Oceľ je zliatina železa a s uhlíkom a legovacích prvkov (Mangán, Chróm, Volfrám, kremík a iné). Kde obsah uhlíka je menší ako je jeho maximálna rozpustnosť v austenite, čo je 2,06%. Železo s obsahom uhlíka väčším ako 2,06% sa nazýva liatina. Uhlík sa v oceli nachádza vo forme austenitu, cementitu, perlitu, ledeburitu alebo martenzitu.
Vlastnosti [úprava]
Celkovo [úprava]
Hustota ocele je 7,85 g/cm3. Pevnosť v ťahu Rm je bežne od 300 N.m-2 do 1500 N.m-2.
Dlhú dobu bola oceľ najlepší materiál. Aj dnes je ešte dobrá. Sú aj tvrdšie materiály, aj pevnejšie, aj odolnejšie proti opotrebeniu, aj žiarupevnejšie, ale nijaký nemá také vyvážené vlastnosti, t.j. nie je taký tvrdý a zároveň pružný.
Napr. tvrdšie sú karbidy, ale ten zas nie sú také húževnaté, pevnejšie v ťahu sú napr. sklené vlákna alebo kevlar, ale tie zas nie sú také tuhé.
Jediným dôstojným nástupcom ocele sú snáď len uhlíkové vlákna.
Surové železo [úprava]
Železo ako čistý chemický prvok má veľmi riedku kryštalickú mriežku a je teda veľmi mäkké a málo pevné.
Vlastnosti železa závisia od kryštalickej mriežky - pri ideálnej kryštalickej mriežke železo neobsahuje tzv. dislokácie, ktoré dodávajú kovom tvárnosť. Teda kryštalické železo nemôže byť tvárne, čo je najžiadanejšia vlastnosť kovov. Čím viac dislokácií tým väčšia tvárnosť - hustota dislokácií sa zvyšuje napr. studeným valcovaním.
Surové železo sa po výrobe zkujňuje a upokojuje.
Pevnosť železa sa dá tiež zvyšovať pridávaním legovacích prvkov, ktoré podporujú tvorbu dislokácií, prípadne brzdia presúvanie dislokácií (čo tiež zvyšuje pevnosť). Obsah legovacích prvkov je presne definovaný, obyčajne na pol percentuálneho bodu. Legúry sa do železa buď pridávajú alebo sa z neho musia odstrániť, keď sú nadbytočné - napr. takmer vždy uhlík, ale aj síra alebo fosfor.
Železo a uhlík [úprava]
Uhlík je najvýznamnejšia legúra - dá sa s ním veľa vylepšiť, ale aj veľa pokaziť. Kvalita ocele nezávisí len od obsahu uhlíka v enj, ale aj od spôsobu tepelnej úpravy.
Na obrázku sú jednotlivé fázy:
Na grafe je vidieť tzv. V-čkovú charakteristiku, tá sa vyskytuje pri systémoch, ktoré sú úplne rozpustné len tekutom stave a málo rozpustné v stave tuhom (pozri eutektikum).
V podstate sa tento diagram dá rozložiť na časti:
- Eutektická - pod taveninou, s eutektikálou na 1150°C, obsah uhlíka 4,3 %
- Eutektoidná - tuhá premena fáz, pod γ-oblasťou, s eutektoidou na 723°C, obsah uhlíka 0,8 %
- Peritektická - pomerne malá oblasť vľavo hore (delta kryštály) s peritektoidou okolo 1430°C.
Tieto fázy sa ale objavujú len pri nekonečne pomalom ochladzovaní/ohrievaní. Pri rýchlom ochladzovaní (kalení) vzniká napr. martenzit, ktorý zvyšuje tvrdosť. Pri pomalom ochladzovaní pri austenitických oceliach sa obyčajne zvyšuje húževnatosť.
Pre dynamické priebehy sa používajú TTT diagramy. Poloha TTT diagramov sa dá predstaviť tak, že kolmo na binárny diagram dáme ešte časovú os ("vystupuje" z obrázku). Tie sa dosť silno menia podľa obsahu uhlíka a legúr. V tých sa objavujú aj medzistupne ako napr. bainit.
Poriadne ale karty zamieša napr. mangán, ktorý robí oceľ austenitickou aj pri väčšom obsahu uhlíka a robí tvorbu martenzitu aj pri pomalom ochladzovaní..
Priveľa uhlíka ale zvyšuje všeobecne krehkosť, t.j. znižuje vrubovú húževnatosť, tento problém ale nemá tvárna liatina.
Legovacie prvky [úprava]
Pri výrobe rôznych druhov ocelí (podľa účelu) sa používajú rôzne legovacie prvky (legúry), ktoré sa pridávajú do taveniny za účelom úpravy vlastností ocele.
