Vasalapú szerkezeti anyagok

Bevezetés

A vas ma az egyik legnagyobb mennyiségben használt ipari anyag, különösen annak szénnel al­kotott ötvözete. A föld szilárd kérgében a vas, az oxigén (47% ), szilícium (29% ) és az alumínium (8,8% ) után a legnagyobb mennyiségben, 4,65% -ban fordul elő. Az iparban és a mindennapi életben felhasznált fémmennyiség 94% -a vasötvözet (kb.150 kg/fő/év), mivel az előállításának energiaszük­séglete az összes többi fémekhez viszonyítva a legkisebb: 18-20 GJ/t (pl. az alumínium gyártása 60-80 GJ/t, a réz 200-280 GJ/t energiát igényel).

A ferrum elnevezés a rómaiaktól származik, a magyar nyelvben a vas szó urali időkből lett át­véve és eredetileg rezet jelenthetett, mint ma is a finn és az észt nyelvekben. Az emberi civilizáció az időszámításunk előtti IX-VII. században kezdi előállítani és felhasználni a vasat (vaskorszak), mint fegyverek és szerszámok anyagait, de az ipari vaskohászat csak az angol polgári forradalom után, a XVII. században jelenik meg a társadalom gazdasági fejlődésének alapvető mérföldköveként, a vasút­építés és a szövőgépgyártás kapcsán. Magyarországon az acélgyártás a XVIII. században válik ipari méretűvé a borsodi iparvidéken, Erdélyben meg a vajdahunyadi, resicai tájakon. Ugyanakkor bányász­tak és nyersvasat állítottak elő széntüzelésű huttákban Torockón, Szentkeresztbányán stb. már a XVII. század végétől.

A vasötvözetek szerkezete

Az alapvető vasötvözet a vas és szén alkotókból áll, ezek osztályozása és szövet­szerkezete a Fe-C állapot diagram alapján tanulmányozható (1. ábra).

1. ábra. A vas-szén ötvözetek egyensúlyi diagramja és szövetelem állapotábrája

A vas polimorf fém, amelynek a hőmérséklettől függően, az olvadásponton kívül (1538⁰C), a szilárd állapotban két fázismódosulata van: az első kritikus pont hőmérséklete 912⁰C (A₃), melyen a térközepes köbös kristályrácsú α-vas (ferrit) lapközepes köbös γ-vassá (ausztenit) alakul, a második pont 1394⁰C-on van (A₄), melyen a lapközepes γ-vas vissza alakul térközepes köbös δ-vassá.

A tiszta vas szobahőmérsékleten feromágneses tulajdonsággal rendelkezik, mely az A₂ kritikus hőmérséklet (770⁰C), az ún. Curie pont felett paramágnesessé válik. Az A₁ kritikus pont (727⁰C) csak az acéloknál van jelen és a perlitikus változás hőmérsékletét jellemzi.

A szén a vas-karbon ötvözetekben három különböző formában lehet jelen:

oldott állapotban (α, γ, vagy δ szilárd oldat);

vegyületként, karbidok formájában (pl. a cementit: Fe₃C);

szabad állapotban (pl. a grafit).

Az α-vasban (ferritben) maximum 0,0218% C oldódhat 727 ⁰C-on, a γ-vasban (ausztenitben) legtöbb 2,14% szén oldódik 1147 ⁰C -on és végűl a δ-vas max. 0,17% C-et oldhat 1493 ⁰C hőmérsék­leten (δ ferrit). A folyékony vasban a szén oldhatósága végtelen.

A kétalkotós vas-szén ötvözetek egyensúlyi állapot diagramja tulajdonképpen három részből áll: a primér diagram 1147 ⁰C-ig a krisrályosodást jellemzi és ez egy korlátozott, a hőmérséklet függ­vényében változó szén oldhatóságú, eutektikus és egy peritektikus reakciójú diagram, a szekunder di­agram 727-1147 ⁰C között létezik, melynek legfontosabb jellemzője az eutektoidikus reakció és végül egy terciális diagram 727 ⁰C alatt, mely egy csökkenő szénoldhatóságú egyszerű diagram.

A vas-szén ötvözetekre tulajdonképpen három fázis jelenléte a jellemző: ferrit, cementit és a maga­sabb hőmérsékeleteken az ausztenit. A ferrit egy térközepes köbös vas-szén szilárd oldat, melynek a szakí­tószilárdsága kicsi (300 MPa), a nyúlása nagy (40-60% ), lágy és jó az alakíthatósága. A cementit egy rom­bos rendszerben kristályosodó, nagyon kemény (700 HB), rideg, nem alakítható vaskarbid (Fe₃C), mely csökkenti az ötvözetek alakíthatóságát, de kedvező elosztásban növeli az anyag szilárdságát, keménységét és a kopásállóságát. Az ausztenit szintén egy szilárd vas-szén oldat, mely lapközepes köbös rendszerben kristályosodik, sok szént tud oldani (max. 2,14% ), lágy, rendkívül jól alakítható, nem mágnesezhető, de csak 727⁰C felett stabil, egészen 1493⁰C-ig. A δ-ferrit ugyan olyan mint az α-ferrit, de csak 1394⁰C felett jelenkezik egészen az olvadás pontig, szintén nem mágnesezhető és gyakorlatilag az esetek nagyobb részé­ben nincs ipari fontossága.

