Anyagtudomány Előadás. Ötvözött acélok

Átírás

1 - 13. Előadás Ötvözött acélok 1

2 Az ötvözött acélok Fogalma: A Fe és C alkotókon kívül más, szándékoltan adagolt további ötvözőket is tartalmaz Az acélötvözés célja: olyan fizikai, kémiai, mechanikai, vagy egyéb különleges tulajdonságok biztosítása, amelyek az ötvözetlen acélokkal nem valósítható meg. 2

3 Az acélok fő ötvözőelemei és jellemzőik a leggyakoribb acélötvöző elemek: Mn, Ni, Cr, W, V, Mo, Ti, Co, Nb, B, N az ötvözőelemeket leggyakrabban aszerint csoportosíthatjuk, hogy milyen kapcsolatba kerülnek az alapfémmel, tehát a vassal (Fe), illetve hogyan viszonyulnak az alapötvözőhöz a karbonhoz (C) 3

4 Az ötvöző elemek kapcsolata az alapfémmel Szilárd oldatot képeznek szubsztitúciós szilárd oldatot alkotnak, amelyek atomátmérője számottevően nem különbözik a vasétól (Mn, Ni, Cr, Co, V) interstíciós szilárd oldatot alkotnak, amelyek atomátmérője lényegesen kisebb a vasénál (N, B) Fémes vegyületet képeznek Nitrogén (Fe 2 N, Fe 4 N), alumínium (FeAl 2 ), szilícium (FeSi), a foszfor (Fe 3 P, Fe 2 P), titán (Fe 2 Ti), vanádium (FeV), króm (FeCr), molibdén (FeMo), wolfram (Fe 2 W, Fe 3 W) 4

5 Az ötvöző elemek kapcsolata az alapötvözővel, a karbonnal Az ötvözőelemek karbonhoz való viszonya számos tulajdonság, pl. keménység, kopásállóság szempontjából meghatározó jelentőségű A karbonnal való kapcsolat szerint vannak ötvözők, amelyek a karbonnal soha nem képeznek karbidokat (Ni, Cu) vannak, amelyek más ötvözetekben képeznek karbidokat, az acélban soha (Al, Si) legfontosabbak a karbidképző ötvözők (Mn, Cr, Mo, W, Ti, V) 5

6 Az ötvözött karbidok legfontosabb jellemzői a karbidok keménysége természetes keménység keménységüket lényegesen magasabb hőmérsékletig megtartják, mint a martensit stabilitásuk függ a rácsszerkezettől (legstabilabb a köbös karbid) a képződési hőtől (minél nagyobb annál stabilabb) az olvadáspontjuktól (minél magasabb annál stabilabb) 6

7 jele Ötvözött karbidok jellemzői és stabilitási sorrendje rácsszerkezete A karbidok olvadáspontja T, o C keménysége HV Fe 3 C rombos Mn 3 C rombos Cr 3 C 2 rombos Mo 2 C hexagonális Cr 7 C 3 hexagonális WC hexagonális W 2 C hexagonális Cr 23 C 6 köbös VC köbös TiC köbös

8 Az ötvözött karbidok további jellemzői egyes ötvözőelemek a vassal (Fe, Me) x C y jelű, ún. komplex karbidokat képeznek lehűlés során a csökkenő oldóképességnek megfelelően először a stabilabb, ötvözött karbidok válnak ki az átalakulási diagramokon ezt karbidkiválási vonalak jelzik a karbidkiválás szabályozásával az ötvözött acélok tulajdonságai tág intervallumban módosíthatók ez az ötvözött acélok hőkezelésének fontos elvi alapját képezi 8

9 Az acélötvözők hatásmechanizmusainak összefoglalása Az acélötvözők az acél használati tulajdonságait az ún. oldódási mechanizmussal (az alapfémmel alkotott szilárd oldatok révén) az ún. vegyületképződési mechanizmussal (az alapfémmel alkotott fémes vegyületek révén), valamint az ún. karbidképződési mechanizmussal (az alapötvözővel, a karbonnal alkotott karbidok révén), módosítják 9

