Konstrukční legované oceli
Obsah
Konstrukční legované oceli jsou oceli určené pro součásti strojů a zařízení, které pracují v podmínkách považovaných za typické pro konstrukční mechaniku, tj. při teplotách v rozmezí přibližně –40 °C až 300 °C a v prostředí, které není zvlášť chemicky agresivní. V praxi to znamená, že tam, kde převládají mechanická zatížení a prostředí nevyžaduje odolnost proti korozi nebo tepelné odolnosti, je základním výběrovým kritériem spíše soubor mechanických vlastností než „speciální“ vlastnosti.
Nejčastěji požadovaným parametrem není samotná „pevnost v tahu“, ale vysoká mez kluzu, protože ta určuje, zda se součástka začne trvale deformovat pod pracovní zátěží. Současně se konstrukční prvky málokdy používají v dokonale statických podmínkách – ve skutečnosti dochází k proměnlivým zatížením, nárazům a vibracím, proto jsou velmi důležité únavová pevnost a odolnost proti křehkému lomu. V této souvislosti je důležitým pojmem teplota přechodu z tažného do křehkého stavu (Tpk), protože při nízkých teplotách se ocel může chovat mnohem křehčeji a pak se i lokální koncentrace napětí (např. vrypy, přechody průřezu, povrchové vady) stávají nebezpečnými. Pokud má součást fungovat za tření a kluzných nebo valivých kontaktů, je vyžadována vysoká tvrdost a odolnost proti opotřebení, čehož se obvykle dosahuje vytvořením tvrdé povrchové vrstvy při zachování tažného jádra.
Zde můžeme vidět, proč se legované oceli tak často upřednostňují před uhlíkovými ocelemi. Uhlíková ocel může po kalení dosáhnout vysoké tvrdosti, ale jejím hlavním omezením je nízká kalitelnost, což znamená, že u větších průřezů (materiál specifikuje limit přibližně 25 mm) nelze dosáhnout rovnoměrného kalení v celém průřezu. V důsledku toho má součást po následném popouštění odlišné vlastnosti na povrchu a v jádru, což je zvláště nevýhodné u dynamicky zatěžovaných konstrukcí. Legovaná ocel díky přísadám umožňuje „předvídatelnější“ a rovnoměrnější reakci materiálu v celém průřezu součásti.
Proč legování funguje
U konstrukčních ocelí je legování nástrojem, který primárně mění kinetiku austenitických transformací a tím ovlivňuje strukturu získanou po ochlazení. Nejdůležitějším praktickým účinkem je zvýšení kalitelnosti, tj. schopnosti oceli tvořit kalitelné struktury (martenzitické nebo bainitické) nejen na povrchu, ale i hluboko uvnitř materiálu. V praxi to má dva klíčové účinky. Za prvé umožňuje kalit větší součásti v mírnějších chladicích médiích (např. v oleji místo ve vodě), což snižuje riziko vzniku trhlin a omezuje deformaci. Za druhé umožňuje průchozí kalení po kalení a popouštění, tj. soubor vlastností jádra a povrchu, které jsou konzistentní v celém průřezu.
Druhým důležitým mechanismem je vliv přísad na fragmentaci strukturních složek a na chování oceli během popouštění. Jemnější struktura po transformaci podchlazeného austenitu obvykle znamená vyšší pevnost při zachování lepší odolnosti proti lomu. Zároveň mnoho legujících přísad způsobuje, že ocel si během popouštění „uchovává“ své příznivé vlastnosti a neztrácí je tak snadno, protože procesy změkčování jsou zpožděny nebo vyžadují vyšší teplotu. To je důležité, protože při konstrukci strojů nejde o maximální tvrdost, ale o trvalý kompromis: vysoká mez kluzu + rázová pevnost + stabilita vlastností.
