3. TECHNICKÉ SLITINY ŽELEZA - rozdělení (oceli, litiny-šedá, tvárná, temperovaná) – výroba, vlastnosti a použití - značení dle ČSN - perspektivní materiály V průmyslu nejužívanější technickou slitinou je ta, ve které převládá železo. Je to slitina železa s uhlíkem a jinými prvky, jenž se nazývají legury. Rozdělujeme je na dvě velké skupiny: Železa kujná: C< 2,14 % OCELI Uhlík je vyloučen ve formě karbidu železa Doprovodné prvky: Mn, Si, P, S Přísadové prvky (legury): Cr, W, Mo, V, Ni aj. Železa nekujná: C> 2,14 % Surová železa a litiny Surové železo- slitina železa s C>2,14 % a dalšími prvky vyrobená ve vysoké peci. Dělí se podle vzhledu lomu na: Bílé surové železo-výchozí materiál k výrobě oceli Šedé surové železo- slévárenská slitina železa, výroba šedých litin SUROVÁ OCEL k tváření
konstrukční
na odlitky
nástrojové
obvyklé jakosti
uhlíkové
ušlechtilé
slitinové
UHLÍKOVÉ
SLITINOVÉ
nástrojové konstrukční uhlíkové
nízkolegované středně legované
Nízkouhlíkové do 0,25 % C Středně uhlíkové 0,25 ÷ 0,6 % C Vysokouhlíkové nad 0,6 % C
do 5 % přísad 5 ÷ 10 % přísad
vysokolegované nad 10 % přísad
slitinové
Surová ocel
Ocel k tváření
název zahrnující veškerou ocel odlitou na ingoty, plynule odlévanou ocel na lité předvalky a všechny druhy oceli na odlitky. Dělí se tedy na oceli k tváření a na odlitky. název pro veškeré kujné železo vyrobené ve stavu tekutém. Podle použití se dělí na konstrukční a nástrojové, podle chemického složení na uhlíkové a slitinové
Třídy ocelí Oceli k tváření jsou rozděleny do devíti tříd (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 19). Dělí se na oceli konstrukční (10-17) a oceli nástrojové(19)
Označování ocelí Číselně: Základní značka
doplňkové číslice
1x xxx.xx Ocel k tváření Třída ocelí
Stupeň přetváření 0 dále nepřeválcováno
10 ÷ 12 konstr.
1 lehce převálcováno
nelegovaná
2 1/4 tvrdý
13 ÷ 17 legov.
3 1/2 tvrdý atd.
19 nástrojová Stav oceli daný tepelným zpracováním Informace dle
0 - tepelně nezpracovaný
třídy oceli
1 - normalizačně žíhaný 2 - žíhaný s uvedením způs.žíhání
Pořadová čís.
3 - žíhaný na měkko atd. 4 - kalený a nízko popouštěný 5 - normalizačně žíhaný a popouštěný 6,7,8 - zušlecht.na dolní,střední a horní pevnost
Barevně: Normalizované hutní výrobky z ocelí tříd 10 až 19 se označují jedním až třemi barevnými pruhy. Norma rozeznává dva způsoby označování, a to pro oceli třídy 10 a 11 a pro oceli tříd 12 až 19. U ocelí tříd 10 a 11 je použito jednoho , nanejvýše dvou barevných odstínů. U ocelí tříd 12 až 19 je použito tří barevných odstínů. Barevných odstínů je 13.
Oceli konstrukční obvyklé jakosti (10,11) Jejich znakem je použití nejlevnějšího způsobu výroby a surovin. Mají tedy horší čistotu a méně definované mechanické a technologické vlastnosti.
