Surové železo Surové železo je bezprostřední produkt tavení železné rudy s koksem, vápencem a dalšími přísadami ve

vysoké peci Má vysoký obsah uhlíku víc jako 2,14 %, typicky i více jako 3,5 % Vlivem vysokého obsahu uhlíku je tvrdé a křehké, při ohřátí na teploty 1150÷1250°C se taví bez přechodu

přes tvárný stav Proto, ho není možné tvářit za tepla ani za studena Nazývá se tedy nekujné železo a jeho přímé použití je velmi omezené. Je však východiskovým materiálem

pro výrobu ostatních druhů technického železa Průměrné složení surového železa: 3÷4% C, 0,5÷ 2% Si, 1% Mn, 0,1% P a pod 0,05% S

Výroba

Surové železo se vyrábí ve vysokých pecích redukcí železných rud oxidem uhelnatým nebo uhlíkem při vysokých teplotách. Do technologického procesu vstupují následující suroviny s obsahem železa:

Základní suroviny pro výrobu železná ruda – nejčastěji magnetit, hematit, limonit a siderit ocelový odpad – nejčastěji okuje ale také silně znečištěný železný šrot pyritové výpražky – odpad při výrobě kyseliny sírové a obsahují až 60 % železa vysokopecní prach – získaný přečištěním vysokopecního plynu vzduch – potřebný pro udržení hoření, struskotvorné přísady – umožňující lepší oddělení hlušiny a popela a vytvoření strusky (vápenec) koks – který, plní tři úlohy:

1. slouží jako palivo pro dosažení potřebné teploty - do vysoké pece se vhání předehřátý 2. uhlík z něho vstupuje do reakce jako redukční činidlo 3. uhlík z něho nauhličuje vyrobené čisté železo

Vysoká pec - postup Při výrobě reagují oxidy železa s CO a uhlíkem ve vysoké peci Do spodní části se vhání předehřátý vzduch na 1000÷1300°C Vysoká pec se nepřetržitě automaticky plní vrstvami koksu, železné rudy a vápence Spalováním koksu se v dolní části vysoké pece dosahuje teploty 1700÷1900°C Struska i roztavené železo se z vysoké pece vypouštějí zvlášť, přibližně každé 2h Hutníci mluví o odpichu železa a strusky

V pásmu nižších teplot se železné rudy redukují CO a to:

Nepřímá redukce (CO2 se ihned redukuje uhlíkem na CO, který znova redukuje rudu) 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 FeO + CO → Fe + CO2

Přímá redukce uhlíkem (stoupá spotřeba koksu) provádí se pouze v omezené míře

FeO + C = Fe + CO reakci se říká uhlíková reakce Pokud bude obsahovat C, bude pokračovat neustále do určité doby, kdy zjistím, že obsah C je dostatečný, nalije se do velkoobjemových nádrží, kde se srovnává chemický obsah a začne se v krystalizátoru tvořit krystalizační proces, pak už jde materiál na válce. Dříve se nalévala ocel do kokil a vznikl nám tzv. ingot

Postup pro zpracování surového železa Surové železo se dále zpracovává v kyslíkovém konvertoru zde se mění chemické složení surového Fe snižuje se obsah C, Si, P, S a upravuje obsah Mn

Další způsoby zpracování viz. první prezentace: Výroba oceli

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 nežádoucích prvků se děje jejich oxidací Oxidačním činidlem je FeO (přidává se ve formě

rudy do vsázky, nebo vzniká oxidací vsázky během tavení) FeO oxiduje nežádoucí součásti vsázky:

uhlík: FeO + C → Fe + CO (CO probublává = uhlíkový var) křemík: 2FeO + Si → 2Fe + SiO2 → do strusky mangan: FeO + Mn → Fe + MnO → do strusky

Desoxidace (tzv. přidání oxidačních činidel) Děj, při kterém zastavujeme uhlíkový var prostřednictvím přidání prvků Prvků, které mají vyšší příbuznost k O než má Fe (Pokud nesnížíme desoxidací obsah FeO dostatečně

hluboko, proběhne při poklesu teploty reakce: FeO + C → Fe + CO → uhlíkový var) uskutečňuje se přidáním FeMn (feromangan), FeSi (ferosilicium) a Al do lázně CO v tuhnoucí tavenině probublává v počátku tuhnutí do atmosféry. Po ztuhnutí zůstává uzavřen v oceli a tvoří bubliny. Podle toho, jak hluboko je snížen v oceli obsah FeO, rozdělujeme tvářené oceli na: uklidněné zcela zastavena uhlíková reakce polouklidněné desoxidační činidlo není dostatečně silné neuklidněné vyrábí se bez desoxidace nebo jen s velmi omezenou desoxidací

Neuklidněná ocel

Je pro ni typické, že obsahuje v odlitých ingotech bublinky CO, tyto bubliny se odstraňují přetvářením za tepla a tím se svaří

Tato ocel se vyznačuje velkými rozdíly v chemickém složení, velké odmíšení obsahu fosforu a síry někdy i nestejné složení obsahu uhlíku a tím i struktura

Uklidněné oceli

Uklidnění – do oceli v druhé části tavby přidám prvek, který nám bude působit deoxidačně (př. Al) FeOAlAlFeO 323 32

protože je Al2O3 lehčí než tavenina, vyplave na povrch v podobě strusky Uklidněná ocel nemá ve svém průřezu žádné bublinky CO, ocel o rovnovážnějším chemickém složení za

cenu větší objemové změny vznikají větší stažení

Polouklidněné oceli

Jejich výroba je podstatně náročnější výhodou je, že se spojuje to co je na obou předchozích typech výhodné

Způsob dezoxidace ovlivňuje tvar a rozložení vměstků, zejména ovlivňuje tvar zde obsažených sulfidů (kulových, nepravidelných, v podobě řetízků)

Každá ocel má uvedeno Konvertorová ocel nebo Siemens-Mart., nebo Elektroocel, dále zda se jedná o uklidněnou,

polouklidněnou, neuklidněnou

Definice oceli Ocel je definována jako materiál, u kterého hmotnostní podíl Fe je větší jak kteréhokoliv prvku Zaokrouhluje se obsah uhlíku do 2%, tato slitina obsahuje i jiné prvky Oceli jsou nejčastěji používanými kovovými materiály pro konstrukce Legováním uhlíkem a dalšími prvky a kombinací tepelného a tepelně-mechanického zpracování je možno

ovlivnit vlastnosti ocelí v širokém rozmezí a tak jejich vlastnosti přizpůsobit zamýšlenému použití Hustota oceli je 7850 kg/m³ Ocel je polikomponentní materiál kovové i nekovové prvky pocházející z výroby ocelí a ze surovin pro

výrobu ocelí kritéria rozdělení prvků Fe-C:

Požadované vlastnosti ocelí pro ocelové konstrukce vysoký modul pružnosti E dobré plastické vlastnosti A (tažnost), Z (kontrakce) dobrá houževnatost - nárazová práce KV, KU mez únavy sC odolnost proti porušení křehkým lomem - tranzitní teplota odolnost proti opotřebení dobré kluzné vlastnosti odolnost proti korozi nízká hmotnost aj.

Doprovodné prvky

Prospěšné – Mn, Si, Al, i Cu, kontroverzními i P a S Škodlivé - S, P, N, O2, H

Oceli rozdělujeme dle chemického složení

Nelegované Legované

Přísadové prvky (prospěšné)

Cr, Ni, Mo, W, V, Ti, Al, ale i Niob, Zirkonium, B Přidáváme pro ovlivnění a zlepšení vlastností:

mechanické vlastnosti, obrobitelnost, tvářitelnost, korozivzdornost, žárupevnost, creepového chování zvýšení prokalitelnosti legovanými prvky a snížení kritického rozpadu austenitu Cr, Ni do 0,3 % W,V, Mo, Al kolem 0,1% Cu, Pb do 0,4 %

Nečistoty (škodlivé)

Fosfor Horní hranice obsahu P je 0,04% fosfor se rozpouští ve feritu v BCC mřížce nevytváří v ocelích zvláštní fáze, soustřeďuje se po hranicích zrn austenitu, zhoršuje vlastnosti

způsobuje zkřehnutí U litin je obsah P v desítkách zlepšuje slévárenské vlastnosti litin, jsou i litiny kde je i 1% P, vytváří

samostatné fáze, vytváří tzv. steadity

Steadity

CFePFeFePFeFe

33

3

Tuhnou za nejmenších možných teplot, zlepšují u odlitků vlastnost zabíravost Jsou, tvrdé fáze zlepšují odolnost proti opotřebení, ale mají nižší houževnatost ovlivňují součinitel tření Jsou charakteristické pro litiny s lupínkovým grafitem

Sýra Obsah síry z materiálu snižujeme prostřednictvím strusky z oxidu vápenatého CaO část síry se vyváže na Fe, a na Mn, jako FeS a MnS tyto sulfidy jsou snadno schopny plastické

deformace za tepla při velké redukci jsou schopny vytvářet tzv. vlákna ojediněle kulovité částice nebo nepravidelné tvary sulfidů případně tvar řetízků sulfidů

zhoršuje mechanické vlastnosti, svařitelnost u litých ocelí je sulfidů celá řada

Hranice obsahu sýry : ocel 0,4÷0,6%

: litina 0,1÷0,15%

Kyslík Nezůstává u oceli v atomární podobě, tvoří se oxidy FeO (wistit) – základní činitel, který umožňuje

získat ocel získá se foukáním kyslíku na hladinu roztavené kaše

222 SiOFeSiFeOMnOFeMnFeO

COFeCFeO

Obecně platí – oxidy jsou tvrdé a křehké, jsou netvářitelné Oxidy způsobují degradaci oceli Dusík

U nelegovaných ocelí nepřípustný (hranice do 0,006%) u nízkouhlíkových ocelí je také nepřípustný protože je příčinou děje tzv. stárnutí oceli. rozpouští se ve feritu, je příčinou fází se železem u nízkouhlíkových ocelí se zvyšuje tvrdost, hodnotu

kluzu ale snižuje se schopnost tváření za studena zjemňuje nám zrno

Vodík Je většinou rozpuštěn ve feritu v atomárním stavu, má snadnou pohyblivost za běžného stavu NH4 přítomnost se projevuje ve zhoršení vlastností i jako vodíková koroze vodíková nemoc

Nelegované

do určitého mezního obsahu daného prvku meze v % - Mn do 1,65 % nelegovaná; Si do 0,5%

MnO, SiO2 jsou základní oxidy oxidické vměstky – tyto oxidy ztuhlé v oceli Al2O3

Legované Vliv legujících prvků na základní hmotu

Binární systém

Fe – M

Obecný legující prvek

Fe - Fe3C - M

Intermediární fáze

Karbidy (karbidotvorné prvky) Částečně se rozpouští v cementitu (Fe3C), nahrazují Fe tvoří karbidy:

speciální (jednoduché), např. TiC, Mo2C, NbC ap., komplexní (složité), např. (CrFe)7C3, (CrFe)23C6, (FeMn)7C3, (FeW)6C

Nitridy Nelegované oceli vylučují se dusíkem z přesycených roztoků (austenitu, feritu)

vznikají nitridy železa (Fe16N2, Fe4N) legované (mikrolegované) oceli vznikají speciální nitridy, např. AlN, CrN, VN, TiN, NbN

Binární systém Fe – M (Gama – oblast austenitu)

Prvky austenitotvorné prvky, které zcela otevírají oblast Gama – Ni, Mn, Co prvky, které oblast Gama pouze rozšiřují – C, N, Zn rozšiřují oblast existence austenitu snižují teplotu eutektoidní přeměny ovlivňují koncentraci uhlíku v eutektoidním bodě

Prvky feritotvorné prvky, které zcela uzavírají oblast Gama – Cr, Si, Al, W, Mo, V, Ti prvky, které oblast gama zužují – Ta, Zr, B, S, Ca, O rozšiřují oblast existence feritu zvyšují teplotu eutektoidní přeměny ovlivňují koncentraci uhlíku v eutektoidním bodě

Mn a Ni krystalická mřížka kubická plošně středěná (FCC) - stejného typu jako Gama, atomární typ jako Fe v ocelích tyto prvky podporují vznik austenitu austenitotvorné druhým vlivem austenitotvorných prvků je, že klesají překrystalizační teploty

Austenit (za normální teploty a charakteru) tuhý roztok uhlíku v železe γ krystalová mřížka austenitu má plošně středěnou strukturu FCC mřížka jeho krystaly jsou světle šedé barvy, měkké, houževnaté a tvárné je to nemagnetická fáze slitiny uhlík – železo je nemagnetický vysoká nárazová práce KV tažný, houževnatý, vysoká tažnost až 40%

Precipitační rozpad přesyceného tuhého roztoku (přesycený stav = nerovnovážný stav)

Precipitace Precipitace je rozpad přesyceného tuhého roztoku při ohřevu na teploty nižší, než je teplota solidu pro

danou slitinu hlavní podmínkou vzniku precipitace je existence přesyceného tuhého roztoku, který se při zvýšených

teplotách začne rozpadat z přesyceného roztoku se začne vylučovat ta fáze, která bude bohatší na prvek, kterým je původní fáze

přesycena podoba této precipitující fáze se však nebude tvořit přímo, ale přes několik mezistupňů, jejichž struktura

se postupně přibližuje struktuře konečné rovnovážné fáze

Přesycený roztok vzniká Buď rychlým ochlazením u slitin, jejichž koncentrace leží v rozmezí křivky poklesu rozpustnosti nebo bezdifuzní přeměnou tuhého roztoku s vyšší rozpustností přísady na tuhý roztok s nižší rozpustností

přísady - např. přeměna austenitu na přesycený ferit (tj. martenzit)

Důvody a průběh rozpadu přesyceného tuhého roztoku přesycený tuhý roztok je nerovnovážný soustavy (slitiny) mají snahu existovat v rovnovážném stavu rozpad posouvá přesycený tuhý roztok směrem k rovnováze

Precipitace (kontinuální) proces, při němž probíhá: difuze atomů přísadového prvku mřížkou přesyceného tuhého roztoku hromadění atomů přísad ve vhodných místech (např. v okolí poruch mřížky) vznik drobných částic příslušné intermediální fáze vznik precipitátů

Stárnutí oceli rozumíme tím rozpad přesyceného tuhého roztoku

Podstata stárnutí

Interakce intersticiálních atomů uhlíku a dusíku precipitace rovnovážných případně nerovnovážných struktur dusíkem a uhlíkem

Základní druhy stárnutí

a) Stárnutí po rychlém ochlazení v důsledku přesycení feritu uhlíkem a dusíkem

b) Deformační stárnutí (po tváření za studena) Dochází k němu v důsledku zvětšeného množství dislokací ve feritu poces starnutí souvisí s tím, že jsme dali do pohybu dislokace porušili jsme Cottrelovy atmosféry když jednou již zatížený materiál znovu zatížíme (s minimální časovou prodlevou), není problém,

materiál je schopen další plasticity pokud ovšem necháme časovou prodlevu, dojde k zvýšení Re znovu totiž vznikly Cottrelovy

atmosféry odbouráme žíháním (mezioperační žíhání) snížíme obsah dislokací, vrátíme materiálu původní vlastnosti

c) Podle výšky teploty při, kterém stárnutí probíhá Přirozené (pohyblivost atomu dusíku a částečně uhlíku)

vyvolávají se změny v mechanických vlastnostech: jedná se o zvýšení tvrdosti, meze kluzu, meze pevnosti, klesá tažnost, plasticita (schopnost

tváření), houževnatost (hodnota nárazové práce) Při zvýšených teplotách

700°C přesycený tuhý roztok ochlazení nerovnovážného stavu Dusík a Uhlík je rovnoměrně rozložen ve Feritu, při tahové zkoušce takováto ocel má vyšší mez kluzu, vyšší pevnostní vlastnosti

Začátek stárnutí

Postupné obsazování dislokací intersticiálními atomy dusíku a uhlíku vytvoření Cottrellových atmosfér

Probíhá při 20°C řádově v měsících

1) Dusík a Uhlík je rovnoměrně rozložen ve Feritu, před začátkem přeměny (rozpadem), posléze se začínají shlukovat kolem dislokací (Cottrellovy atmosféry)

2) Vznik nehomogenního tuhého roztoku

3) Vylučování velmi jemných částic, nestabilních karbidů, nestabilních nitridů Fe2,4C..karbid; Fe16N2….nitrid

4) Z epsilon karbidu vznikne cementit, z nitridu Fe4N za 20°C velice dlouhý proces, teplota tento proces pozitivně ovlivňuje (150÷200°C)

Fe2,4C + karbit + přechodový nitrid Fe Nerovnovážné precipitáty jsou koherentní Precipitační rozpad přesyceného feritu urychluje tváření za studena Namáháme-li, nízkouhlíkovou ocel ve vyžíhaném stavu tahem, objeví se výrazná mez kluzu

I. Nízkouhlíková ocel ve vyžíhaném stavu (především zkouška definující napětí – tahová zk.) II. Po zatížení ihned po odlehčení má tahová zkouška lineární průběh až po ReL a dále navazuje na zkoušku I.