A vas-szén ötvözetekre jellemző még két szövetelem jelenléte: a ledeburit, mely egy kétfázisú, cementitbe ágyazott ausztenitből álló, 1147 ⁰C-on és 4,3% C-tartalomnál alakuló, nagyon kemény és rideg eutektikum, és a perlit, mely egy 727 ⁰C-on, 0,77% C-os széntartalmú ausztenit szétbomlása útján létrejövő, cementit és ferrit fázisokból rétegeződött eutektoidikum. A perlit keménysége kb. 180 HB, szilárdsága 800 MPa, nyúlása 10% , és aránylag képlékenyen, jól alakítható.

A vas-szén ötvözetek két nagy csoportját különböztetik meg:

acélok: 0-2,11% széntartalommal,

öntöttvasak: 2,11-6,67% széntartalommal.

A tiszta vas-szén ötvözetekben gyors, például levegőn való lehűléskor, a szén cementit alakjá­ban jelenkezik, az ennek megfelelő állapotdiagramot metastabil Fe-C diagramnak nevezik, lassú lehű­léskor és egyes ötvöző elemek (például Si) hatására a szén grafit lemezek alakjában kristályosodik, a megfelelő diagramot pedig stabil Fe-C diagramnak nevezik.

A metastabil vas-szén diagramban jelenkező öntöttvasakat fehérvasaknak hívják, mivel ezen anyagok törete fehér színű, a szövetben nagy mennyiségben jelen levő cementit fázisból kifolyólag. A stabil Fe-C rendszerben az elemi szén grafit alakjában van jelen, ezáltal töretük szürke színű és az ilyen öntöttvasakat szürkevasnak nevezik.

A grafit elemi szén, amely egyszerű, réteges, hexagonális rendszerben kristályosodik, a szilárd­sága és keménysége nagyon kicsi, erősen csökkentve a szürkeöntvények szilárdságát, alakíthatóságát és az ütőmunka ellenállását. Attól függően, hogy a grafit milyen mennyiségben és alakban van jelen, a szürkeöntvények tulajdonságai tág határok között változthatnak. A grafitos kristályosodás függ a lehű­lési sebességtől és az öntöttvasban jelen levő ötvöző elemektől.

Az acélok karakterisztikus szövetszerkezeteinek mikroszkópikus képei a 2. ábrán láthatók.

A ferritikus szövet (a.) nagy fehér poligonális krisztalítokból áll, melyben néhol a ferrit szem­csék között kevés szintén fehér színű tercier cementit látható. Nagyobb széntartalmú acéloknak poligonális sokkristályos ferrito-perlitikus szövete van (b.) mely fehér ferrit szemcsékből és fekete per­lit szemcsékből tevődik össze. A széntartalom növekedésével a perlit szemcsék mennyisége nő (c.). A nagy szén tartalmú (0,6-0,7% C) acélok esetében (d.) a perlito-ferritikus szövet szemcse nagysága megnő és a kevés mennyiségű ferritkrisztalítok a perlit szemcsék között jelenkeznek, fehér háló for­májában. Az eutektoidos, 0,8% C tartalmú acélok (e.) teljesen perlitikus szövetet mutatnak, amelyben a perlit szemcsék nagy részben lemezes alszerkezetűek, amit azonban csak nagy nagyításban lehet meg­figyelni. A hipereutektoidos acélok szövete szintén polikrisztalitikus, melyben a nagy fekete perlit szemcséket fehér szekunder cementit háló veszi körül (f.).

2. ábra
Lassan hűtött ötvözetlen szénacélok fontosabb szövetszerkezetei:a. 0,05% C tartalmú acél ferritikus szövete;
b. 0,15% C szénacél ferrito-perlitikus szerkezete; c. 0,45% C tartalmú perlito-ferritikus szövet;d. 0,60% C tartalmú fer­rithálós perlito-ferritikus szerkezet; e. 0,80% C eutektoidikus acél perlitikus szövete; f. 1,0% C tartalmú hiper-eutektoidos acél szekunder cementit hálós perlitikus szerkezete (Nital, 300:1)

A metastabil vas-szén diagramban jelentkező öntött fehérvas-ötvözetek két fontosabb szövetal­kotót tartalmaznak fekete perlit alakzatok és fehér cementit mezők formájában (3. ábra).