10 Az ötvözőelemek hatása az egyensúlyi diagramokra Austenitképző ötvözők nyitott -mezőt hoznak létre (Mn, Ni) tágítják a -mezőt (Cu, C, N) Ferritképző ötvözők zárt -mezőt, nyitott -mezőt hoznak létre (Cr, V) részben nyitott -mezőt hoznak létre (Al, Si, Ti, Mo, W) tágítják, de nem nyitják az -mezőt (B, Zr, Nb, Ta) az -mezőt tágítja, de meghatározott összetétel felett nyitott -mezőt hoz létre (Co) 10

11 Az austenitképző ötvözők a) nyitott -mezőt létrehozó ötvözők o C A 5 A 4 A a) ábra A 3 A 3 Fe a) Mn, Ni Me 11

12 Az austenitképző ötvözők b) -mezőt tágító ötvözők o C A 4 e b) ábra A 3 e Cu, C, N Fe b) Me 12

13 Ferritképző ötvözők c) nyitott -mezőt (zárt -mezőt) létrehozó ötvözők o C A 5 A 4 V A 3 A 4 Cr c) ábra Cr, V Fe c c) Me 13

14 Ferritképző ötvözők e) részben nyitott -mezőt létrehozó ötvözők o C A 5 A 4 A 4 Me e) ábra A 3 A 3 Al, Si, Ti, Mo, W Fe c e) Me 14

15 Ferritképző ötvözők d) -mezőt tágító ötvözők o C A 4 Me Me d) ábra A 3 Me B, Zr, Nb, Ta Fe c d) Me 15

16 -mezőt tágító, nyitott -mezőt létrehozó ötvözők o C A 5 A 4 A4 A 3 A f) ábra Fe f) Co 16

17 Az ötvözőelemek hatása a nem-egyensúlyi átalakulásokra Az ötvözőelemek mennyiségének növelése növeli a legrövidebb lappangási időket, azaz az átalakulási diagramokat az időtengely mentén jobbra a hőmérséklet tengely mentén lefelé tolják el ezáltal csökkentik a kritikus hűtési sebességeket erősen ötvözött acéloknál különváló perlites és bainites mezőket hoznak létre 17

18 Gyengén ötvözött 40Cr jelű acél izotermás átalakulási diagramja a Hőmérséklet ( o C) A 3 A 1 Austenitesítés: 860 o C a M s 50% 90 % f p b m+a f+p p b 20 HRC 29 HRC 33 HRC 34 HRC 38 HRC 44 HRC 48 HRC ábra Idő (s)

19 Ledeburitos Cr-acél izotermás átalakulási diagramja 1000 a + k 1 Austenitesítés 970 o C Hőmérséklet ( o C) a + k 1 + k p 2 M s 50 % 90 % b m + a + k 1 + k 2 0, Idő (s) Ac 1v 797 o C Ac 1k 768 o C p + k 1 + k b + k 1 + k ábra

20 Ledeburitos Cr-acél folyamatos hűtésre érvényes átalakulási diagramja 1000 Austenitesítés 970 o C Hőmérséklet ( o C) a + k 1 a + k 1 a + k 1 + k 2 M s m + a + k 1 + k 2 2 t m t p 0, Idő (s) 20 p b 6 p + k 1 + k 2 Ac 1v 797 o C Ac 1k 768 o C t m = 240 s t p = 1700 s 10 a~10% % 1% Maradék ausztenit ábra

21 Főbb ötvözött acélok - a Mn-acélok A Mn mint ötvöző legfontosabb jellemzői legerőteljesebb austenit képző a kritikus hűtési sebességet radikálisan csökkenti átalakulás csak % Mn-tartalomig van csak az Mn < % tartalmú acélok edzhetők efölött szobahőmérsékleten is austenites szövet a szövetszerkezetet a C-tartalom is befolyásolja: ezt szemlélteti a Guillet-diagram 21

22 A Fe - Mn egyensúlyi diagram Hőmérséklet ( o C) A A r ábra Mn-tartalom (%) 22

23 Mn-acélok Guillet-diagramja Mn-tartalom (%) Mart. + aust. Martenzit Mart. + perl. Perlit 1 Austenit Mart. + perl. 2 P+K 0,5 1,0 1,5 1,65 C-tartalom (%) 23 3 Austenit + Karbid ábra

24 Mn-acélok jellegzetes alkalmazási területei Legismertebb típusa az austenites Mn-acél (kidolgozója után Hadfield-acél) 1,2-1,4 % C % Mn jellemzői gyors hűtéskor homogén austenites szövet jó alakíthatóság kiváló szívósság, nagy keményedőképesség fő alkalmazási területek kőtörők, baggerek, markolók, sínkereszteződések, váltónyelvek 24