III. Ponecháme-li stav I. Delší dobu na pokojové teplotě, znovu se vytvoří Cottrellovy atmosféry a objeví se znovu výrazná mez kluzu předcházející plastické deformaci

Přestárnutí

Klesá vrubová houževnatost, klesá tranzitní přechodová teplota, roste vrubová citlivost přestárlosti se zbavíme vyžíháním nad F dostaneme velice jemnozrnnou ocel vystárlí materiál má tendenci se trhat hliník nám pomáhá zbavovat se tohoto nežádoucího důsledku Al 0,15% naváže na sebe dusík a vznikají

nitridy hliníky, které nám nevadí vznikají desoxidační oceli uhlík vyvážeme niobem, titanem

a.. po rychlém ochlazení; b.. po vystárnutí

Austenitizace Cílem je získat homogenní austenit, který má chemické složení ve všech místech stejné. Tento děj se

vyjadřuje v kinetickém diagramu austenitizace 1) Austenitizace perlitu 2) Překrystalizace feritu na austenit 3) Rozpuštění cementitu na austenit

Základním pochodem je tvorba zárodku a jejich růst zárodkem austenitu je mřížka železa gama, tyto zárodky vznikají na hranicích zrn mezi fázi cementitu a

feritu austenit základ železa gama příbuznost austenitu a feritu, podle krystalové mřížky Austenit roste do feritu, z důvodů podobnosti cementit se rozpouští a sytí zárodky austenitu když to sledujeme z hlediska času, rychlosti transformace je rychlejší než rozpouštění celý tento proces popisuje diagram Austenitizace (austenitizační diagram) který, je základním úkonem při

všech působení TZ s rekrystalizací jde o přeměnu feriticko-cementitickou (perlitické) struktury na austenitickou

Při eutektoidní oceli probíhá přeměna perlitu na austenit při teplotě 723°C U podeutektoidní oceli za teploty A3 U nadeutektoidní oceli za teploty A1 následuje rozpouštění sekundárního cementitu, po dosažení teploty Acm se rozpouští na Austenit, přeměna má difuzní charakter tvorby zárodků, jde o heterogenní nukleaci

Strukturní poruchy

Na hranicích fází (perlit - cementit) Hranice zrn strukturních součástí a to buď stejných nebo rozdílných (ferit – cementit)

Zárodky austenitu vznikají v perlitické struktuře bezdifuzní přeměnou fcc, bcc

Nad teplotou A1 se přeměňuje perlit výchozí struktury na austenit a při dalším ohřevu mezi A1 a A3 dochází k postupnému rozpouštění feritu na Austenit (pro litiny tyto obrázky neplatí)

Eutektoidní ocel

)( 3PP CFeFP směs

lamelární struktura První zárodek austenitu má nízký obsah uhlíku odpovídající obsahu ve Feritu, Austenit vyrůstá difúzním posuvem mezifázového rozhraní Austenit + Ferit ve směru feritické lamely a podél hranice feritu a cementitu. Součastně se sytí Austenit uhlíkem z rozpouštějící se koncentrace Cementitu. Až rozpustí veškerý cementit tak koncentrace dosáhne eutektoidní teploty.

Austenitizační diagram = Kinetický diagram austenitizace (pro Eutektoidní složení 0,765%C)

Ti – inkubační doba doba potřebná k začátku austenitizace křivka 1 As – austenit start – objeví se 0,5% Austenitu Křivka 2 Označuje 99,5 % Austenitu YZ – probíhá postupné rozpouštění 0,5% cementitu na austenit v místě Z mám nehomogenní austenit ZK – postupná homogenizace vyrovnávání difuzí po dosažení bodu K mám homogenní austenit

(Nejrychleji probíhá přeměna u ocelí zušlechtěných se strukturou jemného sorbitu (směs Feritu a Cementitu), nejpomaleji zrnitý perlit. Rostoucí obsahy C až do Eutektoidní koncentrace urychluje austenitizaci. Austenitizaci stěžují karbidotvorné prvky Mn, Br, W, V)

Austenitizace feritu Pouze pro podeutektoidních ocelí, časove se opožďuje za austenitizací perlitu Děj je umožněm nestabilitou krystalové mřížky Přeměna krystalové mřížky Fe-alfa na Fe-gama

Rozpouštění cementitu u nadeutektoidních ocelí Typická nástojová ocel, nelegovaná 1%C, P- 0,765%C

Austenitizační zrno a jeho velikost + druhy zrn

Rozhoduje velikost zrna austenitu jemné, hrubé měříme střední délku (průměr vepsané kružnice), plochu a objem zrna ovlivňuje celou řadu vlastností

Primární zrno austenitu Zrno vzniklé po odlití vzniká při průchodu krystalizace a rekrystalizace procesu chladnutí

Sekundární zrno austenitu Zrno, které vzniká v důsledku ohřevu výchozí struktury (20°C) se sekundárním zrnem se pojí, jestli je to:

ocel jemnozrnná dědičně jemnozrnná ocel hruběná dědičně hrubozrnná Dědičnost - primární vlastnost daná již výrobou (ovlivňuje desoxidace)

APF ohrev

AP ohrev vytváří se sekundární zrno austenitu

ACFeP ohrev sec3

Vliv teploty na velikost sekundárního austenitického zrna

b – do velkého přehřátí zůstává zrno stejné, poté velmi rychle zhrubne a – plynulé hrubnutí zrna se vzrůstající teplotou

dochází ke zjemnění zrna austenitu Jestliže se jedná o oceli uklidněné - pomocí Al, je průběh podle b pak jsou dědičně jemnozrnné oceli polouklidněné - pokud jsou nezoxidovány, průběh podle a oceli jsou dědičně hrubozrnné Dědičně znamená, že při jakémkoliv dalším ohřevu budou průběhy stejné

Celí proces řídí difůze průběh austenitizace austenitizační rovnice Eutektoidní ocel

HNPPP AACFeACFeF )()( 33

Podeutektoidní ocel

HNPPP AAAFCFeAFCFeFF )()( 33

Nadeutektoidní ocel

sec33

sec33 )()( CFeCFeACFeCFeF PPP

HN AACFeA sec3

Přeměny přechlazeného austenitu

Tvorba proeutektoidních fází Tvorba feritu mezi teplotami A3 a A1 tvorba cementitu mezi teplotami Acm a A1 difuze všech prvků

Perlitická přeměna Malé přechlazení pod A1 difuze všech prvků

Bainitická přeměna Větší přechlazení pod A1 omezená difuze (uhlík ano, železo a ostatní prvky ne)

Martenzitická přeměna Velké přechlazení pod A1 nulová difuze všech prvků

Přechlazený austenit

Je takový, který získám v důsledku ochlazování homogenního austenitu (přednostně) a jehož vylučování předchází vlastnímu eutektoidnímu rozpadu austenitu

Dílčí procesy Alotropická přeměna mřížky Fe-gama (FCC) na mřížku Fe-alfa (BCC) proběhne vždy, bez ohledu na

rychlost ochlazování a teplotu přeměny změna rozpustnosti uhlíku, tvorba cementitu difuze přísadových prvků (substitučních obtížněji, intersticiálních snadněji) silná závislost na teplotě

přeměny

Tvorba preutektoidních fází vlivy

Velikosti sekundárního austenitického zrna rychlosti ochlazování daný obsah uhlíku v oceli

Tři rozhodující tvary zrn 1) Síťový po hranicích zrna 2) Tvar jehlic nebo desek – Widdmannstattenova struktura 3) Polyedrická zrna

Síťový vznikne, když je hrubé austenitické zrno a nízká ochlazovací rychlost Ferit mírně snižuje mez kluzu, prakticky neovlivní mez pevnosti Cementit vliv na nárazovou práci – negativní podstatně snižuje nárazovou práci

Roste jako obálka sekundárního zrna

Widdmannstattenova struktura Vznikají obdobně hrubé austenitické zrno a rychlejší chladnutí, mnohdy stačí ochlazení na vzduchu významné snížení houževnatosti, nárazové práce, v technické praxi u odlitků, u nedodržení podmínek

v teplotně ovlivněné vrstvě při svařování

Polyedrická zrna Jemné austenitické zrno, při vyšších i nižších teplotách na hranicích zrn optimální struktura

Po ukončení proeutektoidní přeměny je ve zbývajícím austenitu eutektoidní obsah uhlíku a může proběhnout přeměna austenitu na perlit

Perlitická přeměna Eutektoidní rozpad austenitu na perlit PA nikoliv za teplot A1, ale nižších a nikoli za teploty

konstantní, ale v pásmu teplot, konec tvorby perlitu může být až za teplot 550°C (značné přechlazení)

Mechanismus Plně difundující přeměna nukleace a růst zárodků

Na hranicích austenitického zrna se tvoří zárodky součastně jak feritu tak i cementitu zárodky nukleují na hranicích zrn a to v místech, kde dochází k fluktuaci (rozložení) obsahu uhlíku růst kolonie, tedy střídavá tvorba feritu a cementitu

Řízení perlitické přeměny – ovlivňování vlastností ocelí Zmenšení velikosti austenitických zrn zmenšení velikosti perlitických kolonií zmenšení mezilamelární vzdálenosti λ růst pevnosti a zpravidla i houževnatosti roste obsah C roste pevnost až na hodnoty 900÷1000 MPa, (ale existuje maximum - předčasné lomy) roste rychlost ochlazování (klesá teplota přeměny) klesá λ pokles teploty pod 550 °C (prakticky nelze uvažovat difúzi v Fe) BAINIT Ovlivňuje mi to transformační teplota při vyšších teplotách dostávám hrubá zrna lamelární perlit při nižších teplotách jemná zrna při vyšší ochlazovací rychlosti jemná zrna lamelárního perlitu při nižší ochlazovací rychlosti hrubá čím jemnější je perlit, tím vyšší je jeho tvrdost a tím i pevnostní charakteristiky, ale také tažnost

Bainitická přeměna směs fází B.F (bainitický ferit)

B (bainit) K (karbid) Fe3C karbid Fe2,4C

Bainit - nelamelární feriticko-cementitická směs vzniklá přeměnou přechlazeného austenitu v intervalu teplot 550 °C - Ms (Bainit = nerovnovážná nelamelární směs deskových nebo jehlicových (laťkových) krystalů více nebo méně přesyceného feritu a drobných částic karbidů)

bainitický ferit nerovnovážný ferit, je mírně přesycen uhlíkem bainitický ferit nukleuje na hranicích zrn austenitu a roste střihovým (smykovým) mechanismem

je to přeměna s částečnou difuzí (něco difunduje a něco nedifunduje – Fe a substituční přísady) difuzní přeměnou se přemění pouze atomy uhlíku

zbABA (Azb …zbytkový austenit austenit, který se nepodrobí této přeměně)

Na vliv jestli vznikne ta či ta kombinace má vliv transformační teplota Při vyšších teplotách a pomalejším ochlazování vzniká Horní bainit, je tedy vedoucí fáze. Při snížení teploty na 350°C a nižší, tam vzniká tzv. Spodní (dolní) bainit V okolí rostoucí desky vzrůstá koncentrace uhlíku, vytvářejí se podmínky, aby se na povrchu začaly vytvářet krátké destičky cementitu převládá jejich růst (jehlic). Zbytkový austenit zůstane uzavřen mezi deskami. (viz. obr.)

Hodnocení struktur mechanických vlastností - (optimální kombinace pevnosti a houževnatosti) H.B (Horní bainit) méně tvrdý, méně pevný, ale je s vyšší tažností a kontrakcí (houževnatostí) S.B (spodní bainit) tvrdší, vysoce pevný, velmi nízké hodnoty tažnosti (houževnatosti)

(hrubý perlit jemný lamelární perlit horní bainit spodní bainit martenzit roste tvrdost

Martenzitická přeměna Martenzit, je přesycený intersticiální tuhý roztok uhlíkem dochází ke změně krystalické mřížky nerovnovážná fáze, představuje vždy přesycený tuhý roztok (intersticiální) Fe – C, Fe – N přeměna austenitu na Martenzit je bezdifuzní přeměna MA z austenitu vzniká tetragonální Martenzit + Austenit zbytkový, tedy: zbcc ATMA )(

má vliv teplota ochlazení, přeměna je teplotně závislá (konečná teplota) pokud budu mít více jak 0,6% C, tak musím podchladit materiál, aby mohl v celém průřezu vzniknout martenzit (viz. obr.)

martenzitická přeměna probíhá až rychlostí zvuku v kovech martenzit vzniká při ochlazení Austenitu nadkritickou ochlazovací rychlostí, to je taková rychlost, kdy je

potlačen jakýkoli difúzní přechod (Martenzitická struktura je charakteristická vyšším vnitřním pnutím, zbytkový Austenit je druhá nejměkčí

struktura hned po feritu) Ms – Martenzit start – začátek tvorby Martenzitu Mf – Martenzit finish – konec tvorby Martenzitu (Pod teplotou Mf se už dále nic nemění)

Homogenní smyk Austenit má krystalickou mřížku plošně středěnou (FCC) homogenním smykem dojde k posuvu

atomů Fe, C se neposune a vznikne krystalická mřížka tetragonální (BCT) atomy Fe jsou umístěny v rozích a atomy C jsou v intersticiálních prostorách

;

Mechanismus tvorby martenzitu Tvoří se desky, jehlice, přeměna začíná vždy na hranicích zrn

Martenzitická deska může maximálně vyrůst na protější stranu zrna, rostou tak dlouho, až na sebe tyto desky narazí

Azb )( Czb TMA VV

Objem zbytkového austenitu je menší, než objem tetragonálního martenzitu při martenzitické přeměně narůstá objem čím více je C, tím je změna objemu větší, i větší jak 5% Martenzitické desky způsobí v zrnech tlak, martenzit roste až do doby, kdy už nemá v zrnu prostor. Zbytkový Austenit zůstává ve struktuře z důvodů objemové změny nárůstu objemu, protože se martenzit tvoří postupně, vyvolají rostoucí desky martenzit s větším měrným objemem vnitřní pnutí na okolí A a v konečné fázi nedovolí zbylému Austenitu transformovat zbytkový Austenit

Tvrdost martenzitu je určována obsahem uhlíku

Čtyři stádia popouštění martenzitu

I. (do 200°C) rozpad tetragonálního martenzitu na kubický martenzit

a přechodový ε-karbid Fe2,4C zmenšení měrného objemu, mírné snížení tvrdosti

II. (200÷300°C) rozpad zbytkového austenitu na strukturu bainitického typu 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 jemný změna tvaru feritu z jehlic na polyedrická zrna (zotavování, rekrystalizace) změna tvaru cementitu – z tyčinek na zrna + jejich růst pokles pevnostních charakteristik, růst deformačních charakteristik a houževnatosti

IV. (nad 500÷600°C) zvýšení tvrdosti sekundární tvrdost sorbit hrubý

Pro uhlíkové oceli rekrystalizace a hrubnutí zrn feritu, hrubnutí částic cementitu hrubý sorbit snižování pevnostních a růst deformačních charakteristik

Pro nízkolegované oceli legování cementitu dalšími prvky (Mn, Cr apod.)

