Vliv legovacích prvků na vlastnosti ocelí

Mangan
Mangan patří mezi austenitotvorné prvky. Ze stavového diagramu Fe-Mn lze určit, že ve slitinách obsahujících více než 35% manganu zůstává austenit zachován i při pokojové teplotě a slitiny mají austenitickou, nemagnetickou strukturu. Mangan má malou difuzní rychlost.
Ve slitinách Fe-Mn-C je část manganu rozpuštěna v základní kovové matrici (tj. ve feritu nebo austenitu), část tvoří podvojný karbid (Fe,Mn)>3C. Rozdělovací koeficient závisí na obsahu manganu a uhlíku. Mangan rozpuštěný ve feritu zvyšuje jeho pevnostní vlastnosti a snižuje tažnost. V rovnovážném diagramu železo-cementit posouvá bod E doprava, tj. zvyšuje rozpustnost uhlíku v austenitu. Bod S posouvá doleva, takže nízkolegované oceli mají čistě perlitickou strukturu při nižším obsahu uhlíku než nelegované oceli. Protože se eutektoidní teplota současně snižuje a zjemňují se lamely perlitu, zvyšuje se pevnost.
Mangan ovlivňuje také tepelné zpracování ocelí. Se stoupajícím obsahem manganu se zpomaluje transformace austenitu v perlitické i bainitické oblasti. Křivky TTT(Temperature-Time-Transformation) resp. česky křivky ARA se posouvají doprava, takže se zvyšuje prokalitelnost. Současně s tím se také zvyšuje doba stability austenitu. Odolnost zakalených ocelí proti popouštění mangan nezvyšuje.
Mangan zvyšuje v matrici oceli s vyšším obsahem uhlíku množství zbytkového austenitu po kalení. Při vyšším obsahu uhlíku a manganu se transformace austenitu úplně potlačí a oceli mají austenitickou matrici.
Manganové oceli jsou citlivé na zhrubnutí zrna, takže je nutné při tepelném zpracování dodržovat austenitizační teplotu.
Mangan se často používá k legování konstrukčních ocelí, zejména v kombinaci s jinými prvky, protože je laciný a snadno dostupný. U běžných konstrukčních ocelí se používá až do obsahu 2%. Při legování oceli manganem je nutno počítat s jeho velkým sklonem k odměšování a jeho malou difuzní rychlostí.

Křemík
Křemík patří do skupiny silně feritotvorných prvků. Rozpustnost křemíku v a -železe je vysoká. Při normální teplotě je 14%, s rostoucí teplotou vzrůstá.
V ternární soustavě Fe-C-Si zužuje křemík oblast fáze g a také posouvá eutektoidní bod doleva a k vyšším teplotám. Při tepelném zpracování je proto nutné počítat se zvyšováním transformačních teplot.
Křemík netvoří v ocelích karbidy, ale úplně se rozpouští ve feritu, jehož pevnost zvyšuje. Prokalitelnost zvyšuje méně než chrom a mangan. Při popouštění posouvá začátek rozpadu martenzitu k vyšším teplotám. Také rozpad zbytkového austenitu probíhá při vyšších teplotách než u nelegovaných ocelí. Protože při popouštění křemíkových ocelí vyvíjí vysokoteplotní popouštěcí křehkost, je nutné popouštět je nad pásmem popouštěcí křehkosti a po výdrži na popouštěcí teplotě rychle ochladit.
Až do obsahu 0,5% se křemík nepovažuje za legovací prvek, ale za dezoxidační přísadu.