25 Az austenites Mn-acélok problémái és megoldásuk Az austenitből lassú hűtéskor (FeMn) 3 C karbid válik ki a szemcsék határára ridegítő hatású, az egyébként szívós austenit nyúlása 1 % körüli értékre csökken elkerülése az ún. austenites lehűtés alkalmazásával T = 950 o C-on homogenizálás ezt követően vízben való gyors hűtés a karbidkiválás elkerülésére az így nyert acél nagy szilárdságú (R m = Mpa) és nagy nyúlású (A=30-60 %) 25

26 A Mn-acélok további alkalmazásai Mn-ötvözésű szerkezeti acélok C=0,3-0,5 % Mn=1-1,5 % alkalmazás: a Mn átmeneti hőmérsékletet csökkentő hatása miatt külső környezeti hőmérsékleten üzemelő szerkezetek anyagaként Mn-ötvözésű szerszám acélok C=0,8-0,9 % Mn=1-1,5 % alkalmazás: elhúzódás-mentes szerszámacélként, sorjázó szerszámok, idomszerek anyagaként jó méret- és alaktartás a kis M s -hőmérséklet miatt 26

27 Ni-acélok A Ni mint ötvöző hatásai a Mn-hoz hasonló hatások, de ugyanazon hatás eléréséhez kétszer annyi (Ni = 2xMn) Ni tartalom szükséges, mint a Mn-ból hatását az acél szövetszerkezetére a Guillet-diagram mutatja (11.7. ábra) jellemzően a fizikai tulajdonságok ötvözője növeli a mágneses permeabilitást állandó mágnesek kedvelt ötvözője a rugalmassági modulust és a hőtágulási együtthatót tág intervallumban módosítja 27

28 Ni-acélok Guillet-diagramja Ni-tartalom (%) Mart. + aust. Martenzit Mart. + perl. Perlit Austenit ábra 0,5 1,0 1,5 1,65 C-tartalom ( %) 28

29 A Ni ötvözés hatása a hőtágulási együtthatóra Hőtágulási együttható, Ni-tartalom ( %) ábra

30 Ni-acélok alkalmazási területei A hőtágulási tényezőre gyakorolt hatás hasznosítása Ni=36 % : invar acél, legkisebb hőtágulási együttható precíziós műszerek, idomszerek, óraingák Ni=25 % : legnagyobb hőtágulási együttható: az invar acéllal párban bimetall készítésre Ni=41 % : üveggel azonos hőtágulási együttható: izzószál bevezetésként üvegburákhoz szerkezeti és szerszámacélként leggyakrabban Crötvözővel együtt alkalmazzák (ld. ott) 30

31 Cr-acélok A Cr mint ötvöző hatásai a Cr az acélok egyik legszélesebb körben alkalmazott ötvözője: a kémiai tulajdonságok ötvözője ferritképző ötvöző, zárt -mezőt hoz létre (11.9. ábra), amelyet a C- tartalom növekedése tágít jellegzetes szöveteleme a 42 % Cr-tartalomnál keletkező, ún. -fázis rendezett rácsú szilárd oldat a fémes vegyületekre jellemző rideg viselkedés jellemzi 31

32 A Fe - Cr egyensúlyi diagram 1800 olv a + olv Hőmérséklet ( o C) A 4 A 2 C = 0 % C = 0,25 % C = 0,4 % 820 o C Fe Cr-tartalom ( %) ábra

33 A Cr, mint a kémiai tulajdonságok ötvözője A sav- és korrózióálló acélok egész sorozatát képezi ezt az erőteljesen passzíváló hatású, védőoxidrétegnek köszönheti ferrites korrózióálló Cr-acélok KO1 KO6 Ekvivalensek: X8Cr13 X10Cr17 perlit-martensites korrózióálló Cr-acélok KO11 KO18 Ekvivalensek: X20Cr13 X105CrMo17 austenites korrózióálló Cr-acélok KO31 KO41 Ekvivalens: X12CrMnNi X6CrNiTi

34 Ferrites korrózióálló Cr-acélok jellemzői C=0,05-0,11 %, Cr=12-18 % nincs átalakulás nem edzhetők alkalmazási terület enyhébb savaknak ellenálló élelmiszeripari eszközök, berendezések 34