Pro legované a vysokolegované oceli vznik speciálních karbidů s mřížkou odlišnou od cementitu

Transformační diagramy IRA a ARA

IRA diagram

Izotermický rozpad austenitu rozpad austenitu za konstantní teploty

ARA diagram

Anizotermický rozpad austenitu rozpad austenitu za plynulého ochlazování danou ochlazovací rychlostí Jsou to kinetické diagramy závislost teploty na čase

1) Ukazují počátek a konec tvorby daných fází vzniklých rozpadem austenitu 2) Ukazují podíly (poměry) jednotlivých produktů určité přeměny (pro úplné diagramy) 3) Ukazují doplněné hodnoty tvrdosti

Kinetická křivka perlitické a bainitické přeměny ti – inkubační doba

IRA diagram pro ocel o eutektoidním složení

Křivky začátku (s-start) a konce (f-finish) 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 Budu vycházet s homogenního Austenitu, prudce ochladím na teplotu pod A1 a provedu výdrže. Pro každou tuto teplotu přechlazení zjistím, kinetické křivky a z těchto kinetických křivek použiji doby začátku a konce doby přeměny (za izotermických podmínek Martenzit nevzniká) Nos křivky má nejkratší inkubační dobu + největší rychlost přeměny H.L.P Hrubý lamelární perlit < 20 HRC J.L.P Jemný lamelární perlit 3040 HRC H.B Horní bainit 4045 HRC S.B Spodní (dolní) bainit < 60 HRC

Základní vlivy na polohu křivek

Obsah uhlíku Začátek přeměn posunut v čase doleva Začátek přeměn posunut v čase doprava (kratší čas) (delší čas)

Přísadové legující prvky Všechny prvky s výjimkou Al a Co, posouvají IRA diagram doprava tj. k delším časům (Ni a Cu nějak tvarově neovlivní, jen posouvají diagram poprava) Ostatní prvky Cr, W, Mo, V, Ti nejen posouvají diagram doprava, ale mění i tvar změna tvaru spočívá

v postupném oddělování perlitické a bainitické přeměny s přibývajícím množstvím těchto legur

Vliv austenitizační teploty Hrubnutí zrna při vyšších teplotách Vlivem hrubšího austenitického zrna se zvýší stabilita austenitu diagramy se posunou doprava k delším

časům

ARA diagram pro ocel o eutektoidním složení

Udává počátky a konce rozpadu (viz IRA) když porovnám ARA a IRA diagram o stejném složení platí: ARA diagramy jsou proti IRA posunuty

k delším časům a nižším teplotám

Vk – kritická ochlazovací rychlost V1<V2<V3<V4<V5 Plynulým zvyšováním rychlosti měníme strukturu a tvrdost

1. H.L.P 2. J.L.P 3. J.L.P+B+T.M+AZ 4. B+TM+AZ 5. TM+AZ

Přeměny při popouštění

Popouštění Ohřev oceli, která byla martenziticky zpracovaná ohřev na teploty pod A1, výdrž na této teplotě a ochlazení buď na vzduchu, nebo v peci cílem popouštění je provést rozpad martenzitu i zbytkového austenitu a získat strukturu, která bude mít

nižší tvrdost a pevnost a vyšší charakteristiky houževnatosti, odstranit vnitřní pnutí a křehkost

T (°C) (T.M + e-karbid + Azb) 1. do 200 T.M + Azb K.M + Azb Sferoidizace 2. 300200 K.M + Azb K.M + B Koagulace 3. 400300 K.M + B S + B 4. 400A1 S

1. Do 200°C

T.M – uvolňuje se uhlík v podobě karbidu Fe2,4C v tetragonálním martenzitu se sníží obsah uhlíku změní se krystalická mřížka v prvním stádiu popouštění vzniká kubický martenzit zmenšování měrného objemu, celkově se tvrdost prakticky nemění klesá nepatrně

karbidMNMT .. (N.M – nízkouhlíkový martenzit)

karbid Fe2,4C K.M

2. 200÷300°C Teploty leží nad teplotou martenzit start za těchto teplot Azb transformuje na bainit, je doprovázeno za zvětšení objemu Azb B výskyt bainitu je doprovázen zpomalením procesu poklesu tvrdosti, u legovaných ocelí dochází

k nárůstu tvrdosti, uvolňuje se výrazněji vnitřní pnutí

3. 300÷400°C Vede k zásadní změně kubického martenzitu na sorbit Sorbit směs feritu a cementitu (F+Fe3C) vzniká z martenzitu mechanické vlastnosti: měrný objem klesá, pokles tvrdosti, nárůst houževnatosti

MNMT .. karbid F + Fe3C Sorbit si zanechává vzhled jehlicovitý

4. 400÷700(A1)°C Sorbit

Sferoidace (sféra-sférodizace) Jev související s tvarovou změnou cementitu destičkovité útvary cementitu se mění na kulovité

Koagulace Děj související s celkovým počtem částic cementitu na jednotku objemu celkový počet se zmenšuje a

průměrná velikost částí roste ve struktuře už nejsou jehlice, ale zrna feritu s rostoucí popouštěcí teplotou postupně hrubnou

Popouštěcí křivka uhlíkové oceli

Projevuje se jev tzv. popouštěcí křehkost odchylka od teoretického průběhu hodnot nárazové práce KV

v určitých teplotních rozmezí směrem dolů (k nižším hodnotám) největší odchylka v oblasti nízkých teplot okolo 300350°C

Nízkoteplotní popouštěcí křehkost Souvisí se změnami na hranicích původního austenitického zrna příčinou poklesu houževnatosti jsou vyloučené částice cementitu, zejména ty které jsou vyloučeny podél

hranic austenitického zrna tato popouštěcí křehkost způsobuje mezikrystalový rázový lom (interkrystalický) zkřehnutí po hranicích zrn

tato křehkost je neodstranitelná je to proces nevratný důsledek: tomuto teplotnímu rozmezí (200400°C) se vyhýbáme

Vysokoteplotní popouštěcí křehkost

IIa – Izotermická má maximum při teplotě 550°C a souvisí s výdrží na teplotě 550°C odstraníme přidáním určitých prvků, zejména Mo případně W

IIb – Anizotermická při pomalém ochlazování z vyšších popouštěcích teplot příčina: Fosfor segreguje na hranicích zrn, kromě toho se v oceli nachází i další nečistoty jako Sn, An, B

oslabují hranici -- vazebné síly na hranici austenitického zrna (vytváří samostatné fáze) tato popouštěcí křehkost je vratná a je odstranitelná

Základní způsoby tepelného zpracování Tepelné zpracování děj související s ohřevem Ohřev, výdrž na dané teplotě a záměrné ochlazování dle způsobu TZ abych záměrně ovlivnil strukturu a

požadované vlastnosti u legovaných ocelí je horší tepelná vodivost (čím více legur, tím horší je tepelná vodivost) je nutný

stupňovitý pochod ohřevu (stupně bývají 1÷ 3)

Pochody rozdělujeme

1) Žíhání 2) Kalení 3) Popouštění 4) Zušlechťování 5) Povrchové kalení 6) Chemicko tepelné zpracování

Žíhání Proces ohřevu za dané teploty a po dané výdrži ochlazení nejčastěji na vzduchu, výjimečně v peci

a) Bez překrystalizace - žíhání na měkko (ohřev na teploty pod A1) - žíhání na snížení vnitřního pnutí

- žíhání rekrystalizační

b) S překrystalizací - žíhání normalizační (normalizace) - homogenizační (difúzní) - rozpouštěcí žíhání

a) Žíhání na měkko

Cíl je co nejmenší tvrdost oceli do 0,35% C žíhání kvůli lepší schopnosti tváření za studena oceli nad 0,35%C z důvodů lepší opracovatelnosti ohřejeme těsně pod A1, případně kolísáme kolem A1

cílem je změna tvaru cementitu v perlitu

a) Žíhání na snížení vnitřního pnutí

Tepelné pnutí Vznikne v důsledku rozdílné teploty povrchu a vnitřku (středu) jsou to tahová a tlaková pnutí

Strukturní pnutí Jsou vyvolány vznikem struktury, nejmenší při vzniku feritu, největší při vzniku martenzitu vnitřní pnutí nelze odstranit, lze jen snížit sečtením vnějších a vnitřních sil a vnitřních napětí může vést k porušení materiálu žíhání na snížení vnitřního pnutí se provádí za teplot 600650°C, prohřev cca 1hod a pomalé

ochlazování – řízené (v peci)

a) Žíhání rekrystalizační

Nesouvisí se změnou fází, ale se změnou tvaru zrn a změnou orientace v jednotlivých zrnech provádí se po plastické deformaci po tváření za studena tento materiál se vyznačuje anizotropií rozdílné vlastnosti v podélném a příčném směru rozdílná

mez kluzu a nárazová práce rekrystalizační proces se provádí za teplot 550700°C (1h/0,5h), zde nesmí dojít k procesu žíhání na měkko získám jemnozrnnou strukturu s nahodilou orientací

b) Normalizační žíhání (nejběžnější) Ohřev do teplotního pásma 3050°C nad A3 a Acm z důvodu zjemnění zrna a odstranění nežádoucích tvarů – výdrž abychom dostaly homogenní austenit

a ochlazení, nejčastěji na vzduchu (u nelegovaných ocelí) u podeutektoidních ocelí normalizačním žíháním získáme rovnoměrné zrno feritu a perlitu u nadeutektoidních dostaneme jemné zrno perlitu a rozbije se nám síťové zrno cementitu odstraněním

nežádoucí Widdmannstattenovy struktury (desky F a Fe3C) pozitivně ovlivní hodnotu meze kluzu, zvýšení hodnoty nárazové práce (křehkému lomu)

b) Homogenizační

Provádí se pro velkorozměrné odlitky, ingoty, výkovky ohřev na velmi vysoké teploty 1100÷1150°C a dobou až 20hodin – dochází k difuzi – vyrovnání

chemického složení mezi povrchem a středem sjednocení struktury v každém průřezu je stejné chemické složení negativa: okujení, dochází k oduhličování struktury

b) Rozpouštěcí U vysoce legovaných ocelí, rozpouštění karbidů, strukturu musím fixovat, je vždy ochlazení do vody

Kalení

Kalící teploty

Volí se u ocelí podle složení, zejména podle obsahu C

U podeutektoidních 3050°C nad A3 U nadeutektoidních 3050°C nad A1

Cíl kalení

Získat strukturu martenzitu, minimálním obsah zbytkového austenitu zachovat strukturní složky fáze zabezpečující dostatečnou tvrdost (cementit) pro daný obsah uhlíku získat maximální tvrdost

Druhy martenzitického kalení (nepřetržité + přetržité)

Základní chyby z hlediska volby chladící teploty

Podeutektoidní oceli Vysoká teplota

Zhrubne austenitické zrno hrubý martenzit má vždy horší vlastnosti než požadovaný optimální podstatně větší vnitřní (tepelná) pnutí dochází k praskání

Nízká teplota Kalím z oblasti austenit - ferit ve výsledné struktuře kromě M+Azb jsou i feritická zrna ferit je

měkký nižší tvrdost (odstraníme překalením)

Nadeutektoidní oceli Vysoká teplota

Jsme v oblasti austenitu rozpustil se nám veškerý cementit tento austenit má vyšší obsah uhlíku (přesycený uhlíkem) zakalím na M+Azb, ale v důsledku

nasycení uhlíkem se snižují teploty martenzit start a finish zvyšuje se výsledný podíl zbytkového austenitu

Ochlazovací prostředí (3 zákadní: voda, olej, vzduch) Odvádí ze součásti teplo nadkritickou ochlazovací rychlostí tato prostředí jsou pro různé tipy materiálů ocelím, kde používám, jako ochlazovací prostředí vzduch pak říkáme, že jsou samokalitelné pro zvýšení ochlazovací rychlosti u vody lze ještě docílit přidáním soli nevýhoda: tyto oceli se pak musí

opláchnout

Zakalitelnost a prokalitelnost

Zakalitelnost

Diagram závislosti tvrdosti na obsahu uhlíku dané kalené struktury, kde je dána maximální tvrdost dosažená při kalení

skutečná tvrdost po zakalení závisí kromě obsahu C také na obsahu Azb, velikosti austenitického zrna a podmínkách ochlazování

zakalitelnost lze určit na jakémkoli vzorku, který byl ochlazován nadkritickou rychlosti

Diagram zakalitelnosti

Prokalitelnost (zejména u konstrukčních materiálů)

Je to schopnost oceli dosáhnout určité tvrdosti do určité hloubky, pod povrchem, určuje se v mm u nástrojových ocelí bývá obvykle požadováno prokalení celého průřezu prokalitelnost závisí hlavně na chemickém složení oceli, velikosti nástroje a rychlosti ochlazování při kalení podstatně se zvyšuje zejména přísadou Cr, W, Mo, V, Ti

a[mm] – představuje hloubku prokalení pro konstrukční oceli

Postup zjišťování tvrdosti Jominiho zkouškou

Jominiho zkouška prokalitelnosti (čelní zkouška prokalitelnosti)

Váleček daných rozměrů (viz. obr. níže) se ohřeje na austenitizační teplotu, ponechání 30 minut, poté se vloží do kalícího přípravku tak rychle, aby doba po vyjmutí z pece byla maximálně 5s

v přípravku se ochlazuje na čele proudem vody o teplotě 5÷30°C až do vychladnutí (doba > 10min) tlak vody musí být seřízen tak, aby proud volně tryskal do výšky mm1065 nad ústí trysky o vnitřním

ø12,5mm po ochlazení se vybrousí na válcové části po celé délce dvě plošky každá do hloubky 0,40,5mm, na

kterých se změří tvrdost (HRC nebo HV) ve vzdálenosti 1,5; 3; 5; 7; 9; 11; 13; 15 mm od ochlazovaného čela a dále po 5mm tvrdosti se vynesou do diagramu – na svislou osu tvrdost na vodorovnou vzdálenost od čela a výsledkem je křivka prokalitelnosti

Uspořádání zkoušky prokalitelnosti Příklad znázornění křivek prokalitelnosti

Index prokalitelnosti J

Slouží ke srovnání různých ocelí udává vzdálenost od ochlazovaného čela Jominiho zkoušky na níž má být dosažená určitá tvrdost index je složen z písmene J a dvou skupin číslic udávajících tvrdost (HV, HRC) a vzdálenost od

kaleného čela J HRC – d, nebo J HV – d (d - v mm)

Pás prokalitelnosti

Z důvodu nestejného chemického složení taveb téhož materiálového listu není prokalitelnost stejná, je vymezena určitými hranicemi

provádí se více zkoušek a maximální a minimální hodnoty nám poté udávají pás prokalitelnosti v tomto pásu nám pak leží křivky prokalitelnosti dané slitiny

Prokalitelnost ovlivňují faktory

Chemické složení oceli Všechny prvky (Cr, W, Mo,V, Ti), které posouvají ARA diagram doprava – zvyšují prokalitelnost

Ochlazovací prostředí Pro danou velikost součásti zvyšuje prokalitelnost prostředí, které má větší ochlazovací intenzitu

(voda > olej > vzduch)

1,2 – hranice pásu prokalitelnosti, 3 – konkrétní křivka prokalitelnosti (čárkovaně je v pásu prokalitelnosti znázorněna jedna křivka prokalitelnosti dané slitiny) (pás prokalitelnosti oceli 14 240)

Teplota austenitizace Prokalitelnost je tím větší, čím větší je teplota austenitizace

Velikost Austenitického zrna Se stoupající velikostí zrn austenitu se prokalitelnost zvyšuje – avšak výsledný hrubozrnný martenzit

má podstatně horší vlastnosti

Bainitické kalení

Nepřetržité (plynulé = přímé) U materiálů, které mají výrazně předsunutý bainitický nos (v ARA diagramu)

Máme vždy strukturu tvořenou B + M + Az Přetržité

Využívá se v IRA diagramech, struktura je tvořena horním nebo spodním bainitem

Popouštění (kalení + NÍZKOZEPLOTNÍ popouštění)

Používá se po kalení, tedy kalení + nízkoteplotní popouštění

Nízkoteplotní popouštění Využívám nízkých popouštěcích teplot do 250°C u vyšší teploty se projeví popouštěcí křehkost používá se také označení napouštění

Vysokoteplotní popouštění Od 450°C až teplot A1 (723°C)

Zušlechťování (kalení + VYSOKOTEPLOTNÍ popouštění)

Používá se po martenzitickém kalení + vysokoteplotním popouštění volba popouštěcí teploty nám určí výsledné vlastnosti při nižších popouštěcích teplotách vysokoteplotního popouštění mám vyšší hodnoty meze kluzu, pevnosti

a tvrdosti a nižší hodnotu tažnosti, kontrakce a nárazové práce KV (KU) používá se k dosažení optimální kombinace pevnostních vlastností, houževnatosti a plasticity

Kalení (830÷860 °C) ochlazování - voda

Popouštění (530÷670°C) ochlazování - vzduch

Schéma TZ Zušlechťovací diagram

Povrchové kalení (martenzitické) Tepelné zpracování povrchových vrstev součásti. Ve středu zůstává struktura nezměněná, hloubka

prokalení 2÷3 mm

Důvody Zvýšit tvrdost proti opotřebení zvýšit hodnotu meze únavy nedovolení rozšiřování únavových trhlin vyšší odolnost proti dynamickým rázům

Postup Rychlý ohřev (nutný) povrchu součásti – plamenem (dříve), indukční ohřev (dnes), v technické praxi

pomocí laserů, a prudké ochlazení (sprcha)

Přetržité způsoby kalení (diagram ARA)

Tyto pochody provádím pro snížení vnitřních tepelných pnutí (lomené a termální kalení) čím větší je množství legur, tím je horší tepelná vodivost u vysoce legovaných ocelí je nutnou záležitostí

Lomené kalení

Do určité teploty ochladím razantním ochlazovacím prostředí (voda), poté přendání do mírnějšího prostředí (vzduch) nejprve rychleji a poté pomaleji pnutí není tak velké

Termální kalení

V termální fázi, jejíž teplota leží nad Ms se vyrovná teplota na povrchu a středu, poté se provede kalení Provádí se spíše pro legované oceli

Se zmrazením

Provede se kalení na 20°C, pro snížení zbytkového austenitu zmrazím minimalizace zbytkového austenitu. Popř. pokud materiál obsahuje větší množství %C tak se také provádí kalení se zmrazením Provádí se pro vyšší obsah %C

Indukční ohřev

Induktor Cívka (několik závitů) Pustíme proud dané frekvence v povrchu materiálu se indukuje proud stejné frekvence, ale opačného smyslu jako proud procházející

cívkou vyvolá velmi intenzivní tepelný efekt vedle induktoru se vyskytuje sprcha s chladivem

Laserové

Nevýhoda: dělá na součásti stopy od laseru, další stopa překryje tu první, která se součastně i popustí

Izotermické způsoby tepelného zpracování

Chemicko tepelné zpracování Provedu chemický děj a ten je v nejfrekventovanějších případech řízen difůzí, po tomto ději nastane

vlastní tepelné zpracování Tyto způsoby leží nad povrchovým kalením. Může se jednat o nekovy, polokovy nebo kovy

Nejznámější způsoby sycení Cementování – C – polokov Nitridování – N – nekov Nitrocementování Karbonitridování Sulfonitridování Tvrdé chromování...

