Spracovanie ocele

Oceľ triedy 14 (chrómové, manganochrómové, a kremíkochrómové):
Chróm zvyšuje kritickú teplotu ocele. Predmety do priemeru 30 mm sa kalia do oleja väčšie do vody. Popúšťacie teploty sú 550 až 650 °C. Po popúšťaní sa doporučuje rýchle ochladzovanie (v oleji alebo vo vode). Pokles mechanických hodnôt s vzrastajúcim prierezom kaleného predmetu je podstatne menší než u ocelí uhlíkových. Do prierezu 30 mm môžu úspešne nahradiť drahšie nízkolegované ocele niklochrómové. Z chrómových ocelí s obsahom asi 1 % C sa vyrábajú guličky a krúžky pre guličkové ložiská, vyžaduje sa u nich veľká tvrdosť a odolnosť proti oderu. Manganochrómové ocele majú väčšiu prekaliteľnosť a pevnosť aj menšiu húževnatosť. Do istej miery sú obdobné oceli kremíkochrómovej. Pri väčšom obsahu uhlíka sú všetky druhy ocelí vhodné aj pre výrobu pružín, hlavne ocele kremíkochrómové. Z manganochrómových ocelí sa okrem iného vyrába akostné ručné náradie.

Oceľ triedy 17 (koróziivzdorné chrómové a chrómniklové, chrómniklomolybdénové):
Prísada chrómu zvušuje polohu kritických bodov a postupne uzatvára oblasť austenitu, priestorovo centrovaný chróm stabilizuje železo v celom rozsahu teplôt až po teplotu krivky solidu. Koróziivzdorné ocele majú obsahchrómu asi 13,17 a 25 %. U ocelí s 13 až 15 % Cr sú kaliace teploty asi 1000 až 1050 °C. Až do teploty 500 °C nestrácajú tieto ocele pri popúšťaní obvykle tvrdosť. V rozmedzí teplôt 450 až 600 °C sa u nich prejavuje popúšťacia krehkosť a zmenšenie odolnosti proti korózii. Majú sa preto popúšťať buď do 500 °C alebo nad 650 °C. Popúšťaním na nízke teploty (100 až 200 °C) sa dosahuje tvrdosti asi 55 HRC, ktorá stačí aj pre nože. Ich prekalitelnosť je dobrá, kalí sa do oleja alebo na vzduchu. Ocele s obsahom chrómu nad 16 % sú pri malom obsahu uhlíka čisto feritické. Ich zrno nejde zjemniť tepelným zpracovaním. Odolnosť proti korózii majú lepšiu než ocele s 13 až 15 % Cr.

Pri ďaľšej práci za vysokej teploty zrno značne zhrubne a po ochladení sa ocel stáva krehkou. Základným druhom chrómniklových koróziivzdorných ocelí sú nemagnetické austenitické ocele dnes už klasického zloženia 18 % Cr a 8 % Ni. Ich tepelné spracovanie záleží v rozpúšťacom žíhaní. Účelom je rozpustiť karbidy a prudkým ochladením zabrániť ich spätnému vylúčeniu. Karbidy sa vylučujú pozdĺž hraníc zŕn pri veľmi pomalom ochladzovaní ocele pod krivkou zmeny rozpustnosti alebo v rýchlo ochladzovanej oceli po dlhšom ohreve na teploty 500 až 800 °C. Ich vylúčením sa zmenší húževnatosť a ocele majú sklon k medzikryštalickej korózii. V blízkosti zvarov je vždy oblasť, ktorá behom zvárania dosiahne teplotu vhodnú pre vylučovanie karbidov z presýteného austenitu. Obdobné zhoršenie vlastností sa prejavuje tiež u súčastí pracujúcich trvale za teploty 500 až 800 °C. Ocele pre takéto súčasti musia byť preto stabilizované prísadou titánu alebo niobu. Pre značne korozívne prostredie a pre vysoké teploty sa tiež používajú ocele s väčším obsahom Ni. Austenitické chrómniklové ocele sú veľmi húževnaté a preto sú zle obrobiteľné. Miernym zväčšením obsahu síry alebo selénu sa ich obrobiteľnosť zlepšuje, ale mierne sa zmenší odolnosť proti korózii a zhoršia sa mechanické vlastnosti.
Šedá liatina:
Šedá liatina je zliatina železa s uhlíkom, kremíkom, mangánom a ďaľšími prvkami, v ktorých množstvo uhlíka presahuje maximálnu hodnotu rozpustnosti v austenite, pričom prevažná časť uhlíka je vylúčená ako lupienkový grafit. Okrem doprovodných prvkov a výrobe nutného množstva prísadových prvkov môže šedá liatina obsahovať tiež legovacie prvky. Odliatky zo šedej liatiny sa môžu tepelne spracovávať. Žíhanie na odstránenie vnútorného pnutia sa však používa. Okrem tzv. voľného uhlíka môže byť v zliatine obsiahnutý uhlík viazaný a to v chemickej zlúčenine Fe3C – v cementite. Pomer voľného a viazaného uhlíka spolu s tvarom grafitu rozhodujú predovšetkým o vlastnostiach šedej liatiny. Grafit je krehká látka, ktorá porušuje základnú kovovú hmotu, znižuje plastické vlastnosti materiálu avšak zvyšuje útlm kmitov, zlepšuje obrobiteľnosť a odolnosť proti opotrebeniu. Cementit zvyšuje pevnosť kovovej základnej hmoty, jej tvrdosť a odolnosť proti opotrebeniu, zhoršuje však obrobiteľnosť. Čím vyšší je obsah uhlíka, tým väčší je sklon k vytváraniu grafitu a tým lepšie sú zlievárske vlastnosti liatiny. Kremík podporuje vylučovanie grafitu, čím sa znižuje pevnosť avšak zlepšuje zlievateľnosť liatiny.

