Ocel: definice, klasifikace, chemické složení a použití

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 05:20

Jak často slyšíme slovo „ocel“. A vyslovují ho nejen odborníci v oboru hutní výroby, ale i měšťané. Žádná pevná konstrukce není kompletní bez oceli. Ve skutečnosti, když mluvíme o něčem kovovém, máme na mysli výrobek vyrobený z oceli. Pojďme zjistit, z čeho se skládá a jak je klasifikován.

Definice

Ocel je snad nejoblíbenější slitina na bázi železa a uhlíku. Podíl posledně jmenovaných se navíc pohybuje od 0,1 do 2,14 %, přičemž u prvně jmenovaných nemůže být nižší než 45 %. Snadná výroba a dostupnost surovin mají rozhodující význam pro distribuci tohoto kovu do všech oblastí lidské činnosti.

Hlavní vlastnosti materiálu se liší v závislosti na jeho chemickém složení. Definici oceli jako slitiny sestávající ze dvou složek, železa a uhlíku, nelze nazvat úplnou. Může obsahovat například chrom – poskytuje tepelnou odolnost a nikl, který zajišťuje odolnost vůči korozi.

Požadované součástimateriály poskytují další výhody. Železo tedy činí slitinu za určitých podmínek tvárnou a snadno deformovatelnou a uhlík vytváří pevnost a tvrdost současně s křehkostí. Proto je jeho podíl na celkové hmotnosti oceli tak malý. Stanovení způsobu výroby slitiny vedlo k obsahu manganu v ní ve výši 1% a křemíku - 0,4%. Existuje řada nečistot, které se při tavení kovu objevují a kterých se snaží zbavit. Spolu s fosforem a sírou degradují vlastnosti materiálu také kyslík a dusík, čímž je méně odolný a mění se tažnost.

Klasifikace

Definice oceli jako kovu s určitým souborem vlastností samozřejmě není pochyb. Je to však právě jeho složení, které umožňuje klasifikovat materiál ve více směrech. Takže například kovy se vyznačují následujícími znaky:

• o chemikáliích;
• structural;
• podle kvality;
• jak bylo zamýšleno;
• podle stupně dezoxidace;
• podle tvrdosti;
• o svařitelnosti oceli.

Definice oceli, označení a všechny její vlastnosti budou popsány níže.

Značení

Bohužel neexistuje žádné globální označení oceli, což značně komplikuje obchod mezi zeměmi. V Rusku je definován alfanumerický systém. Písmena označují název prvků a způsob dezoxidace a čísla označují jejich počet.

Chemické složení

Jsou dva způsobydělení oceli podle chemického složení. Definice daná moderními učebnicemi umožňuje rozlišovat mezi uhlíkovým a legovaným materiálem.

První atribut definuje ocel jako nízkouhlíkovou, středně uhlíkovou a vysoce uhlíkovou a druhý – nízkolegovanou, středně legovanou a vysoce legovanou. Nízkouhlíkový kov se nazývá, který podle GOST 3080-2005 může kromě železa obsahovat následující složky:

• Uhlík – až 0,2 %. Podporuje tepelné zpevnění, díky kterému se pevnost v tahu a tvrdost zdvojnásobí.
• Mangan v množství do 0,8 % aktivně vstupuje do chemické vazby s kyslíkem a zabraňuje tvorbě oxidu železa. Kov lépe odolává dynamickému zatížení a je přístupnější tepelnému tvrzení.
• Křemík – až 0,35 %. Zlepšuje mechanické vlastnosti, jako je houževnatost, pevnost, svařitelnost.

Podle GOST je ocel jako nízkouhlíková ocel definována jako kov, který obsahuje kromě užitečných i řadu škodlivých nečistot v následujícím množství. Toto je:

• Fosfor - až 0,08% je zodpovědný za vznik studené lámavosti, zhoršuje výdrž a sílu. Snižuje houževnatost kovu.
• Síra – až 0,06 %. Komplikuje opracování kovu tlakem, zvyšuje popouštěcí křehkost.
• Dusík. Snižuje technologické a pevnostní vlastnosti slitiny.
• Kyslík. Snižuje pevnost a překáží řezným nástrojům.

Je třeba poznamenat, že nízká respnízkouhlíkové oceli jsou obzvláště měkké a tažné. Dobře se deformují za tepla i za studena.

Definice středně uhlíkové oceli i její složení se samozřejmě liší od výše popsaného materiálu. A největším rozdílem je množství uhlíku, které se pohybuje od 0,2 do 0,45 %. Takový kov má nízkou houževnatost a tažnost spolu s vynikajícími pevnostními vlastnostmi. Středně uhlíková ocel se běžně používá pro díly, které se používají při běžném energetickém zatížení.