Z tohoto důvodu se legované oceli velmi často používají v tepelně zpracovaném stavu. Samotné chemické složení málokdy „splní svůj účel“. Aby ocel mohla fungovat jako vysoce spolehlivý konstrukční materiál, je v praxi navržen celý balíček: výběr oceli + výběr procesu (normalizace, tepelné zpracování, nauhličování, nitridace, povrchové kalení) + výběr parametrů chlazení a popouštění. Teprve pak se legování stává skutečnou „kontrolou struktury“ a ne pouze přidáním prvků do chemické analýzy.
Nízkolegované oceli se zvýšenou pevností
Nízkolegované oceli se zvýšenou pevností, které se často používají v normalizovaném stavu, zaujímají důležité místo mezi konstrukčními legovanými ocelemi. Jejich specifikum spočívá v tom, že musí kombinovat zvýšenou mez kluzu (materiál uvádí rozsah přibližně 300–460 MPa) s praktickou svařitelností. Aby byla zachována svařitelnost, je obsah uhlíku omezen – materiál specifikuje, že nepřesahuje přibližně 0,22 %. To je velmi důležité: v této skupině není cílem zvýšit vlastnosti „zvýšením obsahu uhlíku“, ale kontrolou struktury a použitím mírných legujících přísad.
V normalizovaném stavu existují dva „modely“ mikrostruktury. Prvním jsou perlitické oceli s feriticko-perlitickou strukturou, kde jsou legující prvky přítomny v pevném roztoku ve feritu nebo jsou součástí karbidů v perlitu. Zvýšení pevnosti ve srovnání s uhlíkovými ocelemi s podobným obsahem uhlíku je způsobeno tím, že přísady ztvrzují ferit, podporují vyšší podíl tvrdších složek a podporují zjemnění zrna. Typickými přísadami v této skupině jsou především mangan, měď, křemík a hliník a v některých variantách také vanad a niob; jsou uvedeny také typické rozsahy, včetně manganu v rozmezí 1,0–1,8 % a křemíku v rozmezí 0,20–0,60 %.
Druhým modelem jsou bainitické oceli, které v normalizovaném stavu získávají bainitickou strukturu díky sadě přísad, které zpomalují difúzní transformace a podporují tvorbu bainitu během ochlazování. Materiál uvádí, že tato skupina může obsahovat malé množství přísad, jako je molybden a bor, stejně jako přísady, které ovlivňují kinetiku transformací, jako je mangan a chrom, což umožňuje dosáhnout velmi vysoké pevnosti i při ochlazení na vzduchu (materiál poskytuje rozsah 1100–1200 MPa). To ukazuje logiku této rodiny materiálů: svařitelnost je zachována díky nízkému obsahu uhlíku a „pevnost“ je zajištěna strukturou získanou normalizací, podporovanou vhodným legováním.
Ocel pro nauhličování a povrchové kalení
Ocel pro nauhličování se vybírá především na základě toho, že součást má mít velmi tvrdou povrchovou vrstvu, zatímco jádro by mělo zachovat tažnost a odolnost proti praskání. Jedná se tedy o oceli s nízkým obsahem uhlíku v jádru; materiál se obvykle pohybuje v rozmezí přibližně 0,14–0,25 % C. Technologické zdůvodnění je jednoduché: jádro zůstává „měkké“ (méně křehké) a vysoká tvrdost se objevuje pouze v povrchové zóně, kde byl během procesu nauhličování přidán uhlík a tato vrstva byla poté ztvrdlá.
Uhlíkové oceli je možné nauhličovat, ale materiál zdůrazňuje, že toto řešení má smysl hlavně u malých součástí s malými průřezy nebo tam, kde je důležitá odolnost proti otěru, ale není vyžadována vysoká pevnost jádra. U větších průřezů může uhlíková ocel poskytnout tvrdý povrch, ale jádro nedosahuje požadované pevnosti, protože součástka neztvrdne v průřezu. Kromě toho je pro zajištění tvrdosti vrstvy v uhlíkové oceli často nutné rychlejší ochlazení, což zvyšuje deformaci a riziko vzniku trhlin.
