5. Az ötvözetlen szerkezeti acélok és nemesacélok hagyományos csoportjai

Átírás

1 5. Az ötvözetlen szerkezeti acélok és nemesacélok hagyományos csoportjai 5.1. Az acél ötvözői és szennyezői, valamint hatásuk az acélok tulajdonságaira Az 5. fejezetben a legfontosabb fémes szerkezeti anyagoknak, az acéloknak a legalapvetőbb és egyben legrégebben kialakult csoportjait ismerhetik meg Az acélok csoportosítása A) Vegyi (kémiai) összetételük alapján Ötvözetlen acélok: a karbonon kívül nem tartalmaz szándékosan bevitt ötvözőt, csak olyan, amely az acélok előállításához szükséges. Ötvözött acélok: az alapalkotó ötvözőkből (C, Mn, Si) az acélgyártáshoz szükséges mennyiségnél többet vagy pedig szándékosan hozzáadott további elemeket is tartalmaznak. Az ötvözők M mennyisége alapján megkülönböztetünk gyengén ötvözött (M < 5 6%), közepesen ötvözött (M=5 10%) és erősen ötvözött (M > 10%) acélokat. A mikroötvözött acélokban a mikroötvöző(k) mennyisége: < 0,1%. B) Az acélgyártási eljárás gondossága alapján felállított minőségi csoportok Alapacélok: nincs előírva olyan minőségi követelmény, amely különleges gondosságot igényelne. Nemesacélok: különleges gondossággal kell gyártani őket (pl. a szemcseméret, a S- és P- tartalom, a felületi minőség szerint). Minőségi acélok: az alapacélok és a nemesacélok közti előírások érvényesek rájuk. C) Szövetszerkezetük alapján Ferrites, ausztenites, perlites (eutektoidos, 0,76% C), martenzites, bénites, lédeburitos, duplex (ausztenit ferrites), ferrit perlites (hipoeutektoidos, C<0,76%), hipereutektoidos. D) Hőkezeltségi állapot szerint Lágyított acél: az Fe C fázisdiagram homogén ausztenites tartományába való hevítés, és kellő hőn tartás után lassan a kemencében hagyva lehűtött acél. Normalizált acél: az ausztenitesítés után nyugvó levegőn lehűtött acél. Edzett acél: az ausztenitesítést követően gyorsan vízben, olajban, sófürdőben hűtve. Nemesített (N) acél: edzést (E) követőn kb C-on megeresztett (M) acél; N=E+M. E) Felhasználási módjuk szerint Szerkezeti acélok: a gép- és járműgyártás, acélszerkezetek gyártása (hidak, épületszerkezetek...) stb. területén alapanyagként hasznosítják. A szilárdság mellett megfelelő szívósságot és nyúlást is megkövetelünk. Ezt kis széntartalommal (C < 0,25 %), vagy nemesített (általában maximum 0,6 %-os széntartalmú) szövetszerkezettel biztosíthatjuk. Szerszámacélok: ebből készülnek a forgácsolószerszámok és az alakító műveletek szerszámai. Elengedhetetlen, hogy a rájuk ható igénybevételeket alakváltozás nélkül viseljék, és a kopásnak ellenálljanak. E tulajdonságokat általában nemesítéssel érjük el, így ezeknek jól edzhetőeknek kell lenniük, Különleges acélfajták és ötvözetek: ide sorolhatóak a valamilyen speciális tulajdonságú, pl. hőálló, korrózióálló, nem ferromágneses, nem hőtáguló stb. ötvözetek. Az acélok egységes, egyértelmű jelölési rendszerét és csoportosítását nemzetközi megállapodások és szabványok tartalmazzák. A szabvány a felhasználási célok alapján anyagjellemzőkre vagy kémiai összetételre utaló jelekkel azonosítja az anyagot tehát ez két különböző jelölés, míg a minden anyagot egy számmal jelöl, mely a pontos műszaki és kereskedelmi előírásokkal párosul. Egy anyagnak csak egy számjele van, új anyag előállítása és a rendszerbe vételi kérelem esetén az azonosító számot a brüsszeli szabványosítási központ (EN) adja ki. A jelölések rendszere meglehetősen bonyolult, ezért annak ismertetésétől itt eltekintünk, viszont a kereskedelmi forgalomban való használatuk révén viszonylag gyorsan elsajátítható A karbon hatása a tulajdonságokra Az acél alapalkotói: C, Mn, Si, S, P, O, N, H, melyek közül az utolsó 5 szennyező (általában). Túlzás nélkül mondhatjuk, hogy a C hatása alapvető az acél tulajdonságaira. Az ötvözetlen acél szilárdsági és fizikai tulajdonságait a szövetelemek mennyisége és azok eloszlása, finomsága határozza meg. A perlit mennyiségének növekedésével az acél szilárdsága nő, azonban nyúlása, kontrakciója és ütőmunkája csökken. Az MSZ EN :1994, Acéljelölési rendszerek. 1. rész: Az acélminőségek jele MSZ EN :1994, Acéljelölési rendszerek. 2. rész: Számrendszer 39.

