VLASTNOSTI MATERIÁLOV
Pri posudzovaní vhodnosti materiálov, používaných v technickej praxi pri konštrukcii strojov, zohľadňujú sa predovšetkým
a/ m e c h a n i c k é v l a s t n o s t i : pevnosť, pružnosť, húževnatosť (schopnosť znášať i značné deformácie, odolnosť proti rázom), ťažnosť (pomerné predĺženie až do porušenia - v % pôvodnej dĺžky), tvrdosť, krehkosť, odolnosť proti únave, únosnosť za tepla;
b/ t e c h n o l o g i c k é v l a s t n o s t i : tvárnosť, zlievateľnosť, zvariteľnosť, kaliteľnosť, opracovateľnosť (sústružením, vŕtaním, frézovaním, brúsením a pod.) a odolnosť proti opotrebovaniu;
c/ f y z i k á l n e v l a s t n o s t i : merná hmotnosť (hustota) , tepelné vlastnosti (rozťažnosť, vodivosť), ďalej vlastnosti elektrické, magnetické, optické a zvukové (izolačné);
d/ c h e m i c k é v l a s t n o s t i : odolnosť proti korózii (hrdzaveniu) a žiaruvzdornosť.
Kovy a ich zliatiny majú tú charakteristickú vlastnosť, že kryštalizujú - prevažne v kryštalickej sústave kubickej alebo šestorcovej. Veľkosť a usporiadanie kryštálov (štruktúra) zoskupených v kryštálových mriežkach, závisí na chemickom zložení a mechanickom i tepelnom spracovaní materiálu. Čím sú kryštály drobnejšie, tým je kov spravidla tvrdší a húževnatejší a naopak, hrubé kryštály spôsobujú krehkosť. Pri narastaní kryštálov v mriežke môže dôjsť k ich vzájomnej deformácií, dôsledkom čoho vytvárajú sa pod mikroskopom dobre viditeľné z r n á, bez zreteľného charakteru kryštálov.
Schopnosť kovov tvoriť zliatiny (s inými kovmi i nekovmi) dáva im možnosť lepších mechanických i technologických vlastností, ako majú čisté kovy, naproti tomu čisté kovy majú spravidla lepšie vlastnosti fyzikálne i chemické.
Pri zlievaní a tuhnutí roztavenej zliatiny sú pomery vytvárania kryštalických štruktúr pomerne zložité. Najjednoduchšie sú prípady, keď:
Rovnovážne pomery proti tuhnutiu, resp. ďalšom ochladzovaní zliatin vyjadruje rovnovážny diagram. Po vytuhnutí dochádza totiž u zliatiu polymorfných kovov (t.j. kovov schopných kryštalizovať v niekoľkých modifikáciách) v priebehu ďalšieho ochladzovania alebo ohrievania, prechodu z jednej modifikácie na druhú. Táto prekryštalizácia prebieha pri prechodne ustálenej teplote (podobne ako tomu je pri tuhnutí).
3.2. ŽELEZNÉ KOVY
Svojim významom i vyrábaným množstvom je železo ďaleko pred ostatnými technickými materiálmi. Názov železo označuje jednak chemicky čisté železo (Fe), ktoré má technický význam hlavne v podobe prášku ako surovina v práškovej metalurgii, jednak surové železo a ostatné technické druhy železa, ktoré sú zliatinami železa s rôznymi inými prvkami (C, Si, Mn, S, Ni, Cr, Cu, W, Co, Mo, V, Al).
Čisté železo, ktoré patrí medzi polymorfné kovy, vyskytuje sa v prírode len ojedinele (meteorické železo), je veľmi mäkké a má dobré magnetické vlastnosti.
Surovým železom sa rozumie železo ako výrobok vysokých pecí (ktoré obsahuje 3-4 % uhlíka okrem iných prvkov).
Technické železá delíme rámcovo na oceľ (s obsahom uhlíka do 1,75%) a liatinu (ktorá obsahuje viac ako 2 % uhlíka).
Surové železo sa vyrába zo železnej rudy redukciou, t.j. odnímaním kyslíka uhlíkom vo vysokých peciach, ktoré pracujú až do opotrebenia žiaruvzdornej výmurovky nepretržite (kontinuálne). Denný výkon vysokej pece novšej konštrukcie je až 2000 t železa, k čomu je potrebné tri až štyrikrát väčšie množstvo suroviny. Pec sa zhora zaváža striedavo rudou, koksom a tavidlom, zdola sa do nej dúcha na 700 až 900o C ohriaty vzduch (obr. 3.1).
