Ocel: definícia, klasifikácia, chemické zloženie a použitie

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 05:40

Ako často počujeme slovo „oceľ“. A vyslovujú ho nielen odborníci v oblasti hutníckej výroby, ale aj mešťania. Žiadna pevná konštrukcia nie je úplná bez ocele. V skutočnosti, keď hovoríme o niečom kovovom, máme na mysli výrobok vyrobený z ocele. Poďme zistiť, z čoho pozostáva a ako je klasifikovaný.

Definícia

Ocel je snáď najobľúbenejšia zliatina, ktorej základom je železo a uhlík. Okrem toho podiel druhých sa pohybuje od 0,1 do 2,14 %, pričom podiel prvého nemôže byť nižší ako 45 %. Jednoduchosť výroby a dostupnosť surovín sú rozhodujúce pri distribúcii tohto kovu do všetkých oblastí ľudskej činnosti.

Hlavné vlastnosti materiálu sa líšia v závislosti od jeho chemického zloženia. Definíciu ocele ako zliatiny pozostávajúcej z dvoch zložiek, železa a uhlíka, nemožno nazvať úplnou. Môže obsahovať napríklad chróm pre tepelnú odolnosť a nikel pre odolnosť proti korózii.

Požadované komponentymateriály poskytujú ďalšie výhody. Železo teda robí zliatinu kujnou a ľahko deformovateľnou za určitých podmienok a uhlík vytvára pevnosť a tvrdosť súčasne s krehkosťou. Preto je jeho podiel na celkovej hmotnosti ocele taký malý. Stanovenie spôsobu výroby zliatiny viedlo k obsahu mangánu v nej vo výške 1% a kremíka - 0,4%. Pri tavení kovu sa objavuje množstvo nečistôt, ktorých sa snažia zbaviť. Spolu s fosforom a sírou degradujú vlastnosti materiálu aj kyslík a dusík, čím je menej odolný a mení sa ťažnosť.

Klasifikácia

Definícia ocele ako kovu s určitým súborom vlastností, samozrejme, je nepochybná. Je to však práve jeho zloženie, ktoré umožňuje triediť materiál vo viacerých smeroch. Takže napríklad kovy sa vyznačujú týmito vlastnosťami:

• na chemikálie;
• structural;
• podľa kvality;
• ako bolo zamýšľané;
• podľa stupňa deoxidácie;
• podľa tvrdosti;
• o zvariteľnosti ocele.

Definícia ocele, označenie a všetky jej charakteristiky budú popísané nižšie.

Značenie

Bohužiaľ, neexistuje žiadne globálne označenie ocele, čo značne komplikuje obchod medzi krajinami. V Rusku je definovaný alfanumerický systém. Písmená označujú názov prvkov a spôsob dezoxidácie a čísla označujú ich počet.

Chemické zloženie

Sú dva spôsobydelenie ocele podľa chemického zloženia. Definícia, ktorú uvádzajú moderné učebnice, umožňuje rozlišovať medzi uhlíkovým a legovaným materiálom.

Prvý atribút definuje oceľ ako nízkouhlíkovú, stredne-uhlíkovú a vysoko-uhlíkovú a druhý – nízkolegovanú, stredne legovanú a vysokolegovanú. Nízkouhlíkový kov sa nazýva, ktorý podľa GOST 3080-2005 môže obsahovať okrem železa aj tieto zložky:

• Uhlík – až 0,2 %. Podporuje tepelné spevnenie, vďaka čomu sa pevnosť v ťahu a tvrdosť zdvojnásobia.
• Mangán v množstve do 0,8% aktívne vstupuje do chemickej väzby s kyslíkom a zabraňuje tvorbe oxidu železa. Kov lepšie odoláva dynamickému zaťaženiu a je prístupnejší tepelnému vytvrdzovaniu.
• Kremík – až 0,35 %. Zlepšuje mechanické vlastnosti ako húževnatosť, pevnosť, zvariteľnosť.

