MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE BRNO 2010 TOMÁŠ RUDOLF

2 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Damašková ocel Diplomová práce Vedoucí práce: doc. Ing. Josef Filípek, CSc. Vypracoval: Tomáš Rudolf Brno 2010

3 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Damašková ocel vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně... dne podpis diplomanta

4 Anotace: V této diplomové práci je stručně shrnuta historie a současnost damaškové oceli. Dále základní metody zkoušení kovů. Stručně je zmíněna příprava metalografických vzorků. Následně je provedeno zhodnocení lomů damaškové oceli z fraktografického hlediska. Měření tvrdosti HRC, rázové houževnatosti. Relevantní měření pevnosti v tahu nebyl možné pro skryté vady vzorků. Podle výsledků měření je provedeno zhodnocení vhodnosti damaškové oceli. Anotation: In this thesis are briefly summarized the history and present of damask steel. Furthermore, the basic methods for testing metals. Briefly mentions the preparation of metallographic specimens. Subsequently, an assessment of fractures of damask steel fractography terms. HRC hardness measurements, impact toughness. Other measuring tensile strength was not possible for a latent defect samples. According to measurement results is an assessment of the suitability of damask steel. Klíčová slova: damašková ocel, krystalizační damašek, mechanické zkoušky, metalografie, fraktografie Kye words: damask steel, wootz, mechanikal test, metalography, fractography

5 Poděkování: Na tomto místě bych rád poděkoval doc. Ing. Josefu Filípkovi, CSc., vedoucímu práce za odbornou pomoc při zpracování diplomové práce. Dále bych chtěl poděkovat panu Radimu Toporovi za pomoc při přípravě damaškové oceli, panu Jiřímu Slavíkovi za pomoc při výrobě zkušebních těles. Mé díky si zaslouží i Ing. Jiří Votava, Ph.D který mi pomohl s přípravou metalografických vzorků.

6 1 ÚVOD OCEL JAKO KONSTRUKČNÍ MATERIÁL Rozdělení oceli Podle technologie výroby Přímá výroba Nepřímá výroba Podle chemického složení Oceli nelegované Oceli legované Způsoby použití Volba oceli HISTORIE A SOUČASNOST VÝROBY A POUŽITÍ DAMAŠKOVÉ OCELI Základní názvosloví Historie damaškové oceli Svářkový damašek Krystalizační damašek Současnost damaškové oceli Moderní kovářský postup výroby Výroba práškovou metalurgií Výroba krystalizačního damašku Výroba velkých paketů válcováním Vzory damaškové oceli použití damaškové oceli MECHANICKÉ ZKOUŠKY MATERIÁLU Rozdělení zkoušek Zkoušky statické Princip Zkouška tahem ČSN EN Zkoušky dynamické Zkouška pomocí Charpyho padacího kladiva ČSN EN Zkoušky tvrdosti CÍL PRÁCE METODIKA Výroba damaškové oceli pro mechanické zkoušky Výroba zkušebních těles Tělesa pro tahovou zkoušku Tělesa pro Charpyho zkoušku Popis měřících metod Zkouška tahem... 32

7 6.3.2 Rázová zkouška ohybem Měření tvrdosti Metalografický rozbor Výsledky měření Tahová zkouška Rázová zkouška ohybem Měření tvrdosti Metalografie Zjištění vad u tahové zkoušky Fraktografie Charpyho zkoušky Metalografické výbrusy UŽITNÉ PŘEDMĚTY Nůž s divokým damaškem Sendvičový nůž Nůž řetězové pily ZÁVĚR SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK POUŽITÁ LITERATURA... 55

8 1 ÚVOD Damašková ocel je nehomogenní materiál, se snadno identifikovatelnou makro strukturou (kresbou, viz obrázek 1), v závislosti na svém složení je vhodný na výrobu sečných a řezných nástrojů (zbraní), popřípadě k výrobě šperků. Obr. 1 Kresba damašku 2 OCEL JAKO KONSTRUKČNÍ MATERIÁL V technické literatuře se železem myslí chemický prvek a ocelí se rozumí slitina železa s uhlíkem, popřípadě dalšími legujícími prvky. Podle rovnovážného diagramu Fe Fe 3 C byla ocel definována jako kujná slitina která je, nebo může být tvořenou pouze austenitem (do 2,14 % C). Podle nového názvosloví je ocel určena jako slitina železa s uhlíkem a dalšími prvky, v níž obsah uhlíku nepřevýší 2 % (Skálová, 2001). V minulosti se železem rozuměla slitina železa s nízkým obsahem uhlíku a podřadnější kvality, ocelí byl myšlen výrazně kvalitnější a uhlíkatější materiál. 2.1 Rozdělení oceli Ocel je možno rozdělovat podle technologie výroby, chemického složení popřípadě způsobu použití Podle technologie výroby Základní technologie při výrobě železa je redukce uhlíkem popřípadě oxidem uhelnatým, dalším vhodné redukční činidlo je vodík. Redukce vodíkem a uhlíkem je nazývána přímou redukcí viz rovnice 1 a 2 při čemž rovnice 1 znázorňuje i oduhličování oceli. (1) 8

9 (2) Při nepřímé redukci je použito oxidu uhelnatého, v tomto případě platí rovnice 3, 4 a 5. (3) (4) (5) Všechny tyto reakce můžou a většinou probíhají v jediné peci, každá ale v jiném teplotním pásmu. Při výrobě železa a následně oceli se prosadily dvě technologie, a to přímá a nepřímá výroba železa, zde chtěl bych upozornit, že přímá redukce a přímá výroba je něco úplně jiného viz dále Přímá výroba Těmito způsoby se železo vyrábělo již od prvopočátku hutnictví železa, jelikož nebylo možno dosáhnout dostatečně vysoké teploty k úplnému roztavení vsázky. Používané pece byly vysoké okolo 1,5m a zhotovovaly se z vhodných žáruvzdorných jílů, nebo byly tesány do spraše. Jako zdroj spalovacího vzduchu posloužil měch, nebo komínový efekt, palivem těchto pecí bylo dřevěné uhlí. V těchto pecích se dosahovalo pouze těstovitého stavu kovu, tento byl obalen tekutou struskou tvořenou FeO, SiO 2, CaO. Touto struskou bylo železo chráněno před oxidací větrem a zároveň bylo oduhličováno. Získaný kus železa byl velice pórovitý a nehomogenní, nazýval se železnou houbou, lupou, dejlem, nebo vlkem. Kvůli dalšímu využití bylo nutno lupu svařit do kompaktního polotovaru, který se ještě několikerým přeložením vyčistil od strusky. Tímto postupem bylo možno získat měkkou nízkouhlíkovou ocel, která se nehodila pro výrobu nástrojů a zbraní. Pro získání tvrdé oceli bylo nutno tuto ocel nauhličit cementováním. V rámci šetření materiálem drahým materiálem a taká kvůli zlepšení užitných vlastností se například u mečů používalo navařování tvrdých břitů na houževnatá jádra Nepřímá výroba Zvyšování nízkých pecí (na 3-4 m) a použití dmychadel hnaných vodou zapříčinilo vyšší využití tepla a taky maximální dosaženou teplotu, takže došlo k roztavení kovu a tím ke skokové změně kvality. Protože však kov v tekutém stavu ochotněji přijímá uhlík, bylo toto železo nepoužitelné pro tehdejší kováře. Postupem doby se vyvinula vysoká pec ja- 9

