Tudástár
Acélok
Az acél sokoldalú, számos területen felhasználható szerkezeti anyag. A tisztasága, ötvözése és hőkezelése következtében lehet lágy vagy kemény, húzásnak, kopásnak, korróziónak ellenálló és hőálló. Az acél kovácsolható, hengerelhető, önthető, alakítható képlékenyen, de forgácsolással is.
Az acélt nyersvasból állítják elő. Az acél széntartalma kisebb, olvadáspontja magasabb, tisztasága és szívóssága nagyobb, mint a nyersvasé. A nyersvas átolvasztása és az acél előállítása az acélműben 1600⁰C feletti hőmérsékleten történik.
Az acélmű feladatai:
- a minőségrontó kísérőelemek (P és S) és gázok (H és N) részleges eltávolítása
- a széntartalom csökkentése a kívánt szintre
- ötvözőelemekkel való ötvözés az acél tulajdonságainak javítására
Az acélgyártás során a folyékony nyersvasba oxigént vezetnek, hogy a nyersvasban található szennyezőanyagokat (pl. S és P) részben, valamint a fölösleges szenet eltávolítsák azáltal, hogy elégetik. A nyersvasban még előforduló P, S, Si, Mn szennyezőanyagok mennyiségének és a túlságosan magas széntartalmának csökkentését frissítésnek nevezik.
A gép- és járműipar ma is jelentősen támaszkodik az acélra, mint alapanyagra. Ennek egyik oka, hogy az összes szerkezeti anyag közül az acél tulajdonságai változtathatók a legolcsóbban a legtágabb határok között. Másrészt olcsóságának és a nyersanyag elérhetőségének köszönhetően (beleértve az olcsó újrahasznosítást is) a gyártórendszerek nagy része az acél feldolgozására épültek ki. Széles technológiai tudásunk és sokszor a technológia egyszerűsége is az acélok felhasználása felé billenti a mérleg nyelvét. A korróziós hajlamon kívül nagy hátránya az acél alkatrészeknek a nagy tömegük. A gépjárműgyártás irányvonalait tekintve az elmúlt 15 évben mégsem csökkent jelentősen a járműiparban az acélok felhasználása. A drágább gépjármű kategóriáknál megjelentek a könnyűfémek és kompozitok, mint a járművek tömegcsökkentésének alternatív lehetőségei, de ezek anyag- és technológiai költségei fékezik elterjedésüket. Egy járművön belül ugyan jelentősen csökkent a hagyományos vasötvözetek felhasználása, de a korszerű nagy szilárdságú acélokat beszámítva ez nem jelentős (74%-ról 63%-ra). A járműgyártók a tömegcsökkentés lehetőségeit az olcsóbb kategóriáknál inkább a korszerű nagy szilárdságú acélokban keresik. A könnyűfémek (alumínium, magnézium) inkább az öntöttvasak felhasználását szorították vissza. A fent említett előnyök hatására az acél a jövőben is jelentős alapanyaga marad a gép- és járműgyártásnak.
1. Acélok csoportosítása
Acélnak nevezzük az általában 2% karbontartalom alatti vasötvözetet. Egyes esetekben a karbontartalom lehet nagyobb is, és léteznek olyan acélok is, amelyben a vas aránya kisebb, mint az ötvözőké. Az acélokat összetételük, felhasználásuk, szövetszerkezetük és a felhasználásra kerülő hőkezelési állapotuk szerint osztályozzuk.
1.1. Acélok csoportosítása vegyi összetétel és felhasználás szerint
Vegyi összetételük szerint, az acélok lehetnek:
| Ötvözetlen acélok (szénacélok): | ha a Mn < 0,8% és Si < 0,5% |
| Gyengén ötvözött acélok: | ha az összes ötvöző < 5% |
| Ötvözött acélok: | 5% < összes ötvöző < 20% |
| Erősen ötvözött acélok: | ha az összes ötvöző > 20% |
Felhasználás szerint, az acélok lehetnek:
| Szerkezeti acélok: | C% < 0,4-0,6% |
| Szerszámacélok: | 0,4% < C% < 2,06% |
| Különleges acélok: | hőálló és korrózióálló acélok |
Szerkezeti acélból készülnek tartóelemek, hegesztett szerkezetek, gépvázak, karosszériaelemek, de tengelyek és fogaskerekek is. Ennek megfelelően a kellő szilárdság mellett dinamikus igénybevétellel szemben is ellenállónak kell lennie. A szerkezeti acéloknál ezért a szilárdsági jellemzőket és a szívósságot írják elő, mint követelmény. A megfelelő szívósság érdekében az üzemi hőmérsékleten nem lehet kisebb az ütőmunka 27J-nál. A megfelelő szilárdsági és szívóssági értékeket ötvözéssel, hidegalakítással és hőkezeléssel lehet beállítani.
