1

UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

doc. dr. Roman Šturm

KONSTRUKCIJSKA GRADIVA 1. Malo-ogljična jekla: definirajte lastnosti v odvisnosti od deleža ogljika: kemična sestava, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 2. Izdelava malo-ogljičnih jekel od ingota do polizdelka oz končnega izdelka: postopki preoblikovanja oz. oblikovanja, temperature, časi zadrževanja na obdelovalnih temperaturah, hitrost ohlajanja, T-t diagram, ali je potrebna kakšna nadaljnja toplotna obdelava in kakšna. Dimenzije polizdelkov in tolerance. 3. Feritna nerjavna jekla: definirajte lastnosti v odvisnosti od sestave: kemična sestava, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 4. Martenzitna nerjavna jekla: definirajte lastnosti v odvisnosti od sestave: kemična sestava, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 5. Avstenitna nerjavna jekla: definirajte lastnosti v odvisnosti od sestave: kemična sestava, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja,

2

lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 6. Izdelava nerjavnih jekel od ingota do polizdelka oz končnega izdelka: postopki preoblikovanja oz. oblikovanja, temperature, časi zadrževanja na obdelovalnih temperaturah, hitrost ohlajanja, T-t diagram, ali je potrebna kakšna nadaljnja toplotna obdelava in kakšna. Dimenzije polizdelkov in tolerance. 7. Maraging jekla: definirajte lastnosti v odvisnosti od sestave: kemična sestava, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 8. Izdelava maraging jekel od ingota do polizdelka oz končnega izdelka: postopki preoblikovanja oz. oblikovanja, temperature, časi zadrževanja na obdelovalnih temperaturah, hitrost ohlajanja, T-t diagram, ali je potrebna kakšna nadaljnja toplotna obdelava in kakšna. Dimenzije polizdelkov in tolerance. 9. Orodna jekla: definirajte lastnosti v odvisnosti od sestave: kemična sestava, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 10. Izdelava orodnih jekel od ingota do polizdelka oz končnega izdelka: postopki preoblikovanja oz. oblikovanja, temperature, časi zadrževanja na obdelovalnih temperaturah, hitrost ohlajanja, T-t diagram, ali je potrebna kakšna nadaljnja toplotna obdelava in kakšna. Dimenzije polizdelkov in tolerance. 11. Hitrorezna jekla (HSS): definirajte lastnosti v odvisnosti od sestave: kemična sestava, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba Konstrukcijska gradiva 12. Izdelava hitroreznih jekel (HSS) od ingota do polizdelka oz končnega izdelka: postopki preoblikovanja oz. oblikovanja, temperature, časi zadrževanja na obdelovalnih temperaturah, hitrost ohlajanja, T-t diagram, ali je potrebna kakšna nadaljnja toplotna obdelava in kakšna. Dimenzije polizdelkov in tolerance. Konstrukcijska gradiva

3

13. Konstrukcijska jekla: definirajte lastnosti v odvisnosti od sestave: kemična sestava, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 14. Sintrana jekla : definirajte lastnosti v odvisnosti od sestave: kemična sestava, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 15. Izdelava sintranih jekel od prahu do končnega izdelka: postopki sintranja, temperature, časi zadrževanja na obdelovalnih temperaturah, hitrost ohlajanja, T-t diagram, ali je potrebna kakšna nadaljnja toplotna obdelava in kakšna. Dimenzije izdelkov in tolerance. 16. Materiali za zobnike: definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 17. Materiali za listnate vzmeti: definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 18. Materiali za spiralne vzmeti: definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 19. Materiali za osi in gredi: definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba

4

20. Materiali odporni na lezenje: definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 21. Aluminijeve litine serije 1xxx.: definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, razteznost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Kako ga utrjujemo? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 22. Aluminijeve litine serije 2xxx.: definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, razteznost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Kako ga utrjujemo? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 23. Aluminijeve litine serije 3xxx.: definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, razteznost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Kako ga utrjujemo? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 24. Aluminijeve litine serije 4xxx.: definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, razteznost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Kako ga utrjujemo? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 25. Aluminijeve litine serije 5xxx.: definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, razteznost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Kako ga utrjujemo? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 26. Aluminijeve litine serije 6xxx.: definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, razteznost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Kako ga utrjujemo? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba

5

27. Aluminijeve litine serije 7xxx.: definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, razteznost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Kako ga utrjujemo? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 28. Aluminijeve litine serije 8xxx.: definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, razteznost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Kako ga utrjujemo? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 29. Aluminijeve litine serije 1xxx.: definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, razteznost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Kako ga utrjujemo? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 30. Preoblikovalne magnezijeve zlitine: Mg-Al-Zn, Mg-Mn, Mg-Zn-Zr-Th. : definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, razteznost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Temperatura oblikovanja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Kako ga utrjujemo? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 31. Lite magnezijeve zlitine: Mg-Al-Mn, Mg-Al-Zn, Mg-Zn-Zr: definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, razteznost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Temperatura litja, temperature taljenja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Kako ga utrjujemo? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 32. Medenina (medi). : definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, razteznost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Temperatura oblikovanja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Kako ga utrjujemo? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 33. Broni: definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, razteznost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Temperatura

6

oblikovanja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Kako ga utrjujemo? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 34. Nikljeve zlitine (Ni-Cu zlitine): definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, razteznost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Temperatura oblikovanja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Kako ga utrjujemo? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 35. Nikljeve zlitine (toplotno neobdelovalne Ni-Cr-Fe): definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, razteznost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Temperatura oblikovanja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Kako ga utrjujemo? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba 36. Nikljeve zlitine (toplotno obdelovalne Ni-Cr-Fe): definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, razteznost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Temperatura oblikovanja. Možnosti varjenja. ? magnetno? Kako ga utrjujemo? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba

7

K.1. MALO-OGLIČNA JEKLA 23070316

KAZALO

1. UVOD 2. MALOOGLJIČNA JEKLA

2.1 MIKROSTURKTURA 2.2 LASTNOSTI POSAMEZNIH FAZ

2.3 FERITNO JEKLO 2.3.1 FERITNO NERJAVO JEKLO

2.4 AVSTENITNO JEKLO 2.4.1 AVSTENITNO NERJAVO JEKLO

3 VIRI

1 Uvod [2 (stran 160) ] Čisto železo je osnovna kovina za najvažnejše tehnične zlitine. Njegove trdnostne lastnosti so zelo slabe in zaradi tega za konstruktivne namene nima pomena. Zaradi velike magnetne premeabilnosti je pa čisto železo važno predvsem v elektroniki, kjer ga srečamo na več področjih. Čisto železo ima trdoto po Brinellu 60HB, ima tudi zelo majhno trdnost (

), pri velikem raztezku ( =40…50%). Najvažnejši element pri zlitinah z železom je ogljik. Že relativno zelo majhen dodatek C-ja spremeni bistveno njegove lastnosti. C lahko nastopa v železu v elementarni obliki kot grafit, ki kristalizira v heksagonalni kristalni rešetki kot kemično vezan železov karbit Fe3C, imenujemo ga cementit.

2 Maloogljična jekla [1 ( stran 10.4.5.1) ] Maloogljična jekla vsebujejo do 0.2% C. največji delež odpade na ploščate valjane proizvode (pločevine in trakove), običajno v hladno valjanem ali normaliziranem stanju. Za preoblikovanlne namene uporabljamo jekla, ki vsebujejo pod 0.1% C in do 0.4% Mn. značilni pimer uporabe je pločevina za izdelavo avtomobilskih karoserij.

8

2.1 Mikrostruktura [3] 0.1% C 0.2% C

Fazni diagram FeFe3C (samo del podevtektoidnega jekla),slika prikazuje stukturo jekla s približno 0.2% C pri različnih temparaturah.

2.2 Lastnosti posameznih faz [1 (stran 10.5 tabela 10.1) ] Trdota Rm v Mpa Trdota v HB Razteznost A v % avstenit 600-1000 200 40-60 ferit 250-350 90 30-45 perlit 700 250-300 10 cementit krhek 650 krhek

9

2.3 Feritno jeklo [1,3 ] Feritno jeklo ima podobne lastnosti kot čisto železo: [4]

o Gostota 7874 kg/m3 o Toplotna prevodnost 80,2 W/(m·K) o Specifična toplota 440 J/(kg · K)

Na sploš no: • Ferit je magneten pod 768 °C • Feritn jekla nimajo velike trdote (brinellu 90 HB) • α-ferit–trdna raztopina C v BCC Fe. Stabilna oblika železa pri sobni

temperaturi, maksimalna topnost C je 0,022% (pri 723 °C), v FCC γ-avstenit se transformira pri 912 °C.