10 kožto jeden z neproduktivnějších způsobů získání surového železa. Aby se stalo použitelným, muselo být podrobeno zkujňovacímu postupu. Těchto postupů bylo vyvinuto několik. Chronologicky jsou to zkujňovací výhně, pudlovací pece, konvertorové technologie, Siemens Martinská pec a elektrické pece. Zkujňovací výhně, ve kterých se používaly velké kusy dřevěného uhlí a železo se kladlo tak aby bylo pokud možno v oxidačním prostředí, také se vyzdívka výhně dělala ze železité strusky. Vlivem oxidační atmosféru došlo k vypálení C, Si a Mn. Získala se houba, kterou bylo nutno kovářsky svařit. Dále se rozšířilo pudlování, spočívající v oxidaci C, Si a Mn pomocí kyslíkatých rud a okují v pudlovací peci. Výstupem z pudlovací pece byl materiál, který se dále musel paketovat a kovářsky svařovat. Dalším prostředkem pro získání kujného železa se stal konvertor. Zde se prostředkem zkujnění stal dmýchaný vzduch (později kyslík), vhodná vyzdívka, ale především nahazované vápno (Thomasova ocel). Legury je možno dodat až po skončení oxidace anebo přímo do pánve. Výstupem z konvertoru jsou ocelové odlitky, nebo odlité ingoty, které se dále tváří. Následovalo rozšíření Siemens Martinské pece, jedná se o plamennou pec s předehřevem spalného vzduchu i topného plynu. V této peci se při použití surového železa přisazují okuje, nebo kyslíkaté rudy. Tyto způsobí zkujnění vsázky. Dále se přisazuje vápno kvůli navázání fosforu a síry, také se přidávají legury. Výstupem pece jsou odlité ingoty, nebo ocelové odlitky, tyto pece jsou již v dnešní době překonány a poslední v naší republice fungovaly v Hrádku u Rokycan do roku Moderními způsoby zkujňování a výrobu oceli, je kyslíkový konvertor a elektrická oblouková pec. Kyslíkový konvertor je ocelová nádoba se žáruvzdornou vyzdívkou, která pracuje na principu spalování uhlíku, křemíku, fosforu a železa pomocí kyslíku, který je dmýchán na hladinu kovu. Toto spalování je zdrojem tepla pro proběhnutí nutných reakcí a roztavení šrotu (možno až 40 %). Odfosfoření se provádí pomocí páleného vápna podle rovnice 6. Po odpichu do pánve se provede desoxidace a legování. Následuje odlití oceli do kokil. (6) Oblouková pec je ocelová nádoba vyzděná žáruvzdorným materiálem. Ve víku obloukové pec je trojice uhlíkových elektrod, mezi nimiž a vsázkou hoří elektrický oblouk. Tento je zdrojem tepla pro potřebné reakce. V obloukové peci je možno zpracovávat 10

11 až 100 % odpadu. Snížení uhlíku se provede kyslíkovou tryskou, nebo vhodným oxidem železa. Odfosfoření se provede opět páleným vápnem. Odpich se provede do pánve, kde se provede desoxidace a legování. Následuje odlití do kokil Podle chemického složení Oceli se podle chemického složení dělí na nelegované a legované (uhlíkové a slitinové) Oceli nelegované Jediným zušlechťujícím prvkem u nelegovaných ocelí je uhlík, samozřejmě obsahují i další prvky, ale ty jsou v tak malém množství, že se výrazně nepodílí na vlastnostech oceli, nebo jsou přidávány za účelem desoxidace oceli Oceli legované V případě slitinových ocelí se do oceli přidávají různé prvky za účelem úpravy mechanických nebo fyzikálních vlastností. Tyto prvky je možno rozdělit do dvou skupin. V první skupině jsou prvky, které rozšiřují pole austenitu v rovnovážných diagramech, tyto se dále dělí na dvě podskupiny. Na prvky které tvoří nepřetržité pole řady tuhých roztoků (Ni, Mn, Co, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt). A na prvky které jsou omezeny heterogenním polem s dalšími fázemi (C, N 2, Zn, Rt, patrně také B) Do druhé skupiny patří prvky, které zužují poleaustenitu, a tyto prvky se opět dělí na dvě skupiny. V první jsou prvky, které tvoří zcela uzavřené pole (Be, Al, Si, P, Ti, V, Cr, As, Mo, Sn, Sb, W) Ve druhé podskupině jsou prvky, které tvoří zúžené pole, omezené heterogenními oblastmi (Nb, Ta, Zr, Ce) (Teidl) Uhlík se vzrůstem koncentrace, roste tvrdost martenzitu nebo bainitu, zvyšuje se ale také možnost praskání materiálu při kalení. C zvyšuje tvrdost i nad eutektoidním bodem, kde se váže ve formě feritu. Nejvíce ze všech prvků (společně s dusíkem) snižuje M s a M f, tudíž má také největší vliv na stabilizaci austenitu. Většina málo a středně legovaných ocelí obsahujících nad 0,3 % C obsahuje austenit transformovaný při kalení na martenzit. V čistě uhlíkatých ocelích se C vylučuje z martenzitu jako Fe 3 C. Se vzrůstem teploty klesá jeho tvrdost, protože dochází k nárůstu zrn karbidu. Za vyšších teplot (nad 600 C) se formují kulová zrna karbidu. Legovací prvky snižují stupeň zhrubnutí struktury a zlepšují teplotní odolnost. S karbidotvornými prvky teplotní odolnost silně vzrůstá, společně s karbidy ostatních prvků dobře rozptýlenými v matrici způsobují druhotné vytvrzení. 11

12 Křemík je u ocelí většinou zastoupen do 0,5 %, obvykle však v rozmezí 0,2-0,3 %. Si má malý vliv na prokalitelnost, ale je považován za nedůležitý vzhledem k běžně používaným koncentracím. To však může být důležité v špatně prokalitelných ocelích, kde větší změny zhoršují soudržnost. Některé oceli mohou obsahovat nad 1,8 % křemíku, s výrazným vlivem na prokalitelnost, ale takto vysoký obsah Si je přidáván hlavně pro zvýšení odolnosti proti popouštění. Si zvyšuje sklon ke grafitizaci (rozpad Fe 3 C na Fe+C G ). Má velkou afinitu ke kyslíku, což může být problém při oduhličování, protože jeho oxid je stabilnější než CO/CO 2. Si zvyšuje odolnost proti popouštění, zvláště v kombinaci s molybdenem. Jeho tuhý roztok zvyšuje pevnost feritu. Mangan, s výjimkou speciálních slitin obsahují oceli nad 0,3 % Mn. V legovaných ocelích je obsaženo do 1 %, v uhlíkových ocelích mohou být až 2 %. Velké množství ho může být ve speciálních ocelích, kde podporuje vznik austenitické struktury. Mn je jeden z nejlevnějších legovacích prvků s výrazným vlivem na tvrdost. V přítomnosti síry se tvoří sulfid manganatý. Mn má velmi malý vliv na odolnost proti popouštění, může podporovat vylučování prvků na hranicích zrn majících vliv na popouštěcí křehkost. Fosfor je obvykle považován za prvek s velkým vlivem na prokalitelnost. Nicméně je většinou jeho obsah udržován na velmi nízké úrovni, protože již od nízkých koncentrací má výrazný vliv na tvrdost a popouštěcí křehkost. Velmi rychle migruje k hranicím zrn a na rozhraní a zde je základní příčinou popouštěcí křehkosti u feritických ocelí. P může být přidáván asi v koncentraci 0.1 % do některých nerezových austenitických ocelí vytvrzovaných precipitací karbidů, kde podporuje vznik karbidů spíše mezi zrny, než uvnitř zrn. Síra v ocelích není přítomna elementární síra, je vázána s manganem do MnS. To může mít vliv na prokalitelnost, protože odčerpává mangan z roztoku. Pro většinu ocelí je množství síry příliš malé na to, aby měla vliv na vlastnosti manganu. Nicméně je fakt, že austenitické oceli s vyšším obsahem síry musí obsahovat i více manganu. Sulfidické vměstky slouží jako nukleační centra pro vznik feritu (za vhodných okolností), takže vytváří jako-kalenou strukturu. Sulfid manganatý má obrovský vliv na opracovatelnost (automatová ocel). Nikl netvoří karbidy, proto může být používán jako prvek nezvyšující austenitizační teplotu (A 3 ). Ve skutečnosti nikl tuto teplotu dokonce snižuje, pokud je použit ve vyšších koncentracích. To je pro kalení příznivý vliv, ale v porovnání s některými jinými legovacími prvky je menší. Kritický rozsah teplot je menší a niklové oceli začínají s austenitickou přeměnou při nižších teplotách než uhlíkové oceli. Ve srovnání s karbidotvornými prvky má nikl malý vliv na odolnost proti popouštění, ale ve vyšších koncentracích může 12