A szerszámacélból forgácsoló szerszámokat (esztergakést, fűrészlapot, fúrószárat stb.) és az alakító műveletek szerszámait (mint a kivágó, a hajlító, a mélyhúzó stb.) készítjük. Ezeknek az acéloknak keményeknek és kopásállóknak kell lenniük. A szerszámacél a szerkezeti acéltól főleg nagyobb keménységével különbözik, többnyire edzett, vagy nemesített (edzett és megeresztett) állapotban használjuk, ezért rendszerint jó edzhetőséget kívánunk tőle. A karbontartalmuk nagy, mert a keménység elsősorban a martenzit karbontartalmától és a karbidfázisok jelenlététől függ. A megfelelő tulajdonságok ötvözéssel és hőkezeléssel egyaránt elérhetőek.
A különleges acélok meghatározott követelményeket elégítenek ki. Ide tartoznak a korrózióálló, a saválló, a melegszilárd, a kopásálló acélok, a dinamó és transzformátor lemezek anyagai stb. Ezeket a különleges tulajdonságokat csak ötvözéssel lehet kialakítani.
Mind a szerkezeti, mind a szerszámacélokat még tovább osztályozhatjuk. Aszerint, hogy a szerkezeti acélok milyen hőkezelési módszer alkalmazásával kapják meg a felhasználás szempontjából legmegfelelőbb sajátosságaikat, megkülönböztetünk nemesíthető és betétben edzhető acélokat. Az edzhető, ennek folytán nemesíthető szerkezeti acélok jó tulajdonságait, szilárdsági értékeit edzés és megeresztés után lehet elérni, karbontartalmuk 0,25–0,6% között változik. Követelmény ezekkel szemben a jó edzhetőség. A betétben edzhető acélokkal szemben pedig az a követelmény, hogy a karbon-tartalmuk éppen alatta legyen az edzhetőségi határnak, de a megfelelő szilárdsági tulajdonságokhoz szükséges egyéb ötvözőket tartalmazzák. Karbontartalmuk 0,2%-nál kisebb. Hőkezeléskor felületükbe karbont diffundáltatnak, így a külső kéreg edzhetővé válik, míg a belső mag nem, az szívós marad.
1.2. Acélok csoportosítása szövetszerkezetük szerint
Az acélokat csoportosíthatjuk az egyensúlyi szövetszerkezetük szerint is. Az ötvözők egy csoportja (Cr, Mo, Si, W) az egyensúlyi Fe-C fázisdiagramban az ausztenit területét leszűkítik, így az α-ferritet stabilizálják (ferritképzők), míg egy másik csoport (Ni, Mn) az ausztenit területének kinyitásával az ausztenit stabilitásának hőmérsékletét a szobahőmérsékletig lecsökkentik (ausztenitképzők) [Balla, Bán, Lovas, Szabó]. Az ötvözők arányának fokozatos emelése módosítja az egyensúlyi Fe-C rendszer szövetszerkezetét. Ezt a módosulást mutatja az 1.1. ábra, attól függően, hogy az adott ötvöző a ferritet vagy az ausztenitet stabilizálja.