35 jellemzői C=0,2-0,8 %, Cr=12-14 % Perlit-martensites korrózióálló Cr-acélok edzhetők, de rosszul hegeszthetők alkalmazási terület különféle korróziónak kitett gépalkatrészek turbinalapátok orvosi szikék, orvosi eszközök készítésére alkalmazzák 35

36 Austenites korrózióálló Cr-Ni acélok A korrózióálló Cr-acélok legnépszerűbb típusa az austenites Cr-Ni acél jellemzői C=0,05-0,11 %, Cr=18 %, Ni=8 % a legjobb sav- és korrózióálló acélok, jól hegeszthetők (korrózióállóságát a passzíváló oxidréteg mellett alapvetően a homogén austenites szerkezetnek köszönheti) fő alkalmazási terület különféle vegyipari berendezések saválló tartályok 36

37 A szemcsehatár korrózió az austenites Cr-Ni acélokban Lassú hűtés során Cr 23 C 6 karbid válik ki az austenit szemcsék határára a korrózióállóság két okból is csökken megbomlik a homogén austenites szerkezet a szemcsehatárra kiváló Cr 23 C 6 karbid elvonja a Crot a szemcsehatárok mentén a kisebb Cr-tartalmú részek korrózióállósága számottevően romlik ez a szemcsehatár fokozott korróziós hajlamában nyilvánul meg kimutatása az ún. Strauss-oldatban való főzéssel 37

38 A szemcsehatár korrózió elkerülésének lehetőségei az austenites Cr-Ni acélokban A C<0,05 % feltétel teljesítésével nem tud a szemcsehatárokon Cr 23 C 6 karbid kiválni Ti=5xC %, illetve Nb=10xC % ötvözéssel TiC, illetve NbC formájában a C megkötése az ún. austenites lehűtés alkalmazásával a Cr 23 C 6 karbid kiválásának megakadályozása 38

39 Cr-acélok további alkalmazási területei A Cr számos szerkezeti és szerszámacél fontos ötvözője, amelyet az alábbi tulajdonságainak köszönheti nagy vegyrokonsága a C-hoz, N-hez és O-hez oxidok, nitridek, karbidok képződése, finomszemcsés acél biztosítása a karbidok egész sorozatát képezi nagy természetes keménység, magas hőmérsékletig megmaradó kopásálló karbidok az átedzhetőség növelése a kritikus hűtési sebesség csökkentésével 39

40 A Cr hatása a kritikus hűtési sebességre táblázat Króm tartalom A martensites átalakulást jellemző idő A kritikus hűtési sebesség Cr, % t m, s v krit, o C/s viszonyszám 0,15 1, ,02 8,0 50 1/5 1,70 50,0 8 1/30 13,00 600,0 0,67 1/400 40

41 Cr-acélok további alkalmazási területei Betétben edzhető és nemesíthető szerkezeti acélok hőerőgépek nagy hőszilárdságú elemei nagy hőterhelésnek kitett alkatrészek különféle golyóscsapágy acélok (C=1 %, Cr=1,5 %) nagy keménységű, kiváló kopásállóságú szerszámacélok ledeburitos Cr-acél (C=2 %, Cr=12 %) 41

42 A Cr-acélok hőállóságának rezisztencia lépcsői Hőállóság ( o C) ábra Cr, %

43 W-acélok A W, mint ötvöző hatásai sok tekintetben a Cr hatásához hasonló a -mezőt szűkíti és részben nyitott -mezőt hoz létre ( ábra), átalakulás csak W < 8 % esetén található: az ennél nagyobb W-tartalmú acélok ezért nem edzhetők a C mennyiségének növelése tágítja a - mezőt, ezzel az edzhetőség határát is kitolja a W növeli a megeresztés-állóságot és a hőszilárdságot a C-nal nagy keménységű karbidok sorozatát alkotja ezért is a szerszámacélok egyik legfontosabb ötvözője a gyorsacélok egyik legfontosabb ötvözője klasszikus példa az R3-as gyorsacél ( ) C = 1%, W = 18, Cr = 4%, V = 1% 43

