oceľ

C/Fe fázový diagram, s podmienkami na vytváranie jednotlivých fáz. Pre nekonečne pomalé zmeny teploty.

 

Železo a uhlík

Uhlík je najvýznamnejšia legúra. Kvalita ocele nezávisí len od obsahu uhlíka, ale aj od spôsobu tepelnej úpravy.

Na obrázku sú jednotlivé fázy:

1. α - čisté železo - alfa železo
2. γ - austenit
3. * - ledeburit
4. po † - ferit
5. nad † - perlit
6. I - tavenina

Na grafe je vidieť tzv. V-čkovú charakteristiku, tá sa vyskytuje pri systémoch, ktoré sú úplne rozpustné len tekutom stave a málo rozpustné v stave tuhom (pozri eutektikum).

V podstate sa tento diagram dá rozložiť na časti:

• Eutektická - pod taveninou, s eutektikálou na 1150 °C, obsah uhlíka 4,3 %
• Eutektoidná - tuhá premena fáz, pod γ-oblasťou, s eutektoidou na 723 °C, obsah uhlíka 0,8 %
• Peritektická - pomerne malá oblasť vľavo hore (delta kryštály) s peritektoidou okolo 1430 °C.

Tieto fázy sa ale objavujú len pri nekonečne pomalom ochladzovaní/ohrievaní. Pri rýchlom ochladzovaní (kalení) vzniká napr. martenzit, ktorý zvyšuje tvrdosť. Pri pomalom ochladzovaní pri austenitických oceliach sa obyčajne zvyšuje húževnatosť.

Pre dynamické priebehy sa používajú TTT diagramy. Poloha TTT diagramov sa dá predstaviť tak, že kolmo na binárny diagram dáme ešte časovú os ("vystupuje" z obrázku). Tie sa dosť silno menia podľa obsahu uhlíka a legúr. V tých sa objavujú aj medzistupne ako napr. bainit.

Výrazný vplyv má mangán, ktorý robí oceľ austenitickou aj pri väčšom obsahu uhlíka a podporí tvorbu martenzitu aj pri pomalom ochladzovaní..

Priveľa uhlíka všeobecne zvyšuje krehkosť, t. j. znižuje vrubovú húževnatosť, tento problém sa netýka tvárnej liatiny.

Pridáva sa buď vo forme nauhličovadiel do taveniny alebo sa nechá povrchovo nasiaknuť do austenitizovanej oceľe (napr. pri cementácii).

Legovacie prvky

Bližšie informácie v hlavnom článku: Legovanie

Pri výrobe rôznych druhov ocelí (podľa účelu) sa používajú rôzne legovacie prvky (legúry), ktoré sa pridávajú do taveniny za účelom úpravy vlastností ocele. Legúry sa pridávajú väčšinou priamo vhodením do železnej taveniny. Niekedy sa legúra taví ťažšie ako železo alebo opačne. Tam sa buď používajú triky, ako eutektizácia, pri ktorej ale nevznikne čistá zliatina. V prípade nedostatočnej rozpustnosti legúry v tavenine ocele je nevyhnutné použiť práškovú metalurgiu. Hovorí sa tomu aj sinter.

• Tvrdosť

Tvrdosť sa zvyšuje legúrami: vanád - vďaka karbidácii, volfrám - extrémne tvrdé karbidy, dokážu ešte rezať aj žeravé do červena

• Pevnosť

Pevnosť sa zvyšuje legúrami mangán, chróm, nikel, ale aj dodatočnými mechanickými úpravami napr. studené valcovanie a tepelnými úpravami napr. kalenie. Teoretická pevnosť železa pri ideálnej kryštalickej mriežke (výpočítaná hodnota) je okolo 40000 N.mm^-2. Najpevnejšia oceľ na trhu má 1500 N.mm^-2.

• Oteruvzdornosť

Táto vlastnosť je potrebná pre súčiastky namáhané odieraním (napr. šachtové spoje) alebo pri obrábacích nástrojoch kde sa opotrebováva ostrie. Na zlepšenie tejto vlastnosti využívame legúry: Uhlík - martenzit, ale aj cementit, Kobalt, Vanád, Volfrám

• Žiaruvzdornosť, žiarupevnosť

Obyčajná oceľ stráca pri tepelnom zaťažení (už pri 300 °C) vlastnosti - hlavne tvrdosť a pevnosť (motory, turbíny ...). Žiarupevnosť sa zlepší po pridaní legúr: nikel, volfrám, chróm, molybdén, vanád. Nominálna pracovná teplota pre také ocele je od 300 °C do 550 °C. Ocele nad 550 °C sú už vysokoteplotné ocele. Nad 800 °C je už väčšina ocelí nepoužitelná. V laboratórnych podmienkach sa dá vyrobiť oceľ, ktorá ešte pri 1000 °C má cca 500 N.mm^-2, ale vyrába sa extrémne ťažko (na viacero výrobných krokov a po tvrdom vymustrovaní).