Az ábra 0% ötvözőtartalomnál az Fe-C rendszer szövetszerkezetét mutatja a karbontartalom függvényében. Tegyük fel, hogy fokozatosan emeljük egy hipoeutektoidos acél nikkeltartalmát. Egy határértékig a ferrit-perlites szövetszerkezet megmarad, de attól nagyobb ötvözőtartalomnál már szobahőmérsékleten is stabilan megmarad az ausztenit. Ha tovább emeljük a Ni mennyiségét, akkor az ausztenit fázis mennyisége nő, egészen addig, amíg már szobahőmérsékleten is teljesen ausztenites nem lesz az acél. Korrózióálló, ausztenites acélokat ezen az elven lehet létrehozni. Az ötvözött acélok az egyensúlyi Fe-C rendszerhez képest általában kisebb karbontartalomnál válnak hipereutektoidos, illetve ledeburitos szövetűvé.
2. Az alkotók hatása az acélok tulajdonságaira
Az acél alkotói alatt értjük mindazokat az elemeket, amelyek a vason kívül az acélban megtalálhatók. Ötvözőnek akkor nevezhetjük az adott elemet, ha az acél tulajdonságait a kívánt irányba befolyásolják. Ha rontják az elvárt tulajdonságokat, akkor szennyezőkről beszélhetünk. Ennek megfelelően a kén általában szennyező, mert ridegíti az acélt, de automataacéloknál (forgácsoló automatákhoz kifejlesztett acélok) hasznos, mert hatására a forgács nem folyamatos, hanem töredezett lesz.
Az acél alapalkotóinak, vagy kísérő elemeknek nevezzük azokat az elemeket, amelyek a gyártási folyamat során kerülnek az acélba. Alapalkotónak számít a C, valamint a Mn (0,3–0,7%) és a Si (0,2–0,5%) is, amelyek egy része a nyersvasból, másik része a dezoxidáláskor kerül bele az acélba. Szilárd szennyező még a S (kb. 0,05%) és a P (kb. 0,05%). Gáznemű alapalkotó az O (0,01–0,04%), N (0,003–0,02%) és a H (kb. 5 cm3/100g). Az acélgyártási eljárástól függ, hogy mennyi ezek mennyisége.
2.1. A karbon (c) hatása az acélok tulajdonságaira
A karbon gyakorolja a legnagyobb hatást a vas szövetszerkezetére és így mechanikai tulajdonságaira. Normalizált állapotban szakítószilárdságát, amint a 1.2. ábra szemlélteti, kb. 0,9%-ig növeli, 0,9%-nál nagyobb karbontartalmak esetében már csökkennek a szilárdsági értékek. A 0,8%-nál nagyobb karbontartalmú acélokban a karbon részben rideg cementit fázis alakjában, a szemcsehatárok mentén, hálószerűen helyezkedik el.
A karbontartalom növekedésével rohamosan csökken a vas szívóssága. A tiszta vasra jellemző nagy nyúlás, kontrakció és ütőmunka már kb. 0,5% karbontartalom esetén nagymértékben csökken.
A karbonötvözésnek talán legfontosabb hatása, hogy a kritikus lehűtési sebességet erősen csökkenti, és ezáltal „edzhetővé” teszi az acélt. Edzéssel, gyors hűtéssel, az acélok mechanikai tulajdonságai nagymértékben megváltoztathatók. Az edzés eredményeként, mint ismeretes, martenzites szerkezet keletkezik, melynek keménysége igen nagy, de nyúlása, kontrakciója és ütőmunkája nincs.
A martenzit keménysége lényegében a karbontartalom függvénye. Az ötvözők, amennyiben karbidokat nem képeznek, nem növelik jelentősen a martenzit keménységét. Mivel az edzett acél rideg, ezért mind a szerkezeti acélok, mind a szerszámacélok hőkezelésekor az edzést megfelelő hőmérsékletű megeresztés követi. A megeresztés hőmérsékletének függvényében az acélok szilárdsága csökken, nyúlása, kontrakciója és ütőmunkája nő.
A karbontartalom növekedésével kb. 0,9%-ig nő az átedzhető ideális szelvény átmérő, ennek következtében a megeresztés során vastagabb szelvénykeresztmetszetben jön létre az elvárt mechanikai tulajdonságokkal rendelkező megeresztési szövetszerkezet.