44 A Fe-W kétalkotós egyensúlyi diagram T ( o C) o C 1548 o C B o C 1200 H 1060 o C Fe K 770 o C - Curie hőmérséklet Fe 2 W) W-tartalom ( %) 1637 o C Fe 7 W 6 ) 1215 o C FeW) W ábra 44

45 A gyorsacélok kiválásos keményítő hőkezelése T, o C Nagy hőmérsékletű, T= o C-ról elvégzett edzésből és T edzés Gyors hűtés egy nagy hőmérsékletű, T= 550 o C-on elvégzett megeresztésből (kiválásos kikeményítésből) áll T megeresztés lg t, s 45

46 Az edzés paraméterei és jellemzői a rossz hővezető-képesség miatt az edzési hőmérsékletre több (rendszerint három) lépcsőben végzett felhevítés az edzési hőmérsékleten néhány perces hőntartás is elegendő a nagy hőmérséklet miatt gyors austenitesedés az austenit szemcsedurvulását az ekkor is jelenlévő primer karbidok (k 1 -karbidok) megakadályozzák az erősen jobbra tolódott átalakulási diagram miatt olaj, esetleg a levegőn való hűtés is megfelel a nagy keménységű martensites szövet eléréséhez 46

47 A megeresztés paraméterei és jellemzői Az edzést nagy hőmérsékletű (T 550 o C) megeresztés követi a megeresztés jellegzetessége az ún. másodlagos kikeményedés a nagy keménységű ötvözött karbidok (k 2 -karbidok) kiválásának tulajdonítható helyesen megválasztott edzési és megeresztési paraméterek esetén az elért keménység-növeke-dés az edzési keménységet is meghaladja az ötvözött karbidok minél teljesebb kiválása érdekében rendszerint 2-3 szoros 0,5-1 órás megeresztés biztosítja 47

48 Gyorsacélok megeresztési diagramja HV HRC 68,5 66,0 63,0 58,8 53,7 48,1 40,5 29, , Megeresztési hőmérséklet ( C) ábra 48

49 Egyéb acélötvözők jellemzői Az acélok további fontos ötvözői Molibdén Vanádium Titán Nióbium Bór Szilícium Alumínium 49

50 Molibdén A Mo-nek vassal képezett ötvözetei a W-acélokéhoz teljesen hasonló állapotábra szerint kristályosodnak. A Mo is megoszlik az -vasban és a Mo-karbidokban, valamint kettős karbidokban. Hatása a megeresztés állóság, és a hőszilárdság fokozása. Ezért hőszilárd acélok % Cr mellett 0,5 % Mo-t is tartalmaznak. A Mo-t önmagában acélötvözésre nem használják, hanem csak járulékos ötvözőként a CrNi acélokba a megeresztés állóság növelésére, a 18/8 austenites CrNi acélokba a kénsavval és klórmésszel szemben való ellenállás fokozására, valamint a gyorsacélokba a megeresztés-állóság fokozására. 50

51 Vanádium A Fe-V egyensúlyi diagramja teljesen hasonló az Fe-Cr-éhoz, tehát a V is bezárja a -mezõt A vassal FeV fémes vegyületet, a karbonnal V 4 C 3 karbidot képez. Metallográfiai hatásai: szemcsefinomítás, erős dezoxidálás és nitrid képzés. Mindezeket az ötvözött acélok járulékos ötvözőjeként fejti ki. Erős oxigén- és nitrogén-affinitásánál fogva a nemesacélkohászatban alkalmazzák, mint megnyugtató és mikroötvöző szert. Nitridképző hatása a nitrálható acélok ötvöző anyagává teszi. Főleg szerszámacélok járulékos ötvözője, mert jól dezoxidált tömör, finomszemcsés és így szívós acélt lehet vele előállítani. 51

52 Titán és a Nióbium A Ti-nak igen nagy az affinitása az O-hez és N-hez, tehát ez a legerõsebb dezoxidáló és denitráló acélötvözõ. Oxidja könnyen salakba megy és így a ferrotitánnal megnyugtatott acél salakmentes. Nagy nitrogén-affinitása miatt alkalmazzák szerkezeti acélok mikroötvözésére a szilárdság növelése céljából. Affinitása a karbonhoz jóval nagyobb, mint a Cr-é. Ezt használják ki a 18/8 CrNi austenites saválló acélok hegesztés és hõhatás után bekövetkezõ szemcsehatár-korróziójának elhárítására. az austenites CrNi acélok C-tartalmát Ti-karbid alakjában lekötve megakadályozza a Cr-karbidok kiválását az austenitszemcsék határára és így az austenitszemcse határának Cr-ban való elszegényedését. A szemcsehatár-korrózió elhárítására Ti = 5 x C % Nb = 10 x C 52

