebo Acm. Ohřev probíhá a nižší teploty, je zrno menší než primární a dál už nerostou; původní - po • Rust zrna pri austenitizaci: poslední překrystalizaci z časové řady po prekrocení prekrystalizacní Při austenitizaci – velikost sekundárních zrn podle výchozí teploty – drobné zrno struktury, teploty a doby austenitizace – chceme pri dalším zvyšování teploty – rust jemnozrnný a homogenní austenit. zrna (srustání nebo posuv hranic) Růst zrna 02-str.17 a 3SV-4 ocel dedicne hrubozrnná – 9. Probíhají pod teplotou A1(přechlazení). Dílčí procesy: (1)alotropická přeměna mřížky gamaFe(fcc) na mřížku alfaFe(bcc) – proběhne vždy, bez ohledu na rychlost ochlazování a teplotu přeměny → změna rozpustnosti uhlíku, tvorba cementitu (2)difuze přísadových prvků (substitučních obtížněji, intersticiálních snadněji) – silná závislost na teplotě přeměny 10. proeutektoidní – tvorba F mezi teplotami A3 a A1, cementitu mezi teplotami Acm a A1 – difuze všech prvků + 02str.21 -> 11. perlitická – malé přechlazení pod A1, difuze všech prvků + 02-str.22
Premeny prechlazeného austenitu IV
25
proto
dezoxidovaná feromanganem a ferosiliciem ocel dedicne jemnozrnná – dezoxidovaná hliníkem, titanem, zirkonem 17
Premeny prechlazeného austenitu III Proeutektoidní premeny • Proeutektoidní fáze (p.f.) – ferit, cementit II • Heterogenní tvorba zárodku p.f. (prednostne na hranicích zrn austenitu) a jejich rust • Malé prechlazení – vznik sítoví p.f. – neškodné u F, krehkost u cem • Vetší prechlazení – vznik p.f. ve tvaru Widmannstättenovy struktury – krehkost u F i u cem • Nízkouhlíkové oceli – vznik rovnoosých zrn feritu Po ukoncení proeutektoidní premeny je ve zbývajícím austenitu eutektoidní obsah uhlíku a muže probehnout premena austenitu na perlit
Perlitická premena: • Perlit = lamelární smes feritu a cementitu • Heterogenní nukleace na hranicích austenitických zrn; zárodek feritu napr. v bode J, zárodek cementitu napr. v bode K • Rust kolonie perlitu – strídavá tvorba cementitu a feritu • Mezilamelární vzdálenost = tloušt ka dvojice lamel (F+cem) – zmenšuje se s klesající teplotou premeny – rostou pevnostní vlastnosti, klesají deformacní charakteristiky • Vliv prísadových prvku na teplotu eutektoidní premeny a na eutektoidní obsah uhlíku v austenitu
22
-4-
21
12. bainitická – větší přechlazení pod A1, omezená difuze (uhlík ano, železo a ostatní prvky ne) + 02-str.23 ->
Premeny prechlazeného austenitu V Bainitická premena: • Bainit = nerovnovážná nelamelární smes deskových nebo jehlicových (lat kových) krystalu více nebo méne presyceného feritu a drobných cástic karbidu • Druhy bainitu:
13. martenzitická – velké přechlazení pod A1, nulová difuze všech prvků + 02-str.24 10-13 02-str.20 obrázek
Horní bainit – teplota vzniku nad asi 350°C pri obsahu asi 0,6%C – nižší pevnostní vlastnosti, vetší houževnatost; pevnejší a tvrdší než perlit Dolní bainit – teplota vzniku mezi 350°C a teplotou Ms u ocelí s asi 0,6%C – vyšší pevnostní vlastnosti, nižší houževnatost • Bainitická premena neprobíhá až do 100% vzniku nové fáze – zbytkový austenit – v prubehu premeny obohacený C a jinými prvky • Bainitická krivka oceli – udává množství austenitu, který je možno premenit na bainit v závislosti na teplote premeny; teplota Bs a Bf
Premeny prechlazeného austenitu VI Martenzitická premena: • Bezdifuzní (strihová) premena; nízká teplota premeny (mezi teplotami Ms a Mf) = velké prechlazení pod A1; kritická rychlost ochlazování • Martenzit = nerovnovážný presycený tuhý roztok uhlíku v αFe • Mrížka martenzitu: prostorove stredená tetragonální; tetragonalita zpusobená presycujícím uhlíkem – jeho atomy v jedné ze trí oktaedrických intersticiálních poloh mrížky α Fe • Vliv obsahu uhlíku obsaženého v martenzitu na mrížkové parametry martenzitu • Vliv obsahu uhlíku obsaženého v martenzitu na tvrdost martenzitu
23
24
14. Křivky začátku a konce perlitické a bainitické přeměny = C křivky; vlevo od křivek začátku přeměny (s) je austenit, vpravo od křivek konce přeměny (f) jsou produkty příslušné přeměny, mezi křivkami (s) a (f) přeměna postupně probíhá; martenzitická přeměna pod teplotou Ms; vliv přísad na diagramy IRA: přísady (kromě Al a Co) posouvají křivky (s) a (f) doprava; karbidotvorné prvky mění tvar křivek – oddělují od sebe perlitickou a bainitickou přeměnu 15. 02-str. 28,29
Transformacní diagramy rozpadu prechlazeného austenitu IV
Transformacní diagramy rozpadu prechlazeného austenitu III
• Produkty premen v diagramu ARA pri ruzných ochlazovacích rychlostech
Diagramy ARA: • Krivky zacátku a konce premen s podobným významem jako v diagramu IRA • Krivky rychlosti ochlazování – v jejich smeru se sleduje prubeh premen
Rychlost 1 – hrubý perlit Rychlost 2 – jemný perlit Rychlost 3 – jemný perlit, horní a dolní bainit Rychlost 4 – horní a dolní bainit Rychlost 5 – kritická rychlost martenzitické premeny – martenzit a zbytkový austenit Rychlost 6 – martemzit a zbytkový austenit
16. Popouštění = TZ bezprostředně po martenzitickém kalení = ohřev a prodleva při zvýšené teplotě (ale pod A1), ochlazení na 29 28 pokojovou teplotu; přeměny při popuštění: precipitační rozpad tetragonálního martenzitu a rozpad zbytkového austenitu; klesá tvrdost, rostou deformační charakteristiky=) Re se zvýší, páč drobné karbidy v sorbitu zbržďují dislokaci 17. I. do asi 200°C – rozpad: tetragonální martenzit na směs (nízkouhlíkový kubický martenzit s obsahem do 0,125 hmot%C + přechodový e-karbid Fe2,4C s mřížkou hcp) ; zmenšení měrného objemu; pouze mírné snížení tvrdosti II. (200 až 300)°C – rozpad zbytkového austenitu na strukturu bainitického typu (podobnou martenzitu popuštěnému na stejnou teplotu); přeměna značí vzrůst tvrdosti, který se ve změně tvrdosti celé struktury objeví více nebo méně výrazně – podle původního množství zbytkového austenitu; relaxace vnitřního pnutí III. (nad 300°C) – přeměna (kubický martenzit+ e-karbid) → (ferit+cementit) = sorbit; změna tvaru feritu – z jehlic na polyedrická zrna (zotavování, rekrystalizace); změna tvaru cementitu – z tyčinek na zrna, jejich růst; TZ = zušlechťování; pokles pevnostních charakteristik, růst deformačních charakteristik a houževnatosti IV. (nad 500 až 600°C) uhlíkové oceli: rekrystalizace a hrubnutí zrn feritu, hrubnutí (koalescence, srůstání) částic cementitu; hrubý zrnitý perlit, snižování pevnostních a růst deformačních charakteristik; nízkolegované oceli: legování cementitu dalšími
-5-
prvky (Mn, Cr apod.); legované a vysokolegované oceli: vznik speciálních karbidů s mřížkou odlišnou od cementitu; zvýšení tvrdosti = sekundární tvrdost
Premeny pri popouštení martenziticky zakalených ocelí IV
18. 02-str. 33 19. 02-str. 33 20. dostaneme houževnatost menší než jsme chtěli 02-str.33
• Popouštecí krivka, její popis: Fázové přeměny při tepelném zpracování B 1. TZ=technologický proces=ohřev, prodleva na teplotě, chladnutí. Cílem je změna struktury (=změna vlastností) TZ bez překrystalizace – buď nepolymorfní základní komponenta, nebo teplota ohřevu pod nejnižší překrystalizační teplotou nebo TZ s překrystalizací – polymorfní základní komponenta a teplota ohřevu alespoň nad nejnižší překrystalizační teplotou. Schéma viz.obrázek. Rozdělení: žíhání, kalení, popouštění, chemicko-tepelné zpracování., tepelně mechanické Zpracování..