Celkovo [úprava]
Ako už bolo povedané, surové železo je slabé a hrdzavie. Niektoré jeho negatívne vlastnosti (alebo vlastnosti nežiaducich prímesí) sa dajú potlačiť alebo dokonca úplne odstrániť pridávaním prímesí, tzv. legovacích prvkov.
Legúry sa pridávajú väčšinou priamo vhodením do železnej taveniny. Niekedy sa ale legúra taví ťažšie ako železo alebo opačne. Tam sa buď používajú triky, ako eutektizácia, pri ktorej ale nevznikne čistá zliatina. Alebo sa používa prášková metalurgia, napr. pri volfráme. Hovorí sa tomu aj sinter.
Tvrdosť [úprava]
Tvrdosť sa zvyšuje legúrami
- uhlík - hlavne vo forme Martenzitu, t.j. po zakalení
- volfrám
- vanád
Rezné vlastnosti [úprava]
Pevnosť [úprava]
Pevnosť sa zvyšuje legúrami
Ale aj dodatočnými mechanickými ako studené valcovanie, tepelnými úpravami ako kalenie.
Teoretická pevnosť železa pri ideálnej kryštalickej mriežke (fyzici vypočítali) je okolo 40000 N/mm2. Najpevnejšia oceľ aká sa dá zohnať na trhu má 1500 N/mm2.
Odolnosť proti opotrebeniu (oteruvzdornosť) [úprava]
Toto je dobré pre dielce kde sa veľa šúcha (šachtové spoje) alebo pri obrábacích nástrojoch kde sa opotrebováva ostrie (hlavne upínaných). Dobré sú nato legúry:
Tepluvzdornosť (Žiarupevnosť) [úprava]
Hlavne v motoroch a turbínach sa môže materiál dobre rozžeraviť a obyčajná oceľ stráca pri veľkom teple (už pri 300 °C) vlastnosti, hlavne tvrdosť a pevnosť. Chladenie síce pomáha ale aj tak. Dobrá legúra nato je
Obyčajne predpísaná pracovná teplota pre také ocele je od 300 °C do 550 °C. Ocele nad 550 °C sú už vysokoteplotné ocele. Nad 800 °C je už väčšina ocelí nepoužitelná. V laboratórnych podmienkach sa dá vyrobiť ocel čo pri 1000 °C mala ešte cca 500 N/mm-2, ale vyrába sa extrémne ťažko (na viacero výrobných krokov a po tvrdom vymustrovaní).
Elasticita (hranica elasticity) [úprava]
Elasticita je vlastnosť, že pokiaľ môžeme oceľ natiahnuť tak, aby sa vrátila do pôvodného stavu. Toto potrebujeme pri pružinách. Dobrá legúra na to je kremík.
Špeciálne [úprava]
- Horčík - podporuje tvorbu gulôčkového grafitu pri tvárnych liatinách (liatinách vlastnosťami podobných oceli)
- Berýlium - Cu-Be- zliatiny ocele, spomaľuje únavu materiálu pri opakovanej zmene zaťaženia, napr. pružinách
Obrábanie [úprava]
Povrchové obrábanie [úprava]
Kovanie [úprava]
Obyčajné [úprava]
Vysokopresné [úprava]
Dnes sa dá vykúvať s presnosťou na 10 µm, napr. stroje Cincinnati. Napr. celé ložiskové polia (desiatky aj stovky naraz).
Delenie materiálu [úprava]
Strihanie [úprava]
Autogénom [úprava]
Kyslíkom [úprava]
Jeden z najlacnejších postupov, aj keď veľmi nepresný:
- Na rozžeravenú oceľ sa fúka 98% kyslík, ktorý zapaľuje uhlík a železo v oceli. Doslova to prepáli oceľ. Pri rastúcej hrúbke ale rastie aj šírka rezu, aj to nie rovnomerne. Pomerne rovnomerný rez sa ale dá dosiahnuť pomocou automatizovaného posunu rezacej oblasti (napr. CNC alebo priemyselný robot).
Len pri hrubom delení materiálu. V súčasnosti pri požiadavkách na presnosť a cenu je ale lepším kompromisom rezanie plazmou.