53 A bór A bór a legújabb időkben előtérbe került acélötvöző, különlegessége, hogy belőle az összes ötvöző anyag közül a legkisebb mennyiség adagolása is erőteljesen növeli az átedzhetőséget és ezzel a nemesíthetőséget. Már 0,0005 % bór is hat, a 0,0025 % pedig szokásos ötvöző anyag tartalom. A nagy keresztmetszetű acélok ötvözésére bevált hátránya a bórral való ötvözés gyakran a mechanikai tulajdonságok "megmagyarázhatatlan" szórását okozza, hatása a C-tartalommal csökken. 53

54 Szilícium Affinitása az oxigénhez nagyobb, mint a vasé, az acélok csillapításának legfontosabb eszköze. A Si az Fe-Si egyensúlyi diagramban a -mezõt erõsen szûkíti, mintegy 2 % Si-nál zárja, de már 0,3 % C-tartalom 8 % Si-ig tágítja % Si-tartalomig az ún. szilíciumos ferritmezõ terjed. 15 %-on felül már megjelenik az Fe 3 Si 2 vegyület, amely nagyon rideg, de savhatással szemben nagy ellenállást fejt ki. A Si-ot 1-3 % között szerkezeti acélok ötvözésére használják. Egyik leggyakoribb felhasználási területe a rugóacélgyártás. 3,6-4,4 % a transzformátor lemezek szokásos Si-tartalma, amely a watt-veszteséget csökkenti. 15 % Si-tartalom felett keletkező Fe 3 Si 2 a forró kénsavnak és salétromsavnak is ellenáll salétromsav és kénsav besűrítők gyártására % Si-tartalommal 54

55 Si ötvöző alkalmazása A Si-nak a Mn-nal ellentétes hatása az öntöttvasaknál, hogy a grafitkiválást elősegíti, ezért a grafitos szürkevas fontos ötvözője. Ez a tulajdonsága a szerkezeti acélokban az A 1 hőmérséklet körüli izzításnál bekövetkező grafitkiválás miatt a "fekete törés" veszedelmét okozza, ezért a szilíciumos szerkezeti acélok igen gondos és óvatos hőkezelést igényelnek. Izzításukat a szükséges hőmérsékletköz alsó határán, a szükséges legrövidebb ideig kell végezni. 55

56 Alumínium Az Al az -vasban 15 %-ig oldódik, a -mezõt szûkíti. Az acélgyártásnál az O-hez és N-hez való nagy affinitását használják fel (dezoxidálás) A keletkezett alumíniumoxid apró, idegen csírák gyanánt hat és finomszemcséssé teszi az acélt. A N-hez való affinitása, alumínium-nitrid (AlN) fémes vegyület képződéséhez vezet leköti a szabad nitrogént és a lágyacél öregedését, elridegedését megszünteti. Ezen hatásait a korszerű acélgyártásban mikroötvözőként is hasznosítják. Az Al-ot alkalmazzák az acél felületi keményítésére is: 1-1,5 % Al-ot ötvözve N bediffundáltatásával (nitrálás) igen kemény AlN réteget létesítenek a nitrálható acélból készült alkatrész kopásnak kitett felületén. 1-3% Al a hőálló Cr-acélokhoz ötvözve növeli azok hőállóságát. 8-15% Almal ötvözik az igen erős Al-Ni és Al-Ni-Co állandó mágneseket. 56

57 Az acélok szennyezői Az acélok szennyező anyagai közé számítjuk azokat a nem kívánatos elemeket, amelyek a gyártási folyamat (nyersvasgyártás, acélgyártás, további feldolgozás) során akaratunk ellenére kerülnek az acélba. Ilyen szennyező anyagnak számíthatjuk a nitrogén az oxigén a hidrogén a foszfor és a kén elemeket. 57