13 ovlivňovat vznik karbidů. Protože Ni snižuje teplotu A C1 nejúčinněji, při vyšších koncentracích může docházet k austeniticko martenzitické přeměně již během popouštění. Karbidotvorné prvky (Cr, Mo, V, W) Všechny karbidotvorné prvky mají výrazný kladný vliv na tvrdost a prokalitelnost. Stabilita karbidů roste v řadě Cr, Mo, V, W, a protože karbidy jsou stabilní i za vysokých teplot, zůstávají rozpuštěny v matrici, kde zvyšují austenitizační teplotu. V porovnání s ocelemi legovanými Ni a Mn může být vyšší izotermální transformační teplota využita při žíhání (resp. popouštění). Oceli s vyšším obsahem uhlíku a karbidotvorných prvků mohou být vytvrzovány nerozpuštěnými karbidy zadrženými v matrici. Toto vytvrzení je však nižší než u prvků vytvrzujícími díky rozpuštění ve struktuře. Karbidotvorné prvky zvyšují odolnost proti popouštění, protože pouze k modifikaci vytvořených karbidů a případně vzniku směsných karbidů. Protože vznikající karbidy jsou stabilní, nedochází ke zhrubnutí struktury. Složení karbidů je silně závislé na teplotě. Vznik karbidů za nižších teplot je pomalý, protože je malá difuzní rychlost legovacích prvků, se vzrůstem teploty roste počet prvků v karbidu. Ve vícesložkových ocelích je složení karbidů při různých teplotách zcela odlišné. K sekundárnímu vytvrzení tvorbou karbidů dochází u ocelí s vysokým obsahem Cr, Mo, V, W a s dostatkem uhlíku. Optimální teplota pro sekundární vytvrzení vzrůstá se vzrůstem stability vznikajících karbidů. Cr a Mo, často spolu s V a Al, jsou často obsaženy v nitridovaných ocelích. Reakcí s dusíkem během nitridování dochází totiž k tvorbě nitridů, které velmi výrazně zvyšují tvrdost. Chrom má velký vliv na prokalitelnost a tvrdost, ale jeho karbidy jsou poměrně nestabilní. Je to levný karbidotvorný prvek a proto je hojně využíván všude, všude kde je možné jej použít. Molybden má velký vliv na tvrdost a pevnost, větší než Cr. Tvoří stabilnější karbidy než chrom, proto je doporučená vyšší austenitizační teplota pro úplné rozpuštění. Mo má silnější vliv na odolnost proti popouštění než Cr. Částečně proto, že oddaluje nástup popouštěcí křehkosti, a v nitridovaných ocelích také proto, že tvoří stabilní nitridy. Vanad, VC je velni obtížně rozpustný. Proto oceli obsahující vanad musí být zahřívány na velmi vysokou teplotu pro jeho úplné rozpuštění. Velmi silný vytvrzovací efekt nastává, až když je vanad rozpuštěn. V normalizačně žíhaných ocelích tvoří feriticko perlitickou strukturu při chlazení do koncentrací 0.2 % V. Po rozpuštění a vzniku karbidů vzniká při chlazení konečná velmi tvrdá struktura. Vanad má silný vliv na odolnost proti popouštění v kalených ocelích. Tento efekt je zvláště výrazný u ocelí žíhaných při vysokých teplotách ( C), zatímco vliv Cr a Mo se uplatňuje do mnohem nižších teplot. 13

14 Wolfram není obsažen v běžných konstrukčních ocelích. Může být v malých koncentracích (1 %) v ocelích pro řezné nástroje a v tepelně opracovaných pásovinách. WC je velmi tvrdý a stabilní, ale v oceli se rozpouští až za velmi vysokých teplot. Nízkolegované uhlíko wolframové oceli se obvykle zpracovávají bez úplného rozpuštění primárně vznikajícího karbidu (výsledná struktura není zcela homogenní). Legování velkým množstvím wolframu se používá hlavně u rychlořezných ocelí Bor, legování borem je používáno pro jeho unikátní schopnost vytvrzovat oceli již ve velmi malých množstvích kolem %, zároveň má velmi kladný vliv na prokalitelnost. Dalším přídavkem B se již vlastnosti nezlepšují. Bor zvyšuje prokalitelnost díky potlačení vzniku feritu, což je také důvodem výraznějšího vlivu u nízkouhlíkových ocelí, tento vliv se uplatňuje až do eutektoidního bodu (0.8 % u nelegovaných ocelí). Bor nesnižuje teplotu M S. B nemá vliv na teplotní odolnost. Rozpouští se v karbidech. Hliník, pokud je hliník přítomen v dostatečné koncentraci, má nepříliš výrazný vliv na prokalitelnost. Přesto je ve většině ocelí Al zastoupen v malých koncentracích ( %), kde je využívána jeho schopnost zvyšovat teplotu, při které dochází ke zhrubnutí zrna a tím udržuje jemnozrnnou strukturu během tepelného zpracování. Pokud je použit ke zjemnění zrna, dochází ke snížení prokalitelnosti (jemnozrnné oceli jsou obecně hůře prokalitelné). V nitridovaných ocelích s obsahem do asi 1 hm. % Al vzniká velmi tvrdý nitrid hlinitý, který výrazně vytvrzuje ocel (Švanda, 2000) Pomocí těchto prvků, nebo jejich vhodně zvolené kombinace se dociluje požadovaných vlastností oceli. Jak je vidět na vlivu těchto prvků tak je možno korigovat prokalitelnost, pevnost, pakliže dodaný prvek tvoří, karbidy zvyšuje se řezivost otěruvzdornost, tvrdost, ale také se zhoršuje obrobitelnost. Některé prvky jsou v oceli nežádoucí, jedná se především o fosfor (s výjimkou slévárenských ocelí kde zvyšuje zabíhavost), síra (výjimkou jsou automatové oceli, kde podporuje lámavost třísky), arsen (ten je naprosto nežádoucí, jelikož je skoro nemožné jej z oceli odstranit), vodík (způsobuje vločkovitost a vodíkovou křehkost) Způsoby použití Podle, mnohdy protikladných, požadavků na výsledný výrobek bylo nutno vyvinout velké množství ocelí. Například oceli betonářské, na kolejnice, automatové, hlubokotažné, cementační, pružinové, korozivzdorné, nástrojové. 14

