Transcript Konstrukční oceli

Technické kovy ve
strojírenství
Email: [email protected]
Tel: 387 77 3057
MTDII
1
Technické železo
 Podle obsahu uhlíku jsou technická železa
rozdělována:
 Kujná neboli oceli s obsahem uhlíku do 2,14 %
 Nekujná s obsahem uhlíku nad 2,14 %.
- Z rovnovážného diagramu metastabilní soustavy FeFe3C je zřejmé, že železa s obsahem uhlíku do 2,14
% je možno ohřevem převést do tvárného (kujného)
stavu, to jest do oblasti austenitu.
- Železa s obsahem nad 2,14 % uhlíku obsahují i při
zvýšených teplotách vedle austenitu nebo perlitu také
sekundární cementit a ledeburit, které v důsledku své
MTDII
2
křehkosti tváření neumožňují.
Oceli – železa kujná
 Oceli jsou na základě svého technologického
určení, použití, vlastností a složení českou
normou rozdělovány do tříd:
oceli
ingotové konstrukční
běžných vlastností
ušlechtilé
nástrojové
na
odlitky
uhlíkové
slitinové
(stavební)
(strojní)
uhlíkové
slitinové
třída 10
třída 11
třída 12
třída 13 až 17
třída 19
nízkolegované
vysokolegované
(rychlořezné)
na lité nástroje
třída 26
třída 27 až 29
uhlíkové
slitinové
MTDII
3
Oceli – železa kujná
 Ingotové oceli určeny k dalšímu zpracování tvářením.
Vyrobená ocel určená k tváření se v hutích odlévá do
velkých kovových forem - kokil. Vzniklé odlitky = nazývány
ingoty. Mají tvar komolých jehlanů nebo komolých kuželů.
 Oceli na odlitky se v hutích odlévají buď přímo do
slévárenských forem - vznikají odlitky požadovaného tvaru
a rozměrů, nebo do zvláštních jednoduchých forem, ze
kterých jsou odlitky zvané housky předávány do sléváren
k dalšímu zpracování.
 Konstrukční oceli jsou určeny na strojní a stavební
konstrukce, tedy na všechny
ocelové výrobky
ocelárenské
surové kromě
nástrojů.
železo houska
 Nástrojové oceli určeny na výrobu obráběcích a
tvářecích nástrojů, ocelovýchMTDII
forem a dalšího výrobního 4
zařízení.
Oceli – železa kujná
 Oceli obvyklých (běžných) vlastností (jakostí) jsou
vyráběny jednodušším technologickým postupem
v konvertorech nebo Siemens-Martinských pecích.
Výrobce u těchto ocelí zaručuje pouze jejich hlavní
mechanické vlastnosti, s výjimkou údaje o povoleném
obsahu síry a fosforu u třídy 11 nezaručuje jejich
složení.
 Oceli ušlechtilé jsou vyráběny náročnějším
technologickým postupem, při kterém jsou
přetavovány v elektrických pecích. Výrobce zaručuje
jak jejich mechanické vlastnosti, tak jejich složení.
MTDII
5
Oceli – železa kujná
 Uhlíkovou ocelí je nazývána slitina železa s uhlíkem,
která však může obsahovat (a vždy také obsahuje) i
určité malé, normou stanovené množství dalších
složek. Tyto příměsi se do oceli dostávají ze surovin
nebo při výrobě.
Oceli s obsahem:
 do 0,25 % C
 od 0,25 do 0,6 % C
 nad 0,6 % C
nízkouhlíkové
středněuhlíkové
vysokouhlíkové
POZN. Vyrobit ocel, která by obsahovala pouze železo a
uhlík, by bylo velmi náročné
a často zbytečné. Příměsi
MTDII
6
totiž mohou vlastnosti oceli zlepšovat.
Oceli – železa kujná
 Slitinová ocel obsahuje alespoň 0,9 % Mn, 0,5
% Si nebo Ni, 0,3 % Cr, 0,2 % W nebo Co, 0,1
% Mo, V nebo Ti.
 Oceli s obsahem legujících (přísadových) prvků
se označují:
1. do 2,5 % nízkolegované
2. od 2,5 do 5 % středně legované
3. od 5 do 10 % výše legované
4. nad 10 % vysokolegované
MTDII
7
Vlastnosti a použití ocelí
KONSTRUKČNÍ OCELI – tř. 10
 Konstrukční oceli třídy 10 jsou
levné, dobře obrobitelné a
svařitelné. V tabulce uvedené
označení „stavební“ dnešní
terminologie již neužívá, je zde
uvedeno pouze pro názornost. Mají
zaručenu pevnost, mez kluzu,
tvárnost a svařitelnost.