• Popouštecí krehkost, její popis: Nízkoteplotní popouštecí krehkost – NTPK (oblast I) Vysokoteplotní popouštecí krehkost – VTPK (oblast II) Anizotermická složka VTPK (oblast III)
33
2.S překrystalizací: Homogenizační žíhání se provádí za účelem snížení chemické heterogenity, vznikající při tuhnutí následkem dendritické segregace.Rozpouštěcí žíhání má rozpustit karbidické (popř. nitridické) fáze v tuhém roztoku. Normalizační žíhání se provádí za účelem zjemnění austenitického zrna a ke zrovnoměrnění sekundární struktury. Slouží též k odstranění často se vyskytující Widmannstättenovy struktury. Bez překrystalizace: Žíhání naměkko snižuje tvrdost a zlepšuje obrobitelnost oceli díky sferoidizaci perlitického, příp. sekundárního, cementitu. Rekrystalizační žíhání má za úkol odstranit deformační zpevnění způsobené předcházejícím tvářením za studena. Žíhání ke snížení pnutí se provádí s cílem snížit vnitřní pnutí vzniklá po svařování, tváření za studena, rozsáhlém obrábění nebo nerovnoměrném ochlazení dílů složitých tvarů a větších rozměrů. 03-str.5 obrázek Normalizační žíhání 03-str.7
Normalizacní žíhání ? Výchozí stav, Widmannstättenova struktura
Struktura po normalizacním žíhání ?
3. žíhání naměkko 03-str.9; rekrystalizační žíhání 03-str.11
Rekrystalizace při tváření za tepla
Žíhání naměkko ← Výchozí stav, lamelární perlit
Globulární (zrnitý) perlit po žíhání naměkko →
-6-
4. 03-str.13 Kalení = cílem je dosáhnout nerovnovážné struktury oceli – velká tvrdost + 3SV – 05 nad A3 ->
Martenzitické kalení
5. 03-str. 14,15,16 Pásmo kalících teplot
Schéma martenzitického kalení podeutektoidní oceli
Zpusoby martenzitického kalení Kalení - nepretržité (prímé) - lomené - termální - se zmrazením
Vliv obsahu uhlíku rozpušteného v austenitu na tvrdost uhlíkových ocelí
?
- správná kalící teplota
× - nesprávná kalící teplota
Prokalitelnost, pás prokalitelnosti
1 – max. hodnoty tvrdosti po kalení (100% martenzitu) 2 – po kalení z teploty nad Ac1 3 – po kalení z teploty Ac3
Schéma Jominiho zkoušky prokalitelnosti
Pás prokalitelnosti oceli 14 240
4 – 50 % martenzitu ve strukture 5 – po normalizacním žíhání 6 – po žíhání namekko (zrnitý perlit)
1, 2 – hranice pásu prokalitelnosti 3 – krivka prokalitelnosti
6. 03-str. 17 + VT II
7. 03-str. 21 ???
Stadia popouštení
Správná struktura po zakalení
M M karbidy Podeutektoidní ocel
Nadeutektoidní ocel
M ... martenzit tetragonální MK... martenzit kubický (∼ 0,25 % C) AZ ... zbytkový austenit
ε ... Fe2,4C (prechodový karbid) Cem ... Fe3C S … sorbit
8. Izotermické způsoby: 03-str. 24 T-M zpracování je kombinovaný účinek tváření a tepelného zpracování. Používá se zejména ke zvyšování mechanických vlastností legovaných konstrukčních ocelí.
-7-
9. 03-str. 26 Metody v 3SV 9
Prehled metod chemicko-tepelného
zpracování Nitridace je difuzní sycení povrchu dusíkem za zvýšené teploty. Nitridují se oceli s obsahem uhlíku 0,3 – 0,4 hm. %. Obvyklý Cementování rozsah nitridačních teplot je 500 – 550 °C. Doba bývá relativně Nitridování dlouhá (až 60 hodin). Tvrdost nitridované vrstvy se zpravidla Nitrocementování pohybuje v rozmezí 1000 – 1200 HV. Je závislá na obsahu Karbonitridování legujících prvků v oceli tvořících tvrdé nitridy (Cr, Al, Mo, V, Sulfonitridování Tvrdé chromování W). Tloušťka vrstvy bývá 0,2 – 0,6 mm. Způsoby iontová Alitování (hliníkování) (plazmová) nitridace součásti jsou uloženy izolovaně ve Silitování (kremíkování) vakuové nádobě a zapojeny jako katoda. Nádoba tvoří anodu a Boridování (bórování) udržuje se v ní snížený tlak zředěné směsi plynů (směs N a H). a další Po připojení vysokého napětí proběhne ionizace dusíku a vzniklé elektrické pole pohybuje anionty dusíku k součástkám. Nitridace v plynném prostředí se provádí v plynotěsných zvonových, šachtových nebo komorových pecích, zdrojem plynu je čpavek NH3 10. Cementování je difúzní sycení povrchu uhlíkem za zvýšené teploty. K cementování se používají oceli s nízkým obsahem uhlíku (< 0,25 hm. %). Obvyklý rozsah cementačních teplot je 850 – 950 °C. Požadované vlastnosti cementované součásti se získají až tepelným zpracováním. Tvrdost povrchu po cementaci dosahuje až 800 HV. Tloušťka cementované vrstvy se nejčastěji pohybuje v rozmezí 0,5 – 1,5 mm. Schéma + obrázky 03-str. 27, 28, 29, 30
Základní skupiny ocelí dle vlastností a použití A - nízkouhlíkové 1. Nelegované oceli B - oceli obvyklých jakostí - nejsou určeny k tepelnému zpracování; jsou předepsané pouze maximální obsahy P a S a min. obsah C; předepsané mechanické vlastnosti v nezpracovaném nebo normalizačně žíhaném stavu Q - jakostní oceli - totéž co nelegované oceli obvyklých jakostí a navíc:jsou vyráběny s větší větší pečlivostí než oceli obvyklých jakostí; max. obsah P a S < 0,045 %; nemají předepsanou metalurgickou čistotu; nemusí mít rovnoměrnou odezvu na tepelné zpracování; jsou na ně však kladeny dodatečné požadavky (např. na tvařitelnost, mez kluzu při zvýšených teplotách, houževnatost aj.) S - ušlechtilé oceli - totéž co nelegované jakostní oceli a navíc: předepsané přesné chemické složení; vyšší stupeň metalurgické čistoty; max. obsah P a S < 0,025 %; jsou většinou určeny k cementování, zušlechťování nebo povrchovému kalení a mají na tepelné zpracování rovnoměrnou odezvu; předepsána minimální hodnota nárazové práce (KV > 27 J) Legované oceli QS – jakostní oceli; SS- ušlechtilé oceli 2. vysoká Re, Rp0,2 - úspora materiálu; Rm - méně vyžadováno; vysoký modul pružnosti E; dobré plastické vlastnosti A, Z; dobrá houževnatost - nárazová práce KV, KU; odolnost proti porušení křehkým lomem - tranzitní teplota; odolnost proti opotřebení; dobré kluzné vlastnosti; odolnost proti korozi; nízká hmotnost aj. 3. Třída 10 - převážnou část tvoří oceli nízkouhlíkové; není předepsán obsah uhlíku, ani stupeň čistoty; některé druhy mají předepsány max. obsahy C, S a P; zaručují se pouze základní mechanické vlastnosti (Re, Rm, A); nepoužívají se k cementování, zušlechťování a povrchovému kalení Třída 11 - zaručena horní hranice obsahu C a P a S, případně chemické složení; zaručené mechanické vlastnosti; použití většinou ve stavu normalizačně vyžíhaném; do 0,2 % C jsou dobře svařitelné, tvařitelné i dobře obrobitelné; některé značky jsou určeny k hlubokému tažení (nesmějí vykazovat výrazný sklon k stárnutí); nad 0.3 % představují základní řadu pro výrobu strojních součástí, mohou se zušlechťovat, prokalitelnost nepřesahuje 25 až 30 mm; vysokouhlíkové oceli jsou vhodné na součásti vystavené opotřebení Třída 12 - oceli mají vyšší čistotu, lépe definované a zaručované vlastnosti oproti třídám 10 a 11, společně s ocelemi tříd 13 až 16 je to základní konstrukční materiál, optimálních vlastností se dosahuje tepelným zpracováním 4. Vlastnosti svařitelných oceli požadovaná hodnota meze kluzu; dobrá svařitelnost; dobrá houževnatost i za teplot -20°C až 30 °C → odolnost proti porušení křehkým lomem; odolnost proti změnám vlastností za provozu → stárnutí Zvýšení Re nad 350 MPa se dosahuje • náhradou intersticiálního zpevnění C - substitučním zpevněním feritu (Mn, Si) • mikropřísadami Al, Mo, Nb, V ,Ti ( setiny %) → precipitační zpevnění matrice + vázání C a N (karbidy, nitridy) → potlačení stárnutí, zábrana růstu zrna + snížení Cekv. • řízeným válcováním (precipitáty Nb, Mo zpomalují rekrystalizaci austenitu v průběhu válcování, Al, Ti brání růstu zrna) • termomechanickým zpracováním • zpevněním bainickou nebo martenzitickou přeměnou (komplexně legované oceli ∑( Mn, Cr, Mo, Ti, Nb, V, B do 3 až 4%), matrice obvykle dvoufázová ferit + bainit nebo martenzit), Re nad 500 MPa