• Elasticita

Elasticita je vlastnosť ktorá udáva, pokiaľ až možno oceľ deformovať tak, aby sa vrátila do pôvodného stavu. Túto vlastnosť využívame napr. pri pružinách. Pre zlepšenie elasticity sa oceľ leguje kremíkom.

• Špeciálne legúry

Horčík - podporuje tvorbu gulôčkového grafitu pri tvárnych liatinách (liatinách vlastnosťami podobných oceli), Berýlium - Cu-Be- zliatiny ocele, spomaľuje únavu materiálu (pri opakovanej zmene zaťaženia), napr. pri pružinách

 

Rozdelenie ocele

Podľa obsahu uhlíka

• Podeutektoidné - s obsahom uhlíka pod 0,8 %
• Eutektoidné - 0,8 % uhlíka
• Nadeutektoidné - medzi 0,8 % a 2,06 %

Podľa legovania

• Nízkolegované
• Vysokolegované - nad 5% legovacích prvkov

Podľa upokojenia

• Upokojené - kyslík bol odstránený
• Neupokojené

Podľa použitia

1. Automatové ocele - ocele určené na dodatočné trieskové obrábanie
2. Ocele na zušľachtenie - ocele určené na dodatočné tepelné spracovanie
3. Cementačné ocele - ocele určené na spevnenie opotrebovávaných dielcov. Málo legované alebo nelegované ocele s menej ako 0,25% uhlíka, na povrchu sa cementujú (nauhličia) a zakalujú. Aj po zakalení majú dobré plastické vlastnosti.
4. Konštrukčné ocele - ocele pre stavebné konštrukcie a strojné, pre použitie je rozhodujúca aj ekonomickosť
5. Nitridačné ocele - extrémne tvrdé a oteruvzdorné. Tvrdosť 750 HV až 1200 HV.
6. Pružinové ocele - vysoká hranica elesticity.
7. Nekrehnúce ocele (kryoocele) - ocele čo pre nízke teploty nekrehnú. Nelegované do -60 °C, nízkolegované do -120 °C a vysokolegované do -250 °C.
8. Ložiskové ocele
9. Nástrojové ocele - ocele na výrobu nástrojov, či už na trieskové obrábanie alebo ručné náradie
10. Potravinárske ocele - špeciálne ušľachtilé ocele s nulovým obsahom ťažkých kovov a škodlivých prímesí
11. Hlbokoťažné ocele - ocele na lisované plechy, napr. pre výrobu karosérií áut. Väčšinou nízkouhlíkové ocele.

 

Súčasnosť

Výroba

Základ

V súčasnosti sa oceľ vyrába dvojako - buď sa ako prvotná oceľ (len jej základ) vyrába vo vysokých peciach. Vlastne len surové železo - to sa potom skujňuje a upokojuje a potom sa pridávajú legúry. Tu sa používa LD-Konvertor alebo v poslednej dobe Corex.

Siemensove-Martinove pece sú dnes už beznádejne zastarané.

Alebo sa oceľ presne namieša v elektrických peciach. Táto metóda je malo- a strednosériovej produkcii dosť často používaná pre svoju ekonomickú flexibilitu.

Donawitzova metóda (LD-Konvertor)

Do taveniny konvertora sa dlhou tenkou trúbkou - kopijou - fúka 98% kyslík. Ešte sa pridáva šrot a ruda, aby sa zredukoval podiel surového železa. Kyslík reaguje so železom a vzniká pritom oxid železa FeO, ktorý spaľuje nežiaduce prímesi a to v tomto poradí:

• Kremík - 2FeO + Si → SiO₂ +2Fe
• Mangán - FeO + Mn → MnO + Fe
• Uhlík - FeO + C → CO + Fe
• Fosfor - 5 FeO + 2P → P₂O₅ + 5Fe
• Síra - 2 FeO + S → SO₂ + 2 Fe

Pri tejto metóde musí byť ale ešte dodávaná tavenina, aby dávka nevychladla. Hotová oceľ sa potom vyleje z konvertora do panvy na ďalšie spracovanie. Max. kapacita konvertora je cca. 250t.

Cenovo skoro najvýhodnejší spôsob výroby ocele pre veľké množstvá.