 Používají se na součásti
podružného významu, pro stavební
a zámečnické užití, na kolejnice,
mosty, jeřáby a podobná zařízení.
Tvoří asi 80 % všech vyráběných
MTDII
ocelí.
armovací koše z betonářské
oceli
8
Konstrukční oceli – tř. 11
 Konstrukční oceli třídy 11 jsou kvalitnější
než oceli třídy 10. Výrobcem mají zaručen
obsah síry a fosforu (zhoršují vlastnosti oceli),
pevnost, mez kluzu a tažnost. Používají se na
náročnější strojní součásti jako hřídele, čepy,
ozubená kola, šrouby, matice, plechy pro
zpracování tažením, výlisky a další.
tažená ocel kruhová
Pant na MTDII
vrata
odpadových kontejnerů
trubky bezešvé
hladké černé
9
Konstrukční oceli – tř. 12
 Oceli třídy 12 patří k ušlechtilým ocelím. Mají
zaručeno chemické složení. Oceli s obsahem
od 0,06 do 0,2 % C se užívají k cementaci,
oceli s obsahem od 0,25 do 0,7 % C
k zušlechťování a oceli s obsahem od 0,4 do
0,6 % C k povrchovému kalení.
vačková a kliková hřídel
MTDII
10
Konstrukční oceli – tř. 13
 Oceli třídy 13 jsou legovány Mn a Si. Užívají
se na středně namáhané součásti s vyšší
odolností proti opotřebení. Patří sem například
pružinové oceli s obsahem asi 10,7 % Si a
transformátorové oceli s obsahem až 4,6 % Si,
které vykazují nízké ztráty vířivými proudy.
kuželová soukolí s frézovanými
zuby, větší kola o průměru 3,3 m
MTDII
11
Konstrukční oceli – tř. 14
 Oceli třídy 14 jsou legovány Cr, Mn a Si. Jsou
dobře prokalitelné, některé lze je cementovat,
jiné nitridovat, jiné a povrchově kalit, jsou tvrdé
a odolné proti otěru. Mají široké použití pro
namáhané součásti, jako například ozubená
kola, hřídele, valivá ložiska.
Optimalizovaná přední náprava typu
McPherson
MTDII
12
Konstrukční oceli – tř. 15
 Oceli třídy 15 jsou legovány Cr, Mn, Mo, V, W a Si.
Mají vysokou pevnost, mez kluzu, mez tečení, dobře
odolávají korozi a jsou dobře prokalitelné. Jsou
vhodné k zušlechťování, některé k povrchovému
kalení, jiné k cementaci nebo nitridaci Užívají se na
velmi namáhané součásti jako například ozubená
kola, klikové hřídele výkonných motorů, torzní tyče,
tlakové nádoby, energetická zařízení pracující za
zvýšených teplot.
pístní čepy
MTDII
13
Konstrukční oceli – tř. 16
 Oceli třídy 16 jsou legovány Ni a Cr.
Mají vysokou pevnost, mez kluzu,
houževnatost, jsou dobře prokalitelné.
Jsou vhodné pro cementaci a
zušlechťování. Své dobré vlastnosti si
udržují i při nízkých teplotách. Jsou
vhodné pro vysoce namáhané součásti.
MTDII
14
Konstrukční oceli – tř. 17
 Oceli třídy 17 jsou vysoce legované zejména Ni (až 70 %) a
Cr, dále Mo, Ti a Mn. Jsou velmi odolné proti žáru, korozi a
otěru. Užívají se pro silně namáhaná zařízení vystavená
vyšším provozním teplotám (oceli žáruvzdorné a žárupevné pro
kalicí a žíhací pece, formy pro lisování skla, energetická
zařízení a pod.), silně agresivnímu koroznímu prostředí (oceli
korozivzdorné pro potravinářský a chemický průmysl,
zdravotnictví) a pro součásti vystavené otěru při velkém
zatížení (funkční části bagrů, drtičů, mlýnů na kámen a uhlí a
pod.). Nejznámější je ocel označovaná jako 18/8, obsahující 18
% Cr a 8 % Ni. Některé z ocelí této třídy mají zcela specifické
fyzikální vlastnosti. Příkladem je ocel s obsahem 35 až 36 % Ni,
nazývaná invar, jejíž součinitel tepelné roztažnosti je prakticky
nulový (0,5. 10-6; pro srovnání: běžná ocel má součinitel
tepelné roztažnosti 12.10-6).
MTDII
15
Konstrukční oceli – tř. 17
chirurgické nástroje
nerezavějící nože
posuvné měřítko
MTDII
16
Nástrojové oceli – tř. 19
 Nástrojové oceli (oceli třídy 19) jsou oceli užívané
k výrobě obráběcích a tvářecích nástrojů.
