Ocel a slitiny se speciálními vlastnostmi
Obsah
Ocel a slitiny se speciálními vlastnostmi se navrhují v případech, kdy trvanlivost součásti již není určována pouze klasickými mechanickými parametry a do popředí se dostává jedna dominantní funkce: odolnost proti opotřebení, odolnost proti korozi, stabilita při vysokých teplotách nebo záměrně tvarované fyzikální vlastnosti, jako je vysoký elektrický odpor, specifická tepelná roztažnost nebo magnetické vlastnosti. U těchto materiálů se chemické složení a zpracování nevybírají „obecně“, ale přímo pro mechanismus, který má fungovat během používání: materiál má ztvrdnout v povrchové vrstvě, pasivovat se v daném prostředí nebo vytvořit ochrannou vrstvu v horkých plynech.
V praxi se velmi zřídka vyskytuje slitina, která je „odolná vůči všemu“. Odolnost proti korozi silně závisí na typu prostředí, odolnost proti otěru závisí na tom, zda převládá „broušení“, tření nebo opotřebení pod vysokým tlakem a nárazy, a vlastnosti při vysokých teplotách je třeba zvažovat samostatně jako tepelnou odolnost (odolnost proti oxidaci) a tepelnou odolnost (odolnost proti tečení). Proto smysluplný popis speciálních ocelí vychází z pochopení „co způsobuje daný účinek“ a „jaké jsou okrajové podmínky“, spíše než z memorování několika názvů.
Ocel odolná proti oděru
Velmi charakteristickým materiálem s vysokou odolností proti otěru je austenitická manganová ocel 11G12, obsahující přibližně 1–1,3 % C a 11–14 % Mn, s doporučeným poměrem uhlíku k manganu blízkým 1:10, protože pouze dostatečný obsah uhlíku zajišťuje trvanlivost austenitické struktury. Tato ocel, známá jako Hadfieldova ocel, se vyznačuje neobvyklou sadou vlastností: má nízkou mez kluzu (řádově Re ≈ 400 MPa) a nízkou tvrdost (přibližně 210 HB), ale zároveň má velmi vysokou pevnost v tahu (přibližně Rm ≈ 1050 MPa) a výjimečně dobré plastické vlastnosti a rázovou pevnost (včetně A ≈ 50 % a vysoké rázové pevnosti podle Charpyho).
Zdrojem jeho odolnosti proti opotřebení není jeho „počáteční tvrdost“, ale jeho chování při zatížení. Vzhledem k tomu, že ocel má nízkou mez kluzu, snadno a velmi silně se zpevňuje, a to výrazně intenzivněji než mnoho typických konstrukčních ocelí. Kromě toho se pod tlakem může austenit v povrchové vrstvě transformovat na martenzit, což lokálně zvyšuje tvrdost a brání dalšímu opotřebení. Tento mechanismus činí ocel Hadfield odolnou jak proti otěru, tak proti nárazům, zatímco klasické kalené oceli, ačkoli jsou odolné proti otěru, často ztrácejí v nárazových aplikacích kvůli své křehkosti.
Homogenní austenitická struktura je předpokladem pro získání požadovaných vlastností. Při pomalém ochlazování se vedle austenitu objevují karbidové výkaly, které zhoršují vlastnosti. Proto je ocel 11G12 přesycená při teplotě kolem 950–1000 °C s vodním chlazením, aby se dosáhlo co nejhomogennějšího austenitu. Z praktického hlediska je důležitá také mez použitelnosti: Hadfieldova ocel je odolná proti otěru především v případě, že opotřebení doprovází významný povrchový tlak; za podmínek „broušení“ bez tlaku nevykazuje své výhody. Z tohoto důvodu se používá pro železniční výhybky, čelisti drtičů a kolejnice vozidel, tj. tam, kde současně dochází k vysokému tlaku a častým nárazovým zatížením. Cenou za tyto výhody je velmi obtížná obrobitelnost – v praxi je přípustná hlavně s karbidovými nástroji.