Oceli třídy 10: 10 ABC.XX BC – desetina hodnoty pevnosti v tahu (MPa). Dvojčíslí 00 = základní jakost U těchto ocelí se v hotovém výrobku nezaručuje určitý největší obsah P a S. Ocelárna však dbá, aby u těchto ocelí, kromě oceli 10 000 a 10 004, nebyl obsah fosforu u ocelí větší než0,09%. Obsah síry je max. 0,06%. Tyto oceli mají vesměs nízký obsah uhlíku (do 0,2%). Nejlevnější ocel - bez zaručených vlastností (10 001, 10 002, 10 003) pro nejméně náročné stavební a zámečnické práce a betonovou výztuž – pevnost okolo 500 MPa. Nejpoužívanější oceli řady 10 340 až 10 523 pevnost v tahu 340 – 520 MPa. Použití: mostní, jeřábové a lodní konstrukce, svorníky, šrouby, hřebíky a nýty Oceli s pevností do 420 MPa jsou zaručeně svařitelné Oceli na speciální betonové výztuže s minimální mezí kluzu 360-400 MPa - 10 472, 10 492, Nejpevnější oceli třídy 10 (se zvýšeným obsahem uhlíku a s přísadou manganu) o pevnosti 500 až 800 MPa - kolejnice (10 650), součásti vyhybek, pouličních drah (10 750, 10 800) Oceli třídy 11: 11 1AB.XX A – střední obsah C v desetinách % 11 ABC.XX AB – desetina hodnoty pevnosti v tahu (MPa) U těchto ocelí je zaručen určitý obsah fosforu a síry (kromě ocelí automatových). Tyto oceli se vyrábí s obsahem uhlíku do 0,65% a jsou vhodné pro tváření. Jejich vlastnosti jsou odstupňovány v závislosti na obsahu uhlíku od nejmenší pevnosti v normalizačně žíhaném stavu od 340 MPa do 900 MPa. Ocel 11 340 - dobře svařitelná, tvárná za tepla i za studena, tuto ocel lze cementovat. Nejběžnější ocelí pro strojní součásti, jež lze zušlechťovat je 11 500 (0,3%C) min. pevnost v normalizačně žíhaném stavu 500 MPa. Použití: svorníky, ozubená kola, hřídel Oceli 11 600, 11 700, 11 800 - části vystavené značným měrným tlakům a opotřebení (klíny, vodící hřídele, vřetena lisů) Oceli 11 378, 11 483, 11 523 a 11 583 jsou označeny jako oceli jemnozrnné. Mají zvýšenou mez kluzu. Zvláštní oceli jsou tzv. automatové (11 109, 11 110, 11 120, 11 121, 11 140), které obsahují až 0,2 %S. Síra je vázána zvýšeným obsahem manganu (kolem 1%) na MnS. Tyto oceli dosahují dobré obrobitelnosti s kvalitním povrchem při velké řezné rychlosti a snadné lámavosti třísky.
Oceli konstrukční ušlechtilé (12–17) Oceli třídy 12: (Značení platí pro oceli 12-16) 1Y ABC.XX Y – třída oceli A – součet průměrného procentního obsahu přísad zaokrouhlených na celé číslo B – průměrný obsah uhlíku v desetinách %. Je-li větší než 0,9%, je čtvrtá číslice 0. C – pořadová číslice. Kromě ocelí třídy 12 obsahuje tato skupina konstrukční legované oceli tříd 13 až 16, s celkovým obsahem přísad prvků max. 5%. Oceli třídy 12 jsou ušlechtilé uhlíkové oceli. Mají obsah C od 0.06 do 0.7% a některé, např. pružinové až 0.9%C. Prakticky jsou rozděleny na oceli určené: k cementování - obsah C od 0.06 do 0.2%C. nízká pevnost jádra, ale vysoká houževnatost. Tvrdost cementované vrstvy po zakalení a popuštění je asi HRC=62. Patří sem např.12 010, 12 020 a 12 024. Použití součásti strojů a silničních motorových vozidel. Oceli s vyšším obsahem C (12 024) používáme na součásti s vyšší pevností v jádře (řetěz. kola ...). k zušlechťování - obsahují 0.25 až 0.7%C. Prokalitelné do ∅ 40mm. Použití: velké součásti, klik. hřídele, čerpadel, lisů, spal. motorů pístnice, vřetena atd. k povrchovému kalení - obsahují 0.4 až 0.6%C Použití: vačkové hřídele, pojistky, západky, kluzné kameny aj.