2.2. Az acélok szennyezői és azok hatásai
Az acélok szennyezői: nitrogén, oxigén, hidrogén, foszfor, kén és a réz
Ezek az elemek az acélgyártási eljárás és további feldolgozási technológiák (pl. savas pácolás) során kerülhetnek bele az acélokba. Noha bizonyos esetekben éppen előnyös a hatásuk, ezért ötvözőnek számítanak (például kén és a foszfor), hatásuk általában káros, csökkentik a szilárdságot és ridegítik az acélokat.
Az oxigén főként vegyületek formájában fordul elő az acélban. Csökkenti a szilárdságot és a nyúlást, növeli az acél meleg repedési hajlamát. Az acél dezoxidálása (Mn, Si, Al-mal) csökkenti az acélban lévő oxigén mennyiségét.
A nitrogén ugyan növeli az acél szilárdságát, de erősen csökkenti a szívósságát, elősegíti a hidegen alakított acél öregedését és a 200-350 °C között bekövetkező kéktörékenységet. A nitrogén kedvezőtlen hatása csökkenthető nitridképző ötvözőelemek (Al, Ti, Nb stb.) bevitelével, ezáltal az acél öregedésállóvá válik.
A hidrogént az acél folyékony állapotban jól oldja, és az acél gyors hűtésekor bennmaradó hidrogén az acél elridegedéséhez vezethet. A diffúzióképes hidrogén fémfürdőből való kijutása a munkadarab előmelegítésével elősegíthető, ezáltal csökkenthető az acél hidegrepedési hajlama. Hegesztett varrat hideg repedése legtöbbször a hőhatásövezetben következik be.
A kén az acél szilárdsági tulajdonságaira alig hat, de a képlékenységet és a korrózióállóságot csökkenti. A kén az acél melegrepedési hajlamát azáltal növeli, hogy a vassal alkotott vegyülete (FeS) a vassal 975 °C-on dermedő eutektikumot képez, ez pedig az acél meleg állapotában repedést okoz. Hegesztett varratokban a melegrepedések a varrat közepén keletkeznek. A kén megköthető Mn és Ca ötvözőkkel, így a melegrepedési veszély csökkenthető.
A foszfor növeli a szilárdságot, az önthetőséget és a korrózióállóságot, viszont ridegíti az acélt, ezért mennyiségét lehetőség szerint 0,03% alatt kell tartani.
A réz növeli az acél szilárdságát és korrózióállóságát, de csökkenti képlékenységét és 0,2% felett elősegíti az acél vöröstörékenységét.
2.3. Az acélok ötvözői és azok hatásai
Az ötvözők hatására változik a fém alakíthatósága, önthetősége, hegeszthetősége, korrózióállósága, megmunkálhatósága stb.
Az elemi szén (karbon, C) az acél természetes ötvözőeleme, már kis mennyiségben is megváltoztatja az acél tulajdonságát. 0,1% C az acél szakítószilárdságát kb. 100 MPa-lal növeli, növeli a folyáshatárt, csökkenti a szívósságot. A C növeli az edzhetőséget és ezáltal rontja a hegeszthetőséget. 0,22% C-tartalomig általában az acélok jól hegeszthetők, fölötte már csak bizonyős feltételek mellett (pl. előmelegítés).
A mangán (Mn) ausztenitképző ötvöző. Növeli az acél szilárdságát, az átalakulási diagramot jobbra tolja, a kritikus lehűlési sebességet csökkenti, és ezáltal az acél átedződését növeli. Dezoxidáló hatású, mint a Si, továbbá megköti a S-t, ezzel csökkenti a melegrepedési veszélyt.
A szilícium (Si) erős dezoxidáló ötvöző. Növeli az acél szilárdságát, csökkenti a nyúlását és hidegalakíthatóságát. Növeli a rugalmassági határt (rugóacélok), javítja a kopásállóságot, reveállóságot (hőálló acélok). Az öntöttvas és az alumínium fontos ötvözője. Erős karbidképző, karbidja (SiC) és oxidja (SiO2) a kerámiák alapanyaga. A Si elősegíti hegesztéskor a kisebb olvadáspontú salak kialakulását.