Nerezové, kyselinovzdorné a nerezavějící oceli
Koroze je proces destrukce kovu způsobený vnějším prostředím, který začíná na povrchu a postupuje dovnitř, přičemž tento postup je někdy nerovnoměrný. Z hlediska mechanismu se rozlišuje mezi chemickou korozí, typickou pro působení suchých plynů při vysokých teplotách, a elektrochemickou korozí, ke které dochází v kapalinách (nejčastěji ve vodných roztocích) za účasti elektrolytu a proudu v lokálních článcích. Klíčovým poznatkem je, že tento proces lze zabránit, pokud se na povrchu vytvoří vrstva korozních produktů, která splňuje podmínky „ochranné bariéry“: musí pevně pokrývat kov, nerozpouštět se v prostředí, dobře přilnout a mít podobný koeficient roztažnosti jako kov, aby při teplotních změnách nepraskala. To intuitivně vede k myšlence nerezových ocelí, jejichž odolnost vyplývá z udržení stabilní, pevné pasivní vrstvy.
V nerezových ocelích je nejdůležitější složkou chrom, protože pouze dostatečně vysoký obsah Cr umožňuje trvalou pasivaci. Materiál rozlišuje mimo jiné chromové oceli s různým obsahem uhlíku a ukazuje, jak složení ovlivňuje strukturu v systému Fe–Cr–C. Při velmi nízkém obsahu uhlíku (pod cca 0,1 %) se feritové pole může rozprostírat po celém teplotním rozsahu a ocel má feritickou strukturu; při středním obsahu uhlíku (přibližně 0,20–0,30 %) se po zahřátí objeví částečný austenit a po ochlazení se získá směs feritu a martenzitu, což vede k poloferitickým ocelím; při vyšším obsahu uhlíku se ocel po zahřátí zcela přemění na austenit a po ochlazení se stane martenzitickou. Na tomto pozadí jsou uvedeny příklady typických chromových ocelí: 0H13 jako feritická, 1H13 jako poloferitická a 2H13–4H13 jako martenzitická, s tepelným zpracováním spočívajícím v kalení při 950–1000 °C a popouštění při 600–700 °C, což umožňuje získat širokou škálu pevností v závislosti na obsahu uhlíku. Tyto oceli jsou odolné proti korozi ve vodní páře a v některých kyselinách (např. dusičné nebo octové), ale nejsou odolné proti kyselině chlorovodíkové a sírové, což jasně ukazuje, že „nerezavost“ není absolutní, ale závisí na prostředí.
V praxi existují také chromové nerezové oceli s vyšším obsahem Cr, například třídy v rozmezí 16–18 % Cr a přibližně 0,1 % C (např. H17), často s feritickou nebo feriticko-martenzitickou strukturou, používané v potravinářském průmyslu nebo pro výrobky každodenní potřeby, jakož i oceli s 25–28 % Cr (např. H25T) s feritickou strukturou, méně tvárné, ale také užitečné jako žáruvzdorné materiály při vyšších teplotách. Významným omezením feritických ocelí je to, že neprocházejí alotropickou transformací, takže je nelze „vylepšit“ klasickým tepelným zpracováním – zjemnění zrna se dosahuje hlavně plastickým zpracováním.
Nejvyšší odolnost proti korozi v mnoha aplikacích je dosažena pomocí austenitických chrom-niklových ocelí. Moderní jakosti obvykle obsahují 18–25 % Cr a 8–20 % Ni, přičemž nejběžnější je 18/8 ocel (a její varianty), která je odolná vůči mnoha korozivním médiím. Legující přísady umožňují „jemné doladění“ odolnosti: molybden (přibližně 1,5–2,5 %) zvyšuje odolnost v prostředí kyseliny sírové, měď (přibližně 3 %) snižuje náchylnost k koroznímu napětí a křemík (přibližně 2–3 %) může zlepšit odolnost vůči kyselině chlorovodíkové. Aby byla zajištěna homogenní austenitická struktura, jsou tyto oceli podrobeny nasycení při teplotě 1050–1100 °C s vodním chlazením, což je jeden z klíčových prvků technologie nerezové oceli.
Zároveň mají austenitické chrom-niklové oceli typickou „provozní past“: tendenci k mezikrystalické korozi po vystavení teplotám v rozmezí přibližně 450–700 °C, kdy se na hranicích zrn mohou uvolňovat karbidy chromu, což vede k vyčerpání chromu na hranicích zrn a lokálnímu odstranění pasivace. Materiál naznačuje klasické způsoby omezení tohoto jevu: velmi nízký obsah uhlíku (v rozmezí 0,02–0,03 %), stabilizace pomocí prvků silně tvořících karbidy (titan, niob), stabilizační žíhání při teplotě kolem 850 °C a přesycení. Toto je dobrý příklad toho, jak je u speciálních ocelí výsledek určen nejen složením, ale také „tepelnou historií“ materiálu.