Cementace

Nejrozšířenější způsob, při kterém se povrch nízkouhlíkových ocelí difuzně sytí uhlíkem za zvýšené teploty k cementování se používají oceli s nízkým obsahem uhlíku (< 0,25 hm. %) obvyklý rozsah cementačních teplot je 850÷950 °C tvrdost povrchu po cementaci dosahuje až 800 HV tloušťka cementované vrstvy se nejčastěji pohybuje v rozmezí 0,5÷1,5 mm

V jakých prostředích sytíme pevné prostředí prášek – dřevěné uhlí kapalné prostředí v lázních (solné) – NaCl, KCN plynné prostředí nejčastější vhodný poměr dvou základních oxidů CO, CO2

základní reakce 22 COCO C

Sypké prostředí – v prášku

Pro kusové sycení dřevěné uhlí mleté na určitou zrnitost do ocelové krabice se nasype tato směs vloží se součást, zasype, uzavře, dá se do pece zahřát na cementační teplotu

1.fáze – vznik oxidu CO2 (vyhoří kyslík) 2.fáze –CO2 se spojuje s uhlíkem z dřevěného uhlí a mění na CO, až se poruší rovnováha a uvolňuje se

nám C v atmosféře potřebné k nauhličování Výhoda: levné Nevýhoda: zkušenost, dlouhá doba nauhličování, povrch po cementování není kvalitní

Lázně

Dnešní době netoxické roztavené soli NaCO3+SiC při teplotách 850950°C – vlastní nauhličovaní proces používá se velice zřídka

Struktura nacementované součásti

Jedna ze základních chyb je přítomnost Fe3Csec ve struktuře zvyšuje křehkost u cementované součásti a praskání

sytíme až do obsahu 0,9%C, v případě, kdy by struktura chladla, pak by se nám cementit vyloučil na povrch, jenže součásti po cementaci chladnou na vzduchu

pásmo při 0,9% C je velmi úzké, toto pásmo přejde velmi rychle na Fe3Csec a nemá možnost se vyloučit

0,9%C – Perlit přesycen uhlíkem

0,7%C – jen Perlit

Směrem do jádra přibývá feritických zrn a ubývá perlitu

Chyby při cementaci

1) Přecementování 2) Ostrý přechod do jádra

Přecementování Přebytek uhlíku na povrchu po zchladnutí se nám objeví volný cementit, takováto vrstva způsobí destrukci součásti z důvodů trhlin

v povrchových vrstvách zvyšuje se křehkost a vede k praskání, cementační teplota je správná, ale cementační atmosféra má přebytek uhlíku

Ostrý přechod do jádra Sytíme z oblasti A+F nízká sytící teplota Pokud takto nacementujeme součást, tak se z povrchu začne při zatížení odlupovat celá vrstva vede

k lomu příklad: u nacementovaného ozubeného kola se nám poškození projeví nejdřív zvýšením hlučnosti poté vylomením zubu

Pod obsahem 0,45%C mám koncentrační skok na 0,2%C v jednom místě, tomuto místu se říká ostrý přechod do jádra

Tepelné zpracování součásti po cementaci Cementace

Dlouhodobý proces podle tloušťky i v 10tkách hodin jedno z úskalí hrubnutí austenitického zrna po cementaci

V důsledku legování určitými prvky jsme schopni zabránit zhrubnutí austenitického zrna při dlouhodobé cementaci

Dříve se to řešilo dvojím kalení, tedy: I. kalení na jádro II. kalení na povrch

Prvně se materiál zahřál na teplotu A3(0,2%C) po druhé na A1 (0,9%C), zároveň se přitom vysokoteplotně popustilo jádro. Poté se provádí nízkoteplotní popouštění. Tento postup je energeticky náročný dnes již slouží jen jako modelový příklad 1 – kalení přímo z cementační teploty; 2 – kalení s přichlazením; 3 – kalení s podchlazením; 4 – kalení po ochlazení z cementační teploty; 5 – dvojité kalení, a – kalení na jádro, b – kalení na povrch (vrstvu)

Dnešní postup při cementaci materiálu: 1) Zkrácené postupy tepelného zpracování 2) Tepelné zpracování na optimální strukturu povrchu

ad 2) Ohřejeme nad teplotu A3 a poté ochladíme na teplotu pod A1 (ochlazování na vzduchu) ohřejeme nad A1 (rozpustíme na austenit) a provedu kalení II, tehdy dostanu optimální strukturu. Po kalení II – na povrchu Martenzit se zbytkovým Austenitem a v jádře F+M+Azb

Nitridace Difúzní sycení povrchu dusíkem za zvýšení teploty Nitridují se oceli s obsahem uhlíku 0,3÷0,4 hm. % Obvyklý rozsah nitridačních teplot je 500÷ 550 °C Doba nitridace bývá relativně dlouhá (až 60 hodin) Tvrdost nitridované vrstvy se zpravidla pohybuje v rozmezí 1000÷1200 HV - Je závislá na obsahu legujících

prvků v oceli tvořících tvrdé nitridy (Cr, Al, Mo, V, W) tloušťka nitridované vrstvy bývá 0,2÷ 0,6 mm prostředí: plyn, lázeň (solná, netoxická), iontová nitridace

V plynném prostředí

Rozklad čpavku NH3: 23 322 HNNH

je to proces nízkoteplotní v běžném prostředí za teplot 500÷540°C schopnost difuze dusíku je menší dlouhá doba nitridace nitridační vrstvy jsou řádově v desetinách a setinách milimetru dusík difunduje do oceli a vytváří se nitridační vrstva, difunduje do feritu, dále se spojuje se železem a

vytváří sloučeniny na bázi nitridu Fe4N, tenhle nitrid není příliš tvrdý používají se přídavné prvky Cr, V, Al, kde nitridy těchto prvků jsou podstatně tvrdší než je nitrid železa, proto nitridované vrstvy mají větší tvrdost než vrstva cementovaná

V kapalném prostředí

Provádí se v roztavených kianidech

Iontová nitridace (IN)

Nitridují se součásti, které jsou již v zušlechtěném stavu nitridací již nedojde k (tepelnému) ovlivnění struktury typické pro IN je fialové zbarvení součástí v průběhu nitridace nitridační oceli musí nutně obsahovat Al, Cr, V, W kvůli zabránění vysokoteplotní křehkosti

1 – součástky 2 – vakuovaná komora 3 – zásobník se směsí H a N 4 – zdroj vysokého napětí

Zařízení – komora, která musí být vakuovaná, do této komory vložím součást, poté co odsaji vzduch, napustím dusíkovou atmosféru. V této fázi zahřejeme součást na danou teplotu, v případě IN jsou teploty nižší pod 500°C. Tento plyn se musí zionizovat, zapojím součást a komoru jako katodu a anodu, zionizovaný dusík má vyšší difúzní schopnosti, tímto způsobem se tento proces výrazně zkracuje.

Výhody nitridace proti cementaci vyšší tvrdost než při cementaci vyšší hodnota meze únavy nitriduje se při nízkých teplotách minimální deformace při nitridaci (změna tvaru) nitridované vrstvy jsou stabilní i při vyšších teplotách

Nevýhody nitridace proti cementaci vrstva je velmi tenká při místních zatíženích síly může dojít k prolomení této vrstvy velká doba nitridace (dlouhá)

Konstrukční oceli charakteristiky – požadavky a) pevnostní charakteristiky

mez kluzu mez pevnosti – méně vysoký modul pružnosti E dobrá tažnost (plasticita) dobrá houževnatost KU, KV odpovídající mez únavy

b) odolnost proti změnám teploty c) odolnost proti opotřebení d) dobré kluzné vlastnosti e) odolnost proti korozi f) požadavek nízké hmotnosti Splnění těchto požadavků není možné bez ovlivnění struktury některým tepelným zpracováním

Nízkouhlíkové oceli (obsah uhlíku do 0,25%) Svařitelné, hlubokotažné

Svařitelné oceli

Vlastnosti, požadavky požadovaná hodnota meze kluzu (běžné oceli mají Re < 350MPa) dobrá svařitelnost dobrá houževnatost i za teplot až -30 °C odolnost proti porušení křehkým lomem odolnost proti změnám vlastností za provozu stárnutí

Svařitelnost Zaručená svařitelnost do maximálního obsahu 0,22%C uhlík v tepelně ovlivněné oblasti (TOO) způsobuje zvýšení tvrdosti a snižuje plasticitu vznik vnitřních

pnutí vznik prasklin určuje nám ji především obsah uhlíku, kromě obsahu C ovlivňují další faktory: přítomnost dalších prvků v dané oceli (doprovodné, legující), tloušťka stěny chemické složení - k posouzení svařitelnosti používám tzv. uhlíkový ekvivalent

15)(

5)(

6%% CuNiVMoCrMnCCekv

(pro oceli o obsahu větším než > 0,18%C)

tPCuMoNiCrMnCCekv 0024,02

%13

%4

%15

%5

%6

%% (počítá se s t materiálu)

pro tloušťku materiálu do 25mm je Cekv < 0,45 a pro tloušťku do 37mm je Cekv < 0,41 pokud je splněna tato podmínka, tak poté může proběhnout svařitelnost (někde je zase uvedeno až Cekv < 0,5)

Otázka změn ve strukturách – stárnutí feritu tyto struktury musí mít dostatečnou odolnost proti stárnutí rozhodujícím kritériem je hodnota meze kluzu Re nad 300MPa

Způsoby zvýšení meze kluzu

Zjemnění feritického zrna Substitučním zpevněním feritu Precipitační zpevněním feritu Bainitickou nebo martenzitickou přeměnou

Zjemnění feritického zrna HALL – PEACH vztah

Re polikrystalického materiálu Dk

i Re i - třecí napětí (mez kluzu monokrystalu)

k - materiálová konstanta

D - střední velikost zrna feritu Čím menší budu mít velikost zrna, tím větší bude mez kluzu Re

Jak získám jemné zrno feritu podmínka: musí být jemnozrnná struktura austenitu řízené válcování (okolo 800°C)

Podmínka jemného austenitu válcováním, tzv. doválcovací teploty získám jemné zrno Austenitu po ochlazení jemné zrno feritu

Substituční zpevnění feritu

přidávají se prvky, které se rozpouští ve feritu základní prvek je Mn – od 1÷1,6% nahrazuje ve struktuře Fe, tím se ferit zpevňuje je zachována

dostatečně vysoká houževnatost, zvýšení meze kluzu 350÷400MPa

Precipitační zpevnění feritu

Vvyloučení velmi jemných karbidů Niobu, V uvnitř zrna, obsahy těchto prvků nepřesahují 0,2% karbidy se vylučují v průběhu chladnutí z válcovacích teplot je to doprovázeno s poklesem nárazové práce a houževnatosti

Bainitickou nebo martenzitickou přeměnou

Tímto způsobem můžeme dosáhnout meze kluzu až 500÷700MPa použití např. vysoce exponované tlakové nádoby, plynovody pro komplexně legované oceli

Zpevňující pochody v důsledku martenzitické přeměny Zjemnění zrna vysoká hustota dislokací působí legující přísady jako zjemňující prvek tyto oceli jsou vždy komplexně legované Cr – Mo – V atd.

Hlubokotažné oceli - oceli na hluboký tah Hlubokotažné oceli jsou používány na výrobu hlubokotažných plechů plechy musí vykazovat především dobré plastické vlastnosti tyto oceli jsou nízkouhlíkové s minimálním obsahem legujících prvků zlepšení mechanických vlastností a jejich stability se dosahuje mikrolegováním hliníkem, titanem,

vanadem, borem, zirkonem a niobem jsou to zejména materiály pro karosářské plechy u těchto ocelí se požaduje co nejnižší mez kluzu, poměr (Re:Rm)·100 ≈ 60%, tažnost min. 45%

(nejjakostnější oceli mají Re max. 160MPa) matrici tvoří ferit s malým množstvím perlitu bez vyloučeného Fe3CIII po hranicích (snižuje plastické

vlastnosti) je požadována odolnost proti stárnutí

Oceli cementační

Nízkouhlíkové oceli mají nízký obsah uhlíku do 0,25%C určeny k výrobě strojních součástí nebo dopravních prostředků s cementovanými činnými plochami po cementování se kalí a nízkoteplotně popouští po TZ mají díly vysokou tvrdost povrchové vrstvy a houževnaté jádro oceli musí být jemnozrnné

Prokalitelnost U uhlíkových ocelí se prokalitelnost nezaručuje legované oceli se dodávají bez nebo se zárukou prokalitelnosti

Legované a nelegované oceli k cementování

Nelegovaná ocel Malá prokalitelnost s ohledem na nízký obsah C mají ARA diagram posunut do leva nižší hodnoty pevnosti v jádře, abych byl schopen součást zakalit, musím kalit do vody problém

s tvarově složitými součástmi velká úroveň vnitřních pnutí nebezpečí praskání u těchhle uhlíkových cementačních ocelí se vyskytuje nestejná tvrdost zakalené vrstvy použitelné pro méně namáhané a méně rozměrné součásti

Legované 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 Výhoda: nejsou tolik citlivé na přehřátí

Přísadové prvky v ocelích hlavní funkce – zlepšit mechanické, fyzikální a technologické vlastnosti a omezovat vliv nečistot

Mangan

Austenitotvorný prvek tvoří karbidy (karbidotvorný):

při nízkých obsazích vstupuje do cementitu CMnFe 3, při vyšších obsazích tvoří karbidy Mn7C3 , Mn23C6

tento prvek způsobí, že i při normální teplotě je ocel austenitická tento prvek nám zvyšuje prokalitelnost Nevýhoda: zvyšuje sklon k vysokoteplotní popouštěcí křehkosti

Křemík

Je feritotvorný netvoří karbidy je to prvek grafitotvorný (karbid křemíku se sice vyskytuje, ale ne soustavě Fe-(Fe3)C ve feritu zvyšuje tvrdost, ale zvyšuje zkřehnutí brzdí rozpad Martenzitu

Chrom

feritotvorný a karbidotvorný Obdobně jako Mn se nám nejprve rozpouští v cementitu při nízkých obsazích CCrFe 3, od určitého obsahu se začnou tvořit karbidy speciální 37, CCrFe zpomaluje proces popouštění vyvolává efekt sekundární tvrdosti příznivě působí na odolnost proti korozi a žáruvzdornost (oxidaci za vysokých teplot) snižuje odolnost proti vysokoteplotní popouštěcí křehkosti (náchylnost), silně zvyšuje prokalitelnost ocelí

Nikl

Austenitotvorný prvek (stabilizuje austenit) velice drahý netvoří karbidy zpomaluje proces popouštění prokalitelnost mírně zvyšuje (nízký vliv) velmi výrazně zlepšuje houževnatost a to i v oblasti velmi nízkých teplot posouvá tranzitní teploty k nižším hodnotám zvyšuje odolnost proti korozi

Wolfram a Molybden

Jsou schopny vzájemného nahrazování feritotvorné prvky a karbidotvorné prvky

vytváří karbidy typu Mo2C, (W2C), karbidy jsou velmi stabilní při tepelném zpracování se tyto karbidy velmi obtížně rozpouštějí brání růstu austenitického zrna

zpomalují proces popouštění vyvolávají proces sekundární tvrdosti molybden odstraňuje vysokoteplotní křehkost

Vanad

Feritotvorný, karbidotvorný Tvoří karbidy typu V4C3 - jsou to jedny z nejtvrdších karbidů, jsou vysoce stabilní, brání růstu

austenitického zrna při popouštění se chová jako W, Mo vyvolává efekt sekundární tvrdosti zvyšuje prokalitelnost

Oceli k zušlechťování Jsou určeny k výrobě strojních součástí, které se tepelně zpracovávají převážně zušlechťováním

