A vas fontos eleme az élő szervezetnek és az egyik legnagyobb mennyiségben használt ipari anyagunk, különösen a szénnel alkotott ötvözete, az acél. Az ipar által előállított termékek legnagyobb része acél vagy vasötvözet alapanyagú. Ezt az előállítás költsége és a tulajdonságok széles befolyásolhatósága indokolja. Bár a műanyagipar fejlődése, a fémkerámiák felhasználása számos területen lehetőséget adott az acélok helyettesítésére, megállapítható, hogy a közeljövőben is alapvető alapanyag marad az acél és a vasötvözet. Vasötvözeteken általában azokat az anyagokat értjük, amelyeket nagyüzemi eljárásokkal gyártanak, nagy mennyiségben használnak fel, és bennük a Fe aránya nagyobb, mint más alkotóé. Az iparilag felhasznált vasalapú ötvözeteket két nagy csoportra oszthatjuk: az acélokra és öntöttvasakra. Felhasználási területeik új típusaik sok esetben átfedik egymást, általánosan azért megállapíthatjuk, hogy az acélok szívóssági tulajdonságai jobbak, mint az öntöttvasaké, ugyanakkor feldolgozásuk költségesebb, így drágább alapanyagok. A technológiák fejlődésének köszönhetően az öntöttvasakat egyre nagyobb területen használják és sok esetben eredményesen veszik fel a versenyt egyes acéltermékekkel is.
Az acélok jellemzői
Az acélok alakítható vasötvözetek, melyek nemzetközileg is elfogadott fogalmát a következőképpen határozták meg: túlnyomórészt vasat, általában 2%-nál kevesebb karbont, valamint egyéb elemeket tartalmazó anyag. Néhány krómacél 2%-nál több karbont is tartalmazhat, de 2% a szokásos választóvonal az acél és az öntöttvas között. Ez a határ sem a kémiai összetétel, sem az alakíthatóság alapján nem tekinthető élesnek. Az alakíthatóság ugyanis a karbontartalom növekedésével csak fokozatosan csökken, még a 3,5-4% C- tartalmú öntöttvas is vékony lemezzé hengerelhető vagy alkatrésszé kovácsolható, ha grafitos szerkezetű. Az alakíthatóság alapvetően az ötvözetben lévő szövetelemeken, azok tulajdonságain és a szövetben való elhelyezkedésükön múlik, nem közvetlenül a karbontartalmon.
Az acélok osztályozása
Az acélokat, mint igen széles körben felhasznált alapanyagokat többféle szempont alapján osztályozhatjuk:
-
Vegyi összetételük alapján megkülönböztetünk ötvözetlen és ötvözött acélokat. Ötvözetlen acélnak számít az az acél, amely a karbonon kívül nem tartalmaz szándékosan bevitt ötvözőt, ami az acél mechanikai vagy fizikai tulajdonságait befolyásolná. Az ötvözetlen és ötvözött acélokat elválasztó határértékeket szabványban rögzítik. Az ötvözött acélokban a mindig megtalálható elemekből a normális üzemben elérhető legkisebb mennyiségnél többet, vagy pedig ezeken kívül szándékosan hozzáadott további elemeket tartalmaz. Szokás még az ötvözők mennyisége alapján megkülönböztetni a gyengén ötvözött (max. 5-6% összes ötvözőmennyiség), ötvözött (5-10% ötvözőtartalom) és az erősenötvözött (10% feletti ötvözőtartalmú) acélokat.
- Nemzetközileg elfogadott felosztás szerint az acélgyártási eljárás gondossága alapján ún. minőségi csoportokba soroljuk az acéltípusokat. Az acélok fő minőségi típusai a következők:
- Alapacél minden olyan acél, melyre nincs előírva olyan minőségi követelmény, mely az acélgyártás során különleges gondosságot igényelne. E csoportba csak ötvözetlen acélok tartoznak.
- Minőségi acélok: az alapacélok és a nemesacélok közti előírások érvényesek rájuk. Különleges gondossággal kell gyártani, melynél a legfontosabb paraméterek a szemcseméret, a kén- és foszfortartalom és a felületi minőség.
- Nemesacélok: különleges gondossággal kell gyártani őket. Ötvözetlen és ötvözött anyagúak lehetnek. E csoportba tartozik az összes hőkezelési célra alkalmas acél.
-
Gyártási mód szerinti csoportosítás. Az acél gyártása során a gyártási mód szerint más-más járulékos alkotórészek maradnak vissza, vagy azok mennyisége, eloszlása változik. Mindez lényeges az acél további feldolgozása és a késztermék minősége szempontjából.