15 2.2 Volba oceli Při volbě oceli je nutno zvážit mnoho různých faktorů, jelikož na výsledných vlastnostech se podílí jak použitá technologie výroby, tak chemické složení. Například je velký rozdíl v použitelnosti, ocelí vyrobených v konvertoru a v elektropeci. 3 HISTORIE A SOUČASNOST VÝROBY A POUŽITÍ DAMAŠKOVÉ OCELI 3.1 Základní názvosloví Damaškovou ocelí se rozumí materiál s výraznou makro strukturou. Podle výrobní technologie se rozlišuje svářkový a kelímkový damašek. Svářkový damašek (damask, damašková nebo damascénská ocel) vzniká svařením minimálně dvou ocelí o různém chemickém složení, které jsou dále překládány a svařovány za účelem zisku požadovaných vlastností (kresba, mechanické vlastnosti). Krystalizační damašek (wootz, bulat, fulat) vzniká krystalizací taveniny za příhodných podmínek, kresba vznikne řádkováním sekundárního cementitu, při vhodně provedeném tváření. Nesprávně je nazýván litým damaškem. Svářkovým železem (ocelí) je myšlen materiál o různém obsahu uhlíku, který vznikne kovářským svařováním, i když může vykazovat strukturu jako damašek tak tato není záměrem. Většinou tento materiál vznikl svařením odpadu za účelem jeho zhodnocení. 3.2 Historie damaškové oceli První důkazy o damaškové oceli pochází přibližně z roku 500 př. n. l. Nejprve si tuto technologii osvojili pravděpodobně v Indii, výrobky se odtud dále rozšířili do celého světa. Tento Indický damašek byl pravděpodobně krystalizačního typu. Ovládnutí této technologie je náročné na čas a materiálovou základnu, proto se u napodobitelů rozšířila metoda svářkového damašku. Svářkový damašek se v Evropě objevuje okolo roku 150 n. l. Přibližně v 10 století n. l. se damaškové čepele stávají překonanými. Po rozvoji palných zbraní se začaly vyrábět damaškové hlavně navíjením prutu na trn a následním svařením, ale i tato technologie byla opuštěna po prosazení bezdýmných prachů, které nemohla svařovaná hlaveň vydržet. 15

16 3.2.1 Svářkový damašek V historii byl základní surovinou na výrobu nástrojů (zbraní) materiál získaný přímou výrobou z rudy. Tento materiál je značně nehomogenní a pórovitý, před dalším zpracováním je vhodné ho roztřídit podle obsahu uhlíku. Třídění je možné provést na základě různých lomů prudce ochlazené houby. Takto roztříděný materiál je poté svařen do kompaktního bloku. V případě výroby například dláta, je na místo budoucího břitu navařena destička z vysoce uhlíkatého materiálu a dřík nástroje je vyroben z nízkouhlíkatého. V případě výroby damaškového meče bylo nutno nejprve složit paket z nízko a vysoko uhlíkatých pásků. Tento paket byl následně svařen a překládán a do vzniku požadované kresby. Mnohdy byl tento paket překován na dva pruty, jeden z nich byl zkroucen levotočivě a druhý pravotočivě, následovalo překování na hranoly a svaření prutů. Tímto postupem vznikl stromečkový vzor, který je velice vhodný na jádro meče. Na tento polotovar následovalo přivaření břitů z vysokouhlíkového materiálu (obrázek 2). Obr. 2 Torzovaný damašek (Horák, 2004) Krystalizační damašek V případě krystalizačního damašku probíhala výroba v kelímku, ve kterém byla směs zlomků železa s uhlíkem. Zlomky železa byly vlivem teploty a redukčního prostředí nauhličeny a tím došlo k poklesu teploty tání. Tato tavenina se posléze nechala velmi pomalu vychladnout, což mělo za následek růst velkých dendritických zrn, na hranicích těchto zrn se při dalším ochlazování vylučuje sekundární cementit. V hotovém výrobku je tento cementit uspořádán do specifických obrazců v perlitické, popřípadě bainitické matrici. Kovací teploty tohoto materiálu jsou v závislosti na obsahu uhlíku omezeny diagramem FeFe 3 C, nesmí totiž dojít k rozpuštění sekundárního cementitu. Kresba hotového nože je na obrázku 3. 16

17 Obr. 3 Kresba krystalizačního damašku (Dohnal) 3.3 Současnost damaškové oceli V současné době má damašková ocel pouze estetický smysl, jelikož je dávno překonána moderními ocelemi. Stále je vyráběna tradiční kovářskou technologií, ale i práškovou metalurgií a svařováním na válcovací stolici Moderní kovářský postup výroby V tomto případě kovář vybere dvojici vhodných ocelí, které po svaření poskytnou požadovaný kontrast. Mnohdy již nejde o kombinaci měkkého a tvrdého materiálu, ale jsou použity dvě oceli nástrojové s rozdílným složením, je vhodné když jedna z ocelí obsahuje nikl, tato je po naleptání stříbrná. Doporučuje se povrch materiálu před složením do paketu očistit na holý kov, toto silně podpoří svaření. Při skládání paketu je dobré použít plechy tloušťky asi 2 3 mm, v dostatečném množství (co nejvíc vrstev na první svaření). Pro pohodlnější manipulaci jsou plechy paketu k sobě svařeny obloukovou svářečkou a celek je přivařen na vhodnou tyč. Nyní je možno přistoupit k vlastnímu svařování paketu. Tento je potřeba dostatečně posypat vhodným tavidlem, obrázek 4 (borax, křemičitý písek se sodou), které vytvoří s okujemi řídkou strusku, která při vlastním svařování vystříkne z paketu v podobě snopu jisker, obrázek 5. Při svařování je nutno postupovat rychle, stejnoměrně a razantně. Ohřev na vlastní svařovací teplotu je nutno provést rovnoměrně. Odhad správné teploty je nejdůležitější při celém svařování, protože když je teplota moc vysoká, ocel se pod údery kladiva rozpadne. Naopak při nízké teplotě je svaření nedokonalé, nebo se vůbec nepodaří. Chyby vzniklé při základním svaření se následně odstraňují velmi obtížně. Po základním svaření následuje naseknutí a přehnutí polotovaru kvůli dalšímu 17