Ruda sa pred zavážkou triedi a upravuje (drví, speká v aglomerát, praží a pod.). Koks vyrábaný v koksovni zahrievaním čierneho uhlia za neprístupu vzduchu (vysokotepelnou karbonizáciou) pri výrobe železa je potrebný jednak ako palivo a jednak ako redukčné činidlo. Tavidlo (vápenec, dolomit) pridáva sa do zavážky ako troskotvorná prísada.
Každých 4 až 6 hodín sa vypúšťa (odpichuje) v spodnej časti pece surové železo, ktorého zloženie závisí na vsádzke a chode pece a táto od ďalšieho použitia. Surové železo z vysokej pece sa použije buď ako surovina pre lejárne (prípadne priamo na odliatky) alebo sa spracuje ďalej v oceliarňach skujňovaním na oceľ.
Ako vedľajšie produkty pri výrobe železa dostávame vysokopecnú trosku (zmes minerálnych látok z rudy, koksu a tavidla) a vysokopecný plyn (kychtový plyn) , ktorý sa využíva jednak u samotnej pece (na predhrievanie vzduchu) a jednak na pohon plynových motorov.
O c e ľOceľ sa vyrába zo surového železa pochodom zvaným skujňovanie. Princípom skujňovacích pochodov je podstatné zníženie nežiadúcich prímesí (hlavne C, ďalej S, Si, Mn, P) v surovom železe ich oxidáciou, ku ktorej dochádza pri intenzívnom styku roztaveného surového železa so vzduchom prípadne kyslíkom. Skujňovacie pochody delíme podľa druhu pece na: martinské, konvertorové a pochody prevádzané v elektrických oceliarskych peciach. Dôležitú úlohu pritom hrá kyslosť, alebo zásaditosť trosky a výmurovky pece.
Pri popisovaní ocele ako technického materiálu narážame na značné ťažkosti, pretože kvalitatívne vlastnosti ocele môžeme posudzovať z rozličných hľadísk. Vlastnosti ocele nezávisia iba na chemickom zložení, ale aj na technologickom postupe pri jeho výrobe, spracovaní na polotovar ako aj pri dokončievaní (spracovaní) polotovaru. Aby sme sa mohli orientovať v oceľovom materiáli a ozrejmili si všetky pojmy, terminológiu spojenú s používaním, označovaním a objednávaním oceľového polotovaru, je účelné previesť rozdelenie ocele podľa týchto hľadísk:
a/ spôsob výroby,
b/ chemické zloženie,
c/ tepelné spracovanie a štruktúra,
d/ účel a obvyklý spôsob použitia,
e/ spôsob spracovania na polotovar,
f/ tvar oceľových polotovarov.
a/ Rozdelenie ocele podľa spôsobu výroby
Oceľ možno vyrobiť skujňovaním surového železa v tekutom stave (plávková oceľ), alebo v stave cestovitom (zvárková oceľ). Pretože dnes sa vyrába prakticky už len plávková oceľ, toto rozdelenie stratilo na význame.
Skujňovací pochod použitý pri výrobe ocele slúži tiež pre označenie výrobku. Podľa toho je teda:
Konvertorová oceľ, vyrobená v konvertoroch, t.j. sklopných hruškovitých nádobách z oceľového plechu s dierovaným dnom alebo vzduchovými tryskami v stene, ktorými sa dúcha vzduch na roztavené železo (obr. 3.2). Thomasov zásaditý konvertor je vyložený zásaditou výmurovkou, Bessemerov kyslý konvertor má výmurovku z kyslej hmoty (kremičitý piesok a žiaruvzdorná hlina). Zvláštnym druhom je kyslíkový konvertor, u ktorého sa dúcha čistý kyslík na roztavené železo. Výroba ocele v kyslíkových konvertoroch sa v posledných rokoch hodne uplatňuje pre vysokú výkonnosť a dobrú kvalitu ocele.
Martinská oceľ, ktorá sa vyrába skujňovaním surového železa a oceľového odpadu s prísadou železnej rudy v peci martinskej (Siemens-Martinovej) (obr. 3.3). Martinova plamenná pec sa vykuruje regeneračným spôsobom - generátorovým plynom a vzduchom, alebo spaľovaním ťažkých olejov. Vysoká teplota v martinskej peci, ktorá umožňuje roztavenie oceľového šrotu, dosahuje sa predhrievaním plynu i vzduchu striedavo v dvoch pároch regeneračných komôr pod pecou. Možno v nich vyrobiť kvalitné uhlíkové aj legované ocele. Výmurovka sa dnes volí zásaditá.