Mangán zvyšuje pevnosť základnej kovovej hmoty tým, že stabilizuje cementit a zvyšuje tvrdosť liatiny. Fosfor zvyšuje zabiehavosť, pevnosť a tvrdosť liatiny, ale znižuje húževnatosť. Síra je nežiadúca, ale pri tavení je nevyhnutnou zložkou liatiny. K obmedzeniu jej škodlivého vplyvu je nutné časť síry viazať na MnS vyšším obsahom mangánu v šedej liatine. Pomer Mn/S má byť väčší než 4. Na konštrukčné vlastnosti liatiny má vplyv predovšetkým grafit vylúčený v základnej kovovej hmote. V šedej liatine vznikajú pri pomerne malom napätí značné deformácie, alebo napätie sa sústreďuje na okrajoch grafitových lupienkov. Deformácia nie je úmerná napätiu a liatina sa chová ako čiastočne nepružný materiál. Hysterézna krivka šedej liatiny, vznikajúca pri vložení a stiahnutí napätia, má zvláštny tvar. Čím väčšia je plocha uzatvorená hysteréznou krivkou, tým väčšia je útlmová schopnosť liatiny. Pružné vlastnosti šedej liatiny sú iné v ťahu ako v tlaku pričom pevnosť v tlaku je značne vyššia než v ťahu a deformácia je podstatne menšia. Preto má byť šedá liatina namáhaná predovšetkým na tlak. Krivka napätia v ťahu – deformácia je veľmi blízka priamke len v malej počiatočnej oblasti. Medza pružnosti a medza úmernosti nemajú u šedej liatiny význam a väčšinou sa nestanovujú. Medza prieťažnosti (klzu) je len konvenčnou hodnotou a leží medzi 60 a 80 % medze pevnosti v ťahu.

Tvárna liatina:
Tvárna liatina je materiál, v ktorom sú spojené dobré zlievárenské vlastnosti liatiny s dobrými mechanickými vlastnosťami ocele. Je veľmi pevná v ťahu, má vysoký pomer medze prieťažnosti k medzi pevnosti a dostatočne plastické vlastnosti. Preto sa jej stále viac používa ako konštrukčného materálu. Grafit je v liatine vylúčený vo forme zŕn, dosahuje sa toho očkovaním roztaveného kovu cérom alebo horčíkom. Technológia jej výroby je dosť obtiažna a preto sa tvárna liatina vyrába len v špecializovaných zlievárňach. Obvyklé zloženie tvárnej liatiny je v rozmedzí 3,2 až 3,7 % C, 1,9 až 3 % Si a 0,4 až 0,8 % Mn. Množstvo uhlíka presahuje maximálnu hodnotu rozpustnosti v austenite, pričom prevaźná časť uhlíka je vylúčená vo forme zrnitého grafitu. Okrem doprovodných prvkov môže tvárna liatina obsahovať tiež legovacie prvky. Odliatky z tvárnej liatiny sa obvykle tepelne spracovávajú. Vlastnosti tvárnej liatiny
Pevnosťou sa tvárna liatina blíži oceli, lebo zrnitý tvar grafitu príliš neporušuje základnú kovovú hmotu. Modul pružnosti je od 140 000 do 180 000 Mpa pre ťah a tlak, Pre strih od 70 000 dp 70 500 Mpa. Základná kovová hmota určuje ostatné mechanické hodnoty. Vhodným tepelným spracovaním v špecializovaných zlievárňach ide dosiahnuť vysokých hodnôt mechanických vlastností tvárnej liatiny. Významná aj keď nie tak veľká ako u šedej liatiny je útlmová schopnosť tvárnej liatiny. Jej obrobiteľnosť je blízka obrobiteĺnosti ocele, povrch je hladký. Dobrá je tvárnosť za studena i za tepla. Dobrá je aj odolnosť proti korózii a opalu. Tvárnu liatinu ide zvárať ako plameňom tak aj oblúkom, doporučuje sa odliatok predhriať a zabezpečiť jeho pomalé chladnutie po zváraní. Odliatok z tvárnej liatiny má byť konštruovaný tak, aby bolo možné zaistiť kladné usmernené tuhnutie a umiestniť masívne náliatky skoro ako u oceľových odliatkov. Nemá mať ostré rohy a veľké prechody v hrúbke steny. Typické príklady vyuźitia tvárnej liatiny sú súčasťou poľnohospodárskych strojov, valcov, brzdových bubnov...