Chrom
Chrom patří do skupiny feritotvorných prvků.
Při vysokém obsahu chromu se v binární soustavě Fe-Cr se objevuje intermediární fáze s s proměnlivým složením a s tvrdostí 1000HV, která je stálá v oblasti teplot 460°C až teplota tání (max. 815°C). Při ochlazování se na eutektoidní teplotě 460°C rozpadá na fáze a, a / (viz. obr.). Dnes se většinou předpokládá, že křehkost vysokolegovaných chromových ocelí vyvolává koexistence těchto fází a nikoliv samotná fáze s . Rozsah homogenní oblasti fáze s a heterogennich oblastí závisí také na obsahu dalších prvků.
Při ohřevu vysokolegovaných chromových ocelí do oblastí teplot 400 až 550°C probíhají po dlouhé výdrži na těchto teplotách změny v chromovém feritu, které vyvolávají zvýšení tvrdosti a křehkosti. Tento jev se označuje jako křehkost při 475°C. Ohřevem na teplotu 550 až 600°C a rychlým ochlazením se plastické vlastnosti oceli opět obnoví.
V ternárních slitinách železo-chrom-uhlík se část chromu rozpustí v základní kovové matrici, část tvoří s uhlíkem karbidy. Při nízkém obsahu chromu se tvoří směsný karbid (Fe, Cr)3C, ozmačovaný jako KC nebo M3C. S rostoucím obsahem chromu se postupně objevuje (Fe, Cr)7 C3 (karbid K2), později (Fe, Cr)23C6 (karbid K1). Nejvyšší tvrdost má karbid K2.
U nízkolegovaných ocelí na zušlechťování se obyčejně využívá vlivu chromu na zvýšení prokalitelnosti. Zvýšení prokalitelnosti je však podmíněno rozpuštěním karbidů chromu při austenitizaci, protože prokalitelnost zvyšuje pouze chrom rozpuštěný v austenitu. Nerozpuštěné karbidy naopak působí jako krystalizační zárodky, které prokalitelnost naopak snižují. S tímto jevem je nutné počítat při stanovení kalicí teploty, protože karbidy chromu se rozpouští až při vyšších teplotách.
Chrom zvyšuje teplotu A1, takže chromové oceli jsou odolné proti popouštění. Při pomalém ochlazování z vyšších popouštěcích teplot se objevuje vysokoteplotní popouštěcí křehkost. Po popouštění na teplotě nad pásmem popouštěcí křehkosti je nutno ochlazovat ve vodě.
Při použití chromu v nerezových ocelích, kdy se má zaručit schopnost pasivace povrchu při styku s oxidačním prostředím, musí být v tuhém roztoku rozpuštěno minimálně 11,7% chromu. Protože se část chromu váže na uhlík jako karbid (Fe, Cr)23C6, musí být minimální obsah chromu v oceli Cr[%] = 11,74 + 1,454.C[%]. Ze vztahu vyplývá, že v ocelích s nižším obsahem uhlíku se pohybuje optimální množství chromu mezi 12 až 14%. Při vyšším obsahu uhlíku nebo při vyšším požadavku na odolnost proti korozi se obsah chromu zvyšuje až na 14 až 16%.

Nikl
Nikl patří mezi austenitotvorné prvky. Maximální rozpustnost niklu v a -železe je 6,1± 0,5% při 475°C, při vyšších i nižších teplotách se rozpustnost snižuje. V austenitu se při 300°C rozpustí asi 54,6% niklu. Při legování niklem se zpomaluje fázová transformace g ® a .
V rovnovážném diagramu železo-uhlík posouvá nikl eutektoidní bod doleva a k nižším teplotám. S tímto účinkem niklu je počítat při žíhání niklových ocelí naměkko. Při tepelném zpracování zvyšuje nikl prokalitelnost. Zvýšení je však podstatně menší než v případě manganu nebo chromu.
U niklových ocelí je třeba počítat s velkým odmíšením, které se sníží po dlouhých výdržích na vysokých teplotách, úplně se však neodstraní. V ternární soustavě Fe-C-Ni netvoří nikl samostatný karbid, takže je úplně rozpuštěn v základní matrici. Nikl zvyšuje pevnost více než chrom, ale méně než mangan a křemík. V normalizačně žíhaných ocelích zjemňuje perlit. Nikl je drahý, proto není zvýšení pevnosti úměrné ceně. Nikl se používá hlavně v ocelích, které mají mít vysokou houževnatost zejména při nízkých teplotách.

Molybden
Molybden patří mezi feritotvorné prvky. Část molybdenu se rozpouští ve feritu, jehož tvrdost zvyšuje, část tvoří karbidy.
Molybden patří mezi středně silné karbidotvorné prvky. Při nízkém obsahu molybdenu se tvoří podvojný cementit (Fe,Mo)3C, ve kterém mohoubýt rozpuštěna až 4% molybdenu.
Molybden prodlužuje dobu, po kterou je stabilní při vyšších teplotách. Molybden také snižuje začátek a konec martenzitické transformace. Po zakalení zvyšuje stabilitu martenzitu tj. posouvá jeho rozpad k vyšším popouštěcím teplotám. Tento vliv je možno využít u zakalených ocelí, pokud je třeba žíhat na snížení pnutí při vyšších teplotách. U zušlechtěných ocelí snižuje přísada 0,2 až 0,3% Mo vysokoteplotní popouštěcí křehkost.