Elektrooceľ, vyrábanú v elektrickej oceliarskej peci oblúkovej alebo indukčnej (obr. 3.4). Oceľ v nich vyrobená má malý obsah fosforu a síry a minimálne množstvo mechanických nečistôt, je vhodná k ďalšiemu tepelnému spracovaniu, výrobe ušľachtilých, legovaných ocelí. U nás v uvedených peciach sa väčšinou len pretavuje oceľ (rafinuje). Zavedenie výroby elektroocele nahradilo drahý a málo výkonný spôsob výroby tzv. kelímkovej ocele.
b/ Rozdelenie ocele podľa chemického zloženia
Oceľ obsahuje okrem uhlíka aj iné prvky. Pokiaľ tieto ostatné prvky sú zastúpené iba stopami (zlomkami v percentuálnom zložení), určuje vlastnosti ocele predovšetkým obsah uhlíka a oceľ sa nazýva uhlíková. Ocele s väčším množstvom prímesí, pridávaných úmyselne za účelom zlepšenia ich kvality, sa nazývajú zliatinové (legované). Používajú sa na náročné strojnícke výrobky, najmä nástroje. Ich cena je vzhľadom k tomu tiež vyššia. Najčastejšie používané zliatinové prvky sú: Mn, Si, Ni, Cr, Co, Mo, V alebo Al.
c/ Rozdelenie ocele podľa tepelného spracovania a štruktúry
Vlastnosti ocele sa podstatne menia tepelným spracovaním, t.j. pochodmi ako je kalenie, žíhanie, zušľachťovanie, cementovanie a nitridovanie.
Kalená oceľ sa získava prudkým ochladením ocele po jej ohriatí nad teplotu prekryštalizácie. Kalením sa teda dosahuje zmena štruktúry, ktorá spôsobuje veľkú tvrdosť ocele.
Žíhaná oceľ je oceľ bez vnútorného pnutia alebo oceľ o minimálnej tvrdosti pri danom zložení materiálu Žíhanie na odstránenie vnútorného pnutia spočíva v krátkom ohreve a pomalom chladnutí ocele na vzduchu. Žíhanie na zníženie tvrdosti (tzv. „mäkké žíhanie“) spočíva v dlhodobom ohreve na vyššiu teplotu s nasledujúcim pomalým chladnutím.
Zušľachťované ocele sú ocele tepelne spracované tým, že po zakalení nasleduje u nich popúšťanie (ohriatie nad 450 až 650o C) a pomalé chladenie. Popúšťaním sa zvýši húževnatosť a ťažnosť ocele, ktorá sa stráca pri kalení. Zušľachťované ocele majú najlepšie mechanické vlastnosti, ich štruktúra je veľmi jemná, hodia sa na náročné konštrukcie.
Cementovanie je spôsob povrchového tvrdenia. Povrch spravidla už opracovanej súčiastky z mäkkej ocele sa najprv nasýti uhlíkom žíhaním v prostredí bohatom na uhlík a potom sa zakalí. Na súčiastke získame tým veľmi tvrdé povrchové vrstvy pri mäkkom, húževnatom jadre.
Nitridovanie je iný spôsob povrchového tvrdenia. Povrch ocele sa nasycuje dusíkom, ktorý tvorí so železom a inými prísadovými kovmi, menovite Al, tvrdé látky - nitridy.
d/ Rozdelenie ocele podľa účelu a použitia
Oceľ je najbežnejším materiálom v strojárenstve, ale v značnej miere sa používa aj v stavebníctve. Spotrebitelia kladú rôzne požiadavky na jej vlastnosti (hlavne mechanické a technologické), ale aj na tvar a rozmery železniarňami dodávaných polotovarov. Pre každý jednotlivý prípad použitia nie je však možné vyrábať špeciálny materiál, preto kvalita materiálu ako aj tvar a rozmery oceľových polotovarov sú predmetom normalizácie.
V STN nachádzame rozdelenie ocelí práve podľa ich použitia, pretože toto hľadisko je pre prax najdôležitejšie. Nakoľko však chemické zloženie a spôsob spracovania úzko súvisia s použitím ocele, zahrňuje rozdelenie v normách i tieto hľadiská.
Hrubé rozdelenie ocelí podľa STN je nasledovné:
Tieto ocele sa na výkresoch, v objednávkach a v literatúre označujú číselnými značkami. Vlastný materiál hutníckej výroby sa označuje farebnými značkami, aby sa v skladoch hutných odbytových základní jednotlivé druhy ocelí od seba bezpečne rozoznali.
Slovenské normy akosti jednotlivých druhov konštrukčných a nástrojových ocelí sú zahrnuté v triede 41. Normy akosti ostatných železných i neželezných kovov a ich zliatin sú zaradené do triedy 42. Pre číselné označenie tvárnenej ocele sa použije číslo príslušnej normy akosti s vynechaním prvej číslice 4, teda základná číselná značka je iba päťmiestna. U ostatných materiálov je číselná značka totožná s číslom normy. K nej býva potom pripojená dvojmiestna doplnková značka.