Jaké druhy oceli existují – jak se od sebe liší slitiny kovů?

Železo ve své čisté formě je měkký materiál, který v přírodním prostředí silně oxiduje a snadno se deformuje. A litina má vysoký obsah uhlíku, díky čemuž je materiál křehčí. Úkolem metalurgie je najít variantu slitiny, která nejlépe realizuje všechny pozitivní vlastnosti železa. A jednou z takových možností je ocel.

co je ocel?

Ocel je slitina běžného železa s nižším obsahem uhlíku než litina – ne více než 1,6 %. Ocel obsahuje i další chemické prvky: mangan, dusík, cín, síra, křemík, fosfor atd. Aby materiál získal potřebné vlastnosti, zavádějí se do taveniny legující přísady, které ovlivňují fyzikální a chemické vlastnosti konečného produktu.

Zpočátku proces tavení zahrnuje čištění přebytečného uhlíku a nežádoucích nečistot, které zhoršují vlastnosti kovu. Tavení vsázky se provádí v různých metalurgických jednotkách. Může to být vysoká pec nebo pec s otevřenou nístějí, konvektory, elektrický oblouk nebo elektrické indukční systémy.

Hutnictví železa vyrábí a dodává pro různá průmyslová odvětví širokou škálu ocelí různých jakostí a názvů. Liší se od sebe svými provozními parametry. Podívejme se na různé přístupy ke klasifikaci ocelí

Systematizace různých slitin železa

Oceli jsou klasifikovány podle:

• Složení. Uhlík a různé legovací přísady mění krystalovou mřížku slitiny.
• K účelu. Vyrábí konstrukční, instrumentální a speciální třídy.
• Metoda dezoxidace. Jedná se o vroucí, poloklidné a klidné slitiny.
• Struktura. Oceli se dělí na žíhané a normalizované. Zde se odráží vnitřní struktura kovu. V žíhaném stavu může být strukturní forma slitiny hypoeutektoidní, eutektoidní, hypereutektoidní, ledeburitová, austenitová nebo feritická.
• Vlastnosti. Různé legovací přísady dodávají slitinám jedinečné vlastnosti – tvrdost, tepelnou odolnost, odolnost proti kyselinám, neutralitu a mrazuvzdornost.

Druhy ocelí podle chemického složení

Slitina se dělí na dva hlavní typy: uhlíková a legovaná. Komponenty a režimy tepelného zpracování výrazně mění vlastnosti konečného produktu.

Uhlík

Oceli, kde je hlavní přísadou uhlík a všechny ostatní prvky jsou přítomny v malých množstvích, se sdružují do uhlíkových ocelí.

Podle obsahu uhlíku existují tři typy:

• Nízkouhlíková skupina. Obsah uhlíku – až 0,25 %. Materiál je prakticky čisté železo. Je měkký a pružný. Svařuje se bez vzniku vnitřního pnutí. Otužovat se prakticky nedá. Pevnost výrobku z nízkouhlíkové oceli lze zvýšit pouze cementací, tedy přidáním dalšího uhlíku do povrchové vrstvy. Tohoto efektu se dosáhne například kalením v oleji. Hlavní oblastí použití oceli je tvorba složitých svařovaných, ohýbaných a lisovaných výrobků.
• Střední uhlíková skupina. Materiál obsahuje uhlík od 0,26 % do 0,6 %. Toto složení umožňuje širokou škálu změn vlastností v důsledku režimů tepelného zpracování. Ocel je podrobena popouštění a následnému kalení, aby se získaly vysoké pevnostní charakteristiky. Při svařování materiálů se zohledňují místní změny vlastností kovu vlivem ohřevu. Materiál se používá k vytvoření kritických částí, které jsou vystaveny vážnému zatížení: nástroje, posuvné prvky.
• Skupina s vysokým obsahem uhlíku. Obsah uhlíku: od 0,6 % do 1,5 %. Po vytvrzení se materiál stává elastickým a velmi odolným. To umožňuje vytvoření vinutých a listových pružin, řezných nástrojů. Ocel se obtížně svařuje, protože se ve svaru a kolem něj tvoří mnohonásobné vnitřní pnutí, které vede k prasklinám. Tenký kov hoří okamžitě při prvním dotyku elektrody. Na dovolenou se nechodí dobře.