2 A szilárdság legolcsóbban a karbonnal növelhető. A növekvő C-tartalommal azonban csökkennek az acél szívósságát jellemző mérőszámok. A C jelenléte az acélokban az edzhetőség szempontjából is döntő. A gyakorlatban előállítható hűtési sebességgel (500 C/s) csak a kb. 0,20%-nál nagyobb C-tartalmú acélok edzhetők martenzitesre. A szilárdság- és a keménységnövekedés a martenzitesre edzett állapotban sokkal jelentősebb, mint egyensúlyi állapotban. A martenzit keménysége csak a C-tartalom függvénye. Az ötvözők jelenléte, amennyiben különleges karbidokat nem képeznek, a martenzit keménységét tovább már nem is növeli. Egy bizonyos C- tartalom (0,8...1%) után a martenzit keménysége gyakorlatilag állandó (lásd a 81.ábrát) Az ötvözőelemek eloszlása és hatása a vas allotrop átalakulásaira Az ötvözőelemek eloszlása Az ötvözőelemek többsége a vassal szubsztitúciós szilárd oldatot alkot. A C, N, 0, B az acélban intersztíciósan oldódik. A periódusos rendszerben a Fe-tól balra eső elemek (Cr, Mo, W, Nb, V, Zr, Ti) a szilárd oldaton kívül a karbonnal karbidokat is alkothatnak. A legerősebb karbidképző elemek (V, Zr, Ti). A Ni, Si, Co, Al, Cu az acélban karbidokat nem alkotnak, és az oldódás határáig a szilárd oldatban vannak jelen. Az Al, a Ti, a Nb és a V a legjellegzetesebb mikroötvözőelemek. Kis mennyiségük (<0,1%) ellenére hatásuk igen erős, mivel finomszemcséssé teszik az acélt. Az ötvözőelemek hatása az allotrop átalakulásra A vasban oldódó ötvözőelemek oldott mennyiségük arányában az acél kritikus átalakulási hőmérsékleteit megváltoztatják, vagyis eltolják az Fe C fázisdiagram jellegzetes pontjait, hőmérsékleteit. Ausztenitképzők: Az ötvözőelemek egyik nagy csoportja, amelyek az ausztenitmezőt tágítják az Fe C fázisdiagramon, ide sorolható a Mn, a Ni, a C, a Cu és a N. Ferritképzők: Az ötvözőelemek másik nagy csoportja, általában karbidképzők is. E csoportba tartozik a Cr, a W, a Mo, a V, a Ti, az AI, a Si, a P stb., hatásukra az ausztenitmező bezáródik az Fe C fázisdiagramon. 81. ábra A karbon hatása az ötvözetlen acélok mechanikai tulajdonságaira Az ötvözőelemek hatása a mechanikai tulajdonságokra A ferrit szilárdságát legjobban a szubsztitúciósan oldódó ötvözők közül a Ti, Si, Co, W, Mo, Mn és a Ni növeli, de szilárdságnövelő hatásuk meglehetősen mérsékelt. A ferrit adott szilárdságnöveléséhez szükséges mennyiség bevitele az acél költségeit megnöveli. A Mn hatását és költségeit egységnek véve, a Si %-onként 0,8; a Ti 1,7; a Ni 5 ; az Al 6 ; a Mo 7, a Cr 10; a V 50 egységgel növeli az acél költségeit. Gyorshűtés esetén (martenzitesre edzés) az ötvözők szilárdságnövelő hatása általában jobban érvényesül. A vasban intersztíciósan oldódó C hatása a keménység- és szilárdságnövelés szempontjából azonban mégis sokkal jelentősebb, mint a szubsztitúciósan oldódó ötvözőké. 40.