A hipoeutektikus fehér öntvények szerkezete 2,7-3,8% széntartalom között, fekete dendritikus, vagy gömb formájú perlit mezőket mutat, fehér szekunder cementit mezőkkel körül­fogva, melyben néhol ledeburit alakzatok jelentkeznek (a.). Ezt a szerkezetet a gyakorlatban csak a szürke temper öntvények eredeti öntött, még nem hőkezelt, állapotában találhatjuk, mikor is az anyag nagyon kemény, rideg és törékeny. Az eutektikus, 4,3% C tartalmú öntöttvas ledeburitikus szerkezete, fehér cementit alapmezőben megjelenő finom fekete dendritikus vagy globuláris perlit alakzatok sokasságából áll (b.). A hipereutektikus ötvények esetében (4,3-6,63% C) nagy fehér primer cementit tűk (lapok) jelennek meg, ledeburitikus alap mezőben (c.). E két utóbbi anyagszer­kezet a nagy cementit tartalom miatt, szintén nagyon kemény és törékeny, a gyakorlatban csak első olvasztású kúpoló kemencében előállított fehérvas öntvényekben található.

3. ábra
Metastabil állapotú fehérvas öntvények jellemző szövetszerkezetei.
(a. 3,5% C-el; b. 4,3% C-el; c. 5,5% C széntartalommal) (Nital, 100:1)

A gyakorlatban használt acélok túlnyomó részt vasat és 2% -nál kevesebb karbont tartalmaznak, de emelett még tartalmaznak úgynevezett szennyező és ötvöző elemeket:

Acél = Fe + C + szennyező (+ötvöző) elemek

A szennyező elemek olyan, az acél előállítása során visszamaradt elemek, amelyek annak tulaj­donságait lerontják, miáltal a gyártási eljárások folyamán a visszamaradt mennyiségét minél kisebb ér­tékre igyekeznek leszorítani. Az ötvöző elemeket az acélgyártás folyamán beleviszik az anyagba, azon célból, hogy bizonyos tulajdonságait feljavítsák.

Az vas ötvözetek osztályozása

Az egyensúly diagram szerint az acélok az eutektoidikus pont széntartalmához (0,77% C) vi­szonyítva három csoportba oszthatók:

hipoeutektoidos acélok 0-0,77% C);

eutektoidos acélok (0,77% C);

hipereutektoidos acélok (0,77-2,11% C).

Az öntöttvasak az eutektikus pont szerint feloszthatók:

hipoeutektikus öntöttvasak (2,11-4,3% C);

eutektikus öntöttvasak (4,3% C);

hipereutektikus öntöttvasak (4,3-6,67% C).

A vegyi összetétel alapján az acélok feloszthatók:

ötvözetlen vagy szén acélokra, amely a karbonon kívül nem tartalmaznak szándékosan be­vitt elemeket, csak olyanokat, amelyek az acélok gyártá­sához szükségesek;

ötvözött acélokra melyek a mindig megtalálható elemekből a normális módon elérhető legki­sebb mennyiségnél többet, vagy pedig ezeken kívül szándékosan hozzá adott elemeket is tartalmaznak.

Az ötvöző elemek mennyisége alapján megkülönböztetnek:

gyengén ötvözött acélokat (az összes ötvözőelem mennyiség max. 5% );

közepesen ötvözött acélokat (az ötvözőelem mennyisége 5-10% );

erősen ötvözött acélokat (10% feletti összötvözőelem mennyiség).

Az acélok minősége szerint vannak:

alap acélok (ötvözetlen acélok, amelyekre nincs előírva olyan minőségi követelmény, amely a gyártás folyamán különleges gondosságot igényelne);

minőségi acélok (különös gondossággal előállítot szén vagy gyengén ötvözött acélok, ala­csony S és P tartalommal, előírt szemcsemérettel, felületi minőséggel, stb.);

nemesacélok (különleges gondossággal előállított ötvözetlen, vagy ötvözött acélok, amelye­ket utólagos hőkezelésnek vetnek alá).

A gyártási mód szerint az acélok lehetnek Siemens-Martin-, konverteres Bessemer vagy Thomas-, levegő-, vagy oxigén befúvásos konverteres-, elektromos ív kemence-, tégely-, vakum- stb. acélok, annak függvényében, hogy milyen típusú kemencében állítják elő és milyen technológiát alkalmaznak

Az alkalmazott dezoxidálási eljárás alapján gyártanak:

csillapítatlan acélokat, amelyek gyártásánál csak a szokásos oxigén kivonó eljárásokat alkal­maznak;

csillapított acélok, melyeknél az oxigént szilárd halmazállapotú, vegyületeket képző elemek­kel lekötik (Si, Mn) és salak formájában eltávolítják;

különlegesen csillapított acélok, melyeknél a dezoxidálás folyamán nitrogént lekötő és szemcsefi­nomító elemeket is alkalmaznak (Ti, Al, V, Nb).