Legované

Ocel se vyrábí ze železa zaváděním speciálních přísad. Přidává se chrom, mangan, nikl, molybden, vanad, berylium, niob atd.
Podle počtu přísad se oceli dělí do tří skupin. Nízkolegované obsahují do 2 % přísad, středně legované – do 10 %, vysoce legované – 11 procent nebo více.

Každá složka mění vlastnosti slitiny. Například přidání více než 14 % chrómu do kompozice činí ocel nerezovou. Nikl dodává slitině houževnatost a nemagnetické vlastnosti. Mangan, chrom, titan a wolfram zvyšují pevnost. Další přísady mohou ovlivnit tepelnou odolnost, odolnost vůči kyselinám a zásadám, mrazuvzdornost atd.

Druhy oceli podle účelu

Každá slitina je určena pro použití v omezené oblasti. Tvrdosti, viskozity, odolnosti proti chemickým vlivům a dalších vlastností se dosahuje přidáním určitých přísad do železa v určitých poměrech. Po tepelném zpracování získá výrobek požadované vlastnosti.

Strukturální

Tento typ oceli má minimální množství legujících prvků. Obsah uhlíku je do 0,25 %. Materiál se snadno svařuje, má vysokou plasticitu a snadno se podrobuje jakémukoli mechanickému zpracování (soustružení, frézování, lisování). Nerezová ocel se speciálním složením je také klasifikována jako konstrukční ocel. Nerezové žlaby, úhelníky a plechy slouží k vytvoření konstrukcí určených pro použití v agresivních podmínkách.

Je důležité, aby se během provozu na výrobcích vyrobených z konstrukčních slitin neobjevovaly praskliny a jiné vady. Vytvářejí se z nich hangáry, bednění, nádrže, výtahy, železniční a silniční mosty, vodovodní potrubí a další konstrukce.

instrumentální

Mezi legovanými ocelmi existuje speciální třída určená pro tvorbu pracovních nástrojů. Tento kov má zvýšenou odolnost proti opotřebení. Během provozu, například razidla, jednotka zažívá mnohonásobné nárazové deformační účinky. Na Rockwellově stupnici by se hodnota tvrdosti měla pohybovat v rozmezí 60-65 jednotek. Nože vyrobené z nástrojové oceli musí vydržet mnoho pracovních cyklů mezi broušením. Přístroj je vystaven agresivnímu prostředí a výrazným změnám teplot. K potlačení tohoto vlivu se do slitiny přidávají chrom, vanad, molybden, kobalt a wolfram.

Zvláštní skupinu tvoří lékařské slitiny. Jsou odolné, odolné proti opotřebení a neutrální. Materiál používaný pro výrobu lékařských nástrojů je nerezová ocel třídy AISI 420, AISI 154 CM.

Různé kombinace komponentů umožňují vytvářet vysoce přesné měřicí přístroje, řezné prvky, razidla, razníky, formovací trny atd.

U řezných nástrojů je důležitá zvýšená červená tvrdost. Ukazuje, jak dlouho může být součást vystavena kritickému přehřátí, aniž by ztratila své vlastnosti.

speciální

Ve výrobě jsou potřeba materiály, ze kterých lze vytvořit zařízení, které funguje za speciálních podmínek. Například reaktor s kyselým prostředím nebo pec s teplotou nad 1000 stupňů. K tomuto účelu se používají speciální slitiny, které odolají působení takto extrémních podmínek.

Při zvýšených teplotách se normální vzdušný kyslík stává agresivním. Nerezová ocel se zvýšenou tepelnou odolností taková prostředí odolá. Kromě chrómu, který zajišťuje odolnost proti oxidaci, se do těchto ocelí přidává křemík a nikl. Žáruvzdorné nerezové plechy a trubky jsou žádané v hutních provozech, v letecké a automobilové výrobě, při výrobě potravin, při stavbě komínů, kotelen atd.

Mezi speciální oceli patří také slitiny, které mají vysokou odolnost proti kyselinám, odolnost proti opakované deformaci, mrazuvzdornost (při teplotách pod -60 °C výrobek nekřehne) a červenou tvrdost.