V praxi proto převládají legované oceli pro nauhličování, protože legující přísady poskytují větší kalitelnost a umožňují dosáhnout příznivých vlastností nejen vrstvy, ale i jádra, často při kalení v oleji. Materiál upozorňuje na důležitou hranici: nadměrné legování, zejména ve vrstvě se zvýšeným obsahem uhlíku, může podporovat tvorbu většího množství zbytkového austenitu, což zase může snížit tvrdost nauhličené vrstvy. Jedná se o důležitý praktický závěr, protože ukazuje, že při nauhličování nejde o maximalizaci přísad, ale o jejich optimální výběr.
Článek zdůrazňuje roli chromu, který je přítomen prakticky ve všech ocelích pro nauhličování, obvykle v množství 1–2 %, protože účinně zvyšuje kalitelnost a usnadňuje tvorbu tvrdé vrstvy během chlazení olejem. Dalšího zlepšení kalitelnosti a vlastností jádra se dosahuje přidáním niklu, proto jsou důležité součásti často vyráběny z chrom-niklových ocelí. Zároveň je třeba poukázat na to, že nikl je vzácná složka, takže jeho použití je odůvodněno spíše provozními požadavky než „zvykem“. V praxi se také používají manganové roztoky, ale pak je nutné kontrolovat nežádoucí jevy (např. týkající se zrna) a jako pomocné látky ke zlepšení vlastností a podpoře fragmentace se používají přísady jako molybden nebo titan.
Ocel pro povrchové kalení se vybírá podle podobné logiky, kdy cílem je dosáhnout tvrdého povrchu se silným jádrem. Materiál často uvádí rozsah obsahu uhlíku 0,4–0,6 % pro oceli používané pro tento typ zpracování a v případě vyšších požadavků na vlastnosti jádra (zejména u větších průřezů) se nejprve provádí tepelné zpracování celého prvku a teprve poté povrchové kalení.
Ocel pro tepelné zpracování a specializované skupiny
Ocel pro tepelné zpracování je navržena tak, aby po kalení a vysokém popouštění dosahovala velmi příznivého kompromisu: vysoké pevnosti a meze kluzu při zachování tažnosti a rázové pevnosti.
Tepelné zpracování (kalení + vysoké popouštění) vede ke vzniku sorbitových struktur a je základním způsobem, jak dosáhnout vysokých vlastností strojních součástí. Materiál uvádí, že typické teploty popouštění se pohybují v rozmezí přibližně 500–700 °C a úrovně vlastností mohou dosáhnout Rm 750–1500 MPa a Re 550–1350 MPa. Je také důležité, že legovaná ocel umožňuje dosáhnout tohoto stavu v celém průřezu, zatímco uhlíkové oceli jsou obvykle dostatečné hlavně pro průřezy do asi 20–25 mm.
V této skupině procesních parametrů se výběr neprovádí „naslepo“, protože temperování je kompromisem: vyšší teplota obvykle zlepšuje plasticitu na úkor pevnosti, zatímco nižší teplota poskytuje vyšší pevnost na úkor větší citlivosti na praskání. Materiál také zdůrazňuje jev křehkosti při temperování, který se projevuje snížením rázové pevnosti v určitých teplotních rozsazích. Bylo zjištěno charakteristické snížení kolem 300 °C a druhé snížení nad 500 °C, přičemž v druhém případě je z praktického hlediska důležité, aby rychlost ochlazování po temperování byla významná: urychlené ochlazování (např. ve vodě nebo oleji) může ve srovnání s pomalým ochlazováním snížit nepříznivý účinek. To ukazuje, že „teplota popouštění“ není jedinou proměnnou – důležitý je také způsob dokončení procesu.