(martenzitické kalení + vysokoteplotní popouštění) případně jsou používány ve stavu normalizačně žíhaném (v tomto stavu jsou mechanické vlastnosti oceli

dány převážně obsahem uhlíku) základní požadovaná vlastnost - prokalitelnost

Zušlechtění

kalení + vysokoteplotní popuštění nad 400°C cílem získat sorbitickou strukturu, tato struktura má optimální kombinaci meze kluzu, nárazové práce a houževnatosti

Legující prvky

Si, Ni, Mn – zpomalují průběh popouštění (brzdí), stejná struktura při legování těchto ocelí ve srovnání s uhlíkovými ocelemi se při popouštění dostává až při vyšších teplotách

Cr, Mo, V, W, Ti, – prvky nejen že popouštění zpomalují, ale navíc se zúčastňují tvorby speciálních karbidů a vyvolávají efekt sekundární tvrdosti

Popouštěcí křivka

1. nelegované oceli 2. legované oceli 3. legované oceli Cr, Mo, V, Wo, Ti

V určitém pásu teplot legované oceli Cr, Mo, V, W, Ti.. dosáhne ocel vyšší tvrdosti než kalená ocel

Příčiny sekundární tvrdosti U prvků Cr, Mo, V, W, Ti, se zejména tvoří - karbid, z toho se pak začnou tvořit speciální karbidy za

vyšších teplot, jsou velmi jemné, např. V karbid jsme schopni pozorovat při zvětšení až 20 000x

Zbytkový austenit transformuje při vyšších teplotách 400÷450°C (posuv k vyšším teplotám) zbytkový austenit má stejné chemické složení jako martenzit, stejný obsah C a legur ve zbytkovém austenitu stejně jak v martenzitu se začnou vylučovat speciální karbidy po dochlazení z popouštěcích teplot transformuje zbytkový austenit na Martenzit

Oceli k zušlechťování (nelegované, legované)

Nelegované

Skupina ocelí s uhlíkem od 0,3÷ 0,6%C vhodné k výrobě menších mírně namáhaných součástí, mají schopnost prokalení pouze do vody, hloubka

prokalení při 0,6%C je od 0,2÷0,25mm

Legované

1. Oceli legované Mn a Si Zušlechtěný stav má vyšší houževnatost, tvárnost, ale pevnostní vlastnosti jsou plně srovnatelné tyto oceli jsou schopny prokalení do ø40 mm, menší průřezy můžeme kalit do oleje

2. Chromové (s Manganem) Jsou schopny v přísadě 2% Cr prokalitelnosti do ø50mm v oleji zvyšují se pevnostní vlastnosti a zvyšuje se otěruvzdornost zvláštní skupinu tvoří oceli na valivá ložiska přísné požadavky na přítomnost nekovových vměstků

3. Chrom – Molybden – Vanadové Hodnotné konstrukční materiály se schopností prokalení až ø60mm v oleji Použití na silně a středně namáhané strojní součásti

4. Nejkvalitnější oceli na bázi Niklu Prokalitelnost do ø 150mm vynikající odolnost proti rázům a schopnost práce za nízkých teplot

Pružinové oceli

Mohou pracovat jen v oblasti Hookova zákona, nesmí dojít k trvalé deformaci otázka meze únavy (proměnlivé zatížení)

Nelegované oceli - od 0,5÷ 0,9%C, jejich struktura po zušlechtění je daná sorbitem, nebo je daná velmi jemným perlitem (patentováním)

Legované oceli - %C podstatně nižší 0,3÷0,5%C, používají se v zušlechtěném stavu, rozhodujícím prvkem je Křemík s Chromem případně s Manganem kvalitě pružin rozhoduje čistota oceli

Oceli nitridační

Nitridují se oceli legované, základní prvky Al, Cr, V - tvoří stabilní nitridy až do teplot 600°C tyto oceli mají přísady Mo pro odstranění vysokoteplotní křehkosti

Vysokopevné oceli

Rozhodující je mez pevnosti, nad 1500÷3000MPa kromě vysoké pevnosti musí mít dostatečnou houževnatost, plasticitu, odolnost proti křehkému lomu je založeno na celé řadě zpevňujících mechanismů – substituční, dislokační, intersticiální

Rozlišujeme tři skupiny ocelí

1) Tepelně mechanicky zpracované oceli 2) Oceli optimálního složení - komplexně legované 3) Martenziticky vytvrditelné oceli - MARAGING STEEL

1. Tepelně mechanicky zpracované oceli

Kombinace mechanického zpracování tváření s příslušným uplatněním fázové transformace, kterou je martenzitické kalení

Vysoká pevnost se získá

Plastická deformace V oblasti stabilního austenitu, nebo v oblasti metastabilního (přechlazeného) austenitu

cílem je zjemnit zrno austenitu a zvýšit hustotu dislokací materiálu

Martenzitická přeměna Velmi jemný martenzit s vysokou hustotou dislokací, uplatňuje se mechanismus intersticiálního zpevnění

Následuje nízkoteplotní popuštění

Rozeznáváme dva pochody

Vysokoteplotní tepelně mechanické zpracování (VTMZ) Provádí se v oblasti kovacích teplot v Austenitu okolo 1050÷1100°C oceli s obsahem C pod 0,765% (podeutektoidní složení), vyznačují se nižšími pevnostmi 1500÷2000MPa po tváření se provede Martenzitická přeměna a nízkoteplotní popuštění základní podmínka - aby nezhrublo austenitické zrno

Ohřeji nad A3, provedu prokování – získám vysokou hustotu dislokací, po skončeném prokování provedu výdrž maximálně 30s (ne delší kvůli zhrubnutí austenitického zrna) a provedu vlastní kalení

Nízkoteplotní tepelně mechanické zpracování (NTMZ) Odstraňuje nám nebezpečí zhrubnutí austenitického zrna při vysokých teplotách !!! Pevnosti až 3000MPa !!! Nevýhody:

musí být chemické složení takové, aby byl bainitický nos ARA diagramu zasunut celý ARA diagram je posunut doprava jenom u ocelí legovaných tvářím za nízkých teplot vysoký výkon tvářecího stroje – materiál klade podstatně větší odpor

obsahy uhlíku 0,3÷0,6%C – oceli komplexně legované (několik legujících prvků)

Provedu ohřev nad A3, provede se ochlazení do teplot nad Ms, provedu vlastní prokování a dochlazení na vzduchu

2. Oceli komplexně legované

Oceli s výbornou prokalitelností jsou schopny zakalení na vzduchu nebo do oleje oceli s obsahem uhlíku 0,25÷0,45%C komplexní legování 3÷5 legujících prvků, je vždy přítomen Cr, Mo, alternující prvky Ni, V, Mn, Si, Oceli, které mají: Mn, Si - mají pevnost 2000MPa; Cr, V - mají pevnost 2400MPa TZ: martenzitické kalení + nízkoteplotní popuštění (pod 300°C)

Struktura Zvláštní 2 typy martenzitu 15÷20% je přítomen křehký deskovitý martenzit, jehož vnitřní struktura je tvořena dvojčaty druhý až 80% je tvořena jehlicovitým martenzitem, s výraznou hustotou dislokací – podstatně více

houževnatý

3. Martenziticky vytvrditelné oceli – MARAGING STEEL

Oceli kromě vysoké tvrdosti mají výbornou tažnost až 16%, houževnatost vyznačují se poměrně jednoduchým TZ a výbornou svařitelností tyto oceli mají obsah C 0,03%, tento obsah také určuje náročnost výroby jsou legovány vysokými obsahy základních přísad: 18% Ni, 8÷13% Co, 5% Mo, v těchto ocelích jsou i

přísady k vytvrzování Ti, Al a Niob

Ocel se tepelně zpracovává Provede se Austenitizace a po ochlazení na vzduchu dostaneme strukturu bezuhlíkatého martenzitu

(nízkouhlíkový martenzit) Ohřátí na 500°C vytvrzení martenzitu – aby se vyloučily komplexní sloučeniny Typické bezuhlíkaté sloučeniny (intermetalické fáze)

Oceli se zvláštními vlastnostmi Korozivzdorné a žáruvzdorné oceli

Korozivzdorné 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 Mezi korozivzdorné řadíme oceli schopné pasivování podmínkou pasivace oceli je min. 11,7 % Cr

rozpuštěného v tuhém roztoku

Koroze

degradační proces, je charakterizována jako povrchový děj týkající se celého průřezu materiálu Povrchová: nerovnoměrná, rovnoměrná, důlková, nožový charakter Mezikrystalová: jde po hranicích zrna až přes celý průřez materiálu Selektivní: napadá jen určité části

Korozní děje Oxidační děje

je plně řízeno difuzí probíhají v různých prostředí produktem jsou oxidy

Korozní prostředí

v suché atmosféře ve vlhké atmosféře ve vodě v technologickém provozu za zvýšeného tlaku atd. (značná množství)

Základní skupiny koroze

Chemická koroze Chemická koroze je chemická reakce probíhající mezi povrchem součásti a elektricky nevodivým

prostředím (nejčastěji plynem) za normálních, ale hlavně za vysokých teplot. Lze sem zařadit například tvorbu okují při tváření oceli za tepla

koroze v oxidačně působících plynech (vzduch, O2, CO2, SO, SO2, H2S) koroze v redukčně působících plynech (H2, CH4, NH4)

Elektrochemická koroze Při elektrochemické korozi je součást ve vodivém prostředí, tzn. v elektrolytu. Tento děj probíhá

při normální teplotě. Materiál koroduje, když se vytvoří galvanický článek (makročlánek, mikročlánek, submikročlánek)

koroze probíhající ve vodivých prostředích, tj. v elektrolytech (i v půdách)

Koroze elektronegativnějšího zinku ve spojení s ocelí

Tvorba rzi na oceli ve spojení s elektropositivnější mědí

Korozivzdornost Dostatečná odolnost vůči korozi elektrochemické za normálních teplot (20°C) a degradaci materiálu

Žáruvzdornost Odolnost vůči korozi chemické za zvýšených teplot (nad 600°C) – čistě oxidační děj (chemický děj)

Korozivzdorné a žáruvzdorné oceli dělíme

a) Chemického složení b) Podle struktury c) Podle tepelného zpracování

a) Chemického složení 1. Chromové oceli 2. Chrom – niklové s možnými přísadami Ti případně Niobu 3. Chrom – manganové – niklové

b) Podle struktury 1. Feritické 2. Austenitické 3. Dvoufázové Austeniticko-feritické

Feriticko- martenzizické 4. Precipitačně vytvrditelné

c) Podle tepelného zpracování 1. Tepelně zpracovávané

Feritické oceli – homogenizační žíhání (750÷900°C) s rychlým ochlazením Austenitické oceli – rozpouštěcí žíhání (950÷ 1150°C) s rychlým ochlazením Dvoufázové A-F oceli – rozpouštěcí žíhání (1000÷1150°C) s rychlým ochlazením a následně stárnutí Dvoufázové F-M oceli – žíhání naměkko, kalení a popouštění, příp. žíhání ke snížení pnutí Vytvrditelné oceli – rozpouštěcí žíhání (950÷1150°C) s rychlým ochlazením a následné precipitační

vytvrzování 2. Bez tepelného zpracování

Některé feritické oceli se tepelně nezpracovávají

Vliv přísadových prvků na strukturu korozivzdorných a žáruvzdorných ocelí

Feritotvorné prvky Prvky, které zvětšují oblast existence feritu, hlavním představitelem je Cr (Mo, Si, Nb, Ti, Al, Be, V, W)

Austenitotvorné prvky Prvky, které rozšiřují a otevírají oblast austenitu, hlavním představitelem je Ni (Mn, C, Cu)

Vliv feritotvorných a austenitotvorných prvků na strukturu ocelí znázorňuje Schaefflerův diagram

1) Chromové korozivzdorné oceli

Obsahy 13÷15%Cr a 0,1÷0,5%C (Martenzitické struktury) tyto oceli mají výbornou prokalitelnost Cr způsobuje korozivzdornost oceli ocel je legována Cr v dostatečném množství, hranice min.11,7% (legury) stav pasivity oceli – stav oceli

odolnosti materiálu proti vlivu prostředí (Fe se sytí Cr) aby nám nevznikali produkty koroze Fe vznikají charakteristické oxidy (několik typů) zabráníme tím tak, že ocel obohatíme Cr alespoň 12%,

obrátí se elektrochemický potenciál do kladné části (hodnot) ocel se stává odolná proti elektrochemické korozi stává se korozivzdornou

Příklad: vezmeme dva kousky nelegované oceli stejné kvality vložíme do solného roztoku, spojíme galvanometrem a zjistíme, že napětí je nulové poté vyměníme jeden kus za ocel ušlechtilou (legovanou) zjistíme, že tam již funguje elektrostatický

článek – klasický makročlánek – dvě oceli o různých kvalitách i rozdílných obsazích C

2) Chrom-niklové korozivzdorné oceli

Obsahy Cr 1÷25% a Ni ÷20% tato ocel je za normální teploty austenitická (nemagnetická) Cr – karbidotvorná s feritotvorná přísada Ni – netvoří karbidy a je austenitotvorné - stabilizuje austenit, posouvá dobu překrystalizace austenitu na

ferit k nižším hodnotám, až při vyšších obsazích stabilizuje austenit i za normální teploty Cr a Ni se dosahuje větší korozní odolnosti a vyšší houževnatosti a plasticity než u chromových ocelí

3) Oceli chrom manganové

Cr – Mn – Ni – snížen obsah niklu nahrazen manganem Mn je přísada austenitotvorná, zjemňuje austenitické zrno 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 výhodou je vyšší pevnost použití: do méně agresivních prostředí Provádí se pouze rozpouštěcí žíhání (základní TZ)

Tyto prvky tvoří základní typ karbidu Cr23C6

Při pomalém ochlazování po odlití, tváření nebo svařování se na hranicích zrn vylučují karbidy chrómu (převážně Cr23C6)

následkem toho může místně klesnout obsah chrómu v tuhém roztoku pod 12%, což znamená ztrátu schopnosti pasivace

Z austenitu se začnou vylučovat karbidy K1 na hranicích zrn

Řez diagramem Fe3C pro 18%Cr a 9%Ni

jestliže se takto vyloučí po hranicích zrn, může se objevit mezikrystalová koroze mezikrystalovou korozi způsobí právě přítomnost těchto karbidů když se vyloučí, odčerpají z austenitu

Cr, v jejich okolí klesne obsah Cr v Austenitu pod hranici 11,7% základní podmínka korozivzdornosti

3 způsoby zabránění vyloučení karbidů

a) Rozpouštěcí žíhání (oceli nestabilizované) ohřeji ocel na teplotu 1000÷1100°C s dostatečnou výdrží a poté ochladíme do vody (nevznikne Martenzit, protože oblasti Ms a Mf jsou hluboko v záporných hodnotách u velkých polotovarů je velké pnutí

b) Oceli stabilizované

Musím přidat takový prvek, aby příbuznost (afinita) k uhlíku byla byla podstatně větší než má Cr, a to je Ti případně Niob

Titan se při výrobě pojí na kyslík a na dusík kromě hlavní reakce s uhlíkem, tvoří karbidy TiC (5x těžší než C) vyváže se C (na TiC) a materiál nepotřebuje tepelné zpracování tento materiál nemá dobré technologické vlastnosti po svaření není odolný proti nožové korozi

c) Snížení obsahu uhlíku Obsah C do 0,05% vyznačují se korozivzdorností a žáruvzdorností až 950°C nemají příliš vysoké pevnostní vlastnosti (650MPa), mez kluzu je úměrně nízká (400Mpa)

musí se dosahovat zvýšení tvářením za studena vynikající vlastnosti houževnatosti, nemají tranzitní chování – nemají přechod ke křehkému lomu nevýhoda: drahé, náročná metalografie (vakuová)

Dělení podle struktury

Martenzitické oceli (0,15 ÷1,5 %C, 12÷18 %Cr)

Klady přijatelná cena možnost ovlivnění vlastností pomocí TZ široká oblast pevnostních hodnot

Zápory sklon k popouštěcí křehkosti sklon k vodíkové křehkosti sklon ke koroznímu praskání pod napětím

Použití Používají se hlavně na namáhané dílce v korozním prostředí (čerpadla, vodní turbíny) na drobné nástroje (nůžky, chirurgické nástroje, žiletky, atd.)

Feritické oceli ( 0,1 %C, 12÷ 30 %Cr)

Klady přijatelná cena vysoká žáruvzdornost (1100°C) dobrá korozivzdornost (i v prostředí S) odolnost proti korozi pod napětím (Cl-)

Zápory nízká mez kluzu nízká plasticita tranzitní chování sklon ke zkřehnutí (při ochlazování z T > 950°C a při 475°C)

Použití Používají se hlavně na rekuperátory málo namáhané součásti tepelných zařízení, topné odpory, atd.