Plazmou [úprava]
Laserom [úprava]
Tepelné spracovanie [úprava]
Kalenie [úprava]
Žíhanie [úprava]
Cementácia [úprava]
Patentácia [úprava]
Odlievanie [úprava]
Odlievanie je jednou z kľúčových priemyselných metód, pretože je lacná a spoľahlivá pre veľké série.
základné druhy odlievania sú:
- Odlievanie do pevnej formy
- Polostratená forma - pomerne často používaná, hlavne pre malé séria
- Stratená forma - najvyššia možná presnosť ale aj najvyššia cena
Dejiny [úprava]
Stredovek [úprava]
Železo bolo známe už veľmi dávno, lenže väčšinou obsahovalo príliš veľa uhlíka, a preto bolo veľmi krehké a kvôli síre aj málo oteruvzdorné. Škodlivé prímesi sa museli pracne vykuť a aj tak ich ostalo veľa. Takéto železo malo nedefinovateľné vlastnosti. Napríklad delá sa vyrábali radšej z bronzu, a to až do 1. polovice 19. storočia.
Priemyselná revolúcia [úprava]
Až v 19. storočí sa začala oceľ vyrábať pudlovaním. Tento postup bol ale veľmi drahý a vyrobilo sa málo ocele. V roku 1856 bola vynájdená Bessemerova metóda, ktorou sa dalo vyrábať oveľa viac ocele ako dovtedy. Tiež sa začali používať vysoké pece a koks namiesto drahého dreva. V roku 1867 sa objavili prvé Siemens-Martinove pece (martinské pece), kde sa dal dokonca merať obsah uhlíka v tavenine, čo zvýšilo výstupnú kvalitu pri desaťnásobnom zvýšení výroby.
Okolo roku 1850 sa začali prvé delá vyrábať z ocele, ktorá bola pevnejšia a ľahšia ako bronz.
Vynašiel sa pancier.
V roku 1860 bola postavená prvá čisto pancierová vojnová loď HMS Warrior.
Tým bol vyriešený problém vysokého obsahu uhlíka. Ostával ešte jeden problém: fosfor. Iba železné rudy s nízkym obsahom fosforu sa dali použiť. Ale roku 1878 sa podarilo pomocou vápencovej výmurovky (aj pridávaním vápenca do taveniny) vyriešiť aj tento problém, a tak oceľ zlacnela ešte viac (ešte zhruba 3×).
Okolo roku 1880 už boli ceny ocele také nízke, že sa bežne stavali celooceľové mosty.
Nárast výroby ocele:
Samozrejme toto úplne zmenilo výzbroj vtedajších armád. V roku 1900 už boli prakticky všetky vojnové lode z ocele, ako aj pušky a delá. Mnohé nové zbrane, ako napr. guľomety alebo ponorky, sa nedali vyrobiť inak ako z ocele.
V roku 1915 sa objavil prvý tank.
Súčasnosť [úprava]
Výroba [úprava]
Základ [úprava]
V súčasnosti sa oceľ vyrába dvojako - buď sa ako prvotná oceľ (len jej základ) vyrába vo vysokých peciach. Vlastne len surové železo - to sa potom zkujňuje a upokojuje a potom sa pridávajú legúry. Tu sa používa LD-Konvertor alebo v poslednej dobe Corex.
Siemens-Martinské pece sú dnes už beznádejne zastaralé.
Alebo sa oceľ presne namieša v elektrických peciach. Táto metóda je malo- a strednosériovej produkcii dosť často používaná pre svoju ekonomickú flexibilitu.
Donawitzova metóda (LD-Konvertor) [úprava]
Do taveniny konvertora sa dlhou tenkou trúbkou - kopijou - fúka 98% kyslík. Ešte sa pridáva šrot a ruda, aby sa zredukoval podiel surového železa. Kyslík reaguje so železom a vzniká pritom oxid železa FeO, ktorý spaľuje nežiaduce prímesi a to v tomto poradí:
- Kremík - 2FeO + Si --> SiO2 +2Fe
- Mangán - FeO + Mn --> MnO + Fe
- Uhlík - FeO + C --> CO + Fe
- Fosfor - 5 FeO + 2P --> P2O5 + 5Fe
- Síra - 2 FeO + S --> SO2 + 2 Fe
Pri tejto metóde musí byť ale ešte dodávaná tavenina, aby dávka nevychladla. Hotová oceľ sa potom vyleje z konvertora do panvy na ďalšie spracovanie. Max. kapacita konvertora je cca. 250t.
Cenovo skoro najvýhodnejší spôsob výroby ocele pre veľké množstvá.
Corex [úprava]
Najnovšia metóda výroby ocele, nepotrebuje koks, ale stačí obyčajné neskoksované uhlie. Ultravysokokapacitná a supervýhodná (od 500 000t/deň).
Elektrická pec [úprava]
Pec môže byť buď oblúková alebo indukčná. Výhoda je, že sa dajú vytvoriť teploty do 3 500 °C, takže sa dajú taviť aj také ťažko taviteľné materiály ako napr. volfrám a molybdén.