3 Az ötvözőelemek a Si és Mn kivételével a ferrit szívóssági jellemzőit, pl. nyúlását lényegesen nem befolyásolják. A ferrit nyúlását, kontrakcióját, vagyis a képlékenységet a Si és nagyobb mennyiségek esetén a Mn is erősen lerontja. Az 1 2% Mn viszont az acél képlékenységére jó hatással van. Az ötvözőelemeknek az ütőmunkára való hatása már sokkal változatosabb: a Ni és a kis mennyiségű Cr, ill. Mn kivételével a fajlagos ütőmunkát erősen csökkentik. Igen nagy jelentőségű az ötvözőelemeknek a képlékeny rideg átmeneti hőmérsékletre való hatása. A Ni ezt a kritiku s hőmérsékletet csökkenti (így az acél képlékeny tartománya nagyobb lesz), míg a többi ötvözőelem növeli. Ezek szerint a felsorolt ötvözőelemek közül a Ni, a Mn és a Cr tekinthető a legértékesebbnek. A ferrit szilárdságát elég jelentősen növelve, képlékenységét és szívósságát is javítják. A mangánnak az acélok dezoxidálásakor és kéntelenítésekor (ezek kohászati tisztítási műveletek) is döntő szerepe van. A nikkel erősen csökkenti a ferrit elridegedési hajlamát, ezáltal kis hőmérsékleten is ellenállóvá teszi az acélt a dinamikus igénybevételekkel szemben. Azonban a nikkel viszonylag drága ötvözőelem. A ferrit szakítószilárdságát, folyáshatárát legjobban növelő ötvöző, a Si (lásd a 82. ábrát) sajnos a szívósságot igen erősen csökkenti. A Sitartalmú acél mindig ridegebb, mint a hasonló szilárdságú, de más elemmel ötvözött acél. A P és a N rendkívül erős szilárdságnövelő hatású elem, de ritka kivételektől eltekintve nemkívánatos szennyezőként tekintjük, mivel erősen ridegít mindkettő. Brinell-keménység, HB P Si Mn Ni Mo Cr Ötvözőtartalom [tömeg-%] 82. ábra A fontosabb ausztenitképzők (szaggatott vonal) és ferritképzők hatása a ferrit keménységére W V 5.2. Az ötvözetlen szerkezeti acélok tulajdonságai és felhasználási területe Általános rendeltetésű acélok Melegen hengerelt termékek ötvözetlen szerkezeti acélokból (MSZ EN 10025:1998) Rendszerint melegen hengerelt vagy kovácsolt állapotban szállítják, mechanikai tulajdonságait írják elő. Általában a szállítási állapotban, acélszerkezetek elemeiként vagy forgácsolással megmunkálva használják fel. Ezek az acélok megszorítások nélkül nem alkalmasak a különböző fajtájú hegesztésekhez. A termék minőségét a szakítószilárdság, folyáshatár, szakadási nyúlás, fajlagos ütőmunka és a vegyi összetétel tanúsításával adják meg. Példa: S235J0 (1.0114), S275JR (1.0044), S355K2G3 (1.0595). Jelölésükben az S az acélcsaládra, a szám a folyáshatárra, a mögötte álló jelek pedig az ütőmunkára utalnak Betonacélok Melegen hengerelt betonacél (MSZ ) Alapanyaga legfeljebb 0,2 % széntartalmú ötvözetlen acél hengerhuzal. A karbontartalmat a hegeszthetőség miatt korlátozzák. A huzalok felülete lehet sima v. bordázott, átmérője akár 32 mm. Szilárdsági kategóriák szerint forgalmazzák. Felhasználása: vasbeton hálók anyagaként. Példa: a B500A (B60.50) típus garantált szakítószilárdsága 600 MPa, folyáshatára 500 MPa, a B jel utal az acélcsaládra). Az EN 10080:1995 szerinti számjele: Hidegen alakított betonacél (MSZ ) A hidegalakítás jellemzően a bordázatnak hidegalakítással való elkészítését jelenti. Felhasználási területe: vasbeton hálók anyagaként. Feszítőhuzal feszített vasbeton szerkezetekhez (MSZ 5720:1993) A szakítószilárdság MPa értékű, amelyhez A=8 2% nyúlás tartozik. A feszített betonszerkezetek feszítőhuzaljának anyaga. Jelölésükben az Y jel utal az acélcsaládra. A szabványszámok ismerete nem vizsgakövetelmény Az adott acéltípus tonnánkénti ára 2003 decemberében Ft volt, 10 hónappal később Ft. Ezt a rendkívüli áremelkedést az óriási (kínai) acélkereslet okozta. 41.

