Legovanie feriticko–perlitických žiarupevných ocelí

Úvod

Vlastnosti používaných ocelí v strojárskom, alebo inom odvetví piremyslu smerujú neustále k vyšším pevnostným hodnotám, ale súčasne i k zlepšeniu húževnatosti a zníženiu tranzitných teplôt. Tieto príčiny majú vplyv na využívanie mikrolegovaných ocelí s vyššími pevnostnými vlastnosťami.[ 1 ]

Žiarupevné ocele

Ocele žiarupevné musia pri vysokých teplotách znášať dlhodobé mechanické namáhanie. Pri vysokých teplotách dochádza k tečeniu materiálu, to znamená, že pri konštantom napätí a teplote sa materiál deformuje – tečie. Priaznivo sa prejavia prísady, ktoré spevňujú tuhý roztok a vytvárajú stabilné disperzné častice, ktoré brzdia pohyb dislokácií a samozrejme i zvyšujú teplotu tavenia zliatiny.[ 3 ]

Feriticko – perlitické ocele

Feriticko – perlitické ocele majú obsah uhlíka zvyčajne nižší ako 0,2%, tak že obsah perlitu vo feritickej matrici sa pohybuje asi okolo 5 až 10%. Vhodným legovaním a následným tepelným spracovaním je možné získať hodnoty medze sklzu až 550 MPa. Na druhej strane takéto vysoké hodnoty medze sklzu feriticko – perlitických ocelí sú ale neekonomické, pretože cena legujúcich prvkov nie je adekvátna dostatočnému zvýšeniu mechanických vlastností. Medzu sklzu je možné zvýšiť:
• substitučným alebo intersticiálnym spevnením feritu
• vytvrdzovaním
• zjemnením zrna



Uhlíkové feriticko – perlitické ocele

V týchto oceliach sa pohybuje obsah prísadových prvkov do 0,2%. Ide hlavne o mikrolegovanie prvkami ako Cr, V, Mo, Al. Sú to ocele triedy napr. 11 366, 11 416, 11 478, 12 021, ktoré používame na stavbu nenáročných zariadení do teplôt 400 ºC (nízkotlakové kotle a pod.).[ 3 ]

Zliatinové ušlachtilé feriticko – perlitické ocele

Jedná sa hlavne o ocele tr. 15 s prísadovými prvkami Cr, V alebo Cr, Mo, V (W) do celkového obsahu 3%. Ich použitie je do teplôt 570 ºC napr. pre rúrky prehrievačov pre parovody, turbínové rotory, svorníky a pod. Sú to ocele STN 15 110, 15 111, 15 128, 15 333, 15 320 a pod.[ 3 ]

Vplyv legúr na vlastnosti feriticko – perlitických ocelí

Prísada legujúcich prvkov, ktoré sú rozpustené vo ferite F+P ocelí, vytvárajú s α – železom substitučný tuhý roztok a spôsobujú zmeny vlastností ocelí.
Na obr. 1 je znázornená závislosť pevnosti feritu od obsahu legúr, z ktorej vidieť, že Cr, Mo, W spevňujú ferit menej ako Ni, Si alebo Mn.

Za najpriaznivejší legujúci prvkov možno považovať nikel, pretože dostatočne spevňuje ferit a pritom neznižuje vrubovú húževnatosť.[ 4 ]
Legujúce prvky, ktoré sú rozpustené v železe zvyšujú jeho pevnosť pri normálnych ale aj zvýšených teplotách.

Požiadavky na chemické zloženie feriticko – perlitických ocelí

Požiadavky sú obvykle kladené na minimálny vzostup tranzitnej teploty na jednotku vzrastu medze sklzu. Okrem toho sa požaduje vyhovujúca zvariteľnosť a tvárniteľnosť. Z tohto dvôvodu sa dáva prednosť oceliam s nižším obsahom uhlíka, vyšším obsahom mangánu a so zrnom zjemneným hliníkom. Hliník znižuje obsah voľného dusíka v oceliach (nitrid hliníka).[ 1 ]

Požiadavky na štruktúru

Štruktúra musí vyhovovať požiadavkám na tvárniteľnosť, rovnako ako požiadavkám na pevnosť a lomové vlastnosti. Plastické vlastnosti závisia na obsahu perlitu v štruktúre a na jeho rovnomernej distribúcii. Nevhodné je riadkové usporiadanie perlitu.
Pevnostné vlastnosti kriviek vo feritickej a perlitickej fáze z hľadiska materiálovej podstaty zobrazuje obr. 2.[ 5 ]
Pre dosiahnutie vyšších pevnostných vlastnosí sa dá využiť substitučné spevnenie mangánom a zjemnením feritického zrna mikrolegujúcimi prvkami.[ 1 ]