Pokud je obsah uhlíku vyšší než 0,5 %, pak se taková ocel nazývá ocel s vysokým obsahem uhlíku. Má zvýšenou tvrdost, sníženou viskozitu, tažnost a používá se pro lisování nástrojů a dílů deformací za tepla a za studena.

Kromě identifikace uhlíku přítomného v oceli je stanovení charakteristik materiálu možné díky přítomnosti dalších nečistot v něm. Pokud se do kovu kromě běžných prvků cíleně zavádí chrom, nikl, měď, vanad, titan, dusík v chemicky vázaném stavu, pak se nazývá dopovaný. Takové přísady snižují riziko křehkého lomu, zvyšují odolnost proti korozi a pevnost. Jejich číslo udává stupeň legování oceli:

• nízkolegované – má až 2,5 % legovacích přísad;
• středně legované – od 2,5 do 10 %;
• vysoce legované – až 50 %.

Co to znamená? Například navýšení jakýchkoli nemovitostí začalo být poskytováno takto:

1. Přidání chrómu. pozitivníovlivňuje mechanické vlastnosti již ve výši 2% z celkového objemu.
2. Zavedení niklu od 1 do 5 % zvyšuje teplotní rozpětí viskozity. A snižuje křehkost za studena.
3. Mangan funguje stejně jako nikl, i když je mnohem levnější. Pomáhá však zvýšit citlivost kovu na přehřátí.
4. Tungsten je přísada tvořící karbid, která poskytuje vysokou tvrdost. Protože při zahřívání zabraňuje růstu zrn.
5. Molybden je drahá přísada. Což zvyšuje tepelnou odolnost rychlořezných ocelí.
6. Křemík. Zvyšuje odolnost proti kyselinám, elasticitu, odolnost proti vodnímu kameni.
7. Titan. V kombinaci s chromem a manganem může podporovat jemnozrnnou strukturu.
8. Měď. Zvyšuje antikorozní vlastnosti.
9. Hliník. Zvyšuje tepelnou odolnost, tvorbu kotelního kamene, houževnatost.

Struktura

Určení složení oceli by bylo neúplné bez studia její struktury. Toto znaménko však není konstantní a může záviset na řadě faktorů, jako jsou: režim tepelného zpracování, rychlost chlazení, stupeň legování. Podle pravidel by měla být ocelová konstrukce určena po žíhání nebo normalizaci. Po žíhání se kov rozdělí na:

• proeutektoidní struktura – s přebytkem feritu;
• eutektoid, který se skládá z perlitu;
• hypereutektoidní - se sekundárními karbidy;
• ledeburit – s primárními karbidy;
• austenitické - s krystalovou mřížkou vycentrovanou na obličej;
• feritické - s kubickou mřížkou centrovanou na tělo.

Určení třídy oceli je možné po normalizaci. Rozumí se jím druh tepelného zpracování, které zahrnuje ohřev, udržování a následné chlazení. Zde se rozlišují perlitové, austenitické a feritické třídy.

Kvalita

Určování typů z hlediska kvality je možné čtyřmi způsoby. Toto je:

1. Běžná jakost - jedná se o oceli s obsahem uhlíku do 0,6%, které se taví v otevřených pecích nebo v konvertorech využívajících kyslík. Jsou považovány za nejlevnější a mají horší vlastnosti než kovy jiných skupin. Příkladem takových ocelí jsou St0, St3sp, St5kp.
2. Kvalita. Významnými představiteli tohoto typu jsou oceli St08kp, St10ps, St20. Taví se ve stejných pecích, ale s vyššími požadavky na vsázku a výrobní procesy.
3. Vysoce kvalitní oceli se taví v elektrických pecích, což zaručuje zvýšení čistoty materiálu pro nekovové vměstky, tedy zlepšení mechanických vlastností. Tyto materiály zahrnují St20A, St15X2MA.
4. Zvlášť kvalitní - jsou vyrobeny metodou speciální metalurgie. Jsou podrobeny elektrostruskovému přetavování, které zajišťuje čištění od sulfidů a oxidů. Oceli tohoto typu zahrnují St18KhG-Sh, St20KhGNTR-Sh.