Austenitické oceli

(≤ 0,1 %C, 12÷25 %Cr, 8÷30 %Ni) obsahy dané pro Cr-Ni oceli (≤ 0,1 %C, 10÷18 %Cr, 14÷25 %Mn) obsahy dané pro Cr-Mn-Ni oceli

Klady výborná svařitelnost vysoká houževnatost vysoká žáruvzdornost (až do 1150°C) žáropevnost (=zaručená Re při vysokých teplotách) (až do 750°C)

Zápory vysoká cena (vysoké množství Ni) nižší mez kluzu špatná tepelná vodivost obtížná obrobitelnost nejsou feromagnetické, jen paramagnetické sklon ke koroznímu praskání pod napětím

Použití v chemickém průmyslu (bez přítomnosti síry) součásti sklářských a keramických pecí topné odpory kuchyňské náčiní

Dvoufázové oceli

austeniticko-feritické (20÷30 %Cr, 2,5÷7 %Ni, Ti, Mo) 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 (poloferitické) (0,1÷0,4 %C, 7÷18 %Cr) Kombinují vlastnosti feritických a martenzitických ocelí lepší korozivzdornost než u martenzitických ocelí vyšší hodnoty pevnostních charakteristik než u feritických ocelí

Precipitačně vytvrditelné oceli (Cr-Ni základ + Mo, Cu, Al, Ti, Nb, V)

Požadavky na vysoké mechanické vlastnosti při zachování korozní odolnosti vedou ke komplexně legovaným Cr-Ni ocelím s velmi nízkým obsahem uhlíku

zpevněných intermediárními fázemi, na nichž se podílejí Mo, Cu, Al, Ti, Nb a V některé z těchto ocelí se řadí spíše mezi žáropevné

Vliv obsahu titanu na tvrdost Cr-Ni oceli po vytvrzování, při němž vznikají precipitáty intermediární fáze Ni3Ti

Žáruvzdorné oceli Žáropevné oceli odolávají creepu, při vysokých teplotách až do cca 750°C znamená to, že si zachovávají

až do těchto teplot dostatečné mechanické vlastnosti Jedná se o oceli legované většinou karbidotvornými prvky (Cr, Mo, V, W, Nb), které zajišťují stabilitu za

zvýšených teplot žáruvzdorné chromové a chrom niklové oceli žáruvzdornost ocelí způsobuje chrom, nikoliv však pasivací tuhého roztoku, ale ochranným povlakem

oxidů dalšími pozitivně působícími přísadovými prvky jsou hlavně Al a Si některé žáropevné oceli mají strukturu i chemické složení podobné ocelím korozivzdorným

(martenzitické, austenitické) se zvýšenými obsahy prvků tvořících stabilní karbidy odolnost proti chemické korozi při teplotách 1100÷1200°C Tyto oceli se využívají na parní potrubí, součásti parních nebo plynových turbín atd.

Creep je časově závislá trvalá deformace, ke které dochází za vysokých teplot (T > 0,4Tm) při konstantním

zatížení nebo konstantním napětí nižším než mez kluzu

Křivka tečení – creepová křivka je závislost poměrného prodloužení a času , získaná na základě výsledků série creepových zkoušek pro

konkrétní napěťové a teplotní podmínky (t

)

Nástrojové oceli

Rozdělení NO dle chemického složení

Nelegované nástrojové oceli Nízkouhlíkové (0,3÷0,6 %C) Středněuhlíkové (0,5÷ 1,1 %C) Vysokouhlíkové (1,0÷1,5 %C)

Legované nástrojové oceli Nízkolegované (do 5% legur) Střednělegované (5÷10% legur) Vysokolegované (nad 10% legur)

Rychlořezné oceli Oceli pro běžné použití Výkonné oceli Vysoce výkonné oceli (+Co)

Rozdělení dle použití (označení N“X“ …X – kde se bude nástroj používat)

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

Rozdělení dle druhu ochlazovacího prostředí

kalitelné do vody kalitelné do oleje kalitelné na vzduchu

Rozdělení dle druhu použití

Materiály na obrábění: na třískové obrábění řezný nástroj Na tváření: za studena, za tepla

Strukturní složky NO

Martenzit Žádoucí struktura - tvrdý, pevný, křehký

Zbytkový austenit Nežádoucí struktura (je měkký), jeho množství závisí na obsahu uhlíku a legujících prvků rozpuštěných

v austenitu po výdrži na kalící teplotě

Karbidy Žádoucí struktura, karbidy vyskytující se v matrici nástrojových ocelí jsou tvrdší než základní matrice,

takže zvyšují odolnost proti opotřebení jejich vliv je tím větší, čím vyšší je jejich tvrdost a plocha povrchu

Požadavky na vlastnosti

Otázka vysoké tvrdosti, pevnostních charakteristik, vysoké houževnatosti, prokalitelnosti tepelná stálost (odolnost proti popouštění), rozměrová stálost, tepelná únava, odolnost proti opotřebení

Charakteristiky jednotlivých vlastností

Tvrdost Výše optimální tvrdosti je dána způsobem a podmínkami namáhání nástrojů Tvrdost nástrojů po kalení závisí především na obsahu uhlíku a vzrůstá s jeho zvyšujícím se obsahem Legující přísady ovlivňují výrazněji tvrdost oceli tehdy, tvoří-li s uhlíkem karbidy. Používají se zejména Cr,

V, W a Mo

Pevnost Obdobně jako tvrdost závisí především na obsahu uhlíku (vzrůstá s jeho zvyšujícím se obsahem) a způsobu

tepelného zpracování Významně závisí rovněž na stavu povrchu, protože vysoce pevné materiály jsou citlivé na vruby

Houževnatost (rázová zkouška – Charpyho kladivo) Určuje odolnost nástrojů vůči mechanickým rázům (tj. proti tvorbě trhlin a jejich šíření) Houževnatost je důležitá hlavně u materiálů na nástroje pro stříhání a tváření Zvýšení houževnatosti lze dosáhnout zjemněním zrna, rovnoměrným rozložením jemných karbidů a

minimalizováním vnitřních pnutí, či přidáním Ni jako austenitotvorného prvku Nežádoucí je struktura s výraznou karbidickou řádkovitostí a přítomnost nečistot a vměstků

Prokalitelnost u celé řady NO požadujeme 50% prokalitelnost stejná od povrchu do jádra (na povrchu chci 100% a

v jádře chci min 50%) - pro úplnou prokalitelnost požadujeme 100% pro povrch i jádro Prokalitelnost závisí hlavně na chemickém složení oceli, velikosti nástroje a rychlosti ochlazování při kalení Podstatně se zvyšuje zejména přísadou Mn, Cr, Mo a W

Tepelná stálost = odolnost proti popouštění nástroje pro obrábění i pro práci za tepla pracují za zvýšených teplot, např.:

při soustružení se břit soustružnického nože může ohřát až na 550°C požadujeme, aby toto teplotní zatížení nevedlo ke strukturní změně a aby byla zachována dostatečná

tvrdost Definována teplotou, kterou materiál dlouhodobě vydrží 4 ÷8 hodin Dostatečná odolnost proti popuštění se dosáhne přísadovými prvky Cr, W, Mo, V a výjimečně Co

Rozměrová stálost

Změny struktur vlivem teplotních změn vyvolají změny tvaru a tím i rozměru U určitých typů nástrojů (tvarové, měřidla) vyžadujeme, aby se jejich tvar vůbec nezměnil žádné

tvarové změny

Tepelná únava obecná únava souvisí s proměnlivým cyklickým zatěžováním u nástrojů pracujících za vysokých teplot

Odolnost proti opotřebení (dva tipy – abraze, adheze)

Abraze Vydírání nástroje Působí zejména při zpracování materiálu za tepla a to především prostřednictvím oxidů z obráběného

materiálu - ty v důsledku tření vydírají nástroj

Adheze zejména u řezných nástrojů tření třísky o povrch nástroje (suché částečky se oddělují a přivařují se na

protikus)

NO dělíme dle:

1. způsobu výroby: tvářené, lité 2. chemického složení: nelegované – uhlíkové, lité

Oceli na nástroje pro obrábění: uhlíkové, legované

Nelegované - uhlíkové

Struktura neobsahuje žádný legující prvek vlastnosti ovlivňuji obsahem C chci-li vyšší houževnatost volím %C podeutektoidní koncentrace (~0,6%C) chci-li vyšší tvrdost volím oceli nadeutektoidní (1,21,5%C) tyto oceli mají nízkou tepelnou stálost, jsme schopni zatěžovat do teplot max. 250°C tyto oceli nevynikají žádnou vyšší prokalitelností nízká popouštěcí teplota je 250°C, výš hrozí otázka vysokoteplotní popouštěcí křehkosti

Legované oceli

Legovány nižšími obsahy legur Základní legující prvek Cr, používá se v kombinaci s Mn, W, V, M, Ni Nikl se dává z důvodů zvýšení houževnatosti Z hlediska teplotní stálosti nevynikají vysokou teplotou (350°C) Otázky odolnosti proti opotřebení, houževnatosti jsou vyšší než u uhlíkových ocelí mají také vyšší prokalitelnost – kalí se do oleje i na vzduchu – po zakalení vznikají menší deformace

Rychlořezné nástrojové oceli ( RO ) Hlavní požadavek je řezná rychlost Označení oceli začíná písmeny HS (High Speed) Následují čísla udávající střední obsahy legujících prvků v pořadí W-Mo-V-Co Oceli pracující s řeznými rychlostmi vyššími než 30m/min, při těchto rychlostech vznikají na břitu vysoké

teploty musím zajistit vyšší tepelnou stálost, některé oceli mají odolnost až 630°C Vždy přítomny tyto prvky – C, W, Mo, Cr, V a u nejvýkonnějších ocelí 5÷10% Kobaltu Uhlík se pohybuje od obsahů 0,7÷ 1,5%C platí: čím více je legujících prvků, tím více je potřebuji uhlíku – pro vznik karbidů Uhlík přes karbidy ovlivňuje odolnost proti opotřebení, řezivost (otupení nástroje), ale klesá nám

houževnatost vyšší karbidická řádkovitost

Dělení RO dle chemického složení

W-Cr-V W-Cr-Mo-V W-Cr-V-Co W-Cr-Mo-V-Co

W - karbidotvorný a feritotvorný prvek, pozitivně působí na proces popouštění – zpomaluje, vyvolá efekt sekundární tvrdosti

Mo - má stejné vlastnosti jako W, potlačuje karbidickou řádkovitost a zvyšuje houževnatost vyvolává také efekt sekundární tvrdosti

Dále dělíme RO dle použití

oceli pro běžné použití výkonné oceli vysoce výkonné oceli (+ Co)

Tepelné zpracování RO

Žíhání na měkko

Polotovary se před vlastní výrobou nástroje žíhají naměkko Smyslem tohoto žíhání je získat strukturu vhodnou pro zpracování oceli - s nízkou tvrdostí a dobrou

obrobitelností Není jednoduchou záležitostí feriticko-karbidická struktura Používáme metodou přesného lití

Kalení

Ohřev na kalící teplotu je pozvolný, často v několika teplotních stupních - kvůli rovnoměrnému ohřevu součásti

Výše kalící teploty závisí na chemickém složení oceli 1180÷1320°C dále krátká doba výdrže do 120s z důvodu hrubnutí zrna, následuje termální zakalení Ochlazovací rychlost nemá být vyšší než je bezpodmínečně nutná, proto jsou jako ochlazovací prostředí

používány olej nebo vzduch, voda jen výjimečně

Vysokoteplotní popouštění

Po zakalení TM + Azb vysoký podíl (až 25%) musím provést popuštění s cílem: rozpad TM na Sorbit přičemž se vyloučí speciální karbidy Cr, Mo, V Otázka zbavení se Azb, vyloučit zněj karbidy a po zchlazení přeměnit na martenzit u RO není při jednom cyklu ale je zapotřebí více cyklů při jednom cyklu neztransformuje všechen Azb, proto se RO popouští dvěma až čtyřmi cykly, než

odstraníme ze struktury všechen Azb Používáme pro opracování i jiné materiály jako diamant, keramické materiály, slinuté karbidy atd. Mají určité přednosti můžeme více zatěžovat teplotně, ale také i nedostatky z hlediska houževnatosti v dnešní době zhouževnatělá keramika

Jakou strukturu mají mít NO

musím vždy tepelně zpracovat na strukturu matenzitu (martenzitické kalení), struktura matrice je po zakalení Martenzit+ Azb

Tvrdost martenzitu souvisí a obsahem C, Azb – struktura měkká, u nástrojových ocelí s vyšším obsahem C zůstává ve struktuře větší množství Azb (až 25%)

Struktura M+ Azb je pro nás nepřijatelná vysoká úroveň vnitřních pnutí musíme strukturu popustit popustíme nízkoteplotně do 200°C

Zpracování na primární tvrdost

Cílem nízkoteplotního popouštění (do 200°C) je přeměna tetragonálního martenzitu na martenzit kubický a přeměna zbytkového austenitu na martenzit kubický

Výsledná tvrdost oceli po popouštění je odvozena od tvrdosti kubického martenzitu MTKM + Azb snížíme tím úroveň vnitřních pnutí kalení + nízkoteplotní popuštění

Zpracování na sekundární tvrdost

zvýšením popouštěcí teploty na 550÷600°C dochází: k precipitaci jemné disperze částic speciálních karbidů (W2C, V4C3, Mo2C) – 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 Azb M

Povrchové úpravy NO

K zlepšení užitných vlastností nástrojů, zejména řezných a lisovacích, byla vypracována řada postupů povrchových úprav. Nejdůležitější z nich jsou:

Nitridování zvyšuje tvrdost, odolnost proti opotřebení a zlepšují se kluzné vlastnosti

Naprašování vrstvy nitridu titanu (TiN) podstatně zlepšuje životnost nástrojů až 10x PVD - Physical Vapour Deposition (nízké teploty), CVD - Chemical Vapour Deposition (vysoké teploty

více jak 1000°C)

Tvrdé chromování elektrolytické nanášení vrstev chromu (pístnice bagru) zvyšuje tvrdost, odolnost proti opotřebení u řezných a lisovacích nástrojů lze tímto postupem zvýšit životnost až 3x

Fosfátování porézní vrstva, dobře zadržuje mazivo a tím zlepšuje odolnost proti opotřebení

Oceli na nástroje pro tváření za tepla

kovadla, protlačovací trny, zápůstky atd. musím vzít v úvahu dynamické rázové namáhání, vzniklá struktura musí odolávat dynamické práci za

zvýšených teplot tyto oceli jsou schopny práce jedině tehdy, když se před vlastní pracovní činností předehřejí, nejsou

schopny pracovat za teploty 20°C (tranzitní chování)

Vezme se polotovar, dá se do pece, ohřeje se na kovací teplotu a přendá do zápustky a projede se bucharem

Tranzitní křivka takovýchto ocelí Za teplot 20°C je tato ocel křehká, předehřátí na teploty 200÷300°C znamená podstatně větší houževnatost

Používají se podeutektoidní oceli s obsahem 0,3÷0,6%C Uhlíkové Legované

W, Mo, V pozitivně ovlivňují teplotní stálost Mn, Cr, Mo prokalitelnost Ni z důvodů houževnatosti

Dělení ocelí pro tváření za tepla podle schopnosti výkonů kolik kusů do výměny jsou schopny provést:

Nejvyšší výkony Vysoké výkony Běžné výkony

Oceli pro práci za studena

Tyto oceli mají podmínky klidového ztížení i rázů, požadavek na zatížení je dostatečně vysoký U těchto ocelí může být i jiné prostředí než olej nebo vzduch Požadavek teplotní stálosti (do 300°C) Dělení: uhlíkové -nelegované, legované do 6%, legované nad 10%

Uhlíkové oceli nelegované vždy oceli nadeutektoidního složení C (vyjímečně eutektoidního složení) Tento materiál se nevykazuje žádnou zvláštní prokalitelností nutné prokalení ve vodě Použití na méně namáhané nástroje (pilníky)

Legované oceli s obsahem legur do 6% základní legující prvek Cr – nepřevyšuje 4% kromě Cr jsou i další přísady V, Mo, Ni (W i Mn) – těmito prvky upravuji vlastnosti

Legované oceli s vysokými obsahy legur nad 10% stěžejním legujícím prvkem je Cr – obsahy Cr v oceli od 11% výše od korozivzdorných ocelí se liší obsahem C – 1,5÷2%C rozhodující strukturou v rovnovážném diagramu je struktura složená z F + M7C3 , (Cr, Fe)7C3 TZ: kalení + popouštění: Na primární tvrdost kalení + nízkoteplotní popuštění

Na sekundární tvrdost kalení + vysokoteplotní popuštění

Materiály odolné proti opotřebení

Opotřebení (degradace povrchu) – je celá řada (degradační procesy)

Abraze (mechanické opotřebování) Tvrdší částice, které nám degradují povrch dvěma mechanismy v důsledku tlaku se povrch jednak rýhuje a jednak podléhá mikrořezání Na opotřebení se projeví 85% rýhování a 15% se odebírá tříska mikrořezání