A szövetszerkezetük függvényében az acélok lehetnek:

A felhasználási mód szerint megkülömböztethetők:

szerkezeti acélok, melyeket a gép- és járműgyártás, acélszerkezetek gyártása, stb. területen, mint alapanyagot hasznosítanak, kis széntar­talommal (C=0,25% ), vagy közepes szén tarta­lommal (C=0,2-0,6% ), nemesített szövetszerkezettel. Ezen acéloknál a szilárdság mellett megfelelő szívósságot és képlékenységet is megkövetelnek;

szerszám acélok, melyeket forgácsoló- és alakítóműveletek szerszámai készítésére gyárta­nak. Ezen acélfajtáknál nemesített állapotban elenged­hetetlen a nagy kopásállóság, vala­mint, hogy a rájuk ható igénybevételeket alakváltozás nélkül elviseljék;

különleges acélok és ötvözetek, melyek általában erősen ötvözöttek, különleges tulajdonságo­kat mutatnak és speciális esetekben alkalmazzák, mint hőálló, korrózióálló, mágneses, nem hőtáguló, stb. acélok, vagy ötvözetek.

A szennyező és ötvöző elemek hatása az acélok tulajdonságaira

A szennyező elemek általában csökkentik az acélok minőségét, csökkentik a szilárdságot, képlé­kenységet, szívósságot, növelik a törékenységet és a melegen vagy hidegen jelentkező repedési hajlamot.

Az oxigén a legnemkívánatosabb szennyező elem, mely nagyban csökkenti az acél minden me­chanikai és technológiai tulajdonságát. Az oxigén a vasércből, rozsdából vagy a levegőből kerül az anyagba, az acél szerkezetében vegyületek formájában fordul elő (FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄ stb.) és dezoxidálással, finomításal, vákuumos eljárással stb. távolítják el, úgy, hogy a maradó mennyiség 0,005% alatt legyen.

A nitrogén növeli az acél szilárdságát, keménységét és kopásállóságát, de erősen csökkenti a szí­vósságát, elősegíti a hidegen alakított acél öregedését és 300-500 ⁰C között előidézi a kéktörékenység je­lenségét. A nitrogén a levegőből vagy szerves anyagokból kerül az acél összetételébe és vákuum kezelés­sel, vagy nitridképző elemek bevitelével (Al, Ti, Nb) csökkentehető a kedvezőtlen hatása. A megengedett N₂ mennyiség szintén 0,005% .

A hidrogén az acél folyékony állapotában oldódik, de gyors lehűléskor az acél elridegedését idézi elő, mikrorepedések kialakulása folytán. Általában nedvességből, rozsdából, vagy szerves anya­gokból (olajok, zsírok, festékek, műanyagok) jut az olvadt acélba és teljes kivonása csak vákuumos el­járással érhető el.

A kén szintén nagyon negatív hatású elem, ércekből, vagy szerves anyagokból jut a folyékony acélba, mely szilárdulása után annak képlékenységét és korrózióállóságát nagy mértékben csökkenti. Előidézi az acél ún. melegrepedési hajlamát azáltal, hogy vasszulfidot (FeS) képez, mely az alapanyag­gal 975 ⁰C-on olvadó eutektikumot képez, mely a meleg megmunkálás folyamán megolvad és repedé­seket okoz. A ként Mn és Ca kezeléssel kötik meg a nemesítés folyamán. A melegrepedési veszély nagy mértékben csökken, ha a kéntartalom 0,025% -nál nem nagyobb.

A foszfor növeli a szilárdságot, önthetőséget és korrózióállóságot, viszont az acélt hidegen ridegiti, a szemcsehatárokon kiváló FeP₂, FeP₃ vegyület hatására. Kálciummal való kezeléssel a foszfortartalom 0,025% alá szorítható, amikor hatása már alig jelentkezik.

A réz szintén csökkenti az acél képlékenységét, 0,2% felett előidézi a vörös törékenységet, de növeli a szilárdságot és a korrózióállóságot.

Az ötvözött acélok legfontosabb adalék elemei a C, Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Al, Ti, Nb, Co, B, N stb. Ezeknek különböző pozitív és negatív hatásuk van az acélok tulajdonságaira, de az ötvözés fo­lyamán általában csak a pozitív hatások összegeződnek, úgy, hogy hatásukra javul a mikroszövet fi­nomsága, nő a szilárdság, szívósság, keménység, képlékenység, fáradási ellenállás, edzhetőség, he­geszthetőség, forgácsolási megmunkálhatóság, meleg és hideg ellenállás, kopás-, korrózió- és oxidációellenállás stb.

A karbon hatására a szakítószilárdság, keménység és a folyáshatár nőnek, de a szívósság, ütő­munka, szakítási nyúlás és szűkülés jelentősen csökkennek, mint ez a 4. ábrán látható.

4. ábra Az ötvözetlen acélok egyes mechanikai tulajdonságainak változása a szén tartalom függvényében
(HB-keménység, R_m-szakítószilárdság; R_p-folyási határ; Z-fajlagos szakító szűkülés;
A-fajlagos szakító nyúlás; KCU₂-fajlagos ütőmunka).

Az ötvöző elemek többsége oldódik a vasban, a Cr és V korlátlanul, a Co <75% -, Ni <24% -, Si <14% -, Mn <10% -, Mo <32% -,W <32-ig, míg a Ti csak 6% -ig, a Cu meg 1% -ig. A Pb és az Ag a vassal nem alkotnak szilárd oldatot. Ezek az elemek oldódhatnak úgy az ausztenitben, mint a ferritben, megváltoztatva a vas kritikus átlakulási hőmérsékleteit (5. ábra).