2.3.1 Feritno nerjavno jeklo

• Fe, 13 ~ 30 % Cr, < 0,12 % C, ~ 0,45 % Mn, • BCC, feritna faza, • Nekaljivo, • Maks. natezna trdnost Rm~ 500 MPa,napetost tečenja Rp~ 350 MPa,

εF~ 30 %, • Poceni.

2.4 Avstenitna jekla [3] • Avstenit je nemagneten • Maksimalna topnost C je 2,14% (pri 1148 °C), • V BCC δ-ferit se transformirapri 1395 °C, • Ni stabilen pod evtektično temperaturo (727 °C), razen če ni ohlajen zelo hitro.

2.4.1 Avstenitna nerjava jekla

• Fe, 16 ~ 25 % Cr, 7 ~ 20 % Ni, < 0,08 % C, • FCC, avstenitna struktura, visoka obdelovalnost, • y faza stabilizirana z Ni pri sobni T, • Rm~ 550 MPa, εF~ 40 %, duktilen, dobra odpornost na lezenje, • Dobra varivost, • B

oljša korozijska odpornost kot feritna nerjavnajekla, se najbolj uporabljajo, • Uporabljajo se kot obdelana trdna raztopina (žarjenje na 1050 °C, ki mu sledi

kaljenje), v kateri so vsi karbidi raztopljeni, • Uporaba: kemična industrija (cevi, ventili), strukturni deli, dekorativni deli…

3 VIRI 1. Gradiva zapiski predavanj (Miran Kovač) 2. Gradiva (P.Leskovar) 3. Gradiva (zapiski predavanj R.Šturm) 4. http://sl.wikipedia.org/wiki/Železo

10

K.2. IZDELAVA MALO-OGLJIČNIH JEKEL OD INGOTA DO POLIZDELKA OZ. KONČNEGA IZDELKA

23070330 NALOGA: Izdelava malo-ogljičnih jekel od ingota do polizdelka oz. končnega izdelka: - postopki preoblikovanja oz. oblikovanja, - temperature, - časi zadrževanja na obdelovalnih temperaturah, - hitrost ohlajanja, - T-t diagram, - ali je potrebna kakšna nadaljnja obdelava in kakšna, - dimenzije polizdelkov in tolerance.

Ogljikova jekla

Maloogljična konstrukcijska jekla ( 0.0 … 0.30 %C ) So najbolj uporabna jekla (glede na namen uporabe).

1. Jekla za cementacijo ( 0.05 .. 0.2 %C )

2. Jekla za poboljšanje (0.2 .. 0.6 %C ) Maloogljična jekla vsebujejo do 0.30% C. Prva oblikovanja ingota so največkrat ploščato valjani proizvodi (pločevine in trakove), običajno v hladno valjanem ali normaliziranem stanju. Za preoblikovalne namene uporabljamo jekla, ki vsebujejo pod 0.1% C in do 0.4% Mn. Značilen primer je pločevina za izdelavo avtomobilskih karoserij. Jekla z do 0.30% C in do 1.5% Mn se uporabljajo za izsekovanje, kovanje, cevi iz celega in za izdelavo kotlov. Preoblikovalnost jekla je sposobnost ohranjanja konstrukcijske celovitosti (integritete) med oblikovanjem v obliko izdelka. Zaradi zelo različnih oblik izdelkov ima lahko neko jeklo dobro preoblikovalnost za oblikovanje v določeno obliko, toda slabo preoblikovalnost za oblikovanje v neko drugo obliko. Napetost tečenja je indikator za oceno preoblikoavalnosti in hkrati trdnosti po preoblikovanju. UTRJANJE KOVIN

11

Je način obdelave kovin za povečanje njihove trdote in trdnosti (pri čemer se pogosto zmanjša njihova gnetljivost oz. preoblikovalnost). Navadne kovine so zelo mehke in niso primerne za uporabo kot konstrukcijski material. Utrdimo jih lahko na različne načine. Ločimo:

raztopinsko utrjanje ali utrjanje trdne raztopine, deformacijsko utrjanje, zrnavostno utrjanje, izločevalno utrjanje, disperzijsko utrjanje, transformacijsko utrjanje in

Mehanizme utrjanja razložimo z dislokacijsko teorije. Dislokacije so črtne (linijske) napake v kovinah, ki omogočajo plastično deformacijo kovin. Če otežimo gibanje dislokacij v kristalni mreži, kovino utrdimo!