Eroze Povrch součásti je opotřebováván zase tvrdými částicemi uplatňuje se nosné médium, buď to vzduch, nebo kapalina (např. opotřebování kalových čerpadel) když jsou tvrdé částice unášeny proudem vzduchu a působí na materiál

Kavitace Souvisí s prouděním kapalin, kombinované působení (křídla letadel) když proudí kapaliny při lopatkách turbín vznikají vzduchové bublinky, dynamickým nárazem při zániku

kapaliny, oddělují se částečky kovu a vznikají typické kavitační dutiny

Adheze Suché tření v důsledku přilnavosti suché částečky se oddělují a přivařují se na protikus

Radiační Souvisí se substrukturou materiálu Proud neutronů dopadající na povrch nám ocel degraduje narůstá velké množství poruch (vakancí) materiál se projevuje poklesem mechanických vlastností – mezí kluzu (reaktorové nádoby)

Litiny Litina je slitina železa s uhlíkem. Uhlíku obsahuje více než 2,14% tedy tolik než je jeho mezní rozpustnost v

austenitu dle binárního diagramu železo-uhlík Surová železa a litiny se od sebe liší výrobou a použitím Litiny mají obvykle větší množství příměsových prvků (Si, Mn, P, S) Jakých pevnostních vlastností jsme schopni dosáhnout u běžných litin pevnosti 200MPa Základní kovová hmota feriticko-perlitická až perlitická Rychlost ochlazování ovlivňuje jako dostaneme matrici a to buď feriticko-perlitická až perlitická

Rozdělení litiny dle chemické složení

nelegované litiny legovaní litiny

Rozdělení litiny dle formy uhlíku

bílé metastabilní diagram Fe-Fe3C grafitické stabilní diagram Fe-C-Si

lupínkový grafit (I) kuličkový grafit (VI) červíkový grafit (III) vločkový grafit (IV)

Bílá litina

Tuhnou dle rovnováhy metastabilní metastabilní diagram tedy diagram Fe-Fe3C Jejich struktura je tedy tvořena perlitem a cementitem, který vznikl eutektoidní přeměnou

ledeburitického austenitu, tedy označení jako LTR Jsou velmi tvrdé, odolné proti opotřebení, ale křehké velmi špatně obrobitelné (pouze broušení),

příčinou je přítomnost cementitu ve struktuře Použití – mlecí koule do kulových mlýnů, lopatky pískometů Jako polotovar pro výrobu temperované litiny

Vlastnosti bílé litiny tvrdé (350÷ 500 HB) křehké odolné proti opotřebení (odolnost se dále zvyšuje legováním a tepelným zpracováním)

Použití bílé litiny odlitky odolné proti opotřebení výchozí polotovar pro výrobu temperované litiny

Grafitické litiny

Fe-C-2% Si Pseudobinární diagram

Jejich struktura je velice různorodá lupínek, vločka, červík a kulička Jsou to litiny jejihž struktura odpovídá alespoň částečně rovnováze stabilní dle pseudobinárního diagramu

Fe-C-2%Si Obsahují grafit vlastnosti jsou tedy ovlivněny množstvím, tvarem a způsobem rozložení grafitu

Schéma ovlivnění napjatosti vlivem různorodého tvaru a polohy grafitu

Litina s lupínkovým tvarem grafitu

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

Litina s kuličkovým grafitem LKG (dříve tvárná litina)

grafit je víceméně vyloučen ve formě dokonalých kulovitých zrn nutné očkování a modifikace očkováním hořčíkem lze dosáhnout vzniku eutektika se zrnitým grafitem 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

Vliv Si je to feritotvorný prvek - tedy zvyšuje nám stabilitu feritu oproti austenitu Křemík je nejdůležitější grafitovaná přísada v litině, která podporuje rozpad eutektického a eutektoidního

cementitu a snižuje koncentraci uhlíku v eutektiku Původně podeutektická litina v soustavě Fe-C bude se vzrůstajícím přísadou křemíku tuhnout jako

eutektická či nadeutektická Čím vyšší obsah křemíku tím, se zvyšuje podíl grafitu v matrici

Křemík snižuje teplotu tavění litiny a tím zvyšuje její tekutost. Interval eutektoidních teplot se s rostoucím obsahem Si rozšiřuje a posunuje ho k vyšším teplotám

Litiny s vločkovým tvarem grafitu Temperovaná litina založeno na rozpadu cementitu

Je to konstrukční materiál vyrobený tepelným zpracováním bílé litiny tuhne podle stabilní soustavy (bílá litina – ledeburit) tvorba vločkového grafitu tepelným zpracováním (temperováním) Litina je vždy vyrobená jako bílá (nemá žádný volný grafit, má ve struktuře jenom cementit)

Vlastnosti temperované litiny Značně nám závisí na struktuře tvar vločky menší vrubový účinek dobrá pevnost a tažnost odolnost vůči vibračnímu a rázovému zatížení dobrá žáruvzdornost, rozměrová přesnost, otěruvzdornost

Cementit se může odstranit TZ

Oduhličením probíhá při teplotách okolo 980÷1000°C při této teplotě dochází k oduhličení povrchu čímž vzniká

koncentrační spád uhlíku od povrchu k jádru dochází tedy k difúzi atomů uhlíku z jádra na povrch odlitku a snižuje se obsah uhlíku v austenitu

postupné rozpouštění karbidů v austenitu cementit se rozpadá na austenit (tuhý roztok) a grafit

Temperováním Temperování je založeno na grafitizaci ledeburitického cementitu nebo oduhličení bílé litiny Cílem je zde odstranění tvrdé a křehké fáze - cementitu Temperováním se cementit rozpadá na grafit Grafitizační žíhání, při kterém dochází k rozložení eutektických karbidů v ledeburitu na volný

temperovaný grafit

Prostředí k temperování v oduhličujícím prostředí (temperovaná litina s bílým lomem) v neoduhličujícím prostředí (temperovaná litina s černým lomem)

Máme dva základní druhy temperovaných litin

S býlím lomem souvisí s žíháním v oduhličovaní atmosféře odstraním zcela uhlík u malých průřezů, ve struktuře mám

jen ferit - získám litinu s býlím lomem nemá v sobě žádný grafit S černým lomem

když je ve struktuře grafit je lom černý, probíhá žíhání v neoduhličovaní atmosféře Když proběhne GFeCFe L 3 , dostanu perlitickou strukturu

Proběhnou-li )(3

)(3

vlockyP

vlockyL

GFeCFeGFeCFe

dostanu feritickou strukturu

Když mám perlit preferuji pevnost, když mám ferit preferuji tažnost

Očkování očkován je technologická operace, při které se do tekutého kovu vnáší malé množství vhodně zvolené

substance (očkovadla) zvýší se množství krystalizačních zárodků určité fáze Grafitizační očkování litiny pomocí prvků Fe + Si umožňuje zvýšit počet krystalizačních zárodků grafitu Tvoří se nám tvar lupínku není pro nás moc výhodný tak budeme modifikovat

Modifikace Je technologická operace, při které se přidává do tekutého kovu slitina na bázi hořčíku Ni-Mg, Fe-Si-Mg,

Cu-Mg (modifikátor) To způsobí, že rostoucí zárodek grafitu z lupínku se bude zabalovat a vytvoří se tak kuličkový grafit provádí se pomocí prvků Si + Mg

modifikací hořčíkem lze dosáhnout vzniku eutektika se zrnitým (kuličkovým) grafitem Nedostatek modifikátoru způsobí vznik červíkového grafitu či nedokonale kuličkového (zrnitého) grafitu

Očkování a modifikace nám spolu velice úzce souvisí vždy se přidává určité množství nějakého stabilizátoru resp. modifikátoru

Stupeň eutektičnosti Sc Znalost Sc má význam pro bezpečné dosažení určité struktury základní matrice a tím i odpovídající rozsah

pevnosti v tahu v závislosti na tloušťce stěny odlitku Sc = 1 eutektická litina Sc < 1 podeutektická litina Sc > 1 nadeutektická litina

Rychlost ochlazování ovlivňuje, zda získáme matrici feritickou nebo perlitickou Pomalé ochlazování – grafitická litina dle stabilního diagramu Fe-C Rychlé ochlazování – zrnitá bílá litina dle metastabilního diagramu Fe-Fe3C Střední rychlost ochlazování – maková litina – nežádoucí!

Struktura grafitických litin Základní kovová hmota (matrice)

Ferit eutektoid vzniklý rozpadem A podle stabilního systému vznik podporuje přísadový prvek Si a pomalé ochlazování je měkký, tvárný, dobře obrobitelný, v litinách je nositelem houževnatosti

Perlit (FP+Fe3CP) eutektoid vzniklý rozpadem A podle metastabilního systému vznik podporuje Cu a rychlé ochlazování pevný, tvrdý, hůře obrobitelný, má horší plastické vlastnosti vyšší odolnost proti opotřebení v litinách je nositelem pevnosti a tvrdosti Transformovaný ledeburit (PL+Fe3CL) ransform. eutektikum vzniklé v metastabilní soustavě Fe-Fe3C vzniká v místech s rychlým odvodem tepla - zákalka

Fosfidické eutektikum (steadit) fosfor tvoří binární či ternární fosfidické eutektikum vyskytuje se po hranicích eutektických buněk je nízkotavitelné zvyšuje tvrdost zvyšuje odolnost proti opotřebení zhoršuje obrobitelnost zlepšuje zabíhavost obsah P je v rozmezí 0,2÷0,5%

Sulfidy síra se váže na Mn a Fe a tvoří komplexní sulfid (Fe, Mn) S přebytek síry stabilizuje ve struktuře cementit

Základní způsoby TZ

Žíhání ke snížení vnitřních pnutí a) ke snížení tvrdosti d) sferoidizační b) feritizační c) normalizační e)

Kalení izotermické kalení povrchové kalení kalení a popouštění

Neželezné kovy a jejich slitiny 1. Slitiny (kovy) s nízkou teplotou tavení pájky – ložiskové kompozice 2. Al a slitiny Al 3. Cu a slitiny Cu 4. Slitiny titanu

1. Slitiny (kovy) s nízkou teplotou tavení Čisté kovy (Pb, Sn, Zn, Bi, Sb) Slitiny s nízkou teplotou tání:

Měkké pájky do roku 2006 – 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 Tyto měkké pájky používáme na spojování – pájení Označují se: xxPbSn ; xx – konkrétní obsah cínu v pájce

nejběžnější pájka PbSn30 , další používanou je PbSn50 a velmi důležitou pájkou PbSn60 Tuhne za nejběžnější teploty 193°C má nejdelší eutektickou prodlevu eutektická pájka má velmi dobrou zabíravost, velmi dobrou

přilnavost k povrchu a má nejlepší pevnost – až 80MPa při minimální tažnosti až 20% použití v technické praxi například jako elektrotechnická, na opravu chladičů s vyšším obsahem olova, v potravinářství pájky s minimálním množstvím olova do 1% PbSn99

Základní požadavky měkkých pájek Nízký bod tání přednostně v elektrotechnice by vysoká teplota ovlivnila pájenou součást Malé rozmezí teplot likvidu a solidu vysoká chemická heterogenita Elektrická vodivost z důvodu použití v elektrotechnice Tepelná vodivost snaha aby se kov co nejrychleji ohřál Mechanické vlastnosti -> spoj má mít vyšší pevnost než pájka

Pb-Sn diagram

Tvrdé olovo slitiny soustavy Pb-Sb s obsahem antimonu od 0,5÷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) vzhledem k ekologické závadnosti olova však jsou snahy tyto slitiny nahrazovat jinými materiály

Pb-Sb diagram

Kompozice materiály pro výstelky kluzných ložisek pro menší zatížen 10÷15MPa vysoké rychlosti 50÷70m/s a provozní teploty do 150°C nejvíce se používají kompozice na bázi Sn a Pb přísada mědi u obou typů slitin způsobuje vznik jehlicovité intermediární fáze Cu6Sn5, která zvyšuje

tvrdost kompozic Olověné

Je tvořená olovem a antimonem (Pb+Sb), do této kompozice se přidávají další přísady jako Cu, Sn, i Ni – z hlediska zatížení

Cínové Základem Sn Sn + Sb + Cu

Základní matricí je substituční tuhý roztok a vněm jsou dva typy krystalů SnSb – jsou tvrdé a za přítomnosti mědi je intermetalická sloučenina Cu6Sn5

Slitiny zinku používají se téměř výhradně ke slévárenským účelům výborná slévatelnost a lepší pevnostní charakteristiky než zinek

Slitiny s velmi nízkou teplotou tání slitiny blízké eutektickému složení některé slitiny mají teplotu tání i pod 100 °C jejich složkami jsou kovy s nízkou teplotou tání (Sn, Pb, Cd, Bi,…) použití: teploměrné látky, tepelné pojistky

2. Al a jeho slitiny Slitina Al – X Hliník je stříbrobílý, lehký a tvárný kov, dobrý vodič elektrického proudu a tepla hliník je jeden z nejrozšířenějších kovů v zemské kůře a spotřebou druhý nejvýznamnější po Fe za normálních podmínek je Al velmi stálý, při zahřátí se však stává silně reaktivním a slučuje se zejména

s kyslíky (oxidy)

Al a jeho slitiny jsou velmi odolné proti atmosferické korozi – potáhne se vrstvičkou Al2O3 a ta dále brání další oxidaci

Výhody: Nízká měrná hmotnost, dobrá elektrická a tepelná vodivost, dobrá svařitelnost slitin v ochranné atmosféře

Nevýhody: Nízká tvrdost snadné zhmoždění povrchu materiálu, špatné třískové obrábění hlavní oblasti použití:

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)

Rovnovážný diagram je obdobný:

Podle přísadového prvku (X) se zejména mění poloha eutektické přímky a mění se mezní rozpustnost přísady v substitučním roztoku

Modifikace hliníku Z počátku máme Al nemodifikovaný, který má horši mech. vl. struktura je jehlicovitá provádíme

modifikaci, tedy přidávají se alkalické kovy ve formě solí do taveniny jehlice se rozpustí a vznikne jemná struktura s lepšími mech. vl. (struktura je více homogenní) nárůst pevnosti a tvrdosti, nárůst def. vl.

Přísadové prvky do slitin Al

Cu, Mg, Mn, Si, Zn, Ni i Fe + možné kombinace (2,3 přísadové prvky)

Měď zvyšuje pevnost, tvrdost snižuje tvárnost, plasticitu a mírně negativně ovlivňuje odolnost proti korozi

Hořčík zvyšuje pevnost, odolnost proti korozi a spolu s mědí způsobuje, že je ten materiál schopen

precipitačního vytvrzení

Křemík zvyšuje pevnost a zvyšuje nám korozivzdornost

Zinek zvyšuje podstatně pevnost, mírně snižuje korozivzdornost

Nikl nutná přísada proto, aby slitiny Al mohly pracovat za všech teplot Písty spalovacích motorů musí mít nutně přísady niklu

Dělění slitin

Slitiny tvářené Slitiny slévárenské

Dělění slitin podle TZ

tepelně nezpracované Žíhání ke snížení vnitřních pnutí (200 – 300 °C, někdy i 400 °C)

používá se u tvarově složitých odlitků, svařenců a tvářených součástí Žíhání rekrystalizační (obvykle 350 °C)

pro odstranění zpevnění po předchozím tváření Žíhání stabilizační (zpravidla 240 – 360 °C)

provádí se u součástí, které mají pracovat za vyšších teplot Žíhání homogenizační (ohřev nad křivku změny rozpustnosti)

k odstranění resp. zmenšení chemické heterogenity materiálu precipitační vytvrzování – skládá se ze dvou pochodů

rozpouštěcí ohřev zakončený ochlazením do vody (vždy) a po něm následuje vlastní vytvrzení buď za teplot 20°C – přirozené nebo za zvýšených teplot – potom je to vytvrzování umělé

Slitiny pro tváření a slévárenství

Slitiny Al ke tváření z hlediska použití rozdělíme

a) Slitiny s vyšší pevností b) Slitiny se zvýšenou odolností proti korozi (korozi ve vodě, mořské vodě)

Slitiny s vyšší pevností dosahují značné pevnosti po vytvrzení 400÷600MPa a to při dostatečné tažnosti 10÷20% 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 jsou to slitiny s více přísadami DURAL – slitiny, které se začali používat na konstrukcích letadel a

postupně přecházeli do automobilního průmyslu, atd..