Konstrukční oceli

Toto je možná nejjednodušší a nejsrozumitelnější označení pro laika. Existují konstrukční, nástrojové a speciální oceli. Strukturální se obvykle dělí na:

1. Konstrukční oceli jsou uhlíkové oceli běžné kvality a zástupce nízkolegované řady. Je na ně kladeno několik požadavků, z nichž hlavním je svařitelnost na dostatečně vysoké úrovni. Příkladem je StS255, StS345T, StS390K, StS440D.
2. Cementované materiály se používají k výrobě produktů, které fungují za podmínek povrchového opotřebení a současně podléhají dynamickému zatížení. Patří sem nízkouhlíkové oceli St15, St20, St25 a některé legované oceli: St15Kh, St20Kh, St15KhF, St20KhN, St12KhNZA, St18Kh2N4VA, St18Kh2N4MA, St18KhGT, St20KhGT, St.30
3. Pro lisování za studena se používají srolované listy z vysoce kvalitních nízkouhlíkových vzorků. Například St08Yu, St08ps, St08kp.
4. Upravitelné oceli, které jsou vylepšeny procesem kalení a vysokého popouštění. Jedná se o středně uhlíkové (St35, St40, St45, St50), chromové (St40X, St45X, St50X, St30XRA, St40XR) oceli, dále chrom-křemík-mangan, chrom-nikl-molybden a chrom-nikl.
5. Pérové pružiny mají elastické vlastnosti a udrží je po dlouhou dobu, protože mají vysoký stupeň odolnosti proti únavě a zničení. Jedná se o uhlíkové zástupce St65, St70 a legované oceli (St60S2, St50KhGS, St60S2KhFA, St55KhGR).
6. Vzorky s vysokou pevností jsou vzorky, které mají dvojnásobnou pevnost než jiné konstrukční oceli, dosažené tepelným zpracováním a chemickým složením. Ve velkém se jedná o legované středně uhlíkové oceli, například St30KhGSN2A, St40KhN2MA, St30KhGSA, St38KhN3MA, StOZN18K9M5T, St04KHIN9M2D2TYu.
7. Kuličkové ložiskooceli se vyznačují speciální odolností, vysokým stupněm odolnosti proti opotřebení a pevností. Musí splňovat požadavky na absenci různých druhů inkluzí. Tyto vzorky zahrnují vysokouhlíkové oceli s obsahem chrómu ve složení (StSHKh9, StSHKh15).
8. Automatické definice oceli jsou následující. Jedná se o vzorky pro použití při výrobě nekritických produktů, jako jsou šrouby, matice, šrouby. Takové náhradní díly jsou obvykle obrobeny. Hlavním úkolem je proto zvýšení obrobitelnosti dílů, čehož se dosahuje zaváděním teluru, selenu, síry a olova do materiálu. Takové přísady přispívají k tvorbě křehkých a krátkých třísek při obrábění a snižují tření. Hlavní zástupci automatických ocelí jsou označeni takto: StA12, StA20, StA30, StAS11, StAS40.
9. Oceli odolné proti korozi jsou legované oceli s obsahem chrómu asi 12 %, protože na povrchu vytváří oxidový film, který zabraňuje korozi. Zástupci těchto slitin jsou St12X13, St20X17N2, St20X13, St30X13, St95X18, St15X28, St12X18NYUT,
10. Vzorky odolné proti opotřebení se používají ve výrobcích, které pracují pod abrazivním třením, nárazy a silným tlakem. Příkladem jsou části železničních tratí, drtiče a pásové stroje, jako je St110G13L.
11. Žáruvzdorné oceli mohou pracovat při vysokých teplotách. Používají se při výrobě potrubí, náhradních dílů plynových a parních turbín. Jedná se především o vysoce legované nízkouhlíkové vzorky, které nutně obsahují nikl, který může obsahovat přísady ve forměmolybden, nobium, titan, wolfram, bor. Příkladem může být St15XM, St25X2M1F, St20XZMVF, St40HUS2M, St12X18N9T, StXN62MVKYU.
12. Tepelně odolné jsou zvláště odolné vůči chemickému poškození ve vzduchu, plynu a peci, oxidačnímu a nauhličovacímu prostředí, ale při velkém zatížení vykazují tečení. Zástupci tohoto typu jsou St15X5, St15X6SM, St40X9S2, St20X20H14S2.

Nástrojové oceli

V této skupině se slitiny dělí na zápustkové, pro řezné a měřicí nástroje. Existují dva typy zápustkových ocelí.

• Materiál pro tváření za studena by měl mít vysoký stupeň tvrdosti, pevnosti, odolnosti proti opotřebení a tepelné odolnosti. Ale mějte dostatečnou viskozitu (StX12F1, StX12M, StX6VF, St6X5VMFS).
• Materiál pro tváření za tepla má dobrou pevnost a houževnatost. Spolu s odolností proti opotřebení a odolností proti usazeninám (St5KhNM, St5KhNV, St4KhZVMF, St4Kh5V2FS).

Měřicí nástrojové oceli, kromě odolnosti proti opotřebení a tvrdosti, musí být rozměrově stálé a snadno brousitelné. Z těchto slitin se vyrábí ráže, sponky, šablony, pravítka, váhy, dlaždice. Příkladem mohou být slitiny StU8, St12Kh1, StKhVG, StKh12F1.