-8-
5. Vhodnost ocelí ke svařování je dána obsahem uhlíku, který musí být co nejnižší aby se nám ocel po svaření na vzduchu nezakalila a svar zůstal houževnatý. Nelegované jsou zaručeně svařitelné do maximálního obsahu uhlíku Cmax.= 0,22 %; uhlík v tepelně ovlivněné oblasti (TOO) způsobuje zvýšení tvrdosti a snižuje plasticitu → vznik vnitřních pnutí → vznik prasklin; může dojít ke: - hrubnutí zrna (rekrystalizace po předchozím tváření za studena) - rychlé ochlazení → Widmannstättenova struktura, martenzit - za provozu stárnutí svarových spojů Legované pro oceli s obsahem C ≤ 0,22 hm.% je nutné určit ekvivalentní obsah uhlíku Cekv , který musí být ≤ 0,50 neboť se uplatňuje přítomnost legujících prvků v oceli a tloušťka stěny svařence t [ mm ] 6. U ocelí se požaduje co nejnižší mez kluzu, poměr (Re:Rm)·100 ≈ 60%, tažnost min. 45% (nejjakostnější oceli mají Re max. 160MPa); matrici tvoři ferit s malým množstvím perlitu bez vyloučeného Fe3CIII po hranicích (snižuje plastické vlastnosti); je požadována odolnost proti stárnutí 7. Charakteristika: oceli jsou určeny k výrobě strojních součástí nebo součástí dopravních prostředků s cementovanými činnými plochami; mají nízký obsah uhlíku; po cementování se kalí a nízkoteplotně popouští; po TZ mají díly vysokou tvrdost povrchové vrstvy a houževnaté jádro; u uhlíkových ocelí se prokalitelnost nezaručuje; legované oceli se dodávají bez nebo se zárukou prokalitelnosti; oceli musí být jemnozrnné; ocel musí vykazovat stupeň čistoty odpovídající jakosti ušlechtilé oceli (přítomnost sulfidů, oxidů, silikátů, nitridů po př. hlinitanů) Volba oceli je závislá na požadované tvrdosti cementační vrstvy a pevnosti a houževnatosti jádra součásti po tepelném zpracování Nelegované (uhlíkové) oceli Cmax. od 0,14 do 0,24%; použitelné pro méně namáhané a méně rozměrné součásti; malá prokalitelnost, nižší Rm jádra, nesnáší větší měrné tlaky; kalí se do vody → velké vnitřní pnutí, nerovnoměrná tvrdost povrchové vrstvy Legované cementační oceli vyšší pevnost a houževnatost jádra při větších měrných tlacích; větší prokalitelnost, větší tvrdost a odolnost proti opotřebení; používají se pro součásti větších průřezů a pro součásti tvarově složité; kalí se převážně do oleje → nižší vnitřní pnutí 8. Oceli k ušlechtění jsou určeny k výrobě strojních součástí, které se tepelně zpracovávají převážně zušlechťováním (mart. kalení + vysokoteplotní popouštění); některé izotermickým zušlechtěním (bainit); případně jsou používány ve stavu normalizačně žíhaném; základní požadovaná vlastnost - prokalitelnost Nelegované uhlíkové oceli k zušlechtění jsou vhodné jen oceli třídy 12. Použití je omezeno na méně namáhané součásti (malá prokalitelnost). Kalí se do vody. Legované oceli volí se především z důvodu prokalitelnosti; oceli jsou legovány komplexně a mají celkový obsah přísad obvykle do ≈ 3%; přísadovými prvky se dosahuje dalších specifických vlastností ocelí: • potlačení sklonu k popouštěcí křehkosti (Mo, W) • malé deformace při kalení (Ni) • pozvolný pokles houževnatosti s klesající teplotou (Ni) • snížení přechodové teploty (Ni) • zjemnění zrna a necitlivost na přehřátí při austenitizaci (Ti, Nb, V) 9. 04A – str. 28,29 ???
Digramy ARA a pásy prokalitelnosti 0,44%C, 0,22%Si, 0,60%Mn, 0,15%Cr nelegovaná ocel
12 050 C45E
0,40%C, 0,70%Mn, 1,80%Cr, 0,15%V legovaná ocel
15 241 (42CrV6)
28
-9-
Zušlechťovací diagramy 0,44%C, 0,22%Si, 0,60%Mn, 0,15%Cr nelegovaná ocel
12 050 C45E
0,40%C, 0,70%Mn, 1,80%Cr, 0,15%V legovaná ocel
15 241 (42CrV6)
29
Základní skupiny ocelí dle vlastností a použití B – korozivzdorné 1. Oceli mají zvýšenou odolnost proti korozi za normální i zvýšené teploty. I tyto oceli postupně korodují, avšak mnohem pomaleji, takže zvýšená životnost vyváží vyšší cenu. Volba korozivzdorné oceli je obtížná, nezáleží jen na požadovaných mechanických vlastnostech, ale i na druhu prostředí, teplotě a tlaku. Korozivzdornost - odolnost vůči korozi (elektrochemické) za normálních teplot (20°C) Žáruvzdornost - odolnost vůči korozi (chemické) za zvýšených teplot (nad 600°C). Mezi korozivzdorné řadíme oceli schopné pasivování. Podmínkou pasivace oceli je min. 11,74 % Cr rozpuštěného v tuhém roztoku. Žáruvzdornost ocelí způsobuje chrom, nikoliv však pasivací tuhého roztoku, ale ochranným povlakem oxidů. Dalšími pozitivně působícími přísadovými prvky jsou hlavně Al a Si. 2. podle chemického složení: chromové - oceli s přísadou 12 - 30 %Cr chrom-niklové - společnou přísadou Cr a Ni se dosahuje větší korozní odolnosti a vyšší houževnatosti a plasticity než u chromových ocelí chrom-manganové - Cr-Mn oceli využívají k úplné nebo částečné náhradě drahého niklu obdobně působící prvek, a to mangan. Nevýhodou je nižší korozivzdornost a žáruvzdornost oproti Cr-Ni ocelím. podle struktury: martenzitické, feritické, austenitické, dvoufázové (A-F; F-M), vytvrditelné podle použití: korozivzdorné (elektrochemická k. – vzn. galvanický článek); žáruvzdorné (chemická k. – nevodivé prostředí) 3. Feritotvorné prvky - prvky, které zvětšují oblast existence feritu, hlavním představitelem je chrom, dalšími jsou Mo, Si, Ti, Al, Nb, Be, V, W aj. Austenitotvorné prvky - prvky, které rozšiřují a otevírají oblast austenitu; hlavním představitelem je nikl, dalšími jsou Mn, Cu, C a N Vliv feritotvorných a austenitotvorných prvků na strukturu ocelí znázorňuje Schaefflerův diagram. 04B-str. 12 4. Martenzitické: 12-18%Cr, 0,1-1%C - vysoká pevnost, tvrdost, křehkost, odolnost proti kavitaci + možnost ovlivnění vlastností pomocí TZ; široká oblast pevnostních hodnot; korozivzdorné - sklon k popouštěcí a vodíkové křehkosti; sklon ke koroznímu praskání pod napětím Používají se hlavně na namáhané dílce v korozním prostředí (čerpadla, vodní turbíny) nebo na drobné nástroje (nůžky, chirurgické nástroje, žiletky, atd.) 5. Feritické 12-30%Cr, 0,1%C – odolnost koroze za zvýšených podmínek, nízká mez kluzu, BCC mřížka – tranzitní lomové chování, za pokojové teploty křehké + vysoká žáruvzdornost (1100°C); dobrá korozivzdornost; odolnost proti korozi pod napětím - nízká mez kluzu a plasticita; tranzitní chování; sklon ke zkřehnutí Používají se hlavně na rekuperátory, málo namáhané součásti tepelných zařízení, topné odpory, atd. 6. Austenitické 17-25%Cr, 8-20%Ni + výborná svařitelnost; vysoká houževnatost; vysoká žáruvzdornost (až do 1150°C); žáropevnost (až do 750°C) - vysoká cena (vysoké množství Ni); nižší mez kluzu; špatná tepelná vodivost; obtížná obrobitelnost; nejsou feromagnetické, jen paramagnetické; sklon ke koroznímu praskání pod napětím Používají se v chemickém průmyslu (bez přítomnosti síry), jako součásti sklářských a keramických pecí, na topné odpory, kuchyňské náčiní atd.