Niektoré technologické úpravy ocele

Cementovanie
Cementovanie je nasycovanie povrchu oceľových súčiastok uhlíkom. Používa sa vtedy, ak sa od súčiastok požaduje vysoká povrchová tvrdosť, pri súčastnom zachovaní húževnatého jadra. Na cementovanie sú vhodné mäkké ocele s obsahom od 0,1 až 0,4 %C. Povrch súčiastok sa obohacuje na eutektoidnú alebo mierne nadeutektoidnú koncentráciu.

Zakalením nacementovanej súčiastky sa získa vo vrstve martenzitická štruktúra vysokej tvrdosti, pričom v jadre dochádza, v závislosti od prekaliteľnosti ocele a veľkosti prierezu, väčšinou iba k čiastočnému zakaleniu, prípadne vznikajúci martenzit má vzhľadom na nízky obsah uhlíka nízku tvrdosť. Jadro súčiastky preto zostane mäkke a húževnaté. Cementovanie sa robí pri teplotách asi 50°C nad AC. Pre ocele uhlíkove s obsahom 0,4 %C je to asi 850 až 950°C. Hĺbka cementačnej vrstvy býva 0,5 až 2 mm. Pri cementovaní môže uhlík do ocele difundovať buď z plynnej alebo kvapalnej fázy. Atmosféra pre cementovanie predstavuje zložité zmesi plynov, najmä CO, CO2, N2, H2, H2O a uhľovodíkov. Cementovanie sa robí v tuhom, kvapalnom alebo plynnom prostredí. Súčiastku odporúčam cementovať v plyne pri teplote 880°C a po dobu 3 hodín kedy dosiahnem cementačnú vrstvu o hrúbke 0,6 mm.
Kalenie
Kalenie je tepelné spracovanie pozostávajúce z ohrevu ocele na kaliacu teplotu, výdrže na tejto teplote a ochladenia rýchlosťou väčšou než je rýchlosť kritická. Pri voľbe vhodného spôsobu kalenia je potrebné zohľadniť chemické zloženie ocele, žiadané mechanické a iné vlastnosti po tepelnom spracovaní, potrebu čo najnižších výrobných nákladov, čo najnižšej časovej náročnosti zvoleného spôsobu kalení. Pri mojom potrebnom tepelnom spracovaní som zvolil kalenie pri teplote okolo 850 °C s ochladením do vody.

Popúšťanie
Popúšťanie je ohrev zakalenej ocele s martenzitickou štruktúrou, na teploty pod AC za účelom vytvorenia štruktúr bližších k rovnovážnym.
Popúšťanie pri nízkych teplotách ( do 350 °C) sa prevádza za účelom zníženia napätí po kalení, zmenšenia podielu zvyškového austenitu, stabilizácia rozmerov, zvýšenia húževnatosti. Pokles tvrdosti je minimálny. Popúšťanie pri vyššých teplotách ( nad 350°C ) sa prevádza za účelom dosiahnutia štruktúr vykazujúcich priaznivejší komplex mechanických vlastností – vysokú húževnatosť pri vysokých hodnotách medze sklzu, medze únavy, kontrakcie. Je súčasťou procesu anizotermického zušľachťovania.