Používa sa na tavenie a výrobu vysokočistých zliatin. Ako suroviny sa používa väčšinou šrot plus prípadné legovacie prvky. Je veľmi výhodná z hľadiska flexibility, lebo takto vyrobená oceľ je taká čistá, že sa dá priamo použiť na odliatky. Nevýhodná je ale na výrobu surového železa, kde by bol prúd nekonkurencieschopne drahý.
Pri oblúkových peciach sa na tavenie používa striedavý prúd, pretože jednosmerný má skin efekt. Teplota sa vytvára jednak od samotného elektrického oblúka a tiež aj od prúdu čo prechádza dávkou.
Prirovnať sa dá elektrická pec k laserovej tlačiarni (rýchlo a všetko ale draho pre veľa), kde vysoká pec a LD-Konvertor je rotačka (lacno pre veľa, draho pre málo).
Nejmenšie elektrické pece sú pre rádove kilogramy ocele a najväčšie pre rádove desiatky ton.
Dodatočné spracovanie (spracovanie vo vákuu) [úprava]
Kvalita ocele sa dá enormne zvýšiť spracovaním vo vákuu - vákuovaním:
- Nasávacia trubica sa nasaje tavenina z panvy a časť taveniny sa nasaje do vákuovej nádoby - pritom sa za necelých 30 sekúnd oceľ zbaví všetkých plynov. Prečistená oceľ natečie späť do nádoby. Toto sa opakuje pokiaľ oceľ nie je prečistená podľa normy. Nakoniec sa dajú presne pridávkovať legúry. Vákuovanie sa používa na zníženie obsahu Uhlíka pre nízkouhlíkové ocele až na 0,001% obsahu Uhlíka.
Ekonomika [úprava]
V súčasnosti (2005) sa ročne celosvetovo vyrobí 850 000 000 ton ocele. Celosvetový nárast spotreby v roku 2005 však spôsobil bezprecedentný nárast cien ocele (+70 %), čo dáva šancu novým materiálom ako napr. kevlar alebo uhlíkové vlákna.
Ekológia [úprava]
Oceľ je 100% recyklovateľná a je to teda jeden z najekologickejších materiálov vôbec. Problémom je len, že pri výrobe vzniká veľa oxidu uhličitého, to nie je ale technický problém. Najväčší problém je, že rastliny, čo spracúvajú kyslík, ako planktón a dažďové lesy, ubúdajú.
Rozdelenie ocele [úprava]
Podľa obsahu uhlíka [úprava]
- Podeutektoidné - s obsahom uhlíka pod 0,8 %
- Eutektoidné - 0,8 % uhlíka
- Nadeutektoidné - medzi 0,8 % a 2,06 %
Podľa legovania [úprava]
- Nízkolegované
- Vysokolegované - nad 5% legovacích prvkov
Podľa upokojenia [úprava]
- Upokojené - kyslík bol odstránený
- Neupokojené
Podľa použitia [úprava]
- Automatové ocele - ocele určené na dodatočné trieskové obrábanie
- Ocele na zušľachtenie - ocele určené na dodatočné tepelné spracovanie
- Cementačné ocele - ocele určené na spevnenie opotrebovávaných dielcov. Málo legované alebo nelegované ocele s menej ako 0,25% uhlíka, na povrchu sa cementujú (nauhličia) a zakalujú. Aj po zakalení majú dobré plastické vlastnosti.
- Konštrukčné ocele - ocele pre stavebné konštrukcie, rozhodujúca je ekonomičnosť
- Nitridačné ocele - extrémne tvrdé a oteruvzdorné. Tvrdosť 750 HV až 1200 HV.
- Pružinové ocele - vysoká hranica elesticity.
- Nekrehnúce ocele (kryoocele) - ocele čo pre nízke teploty nekrehnú. Nelegované do -60°C, nízkolegované do -120°C a vysokolegované do -250°C.
- Ložiskové ocele
- Nástrojové ocele - ocele na výrobu nástrojov, či už na trieskové obrábanie alebo ručné náradie
- Potravinárske ocele - špeciálne ušľachtilé ocele s nulovým obsahom ťažkých kovov a škodlivých prímesí
- Hlbokoťažné ocele - ocele na lisované plechy, napr. pre výrobu karosérií áut. Väčšinou nízkouhlíkové ocele.
Pozri aj [úprava]
BW Bewise Inc.
Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting tool、aerospace tool .HSS Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Фрезеры’Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、CVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) ’Core drill、Tapered end mills、CVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool ‘Single Crystal Diamond ‘Metric end mills、Miniature end mills、Специальные режущие инструменты ‘Пустотелое сверло ‘Pilot reamer、Fraises’Fresas con mango’ PCD (Polycrystalline diamond) ‘Frese’Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC ca
留言列表