5. ábra. Egyes ötvöző elemek hatása a vas fázisváltozási kritikus hőmérsékleteire

Ezek szerint vannak úgynevezett -gén, ausztenit mező szélesítő elemek (Ni, Mn, Pt), melyek emelik az A₄ és csökkentik az A₃ pontok hőmérsékletét, és vannak -gén, ferrit mező növelő elemek (W, Mo, Si, Cr), melyek bezárják az ausztenit területét, mivel az A₄-es kritikus pontot csökkentik és az A₃-t emelik, míg a kettő össze nem ér. Persze vannak ötvöző elemek, melyek csak részlegesen oldód­nak a vasban, de szintén növelik (C, N, Cu), vagy csökkentik (B, Zr, Nb, Ta) az ausztenit mező nagy­ságát. Az ötvöző elemek többsége szubsztitúciósan oldódnak a ferritben, növelve annak szilárdságát, legjobban a Ti, Si, Mo,W, Mn. Gyors hűtés esetén a ferrit keménysége és szilárdsága legjobban a Mn, Ni, Cr és Si tartalommal növekszik. Általában a ferrit nyúlását, kontrakcióját, képlékenységét a Si és Mn erősen lerontja, de 1-2% Mn tartalom esetén az acél képlékenysége javul.

A periódusos rendszerben a Fe-tól balra eső elemek, a vassal alkotott szilárd oldaton kívül a szénnel vegyületeket, karbidokat is képezhetnek (Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Zr, Ti). Minél inkább az öt­vöző elem a vastól balra, távolabbra helyezkedik el, a karbidok stabilitása annál nagyobb, keménysé­gük és olvadási hőmérsékletük nő. Megkülönböztetünk komplex szerkezetű karbidokat (Mn₃C, Cr₂₃C₆, Cr₇C₃), intersztíciós karbidokat (Mo₂C, W₂C, WC, TiC, VC, NbC stb.), dupla karbidokat (Fe₂Mo₂C, Fe₂W₂C) és ötvözött cementitet, mint például a (Fe,Cr)₃C. A Ni, Si, Co, Al és Cu elemek az acélban nem alkotnak karbidokat.

Az ötvözött acélok szövet szerkezete nagy mértékben függ az ötvöző elem és a szén tartalom reciprok százalékos mennyiségétől (6. ábra). Nagyon lassú, kemencével történő lehűtés esetén az acél szerkezete lehet hipoeutektikus, hipereutektikus, monofázikus vagy ledeburitikus (a.,b.). A levegőn való lehűléskor a főbb szövet elemek a perlit, martenzit és monofázisú szövetek (α, γ) karbidokkal (c.).

6. ábra
Az ötvözött acélok szövet szerkezeti diagramjai, nagyon lassú lehűlés
(a.,b.) és (c.) a levegőn való lehűlés (Guillet diagram) esetére.

Szerkezeti acélok

a. Általános rendeltetésű ötvözetlen szerkezeti acélok rendszerint melegen hengerelt, vagy ko­vácsolt anyagok, melyeket a mechanikai tulajdonságok (minimális szakító szilárdság, nyúlás, fajlagos ütőmunka) alapján jelölnek és választanak ki, acél­szerkezetek és gépelemek gyártása céljából, képlé­keny alakítással, forgácsolással, hegesztéssel megmunkálva. A vegyi összetételt szintén szavatolják, de az acél tisztasága nem a legnagyobb. Jelölésük Romániában az OL betűkkel van szimbolizálva, mely után a minimális garantált szakítószilárdságot (N/mm²) jelölik 10-el osztva. Általában négy márka cso­portot szabványosítanak:

OL 30; OL 32 és OL 34 jelű acélok fémszerkezetek és gépelemek anyagai;

OL 37; OL 42 gépelemek és hegesztett szerkezetekhez használatosak;

OL 44 és OL 52 növelt szilárdságú Mn és Si-mal ötvözött jól hegeszthető acélok;

OL 50; OL 60 és OL 70 gépelemek és mechanikai szerkezetek anyagai.

Az europai normák (EN) szerint ezen acélokat S (szerkezeti) vagy E (gépacél) betűkkel szim­bolizálják, mely betűk után a garantált folyási határt írják MPa-ban jelölve. Például: S235 J0N; S275 J2N; S355 K2N; E295 N; E335 N; E360 N, stb.

b. Hegesztett szerkezetek acéljai esetében a mechanikai tulajdonságok mellett a gyártó cég a he­geszthetőséget is garantálja. Az acél nem edzhető, nagy tisztaságú, nem érzékeny hideg, vagy meleg repedékenységre, nem tartalmaz vöröstörékenységet okozó szennye­ződéseket. A szilárdság növelése érdekében mikroötvöző elemeket is tartalmaznak (Al, Nb, V, Ti, N, Zr) összesen maximum 0,15% -ban, ami által hegesztéskor a szem­csefinomság és a folyáshatár magas értéke nem változik. Romániá­ban ezen acélokat OCS betűkkel és a minimális garantált szakítószilárdság (N/mm²) 1/10 értékével je­lölik: OCS 44; OCS 52; OCS 55; OCS 58.