Na pomezí klasických nerezových ocelí se nacházejí oceli, které jsou odolné proti korozi a používají se hlavně pro atmosférickou korozi. Myšlenka spočívá v tom, že povrch se časem pokryje vrstvou kompaktní, málo propustné rzi, která dobře přilne k podkladu a zpomaluje další korozi; tato ochranná rez se nazývá patina. Důležitou roli v této skupině hraje měď (přibližně 0,20–0,50 %) a pro zvýšení ochranného účinku se používá také chrom (až přibližně 1,3 %) a nikl, zatímco fosfor v přítomnosti těchto složek dále zvyšuje odolnost, proto se jeho obsah někdy zvyšuje. Jako příklady lze uvést známou ocel „Cor-ten A“ a její ekvivalent (10HNAP), které jasně ukazují, že cílem někdy není úplná nerezavost, ale spíše dosažení stabilní ochrany v atmosférických podmínkách.
Žáruvzdornost, teplotní odolnost, tečení a výběr skupin materiálů
Práce při vysokých teplotách klade dva různé požadavky. Žáruvzdornost znamená odolnost proti oxidačnímu účinku plynů při teplotách nad 550 °C, tj. v rozžhaveném rozsahu, kde uhlíková ocel rychle tvoří okuje a rychlost oxidace se s teplotou rychle zvyšuje. Žáruvzdornost se zvyšuje přísadami, jako jsou chrom, křemík a hliník, které mají větší afinitu k kyslíku než železo a tvoří kompaktní, pevně přiléhající vrstvu oxidů, která brání další oxidaci. Tento materiál poskytuje velmi praktický vztah: s obsahem nad 10 % Cr může být ocel žáruvzdorná při teplotě kolem 900 °C, zatímco zajištění žáruvzdornosti při 1100 °C obvykle vyžaduje 20–25 % Cr. Je také důležité, aby žáruvzdorná ocel neprocházela alotropickými přeměnami v rozsahu provozních teplot, protože související objemové změny mohou ohrozit integritu ochranné vrstvy.
Druhým požadavkem je tepelná odolnost, tj. schopnost odolávat dlouhodobému zatížení při vysokých teplotách bez nadměrné deformace. Zde vstupuje do hry jev tečení: při konstantním namáhání se materiál v průběhu času prodlužuje a typická křivka tečení zahrnuje úsek, kde je rychlost deformace přibližně konstantní; právě tento úsek je při porovnávání materiálů obzvláště důležitý. Tepelný posun lze chápat jako „boj“ mezi dvěma procesy: zpevněním prostřednictvím zvýšení hustoty dislokací a vysokoteplotním zotavením, které toto zpevnění odstraňuje. U tepelně odolných materiálů je proto cílem zajistit, aby struktura odolávala zotavení a rekrystalizaci co nejúčinněji při provozních teplotách.
U žáruvzdorných ocelí jsou důležité přísady molybdenu, wolframu a vanadu, ale samy o sobě neposkytují odolnost proti oxidaci, proto se v praxi kombinují s přísadami, které zvyšují žáruvzdornost, především s chromem, ale také s křemíkem a hliníkem. Pokud je požadována austenitická struktura, používá se také nikl a mangan. Materiál také udává standardní přístup k charakteristikám tepelné odolnosti (v kontextu tečení) prostřednictvím časových hodnot: napětí způsobující specifickou trvalou deformaci po dané době při dané teplotě a napětí způsobující prasknutí po dané době při dané teplotě, což zdůrazňuje, že „pevnost při vysoké teplotě“ vždy souvisí s dobou vystavení.
Výběr materiálu pro vysoké teploty závisí do značné míry na pracovním rozsahu. Materiál vykazuje praktické rozdělení: v rozsahu přibližně 350–500 °C se používají feritické nebo feriticko-perlitické legované oceli; v rozsahu 500–650 °C jsou častější austenitické oceli; v rozmezí 650–900 °C se používají slitiny na bázi niklu a kobaltu a nad 900 °C – slitiny žáruvzdorných kovů (včetně molybdenu a chromu). Toto rozdělení dobře vysvětluje, proč jsou pro kotle a energetická zařízení typické Cr-Mo oceli s mírnými přísadami, zatímco turbíny a proudové motory vyžadují slitiny s úplně jinou „třídou“ strukturální stability.