Oceli třídy 13: Zušlechťují se tam, kde ocel ušlechtilá uhlíková nevyhovuje, ale ocel chrómová nebo chrómniklová by byla drahá. Použití: středně namáhané části motor, vozidel. Převažuje v nich legující prvek mangan. K cementování se nehodí. Oceli pružinové, které obsahují hlavně křemík v množství asi 1.7%. Jsou to oceli 13 251 a 13 270 se zvýšenou mezí únavy. Ocelí pro dynamové a transformátorové plechy, které se vyznačují malými hysterézními ztrátami a ztrátami vířivými proudy. Obsahují až 4,6 % Si.
Oceli třídy 14: Tyto oceli jsou legovány chrómem, popř. chrómem a manganem či křemíkem a hliníkem. Jsou to nejvíce používané slitinové oceli, které umožňují dosáhnout velmi dobrých vlastností bez použití nedostatkových prvků. Obvykle se cementují, zušlechťují, kalí, některé jsou určeny k nitridování např. 14 340. Chrómové oceli jsou vhodným materiálem na součásti kuličkových a válečkových ložisek. Na tyto oceli (14 109) je kladen velký požadavek, co se týká mikročistoty materiálu. Sleduje se hlavně velikost a tvar nekovových vměstků, zejména sirníků a oxidů, hlavně Al2O3. Oceli třídy 14 jsou vhodné na trvalé magnety v případech, kde nejsou vysoké požadavky. Oceli třídy 15: Jsou legovány kombinací chrómu s vanadem nebo molybdenem popř. wolframem. Používají se hlavně na vysokotlaké kotle a trubky, na součásti parních turbin a jiné součásti namáhané za tepla, neboť tyto oceli jsou žáropevné, tj. mají vysokou mez tečení. Kromě toho se tyto
oceli používají pro velmi namáhané strojní součásti, a to buď jako oceli cementované, zušlechtěné, povrchově kalené nebo nitridované, zejména ve stavbě motorových vozidel, letadel, aj. Oceli třídy 16: Legovány niklem a chrómem popř. wolframem, vanadem, molybdenem. Nejjakostnější oceli na vysoce namáhané strojní součásti menší a střední velikosti. Dobře prokalitelné a umožňují dosáhnout největší meze kluzu a pevnosti při dobré houževnatosti. Oceli třídy 17: 17 ABC.XX A – druh legur…uvedeno ve stroj. tab..
Tyto oceli jsou vysokolegované, zejména chrómem, chrómem a niklem. Nejdůležitější z těchto ocelí jsou oceli korozivzdorné neboli „nerezavějící“ a oceli žáruvzdorné, žáropevné. Obsahují obvykle přes 12 % chrómu Chromové korozivzdorné oceli se dle struktury dělí na tři skupiny: 1) martenzitické – kalitelné (12 – 18%Cr, 0,15 – 1%C) méně agresivní prostředí (nožířství, potravinářství, zdravotnictví) 2) poloferitické obsahují 6-18%Cr, asi 0,1%C popř. Si, Al … méně agresivní prostředí (potravinářsky průmysl 3) feritické mají 20-26%Cr a malý obsah uhlíku. Jsou převážně žáruvzdorné. Dobrá odolnost proti opalu v oxidující a v uhlíčící atmosféře popř. v atmosféře s vysokým obsahem síry. Použití na součásti, které jsou vystaveny žáru a přitom nejsou příliš mechanicky namáhány – např. nádoby pro cementaci ocelí, součásti sklářských pecí…
Oceli třídy 19: 19 ABC.XX A – druh legur…uvedeno ve stroj. tab.. Oceli nástrojové uhlíkové Normalizováno je 15 druhů ocelí. Na jejich vlastnosti má největší vliv obsah uhlíku. Tvrdost oceli v zakaleném stavu vzrůstá se stoupajícím obsahem uhlíku, asi do 1.0%C, kdy dosahujeme maxima asi HRC=67. Podle tvrdosti se zřetelem na obsah uhlíku rozdělujeme oceli takto: - oceli velmi houževnaté do 0.7%C, - oceli houževnaté 0.8 až 0.9%C, - oceli houževnaté tvrdé 0.95 až 1.2%C, - oceli tvrdé 1.25 až 1.35%C, - oceli velmi tvrdé nad 1.4%C.