- 10 -
7. Přísada prvků, tvořících v korozivzdorných a žáruvzdorných ocelích stabilní karbidy, se nazývá stabilizace. Je dána vázáním uhlíku na prvky s vyšší afinitou k uhlíku, než má chrom, na Ti nebo Nb. Je to jeden ze způsobů jak lze zabránit tvorbě nežádoucích karbidů chrómu vznikajících při pomalém ochlazování po odlití, tváření nebo svařování se na hranicích zrn vylučují karbidy chrómu. Následkem toho může místně klesnout obsah chrómu v tuhém roztoku pod 12%, což znamená ztrátu schopnosti pasivace. Další způsoby je snížením obsahu uhlíku (pod 0,02 %) nebo rozpouštěcím žíháním s následným rychlým ochlazením. 8. Dvojfázové = duplexní Austeniticko-feritické oceli - optimální je struktura s 40-50% feritu, kombinují výhody feritických a austenitických ocelí + až dvojnásobná mez kluzu; dobrá houževnatost a plasticita (lepší než u feritických ocelí); podstatně lepší obrobitelnost než u austenitických ocelí; zvýšená odolnost proti koroznímu praskání; přijatelná cena díky sníženému obsahu Ni Použití hlavně v chemickém a petrochemickém průmyslu Feriticko-martenzitické oceli (poloferitické) - kombinují vlastnosti feritických a martenzitických ocelí + lepší korozivzdornost než u martenzitických ocelí; vyšší hodnoty pevnostních charakteristik než u feritických ocelí
Základní skupiny ocelí dle vlastností a použití C – nástrojové 1. Definice podle chemického složení legované (nízko-, středně-, vysokolegované); nelegované (nízko-, středně-, vysokouhlíkové); rychlořezné oceli (oceli pro běžné použití, výkonné oceli, vysoce výkonné oceli (+ Co)) podle použití NA – na řezné nástroje; NB – na nástroje pro střihání; NC – na nástroje pro tváření; ND – na formy; NE – na nástroje pro drcení a mletí; NF – na ruční nástroje a nářadí; NG – na měřidla; NH – na upínací nářadí podle druhu ochlazovacího prostředí při TZ kalitelné do vody; kalitelné do oleje; kalitelné na vzduchu 2. Tvrdost-je závislá na obsahu uhlíku (vzrůstá s jeho zvyšujícím se obsahem) a na způsobu tepelného zpracování. Dosáhneme ji především kalením a popuštěním na nízké teploty. Tvrdost u nelegovaných ocelí zvyšují také karbidotvorné prvky. Používají se zejména Cr, V, W a Mo. Houževnatost-určuje odolnost vůči mechanickým rázům, tvrobě trhlin a jejich šíření. Závisí zejména na matrici a množství,morfologii a velikosti karbidů a na přítomnosti vměstků, případně výrobních vad. Kalitelnost-schopnost materiálů se zakalit (schopnost materiálu získat požadovanou tvrdost) Prokalitelnost -závisí hlavně na chemickém složení oceli, velikosti nástroje a rychlosti ochlazování při kalení. Je definována jako schopnost získat požadovanou tvrdost po zakalení do určité hloubky. Zvyšují ji všechny legující prvky. Vliv na prokalitelnost: krit rychlost kaleni a skutečná rychlost ochlazovani Zakalitelnost -schopnost materiálu získat požadovanou tvrdost. ( je dána max. tvrdostí martenzitu dosaženého při kaleni nad kritickou rychlost, která závisi na obsahu Uhlíku) Odolnost proti popouštění -u nástrojů, které pracují za vysokých teplot (nástroje pro lisování za tepla, pro tlakové lití), může docházet k popouštění. Proto je nutné, aby tyto oceli byly proti tomuto jevu odolné. Při kopou dochází ke snížení tvrdosti. Zvýšení odolnosti se dosahuje legováním karbidotvronými prvky (Cr, V, W, Ti, Mo) a přísadou kobaltu (použití Co je omezeno cenou). Stálost rozměrů Je to důležitá vlastnost u tvarových nástrojů, jelikož je potřeba vyrábět stále stejné součástky, a u měřidel. Změny rozměrů jsou dány rozpadem zbytkového austenitu za vyšších teplot. U přesných nástrojů musí být zaručena rozměrová stálost i po dlouhých dobách používání. 3. Primární tvrdost – cílem nízkoteplotního popouštění (do 200°C) je přeměna tetragonálního martenzitu na martenzit kubický, přeměna zbytkového austenitu na martenzit kubický. Výsledná tvrdost oceli po popouštění je odvozena od tvrdosti kubického martenzitu. Sekundární tvrdost – zvýšením popouštěcí teploty na 550 – 600°C dochází: - k precipitaci jemné disperze částic speciálních karbidů - vzrůst tvrdosti oceli po popouštění - při ochlazení z popouštěcí teploty dochází k transformaci ochuzeného zbytkového austenitu na martenzit, čímž dochází opět ke zvýšení tvrdosti oceli po popouštění Kalení NO - ohřev na kalící teplotu je pozvolný, často v několika teplotních stupních - kvůli rovnoměrnému ohřevu součásti. Výše kalící teploty závisí na chemickém složení oceli. Doba výdrže na kalící teplotě je zpravidla 10-15 minut, max. 30 minut (neplatí pro rychlořezné oceli). Ochlazovací rychlost nemá být vyšší než je bezpodmínečně nutná, proto jsou jako ochlazovací prostředí používány olej nebo vzduch, voda jen výjimečně 4. Dělení dle chemického složení: W-Cr-V; W-Cr-Mo-V; W-Cr-V-Co; W-Cr-Mo-V-Co rozdělení, použití -
- 11 -
5. 04C – str. 28 Ohřev - protože nástrojové oceli vedou špatně teplo, je pro rovnoměrné ohřátí nutný stupňovitý ohřev v neutrálních solních lázních kdy nedochází k přehřátí celého průřezu. Výška kalící teploty - při austenitizaci se musí rozpustit v austenitu spoustu dostatečné množství legujících prvků, které zpomalují rozpad martenzitu (W, Mo, V). Crom, který se také zcela rozpustí, zpomaluje rozpad martenzitu mírně, zvyšuje však prokalitelnost. Vzhledem k tomu, že se karbidy těchto prvků rozpustí až při vysokých teplotách, pohybují se kalící teploty v rozsahu 1150-1320°C. Doba ponoru - při těchto teplotách rychle hrubne zrno, proto výdrž na kalící teplotě je krátká. Podle průřezu součásti se pohybuje v rozmezí desítkách sekund až několika minut. Popouštění - zakalena RO se popouští při teplotě 550-600°C a ochlazuje se na vzduchu. Při ochlazování z popouštění teploty transformuje uhlíkem a přísadami ochuzený zbytkový austenit na martenzit (tzv. sekundární kalení). Tento martenzit je však nutno popustit. Proto se musí popouštění opakovat. Dalším důvodem vícenásobného popouštění je vysoký podíl zbytkového austenitu ve struktuře po zakalení. Jediné popouštění by nestačilo k přeměně značného množství zbytkového austenitu na martenzit. Proto, zvláště oceli s vysokým obsahem W a Co, se popoušějí 3x a 4x.