- Az alkalmazott dezoxidálási módszer alapján:
- Csillapítatlan acél: jó kihozatalú, felületi minősége jó, hidegen jól alakítható. Ezek az acélok gyorsan öregszenek, max. 0,25% karbont tartalmaznak.
- Csillapított acélok: az oxigént szilárd halmazállapotú vegyületeket képző elemhez kötik. Kisebb a szennyezők dúsulása, a kihozatal rosszabb, az oxidok egy része zárványként visszamarad. Vákuumos kezeléssel az oxigén gáz formájában távozik, nem keletkeznek zárványok.
- Különlegesen csillapított acélok: dezoxidálás során nitrogént lekötő és szemcsefinomító hatású dezoxidálószereket (Al, V, Nb, Ti) is alkalmaznak. Ezek öregedés¬állóbbak és ridegtörési hajlamuk kisebb, mint a csak Si-mal és Mn-nal csillapított ötvözetlen acéloké.
- Szövetszerkezetük alapján, melyek általában vegyesen fordulnak elő: Egyensúlyi szövetszerkezetük alapján megkülönböztetünk ferrites, félferrites, hipoeutektoidos, hipereutektoidos (lásd: eutektikum), lédeburitos, félausztenites és ausztenites acélokat. Nem egyensúlyi állapotban léteznek perlites, martenzites, ausztenites, ferrites és bénites acélok.
- Felhasználási módjuk szerint: Szerkezeti acélok: az ilyen acélokat a gép- és járműgyártás , acélszerkezetek gyártása területén alapanyagként hasznosítják. Ezekben az esetekben a szilárdság mellett megfelelő szívósságot és nyúlást is megkövetelünk. Ezt 0,25% alatti széntartalommal vagy nemesített szövetszerkezettel biztosíthatjuk. Szerszámacélok: ebből készülnek a forgácsolószerszámok és az alakítóműveletek szerszámai. Elengedhetetlen, hogy a rájuk ható igénybevételeket alakváltozás nélkül viseljék és a kopásnak ellenálljanak. Ezen tulajdonságokat általában nemesítéssel érjük el, így ezeknek jól edzhetőnek kell lenniük és szívóssági követelményeknek is meg kell felelniük. Különleges acélfajták és ötvözetek: ide sorolhatók a valamilyen kifejezett tulajdonságú pl. hőálló, korrózióálló, nem hőtáguló stb. ötvözetek. Nagyobb mennyiségű ötvözőt tartalmaznak.
A karbon hatása az acél tulajdonságaira
Az acél szövetszerkezete és így tulajdonságai az ötvöző- és karbontartalom függvényében változnak. Megállapíthatjuk, hogy a szén hatása alapvetően meghatározó az acél tulajdonságaira. Az egyensúlyi állapotban lévő, 0,8% szenet tartalmazó acél tisztán perlites, a 0…0,8% C-tartalmú acélok ferrit-perlites, a 0,8…2,1% karbont tartalmazók pedig perlit-cementines szövetszerkezetűek. Az ötvözetlen acél szilárdsági és egyéb fizikai tulajdonságait viszont a szövetelemek mennyisége és azok eloszlása, finomsága határozza meg. A perlit mennyiségének növekedésével az acél szilárdsága nő, azonban nyúlása, kontrakciója és ütőmunkája csökken. A hipereutektoidos acélokban megjelenő rideg szövetelem, a cementit16 a szilárdságot egy bizonyos határig (kb. 0,9%) mégnöveli. Nagyobb karbontartalom esetén a cementit már rendszerint hálószerű elrendezésben jelentkezik és így az acél szakítószilárdságát is csökkenti, míg a folyási határt növeli. A folyási határ és a szakítószilárdság megközelítően párhuzamosan változik. A vas szilárdsága legolcsóbban a karbonnal növelhető. A növekvő C-tartalommal vizszont csökken az acél szívóssága. A szén jelenléte az acélokban az edzhetőség szempontjából is döntő. A széntartalom a kritikus lehűlési sebességet erősen csökkenti. Az acél keménysége a szakítószilárdsághoz hasonlóan a karbontartalom növelésével nő.