A króm (Cr) ferritképző ötvöző. Növeli az acél szilárdságát, keménységét, csökkenti a kritikus lehűlési sebességet, elősegíti az acél edzhetőségét. Növeli a melegszilárdságot és a reveállóságot, 12% fölött a korrózióállóságot vizes oldatokkal, 13% fölött (kis C-tartalom esetén) különféle savakkal és forró gázokkal szemben is. Erős karbid- (Cr23C6, Cr7C3, Cr3C2), nitrid- és oxidképző.
A molibdén (Mo) a króm-nikkel acélok és a melegszilárd acélok járulékos ötvözőeleme a megeresztésállóság növelésére. 18/8-as ausztenites króm-nikkel acélokba a kénsavval és klórmésszel szembeni ellenállás fokozására használják. Ferrit- és karbidképző ötvöző, szemcsefinomító hatású, elősegíti az edzhetőséget.
A vanádium (V) ferrit-, karbid- és nitridképző elem, erős dezoxidáló. Szemcsefinomító járulékos ötvöző, növeli az acél szilárdságát, melegszilárdságát, csökkenti a túlhevítési érzékenységet. A rugóacélok és a szerszámacélok fontos ötvözője.
A nikkel (Ni) ausztenitképző ötvöző, növeli a folyáshatárt és javítja az acél szívósságát (növeli az ütőmunkát különösen kis hőmérsékleten). Csökkenti a kritikus lehűlési sebességet, a nemesíthető, korrózió- és hőálló acélok fontos ötvözője.
A volfrám (W) igen erős karbidképző ötvöző. Növeli az acél szilárdságát, elősegíti az edzhetőségét, növeli a megeresztésállóságát és a melegszilárdságát, reveállóságát. A szerszámacélok fontos ötvözője.
Az alumínium (Al) ferritképző, dezoxidáló és szemcsefinomító ötvöző, megköti a nitrogént és csökkenti az öregedési hajlamot. Növeli a reveállóságot (hőálló acélok). A nitridálható acélok fontos ötvözője.
A réz (Cu) növeli a folyáshatárt és az edzhetőséget, csökkenti a nyúlást. Foszforral együtt elősegíti a korrózióállóságot a légköri korrózióval szemben, korrózióálló acélokban a só- és salétromsavval szemben is. Szerkezeti acélokban nem kívánatos, mivel növeli a melegrepedési veszélyt.
A titán (Ti) erős dezoxidáló, és megköti a nitrogént. Erős karbidképző ötvöző. Javítja az acél öregedésállóságát, finomítja a szemcséit, növeli a szívósságát. Oxidja (TiO2=rutil) az elektróda bevonat fontos alkotója, salakképző. Az erősen ötvözött acélokban stabilizáló ötvöző, csökkenti a szemcsehatár menti korróziós veszélyt.
A tantál (Ta) ferrit-, nitrid és karbidképző ötvöző. Stabilizáló hatását a szemcseközi korrózió csökkentésére használják.
A cirkónium (Zr) ferrit- és karbidképző ötvöző, dezoxidáló hatású. Megköti a nitrogént és a ként, csökkenti a melegrepedési veszélyt.
|
ANYAGTULAJDONSÁGOK |
C |
N |
Si |
S |
P |
Co |
Cr |
Mn |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Szakítószilárdság |
↗ |
↘ |
↗ |
− |
↘ |
↗ |
↗ |
↗ |
|
Szívósság |
↘ |
↘ |
↘ |
↘ |
↘ |
↘ |
↘ |
↘ |
|
Melegszilárdság |
↗ |
↘ |
− |
↘ |
↘ |
↗ |
↗ |
↗ |
|
Melegalakíthatóság |
↘ |
↘ |
↘ |
↘ |
↘ |
↘ |
− |
↘ |
|
Hidegalakíthatóság |
↘ |
↘ |
↘ |
↘ |
↘ |
↘ |
− |
− |
|
Forgácsolhatóság |
↘ |
− |
↘ |
↗ |
↘ |
− |
↘ |
↘ |
|
Korrózióállóság |
− |
↘ |
↗ |
↘ |
↗ |
↗ |
↗ |
↗ |
|
Átedzhetőség |
− |
− |
↗ |
− |
↗ |
↘ |
↗ |
↗ |
|
Hegeszthetőség |
↘ |
− |
− |
↘ |
↘ |
↘ |
↘ |
↘ |