4 Automataacélok (MSZ EN 10087:1999 és MSZ EN :2000) Nagy teljesítményű és forgácsolási sebességű automatákon történő megmunkálások során a kis széntartalmú acélok forgácsolásakor keletkező hosszú, összefüggő forgács akadályozza a megmunkálást, növeli a szerszám igénybevételét, ronthatja a felületi minőséget. Az automataacélok számos tömegszerű alkalmazási területen megfelelnek a felhasználónak, hisz nem minden esetben döntőek a szilárdsági követelmények. A töredezett forgács létrehozását kén- (S=0,03 0,4%), ólom- (Pb=0,15 0,30%), tellúr- (Te), szelén- (Se) és bizmut- (Bi) ötvözéssel érik el, ezek erősen lerontják a szívóssági tulajdonságokat. Az automataacélok korrózióra fokozottan hajlamosak. Példa: 11SMnPb30 (1.0718), 46S20 (1.0727), 9SMnPb36TeBi A nemesíthető acélok tulajdonságai és felhasználási területe (MSZ EN 10083) A jelentős igénybevételű gépalkatrészek (tengelyek, hajtóműalkatrészek, fogaskerekek stb.) anyagául olyan acélt kell választani, amelynek nagy a folyási határa, a kifáradási határa és megfelelő szívóssággal is rendelkezik a dinamikus igénybevételek elviselése érdekében. A szilárdsági és szívóssági tulajdonságok legjobb összhangja a nemesíthető acélfajtáknál jelentkezik. A nemesíthető acélok C tartalma az edzhetőség miatt minimum 0,25%. Két fő csoportjuk: ötvözetlen nemesíthető acélok és ötvözött nemesíthető acélok Ötvözetlen nemesíthető acélok Az ötvözetlen acélok közül nemesíthetők a C jelű anyagok (C C 60), a számjel a széntartalom százalékban kifejezett értékének 100- szorosa. A kedvező mechanikai tulajdonságokat az ötvözetlen acélok azonban csak kis szelvényátmérőben (12 30 mm) biztosítják, mert a nemesített állapot csak a martenzitesre edzhető átmérőben érhető el. A kisebb széntartalmúak kisebb igénybevételű tengelyek, fogaskerekek, csavarok anyagaként alkalmazhatók. A nagyobb széntartalmúak, tengelyek, fogaskerekek, forgattyús karok anyagai. Példa: C45E (1.1191), C45R (1.1201). Az E, ill. az R betű a S-tartalom előírása szerinti eltérésre utal: S<0,030%, ill. S=0,020 0,035% Ötvözött nemesíthető acélok a) Mangánnal ötvözött acélok A Mn (1,4 1,65 %) az átedzhető átmérőt erősen növelő és igen olcsó ötvöző. Közepes igénybevételű alkatrészek (ékek, reteszek, fogaskerekek) anyagai. Példa: 28Mn6 (1.1170). b) Krómmal ötvözött acélok A nemesíthető acélok leggyakoribb ötvözője a Cr. Erősen növeli az átedzhető szelvényátmérőt és a folyáshatárt. Közepes igénybevételű hajtóműalkatrészek és tengelyek gyártására használják. A forgácsolhatóság javítására a S-tartalom 0,1%-ig is mehet, ill. Pb-t is tartalmazhat. A jelölésben a fő ötvöző utáni S betű utal erre. Példa: 46Cr2 (1.7006), 46CrS2 (1.7025). c) Cr-Mo ötvözésű