c. Kazánacélok nagy tisztaságú melegen hengerelt hegeszthető lemez anyagok, melyeknél a szokásos szilárdsági tulajdonságok mellett a gyártó vállalat biztosítja a magasabb hőmérsékleten való működéshez szükséges tulajdonságokat, mint a 0,2% -os egyezményes folyáshatárt 50-400⁰C hőmérséketi tartományban, 1% -os kúszáshatárt, a különböző hőmérsékleten meghatározott időszi­lárdságot stb. Hazai kazánacél márkákat K betűvel jelölik, ami után egy szám a garantált minimális szakítószilárdság tized értékét tüntetik fel, vagy megadják az acél alapvető ötvöző elemeit: K 41; k 47; k 52; 16Mo3; 14CrMo4;

EN szerint ezeket a karbon acélokat P betűvel és a minimális garantált folyáshatár MPa-ban való kiírásával jelölik, az ötvözött acélokat meg úgy mint fennt, a főbb elemek és azok tartalmával írják ki. P275N; P355N; P460N; 16No3; 13CrMo4; 10CrMo9;

d. Nyomástartó edények hasonló szén vagy ötvözött hegeszthető lemez acélok, mint a fennt el­soroltak, de biztosítják a konvencionális folyáshatárt és az ütőmunkát (KV) különböző negatív hőmér­sékleten (-20, -50 ⁰C, stb.). Romániai jelölésük az R betű és N/mm² /10 minimális szakítószilárdság kiírásán alapul: R 37; R 44; R 52;

EN szerint ezen az acélokat is úgy jelölik mint a kazán acélokat: P275NL1; P355NL1;

e. Légköri korróziónak ellenálló szerkezeti acélok gyengén ötvözöttek Cr, Cu, Ni, P elemekkel, ös­szesen 1% tartalommal, melyek a normális időjárási és légköri vi­szony­ok­nak kitett szerkezeten jól tapadó, tömör foszfátos, szulfátos, hidroxidos vagy oxidos védő rozsda réteget képeznek, ami az acélt meg­védi a további korroziótól. Hazai jelölésük az RCA; RCB betűcsoportokat használják: RCA 37; RCB 52;

EN szerint S (special) betű és a minimális folyáshatárt írják ki. A W kiegészítőjel utal az időjárásállóságra: S235JRW; S275JRW; S355JRW;

f. Hidrogénnyomásálló acélok speciális Cr, Mo, V, W elemekkel ötvözött acélok, melyekben stabil karbidok vannak, amelyek megkötik a szenet, úgy, hogy a hidrogén felületi disszociáció és diffú­zió útján nem tudja elbontani az anyag vaskarbidjait, azt dekarbonizálni, miközben metangáz képződik. Ez a folyamat mind erősebb a magasabb hőmérsékleten és nyomáson (200 ⁰C felett), minek következ­tében az acél szilárdsága és szívósága jelentősen csökken. Ezen acélok előmelegítve hegeszthetők, fő­képp olajipari, finomítók, hidrogénező berendezések készítése céljából. Jelölésük a kémiai összetétel alapján történik:

10Cr2Mo 1; 16Cr2Mo; 12Cr5Mo; 17Cr3MoV; 24Cr2Mo; 21Cr3MoW;

g. Csőacélok szintén lehetnek ötvözetlenek, vagy gyengén ötvözöttek, 0,09-0,5% széntarta­lommal, melyekből különböző melegen, vagy hidegen húzott csöveket gyár­ta­nak. Romániai jelölé­sük az OLT betűkön alapszik, a minimális szakí­tószilárdság 1/10 értékének kiírásával: OLT 35; OLT 45; OLT 65; 10CrMo10; 10CrMo50; 16Mo3; 14CrMo4;

Ha a kazánok számára készül K betűt írnak a szimbólum után, ha meg nyomás­tar­tályokban használják R a komplementáris jel: OLT 35K; OLT 45K; OLT 35R; OLT 45R;

h. Öntött ötvözetlen acélok közönséges alap acélok, melyekből gépalkatrészeket, gépálványokat, szivattyú és csaptesteket stb. készítenek, direkt öntés útján. Ezen acélok kategóriát az OT jelzi, a minimális garantált szakítószilárdság N/mm² értékét kiírva:

OT 400; OT 450; OT 500; OT 550; OT 600; OT 700;

i. Rugóacélok nagy tisztaságú, ötvözetlen, vagy ötvözött (Cr, Si, Mo, V, Mn) acélok, 0,4-0,7% szén tartalommal, különböző lemez-, tekercs-, vagy csavar rugók számára készítve. Az ilyen célra az acél nagy folyási határral rendelkezik (1000-1350 MPa), az R_p/R_m viszonya magas kell legyen, nagy rugalmassága és nagyon kicsi képlékeny alakváltozással. Hazai jelzése az OLC betűkkel kezdődik, a közepes széntartalom 10-szeres értékével folytatódik és az A betűvel végződik: OLC 55A; OLC 65A; OLC 70A; OLC 75A; OLC 85A; OLC 90A; 51 Si 17A; 60 Si 15A; 51 VCr 11A; 60 CrMnSi 12A, stb;

j. Automata acélok nagy teljesítményű és nagy forgácsolási sebességű automata eszterga és más megmunkáló gépeken való alkatrészek készítésére előállított, kis széntartalmú anyagok, melyek forgácsolásakor nem keletkeznek hosszú összefüggő forgácsok, amik akadályozzák a megmunká­lást. A töredezett forgács létrehozása céljából az acélt ötvözik olyan elemekkel, melyek lerontják a szívóssági tulaj­donságokat (S, P, Bi, Pb). Jelölésük az AUT betűk után írt 100-szoros% széntarta­lommal történik: AUT 12; AUT 20; AUT 30; AUT 40 Mn; Az ólommal ötvözött (Pb=0,18-0,25% ) automata acélokat az OL után írt szakítószilárdság 1/10 értéke és a Pb vegyjel kiírásával jelölik: OL 56 Pb; 38 Cr 05 Pb;

k. Hidegen alakítható acélok, nagy alakváltozó képességű lágy acélok (C<0,2% ), képlékeny hidegalakítással (hajlítás, sajtolás, mélyhúzás) gyártott alkatrészek (edények, autó-karosszériák elemei, tartályok, stb.) készítésére. A hidegalakított alkat­részek minőségét nagyban befolyásolja a ferrit szem­csék nagysága, a perlit alkja és a ki­váló tercier cementit léte. A durvaszemcsés acél könnyen alakítható, de a felülete egyenlőtlen lesz, a nagyon finom szemcsés, erősen visszarugózik. A gömbszemcsés perli­tes acél különösen jól alakítható. A hazai normatíva szerint ezen acélok az A betűvel jelölendők, ami után egy sorszám van leírva: A 1; A 2; A 3; A 4; A 5.

Nemesíthető nagyszilárdságú acélok

A nemesíthető acélok jelentős igénybevételű gépalkatrészek (tengelyek, hajtómű alkatrészek, karok, rúdak, fogaskerekek, stb.) anyagául szolgálnak. Magas folyási és kifáradási határral, megfelelő szívóssággal, nagy dinamikus igénybevétel elbírásával rendelkeznek, amiket dupla hőkezeléssel, edzés­sel és magasabb hőmérsékleten (500-600⁰C) történő megeresztéssel érnek el, ezáltal úgynevezett szorbitikus nagyon finom szemcséjű szövetszerkezetet lehet megvalósítani, melynek alapanyaga a fer­rit, amelybe finom cementit gömbök ágyazódnak. Ezáltal a folyási határ a szakítószilárdságnál gyor­sabban nő és így az R_p0,2/R_m viszonya 0,6-0,85 értékeket is elérheti. Úgyszintén jelentősen megnő a ki­fáradási határ és a fajlagos ütőmunka, ami a dinamikus igénybevétel szempontjából nagyon fontos.

a. Nemesíthető ötvözetlen acélok 0,25-0,60% széntartalmú hipoeutektoidos elektro-kemencék­ben előállított, nagy tisztaságú, speciálisan csillapított acélok, alacsony S és P tartalommal (0,025% ). Belőllük tengelyeket, csavarokat, hengereket, hajtókarokat, horgokat, tolattyúkat, fogaskereket, excen­tereket, bütykös tengelyeket stb. gyártanak, nem túl nagy keresztmetszettel. Ezen anyagok minőségét, OLC betűkkel és egy kétjegyű számmal jelölik, ami a széntartalom 100 szoros százalék értékét jelöli:

OLC 25; OLC 30; OLC 35; OLC 40; OLC 45; OLC 50; OLC 55; OLC 60.

A kisebb széntartalmúak szívóssabbak, de szilárdságuk kisebb. A nagyobb karbon tartalmú acélok nemesítve nagy szilárdságúak, de ridegebbek és az ütőmunkájuk is kisebb. A kopásállóságuk felületi edzéssel jelentősen növelhető.

b. Ötvözött nemesíthető acélok jobb minőségűek, de sokkal drágábbak mint a karbon acélok. Az ötvöző elemek (Cr, Mn, Si, Ni, Mo, V, ) megnövelik a szilárdságot, szívósságot, keménységet, az át­edzhető szelvényátmérőt, csökkentik a megeresztési ridegséget és a kritikus átmeneti hőmérsékletet. Ezen acélok kiválasztása általában az elérhető folyási határ alapján, az átmérő függvényében történik. A nyúlás és az ütőmunka az átmérő növelésével nő, a folyáshatár pedig csökken.

A gyakorlatban felhasználnak egy, két, vagy több elemmel ötvözött acélokat, mivel az ötvöző ele­mek számának és mennyiségének növelésével a pozitív hatások összegeződnek és tovább nőnek, de ugyanakkor az anyagok ára is jelentősen megemelkedik.