18 svaření, tento postup se opakuje, dokud není dosaženo žádaného počtu vrstev (počet vrstev roste geometrickou řadou). Z tohoto materiálu již je možno vyrobit konečný výrobek anebo jej dále zpracovat z důvodu získání zajímavější kresby (torzní, rozetové, vlnkové ) Obr. 4 Zatékání boraxu Obr. 5 Svařování Výroba práškovou metalurgií Tímto postupem výroby proslula firma Damasteel, jejíž stejnojmenný produkt je jediný plně korozivzdorný damašek. Při jeho výrobě se nejprve rozpráší ocel (RWL 34 nebo PMC 27) do dusíkové atmosféry, vzniklý ocelový prášek se po ochlazení vsype ve vrstvách, vždy jedna nebo druhá ocel, do kontejneru který se následně evakuuje a hermeticky zavaří, poté putuje do pece. Ohřátý na 1150 C je podroben tlaku 100 MPa. Takto slinutý (svařený) je dále tvářen na vhodné polotovary (tyče, plocháče) Výroba krystalizačního damašku Tento damašek je vyráběn v kelímku z vhodné oceli, bílé litiny nebo jejich směsi. Tuto směs je vhodné dolegovat vanadem, na množství 0,003 %, tento by měl podpořit vznik cementitu. Pokud je použita ocel je nutné dodat další uhlík, aby došlo k žádanému nauhličení. Ohřev se provádí v libovolné peci s dostatečnou teplotou. Po roztavení se nechá vsázka velmi pomalu chladnout, aby se mohly vyvinout dostatečně velké dendrity. Následuje žíhání, aby se rozrušila litá struktura a materiál bylo možno kovat. Kovací a žíhací teploty je nutno udržovat pod teplotou rozpuštění cementitu, jinak by došlo k znehodnocení polotovaru. Kování je velmi zdlouhavé, protože rozsah teplot je silně omezen. Polotovar pro další výrobu je plocháč. 18

19 3.3.4 Výroba velkých paketů válcováním Při tomto způsobu výroby je paket poskládán stejně jako při kovářském postupu, akorát je mnohonásobně větší (dosahuje hmotnosti i několika tun) tento paket je dále obložen plechy, tyto jsou přivařeny obloukovou svářečkou. Plechy se přikládají z důvodu zamezení přístupu vzduchu k paketu (obdoba kontejneru u damasteelu). Paket jé následně nahřát v peci na svařovací teplotu a svařen pod lisem. Následuje tváření běžnými ocelářskými pochody. 3.4 Vzory damaškové oceli U damaškové oceli je možno dosáhnout velikého množství vzorů. Základními vzory jsou divoký, vlnkový, rozetový, bublinkový, torzní (viz. výše). Další vzory už spadají spíše do kategorie mozaikového damašku. Krystalizační damašek je silně specifický. Divoký vzor vzniká pouhým překládáním, obrázek 1. Vlnková, rozetová a bublinková kresba se vytvoří vybroušením (vykováním) vhodných obrazců do paketu a překováním (přebroušením) paketu do roviny. Smyslem je protnou vrstvy ve vhodném směru a následně je opět srovnat do roviny. Mozaikového damašku se dociluje rafinovaným skládáním, základního paketu. V tomto případě je možno vytvořit skoro libovolné obrazce, nápisy. U tohoto damašku se při svařování musí dbát zvýšené opatrnosti, aby nedošlo ke zničení výsledného vzoru. Často je svaření a tváření prováděno na lisu. Z důvodu minimální deformace vzoru je nutno hotový výrobek vybrušovat ze silného polotovaru. Odpad může snadno dosáhnout poloviny základního paketu. Vzory krystalizačního damašku Anosov rozdělil do pěti skupin. Proužkový damask, jehož kresba sestává převážně z rovných linií. Vodový, látkový damask, rovné linie jsou kratší a promíchány křivými. Vlnový damask, křivé linie se množí, vystupují zlomené linie a tečky. Síťový, žilkový damask, zlomené linie jsou kratší, přecházejí v tečky a vyskytují se ve skupinách, takže místy tvoří příčný, síti podobný vzor. Stupňový damask, příčné sítě tvořené tečkami se zvětšují až do hroznových útvarů nebo se rozšiřují takřka přes celou plochu, kterou dělí na téměř stejně velké úseky. Tyto vzory se vytváří dobou výdrže na teplotě tání a rychlostí ochlazování. Popřípadě způsobem kování (Ustohal, 2003). 19

20 3.5 použití damaškové oceli Protože damašková ocel poskytuje nepřeberné množství efektních vzorů, je velmi často používaná k zhotovování šperků a uměleckých předmětů. Nejvíce je ovšem damašek používán k výrobě sečných a řezných nástrojů (zbraní). Pokud je totiž správně zvolena kombinace materiálů a damašek je bez vnitřních kazů, jsou výsledné mechanické vlastnosti damašku průnikem mezi oběma ocelemi. Takže po nízkouhlíkové si zachová houževnatost a po vysokouhlíkové, odolnost proti opotřebení. Další vlastností, pro kterou je damašek vhodný na výroby řezných nástrojů je jeho zdánlivá samoostřící schopnost, která je zapříčiněna střídáním tvrdých a měkkých vrstev na břitu. Toto způsobuje vznik jakési mikropilky, která výborně řeže. Tato pilka vzniká i u krystalizačního damašku kde je způsobena střídáním cementitu s perlitickou (bainitickou) strukturou. Dalším způsobem použití jsou hlavně luxusních palných zbraní. V minulosti byly tyto hlavně pouze z damašku. V dnešní době se kvůli používání bezdýmných prachů musí používat pouze damaškový plášť na standardní hlavňové oceli. 4 MECHANICKÉ ZKOUŠKY MATERIÁLU 4.1 Rozdělení zkoušek Mechanické zkoušky materiálu se rozdělují na zkoušky statické, dynamické a zvláštní. Staticky se zkouší pevnost v tahu, tlaku, ohybu, krutu, smyku. Dynamické zkoušky jsou rázové a cyklické, u obou způsobů je možno zjišťovat stejné způsoby namáhání jako u zkoušek statických. Při rázových zkouškách působí zatěžující síla po zlomek sekundy, při cyklických působí síla cyklicky Zkoušky statické Princip Způsob statického zkoušení materiálu předpokládá, že působení síly na zkoušené těleso je klidné. Síla může působit buď zcela neproměnně, staticky, nebo může monotonně, bez rázů, vzrůstat až do porušení tělesa, tak aby zrychlující síly celého zatěžovacího mechanismu byly zanedbatelné. Podle druhu vyvolaného přetvoření na zatěžovaném tělese se rozlišuje způsob namáhání. Obvykle se užívá prostého namáhání v tahu, tlaku ohybu, krutu a střihu. Mezi tyto zkoušky patří ještě zkoušky tečení. Výsledky těchto zkoušek se používají pro tuto činnost: 20

21 kontrolu kvality při výrobě a nákupu konstrukčních materiálů porovnání mechanických charakteristik různých materiálů vývoj nových materiálů pro jednoduché konstrukční výpočty (tuhost systému, vlastní frekvence součásti) Zkouška tahem ČSN EN Zkouška se provádí na zkušebních tělesech, jež se upnou do čelistí zkoušecího stroje tak aby osa zkušebního tělesa ležela přesně v ose působení zatěžující síly, a podrobí se klidně, bez rázů, stejnoměrně stoupajícímu zatěžování, až se tyč přetrhne. Proto se také těmto zkouškám říká zkoušky trhací. Při této zkoušce se zjišťuje závislost napětí v zkušebním tělese (6) na relativním prodloužení (7), dále se vytváří tahový diagram. Smyslem této zkoušky je určení meze pevnosti R m (napětí při kterém se těleso přetrhne), meze kluzu R e (napětí při kterém nastávají podstatné trvalé deformace), tažnosti (udává tažnost 8) a kontrakce (udává zúžení materiálu 9). V diagramu je dále možno najít nebo odvodit hodnoty pro Fyzikální mez pružnosti R E (deformace materiálu je pouze v oblasti elastických deformací. Při této zkoušce se dále odvozují tzv. Smluvní hodnoty, toto se dělá kvůli tomu, že v diagramu jsou tyto hodnoty někdy většinou málo výrazné, jedná se o smluvní mez kluzu R p0,2 (napětí při kterém jsou trvalé deformace na 0,2% původní délky tyče) smluvní mez pevnosti R p0,005 (napětí při kterém je plastická deformace rovna 0,005% původní délky tyče). (6) (7) (8) (9) 21