Podľa GOST sa oceľ ako nízkouhlíková oceľ definuje ako kov, ktorý obsahuje okrem užitočných aj množstvo škodlivých nečistôt v nasledujúcom množstve. Toto je:

• Fosfor - až 0,08% je zodpovedný za vznik lámavosti za studena, zhoršuje výdrž a silu. Znižuje húževnatosť kovu.
• Síra - až 0,06%. Komplikuje opracovanie kovu tlakom, zvyšuje popúšťaciu krehkosť.
• Dusík. Znižuje technologické a pevnostné vlastnosti zliatiny.
• Kyslík. Znižuje pevnosť a prekáža pri rezných nástrojoch.

Treba podotknúť, že nízka respnízkouhlíkové ocele sú obzvlášť mäkké a tvárne. Dobre sa deformujú za tepla aj za studena.

Definícia stredne uhlíkovej ocele, ako aj jej zloženie sa samozrejme líši od vyššie opísaného materiálu. A najväčším rozdielom je množstvo uhlíka, ktoré sa pohybuje od 0,2 do 0,45 %. Takýto kov má nízku húževnatosť a ťažnosť spolu s vynikajúcimi pevnostnými vlastnosťami. Stredne uhlíková oceľ sa bežne používa na diely, ktoré sa používajú pri normálnom výkonovom zaťažení.

Ak je obsah uhlíka vyšší ako 0,5 %, potom sa takáto oceľ nazýva oceľ s vysokým obsahom uhlíka. Má zvýšenú tvrdosť, zníženú viskozitu, ťažnosť a používa sa na lisovanie nástrojov a dielov deformáciou za tepla a za studena.

Okrem identifikácie uhlíka prítomného v oceli je určenie charakteristík materiálu možné prostredníctvom prítomnosti ďalších nečistôt v oceli. Ak sa do kovu okrem bežných prvkov cielene zavádza aj chróm, nikel, meď, vanád, titán, dusík v chemicky viazanom stave, tak sa nazýva dopovaný. Takéto prísady znižujú riziko krehkého lomu, zvyšujú odolnosť proti korózii a pevnosť. Ich číslo udáva stupeň legovania ocele:

• nízkolegované – má až 2,5% legujúcich prísad;
• stredne legované - od 2,5 do 10%;
• vysoko legované – až 50 %.

Čo to znamená? Napríklad zvýšenie akýchkoľvek nehnuteľností sa začalo poskytovať takto:

1. Pridanie chrómu. pozitívneovplyvňuje mechanické vlastnosti už vo výške 2% z celku.
2. Zavedenie niklu od 1 do 5% zvyšuje teplotnú hranicu viskozity. A znižuje lámavosť za studena.
3. Mangán funguje rovnako ako nikel, aj keď oveľa lacnejšie. Pomáha však zvýšiť citlivosť kovu na prehriatie.
4. Volfrám je aditívum tvoriace karbid, ktoré poskytuje vysokú tvrdosť. Pretože pri zahrievaní zabraňuje rastu zŕn.
5. Molybdén je drahá prísada. Čo zvyšuje tepelnú odolnosť rýchlorezných ocelí.
6. Kremík. Zvyšuje odolnosť voči kyselinám, elasticitu, odolnosť voči vodnému kameňu.
7. Titan. V kombinácii s chrómom a mangánom môže podporovať jemnozrnnú štruktúru.
8. Meď. Zvyšuje antikorózne vlastnosti.
9. Hliník. Zvyšuje tepelnú odolnosť, tvorbu vodného kameňa, húževnatosť.

Štruktúra

Určenie zloženia ocele by bolo neúplné bez preštudovania jej štruktúry. Tento znak však nie je konštantný a môže závisieť od mnohých faktorov, ako sú: režim tepelného spracovania, rýchlosť chladenia, stupeň legovania. Podľa pravidiel by mala byť oceľová konštrukcia určená po žíhaní alebo normalizácii. Po žíhaní sa kov rozdelí na:

• proeutektoidná štruktúra – s prebytkom feritu;
• eutektoid, ktorý pozostáva z perlitu;
• hypereutektoidný - so sekundárnymi karbidmi;
• ledeburit – s primárnymi karbidmi;
• austenitické – s kryštálovou mriežkou vycentrovanou na tvár;
• feritické – s kubickou mriežkou centrovanou na telo.