Základní druhy litin 1. Litiny jsou slitiny železa, uhlíku a doprovodných prvků (žádoucích i nežádoucích), kde obsah uhlíku je nad 2 hm%, když součet všech doprovodných prvků nepřesáhne 2%. 2. dle chemického složení: nelegované x legované litiny dle formy uhlíku: bílé x grafitické (s lupínkovým grafitem, s kuličkovým grafitem, s červíkovým grafitem, s vločkovým grafitem) x zvláštní druhy (tvrzené litiny, makové litiny) 3. charakteristika - na lomové ploše stříbřitě bílé vlastnosti - tvrdé (350 – 500 HB); křehké; odolné proti opotřebení (odolnost se dále zvyšuje legováním a TZ) použití - odlitky odolné proti opotřebení; výchozí materiál pro temperovanou litinu 4. Vliv prvků na pseudobinární diagram. Si zvětšuje eutektickou a eutektoidní oblast, rozdvojují se (eutektické pásmo je 11471153°C; eutektoidní 723-738°C). Vliv ostatních prvků je dán stupněm eutektičnosti:
Sc =
%C 4,26 − 0,31.% Si − 0,27.% P − 0,04.% S − 0,074.% Cu + 0,063.% Cr + 0,027.% Mn
Sc = 1 eutektická litina, Sc < 1 podeutektická litina, Sc > 1 nadeutektická litina. 5. 05-str. 13,14 5 – Základní druhy litin 5 – Základní druhy litin
Vliv rychlosti chladnutí
Vliv rychlosti chladnutí
Krystalizace litin
Fázové přeměny v tuhém stavu tES1 - tES2 teplotní interval tvorby stabilního eutektika; A
tEM1 - tEM2 teplotní interval tvorby metastabilního eutektika; A
A A
A1,2M –A1,1M teplotní interval tvorby metastabilního eutektoidu;
GEs GEf začátek a konec vzniku grafitického eutektika;
[ES]s [ES]f začátek a konec vzniku grafitického eutektoidu;
Ls, Lf začátek a konec vzniku metastabilního eutektika tj. ledeburitu
[EM]s, [EM]f začátek a konec vzniku metastabilního eutektoidu tj. perlitu
A A
A1,2S – A1,1S teplotní interval tvorby stabilního eutektoidu;
Diagram anizotermické krystalizace eutektické litiny Fe-C-Si
- 12 -
Diagram eutektoidní transformace litin Fe-C-Si
6. struktura 05-str.23 vlastnosti nejhorší plastické vlastnosti (téměř žádná tažnost), vysoká mez pevnosti v tlaku, vysoká koncentrace napětí na ostrých koncích lupínků, zlepšení pevnostních vlastností pomocí očkování, dobrá zabíhavost, zvýšená schopnost útlumu, velmi dobré kluzné vlastnosti 7. struktura 05-str.25 vlastnosti je nutné očkování a modifikace; nejkvalitnější litina, vyšší pevnost, modul pružnosti, tvrdost (perlitické matrice), dobrá tažnost a nárazová práce (feritická matrice), odolnost vůči oxidaci se zvýší přidáním Si do 4 %, maximálních pevností při zachování dobré houževnatosti lze dosáhnout bainitickým zušlechťováním tj. matrice bainit – ADI litiny 8. TZ 05-str.29 -> tvorba vločkového grafitu tepelným zpracováním (temperováním = grafitizační žíhání, při kterém dochází k rozložení eutektických karbidů v ledeburitu na volný temperovaný grafit: v oduhličujícím prostředí (temperovaná litina s bílým lomem) a v neoduhličujícím prostředí (temperovaná litina s černým lomem)) vlastnosti vločka - menší vrubový účinek; dobrá pevnost a tažnost; odolnost vůči vibračnímu a rázovému zatížení; dobrá žáruvzdornost; rozměrová přesnost; otěruvzdornost
5 – Základní druhy litin
Litina s vlockovým grafitem
temperovaná litina
temperování
Tepelné zpracování temperované litiny s bílým lomem
Tepelné zpracování temperované litiny s cerným lomem a perlitické
9. 05-str. 31 5 – Základní druhy litin
Tepelné zpracování grafitických litin Žíhání ke snížení vnitrních pnutí ke snížení tvrdosti d) sferoidizacní b) feritizacní c) normalizacní e)
Kalení izotermické kalení povrchové kalení kalení a popouštení
a)
teplota
T
B
C
A1,2
A1,2
A? F
A1,1 A1,1 A? P γ ? Bh+AoC γ ? α B+AoC γoC ? α+K D e)
d)
b)
a)
d)
c)
A? M A
cas
Zpusoby žíhání grafitických litin
γ ? Bd+γ oCγoC ? α+K
T > 350°C E T < 350°C log t
F
Izotermické kalení ADI litiny
10. 05-str. 21,22 - příloha
Základní skupiny neželezných kovů a jejich slitin A+B 1. kromě Fe, které je hlavním výrobním kovem, se ostatní technické kovy nazývají neželezné řadu neželezných kovů lze označit jako deficitní - nedostatek rud nebo obtížná výroba → vysoká cena neželezné kovy se používají v případech, kdy lze plně využít jejich specifických vlastností pokud je to možné, nahrazují se neželezné kovy a jejich slitiny nekovovými materiály → cena neželezné kovy se uplatňují především jako legující prvky ve slitinách Fe, dále v elektrotechnice, tepelné technice, ve šperkařství a v řadě dalších speciálních aplikací Rozdělení podle teploty tání: s nízkou (Pb, Sn, Zn, Bi, Sb, Cd, In, ….); se střední (Cu, Ni, Mn, Co, …); s vysokou (Cr, Zr, V, Nb, Ta, Mo, W, …) Další skupiny nežel. kovů: lehké kovy - hustota ≤ 5000 kg/m3 (Al, Mg, Ti, Be, …) x ušlechtilé kovy (Ag, Au, Pt, Pd, Ir, Os)
- 13 -
2. Čisté kovy (Pb, Sn, Zn, Bi, Sb) Slitiny s nízkou teplotou tání: měkké pájky do roku 2006 byla základem většiny měkkých pájek binární soustava Pb-Sn. V dnešní době jsou však olovnaté pájky nahrazovány bezolovnatými. Mezi bezolovnaté měkké pájky se řadí slitiny typu Sn-Cu, Sn-Ag-Cu, Sn-Zn,… Bezolovnaté pájení je kvůli zákazu používání olova v procesu pájení do budoucna jediným možným způsobem pájení tvrdé olovo slitiny soustavy Pb-Sb s obsahem antimonu od 0,5 do 10 hm.%. Při nižším obsahu Sb jsou slitiny vhodné ke tváření (např. pláště kabelů, lovecké broky, …). Slitiny s vyšším obsahem Sb jsou vhodné ke slévání (např. desky kyselých akumulátorů) kompozice jsou to materiály pro výstelky kluzných ložisek pro menší zatížení (10–15 MPa, vysoké rychlosti (50 – 70 m*s-1) a provozní teploty do 150 °C. Nejvíce se používají kompozice na bázi Sn a Pb slitiny zinku se používají téměř výhradně ke slévárenským účelům. Mají výbornou slévatelnost a lepší pevnostní charakteristiky než zinek. Při lití pod tlakem se vyrábějí ze zinkových slitin tenkostěnné odlitky, např. součásti karburátorů. V praxi se požívají slitiny typu Zn-Al s obsahem Al do 4% a Zn-Al-Cu s obsahem Al do 6% a Cu do 3%. slitiny s velmi nízkou teplotou tání 3. hliník (Al) je stříbrobílý nepolymorfní kov, lehký a tvárný, dobrý vodič elektrického proudu a tepla; nejrozšířenější kov v zemské kůře a spotřebou druhý nejvýznamnější po Fe; za normálních podmínek je velmi stálý, při zahřátí se však stává silně reaktivním a slučuje se zejména s O; pro výrobu je nejvýznamnější ruda bauxit, což je v podstatě Al2O3 s neurčitým obsahem vázané vody hlavní oblasti použití Al – elektrotechnický průmysl (elektrovodný materiál, kondenzátory), chemický a potravinářský průmysl (dobrá tepelná vodivost a odolnost proti korozi v kyselém prostředí), obaly a ochranné povlaky, velká část Al se spotřebuje při výrobě slitin Al (slitiny k tváření a slévárenské slitiny se širokým použitím zejména v automobilovém a leteckém průmyslu) + nízká měrná hmotnost; dobrá elektrická a tepelná vodivost; relativně vysoká pevnost; poměrně snadná zpracovatelnost; dobrá stálost čistého Al na vzduchu → pokrývá se tenkou a souvislou vrstvou Al2O3; slitiny hliníku, pokud neobsahují měď, rovněž velmi dobře odolávají korozi v atmosféře a látkám kyselé povahy; dobrá svařitelnost slitin v ochranné atmosféře; relativně snadné zpracování vratného odpadu - špatná odolnost proti působení alkalických látek; nízká tvrdost → snadné zhmoždění povrchu materiálu; špatné třískové obrábění; slitiny hliníku mohou být napadeny elektrochemickou korozí, jsou-li v konstrukci ve vodivém styku s ostatními kovy a slitinami 4. jsou určeny k výrobě tvarových odlitků litím do písku, do kovových forem nebo tlakově; hodnoty mechanických vlastností odlitků značně závisí na způsobu odlévání, max. pevnost bývá asi 250 MPa; nejdůležitější skupinou slévárenských slitin hliníku jsou litiny typu Al-Si, tzv. siluminy Binární siluminy - velmi dobrá odolnost proti korozi; špatné mechanické vlastnosti způsobené křehkými krystaly křemíku; ke zlepšení mechanických vlastností siluminů slouží modifikace (nejčastěji sodíkem), která má za následek tvorbu jemných krystalků křemíku Speciální siluminy - siluminy s přísadami dalších prvků, hlavně Mg, Cu, příp. Mn, Zn, Ni, Ti, …; lze je vytvrzovat a tím zvyšovat hodnoty pevnostních charakteristik; z těchto slitin jsou odlévány tvarově složité a tenkostěnné odlitky, např. skříně spalovacích motorů a převodovek, písty a hlavy válců, řemenice, … Slitiny Al-Cu - obvykle obsahují ještě další přísady, nejčastěji Fe a Ni, které s Al tvoří sloučeniny disperzně zpevňující tuhý roztok; oproti siluminům mají horší slévárenské vlastnosti; používají se na namáhané odlitky pro vyšší teploty (např. hlavy válců) Slitiny Al-Mg - mají nejvyšší měrnou pevnost a houževnatost ze slévárenských slitin hliníku, oproti siluminům mají rovněž lepší obrobitelnost, avšak horší slévárenské vlastnosti a větší pórovitost; přísada Si zlepšuje zabíhavost, s přísadou Zn mají slitiny lepší odolnost proti korozi; ze slitin Al-Mg-Si se vyrábějí mechanicky namáhané odlitky za vyšších teplot (např. žebrované hlavy válců) nebo odlitky vystavené povětrnostním vlivům (např. automobilové kování, nádobí pro styk s potravinami, atd.) Slitiny Al-Zn-Mg, slitiny Al-Li 5. Nízkopevnostní slitiny s dobrou odolností proti korozi Slitiny Al-Mg - obsahují do 6 hm.