Pokud jde o legování ocelí pro tepelné zpracování, materiál zdůrazňuje roli přísad, jako je chrom (zvyšuje kalitelnost a ovlivňuje chování při popouštění), molybdenu (pomáhá snižovat některé nepříznivé účinky, včetně sklonu k křehkosti při popouštění, a zvyšuje kalitelnost) a niklu, který je obzvláště cenný, protože zvyšuje kalitelnost a zlepšuje plastické vlastnosti a navíc snižuje teplotu přechodu z tažného do křehkého stavu, což je důležité při práci při snížených teplotách.
Materiál naznačuje, že chrom-niklové oceli patří mezi nejlepší v této skupině, i když vyžadují kontrolu jevů souvisejících s popouštěním, proto se přidává molybden a někdy také vanad.
Kromě ocelí pro zpevnění existují skupiny konstrukčních legovaných ocelí s poměrně jasně definovanou funkcí. Ocelí pro nitridaci se vybírají tak, aby vytvářely tvrdou vrstvu nitridů; proto se používají přísady jako hliník, chrom a molybden a procesu obvykle předchází tepelné zpracování, přičemž teplota popouštění musí být vyšší než teplota nitridace, aby jádro během samotné nitridace nezměnilo svou strukturu. Pružinové oceli jsou navrženy pro vysokou mez pružnosti a únavovou životnost; materiál zdůrazňuje roli křemíku a význam kvality povrchu (oxidace a odkarbonizace výrazně zhoršují únavovou životnost) a typické zpracování zahrnuje kalení a popouštění pro zachování vysoké pevnosti. Ložiskové oceli musí poskytovat velmi vysokou tvrdost a odolnost proti otěru a kontaktnímu tlaku, a materiál odkazuje na typickou vysokouhlíkovou ocel s vysokým obsahem chromu a typické zpracování: kalení v oleji a nízké popouštění při teplotě kolem 180 °C za účelem získání jemnozrnné struktury s jemnými karbidy.
Materiál také uvádí specializovanější řešení, která však stále spadají do širokého pojetí „konstrukčního“ oboru. Maragingové oceli (slitiny železa s niklem) po kalení tvoří tvárný martenzit a vysoké pevnosti dosahují až po stárnutí, kdy se objevují intermetalické fáze; to je cesta k výjimečným vlastnostem za cenu vysoké ceny. Naopak tepelné a plastické zpracování kombinuje plastickou deformaci austenitu s kalením, takže martenzit „zdědí“ hustší dislokační strukturu a fragmentaci, což vede k významnému zvýšení pevnosti (materiál uvádí až o několik až několik desítek procent), ale ztěžuje následné obrábění.
Konstrukční legované oceli – shrnutí
Legované konstrukční oceli se používají, když je nutné dosáhnout určitých, opakovatelných mechanických vlastností za typických provozních podmínek a zároveň zachovat bezpečnost součásti při proměnlivém zatížení. Jejich výhoda oproti uhlíkovým ocelím spočívá hlavně v jejich větší kalitelnosti, která umožňuje tepelné zpracování a tvarování vlastností na větších průřezech, často s mírnějším ochlazováním, a tedy s menším rizikem vzniku trhlin a deformací. V praxi je výběr legované konstrukční oceli výběrem celého systému: složení + typ tepelného zpracování (normalizace, zušlechťování, nauhličování, nitridace, povrchové kalení) + parametry procesu, protože pouze tato sada určuje mikrostrukturu a mikrostruktura určuje vlastnosti.
V této skupině vynikají následující: nízkolegované normalizované oceli (kde jsou klíčové svařitelnost a mez kluzu), oceli pro nauhličování a povrchové kalení (kde je důležitá tvrdá vrstva a tvárné jádro s kontrolou jevů, jako je zbytkový austenit), oceli pro tepelné zpracování (kde je rozhodující kompromis mezi vlastnostmi a vědomým výběrem popouštění, včetně zohlednění křehkosti po popouštění) a specializované skupiny, jako jsou oceli pro nitridování, pružinové a ložiskové oceli.