V transformátorech se používají elektrooceli. Je to materiál používaný při přenosu magnetických sil. Oceli mají minimální odolnost proti převrácení magnetizace. Čím vyšší je frekvence střídavého proudu, tím více energie je vynaloženo na ohřev jádra transformátoru. Díly vyrobené z elektrooceli pomáhají minimalizovat tepelné ztráty při transformaci elektrických parametrů.

Podle struktury

Oceli se dělí na dva hlavní typy:

• Žíhaný. Kov se zahřívá nad teplotu krystalizace a velmi pomalu se ochlazuje. Výsledkem je, že struktura nabývá několika formátů. Existuje 6 typů: hypoeutektoidní, eutektoidní, hypereutektoidní, ledeburitový, austenitický, feritický.
• Normalizované. Nechá se vychladnout v přirozeném prostředí. Materiál má následující podtypy: feritické, perlitické, martenzitické a austenitické oceli. Tento způsob výroby je mnohem ekonomičtější a umožňuje dosažení požadovaných parametrů.

Druhy ocelí podle vlastností

Legující komponenty dávají slitinám jedinečné vlastnosti, podle kterých lze rozlišit několik skupin. Získání oceli se specifickými vlastnostmi je nezbytné pro vytvoření mechanismů, které fungují za zvláštních podmínek.

Oceli s vysokou tvrdostí

Slitiny jako 18KhGT, 30KhGSA, 50KhFA, 60S2A, KhGS se používají k vytváření ozubených převodů s vysokým zatížením, hřídele, pružiny, ložiskové klece, svařované konstrukce s vysokou odpovědností, matrice, razníky.

Nerezové třídy 08X18N10T, 12X18N10T mají nejen vysokou pevnost, ale také dobré antikorozní vlastnosti. Vyrábějí se z nich komponenty, které se používají ve speciálních podmínkách.

Zvýšené tvrdosti je dosaženo vysokým obsahem uhlíku a různými legujícími přísadami wolframu, křemíku, titanu, manganu, chrómu a vanadu.

Tepelně odolné slitiny

Tepelná odolnost nebo odolnost proti okují je schopnost oceli odolávat dlouhodobému vystavení extrémním teplotám. Za takových podmínek se mění vnitřní struktura a urychluje se vývoj koroze. Aby se tomu zabránilo, přidává se do slitiny chrom, hliník a křemík.

Nejběžnější třídy žáruvzdorné oceli jsou 08X17T, 15X25T1, 15X6SYU, 36X18N25S2. Díky zvýšenému obsahu chrómu jsou slitiny nerezové.

Další důležitou kvalitou žáruvzdorné oceli je, že si zachovává svou pevnost, když je zahřátá na více než 1000 stupňů.

Odolný vůči kyselinám

V mnoha výrobních procesech je kov v neustálém kontaktu s kyselinou dusičnou, sírovou, chlorovodíkovou, fosforečnou a dalšími kyselinami. Při kontaktu běžné oceli s agresivními látkami dochází k destrukci její struktury. Zavedení chrómu, manganu a niklu do slitiny činí kov stabilním i při kriticky vysokých teplotách.

Nerezové plechy a trubky odolné vůči kyselinám se používají k vytváření chemických reaktorů a systémů pro přepravu agresivních kapalin.

Jídlo

V lékařství a potravinářském průmyslu je hlavním kritériem neutralita. Je důležité, aby kov při kontaktu neměnil vlastnosti výrobků. K tomuto účelu se vyrábí nerezové potravinářské plechy a trubky. Používají se k výrobě vybavení, nádobí, příborů a nádob.

Chemické neutrality je dosaženo vysoce čistým železem a legováním niklem, chromem a manganem, titanem atd.

Odolný proti mrazu

Při teplotách pod 30 stupňů se standardní oceli stávají velmi křehkými. Pro použití v extrémních severských podmínkách se používají následující třídy: 09G2, 09G2S, 09G2SD, 16G2AF, 14G2AF, 14G2SAF.

Pro získání slitin s vysokou odolností proti chladu se železo s obsahem uhlíku pod 0,2 % leguje vanadem, hliníkem, niobem a titanem. Ocel může obsahovat dusík, nikl, molybden a chrom.

Legování a následné tepelné zpracování umožňuje získat slitiny s jedinečnými, často opačnými vlastnostmi. Množství slitin různých jakostí na trhu je velké a jejich sortiment se neustále rozšiřuje.