Substitučné alebo intersticiálne spevnenie feritu

Hodnotu medze sklzu a pevnosť feritu zvyšujú predovšetkým uhlík, mangán, kremík, chróm, nikel, meď a fosfor. Priaznivý vplyv uhlíku nie je možné u týchto ocelí
využiť, pretože uhlík zhoršuje zvariteľnosť a posúva prechodovú teplotu doprava. Ako uvádza obr. 3, je možné dosiahnuť dostatočne vysokú húževnatosť pri záporných teplotách znížením obsahu uhlíka pod 0,2%. Takéto vysoké plastické vlastnosti, nízku prechodovú teplotu a dobrú zvariteľnosť majú práve feriticko – perlitické ocele, u ktorých je však potrebné zvýšiť medzu sklzu iným spôsobom.[ 2 ]
Uvedený spôsob je založený na rozdielnej veľkosti atómov medzi roztokom a rozpúšťadlom. Nárast pevnostných vlastností účinkom legujúcich prvkov, ktoré sa nachádzajú v tuhom roztoku sa dá obecne vyjadriť vzťahom:

( 1 )
kde K - je konštanta
X - je koncentrácia rozpustenej zložky v hmot.%.
V oblasti nízkých koncentrácií sa dá využiť lineárna závislosť medzi pevnostnými hodnotami určenými spevnením tuhého roztoku a obsahom legujúcich prvkov vo ferite:

( 2 )
kde A - je konštanta pre jednotlivé legujúce prvky (uvedená v tab. 1)[ 1 ]

Tab. 1. Vplyv legujúcich prvkov na súčinitel A
Legujúci prvok Mn Si Ni Cr Mo P C N
A [ MPa ] 30 83 40 -30 45 680 6500 6500

K substitučnému spevneniu feritu sa používa najčastejšie mangán a kremík, menej často nikel.

Mangán je ľahko dostupný a pomerne lacný prvok, relatívne zvýšenie medze sklzu je však malé. Pri obsahu 0,5 až 1,5% Mn sa zvýši za každých 0,1% Mn medza sklzu asi o 5 MPa. Výhodou je, že mangán posúva prechodovú teplotu k nižším teplotám (obr. 4). Feriticko – perlitické ocele obsahujú prevažne 1,5 až 1,8% Mn.
Kremík zvyšuje v oceliach s nízkym obsahom uhlíka pevnosť a medzu sklzu, pri obsahu nad 0,7% avšak už klesá vrubová húževnatosť.
Nikel znižuje transformačnú teplotu gama – alfa, takže vznikajúci perlit má jemnejšie lamely a tým aj vyšiu medzu sklzu a tiež dobrú húževnatosť. Pri vyšších obsahoch niklu sa môžu objaviť v matrici jemných plechov ostrovčeky bainitu. Pretože je však nikel veľmi drahý, používa sa predovšetkým k zušlachťovaniu ocelí, u ktorých sa majú získať maximálne mechanické vlastnosti.
Častou prísadou ocelí s vyššou medzou sklzu je molybdén, ktorý zvyšuje medzu sklzu feritu. Jeho hlavný význam však spočíva v jeho vplyve na polohu kriviek v diagrame ARA.
Fosfor zvyšuje pevnosť feritu a ovplyvňuje tiež prítomnosť ďaľších fáz v matrici, tzn. perlitu, bainitu alebo martenzitu. Tieto ocele sa používajú hlavne v automobilovom priemysle pri výrobe kolies a niektorých častí podvozku.[ 2 ]

Disperzné spevnenie feritu

Z rovnice ( 1 ) a ( 2 ) je zrejmé, že spevnenie tuhého roztoku legujúcimi prvkami nedosahuje výrazných hodnôt, preto ďaľšou možnosťou zvýšenia pevnostných vlastností je disperzné spevnenie. Disperzné spevnenie feritu tvorí podstatnú časť z celkového účinku spevnenia. Intenzita disperzného spevnenia je pre danú distribúciu a veľkosť častíc vzťahovaná k objemovému podielu dispergovaných karnidov. Precipitačné spevnenie je možné popísať Ashby – Orowanovým modelom:[ 1 ]

( 3 )
kde Rsp – je precipitačné spevnenie [MPa]
vf – je objemový podiel precipitátu
λ – je vzdialenosť medzi precipitátmi
Pre ocele legované V, Nb, Ti sa používa pre odhad disperzného spevnenia vzťah:

( 4 )
kde Ć – sú konštanty uvedené v tab. 2
X – je podiel rozpustenej zložky

Tab. 2. Hodnoty konštánt Ć v rovnici ( 4 ).[ 1 ]
Prvok Precipitát Ćmax [MPa/%hm.] Ćstr.