Ve skupině žáruvzdorných feritických a feriticko-perlitických ocelí, určených pro dlouhodobý provoz obvykle do teploty 500–550 °C, materiál uvádí příklady ocelí pro kotlové trubky obsahujících přibližně 0,1–0,2 % C, přibližně 1–2 % Cr, a 0,5–1 % Mo. Jsou svařitelné, ale před svařováním vyžadují předehřátí a po svařování se spoj normalizuje a popouští (materiál specifikuje popouštění při přibližně 700 °C), aby se dosáhlo co nejstabilnější struktury. To ukazuje, že u ocelí pro vysoké teploty je technologie výroby spojů součástí „materiálového balíčku“ a není pouze doplňkem na konci.
Mezi žáruvzdorné oceli patří chrom-hliníkové, chrom-křemíkové a chrom-niklové oceli. V aplikacích, jako jsou například ventilové oceli, se používají oceli se zvýšeným obsahem chromu a křemíku, například takzvané silchromy obsahující přibližně 0,4–0,5 % C, 8–10 % Cr a 2–3 % Si. Jejich tepelné zpracování zahrnuje kalení při teplotě kolem 1050 °C a popouštění při teplotě 680–700 °C, které kombinuje tepelnou odolnost součásti (chrom/křemík) s požadavky na pevnost prvku.
Pro nejnáročnější podmínky, zejména v turbínách a proudových motorech, je materiál popsán speciálními skupinami žáruvzdorných slitin: austenitické slitiny na bázi železa s chromem a niklem, komplexní slitiny Cr-Ni-Co-Fe, slitiny na bázi kobaltu a slitiny na bázi niklu (nimonic). Jsou uvedeny typické rozsahy provozních teplot a charakteristické tepelné zpracování, například přesycení a stárnutí (u slitin Cr-Ni-Co-Fe přesycení ve velmi vysokém teplotním rozsahu a stárnutí při teplotě kolem několika set stupňů; u slitin Nimonic přesycení v rozmezí přibližně 1050–1200 °C a stárnutí při teplotě přibližně 700 °C). Jedná se o odlišnou filozofii než u konstrukčních ocelí: zde vlastnosti vyplývají převážně z odolnosti proti tečení a řízeného zpevnění precipitací při vysokých teplotách, a nikoli pouze z „kalení a popouštění“.
Zvláštní fyzikální vlastnosti
V elektrických topných a odporových prvcích jsou vyžadovány materiály s vysokým měrným odporem, nízkým nárůstem odporu při vysokých teplotách a zároveň vysokou tepelnou odolností, nízkou tepelnou roztažností a vysokou teplotou tání. Materiál zdůrazňuje, že zde je výhodná struktura pevného roztoku, protože tento typ struktury podporuje větší elektrický odpor než fázové směsi. V praxi se používají dvě hlavní skupiny materiálů: slitiny niklu a chromu (nichromy) nebo austenitické chrom-niklové oceli se složením podobným žáruvzdorným ocelím, jakož i feritické chrom-hliníkové oceli známé pod obchodními názvy (např. Kanthal, Alchrom).
Samostatnou skupinu tvoří slitiny určené pro specifický koeficient tepelné roztažnosti. Materiál vykazuje zvláště silnou závislost roztažnosti na složení slitin Fe-Ni. Klasickým příkladem je invar obsahující přibližně 36 % Ni, který má velmi nízkou roztažnost v rozmezí přibližně –80 až +150 °C, přičemž mimo tento rozsah se koeficient výrazně zvyšuje. Ještě nižší roztažnost v určitém teplotním rozsahu je dosažena u superinvaru, který obsahuje přibližně 30–32 % Ni, 4–6 % Co a velmi málo uhlíku. Tyto slitiny se používají v přístrojích a mechanismech, které by neměly měnit své rozměry s teplotními výkyvy, stejně jako v zařízeních na kondenzaci plynu.
Druhá skupina slitin Fe-Ni je vybírána tak, aby její roztažnost odpovídala roztažnosti skla. Příkladem je platinit s obsahem přibližně 46 % Ni a nízkým obsahem uhlíku, který se používá k tavení skla v žárovkách a elektronkách. Ve stejné oblasti použití existují také bimetaly, tj. dvouvrstvé pásky získané svařováním materiálů s různými koeficienty roztažnosti. Když se takový prvek zahřeje, rozdíl v roztažnosti způsobí jeho ohnutí, což se využívá v zařízeních pro měření a regulaci teploty, spínačích, relé a tepelných ochranných zařízeních.