58 Nitrogén az acélban A nitrogénnek az acélgyártás során az acélba kerülő mennyisége általában csekély az eljárások szerint 0,001-0,03 % között változhat. Ötvözés útján az acélba vihető mennyisége 0,2-0,3 %. A nitrogént a nitridálás néven ismert felületötvöző eljárás során szándékosan ötvözzük az acélba ezáltal kiváló felületi jellemzőkkel (nagy keménységgel, jó kopásállósággal és kedvező csúszási tulajdonságokkal rendelkező felületi réteget tudunk előállítani.) A N tehát lehet káros szennyező anyag, de lehet hasznos ötvözőelem is. 58

59 A N mint káros szennyezőanyag A N káros hatása abban jelentkezik, hogy az O-nel együttesen az acél ún. öregedését és lúgos (vagy szódás) elridegedését okozza. Öregedés: a ferrites lágyacél elridegedése az acél alsó és felső folyáshatár-különbségének növekedése, valamint az acél nyúlásának csökkenése jelzi. A lágyacélok öregedésének oka: a szabadon mozgó N-atomok a rendszer energiatartalmának csökkentésére a diszlokációs helyeken gyűlnek össze, mintegy reteszelik azokat és a képlékeny alakításhoz szükséges mozgásukat gátolják. A 0,004 % N-nél nagyobb N-tartalmú acél öregedésre hajlamos. 59

60 Az öregedés kimutatása A lágyacél öregedési hajlamát ún. mesterséges öregítő próbával ellenőrzik. Ennek lényege: 10 %-os mértékű képlékeny hidegalakítás után a lágyacél próbadarabot egy óráig 250 C-on főzik. Az alakítást a diszlokációk számának növelése, a hevítést a diffúziós folyamat gyorsítása miatt alkalmazzák. Az ilyen mesterségesen öregített állapotban végzett fajlagos ütőmunka vizsgálat eredménye az eredeti állapotban kapott fajlagos ütőmunkához képest az acél öregedési hajlamával arányos csökkenést mutat. 60

61 A lúgos elridegedés A lúgos elridegedés a szemcsehatár-maródásnak (korróziónak) egy vállfaja, az öregedésre hajlamos, N-nel és O-nel szennyezett acéloknál, főleg kazánlemezeknél jelentkezik. Az ilyen lágyacélok húzófeszültségi állapotban meleg lúgok, vagy sóoldatok maró hatásának kitéve, törékenyekké válnak és a feszültségek hatására a szemcsehatárok mentén tovaterjedő, sokszor az egész keresztmetszeten átmenő repedést szenvednek. liyen jelenségek a kémiai iparban használt lúgbesűrítő kazánoknál és a szódával lágyított tápvízzel táplált gőzkazánoknál fordulnak elő. 61

62 Az öregedés és a lúgos elridegedés elhárítása Mindkét káros jelenség, az öregedésre és a szódás elridegedésre való hajlam elhárítására az acélgyártás során főleg Al-mal való kezelést, ún. megnyugtatást alkalmaznak. A folyékony acélba Al-ot adagolnak a tuskóvá való kiöntés elõtt. Az Al-nak egyaránt igen nagy a vegyrokonsága az O- hez és a N-hez, így azokat állandó vegyületek, Al 2 O 3 és AlN alakjában leköti, ezzel megszünteti a lágyacél öregedési és szódás elridegedési hajlamát egyaránt. Ezért tartják a szódás elridegedés okának ugyanazt, mint az öregedésének. 62

63 A Nitrogén mint hasznos ötvözőelem A N mint hasznos ötvözőelem több területen is szerepel: korszerű felületötvöző eljárásnál, a nitridálásnál, mint természetes keménységet adó diffúziós ötvözőelem, mint a -mezőt tágító ötvözőelem, amely minőségében 0,2 % N 2-4% nikkelt helyettesíthet az austenites CrNi acélokban. Normalizált szerkezeti acélokban elsősorban V- mal Nb-mal stabil nitrideket képez: így, mint mikroötvöző egyrészt növeli az acél szilárdságát, másrészt megakadályozza a szemcsedurvulást. 63