Ni-Cr acélok a legjobban ötvözött nemesíthető anyagok, melyekben 1-5% Ni és 1,2-2% Cr van. A Ni/Cr=3 arány biztosítja a magas szilárdságot, szívósságot, átedzhetőséget. Nagyobb áruk miatt csak nagy átmérőjű ( Ø>30 mm) alkatrészek gyártására használják.

Ni-Cr-Mo acélok még jobbak, mert a 0,2-0,4% Mo jelentősen csökkenti a megeresztési töré­kenységet és növeli a mechanikai és technológiai tulajdonságokat;

Ni-Cr-W acélok nagyobb keménységűek és jobb a kopásállóságú; Cr-Mn acélok olcsóbbak, jó az átedzhetőségük, keménységük, szilárdságuk; Cr-Mo acéloknak nagy az átedzhetőségük; Cr-V acéloknak nagy a rugalmasságuk és finom a szerkezetük; Mn-Si acélok a legolcsóbbak, de a szívósságuk kisebb.

Romániában az ötvözött nemesíthető acélok márka jelzései a széntartalom 100-szoros értéket jelentő számjeggyel kezdődik, melyet az ötvöző elemek kémiai vegyjelei követnek a tartalom emel­kedő sorrendjében. Az utolsó szám a legnagyobb mennyiségben jelenlevő ötvöző elem 10-szeres tar­talmát mutatja. A fontosabb markák közül a követ­kezők a használatosabbak: 40 Cr10; 40 CrNi20; 34 MoCrNi16; 20 MnCr12; 26 MoCr11; 51 VMnCr11; 35 MnSi13;20 MnCrSi11; 36 MnCrSi13; 40 BCr10; 28 TiMnCr12; 21 MoMnCr12; 39 MoAlCr15;

c. Öntött nemesíthető acélok hasonlóak a fennt feldolgozott anyagokkal, ezeket kész alkatrész formába öntik, aztán megfelelően hőkezelik. A STAS 17773-76 szabvány alapján a hengerelt acélok­hoz hasonlóan jelölik, megtoldva egy T betűvel a szimbólumok előtt: T 20 Mn14; T 40 Mn11; T30 MnSi12; T34 MoCr09; T35 MoCrNi08;

d. Gördülőcsapágy acélok nagy keménységel, kopásállósággal, szívóssággal és magas kifára­dási határral rendelkeznek. Ezt főképpen az 1,5% Cr és 1% C tartalommal és megfelelő hőkezeléssel biztosítják. Hazai normák szerint csak 2 típusú csapágyacélt gyártanak: RUL 1; RUL 2; (az utobbi 1% Mn-t tartalmaz az átedzhetőség növelésére)

Betétben edzhető acélok

Cementálással, nitridálással, vagy más felületi termokémikus kezeléssel és az azt követő edzés­sel (betétedzés) nagy felületi keménység érhető el, alacsony széntartalmú, nagy szívósságú acélokból készült alkatrészeken. Általában az alapacél 0,08-0,25% szenet tartalmaz és a cementálás után a felü­leten 0,9-1% C tartalom érhető el, 60-63 HRC keménységgel.

a. Betétben edzhető szénacélok szabvány minőségei a következők:

OLC 08; OLC 10; OLC 15; OLC 20: OLC 25;

b. Betétben edzhető ötvözött acélokban főképpen a Cr, Mo, Al azok az elemek, melyek elősegí­tik a karbon és nitrogén diffúzióját, megemelik a dúsított réteg keménységét és kopásállóságát. Fonto­sabbak:

15 Cr9; 17 MnCr10; 19 MoCr11; 17 CrNi16; 17 MoCrNi14; stb.

c. Nitridálható acélok nagyobb széntartalommal rendelkeznek és tulajdonképpen a nemesíthető acélok kategóriájába tehetők Cr, Mo, Al, Ti, V, W elemekkel ötvözve. Nitridálással, 500-580⁰C-on disszociált ammóniás közegben, az acél felületén minden további hőkezelés nélkül igen kemény, ko­pásálló, kifáradási határt és korrózióállóságot jeletős mértékben növelő réteg hozható létre. Nagyon fontos, hogy az ötvöző elemekkel igen kemény és stabil nitridek jöjjenek létre. Ezen acélok közül meg­említhetők a következők:

31 CrMo12; 34 CrAlMo5; 41 CrAlMo7;

Könyvészet

Verő József-Káldor Mihály: Vasötvözetek fémtana, Műszaki Könyvkiadó, Budapest,1976.

Verő József-Káldor Mihály: Fémtan, Tankönyvkiadó, Budapest, 1993.

Artinger István-Csikós Gábor-Krállics György-Németh Árpád-Palotás Béla: Fémek és kerámiák technológiája, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 1999.

Artinger István-Kator Lajos-Ziaja György: Új fémes szerkezeti anyagok és technoló­giák, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1974.

Prohászka János: A fémek és ötvözetek mechanikai tulajdonságai, Műegyetemi Kiadó, Buda­pest, 2001.