Určenie triedy ocele je možné po normalizácii. Rozumie sa ním druh tepelného spracovania, ktorý zahŕňa zahrievanie, udržiavanie a následné ochladzovanie. Tu sa rozlišujú perlitové, austenitické a feritické triedy.

Kvalita

Určovanie typov z hľadiska kvality je možné štyrmi spôsobmi. Toto je:

1. Bežná kvalita - ide o ocele s obsahom uhlíka do 0,6%, ktoré sa tavia v otvorených peciach alebo v konvertoroch na kyslík. Sú považované za najlacnejšie a majú nižšie vlastnosti ako kovy iných skupín. Príkladom takýchto ocelí sú St0, St3sp, St5kp.
2. Kvalita. Významnými predstaviteľmi tohto typu sú ocele St08kp, St10ps, St20. Tavia sa v rovnakých peciach, ale s vyššími požiadavkami na vsádzkové a výrobné procesy.
3. Vysokokvalitné ocele sa tavia v elektrických peciach, čo zaručuje zvýšenie čistoty materiálu pre nekovové inklúzie, teda zlepšenie mechanických vlastností. Tieto materiály zahŕňajú St20A, St15X2MA.
4. Mimoriadne kvalitné - sú vyrobené metódou špeciálnej metalurgie. Sú podrobené elektrotroskovému pretavovaniu, ktoré zabezpečuje čistenie od sulfidov a oxidov. Ocele tohto typu zahŕňajú St18KhG-Sh, St20KhGNTR-Sh.

Konštrukčné ocele

Toto je možno najjednoduchší a najzrozumiteľnejší znak pre laikov. Existujú konštrukčné, nástrojové a špeciálne ocele. Štrukturálne sa zvyčajne delí na:

1. Stavebné ocele sú uhlíkové ocele bežnej kvality a predstavujú nízkolegované ocele. Podliehajú niekoľkým požiadavkám, z ktorých hlavnou je zvárateľnosť na dostatočne vysokej úrovni. Príkladom je StS255, StS345T, StS390K, StS440D.
2. Cementované materiály sa používajú na výrobu produktov, ktoré fungujú v podmienkach povrchového opotrebovania a súčasne sú vystavené dynamickému zaťaženiu. Patria sem nízkouhlíkové ocele St15, St20, St25 a niektoré legované ocele: St15Kh, St20Kh, St15KhF, St20KhN, St12KhNZA, St18Kh2N4VA, St18Kh2N4MA, St18KhGT, St20KhGTT.
3. Na lisovanie za studena sa používajú zrolované listy z kvalitných nízkouhlíkových vzoriek. Napríklad St08Yu, St08ps, St08kp.
4. Opracovateľné ocele, ktoré sa zlepšujú procesom kalenia a vysokého popúšťania. Ide o stredne uhlíkové (St35, St40, St45, St50), chrómové (St40X, St45X, St50X, St30XRA, St40XR) ocele, ako aj chróm-kremík-mangán, chróm-nikel-molybdén a chróm-nikel.
5. Pérové pružiny majú elastické vlastnosti a zachovávajú si ich po dlhú dobu, keďže majú vysoký stupeň odolnosti proti únave a zničeniu. Ide o uhlíkových zástupcov St65, St70 a legovaných ocelí (St60S2, St50KhGS, St60S2KhFA, St55KhGR).
6. Vzorky s vysokou pevnosťou sú tie, ktoré majú dvojnásobnú pevnosť ako iné konštrukčné ocele, dosiahnuté tepelným spracovaním a chemickým zložením. Vo veľkom sú to legované stredne uhlíkové ocele, napríklad St30KhGSN2A, St40KhN2MA, St30KhGSA, St38KhN3MA, StOZN18K9M5T, St04KHIN9M2D2TYu.
7. Guľkové ložiskoocele sa vyznačujú špeciálnou odolnosťou, vysokým stupňom odolnosti proti opotrebovaniu a pevnosti. Vyžaduje sa od nich, aby spĺňali požiadavky na absenciu rôznych druhov inklúzií. Tieto vzorky zahŕňajú ocele s vysokým obsahom uhlíka s obsahom chrómu v zložení (StSHKh9, StSHKh15).
8. Automatické definície ocele sú nasledovné. Sú to vzorky na použitie pri výrobe nekritických produktov, ako sú skrutky, matice, skrutky. Takéto náhradné diely sú zvyčajne opracované. Hlavnou úlohou je preto zvýšiť opracovateľnosť dielov, čo sa dosiahne zavedením telúru, selénu, síry a olova do materiálu. Takéto prísady prispievajú k tvorbe krehkých a krátkych triesok pri obrábaní a znižujú trenie. Hlavní predstavitelia automatických ocelí sú označovaní nasledovne: StA12, StA20, StA30, StAS11, StAS40.
9. Ocele odolné voči korózii sú legované ocele s obsahom chrómu asi 12 %, pretože na povrchu vytvára oxidový film, ktorý zabraňuje korózii. Zástupcovia týchto zliatin sú St12X13, St20X17N2, St20X13, St30X13, St95X18, St15X28, St12X18NYUT,
10. Vzorky odolné voči opotrebeniu sa používajú vo výrobkoch, ktoré fungujú pod abrazívnym trením, nárazmi a silným tlakom. Príkladom sú časti železničných tratí, drviče a pásové stroje, ako napríklad St110G13L.
11. Žiaruvzdorné ocele môžu pracovať pri vysokej teplote. Používajú sa pri výrobe potrubí, náhradných dielov plynových a parných turbín. Ide najmä o vysokolegované nízkouhlíkové vzorky, ktoré nevyhnutne obsahujú nikel, ktorý môže obsahovať prísady vo formemolybdén, nobium, titán, volfrám, bór. Príkladom môže byť St15XM, St25X2M1F, St20XZMVF, St40HUS2M, St12X18N9T, StXN62MVKYU.
12. Tepelne odolné sú obzvlášť odolné voči chemickému poškodeniu vo vzduchu, plyne a peci, v oxidačnom a nauhličujúcom sa prostredí, ale pri silnom zaťažení vykazujú tečenie. Zástupcovia tohto typu sú St15X5, St15X6SM, St40X9S2, St20X20H14S2.