Oceli nástrojové slitinové Používáme k výrobě nástrojů, u nichž uhlíkové oceli nemohou zajistit nejdůležitější, popř. speciální požadavky na mechanické a fyzikální vlastnosti. Hlavními přísadami jsou tzv.
karbidotvorné prvky (Cr, W, V, a Mo), které tvoří tvrdé a až do vysokých teplot stálé karbidy, a dále prvky nekarbidotvorné (Ni, Si Co). Podle provozních podmínek se rozdělují oceli nástrojové do dvou velkých skupin: - oceli nástrojové slitinové pro práci za studena - oceli nástrojové slitinové pro práci za tepla
Oceli nástrojové rychlořezné Používají se k výrobě výkonných řezných nástrojů, a také nástrojů pro tváření za studena. Zachovávají si vysokou tvrdost i při teplotách okolo 600o C. Pro nejvíce namáhané nástroje používáme oceli legované kobaltem.
Oceli nástrojové na lité nástroje Používáme např. na výhrubníky, lité břitové destičky soustr. nožů atd. Tep. Zprac. je obdobné jako u ocelí tvářených.
ROZDĚLENÍ A OZNAČOVÁNÍ SLITIN ŽELEZA NA ODLITKY První dvojčíslí – je 42 a značí třídu norem „Hutnictví“ Druhé dvojčíslí označuje druh slitin železa na odlitky a to: 23 – tvárná litina 24 – šedá litina 25 – temperovaná, bílá nebo tvrzená litina 26 – uhlíková ocel na odlitky 27 – nízkolegovaná a středně legovaná ocel na odlitky 28 – ocel na odlitky přesně lité a slitiny pro trvalé magnety 29 – vysokolegovaná ocel na odlitky Třetí dvojčíslí 42 2x XY.xy slitiny železa na odlitky přesněji specifikuje: U nelegované šedé litiny, litiny temperované a uhlíkové oceli na odlitky udává přibližnou hodnotu pevnosti v tahu MPa, U tvárné litiny nelegované udává přibližně hodnotu 101 pevnosti v tahu v MPa. U ostatních slitin železa na odlitky charakterizuje typ slitiny zejména složení a vlastnosti
PERSPEKTIVNÍ MATERIÁLY Věda a výzkum ve světě směřuje vývoj konstrukčních materiálů již k hutní výrobní základně. Vede je k tomu: ♦ Zvětšující se nedostatek surovin, ♦ Dosažení max. metalurgické čistoty, ♦ Snaha o energetické úspory, ♦ Zvětšující se vliv na životní prostředí ♦ Obracení vědy k přírodě Z hlediska konstrukčních materiálů jsou to další požadavky: ♦ Zvýšené požadavky na mechanické vlastnosti a jejich konstrukční použitelnost, ♦ Zvýšené požadavky na technologické vlastnosti, jejich zpracovatelnost.
Vznikl nový vědní obor Materiálové inženýrství, který se zabývá výzkumem a vývojem těchto materiálů. Perspektivní materiály dosahují vysokých pevností, ale také elastického chování. Proto se jako výraznější charakteristika začíná používat modul pružnosti E. Důležitým ukazatelem kvality materiálu je proto tzv. měrná pevnost. Je to poměr pevnosti a hustoty materiálu – Rm . ρ-1 . Důležitý je i poměr modulu pružnosti a hustoty tzv. měrný modul pružnosti – E . ρ-1 .