% hořčíku; mají výbornou odolnost proti korozi, zejména v mořské vodě; nízké hodnoty pevnostních charakteristik lze zvýšit deformačním zpevněním; jsou využívány ve strojírenském a chemickém průmyslu Slitiny Al-Mg-Si - tyto slitiny lze mírně vytvrdit; používají se zejména v letectví Slitiny Al-Mn Slitiny s vyšší a vysokou pevností Slitiny Al-Cu-Mg (duraly) - dosahují značné pevnosti po vytvrzení; ale mají nízkou odolnost proti korozi; použitelnost do 150 °C, s přísadou Ni (1 - 2 hm.%) až do 300 °C; využití nacházejí tam, kde je žádána nízká měrná hmotnost při zachování dostatečné pevnosti (např. součásti letadel nebo automobilů) Slitiny Al-Zn-Mg - nejpevnější konstrukční slitiny hliníku (dosahují Rm až 600 MPa); k hlavním nedostatkům patří nižší lomová houževnatost, vyšší vrubová citlivost a intenzivnější odpevňování s růstem teploty než u duralů; používají se na namáhané součásti pracující za normálních teplot
- 14 -
6. hořčík (Mg) je nejlehčí z konstrukčních kovů; za studena je špatně tvárný; zejména při vyšších teplotách je velmi reaktivní a jeho výroba a zpracování jsou tudíž obtížné; vyrábí se z Magnesitu (MgCO3), Dolomitu (MgCO3· CaCO3) nebo z mořské vody; hlavní oblasti použití čistého Mg je jako redukční činidlo při výrobě Ti, modifikátor při výrobě tvárné litiny, přísada do slitin Al (dobrá pevnost a odolností proti korozi), vlastní slitiny Mg (zejména slévárenské slitiny pro automobilový a letecký průmysl, kde se používají v omezené míře jako náhrada slitin Al) Vlastnosti hořčíku lze zlepšit přísadami dalších prvků, z nichž nejvýznamnější jsou Al, Zn, Zr a Mn. Mezi přednosti slitin Mg patří zejména nízká měrná hmotnost, dobrá měrná pevnost, vysoký útlum vibrací a dobrá obrobitelnost. Nedostatkem je naopak obtížná výroba a zpracování (zvýšené náklady), špatná tvárnost za studena, nízká tvrdost, houževnatost a odolnost proti opotřebení a zejména nízká odolnost vůči korozi Slitiny Mg-Al-Zn - nejvíce používané slitiny Mg známé pod názvem elektron; použitelnost do 150 °C; uplatňuje se např. v automobilovém průmyslu na lité disky kol Slitiny Mg-Zn-Zr - vyšší hodnoty pevnostních charakteristik oproti „elektronu“; použitelnost do 200 °C; s přísadou PVZ nebo Nd až do 250 °C 7. titan je sedmým nejrozšířenějším kovem v zemské kůře; v malém množství je obsažen ve většině minerálů; je to polymorfní kov s vysokou teplotou tání; většinou se používá ve formě slitin; titan i jeho slitiny mají poměrně nízkou měrnou hmotnost a dobré pevnostní charakteristiky → vysoká měrná pevnost; dobře odolávají vůči korozi (i v mořské vodě), v některých případech i kyselinám → využití v chemickém průmyslu; pracovní teploty slitin titanu mohou být až 600 °C; mezi nevýhody titanu a jeho slitin patří vysoká reaktivita s plyna nad 700°C, obtížná obrobitelnost, špatné třecí vlastnosti; někdy může být nevýhodou i nízký modul pružnosti (E = 115 GPa) Slitiny α - nízká měrná hmotnost a pevnost až 1000 MPa – dobré mechanické vlastnosti do 300 °C – jsou odolné proti křehkému porušení – Ti-Al → obsah Al bývá většinou do 8 hm.% – Ti-Al-Sn → kromě Al obsahují 2 - 13 hm.% Sn – používají se hlavně v letectví a kosmonautice Slitiny β - mají vysokou odolnost proti korozi a dobrou tvářitelnost za normální teploty – pevnost po vytvrzení dosahuje hodnot až 1600 MPa (slitina TiV13Cr11Al3, zpevňující fází jsou intermetalické sloučeniny Ti3Al, TiAl) – nevýhodou je vyšší měrná hmotnost než u ostatních Ti slitin a vysoká cena (kvůli přísadám těžkých a obtížně zpracovatelných kovů) Slitiny α+β (heterogenní) - vyznačují se širokou škálou vlastností podle přísad a zpracování – nejpoužívanější slitina TiAl6V4 dosahuje pevnosti 1125 MPa – heterogenní slitiny lze vytvrzovat tepelným zpracováním – používají se na lopatky turbín a kompresorů, součásti leteckých draků, podvozků, sportovní vybavení, atd. 8. měď (Cu) je kov načervenalé barvy; v přírodě se nejčastěji vyskytuje vázána na síru, k níž má velkou afinitu, případně na kyslík; má výbornou tepelnou i elektrickou vodivost, velmi dobrou tvárností za tepla i za studena (a zachovává si ji i při záporných teplotách); vyznačuje se velmi dobrou korozní odolností jak vůči atmosférickým vlivům tak i vůči řadě chemikálií; k přednostem Cu patří též dobrá obrobitelnost a svařitelnost, naopak horší je slévatelnost Technicky čistá měď se využívá v elektrotechnice (pro svou vynikající vodivost) jako elektrovodný materiál; je vhodná pro zařízení vystavená nízkým teplotám (pro kapalný N, H, O); velmi se osvědčila jako střešní krytina, okapové žlaby a svody; z Cu se vyrábějí i nádoby v potravinářském průmyslu; používá se též k plátování ocelových plechů Slitiny mědi se dělí do dvou základních skupin: mosazi – (slitiny mědi a zinku) x bronzy – veškeré slitiny mědi s výjimkou soustavy Cu-Zn (tzn. kromě mosazí) 9. Základem mosazí je binární soustava Cu-Zn Mosazi k tváření - tvoří převážnou část výroby mosazí – mívají obsah Zn od 5 do 42 % – rozdělují se na tombaky, vysokotažné mosazi, mosazi s vyšším obsahem Zn, kujné mosazi, šroubová mosaz – s přísadou Sn výborné akustické vlastnosti – s Ni vysoká pevnost a odolnost vůči korozi – používají se na strojní součásti, nábojnice, armatury, hudební nástroje, bižuterii atd… Slévárenské mosazi - heterogenní slitiny s obsahem Cu 58 - 63% – často s přísadou Pb ke zlepšení obrobitelnosti – používají se na armatury, ventily, atd 10. cínové bronzy (Cu–Sn) – nejstarší používaný druh bronzů – s obsahem Sn vzrůstá pevnost i tažnost – maximum pevnosti je asi při 20 % Sn – tažnost má maximum při 5 % Sn, pak prudce klesá – lepší odolnost vůči korozi než u mosazí
- 15 -
tvářené cínové bronzy - homogenní slitiny s obsahem Sn do 9%; s malým obsahem Sn se používají v elektrotechnice; 6-9% Sn → na namáhaná kluzná ložiska, pružiny … slévárenské cínové bronzy - heterogenní slitiny s 10-12% Sn; dobrá pevnost, houževnatost, odolnost proti korozi a kluzné vlastnosti; přísadou (5 až 10) % Pb se ještě zlepšují již tak dobré kluzné vlastnosti; používají se na velmi namáhaná kluzná ložiska, namáhané armatury… speciální cínové bronzy - zvonovina (20-22% Sn) – pružný a velmi tvrdý bronz pro výrobu zvonů; zrcadlovina (30-33% Sn); vysoce leštitelný bronz pro optická zrcadla červené bronzy (Cu–Sn–Zn) – jsou méně ušlechtilé a levnější slitiny, ve kterých je část Sn nahrazena Zn – používají se na méně namáhané odlitky armatur nebo jako umělecké (sochy) hliníkové bronzy (Cu-Al) – obsahují až 12% Al – mají velmi dobrou odolnost proti korozi, únavovému namáhání (i v korozním prostředí), proti otěru i dobré kluzné vlastnosti – slitiny s přísadou Fe, Ni, Mn dosahují po vytvrzení pevnosti až 800 MP při tažnosti 12% – jsou vhodné pro výrobu součástí silně namáhaných na otěr (šneková kola, ložiska pro velké tlaky a malé rychlosti), slouží též k výrobě plaket a mincí křemíkové bronzy (Cu-Si) – jsou dobře tvárné za studena i za tepla, dobře odolávají korozi a mají příznivé kluzné vlastnosti – teplotní rozsah použití je od -180°C do +200 °C – nevýhodou je poměrně špatná obrobitelnost, kterou lze ale zlepšit přísadou asi 0,5 % Pb – tvářené mají do 3,5% Si, slévárenské až 5% Si – častěji než binární se používají komplexní slitiny s přísadami Mn, Zn, Ni (zvyšují pevnost), a Pb – slouží jako