Určení skupin oceli pro řezné nástroje je poměrně snadné. Takové slitiny musí mít řeznou schopnost a vysokou tvrdost po dlouhou dobu, i když jsou vystaveny teplu. Patří mezi ně uhlíkové a slitinové nástroje, stejně jakorychlořezné oceli. Zde můžete jmenovat následující významné představitele: StU7, StU13A, St9XS, StKhVG, Str6M5, Stryuk5F5.

Deoxidace slitiny

Určení oceli podle stupně dezoxidace znamená její tři typy: klidná, poloklidná a vroucí. Samotný koncept se týká odstranění kyslíku z kapalné slitiny.

Tichá ocel během tuhnutí téměř neuvolňuje plyny. To je způsobeno úplným odstraněním kyslíku a vytvořením smršťovací dutiny na vrcholu ingotu, který je následně odříznut.

V poloklidné oceli se plyny uvolňují částečně, tedy více než v klidné oceli, ale méně než ve vroucích. Není zde žádná skořápka, jako v předchozím případě, ale nahoře se tvoří bubliny.

Vroucí slitiny uvolňují při tuhnutí velké množství plynu a na průřezu stačí jednoduše zaznamenat rozdíl v chemickém složení mezi horní a spodní vrstvou.

Tvrdost

Tento koncept se týká schopnosti materiálu odolávat těžšímu pronikání do něj. Stanovení tvrdosti bylo možné pomocí tří metod: L. Brinell, M. Rockwell, O. Vickers.

Podle Brinellovy metody se do broušeného povrchu vzorku vtlačí kulička z kalené oceli. Prostudováním průměru tisku určete tvrdost.

Metoda pro stanovení tvrdosti oceli podle Rockwella. Je založen na výpočtu hloubky průniku 120stupňového diamantového kuželového hrotu.

Podle Vickerse v testovacím vzorkuje vtlačena diamantová čtyřboká pyramida. S úhlem 136 stupňů na protilehlých plochách.

Je možné určit jakost oceli bez chemické analýzy? Specialisté v oboru metalurgie jsou schopni rozpoznat jakost oceli podle jiskry. Stanovení složek kovu je možné při jeho zpracování. Tak například:

• CVG ocel má tmavě karmínové jiskry se žlutočervenými tečkami a trsy. Na koncích rozvětvených vláken se objevují jasně červené hvězdy se žlutými zrny uprostřed.
• Ocel P18 se také vyznačuje tmavě karmínovými jiskrami se žlutými a červenými chomáči na začátku, avšak závity jsou rovné a nemají vidličky. Na koncích svazků jsou jiskry s jedním nebo dvěma světle žlutými zrny.
• Oceli jakosti ХГ, Х, ШХ15, ШХ9 mají žluté jiskry se světlými hvězdami. A červená zrnka na větvích.
• Ocel U12F se vyznačuje světle žlutými jiskrami s hustými a velkými hvězdami. S několika červenými a žlutými chomáči.
• Oceli 15 a 20 mají světle žluté jiskry, mnoho vidlic a hvězd. Ale pár chomáčů.

Určení oceli jiskrou je poměrně přesná metoda pro specialisty. Obyčejní lidé však nemohou charakterizovat kov zkoumáním pouze barvy jiskry.

Svařitelnost

Vlastnost kovů vytvořit při určitém nárazu spoj se nazývá svařitelnost ocelí. Stanovení tohoto indikátoru je možné po zjištění obsahu železa a uhlíku.

Předpokládá se, že jsou dobře spojeny svařovánímnízkouhlíkové oceli. Když obsah uhlíku překročí 0,45 %, svařitelnost se zhorší a zhorší, když je obsah uhlíku vysoký. Stává se to také proto, že se zvyšuje nehomogenita materiálu a na hranicích zrn vystupují sulfidové vměstky, které vedou ke vzniku trhlin a zvýšení vnitřního pnutí.

Legující součásti také působí a zhoršují spojení. Nejnepříznivější pro svařování jsou chemické prvky jako chrom, molybden, mangan, křemík, vanad, fosfor.

Shoda s technologií při práci s nízkolegovanou ocelí však poskytuje dobré procento svařitelnosti bez použití speciálních opatření. Stanovení svařitelnosti je možné po vyhodnocení řady důležitých vlastností materiálu, včetně:

• Rychlost chlazení.
• Chemické složení.
• Pohled na primární krystalizaci a strukturální změny během svařování.
• Schopnost kovu tvořit trhliny.
• Tendence materiálu tvrdnout.