RAZTOPINSKO UTRJANJE Slika prikazuje učinke posameznih elementov na prirastek dogovorne napetosti tečenja pri raztopinskem utrjanju.

Iz slike je razvidno, da imata intersticijska elementa ogljik in dušik zelo velik vpliv na povišanje napetosti tečenje, toda zaradi majhne topnosti, predvsem pa zaradi močnega zniževanja žilavosti,je njuna uporaba zelo omejena. Od substitucijskih elementov je najbolj uporaben fosfor, ki ga lahko dodajamo pri raztopinskem utrjanju do 0.1% toda zaradi povečanja krhkosti je njegova uporaba omejena. V proti vremenskim vplivom odpornih jeklih uporabljamo fosfor za povečanje korozijske odpornosti. Od ostalih elementov sta cenovno učinkovita za raztopinsko utrjanje le silicij in mangan, od katerih silicij dodajamo predvsem zaradi dezoksidacije jekla. DEFORMACIJSKO UTRJANJE Kovine hladno deformiramo. Pri tem povečamo gostoto dislokacij v kristalni mreži, tako da se začnejo medsebojno ovirati. Kovina lahko ponovno zmehčamo z rekristalizacijskim žarjenjem. ZRNAVOSTNO UTRJANJE

12

Kovinski materiali so navadno polikristali. To pomeni, da so sestavljeni iz več kristalov, ki pa jih zaradi tega, ker niso pravilnih oblik, imenujemo kristalna zrna. Kristalna zrna so ločena s kristalnimi mejami. Vsaka meja predstavlja oviro za drsenje dislokacij, zato je material tem bolj trd in trden, čim manjša so kristalna zrna. To velja za temperature, ko je hitrost difuzije majhna, pri povišanih temperaturah pa to ni ugodno, saj je hitrost lezenja tem večja, čim manjša so kristalna zrna.

IZLOČEVALNO UTRJANJE Izločevalno utrjanje lahko temelji na mnogih elementih, toda pri feritno perlintnih jeklih prevladujejo niobij, vanadij in titan. Ti elementi imajo visoko afiniteto do ogljika in dušika ter omejeno topnosti v trdni raztopini. Dodajamo jih v majhnih dodatkih, npr. 0.06 % Nb ali 0.15 % V in jih imenujemo mikrolegirni elementi. Topnost NbC v avstenitu je prikazana na sliki.

Iz slike je razvidno, da se bo znaten delež NbC raztopilo v avstenitu pri visoki temperaturah npr. 1250 °C. Pri ohlajanju se bo NbC(CN) izločal na kristalnih mejah med avstenitom in feritom, ki ga vodi do znatnega utrjanja. Po drugi strani pa se bo pri segrevanju do temperature normalizacijskega žarjenja npr. 920 °C raztopilo zelo malo Nb(CN) in do izločevalnega utrjanja praktično ne ob prišlo. Kljub temu pa bodo neraztopljeni vključki povzročili obešanje kristalnih mej nanje in na ta način preprečili rast avstenitnih zrn. Posledica bo drobnozrnata feritna mikrostruktura. Torej z višino temperature reguliramo izločevalnega utrjanja, tako da trdnost progresivno narašča z višanjem temperature od 920 do 1250 °C. Slika prikazuje topnost VN v avstenitu.

13

Vanadij se znatno lažje raztaplja od niobija. Pri običajnih deležih vanadija se bo V4C3 raztopil v avstenitu že pri temperaturah normalizacijskega žarjenja npr. 920 °C. nekoliko višje tempreature zahteva raztapljanje VN, ki deluje kot sredstvo za zmanjševanje velikosti zrn pri temperaturah okrog 920 °C. Pri Al-V jeklih pa zaradi aluminija, ki je močnejši nitridotvorni element, pri 0.04% Al, vstopi večino vanadija v trdno raztopino pri 920 °C in se pri ohlajanju in transformaciji avstenita v ferit izloča kot V4C3. Zato pri Al-C jeklih opažamo znatno izločevalno utrjanje (150 MPa na 0.1 % V) DISPERZIJSKO UTRJANJE V kovini so delci, ki niso skladni z osnovo. Takšen material lahko naredimo na več načinov. Eden izmed njih je po postopkih prašne metalurgije. Primer: aluminijev prah pomešamo s prahom aluminijevega oksida; močno gnetemo, da zdrobimo oksid v drobne delce, ki se enakomerno porazdelijo po aluminiju. Material sintramo in dobimo sintran aluminijev prah. Ta material lahko že prištevamo tudi h kompozitom s kovinsko osnovo.