náhrada za drahé cínové bronzy beryliové bronzy (Cu-Be) – mají výborné mechanické vlastnosti, jsou to nejpevnější slitiny na bázi Cu – nejlepších hodnot mechanických vlastností dosahují při obsahu 2 % Be – kromě binárních slitin (které mají do obsahu 0,7 % Be dobrou elektrickou vodivost) se častěji používají komplexní slitiny s Ni, Co, Mn, Ti, které mají vynikající mechanické vlastnosti a dobrou odolnost proti korozi – vytvrzené slitiny mívají pevnost v tahu až 1400 MPa a tvrdost až 400 HV – používají se na pružiny, nejiskřící nástroje, zápustky pro tváření, ložiska, lodní šrouby sportovních člunů, … olověné bronzy (Cu-Pb) – slitiny se skládají ze směsi krystalů Cu a Pb, protože soustava Cu-Pb se vyznačuje částečnou rozpustností v kapalném stavu a téměř úplnou nerozpustností ve stavu tuhém – jsou-li obě fáze rovnoměrně a jemně rozptýleny (rychlým ochlazením), mají slitiny velmi dobré kluzné vlastnosti – předností olověných bronzů je také dobrá tepelná vodivost – používají se na kluzná ložiska pro vysoké tlaky a značné obvodové rychlosti niklové a manganové bronzy – mají nejčastěji ternární bázi Cu-Ni-Mn s menším množstvím dalších přísad, zejména Si, Al a Fe. – velmi dobře odolávají korozi, dosahují pevnost až 600 MPa – Používají se v chemickém průmyslu, na lékařské nástroje, mince, termočlánky 11. nikl (Ni) je drahý feromagnetický kov (do teploty 357°C; má velmi dobrou korozní odolnost (kromě prostředí obsahujících síru), stálost na vzduchu, dobré mechanické vlastnosti (za normální i zvýšené teploty); významnou vlastností Ni je vysoká houževnatost i při nízkých teplotách; nikl je rovněž dobře leštitelný; mechanické, fyzikální a chemické vlastnosti činí z niklu důležitý a mnohostranně užívaný konstrukční materiál; asi 60% Ni se spotřebuje jako přísada do slitinových ocelí, kde zvyšuje zejména vrubovou houževnatost při nízkých teplotách, 25% spotřeby tvoří slitiny niklu a zbylých 15% polotovary z čistého niklu; čistý nikl se používá k povrchové ochraně (na povlaky), v elektrotechnice nebo v raketové technice slitiny Ni-Cu (monely) - vyznačují se výbornou odolností proti korozi – po vytvrzení mají vysokou pevnost (až 1200 MPa, s přísadou Al až 1400 MPa) za normální i zvýšené teploty – zpravidla se používají komplexní monely s přísadami Si, Mn, Fe, Al – slévárenské se od tvářených liší zvýšeným obsahem Si slitiny Ni-Be - obsah berilia bývá do 2% (obdoba beriliových bronzů) – po vytvrzení dosahují pevnosti až 1800 MPa – jsou použitelné do 500 °C, např. na pružiny, membrány, trysky, … slitiny Ni-Mn - výborně odolávají korozi i za vyšších teplot i v prostředí obsahujících síru – používají se na elektrody zapalovacích svíček slitiny Ni-Mo - vhodné pro odlitky odolávající koroznímu působení kyseliny solné a chloridů termočlánkové slitiny Ni-Cr (9-12% Cr) - jsou známé jako chromel – spolu se slitinou alumel tvoří termočlánek pro teplotní rozsah 300-1000 °C
- 16 -
odporové slitiny Ni-Cr (cca 20% Cr) - zvané nichrom, chromnikl, pyrochrom – používají se pro topné odpory do 1150 °C – část Ni je někdy nahrazována železem (do 25%) magneticky měkké slitiny - označované názvem permalloy – kromě niklu obsahují Fe, příp. Mo, Cu, Cr a Si – používají se jako materiály pro jádra transformátorů měřících zařízení slitiny s malou tepelnou roztažností - jsou známé pod názvem invar, elinvar, kovar – slitiny na bázi Fe-Ni, proto bývají řazeny ke slitinám Fe slitiny Ni-Cr - jde o komplexní slitiny na bázi Ni-Cr s přísadou precipitačně zpevňujících prvků (Ti, Al) a dalších prvků jako W, Mo, Co, Nb, Ta, Zr, … – používají se na nejnamáhanější součásti parních a spalovacích turbín, … 12. kobalt je namodralý polymorfní kov, velmi pevný a tvrdý, do 1121 °C feromagnetický; používá se zejména v metalurgii pro zlepšování vlastností slitin; s kovy blízkými v periodické tabulce (Cr, Ni, Mo, W) tvoří žáropevné slitiny; slitiny na bázi kobaltu se obecně vyznačují též dobrou odolností proti opotřebení a jsou korozivzdorné a žáruvzdorné; kobalt je též důležitým kovem při výrobě slinutých karbidů (je pojivem karbidů W, Ti, Nb), práškového kobaltu se používá jako pojiva při výrobě fernetů; často se používá i při barvení skla a keramiky Žáropevné slitiny (superslitiny) - zpevnění kobaltových slitin probíhá mechanismem substitučního zpevnění tuhého roztoku (hlavně atomy Cr, W, Mo) a dále disperzním zpevněním karbidy – používají se při výrobě součástí tryskových motorů a turbín Stelliny - netvárné slitiny na bázi kobaltu, které obsahující 40 – 55 % Co, 20 – 35% Cr, 10 – 15% W, 1,5 – 3 % C, popřípadě další přísady – mají výbornou odolnost vůči opotřebení a vysokou řezivost → využití např. jako nástrojové materiály – mechanicky je nelze obrábět, proto se na funkční povrch součástí navařují Pro výrobu velmi silných permanentních magnetů se používají slitiny železa a kobaltu s obchodními názvy FeCo a Alnico. Jsou to velmi silné permanetní magnety (až 25krát výkonnější než ocelové magnety) K dentálním a lékařským účelům slouží slitiny typu Co-Cr-Mo s obchodním názvem Vitalium
Základní skupiny konstrukčních plastů 1. Polymery kombinují vlastnosti ideálně elastických (kovy) a ideálně viskozních (kapaliny) materiálů → jsou viskoelastické 2. Reologie popisuje chování skutečných materiálů pomocí jednoduchých zařízení. Ideálně pružný materiál 07-str. 7 -> a Ideálně viskózní materiál 07-str.8
Ideálne pružný materiál elastické chování izotropních teles (kovu)
Ideálne viskózní materiál
reologický model: pružina o tuhosti G
jednoduché kapaliny pri ustáleném toku
pri elastické deformaci smykem platí pro rovnováhu mezi napetím σ a deformací γ Hookuv zákon
reologický model: hydraulický válec s kapalinou o viskozite η pri ustáleném toku je smyková rychlost γ′ =
úmerná smykovému napetí σ podle Newtonova zákona
Hook ideálne pružný materiál
σ visk = η ⋅ γ ′ Newton ideálne viskozní materiál
σ = G⋅γ
dγ dt
8
- 17 -
7
3. Viskoelastický materiál I – Kelvin (Voight) model
4. Viskoelastický materiál II – Maxwellův model 07-str.10 Viskoelastický materiál II – Maxwellův model
Viskoelastický materiál I – Kelvin (Voight) model
reologický model: pružina o tuhosti G a hydraulický válec s kapalinou o viskozitě η seriově
reologický model: pružina o tuhosti G a hydraulický válec s kapalinou o viskozitě η paralelně v tuhém rámu
používá se pro modelování relaxace materiálů (ε = konst., σ = f (t) )
používá se pro modelování creepu materiálů (σ = konst., ε = f (t) )
napětí σt v materiálu dosažené v čase t je dáno vztahem
deformace ε materiálu je dána vztahem
ε=
σ
E ⋅ t 1 − exp − E η
σ t = σ i exp −
σi [MPa] = původní zatížení,
, σ [MPa] = působící napětí
Kelvin viskoelastický materiál
E .t η
E [MPa] = modul pružnosti materiálu t [s] = doba zatížení η [Pa.s] = viskozita materiálu při dané teplotě
Maxwell viskoelastický materiál
9
E [MPa] = modul pružnosti materiálu,
η [Pa.s] = viskozita materiálu při dané teplotě 10
5. páč jsou to zamotaný řetězce..nějak okecat noo 6. extruze, vyfukování, injekční vstřikování 7. lisování - postup: otevření formy → uložení materiálu do formy → ohřev a stlačení materiálu → rychlé otevření a opětné uzavření formy = odventilování plynů → po uplynutí technologického času (zesítění, zafixování tvaru) otevření formy → vyhození dílu typické výrobky: elektrické vypínače a součástky, pneumatiky přetlačování - postup: přesné určení množství materiálu (Σ objemů formy, vtoků a nálitků) → předformování do tablet → předehřev tablet (v externím zařízení nebo v přetlačovací komoře) → založení předehřátého materiálu do přetlačovací komory → přetlačení materiálu do dutiny formy → materiál pod tlakem až do ztuhnutí → odstranění zbytků materiálu z přetlačovací komory → otevření formy a vyhození součásti typické výrobky: když je potřeba do plastu zalisovat kovové komponenty (integrované obvody, elektrické spínače, rukojeti na nádobí) 8. regenerace: navrácení původních užitných vlastností → materiály využívány k původním účelům recyklace: přepracování odpadů → druhotné suroviny (drahé technologie, sekundární materiály → horší vlastnosti) 9. recyklační trojúhelník opatřený číslem nebo slovním popisem ⇒ druh použitého materiálu.