Wolfram
Wolfram paří mezi feritotvorné prvky, je také karbidotvorný prvek. U nízkolegovaných ocelí je rozpuštěn v cementitu, při vyšším obsahu wolframu se tvoří samostatné karbidy.
V soustavě Fe-C-W posouvá wolfram eutektoidní bod doleva. Prokalitelnost wolframových ocelí závisí na austenitizační teplotě, protože ji zvyšuje pouze wolfram rozpuštěný v austenitu.
U nízkolegovaných ocelí zjemňuje wolfram lamely perlitu, takže zvyšuje pevnost. Wolfram se používá jako legura u žárupevných ocelí.

Vanad
Vanad patří mezi silně feritotovorné prvky. Vanad tvoří s uhlíkem velmi stabilní karbid VC. V ocelích má však proměnlivé složení, označuje se obvykle jako V4C3 nebo VC0,89. Jiné typy karbidů vanad v ocelích netvoří, může se však částečně rozpouštět v cementitu. Karbidy vanadu mají vysokou tvrdost, pohybující se okolo 2500HV. Při nízkém obsahu vanadu se tvoří jemné globulární karbidy, které zpomalují růst zrna austenitu. Vliv vanadu na zjemnění zrna se používá u některých ocelí. Vliv vanadu na mechanické vlastnosti závisí ve velké míře na kalicí teplotě tj. na stupni rozpuštění vanadu v austenitu. Pokud se kalí oceli s přísadou vanadu z normální teploty, získávají se menší tvrdosti, protože část uhlíku zůstává vázána jako karbid vanaditý.
Přísada vanadu se obvykle kombinuje s jinými legovacími prvky. V ocelích na zušlechťování bývá obsah vandau asi 0,1%. Vyšší obsah vanadu mají žárupevné oceli a oceli odolné proti vodíkové korozi.

Bor
Bor je v ocelích částečně rozpuštěn v matrici, částečně může být vyloučen jako precipitát na hranicích sekundárních austenitických zrn. V austenitu se rozpustí až 0,021% boru, ve feritu asi 0,001%. Atomy boru se ukládají přednostně na hranicích zrn, kde zpomalují difuzi atomů uhlíku a potlačují vylučování proeutektoidního feritu. Protože se prodlužuje začátek austenitické transformace, zvyšuje se prokalitelnost. Vliv boru na zvýšení prokalitelnosti ocelí je alespoň 100krát větší než u ostatních prvků (Ni, Mn,Cr, Mo).
Vliv boru na prokalitelnost závisí také na obsahu uhlíku. Podle zkoušek je bor účinný pouze v měkkých ocelích. V ocelích s vyšším obsahem uhlíku se prokalitelnost nezvyšuje.

Niob
Niob tvoří s uhlíkem karbid NbC. Pokud je v oceli rozpuštěn současně i dusík, tvoří se karbonitrid Nbx(N,C)y. Rozpustnost karbonitridů v austenitu závisí na obsahu niobu, uhlíku a dusíku.
Po precipitačním vytvrzování (mezi 500 až 600°C) niob podstatně zvyšuje mez kluzu. Po tepelném zpracování se niob váže jako karbonitrid, pouze malá část zůstává rozpuštěna ve feritu, jehož pevnost nepatrně zvyšuje. Optimální množství niobu se pohybuje mezi 0,02 až 0,06%.

Titan
Titan tvoří v ocelích stabilní karbid, nitrid nebo karbonitrid. Ocel vytvrzuje v důsledku tvorby precipitátů podobně jako niob.
Obsah titanu se pohybuje nejčastěji okolo 0,08%. Při obsahu 0,02% titanu se tvoří především nitrid, který zjemňuje zrno, jeho vytvrzovací účinek je však slabý.


Faz. diagram Fe-C
Fázový diagram Fe-C




Stránky jsem svořil v poznámkovém bloku.

 

Navigace

Na úvodní stránku

Metalografie oceli

Parfilex AG.



mail na mě: p.svanda@atlas.cz