Az ötvözőelemek hatása a ferrit mechanikai tulajdonságaira
Az ötvözőelemek többsége az alfa-vasban, a ferritben szubsztitúciósan oldódik. Az oldódás hatására a lágyacél rácsparamétere megváltozik, s a térrácstorzulást követően a mechanikai tulajdonságok megváltoznak. A szilárdság, a kifáradási határ növekedése annál nagyobb, minél nagyobb a rácstorzulás. A ferrit szilárdságát legjobban a Ti, Si, W, Mo, Mn és Ni növeli. A szilárdságnöveléshez szükséges ötvözőmennyiség bevitele az acél költségeit növeli. Az ötvözők szilárdságnövelő hatása hőkezelt állapotban jobban érvényesül, mégis sokkal jelentősebb a vasban intersztíciósan oldódó szén hatása a keménység- és szilárdságnövelés szempontjából, mint a szubsztitúciósan oldódó ötvözeteké. Az ötvözőelemek a Si és Mn kivételével a ferrit szívóssági jellemzőit nem befolyásolják. Annál változatosabb az ötvözőelemek ütőmunkára való hatása. A Ni, Cr és Mn kivételével a fajlagos ütőmunkát csökkentik. Nagy jelentőségű az ötvözők képlékeny-rideg átmenet hőmérsékletére való hatása. A Ni ezt a kritikus hőmérsékletet csökkenti, így a képlékeny tartománynagyobb lesz, míg a többi ötvöző növeli. A 0,2%-nál nagyobb széntartalmú acélok mechanikai tulajdonságait méginkább a hőkezelés módja, a kialakuló szövetszerkezet szabja meg. Az ilyen acélokban az egyes ötvözők jelentőségét az acél hőkezelési folyamataira gyakorolt hatásuk alapján is meg kell ítélni.
Az ötvözőelemek hatása az acél hőkezelésekor végbemenő folyamatokra
Az ötvözőelemek a Fe kritikus átalakulási hőmérsékleteit megváltoztatják. Az acélok hőkezelésekor ezt figyelembe kell venni. Ezenkívül az ausztenitképződés sebességét hevítéskor az ötvözők erősen befolyásolják, a perlitnek ausztenitté való átalakulását lelassítják. Az ötvözőelemek a kritikus lehűlési hőmérsékletre gyakorolt hatása is számottevő. A hőkezelések szempontjából igen fontos az acél átedzhetősége, hogy milyen mélységben átmérőben edződik meg az acél. Az acélok átedzhetőségét kritikus lehűlési sebességük határozza meg, mely függ a kémiai összetételtől és a szemcsenagyságtól. Az ötvözőelemek többsége a kritikus lehűlési sebességet csökkenti, így nő az átedzhetőség.
Az acélok felhasználási köre:
Korrózióálló és saválló acélok
Az ötvözetlen acélok a savak, a légkör, a vízgőz korrodáló hatásával szemben nem ellenállóak. A felületükön lévő oxidhártya nem elég tömör, a fémet nem zárja el a korrodáló közegtől, így nem akadályozza meg a további korróziót. Az acélok korrózióállósága ötvözőelemekkel növelhető, mely a következőképpen lehetséges: Olyan ötvözőket kell alkalmazni, melyek az acél felületén vékony, jól tapadó, a korrodáló közegtől elválasztó hártyát hoznak létre. Erre a célra Cr-t és Al-t használnak kb. 1% mennyiségben. Másik lehetőség a korrózióállóság ugrásszerű növekedése érdekében, ha az ötvözőelem mennyisége az acélban 1/8 atomsúlyrész egész számú többszöröse. A korrózióálló acél legalább 12% krómot, általában nikkelt, esetenként egyéb ötvözőelemeket tartalmaz. Így az ötvözött acél tartósan ellenáll a hőmérséklet és nyomás hatásainak, sőt egyes kémiai és elektrokémiai hatásoknak is. Az ausztenites króm-nikkel acélokat jó korrózióálló tulajdonságaik miatt saválló acéloknak is nevezzük. Ezek az ötvözők kedvező hatásukat alacsony széntartalom mellett fejtik ki. Általában a 0,12%-nál nagyobb C-tartalom nem engedhető meg, de a kristályközi korrózióval szemben csak a legfeljebb 0,03% karbontartalmú acélok ellenállóak. Az ausztenites korrózióálló acélok felhasználása igen széleskörű, kötőelemek, edények tartályok, orvosi eszközök készítésétől a vegyiparig mindenütt használatosak. Fontos, hogy viselkedésük a megmunkálás során jelentősen eltér az általában használt acélokétól. Ezek az acélok alacsony hőmérsékleten is alkalmazhatók a ridegtörés veszélye nélkül, hidegszívósak és hőállóak, általában 17-20% króm és 8-24% nikkel ötvözőket tartalmaz.
Szóljon hozzá