 Uhlíkové nástrojové oceli mají od 0,7 do 1,5 % C.
S obsahem uhlíku roste jejich tvrdost a klesá
houževnatost. Používají se zejména na ruční nástroje
pro zpracování dřeva, papíru i kovů (například pilníky).
 Nízkolegované nástrojové oceli obsahují vedle uhlíku
Cr, W, V, Mo, Ni, Si a Co. Mají větší prokalitelnost,
odolnost proti popuštění, odolnost proti otěru a tím
také vyšší řezivost. Užívají se na nástroje pro
obrábění kovů a nástroje tvářecí.
MTDII
17
Nástrojové oceli – tř. 19
 Vysokolegované neboli rychlořezné nástrojové oceli
obsahují větší množství legur, především W, Cr, V, Mo
a Co. Jsou velmi tvrdé, odolávají popuštění do 600 °C
a otěru. Vyžadují zvláštní způsob tepelného
zpracování.
 Nástrojové oceli na lité nástroje jsou legovány W,
Cr, V a Mo. Zpracovávají se litím. Mají lepší řezivost
než nástroje vyrobené z tvářených ocelí, ale jsou
křehčí. Užívají se na vícebřité nástroje jako například
frézy, výhrubníky a výstružníky, břitové destičky
soustružnických nožů. Podle důsledně provedeného
rozdělení ocelí by měly patřit do skupiny ocelí na
MTDII
18
odlitky.
Oceli na odlitky – tř. 26 a 29
 Uhlíkové oceli na odlitky třídy 26 obsahují do
0,6 % C. Používají se součásti elektrických
strojů, ložiska vozidel, armatury a součásti
parních kotlů a turbin, na součásti spalovacích
motorů.
 Oceli třídy 29 jsou legovány především Cr a
Ni. Svými vlastnostmi a použitím odpovídají
ingotovým ocelím třídy 17, jsou tedy
korozivzdorné, žárovzdorné a žáropevné.
MTDII
19
Oceli na odlitky – tř. 27 a 28
 Oceli tříd 27 a 28 jsou legovány především Mn a Si,
některé také Cr, Ni, Mo, V, W, Co, Al. Dobře odolávají
opotřebení a teplotám do 450 °C.
 Oceli s nižším obsahem legujících prvků se užívají na
namáhaná ozubená kola, armatury a součásti kotlů a
turbin vystavené teplotám až do 450 °C, součásti
železničních výhybek.
 Oceli legované Cr, Mo a V odolávají teplotám až do
580 °C. Pro ještě vyšší teploty se užívají oceli
obsahující navíc Ni, W a Co. Pro trvalé magnety jsou
vhodné oceli s obsahem Al (6 až 11 %), Ni (13 až 30
%) a Co (až 30 %). Známé je obchodní označení
MTDII
20
těchto ocelí Al-Ni nabo Al-Ni-Co.
Železa nekujná
 Nekujná železa jsou podle svého
technologického určení, použití, vlastností,
vzhledu a složení rozdělovány do tříd:
železa nekujná surová železa
litiny
šedé
bílé
šedá
třída 24
tvárná
třída 23
bílá
temperovaná
třída 25
zvláštní
MTDII
21
Surová železa
Surová železa jsou hutním polotovarem pro výrobu
ocelí a litin.
 Šedé surové železo obsahuje uhlík ve formě grafitu,
proto má na lomu šedou barvu. Krystalizuje a taví se
podle stabilní soustavy Fe-C.
 Bílé surové železo je slitinou metastabilní. To
znamená, že obsahuje karbid železa Fe3C, cementit.
Proto má bílý a lesklý lom.
MTDII
Surové železo
22
Litiny
 Litina je produkt vzniklý ve slévárně, je to pevný a tvrdý
materiál, ale velmi křehký a možnost jeho dalšího
mechanického opracování po odlití je minimální.
Z litiny se vyrábějí předměty, u kterých není vyžadována přesná
rozměrová tolerance nebo vysoká odolnost proti nárazu.
Příkladem mohou být pláty kamen, radiátory ústředního topení
(topná tělesa), kanálové poklopy, potrubí, podstavce těžkých
strojů nebo také kdysi i kuchyňské nádobí aj.
MTDII
23
Litiny
 Šedá litina je vyrobena přetavením šedého surového
železa, vratného materiálu ze sléváren, odpadového
litinového i ocelového materiálu ze šrotu. Obsahuje asi
3 % C a další prvky, především křemík a mangan.
 Bílá litina je vyrobena přetavením bílého surového
železa.
 Tvárná litina vzniká zvláštní úpravou šedé litiny, tak
zvaným očkováním. Získává tak vyšší pevnost a
tažnost.