Slitiny se zvýšenou odolností proti korozi Al-Mg – Hydronálium slitina se základní přísadou jenom Mg tyto slitiny se nevytvrzují mají dobrou svařitelnost, tvařitelnost a lomovou houževnatost mají dobrou odolnost proti korozi, protože neobsahují Cu nízké hodnoty pevnostních charakteristik lze zvýšit deformačním zpevněním jsou využívány ve strojírenském a chemickém průmyslu (odolnost proti mořské vodě, palivové nádrže,

potrubí na oleje)

Slévárenské slitiny Al

vyšší obsah přísad oproti tváření mají vyšší povolený obsah nečistot vlastnosti slévaných jsou horší než tvářených Zlepšují se vlastnosti jednak očkováním nebo TZ určeny k výrobě tvarových odlitků litím do písku

hodnoty mechanických vlastností odlitků značně závisí na způsobu odlévání, max. pevnost 250MPa 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

Slitiny Al-Cu používají se na namáhané odlitky pro vyšší teploty (např. hlavy válců) oproti siluminům mají horší slévárenské vlastnosti

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 mechanicky namáhané odlitky za vyšších teplot nebo odlitky vystavené povětrnostním vlivům

Slitiny Al-Zn-Mg Slitiny Al-Li

Silumin Al-Si

Podeutektický silumin = E Si Eutektický silumin je tvořen jen E

Anomální Eutektikum Eutektikum při krystalizaci Si má jehlicovitou podobu Si má špatnou tepelnou vodivost, proto nám při tuhnutí rychleji tuhne

Neočkovaný silumin má nízkou pevnost (140MPa) – tyto vlastnosti nejsou dostatečné snažíme se ovlivnit krystalizaci eutektika – očkováním

Očkování = modifikace (viz. výše)

Ovlivnění krystalizace eutektika v siluminu

Očkovací sloučenina Směs solí NaCl, NaF Očkovacím prvkem je Na Očkovací sůl se dá do lázně dojde k procesu očkování Krystalizace Si nevyloučí v podobě jehlic, ale v podobě Kuliček, tím se vlastnosti očkovacího siluminu zvýší

až k 200MPa, se zachováním dostatečné tažnosti kolem 14%

Eutektický bod se posune k vyšší koncentracím a sníží se eutektická teplota. Když jsem měl navrhovanou slitinu nadeutektickou, naočkováním dostanu slitinu plně eutektickou

3. Slitiny mědi (mosazi, bronzi) Měď je jeden z nejstarších kovů, patří do kovů se střední teplotou tavení má charakteristickou červenou barvu výbornou odolnost proti atmosférické korozi má výborné kluzné vlastnosti vynikající elektrickou a tepelnou vodivost dobrá obrobitelnost a svařitelnost, naopak horší je slévatelnost využívá se v elektrotechnice (pro svou vynikající vodivost) jako elektrovodný materiál velmi se osvědčila jako střešní krytina, okapové žlaby a svody z Cu se vyrábějí i nádoby v potravinářském průmyslu

Čistá měď se dodává v různých stavech z hlediska tvrdosti měkký polotvrdý tvrdý pérově tvrdý

Těchto stavů se dosahuje kombinací plastické deformace za studena a rekrystalizačního žíhání

Mosazi Představuje to vždy slitinu Cu + Zn základní přísadou je Zn slitina Cu-Sn má poměrně složitější rovnovážný diagram

Základní dělení mosazi podle struktury Homogenní Heterogenní

Prostorově stejné zastoupení atomů Zn a atomů Cu, tato fáze vzniká za určité teploty z fáze za teploty 450°C dojde k přeskupení poloh dojde ke změnám vlastností

fáze l je tvrdá a pevná, ale je křehká výrazný pokles plastických vlastností

Mosazi se značí trojím způsobem

normou ČSN normou ČSN EN v technické praxi značkou Ms a procentuální značkou např. Ms90 – značí, že je 10% Zn

Zinek nám v způsobuje zpevňování tuhého roztoku s přibývajícím obsahem Zn, roste pevnost, tažnost nám také roste, ale jakmile se objeví , výrazně začne klesat

Dělení dle druhu zpracování

Mosazi k tváření mívají obsah 5÷42%Zn + 60÷80%Cu Převážně homogenní mosazi tvoří převážnou část výroby mosazí rozdělují se na:

o tombaky (nad 80%Cu) o vysokotažné mosazi (70%Cu) o mosazi s vyšším obsahem Zn (63%Cu) o kujné mosazi (60%Cu) o šroubová mosaz (58%Cu)

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 (lité) mosazi heterogenní slitiny s obsahem Cu 58÷63% často s přísadou Pb ke zlepšení obrobitelnosti používají se na odlitky čerpadel, armatury, ventily, atd…

Bronzy Slitina Cu s dalšími prvky vyjma Zn Název je dle přídavného prvku cínové bronzi…

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 s přísadou Sn lepší odolnost vůči korozi než u mosazí

Diagram při 20°C - substituční roztok – cínové

- směs fází - intermediální fáze, která má chemický vzorec Cu31Sn8 -sloučenina tvrdá a křehká – kubická mřížka …Tažnost roste do 5% a poté prudce klesá

Základní dělení bronzů podle struktury

Homogenní tvářené Heterogenní lité

Bronzi se značí trojím způsobem

normou ČSN normou ČSN EN značkou CuSn 1 (1 – číslo znamená % cínu)

Cínové bronzi ke tváření

Homogení s obsahem Sn do 9% používají se tam, kde z hlediska pevnosti nebo odolnosti proti korozi nedostačuje mosaz odolnost proti korozi použití: v elektrotechnickém průmyslu, varné nádoby v pivovarech, pružiny

Cínové bronzy k odlévání

Heterogenní slitiny CuSn 10÷12%Sn Na kluzná ložiska Ložiskové materiály musí mít dobré vlastnosti to dává fáze , nesmí se vymačkat, musí mít dobrou odolnost proti únavě tepelnou vodivost a dostatečnou tvrdost – která nám dává fáze

Ve struktuře se vyskytují takovéto útvary a uvnitř se vyskytují takovéto částice -

Hliníkové bronzy Cu-Al

Maximální množství Al do 12% Rozdělení: homogenní, heterogenní Mají dobrou pevnost a zejména za vyšších teplot, mají výbornou odolnost proti otěru a korozi Používají se na poměrně značně namáhané součásti, ozubená kola, šneková kola, armatury s vyšší

teplotou, v potravinářství Tvářené: homogenní - do 9% Al, vylepšují se vlastnosti přísadami Mn a Fe Lité: Heterogenní vylepšují se vlastnosti Mn,Fe,Ni

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) + Pb slouží jako náhrada za drahé cínové bronzy

Tepelné zpracování slitin mědi

Rekrystalizační žíhání ke změkčení polotovaru nebo mezi operacemi tváření teplota závisí na druhu slitiny a stupni deformace, bývá v rozmezí 400÷600°C

Žíhání ke snížení vnitřních pnutí provádí se zejména u mosazí (za teploty 250÷300°C), kde tato pnutí bývají příčinou korozního praskání

Vytvrzování používá se zejména pro hliníkové, beryliové a niklové bronzy sestává se z rozpouštěcího ohřevu (700÷ 900°C), rychlého ochlazení (do vody) a umělého stárnutí

(270÷ 450°C)

Nikl a jeho slitiny Nikl je drahý feromagnetický kov byl objeven na sklonku 18. století a již začátkem následujícího století se hojně používal ve slitině s mědí v

mincovnictví 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 zvyšuje zejména vrubovou houževnatost při nízkých teplotách čistý nikl se používá k povrchové ochraně (na povlaky), v elektrotechnice nebo v raketové technice

Konstrukční slitiny niklu

Slitiny Ni-Cu (monely) vyznačují se výbornou odolností proti korozi po vytvrzení mají vysokou pevnost (až 1200MPa, s přísadou Al až 1400MPa) 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 1800MPa 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

Slitiny niklu se zvláštními fyzikálními vlastnostmi

Termočlánkové slitiny Ni-Cr (9÷12% Cr) jsou známé jako chromel spolu se slitinou alumel tvoří termočlánek pro teplotní rozsah 300÷1000 °C

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

Žáruvzdorné a žáropevné slitiny niklu

Slitiny Ni-Cr jsou známé pod označením Nimonic, Inconel, Udiment, Hastelloy 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 precipitátem je intermetalická uspořádaná sloučenina Ni3(TiAl) označovaná ´, která je koherentní s

matricí (obě fáze mají mřížku FCC) používají se na nejnamáhanější součásti parních a spalovacích turbín

4. Slitiny Titanu Titan je polymorfní kov s vysokou teplotou tání většinou se používá ve formě slitin tan i jeho sli ny mají poměrně nízkou měrnou hmotnost a dobré pevnostní charakteris ky → vysoká

měrná pevnost dobře odolávají vůči korozi (i v mořské vodě), v některých případech i kyselinám → využi v chemickém

průmyslu pracovní teploty slitin titanu mohou být až 600 °C mezi nevýhody titanu a jeho slitin patří vysoká reaktivita s plyny nad 700°C, obtížná obrobitelnost, špatné

třecí vlastnosti někdy může být nevýhodou i nízký modul pružnosti (E = 115GPa)

Rozeznáváme 3 typy

Homogenní se strukturou nízká měrná hmotnost a pevnost až 1000 MPa dobré mechanické vlastnosti do 300 °C jsou odolné proti křehkému porušení Má v sobě přísady Al – snižuje měrnou hmotnost, přidává se Cu a N – stabilizují substituční roztok

tato struktura je dobře svařitelná

Homogenní jen se strukturou 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)

Heterogenní heterogenní slitiny lze vytvrzovat tepelným zpracováním Když chceme získat heterogenní strukturu, musíme přidat prvek, který stabilizuje např. Mo, Ni, V,

Tantal i Cr podle obsahu je více či nebo zcela stabilizuje

Použití slitin Ti

V leteckém průmyslu – na písty, v kompresorech s rozvojem raketového průmyslu – části motorů, palivové nádrže v chemickém průmyslu v destilačních kolonách

Zpracování slitin Ti

Obdobně jako u většiny slitin neželezných kovů jsou používány žíhání a precipitační vytvrzování

Žíhání ke snížení vnitřních pnutí (450÷ 650 °C) používá se po svařování, rovnání atd.

Žíhání rekrystalizační (obvykle 800 °C) pro odstranění zpevnění po předchozím tváření

Žíhání stabilizační u slitin bez Al 600÷700 °C, s Al 700÷ 900 °C provádí se u součástí, které mají pracovat za vyšších teplot

Vytvrzování (u + slitin a slitin ) sestává se z rozpouštěcího ohřevu, rychlého ochlazení a vytvrzování teplota rozpouštěcího ohřevu je volena tak, aby bylo zachováno co největší množství fáze ochlazování se provádí do vody Následuje umělé stárnutí při teplotě 500÷ 600 °C)

Plasty

Názvem plasty se obecně označují materiály, jejichž podstatnou část tvoří organické makromolekulární látky (polymery)

Kromě látek polymerní povahy obsahují plasty ještě přísady (aditiva), jejichž účelem je specifická úprava vlastností

(polymer + aditiva = plast); značení plastů není normalizováno Aditiva plniva, barviva, stabilizátory, antistatická činidla, retardéry hoření, plastifikátory, výztuže,

katalyzátory Polymery kombinují vlastnosti ideálně elastických (kovy) a ideálně viskozních (kapaliny) materiálů

jsou viskoelastické (PET, PE-HD, PVC, PE-LD, PP, PS) Struktura řetězce

lineární, rozvětvený, zesítěný, 3D-sítě

Reologie

popisuje chování skutečných materiálů pomocí jednoduchých zařízení

Ideálně pružný materiál Hook

elastické chování izotropních těles (kovů) reologický model: pružina o tuhosti G při elastické deformaci smykem platí pro rovnováhu mezi napětím s a deformací g platí zde Hoodův zákon

Ideálně viskózní materiál Newton

jednoduché kapaliny při ustáleném toku reologický model: hydraulický válec s kapalinou o viskozitě při ustáleném toku je smyková rychlost úměrná smykovému napětí s podle Newtonova zákona

Viskoelastický materiál pro creep polymerů (paralelně) Kelvin-Voight

reologický model pružina o tuhosti G a hydraulický válec s kapalinou o viskozitě paralelně v tuhém rámu používá se pro modelování creepu materiálů (s = konst., e = f (t)) deformace e materiálu je dána vztahem

G

t dd

visk

tEE

exp1 MPa = působící napětí

E MPa = modul pružnosti materiálu

Pa.s = viskozita materiálu při dané teplotě

t s = doba zatížení

Reologický model pro relaxaci (sériově) Maxwell

reologický model: pružina o tuhosti G a hydraulický válec s kapalinou o viskozitě seriově používá se pro modelování relaxace materiálů (e = konst., s = f (t)) napětí st v materiálu dosažené v čase t je dáno vztahem

Proč vyžadují výpočty konstrukcí z polymerů jinou filosofii než výpočty kovových konstrukcí ?

Tuckettův model

Změna výpočtových postupů

nestačí jen dosadit materiálové charakteristiky polymerních materiálů do výpočtových schémat vytvořených pro kovy (elastická deformace)

tEit

.exp i MPa = původní zatížení

Struktura, morfologie a výsledné vlastnosti kompozitu závisí na povaze polymerní matrice chemickém složení (materiálu) plniva fyzikálních charakteristikách (tvaru, velikosti) plniva orientaci částic plniva množství plniva složení hraniční fáze polymeru, která je interakcí s plnivem více či méně modifikována vnějších podmínkách, zvláště na teplotě a rychlosti zatěžování

Typy plastů a možné technologie jejich zpracování

1.Regenerace

navrácení původních užitných vlastností materiály využívány k původním účelům

2.Recyklace

požadavky na značení obalů druhem použitého materiálu usnadňuje třídění odpadů a informuje o druhu použitého materiálu recyklační trojúhelník opatřený číslem nebo slovním nemusí vyjadřovat chemickou podstatu materiálů sekundární materiály horší vlastnosti drahá technologie

Polymery PET (polyetylén tereftalát) PE-HD (polyetylén vysokohustotní) PVC (polyvinylchlorid) PE-LD (polyetylén nízkohustotní) PP (polypropylen) PS (polystyren)

Papír PAP (vlnitá lepenka) PAP (hladká lepenka) PAP (papír)

Sklo GL (bílé sklo) GL (zelené sklo) GL (hnědé sklo)

3.Konečná likvidace

energetické využití

Postup výroby plastů

Vstřikování Je jedna z nejpoužívanějších technologií, jak v průmyslové výrobě finálních dílů, tak pro výrobu polotovarů pro další zpracování. Výhodou je možnost zhotovení velmi členitých tvarů a zpracovatelnost materiálů ze skupin termoplasty a reaktoplasty

Válcování Nejčastější využití při výrobě pásů fólie o tloušťce 0,17 – několik mm. Zpracování probíhá na strojích – kalandrech – které mají nejčastěji 4 otočné válce. Do štěrbin mezi první dva válce se dávkuje materiál, druhé 2 zajišťují rovnoměrnou tloušťku

Vyfukování Je velmi zajímavá produktivní technologie využívána zejména pro výrobu lahví, nádržek a podobných dílů. Vyfukování probíhá za poměrně vysoké teploty, nýbrž nízkého přetlaku

Vytlačování Výroba konkrétních polotovarů, nejčastěji: desky, profily, dráty a trubky s konstantním průřezem. Vlastní technologie se provádí na vytlačovacích strojích neboli extrudérech. Extruder se skládá z pevného rámu, ve kterém je vsazen šnek. Uvnitř zahřátý granulát se otáčením šneka vytlačuje

Keramické materiály keramika z řeckého keramikos vypálený předmět požadované vlastnosti materiálu jsou dosahovány pomocí vysokoteplotního tepelného zpracování

nazývaného vypalování (slinování) keramika anorganický a nekovový materiál většinou směsi kovových a nekovových prvků vázaných iontovými vazbami (úplně) nebo převážně

iontovými s podílem kovalentních vazeb

Krystalová struktura keramiky je obecně komplikovanější než u kovů

Místo jednotlivých atomů jsou v mřížce báze např. dvoautomová báze C v FCC struktuře tvoří diamant Běžně i keramické materiály v amorfní formě

Zvýšení houževnatosti keramiky 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

Základní kladné a záporné vlastnosti keramiky

Výhody vysoká teplota tání pevnost v tlaku tvrdost střední a nízká hustota chemická odolnost

Nevýhody křehké chování citlivost na teplotní šoky složitá příprava nákladné opracování

Příčina křehkosti keramiky

Omezený pohyb dislokací zhoršená pohyblivost, zhoršená manévrovatelnou Přítomnost defektů v keramice výroba začíná práškem slinování za vysoke teploty téměř

nemožní dosáhnout 100% hustoty v mateiálu jsou peté koncentrovány napětí, které se nemůže odrelaxovat plastickou deformací dojde ke štěpnému porušení lomová houževnatost keramiky je velmi nízká

Temperované sklo

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

Zpracováno na základě přednášek doc. Pacala s přidáním textu resp. obrázků z přednáškových prezentací

Co je označeno žlutou barvou, tak jsou označeny otázky, co zkouší doc. Pacal

Autor pdf souboru: Hamerský