Nástrojové ocele

V tejto skupine sa zliatiny delia na matrice, pre rezné a meracie nástroje. Existujú dva typy zápustkových ocelí.

• Materiál na tvárnenie za studena by mal mať vysoký stupeň tvrdosti, pevnosti, odolnosti proti opotrebovaniu, tepelnej odolnosti. Ale majte dostatočnú viskozitu (StX12F1, StX12M, StX6VF, St6X5VMFS).
• Materiál na tvárnenie za tepla má dobrú pevnosť a húževnatosť. Spolu s odolnosťou proti opotrebeniu a odolnosťou voči vodnému kameňu (St5KhNM, St5KhNV, St4KhZVMF, St4Kh5V2FS).

Meracie nástrojové ocele musia byť okrem odolnosti proti opotrebeniu a tvrdosti aj rozmerovo stabilné a ľahko brúsiteľné. Z týchto zliatin sa vyrábajú kalibre, sponky, šablóny, pravítka, váhy, dlaždice. Príkladom môžu byť zliatiny StU8, St12Kh1, StKhVG, StKh12F1.

Určenie skupín ocele pre rezné nástroje je pomerne jednoduché. Takéto zliatiny musia mať reznú schopnosť a vysokú tvrdosť po dlhú dobu, aj keď sú vystavené teplu. Patria sem uhlíkové a zliatinové nástroje, ako ajrýchlorezné ocele. Tu môžete vymenovať nasledujúcich významných predstaviteľov: StU7, StU13A, St9XS, StKhVG, StR6M5, Stryuk5F5.

Deoxidácia zliatiny

Určenie ocele podľa stupňa dezoxidácie zahŕňa jej tri typy: pokojná, polopokojná a vriaca. Samotný koncept sa týka odstraňovania kyslíka z tekutej zliatiny.

Tichá oceľ počas tuhnutia takmer neuvoľňuje plyny. Je to spôsobené úplným odstránením kyslíka a vytvorením zmršťovacej dutiny na vrchu ingotu, ktorý sa potom odreže.