Světově byly vyvinuty pro karosářské díly hlubokotažné oceli. Plechy jsou pozinkované elektrolyticky (Evropa) nebo žárově (USA, Japonsko). Jsou to oceli s velmi nízkým obsahem uhlíku (až na 0,003 % C). Vyšší hodnoty meze kluzu v tahu se dosahuje zvýšeným obsahem fosforu nebo křemíku a manganu. Fosfor, přestože je to jindy škodlivina, v tomto případě ocel zpevňuje nejlépe. Oceli pro vysokonamáhané konstrukce Požadavky na tyto oceli: Odolnost proti dynamickým vlivům Odolnost proti korozi, Odolnost proti nízkým teplotám, Odolnost proti náhlému porušení Do této kategorie zařazujeme ty oceli, které splňují zejména: Ce < 0,4 % (svařitelnost) Síra, fosfor, dusík < 0,010 %, Mez kluzu v tahu Re dosáhne vysokých hodnot (až 800 MPa), Vznik bainitických nebo martenzitických struktur, Vznik jemnozrnné struktury (do 10 µm). Superslitiny Jsou to slitiny na bázi niklu a kobaltu. Oba kovy jsou si totiž velmi podobny: hustotou, teplotou tání, oba kovy spojuje základní austenitická struktura. Superslitiny dělíme do dvou základních skupin: korozivzdorné a žárupevné.
Korozivzdorné slitiny na bázi niklu Mají vysokou korozní odolnost proti vodě (i mořské), vzduchu a proti kyselinám. Používají se na stavbu lodí, ve farmaceutickém průmyslu, na kondenzátorové trubky.
Korozivzdorné oceli na bázi kobaltu Mají výbornou pevnost a tvrdost a mimořádnou odolnost proti agresivnímu prostředí (mimo HNO3). Používají se na řezné nástroje pracující v agresivním prostředí, na ventily a sedla ventilů. Žárupevné slitiny niklu a kobaltu Vytvrditelné austenitické oceli jsou použitelné jen do teploty 850oC. Pro vyšší teploty tj. 850 až 1 150oC se používají slitiny niklu. Žárupevnost způsobuje chróm, titan a hliník. Pro teploty kolem 1 150 oC je nutné dolegování molybdénem, a wolframem. Pro ještě vyšší teploty je třeba dolegovat kobaltem, případně přidat bór a zirkón. Nejvyšších použitelných teplot dosahují slitiny zpevněné oxidy yttria (do 1 250 oC). Používají se na součásti leteckých turbin, v kosmonautice, a tam, kde potřebujeme teplotní stabilitu, zlepšení oxidačního chování, zvýšení meze kluzu.
Kompozity – složené materiály Jsou to materiály, které vznikly fyzikálními kombinacemi jednoduchých materiálů. Jsou složeny ze dvou základních fází: 1. spojité fáze (primární, nosné matrice) 2. nespojité fáze (sekundární, dispergovaná plniva) Matrice má tyto úkoly: ♦ zajišťuje spojení sekundární fáze v kompaktní celek (tvar a povrch výrobku) ♦ zprostředkovává přenos síly na sekundární fázi, ♦ odděluje vzájemně jednotlivé části sekundární fáze od sebe (zabraňuje tak spojitému šíření trhlin), ♦ chrání sekundární část před účinky vnějšího prostředí. Sekundární část může být ve formě: − částic, − krátkých vláken − dlouhých vláken (obr. 2)
Vlastnosti kompozitu jsou především ovlivňovány chemickou a fyzikální podstatou rozhraní mezi matricí a sekundární částí. Lze ovlivnit nejen tvarové řešení výrobku, ale i optimalizovat předběžným výpočtem vlastnosti zvoleného kompozitu. Na vlastnosti kompozitu mají vliv hlavně tyto parametry:
− objemový podíl fází VA a VB − geometrie systému – jednorozměrná (např. tyčinky-vlákna),