22 R m mez pevnosti v tahu A tažnost F působící síla S u konečný průřez v místě lomu ε relativní prodloužení Z kontrakce S 0 počáteční průřez L 0 (h 0 ) počáteční délka (výška) L u (h u ) délka (výška) při přetržení Obr. 6 Příklady tahových diagramů E mez pružnosti K mez kluzu M mez pevnosti F udává napětí při přetržení Na obrázku 6 je na části a) znázorněna všeobecná tvar diagramu s obvyklým poměrem jednotlivých oblastí bez výrazné meze kluzu, na části b) diagram materiálu, který se v důsledku intenzivního deformačního zpevnění roztrhne při maximálním napětí bez vytvoření krčku, pod c) je znázorněn diagram křehkého materiálu, na části d) je zobrazen diagram s výraznou mezí kluzu, na znázornění e) je diagram materiálů, které mají malou schopnost se v oblasti plastické stability deformačně zpevňovat Zkoušky dynamické V provozu působí na strojní součásti zřídka kdy síla zvolna vzrůstající nebo klidně působící. Daleko častěji je součást zatěžována rázem. Rázová působení je velmi nebezpečné jelikož vyvolá lom i u součásti, která při klidném ztěžování vydrží vysoké zatížení. Se zvyšováním deformační rychlosti roste přetvárný odpor, mez pružnosti, mez kluzu i pevnost materiálu. Pro mechanické zkoušky rázem je možno použít padací kladivo podle Charpyho, padací kladivo Izod a rotační kladivo Guilery. Mezi dynamické zkoušky patří i zkoušky 22

23 únavové (v podstatě pro každou statickou zkoušku je možno udělat i zkoušku dynamickou, únavovou) Zkouška pomocí Charpyho padacího kladiva ČSN EN Při této zkoušce (schéma zkoušky na obrázku 11) se na zkušební těleso 2, předepsaných rozměrů a předepsaného tvaru spustí beran 3 dané hmotnosti G, z výšky H. Na beranu je umístěn břit 3a, který dopadne na zkušební těleso přesně uprostřed mezi podporami. Zkušební těleso je přeraženo a beran pokračuje dál v kyvu. Práce spotřebovaná na přeražení vzorku se projeví, vykývnutím do výšky h. V dnešní době se tato zkouška provádí jako instrumentovaná. Instrumentace spočívá v instalaci snímačů síly eventuálně i průhybu, které umožní sledovat průběh rázového děje. Spotřebovaná práce se určí ze vztahu (20). Při této zkoušce se taká určuje vrubová houževnatost KC (21) a je možno vizuálně zkoumat druh lomu (tvárný, křehký). Obr. 7 Charpyho zkouška (20) (21) Zkoušky tvrdosti Tvrdost je definována jako odpor materiálu proti vnikání cizího tělesa. U kovů se zkoušky tvrdosti provádějí vtlačováním vhodného tělíska (ocelové kuličky, diamantového jehlanu ) do materiálu předepsanou silou. Jednotky tvrdosti se liší podle použité metody 23

24 měření a jsou odvozovány z různých parametrů vtisku (hloubka vtisku, délka úhlopříčky vtisku, atd.). Brinell Rockvell Shore Duroskop Vickers Martens Herbertovo kyvadlo Poldi kladívko 5 CÍL PRÁCE Cílem této diplomové práce je výroba vzorků a předmětu z damaškové oceli. Vzorky podrobit zkouškám za účelem zjištění jejich mechanických vlastností. Provést metalografický rozbor tepelně zpracovaných vzorků. Na základě výsledku z těchto zkoušek zhodnotit vyrobený materiál a navrhnout jeho možné využití. 6 METODIKA V této části se nachází postup výroby damaškové oceli, která byla použita pro přípravu vzorků. Dále postup výroby zkušebních těles, vlastní postup měření a výsledky měření. Dohromady bylo složeno 12 paketů. Protože při svařování a následném kování dochází k velkému přetváření, oduhličení a tepelnému zatížení, bylo nutno svařit pakety čistě z jedné třídy oceli, pro lepší porovnávací hodnotu. 6.1 Výroba damaškové oceli pro mechanické zkoušky Pro výrobu paketu jsem zvolil nástrojové oceli třídy a 75Cr1 (ekvivalent 19418). Důvodem volby těchto dvou ocelí bylo, že výsledný damašek nebude obsahovat měkkou vrstvu a tato kombinace je dobře použitelná na nůž. Výběr z materiálového listu oceli : ČSN Nástrojová nízkolegovaná chromová ocel OCEL STN pro práci za studena Chemické složení [hm. %] C Mn Si P S Cr 0,75 0,85 0,30-0,50 0,20-0,40 Max 0,030 Max 0,030 0,45-0,65 24

25 Polotovary Předvalky, plechy Mechanické vlastnosti Polotovar Rozměr t, d [mm] 20 Stav kalený a popuštěný Mez kluzu Rp 0,2 [MPa] (při HRC) Mez pevnosti Rm [MPa] (při HRC) tažnost A5 [%] 5 10 (při HRC) Kontrakce Z [%] (při HRC) Vrubová houževnatost KCU 2 [J.cm-2] (při HRC) Tvrdost HRC (K. t. 830 C/voda; P. t C/2 h) Mez kluzu v tlaku Ret [MPa] (při HRC) Technologické údaje TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ Žíhání na měkko C ochlazovat v peci tvrdost max 240 HB Žíhání ke snížení pnutí C ochlazovat v peci Kalení C ochlazovat ve vodě větší kusy tvrdost min 62 HRC C ochlazovat v oleji tenčí kusy tvrdost min 62 HRC popouštění obvykle C prokalitelnost malá, v celém průřezu při ochlazování v oleji asi do 10 mm Závislost tvrdosti na popouštěcí teplotě Teplota C Tvrdost HRC TVAŘITELNOST tvařitelnost za tepla dobrá teploty tváření C 25

26 SVAŘITELNOST obtížná POUŽITÍ řezné nástroje pilové kotouče na řezání dřeva; kotoučové, talířové a okružní nože pro řezání papíru, lepenky, kůže, textilu ap. Ruční nástroje pily na dřevo, např. břichatky, tažné pily ap. Výňatek z materiálového listu ČSN Nástrojová uhlíková houževnatá ocel STN druhé jakosti skupiny Chemické složení [hm. %] C Mn Si P S 0,75-0,90 0,20-0,40 0,15-0,35 Max0,030 Max0,030 Polotovary tyče válcované nebo kované za tepla, výkovky Mechanické vlastnosti Polotovar [1] Rozměr d [mm] 20 Stav kalený a popuštěný Mez kluzu Rp 0,2 [MPa] (při HRC 54-56) Mez pevnosti Rm [MPa] (při HRC 50-54) tažnost A5 [%] 5-6 (při HRC 54-50) Kontrakce z [%] (při HRC 54-50) Vrubová houževnatost KCU2 [J.cm-2] 8-28 (při HRC 60-50) Tvrdost HRC (K.t.785 C/voda, P.t C/2h) Mez kluzu v tlaku Ret [MPa] (při HRC 50-65) NÍZKÁ ODOLNOST PROTI KOROZI ODOLNOST PROTI KŘEHKÉMU LOMU ODOLNOST PROTI OPOTŘEBENÍ dobrá poměrná otěruvzdornost abrazí 190 % Technologické údaje TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ 26