V polopokojnej oceli sa plyny uvoľňujú čiastočne, teda viac ako v pokojnej oceli, ale menej ako vo vriacich. Nie je tu žiadna škrupina, ako v predchádzajúcom prípade, ale na vrchu sa tvoria bubliny.

Vrné zliatiny pri stuhnutí uvoľňujú veľké množstvo plynu a na priereze si stačí jednoducho všimnúť rozdiel v chemickom zložení medzi hornou a spodnou vrstvou.

Tvrdosť

Tento pojem sa týka schopnosti materiálu odolávať tvrdšiemu prenikaniu do neho. Stanovenie tvrdosti bolo možné pomocou troch metód: L. Brinell, M. Rockwell, O. Vickers.

Podľa Brinellovej metódy sa do brúseného povrchu vzorky vtlačí kalená oceľová gulička. Štúdiom priemeru tlače určite tvrdosť.

Metóda stanovenia tvrdosti ocele podľa Rockwella. Je založená na výpočte hĺbky prieniku 120-stupňového hrotu diamantového kužeľa.

Podľa Vickersa v testovacej vzorkeje vtlačená diamantová štvorstenná pyramída. S uhlom 136 stupňov na opačných stranách.

Je možné určiť triedu ocele bez chemickej analýzy? Špecialisti v oblasti metalurgie sú schopní rozpoznať druh ocele podľa iskry. Stanovenie zložiek kovu je možné pri jeho spracovaní. Napríklad:

• CVG oceľ má tmavé karmínové iskry so žlto-červenými bodkami a chumáčmi. Na koncoch rozvetvených nití sa objavujú jasne červené hviezdy so žltými zrnkami v strede.
• Oceľ P18 je tiež rozpoznateľná podľa tmavých karmínových iskier so žltými a červenými chumáčmi na začiatku, avšak vlákna sú rovné a nemajú vidlice. Na koncoch zväzkov sú iskry s jedným alebo dvoma svetložltými zrnkami.
• Ocele triedy ХГ, Х, ШХ15, ШХ9 majú žlté iskry so svetlými hviezdami. A červené zrná na konároch.
• Oceľ U12F sa vyznačuje svetložltými iskrami s hustými a veľkými hviezdami. S niekoľkými červenými a žltými chumáčmi.
• Ocele 15 a 20 majú svetložlté iskry, veľa vidlíc a hviezd. Ale pár chumáčov.

Určenie ocele iskrou je pomerne presná metóda pre špecialistov. Bežní ľudia však nedokážu charakterizovať kov skúmaním iba farby iskry.

Zvárateľnosť

Vlastnosť kovov vytvoriť spoj pri určitom náraze sa nazýva zvárateľnosť ocelí. Stanovenie tohto indikátora je možné po zistení obsahu železa a uhlíka.

Verí sa, že sú dobre spojené zváranímnízkouhlíkové ocele. Keď obsah uhlíka presiahne 0,45 %, zvárateľnosť sa zhoršuje a zhoršuje, keď je obsah uhlíka vysoký. Stáva sa to aj preto, že sa zvyšuje nehomogenita materiálu a na hraniciach zŕn vystupujú sulfidové inklúzie, čo vedie k tvorbe trhlín a zvýšeniu vnútorného napätia.

Zliatinové komponenty tiež pôsobia a zhoršujú spojenie. Najnepriaznivejšie pre zváranie sú také chemické prvky ako chróm, molybdén, mangán, kremík, vanád, fosfor.

Dodržiavanie technológie pri práci s nízkolegovanými oceľami však poskytuje dobré percento zvariteľnosti bez použitia špeciálnych opatrení. Určenie zvárateľnosti je možné po vyhodnotení niekoľkých dôležitých vlastností materiálu, vrátane:

• Rýchlosť chladenia.
• Chemické zloženie.
• Pohľad na primárnu kryštalizáciu a štrukturálne zmeny počas zvárania.
• Schopnosť kovu vytvárať trhliny.
• Tendencia materiálu tvrdnúť.