TRANSFORMACIJSKO UTRJANJE Z dodajanjem legirnih elementov in s povečanjem hitrosti ohlajanja znižujemo temperaturo transformacije avstenita v ferit. Pri dovolj velikem skupnem učinku obeh dejavnikov dosežemo transformacijo v bainit ali martenzit. Z zviševanjem dosežene trdote izgubljamo na žilavosti in duktilnosti. Konstrukcijska malolegirana jekla običajno želimo utrditi na napetosti tečenja do 700 MPa. V ta namen jih za zagotovitev kaljivosti in prekaljivosti legiramo z molibdenom in borom. Za zviševanje odpornosti proti popuščanju dodajamo še druge elemente npr. vanadij. Z drobnozrnatostjo feritne mikrostrukture dosežemo višjo napetost tečenja in natezno trdnost ob nizki prehodni temperaturi krhkega loma. Zanimivo je, da delež perlita v mikrostrukturi maloogljičnih jeklih s prevladujočo feritno mikrosturkutro, nima pomembnega vpliva na napetost tečenja. Večanje deleža perlita v mikrostrukturi zvišuje natezno trdnost, toda zelo zmanjšuje žilavost jekel. NORMALIZACIJSKO VALJANJE Za dosego drobnozrnate feritno perlitne mikrostrukture konstrukcijskih jekel je običajno dodajanje elementov za zmanjjšanje zrnavosti, npr. Al in normalizacija pri 920 °C po valjanju.

14

Jekla segrejemo na 1200-1250 °C in jih valjamo pri nižajočih se temperaturah. Končna temperatura valjanja je velikokrat nad 1000 °C. osnovna ogljikova jekla pri temperaturah žarjenja 1200-1250 °C hitro dobijo grobo mikrostrukturo, ki se z rekristalizacijo med valjanjem bistveno ne zmanjša, zato je po končanem valjanju dobljena feritna mikrostruktura tudi groba. Za dosego drobnejše mikrostrukture moramo jeklo normalizirati. Drugi in hitrejši način za doseganje enakih lastnosti je normalizacijsko valjanje. Valjenje je razdeljeno na dve stopnji, razvidno na sliki.

Med grobim valjanjem (predvaljanjem) in dobršnim valjanjem počakamo, da se temperatura valjanca zniža pod rekristalizacijsko temperaturo. Posledica tega je nastanek sploščenih avstenitnih zrn, ki transformirajo v drobnozrnato feritno mikrostrukturo.

Z normalizacijskim valjanjem dobimo drobnozrnato mikrostrukturo, kot bi jo dalo normaliziranje po valjanju. Dobljene lastnosti jeklo obdrži tudi po naknadni normalizaciji. TERMOMEHANSKO VALJANJE Termomehanska obdelava je proces preoblikovanja, pri katerem poteka končna deformacija v določenem temperaturnem intervalu, s čimer se dosežejo lastnosti, ki jih s samo toplotno obdelavo ni mogoče doseči. PREOBLIKOVALNOST V HLADNEM