27 normalizační Žíhání C prohřát, pomalu ochlazovat na vzduchu Žíhání na měkko C po prohřátí min 4 h pomalu ochlazovat v peci, max 195 HB Žíhání ke snížení pnutí C po prohřátí 1-2h pomalu ochlazovat v peci kalení C ochlazovat ve vodě, menší a tvarově složité předměty, min 63 HRC C ochlazovat ve vodě, velké a tvarově jednoduché předměty C ochlazovat v oleji, tenké předměty o průměru pod 3 mm, ~ HRC 60 teploty přeměn AC1 ~ 730 C AC3 ~ 750 C prokalitelnost při kalení ve vodě v celém průřezu mm, při kalení do oleje v celém průřezu do 2,5-3 mm popouštění C délkové změny po kalení a popuštění 0,24 % Závislost tvrdosti na popouštěcí teplotě Teplota C TVAŘITELNOST relativně dobrá teploty tváření C SVAŘITELNOST ztížená POUŽITÍ Nástroje pro stříhání za studena, tvarově jednoduché nástroje pro malá namáhání i výkony k prostřihování plechů převažujícími nároky na houževnatost. Ploché nože strojních nůžek pro malá namáhání a výkony pro stříhání plechů malých tloušťek. Nástroje pro ostřihování menších sérií zápustkových výkovků. Nástroje pro tváření za studena. Malá, tvarově jednoduchá, méně namáhavá tvarovací lisovadla a nástroje pro tažení plechů. Ruční nástroje a nářadí. Sekáče pro různé použití, kuchyňské nože, nože do sekaček trávy, různé druhy seker, kosy, klempířské nůžky na plech, značkovací razidla do měkčích kovových i jiných materiálů, kovářská kladiva, palice. Jako polotovar na skladbu paketu byly použity plechy o rozměru Tyto plechy byly obroušeny úhlovou bruskou za účelem co nejčistší stykové plochy. Paket se skládal vždy z deseti plechů, viz obr

28 Obr. 8 Paket před svařením Tyto plechy byly staženy ve svěráku a na jedné straně svařeny elektrickou svářečkou, Obr. 9. Na straně druhé byl paket přivařen na tyč z betonářské oceli o délce asi 70 cm, tato slouží jako držadlo. Obr. 9 Pomocné svary Na druhý konec tyče byl přivařen druhý paket. Jako palivo ve výhni byl použit koks zrnitosti asi 5 30 mm. Před vlastním svařováním byl paket ohřát asi na 700 C okartáčován a posypán boraxem, který se nechal zatéct do spár mezi jednotlivými plechy. Následoval nahřev na svařovací teplotu, toto je potřeba provést velmi pečlivě, protože se paket musí nahřát stejnoměrně v celém objemu a nesmí se přehřát. Svařovací teplota se pozná podle jiskřiček vyletujících z výhně a specifického zvuku, který připomíná syčení prskavky. V tuto chvíli je nutno jednat velmi rychle, paket se přemístí n kovadlinu a rychlými údery je svařen pokud možno celý najednou. Při této operaci je dobré mít svářečské rukavice, jelikož ze žhavého paketu sálá velké teplo a odletují z něj žhavé kapičky strusky. V případě 28

29 že se paket nepodaří svařit, je nutno proceduru opakovat. Po svaření (Obr. 10) se paket očistí ocelovým kartáčem nebo pomocí vody na dráze kovadliny což je velmi účinné. Obr. 10 První svaření Poté je paket překován na požadovaný tvar a naseknut v půlce, před přihnutím je budoucí svarová plocho pečlivě očištěna a posypána boraxem. Naseknutý paket je kladivem přehnut, posypán boraxem a poté putuje opět do výhně Obr. 11. Obr. 11 Přehyb s boraxem Kde je nahřát na svařovací teplotu. Každý paket byl jednou přehnut a svařen, tím bylo docíleno 20 vrstev v každém paketu. Tento paket byl následně překován na rozměr potřebný k přípravě zkušebních těles. V případě Charpyho zkoušky to byl polotovar 11 11, pro tahovou zkoušku měl polotovar rozměr Tyto polotovary byly v peci žíhány n měkko, podle programu 30 minut náběh na teplotu 500 C, 30 minut výdrž na teplotě, 30 minut náběh na teplotu 700 C, na této teplotě výdrž 200 minut a poté pomalé chladnutí do druhého dne. 29

30 6.2 Výroba zkušebních těles Tělesa pro tahovou zkoušku Pro tuto zkoušku je potřeba těleso tvaru, který je na obrázku 10. Obr. 12 Zkušební těleso pro zkoušku tahem Těchto těles bylo vyrobeno celkem šest, dvě od každého materiálu. Nejprve se ve čtyřčelisťovém sklíčidle zarovnalo čelo a poté byla tyč navrtána. Poté byla tyč upnuta asi za 30 mm a podepřena hrotem, následovalo soustružení povrchu na rozměr přibližně 12 mm, tato míra byla zvolena, protože obrobek byl následně opnut do druhého soustruhu, na kterém byl soustružen závit a osazení. Závit byl nejprve nahrubo vyříznut nožem a poté byl přeřezán závitovým očkem. Dále bylo vysoustruženo osazení a přechodové rádiusy. Před tepelným zpracováním byla tělesa opatřena ochranným nátěrem z jílu a mletého dřevěného uhlí Obr. 13. Obr. 13 Zkušební tělesa s ochranným nátěrem 30

31 Tepelné zpracování spočívalo kalení a popuštění. Program ohřevu na kalící teplotu spočíval v nájezdu na teplotu po dobu 45 minut, 30 minut výdrž na teplotě 795 C. Kalící médium byla voda o teplotě 32 C. Po vychladnutí pece na 210 C byla tělesa popuštěna po dobu 15 minut. Následovalo chladnutí na dřevěné desce v klidném vzduchu Tělesa pro Charpyho zkoušku Pro tuto zkoušku bylo zvoleno těleso s oblým vrubem o hloubce 3 mm, viz Obr. 14. Obr. 14 Těleso pro rázovou zkoušku ohybem Polotovary byly nejprve ofrézovány válcovou čelní frézou se spirálovými břity na horizontální frézce. Rozměr tyče po opracování byl 10 10, Tyče byly následně nařezány na polotovary o délce 55 mm. Podle orýsování byla vyvrtána dírka o průměru 2 mm. Polotovary byly opatřeny ochranným nátěrem a putovaly do pece. Program pece byl zvolen tak, aby nájezd na teplotu 795 C trval 45 minut, výdrž na této teplotě byla 30 minut a následovalo zakalení do vody o teplotě 26 C. Byla změřena tvrdost po kalení a po vychladnutí pece na teplotu 210 C následovalo popuštění po dobu 15 minut, vychladnutí vzorků proběhlo na dřevěné desce v klidném vzduchu. Následně byl přeříznut nad otvorem zbylý můstek Obr. 15. Obr. 15 Tělesa pro charpyho zkoušku s vrubem 31

