ŽELEZO A JEHO SLITINY Ing. V. Kraus, CSc. Opakování z Nauky o materiálu 1
ČISTÉ ŽELEZO Atomové číslo 26 hmotnost 55,874 hustota 7,87 g.cm-3 vodivé, houževnaté, měkké A 50 %, Z 90 % pevnost 180 až 250 MPa, tvrdost 45 až 55 HV feromagnetické vlastnosti - Curieova teplota 768 C Polymorfní kubická prostorově centrovaná α, β, δ - (2,86.10-10 m) kubická plošně centrovaná γ - (3,6.10-10 m) tepelná hystereze A c3,, A r3 Opakování z Nauky o materiálu 2
Křivky ohřevu a chladnutí čistého železa Opakování z Nauky o materiálu 3
SLITINY ŽELEZA S UHLÍKEM Dle stability: stabilní Fe C metastabilní Fe Fe 3 C Stabilita závisí na: přítomnosti dalších prvků (čistota) rychlosti ochlazování obsahu uhlíku C grafit šesterečná mřížka nízká pevnost v tahu Fe 3 C - cementit - orthorombická mřížka slabé magnetické vlastnosti ztrácí při 217 C tvrdý, křehký, 700-800 HV není stabilní nad cca 400 C se rozpadá (grafitizace) - Opakování z Nauky o materiálu 4
Rovnovážný diagram Fe-Fe C 3 (Fe-C) Opakování z Nauky o materiálu 5
Rovnovážný diagram Fe-Fe C 3 (Fe-C) Teploty bodů a čar / o C/ Koncentrace bodů /% C/ A 1 536 A 0,00 N 1 499 A 0,10 H J B A C F 1 392 1 147 J B 0,16 0,51 G M O P S K 911 760 727 E C F 2,11 4,30 6,68 D E - C - F P - S -K 1 360 1 153 738 S P Q C E 0,80 0,02 10-7 4,26 2,08 S P 0,69 0,018 Opakování z Nauky o materiálu 6
DOPROVODNÉ PRVKY (ze surovin event. metalurgického proceesu) Škodlivé S zhoršení tvařitelnosti za tepla FeS, MnS - P křehkost za studena u litin zlepšuje zabíhavost - O křehkost za tepla i za studena, sklon k lomům H mikrotrhliny, vločky N stárnutí ocelí stopové prvky - Pb, As, Sb, Sn apod. Prospěšné Mn zvyšuje pevnost bez zhoršení plasticity, desoxidační a desulfurizační přísada, rozšiřuje pole austenitu Si desoxidační přísada, více zvyšuje pevnost za studena, zhoršuje tvařitelnost, uzavírá pole γ Cu zhoršení tvařitelnosti za tepla, možnost vytvrzování Opakování z Nauky o materiálu 7
LEGUJÍCÍ (SLITINOVÉ) PRVKY dle vztahu k uhlíku: karbidotvorné (Cr, V, Mo, W ) netvořící karbidy (Si, Ni, Al) dle ovlivnění diagramu: austenitotvorné (Mn, Ni, N) feritotvorné (Cr, Mo, Si, V) Opakování z Nauky o materiálu 8
Vstup: ruda vápenec vzduch Výstup: VÝROBA SUROVÉHO ŽELEZA surové železo struska kychtový plyn Opakování z Nauky o materiálu 9
ZKUJŇOVÁNÍ Odstranění nežádoucích prvků obvykle oxidací Pochody: rudný - 85% tekuté surové železo + odpad - vytvoření varu ruda, okuje ev. kyslík odpadový (šrotový) - tuhá vsázka + surové železo a ruda (vytvoření varu) Pece: Siemens-martinské pece dnes 25 % elektrické obloukové pece vyšší výkon i kvalita elektrické pece frekvenční pouze přetavování kyslíkové konvertory dnes 60%, moderní Schéma kyslíkového konvertoru Opakování z Nauky o materiálu 10
DESOXIDACE OCELI srážecí - vyšší množství zplodin, jednoduchá a rychlá difúzní - reakce mezi struskou a lázní - stahování strusky, dlouhá doba, nákladná, výhodnější vakuová rafinace - tavení ve vakuu 10-(110 až 3) Pa (nejen odplynění, ale i odstranění stopových prvků Pb, As, Bi, Zn ap.) - odlévání ve vakuu (různé způsoby) - odplynění i desoxidace elektrostruskové přetavování - materiál jako tyčová elektroda - natavování v přehřáté vodivé strusce - (desoxidace i odsíření) syntetické strusky - dvě pece - smíchání kovové a struskové lázně - náročné, nákladné Opakování z Nauky o materiálu 11
DRUHY OCELÍ Dle obsahu FeO a způsobu krystalizace: uklidněné - úplná desoxidace - ve ztracené hlavě ingotu centrální staženina (lunkr) - ztráty u obvyklých ocelí 20%, u nástrojových až 40% - nízké využití - celkově cca 20% výroby neuklidněné - bez nebo s částečnou desoxidací (vyšší obsah FeO než je rovnovážný) - při lití reakce s uhlíkem (sekundární var oceli - bubliny CO unikají z oceli a částečně zůstávají v kovu zavřeny) - menší staženina neb bez ní - nutnost bublin bez oxidace, během tváření svaření - větší výtěžnost, dobrá svařitelnost, nižší vměstkovitost polouklidněné - desoxidace FeMn + část. FeSi (Si do 0,15%) - nižší sekundární var a jeho zastavení při krystalizaci (ovlivnění tlakem ev. desoxidací) - malá staženina (plechy) Opakování z Nauky o materiálu 12
DESOXIDACE OCELI Obsah kyslíku v různých r typech oceli /1-uklidněná, 2-polouklidněná, 3-neuklidněná se zastaveným varem,4,5-neuklidněná/ Opakování z Nauky o materiálu 13
KRYSTALIZACE OCELI Krystalizace - obecně tři pásma I. pásmo (primární) - vysoké přechlazení - jemné směrově neorientované rovnoosé globulitické krystality - II. pásmo (transkrystalizační) - směrově orientované dendrity ve směru odvodu tepla (kolumnární dendrity-sloupkovité krystality) - nastává i výrazné odměšování (S, P, C) III. pásmo (terciální, střední) - neorientované velké globulitické krystality Odmíšení - nestejnoměrnost chemického složení dendritické - rozdíl mezi složením os a meziosními výplněmi krystalitů - (likvace) pásmové - od povrchu do středu ingotu (hlavně P a S) Schéma krystalických zón v ingotu z uklidněné oceli Opakování z Nauky o materiálu 14