Magnetické vlastnosti – měkké, tvrdé a nemagnetické materiály
V elektrotechnice se materiály dělí na magneticky měkké, magneticky tvrdé a nemagnetické, přičemž požadavky na každou skupinu jsou odlišné. Magneticky měkké materiály se snadno magnetizují a demagnetizují, proto by jejich struktura měla být hrubozrnná a co nejblíže rovnovážnému stavu a obsah uhlíku a škodlivých nečistot (síra, fosfor, kyslík, dusík) by měl být co nejnižší, protože zvyšují koercitivitu a ztráty. Nejjednodušším příkladem je technicky čisté železo používané pro elektromagnety a jádra relé, ale běžně se používají také nízkouhlíkové oceli. V praxi jsou velmi důležité také křemíkové oceli, ve kterých je křemík přítomen v pevném roztoku; ty jsou základním materiálem pro elektrické ocelové plechy.
Materiál také poukazuje na to, že slitiny Fe-Ni mohou vykazovat obzvláště dobré magnetické vlastnosti a permalloy (slitina Fe-Ni s vysokým obsahem niklu) je často uváděn jako příklad klasické slitiny s velmi vysokou magnetickou permeabilitou, což dobře odpovídá praxi používání niklových slitin v přesných zařízeních. V oblasti permanentních magnetů, tj. magneticky tvrdých materiálů, je cílem, aby materiál po magnetizaci zachoval svou magnetizaci, což vyžaduje odlišné strukturální vlastnosti a často i odlišné legující přísady. Materiál zdůrazňuje, že nejlepší magnetické vlastnosti (v kontextu magnetů) vykazují oceli obsahující kobalt, jejichž použití je však omezeno dostupností kobaltu.
Velmi důležitou skupinou slitinových magnetů jsou slitiny Fe-Ni-Al-Co, známé jako alniko, které obvykle obsahují 14–28 % Ni, 6–12 % Al a 5–35 % Co. Jejich vlastnosti jsou dány nejen jejich složením, ale také tepelným zpracováním zahrnujícím homogenizaci při vysoké teplotě, následovanou přesycením (ve vodě nebo oleji) a poté stárnutím v rozmezí středních teplot. Díky tomu lze alnico použít k výrobě silných magnetů s malými rozměry a nízkou hmotností, což je u mnoha zařízení zásadní.
V některých aplikacích jsou však zapotřebí nemagnetické materiály, které se v magnetickém poli chovají neutrálně. Zde uvedeným materiálem je chrom-nikl-manganová ocel (např. H12N11G6) a chrom-manganová ocel (např. G18H3), které jsou tepelně zpracovány přesycením a jejichž mechanické vlastnosti lze dále zlepšit deformací za studena. To ukazuje, že ve skupině „magnetických“ materiálů lze speciální ocel navrhnout tak, aby maximalizovala i minimalizovala magnetické jevy.
Ocel a slitiny se speciálními vlastnostmi – shrnutí
Ocel a slitiny se speciálními vlastnostmi jsou materiály navržené spíše pro dominantní pracovní mechanismus než pro „průměrnou“ pevnost. U ocelí odolných proti opotřebení, jako je ocel Hadfield, je klíčové samotvrzení pod zatížením a možnost povrchové transformace, což zajišťuje odolnost proti opotřebení při zachování rázové pevnosti, ale zároveň přináší provozní a technologická omezení (tlak, obrobitelnost). U nerezových a kyselinovzdorných ocelí je základem pasivace založená hlavně na chromu, zatímco skutečná trvanlivost závisí na struktuře, legujících přísadách a tepelné historii, příkladem čehož je problém mezikrystalické koroze austenitických ocelí po zahřátí na určité teploty. V aplikacích s vysokými teplotami je nutné oddělit požadavky na tepelnou odolnost a tepelnou odolnost, porozumět úloze ochranné vrstvy a tečení a výběr materiálů se s rostoucí provozní teplotou pohybuje od ocelí Cr-Mo po superlegury na bázi niklu a kobaltu. A konečně, fyzikální vlastnosti, jako je elektrický odpor, tepelná roztažnost a magnetismus, ukazují, že ocel a slitiny mohou být navrženy jako funkční součásti zařízení – od odporových drátů a tepelného bimetalu až po permanentní magnety z hliníku a nemagnetické oceli pro použití v magnetických polích.