 Temperovaná litina vzniká z bílé litiny jejím žíháním,
temperováním. Snižuje se tak tvrdost a křehkost bílé
litiny a zvyšuje se její pevnost.
MTDII
24
Třídami jsou označovány pouze šedé, tvárné a temperované litiny.
Litiny – tvar grafitu
Tvar a rozložení grafitu ovlivňuje vlastnosti litin.
I. Lupínkový
II. Pavoučkový
III. Červíkovitý
IV. Vločkový
V. Nedokonale kuličkový
VI. Dokonale kuličkový
Kuličkový grafit – SEM snímek
MTDII
25
Litiny - rozložení grafitu
A. Rovnoměrné
B. Růžovicovité
C. Smíšené
D. Mezidendritické
neusměrněné
E. Mezidendritické
usměrněné
Dendritická struktura = stromečkovitá
struktura – ŠEDÁ LITINA
MTDII
26
Vlastnosti a použití litiny
ŠEDÁ LITINA
 Šedá litina ve své základní podobě
(nelegovaná) má menší pevnost než oceli. Je
však lépe slévatelná, lépe odolává korozi a je
výrobně levnější. Používá se na odlitky těles a
skříní turbin, pístových strojů, čerpadel, na lože
a stojany obráběcích strojů, na méně
namáhaná ozubená kola.
 Legované šedé litiny mají vyšší odolnost proti
žáru a korozi. Proto se užívají na části
spalovacích zařízení, pecí, slévárenských
MTDII
27
forem, zařízení pro chemický průmysl.
Tvárná litina
 Tvárná litina vzniká přidáním hořčíku do licí pánve
před odlitím. Tím se dosahuje globulární (kuličkové)
perlitické struktury vyznačující se vyšší tažností,
vrubovou houževnatostí a mezí únavy. Používá se
na součásti silničních vozidel, zemědělských strojů,
převodové skříně, tělesa armatur, ozubená kola,
válce a písty pístových strojů, brzdové bubny a
podobně.
Šachtový poklop z tvárné litiny
MTDII
28
Tvrzená litina
 Tvrzená litina vzniká rychlým ochlazením povrchu
odlitku ze šedé litiny speciálního složení (0,7 až 1 %
Si, 0,5 až 1,25 % Mn) a pomalým ochlazováním jeho
vnitřních částí. Lije se do kokil nebo pískových forem
s chladítky (kovové součásti vložené do stěny dutiny
pískové formy v místech, kde má být z odlitku rychleji
odváděno teplo). Na povrchu odlitku se vyloučí uhlík
ve formě cementitu, uvnitř má odlitek strukturu šedé
litiny. Používá se pro odlitky, které mají mít na svém
povrchu vysokou tvrdost a odolnost proti opotřebeni,
zatímco jejich jádro má být pevné a houževnaté
(například kola vagonů, čelisti drtičů).
MTDII
29
Bílá litina
 Bílá litina je v důsledku vysokého obsahu
cementitu velmi tvrdá, křehká a prakticky
neopracovatelná. Proto se ve své základní
podobě užívá jen výjimečně, například na
odlitky, které mají mít velkou tvrdost a odolnost
proti otěru (funkční části mlýnů a drtičů). Je
výchozím materiálem pro výrobu temperované
litiny.
MTDII
30
Temperovaná litina
 Temperovaná litina vzniká z bílé litiny dlouhodobým
žíháním (temperováním) v pecích. Ve struktuře
dochází k rozpadu cementitu obsaženého v ledeburitu
na grafit a železo (grafitizace). Temperovaná litina je
houževnatá a snadno obrobitelná, svými vlastnostmi
je přechodem mezi šedou litinou a ocelí, je do určité
míry kujná. Její použití ve stavbě strojů je velmi široké.
MTDII
31
Temperovaná litina
 V oxidačním prostředí (zásypu kyslíkaté
železné rudy) dochází při temperování
k oduhličení materiálu od povrchových
vrstev do hloubky, někdy v celém
průřezu. Tato temperovaná litina je na
lomu bílá, složením perlitická, někdy se
nazývá „evropská“. Žíháním v neutrálním
prostředí vzniká temperovaná litina
s černým lomem, složením feritická,
někdy se nazývá „americká“.
MTDII
32
Použitá literatura
 http://www.zs.vlachovice.cz/odkazy/prakticke%20c
innosti/cesta%20zeleza/pouziti.html/
 http://www.ua.all.biz/cs/ocelarenske-surovezelezo-houska-g1518523
 http://www.techservicecz.cz/
 Přednášky KMT TU v Liberci – Nauka o materiálu
MTDII
33
Děkuji za pozornost
MTDII
34