64 Oxigén az acélban Az oxigén az acélban kétféle alakban fordul elő oldott állapotban a ferritben és kötött állapotban, mint oxid-záródmány. Előbbi alakjában a N-nel együtt hozzájárul az acél öregedésének és lúgos elridegedésének előidézéséhez. Az oxid-záródmányok nem kívánatos tisztátlanságok, amelyek főleg akkor okoznak bajt, ha olvadáspontjuk kis hőmérsékletű és lesüllyed a kovácsolás hőmérsékletére. Az ilyen kis hőmérsékleten olvadó oxid-záródmányok kovácsolás közben fellépő vöröstörést okozhatnak éppúgy, mint a Fe-FeS eutektikum. Károsak a nagy hőmérsékleten olvadó oxid-záródmányok is, soros, vagy szálas szerkezetet okoznak a szálas szerkezetű hengerelt acél szilárdsági, és főleg nyúlási tulajdonságai keresztirányban kisebbek, mint hosszirányban. 64

65 Hidrogén az acélban A H az acélban nemcsak oldott, hanem elnyelt gáz állapotban (H 2 ) is jelen van és minden körülmények között káros szennyezőnek számít. Az acél H 2 elnyelő képessége a hőmérséklettel csökken és így dermedés közben a korábban elnyelt H 2 nagy részét, kb. felét kilöki. A megszilárdult acélból a még benne rekedt H 2 gáz kiszabadulni igyekszik. Távozását 200 C-ra való hevítéssel lehet elősegíteni. Az elnyelt H 2 az acélt ridegíti, nyúlását erősen csökkenti. H 2 -t vehet fel az acél az újrakristályosító izzítás után alkalmazott, a revét eltávolító pácolás, savmaratás közben is. Következménye: a pácridegség elkerülése: néhány napos pihentetés, vagy 200 C-on ki kell főzni 65

66 A Hidrogén további kedvezőtlen hatásai Jól ismert veszedelmes betegsége sok acélnak, elsősorban a krómnikkel- és króm-acéloknak az ún. pelyhesség, vagy fénylő foltosság, a helyenként összegyűlő és a nagy feszültség alatt távozni igyekvő, de bezárt H 2 repesztő hatása folytán keletkezik a törésfelületen kerek, fényes foltok alakjában jelentkezik A H-nek káros hatása még az acélra az erős C-elvonó hatása A hidrogénnek jelentős szerepe van az acélok hegesztésénél is: a hidrogén növeli a varratok szomszédságában keletkező repedések veszélyét. A varratba kerülő hidrogéntartalom a hegesztő elektródák lényeges jellemzője. 66

67 Foszfor az acélban A foszfor általában szennyező anyagnak számít, mert az ütőmunkát, tehát a szívósságot már 0,1%-nál kisebb mennyiségben is nagyon rontja. Szerkezeti acélokban megtűrt felső határát 0,05 %- ban adják meg. Alkalmazzák az ún. automataacélokban a forgács törékennyé tételére. Az öntöttvasat hígfolyóssá teszi, azért a vékony falú, tagozott öntvények adagjaiba ötvözőként is adják 67

68 Kén az acélban A kén az acélban az ún. "vöröstörés" és "melegtörés" veszedelmét okozza. A vöröstörés a nagy (néha már a 0,03 %-nál nagyobb) S- tartalmú acél kovácsolása, vagy hengerlése közben fellép, tehát C hőközben jelentkezik. Oka az, hogy a Fe-FeS eutektikuma 985 C-on megolvad, sõt olvadáspontja vas-oxidul jelenlétében még mélyebbre tolódik. A vas-szulfid, valamint a nikkel-szulfid, mint a legkésőbben, a szemcsehatáron dermedő anyag hálós elrendezésű és így kovácsolásnál könnyen repedést okoz. A melegtörés 1200 C körüli hőmérsékleten következhet be a hálós vas-szulfidnak az acélhoz képest alacsonyabb hőmérsékleten való dermedése miatt. 68

69 A vöröstörés, illetve a melegtörékenység csökkentése Mindkét törési veszedelem elkerülhető az olvadt acélnak Mn-nal való kezelésével. A Mn-nak a S-hoz való vegyrokonsága nagyobb lévén, ekkor inkább MnS (mangánszulfid) keletkezik, amelynek olvadáspontja (1620 C) nagyobb a vasénál. Ezen kívül nem hálósan, hanem pontszerű zárványok alakjában helyezkedik el az acélban és így nem okoz repedést. Hasznos ötvözője a S az automata-acéloknak, amelyekben 0,15-0,30 %-ban ötvözve, a forgácsot törékennyé teszi és így a lágyacélnak automatákon való megmunkálását javítja. Az ilyen acél nem kenődik el a forgácsoláskor. 69