acélok A jelentős szilárdság mellett jó szívóssági tulajdonságaik vannak. Közepes méretű, nagy fárasztó és ütésszerű igénybevételnek kitett alkatrészek, féltengelyek, könyökös tengelyek, hajtórudak, fogazott alkatrészek, vezértárcsák, belsőégésű motorok főtengelyének anyaga. Példa: 25CrMo4 (1.7218). d) Cr-V ötvözésű acélok Felhasználási területe az előző csoportéval azonos, azoknál olcsóbbak, de szívósságuk kisebb. Nagyszilárdságú csavarok, csavarkulcsok, tengelyek, hajtórudak gyártására használhatók. Példa: 51CrV4 (1.8159). e) Ni-Cr-Mo (-V) ötvözésű acélok Nagy daraboknál, ahol a gyors hűtést nehéz megvalósítani a Ni-Cr-Mo ötvözésű acélokat használják. Ezek az acéltípusok nagyméretű, pl. hajómotorok, stabil gázgépek kovácssajtók, nagy dinamikus terhelésű berendezések forgattyús tengelyének és tengelyeinek anyagaként javasolható. Példa: 36NiCrMo16 (1.6773) f) Bórral ötvözött acélok Nagyon alkalmas a hidegalakítással feldolgozott, ill. a nagy alakváltozásnak kitett alkatrészek anyagaként. Példa: 30MNB5 (1.5531), 39MnCrB6-2 (1.7189). 42.

5 5.4. A betétben edzhető acélok tulajdonságai és felhasználási területe (MSZ EN 10084) Cementálással (karbon bejuttatása diffúzió révén a felületen át) és az azt követő edzéssel (betétedzés) nagy felületi keménység érhető el (83. ábra). A kis méretű és igénybevételű, kopásálló gépalkatrészek (csapok, rugók, fogaskerekek) ötvözetlen, kis széntartalmú, de cementálással kérgesített acélból készíthetők, miként, pl. fogaskerék-szivattyúk is (84. ábra). Példa: C16E (1.1148), C16R (1.1208). A közepes méretű és igénybevételű darabokhoz (perselyek, csapok, fogaskerekek, bütykös tengelyek) 1 % körüli Cr-mal és Mn-nal ötvözött acélokat használnak. Használatuk mm átmérőig javasolt. Példa: 20MnCr5 (1.7147), jól forgácsolható típusa: 20MnCrS5 (1.7149). A Mn, Cr és Mo ötvözést alkalmazzák a nagyobb méretű ( mm), nagy igénybevételű gépalkatrészek (fogaskerekek, lánckerekek, tengelyek) anyagaként. Példa: 18CrMo4 (1.7243). Különlegesen erős dinamikus igénybevételnek kitett alkatrészekhez, ahol a nagy felületi nyomás mellett igen szívós magra van szükség, a nikkellel is ötvözött acélok használhatók. Hajtómű és vezérlőmű alkatrészek, fogas- és lánckerekek, dugattyú- és forgattyúcsapok alapanyaga. Példa: 17CrNi6-6 (1.5948). 84. ábra A cementált fogaskerék szövetszerkezete maratott mikroszkópi csiszolaton Kardántengely, hajtólánc Rockwell-keménység, HRC A tengely megmunkált felületei A tengely középvonala Pétanque-golyó Csavarok 20 Keménységmérési pontok helye 83. ábra Egy cementált tengely keménységének változása a felülettől mért távolság függvényében Fogaskerekek 85. ábra A cementálással kérgesített gyártmányok 43.