dvourozměrná (desky, lamely) trojrozměrná (prostorové síťoví (obr.2b) − stupeň kontinuity sekundární fáze, − uspořádání fází (paralelní, sériové – obr.2c). Matrice mohou být : 1. polymerní – používaná hlavně tam, kde se vyžaduje odolnost proti rozpouštědlům, agresivnímu prostředí, nehořlavosti, dobré elektroizolační vlastnosti, dobré mechanické vlastnosti 2. kovové – výhoda menší tloušťky stěny při požadované tuhosti kompozitu. 3. keramické – použitelnost omezena křehkostí keramiky Vlákna se nejčastěji používají skleněná, kovová, polyamidová (PPTA – Kevlar), bórová (drahá, používají se jen na speciální, náročné letecké díly). Budoucnost patří karbidokřemíkovým (SiC) vláknům. Biomateriály Jsou to nové druhy materiálů, které musí splňovat požadavky jak z hlediska medicínského, tak inženýrského. Z dnešního ohledu je zařazujeme mezi kovy, pasty a keramiku, nověji i kompozity. Kovy mají dobré mechanické vlastnosti a z toho důvodu patří mezi nejrozšířenější implantátový materiál. Je jen obava ze vzniku elektrochemické koroze. Z ocelí sem patří austenitická korozivzdorná ocel (u nás Poldi AKV ULTRA2), pro nástřiky se hodí ocel 11 523 – mikrolegovaná. Dále sem patří slitiny kobaltu, titanu (u nás Poldi T90), slitiny titanu a niklu na dráty používané v ortopedii, chirurgii, dentální chirurgii apod. Polymery vykazují z pevnostních vlastností podstatně nižší hodnoty. Výsledky výzkumů ukazují, že v živé tkáni se ještě zhoršují. Mezi využívané plasty patří zejména: − polyetylen (kyčelní kloub, kyčelní jamka, vlákna) − epoxidová pryskyřice a uhlíková vlákna − porézní polysulfon (jako nanášecí hmota na různé vroubkované čepy). Keramika je považována za bioaktivní materiál. Výzkumy ukázaly, že mají s kostním tkanivem stejnou chemickou konstituci a že může po určité době nastat růst nové tkáně. Mezi perspektivní keramické materiály patří: − oxidická (Al2O3) keramika − nitridická (Si3N4) keramika Kompozity jsou nejnovějším typem biomateriálů (biokompozity). Jádro kompozitu vyhovuje velmi dobře požadovaným mechanickým vlastnostem, zejména pevnostním. Povlak je tvořen bioaktivní anorganickou nebo bioinertní keramikou. Př.: Slitina kobaltu (Co + Cr + Ni) + nitrid titanu (TiN) – kolenní kloub Slitina kobaltu (Co + Cr + Ni) + hydroxylapatit – kyčelní kloub
Inteligentní materiály Rok 1992 se stal mezníkem ve výzkumu nových tzv. inteligentních materiálů 1) . Lze hovořit o materiálech 21.století. Co to jsou inteligentní materiály? Ve stručnosti to jsou materiály vybavené logikou, která umožňuje změnu materiálových vlastností na základě změn vnějších podmínek.
Logický systém rozpozná a rozliší, že je třeba, aby materiál plnil novou funkci. Dá tedy materiálu příkaz, ke změně struktury materiálu, který příkaz splní. Koncepce inteligentního materiálu je založena na přírodních systémech rozpoznat změny jak v nich, tak v jejich okolí a na schopnosti reagovat na tyto změny. Takový materiál musí proto umět: získat informaci o dění (vjem) získanou informaci rozpracovat (analyzovat a rozhodnout) provést rozhodnutí Typickým příkladem inteligentního materiálu jsou čočky v brýlích reagujících na častou změnu intenzity světla. Pracují automaticky jako odezva na změnu vnějšího prostředí (světlo, tma), bez jakéhokoliv odděleného zásahu (řídícího zařízení). Materiál heliovarových čoček je proto typickým příkladem inteligentního materiálu. 1)
V roce 1992 byly poprvé publikovány výzkumné práce na toto téma (Tokio). Inteligentní materiály = inteligent (smart, clever) materials. Tento termín se stále více vyskytuje ve spojení s konstrukcemi nebo stavbami. Hovoří se o inteligentních budovách, letištích, o inteligentním způsobu výroby polymerů apod.