32 6.3 Popis měřících metod Zkouška tahem Ke zkoušce byl zvolen trhací stroj TiraTest 2300, obr. 16. Na závity těles byly našroubovány matice, na těchto byla kulová plocha, která dosedala do kulového vybrání v hlavici stroje, obr. 17. Ručním posuvem byla vymezena vůle. V této chvíli se započalo vlastní měření. Klidným tahem došlo k přetržení zkušební tyče. Bohužel v tyčích byly vnitřní vady, takže došlo skoro u všech k přetržení v závitové části, z těchto důvodů je zkouška neprůkazná. Obr. 16 Univerzální trhačka 32

33 Obr. 17 Zkouška v tahu Rázová zkouška ohybem Při této zkoušce bylo použito kyvadlové kladivo WBN 230, výrobní číslo 5345 rok výroby 1982, výrobek VEB Werstoffprüfmaschinenfabrik, Leipzig. Toto kladivo používá Charpyho koncepci. Břit kladiva naráží na vzorek v okamžiku nejvyšší kinetické energie. Stojan stroje je litý a opěry pro uložení vzorku jsou k němu přišroubovány. Konzola se západkou pro zachycení kladiva v základní poloze před rázem, je pevně spojena se stojanem. Úhel překývnutí a jemu úměrná spotřebovaná práce je měřen na půlkruhové stupnici Obr

34 Obr. 18 Charpyho kladivo Vzorek je nutno do opěr tak aby vrub byl přesně v ose dráhy břitu beranu. Pro měření byly použity dvě sady vzorků, v jedné byl vrub veden přes vrstvy a ve druhé byl rovnoběžně s vrstvami. Po správném uložení je možno beran zdvihnout do pracovní polohy a zajistit západkou. Vlečná ručka se umístí na začátek stupnice a po kontrole že nikdo není v ohroženém prostoru je možno vypustit beran (bezpečnost je v tomto případě na místě jelikož počáteční energie beranu je 98,1 J). Po přeražení tělesa se kývání beranu zastaví pásovou brzdou. Přeražené těleso se sebere tak aby nebyla zbytečně zašpiněna lomová plocha Měření tvrdosti K měření byla použita metoda HRC, tvrdoměr Lucznik,typ Ph 106,výrobní číslo 3218,rok výroby 1965 (předzatíženi 98,1 N, zatěžující síla 1471,5 N), která je vhodná pro rychlou kontrolu kalených výrobků. Tvrdost byla měřena pouze u vzorků na rázovou zkoušku, na každém vzorku bylo změřenou pět míst, z celé plochy. Zkouška se provádí tak že se na stolek položí vzorek a umístí se pod indentor, maticí se nastaví na malé ručičce úchylkoměru hodnota přibližně na 4 mm (vymezení vůlí) a velká ručka se otáčením stupnice vynuluje. Poté se spustí zátěž, která je brzděna tlumičem. Až se velká ručka zastaví, klikou na 34

35 boku přístroje se odpojí zátěž. Ručka se vrátí na hodnotu tvrdosti, kterou je možno odečíst. Použitý přístroj je na Obr. 19. Obr. 19 Tvrdoměr Metalografický rozbor Vzorky byly rozřezány na metalografické řezačce MIKRON 700 Obr. 20. Poté bylo provedeno broušení na metalografických papírech. Použité zrnitosti byly 220, 400, 800, 600, 1000, Vybroušený vzorek by následně leštěn na metalografické leštičce, na leštění byl použit kotouč s nataženým semišem. Na tento kotouč byla nanesen diamantový prach o zrnitosti 1 µ. Vyleštěný vzorek byl následně naleptán Nitalem (4 % roztok kyseliny dusičné v etylalkoholu). Vyvolaná struktura byla pozorována na převráceném metalografickém mikroskopu Obr

36 Obr. 20 Metalografická pila Obr. 21 Metalografický mikroskop 36

37 6.4 Výsledky měření Tahová zkouška Při této zkoušce bylo použito celkem šest zkušebních těles (od každého materiálu dvě) Výsledky tahové zkoušky jsou v tabulce 1. V grafu na Obr. 22 jsou změřené závislosti, ostré zuby vznikly při popraskání tělesa v závitu. Na Obr. 23 je vidět fragmentace zkušebního tělesa. Tab. 1 Naměřené napětí Výsledky tah damašek, T. Rudolf, 6x30mm, stroj TiraTest 2300, Zkouška Datum testu Číslo vzorku Rp0.2 Z Fmax t Rm v A a S0 Lu Su MPa % N sec MPa mm/min % mm mm2 mm mm Damašek , ,34 0,1 6,07 28,94 30,1 28, Damašek 2 0 0, ,34 0,1 6,07 28,94 30,02 28, Cr , ,34 0,0 6,05 28,75 30,01 28, Cr , ,34 0,0 6,06 28,84 30,01 28, , ,33 0,0 5,99 28,18 30,01 28, , ,33 0,0 6,01 28,37 30,01 28,35 Obr. 22 Tahová zkouška 37

38 Obr. 23 Fragmenty zkušebních těles Rázová zkouška ohybem Při této zkoušce bylo použito celkem 30 vzorků (deset od každého materiálu). Výsledky jsou v tabulce 2. Materiál označený * měl vrub rovnoběžně s vrstvami. Tab. 2 Práce spotřebovaná na lom Vzorek Materiál 1. [J/cm 2 ] 2. [J/cm 2 ] 3. [J/cm 2 ] 4. [J/cm 2 ].5 [J/cm 2 ] Průměr [J/cm 2 ] Odchylka [J/cm 2 ] Rozptyl [J/cm 2 ] Damašek 3,50 2,80 2,80 2,80 4,20 3,22 0,56 0,75 75Cr1 2,80 2,80 2,80 3,50 3,50 3,08 0,34 0, ,60 4,90 4,20 4,90 4,20 4,76 0,52 0,72 Damašek* 7,01 6,30 6,30 6,30 6,30 6,44 0,29 0,54 75Cr1* 7,01 7,01 7,01 6,30 7,01 6,87 0,29 0, * 3,50 2,80 3,50 2,80 3,50 3,22 0,34 0, Měření tvrdosti V tabulce 3 jsou výsledky měření tvrdosti hned po kalení, v tabulce 4, jsou tvrdosti po popouštění. 38

39 Tab. 3 Tvrdosti před popuštěním Měření Materiál 1 [HRC] 2 [HRC] 3 [HRC] 4 [HRC] 5 [HRC] Průměr [HRC] Odchylka [HRC] Rozptyl [HRC] Damašek , ,4 Damašek , ,4 Damašek , ,4 Damašek ,8 0,4 0,16 Damašek ,8 0,4 0,16 75Cr ,8 0, ,96 75Cr , ,4 75Cr ,2 0, ,96 75Cr ,8 0, ,56 75Cr ,2 0, , ,8 0,4 0, ,2 0,4 0, ,8 1, , , , Damašek , ,2 Damašek ,6 0, ,24 Damašek , ,2 Damašek ,6 0,8 0,64 Damašek ,4 1, ,04 75Cr ,6 1, ,04 75Cr ,8 0, ,56 75Cr ,8 1, ,36 75Cr ,2 1,6 2,56 75Cr ,2 0,4 0, , , ,8 0, , ,6 1, , , , ,8 1, ,76 39