[MPa/%hm.] Koncentrácia [%hm.]
V V4C3 1000 500 0,00 až 0,15
V VN 3000 1500 0,00 až 0,06
Nb Nb(CN) 3000 1500 0,00 až 0,05
Ti TiC 3000 1500 0,03 až 0,18


Precipitačné vytvrdzovanie feritu

Pri vytvrdzovaní prebieha najprv rozpúšťacie žíhanie s následným rýchlym ochladením a nový ohrev, pri ktorom sa začnú vo ferite vylučovať jemné karbidy, nitridy a karbonitridy. Precipitáty deformujú mriežku a tým bránia pohybu dislokácií, čím sa zvýši medza sklzu. Účinné sú len jemnú precipitáty, ktoré sú v matrici rozložené tak, aby ich vzdialenosti medzi nimi boli krátke.[ 2 ]
Tepelné spracovanie je možné nahradiť riadeným valcovaním. Táto operácia je ekonomickejšia, ale prevádzkovo náročnejšia.
Na precipitačné vytvrdzovanie sú vhodné ocele s prísadou nióbu, titánu a vanádu.

Niób

Niób tvorí s uhlíkom karbid NbC, s dusíkom nitrid NbN alebo Nb2N a ak je v oceli rozpustený aj uhlík potom Nbx(N,C)y. Prísada nióbu podstatne zvvyšuje medzu sklzu po vytvrdení. Nevýhodou je, že sa pritom posúva prechodová teplota smerom doprava.[ 2 ]

Titán

Titán tvorí v oceliach nitrid TiN, karbid TiC alebo karbonitrid Ti(C,N). Karbid titánu sa rozpúšťa pri nižšej teplote ako nitrid, preto je vhodnejší pre vytvrdzovanie titán viazaný ako karbid alebo karbonitrid.
U ocelí legovaných titánom sa posúva prechodová teplota smerom do prava. Ocele mikrolegované titánom sú vhodné pre výrobu súčiastok, ktoré budú vystavené namáhaniu pri záporných teplotách.[ 2 ]



Vanád

Vanád ovplyvňuje zvariteľnosť nízkouhlíkových feriticko – perlitických ocelí podobne ako titán či niób. Do obsahu 0,1 % vanád zvyšuje výrazne medzu sklzu, pri vyšších obsahoch je ďalšie zvýšenie už malé. Vanád je viazaný v oceliach ako karbid, pokiaľ je splnená podmienka:

( 5 )
kde NAl – je obsah dusíka, ktorý je viazaný kao nitrid hliníka.
Malá časť vanádu sa rozpúšťa vo ferite substitučne.[ 2 ]

Vplyv legujúcich prvkov na veľkosť zrna

Vplyv veľkosti zrna na medzu sklzu udáva Hall – Petchov vzťah:

( 6 )
kde R0 – je napätie potrebné pre pohyb dislokácií (trecie napätie mriežky)
K – je konštanta nazývaná tiež kotviace napätie v MPa.m-1/2
d – je priemer zrna
Zrno oceli je možné zjemniť prísadou nióbu, vanádu a titánu, normalizačným žíhaním alebo tiež riadeným valcovaním.
Zvyšovanie medze sklzu zjemňovaním zrna je výhodné tiež v tom, že posúva prechodovú teplotu smerom do ľava, tzn. smerom k nižším teplotám. Medza sklzu feriticko – perlitických ocelí závisí taktiež od obsahu perlitu.[ 2 ] Na hodnotu tranzitnej teploty má vplyv i veľkosť perlitických kolónií.

S ich zmenšujúcou sa veľkosťou klesá i hodnota tranzitnej teploty. Tento efekt vyjadruje skutočnosť, že hranice perlitických budú brániť šíreniu štiepneho lomu.[ 1 ]
Vplyv veľkosti zrna na medzu sklzu je uvedený na obr. 5.



Ocele s acikulárnym feritom

Do skupiny feriticko – perlitických ocelí s vyššou medzou sklzu patria tiež ocele, u ktorých sa transformuje austenit pri plynulom ochladzovaní na rovnoosí acikulárny (ihlicovitý) ferit a na malé množstvo pelitu. Vylučovanie acikulárneho feritu podporujú hlavne mangán a molybdén, pretože posúvajú krivky začiatku rozpadu austenitu v diagrame ARA smerom k nižším teplotám a k dlhším časom. Tieto ocele sú okrem toho mikrolegované tiež nióbom, takže je možné získať vysokú medzu sklzu 450 až 550 MPa pri zachovaní dobrých plastických vlastností. Prísada vanádu sa nedoporučuje, pretože zapríčiňuje zníženie prekaliteľnosti. Najvyššiu medzu sklzu majú ocele v ktorých jel dusík viazaný zirkónom.[ 2 ].