Základní skupiny konstrukční keramiky 1. keramika ⇒ požadované vlastnosti materiálu jsou dosahovány pomocí vysokoteplotního tepelného zpracování nazývaného vypalování (slinování) keramika = anorganický a nekovový materiál; většinou jsou to směsi kovových a nekovových prvků vázaných iontovými vazbami (úplně) nebo převážně iontovými s podílem kovalentních vazeb typy: 08–str. 9,10,11
Uhlík I - grafit
Uhlík II - diamant
stabilní struktura atomy uspořádané v šesterečné mřížce
metastabilní forma každý atom je vázán kovalentní vazbou na další tři atomy
každý atom je vázán na další tři sousedy pevnou kovalentní vazbou, čtvrtý vazebný elektron tvoří slabou van der Waalsovu vazbu mezi atomovými rovinami realtivně vysoká elektrická vodivost ve směru šestihranů vysoká pevnost a dobrá chemická stabilita při vyšších teplotách a v neoxidačním prostředí vysoká tepelná vodivost malá tepelná roztažnost odolnost vůči teplotním šokům dobrá obrobitelnost
extrémně tvrdý velmi nízká elektrická vodivost
použití: topná tělesa elektrických pecí elektrody pro obloukové svařování chemické reaktory elektrické kontakty a odpory raketové trysky 9
filtry vzduchu
- 18 -
použití: šperkařství
na nekovový materiál neobvykle vysoká tepelná vodivost
průmyslové diamanty na řezání a broušené měkčích materiálů
transparentní v oblasti viditelného a infračerveného světla
syntetické diamanty (technologie objevena v polovině 50. let) → v současnosti většina průmyslových diamantů je syntetická diamantový film (max. t = 100mm) → napařená vrstva je tvrdá a transparentní 10 (vrtáky, zápustky, nože… )
Uhlík III – fuleren objeven v r. 1985 kulovitý útvar obsahující 60 atomů C tvořících 6-hrany nebo 5-hrany (žádná hrana pentagonu není sdílená dalším pentagonem) jedna molekula je tvořena 20 hexagony a 12 pentagony v pevném stavu tvoří jednotky C60 krystalovou strukturu FCC každá molekula C60 se v FCC chová jako atom; při pokojové teplotě se otáčí frekvencí 108 s-1 čistá krystalická forma FCC má malou hustotu, je relativně měkká a má nízkou elektrickou vodivost v FCC je 2 tetraedrická a 1 oktaedrická intersticiální poloha technologicky zajímavé jsou fulereny obsahující jako příměs prvky alkalických kovů – zvláště K; materiál K3C60 má velmi vysokou elektrickou vodivost a vykazuje vlastnosti blízké kovům (K obsazuje jak tetraedrické tak i oktaedrickou intersticiální polohu) → můžeme K3C60 považovat za molekulární kov (první, který byl objeven) při 18K se stává supravodivým
11
2. 08–str.12
3. příklad: zhouževnatění pomocí fázové transformace v ZrO2 → metastabilní forma ZrO2 je tetragonální, musí být stabilizována pomocí např. CaO, MgO, Y2O3, CeO. Stabilní forma ZrO2 je monoklinická. V napěťovém poli kolem rostoucí trhliny dochází k transformaci metastabilního tetragonálního ZrO2 na stabilní monoklinický, který má větší objem – výsledkem je vznik tlakových pnutí, která zavírají trhlinu a omezují její růst. Zvýšení houževnatosti je možno dosáhnout i přidáním sekundární fáze → kompozity s keramickou matricí
Vlastnosti keramiky Prednosti:
Omezení:
• vysoká teplota tání
• krehké chování
• pevnost v tlaku
• citlivost na teplotní šoky
• tvrdost
• složitá príprava
• strední a nízká hustota
•nákladné opracování
• chemická odolnost Prícina krehkosti : omezený pohyb dislokací Vysoké Peierlsovo-Nabarrovo napetí u kovalentních a složitých iontových krystalu
Zhoršená pohyblivost
Nesplnení Von Misesova kriteria pro plastickou deformaci polykrystalu (5 nezávislých skluzových systému)
Zhoršená manévrovatelnost 12
4. 08–str.16
Zpracování skla
lisování + vyfukování
kontinuální výroba tabulového skla 16
tažení vláken
- 19 -
5. ohřev do oblasti mezi teplotou skelného přechodu a teplotou měknutí → ochlazení na pokojovou teplotu v proudu vzduchu (někdy v olejové lázni) → různé rychlosti ochlazování na povrchu a v jádře -> vznik reziduálních pnutí → povrch je ochlazován rychleji a tuhne → jádro je ochlazováno pomaleji a zůstává plastické → s pokračujícím chladnutím se jádro smršťuje víc než povrch -> jádro je drženo povrchem → po úplném ochlazení na pokojovou teplotu je v povrchových vrstvách tlakové pnutí, ve vnitřních tahové. porušení keramických materiálů téměř vždy vychází z povrchových defektů -> povrch temperovaného skla je namáhán tlakově a proto vnější napětí napřed musí vynulovat tlaková pnutí a pak teprve dosáhnout lomového tahového napětí potřebného pro iniciaci a propagaci trhliny -> pak teprve nastane porušení
6. 08–str.19
7. 08–str.21 Výroba keramických vláken
Výroba krystalické keramiky
nosičem je velmi jemné W-vlákno
pyrolýza organických vláken (PAN)
do horké komory jsou přiváděny páry vysokoteplotní rozpad polymeru a odstranění všech prvků kromě C B-sloučenin (BCl3) a rozpadají se B precipituje do W-vlákna a tvoří na jeho povrchu tenkou vrstvu 19
8. 08–str.22
v teplotním intervalu 1000 až 3000°C klesá pevnost a roste modul pružnosti C tažení C-vlákna způsobuje žádoucí orientaci 21
9. porézní keramika: filtry pro plyny i kapaliny; filtrace iontů těžkých kovů z vody; plynové hořáky; chromatografie; chemické a biologické reaktory trubky z Al2O3 a SiC -extremně dobrá odolnost vůči: korozi; chemickým vlivům (i při vysokých teplotách) v kyselém i alkalickém prostředí; vysokým teplotám; teplotním šokům; tuhost a rozměrová stabilita Keramický papír vyroben z nehořlavých vláknových materiálů obvykle ve formě 1 až 2 mm tlustých desek ve spojení s vysokoteplotními barvami → ochrana vůči korozi a erozi horkými plyny nebo jinými materiály ve spojení s vysokoteplotními lepidly → teplotně odolné lamináty
Kompozity s keramickou matricí
vlákno = W-vlákno malého prumeru + tenká vrstva B vlákno = C-vlákno malého prumeru + tenká vrstva SiC 22
- 20 -