15

Dobra preoblikovalnost v hladnem stanju je glavna zahteva, ki jo zahtevamo od maloogljičnih tračnjih jeklih. Tu je glavna zahteva dobra preoblikovalnost v hladnem stanju. GLOBOKO VLEČENJE Za globoko vlečenje je značilen enakomeren tok materiala v matrico, pri čemer z ravno dovolj velikim pritiskom na obodno področje rondele preprečujemo nagubanje. Material mora enakomerno teči v ravnini rondele brez lokalnega tanjšanja v stranskih stenah nastajajočega lonca. Tu srečamo plastično anizotropijo, ki močno vpliva na porazdelitev raztezka. Anizotropijo opišemo z razteznostnim količnikom r. Ta je odvisen od kristalografske teksture. Pri tračnih jeklih je odvisen od smeri izreza preskušanca iz traku. Razteznostni količnik merimo v smeri valjanja, v prečni smeri in pod kotom 45° glede na smer valjanja. Povprečna vrednost razteznostnega količnika rm je merilo sposobnosti materiala za globoki vlek. Vroče valjani trakovi so precej izotropni in imajo povprečno vrednost razteznostnega količnika okoli 1,0. NATEZNO OBLIKOVANJE PLOČEVINE Pri nateznem oblikovanju pločevine je pritisk na rondelu po obodu dovolj visok, da preprečuje tečenje materiala proti pestiču. Material mora biti primeren za enakomerno tanjšanje in velike podaljške pred nastankom zožitve in nastanka vratnega področja lokalizirane deformacije. UPOGIBANJE Primernost tračnih jekel za upogibanje običajno določamo z upogibanjem okrog okroglih palic z zaporedoma vedno manjšimi premeri, dokler ne pride pri nekem minimalnem radiu do pojava razpok. Debelina traku vpliva na sposobnost upogibanja, zato izražamo minimalni krivinski radij v obliki zmnožka z debelino traku t. Tako bomo mehkejšo pločevino krivili s krivinskim radijem na primer 1t, medtem ko bomo tršo pločevino lahko krivili le s krivinskim radijem 3t. METALURŠKI VPLIV NA HLADNO PREOBLIKOVANJ Pri izenačevanju temperature slabov 1200-1250 °C se aluminijev nitrid raztopi v trdni raztopini. Pri broče valjanih trakovih, ki jih navijemo v zvitke pri relativno visokih temperaturah npr. okrog 700 °C je ohlajanje dovolj počasno, da pride do izločanja aluminijevega nitrida. Pri postopku vročega valjanja, ki mu takoj (še pred navijanjem traku) sledi relativno hitro ohlajanje traku do 560 °c, preprečimo

16

izločanje aluminijevega nitrida, ki ostane v prenasičeni trdni raztopini. NEKONTINUIRNO ŽARJENJE JEKLENIH TRAKOV Nepomirjena jekla imajo vrednost rm med 1.0 in 1.2, z aluminijem pomirjena jekla pa dosežejo vrednosti do 1.8. Dodajanje aluminija je zaželeno, ker pripomore k usmerjanju v želeno teksturo in tvorbi velikih feritnih zrn, pri tem pa moramo aluminijev nitrid zadržati v trdni raztopini, kar pomeni, da trakove navijamo pri nižjih temperaturah npr. pri 560 °C. Po hladnem valjanju trakove nekontinuirano žarimo.

Rekristalizacija začne potekati v temperaturnem področju 500-550 °C ob najprej nastalih izločkih aluminijevega nitrida po deformacijskih mejah podzrn. Nastaja močno usmerjena tekstura. Najvišje vrednosti rm dosežemo pri jeklih, ki vsebujejo 0.025-0.04 % Al in 0.005-0.01 % N. Glavne značilnosti za aluminijeva pomirjena jekla so, da imajo močno usmerjeno strukturo, groba feritna zrna in nizek delež ogljika in dušika v trdni raztopini. KONTINUIRNO ŽARJENJE JEKLENIH TRAKOV Prednosti kontinuirnega žarjenja pred nekontinuirnim žarjenjem so enakomernejše lastnosti materiala, čistejša površina in krajši proizvodni čas. Temperaturno časovni cikel kontinuirnega žarjenja prikazuje naslednja slika.

17

Kljub prestaranju lahko jekleni trakovi proizvedeni s kontinuirnim načinom žarjenja izkazujejo nagnjenost k staranju zato uporabljamo jekla z deleži ogljika 0.02-0.03 % C, ki imajo manjšo koncentracijo ogljika od nekontinuirno žarjenih jekel. Bor ima večjo afiniteto do dušika kot aluminij. Z dodajanjem majhnih količin bora, katerega delež naj bo b razmerju do dušika (B:N = 0.8-1.0), vežemo večino dušika v borov nitrid, ne glede na temperaturo pri kateri navijamo jekleni trak. VIRI: - http://sl.wikipedia.org/wiki/Utrjanje - GRADIVA, zapiski s predavanj, Miran Kovač, 2001

18

K.4. Nerjavna martenzitna jekla 23060102

Martenzit na splošno

Martenzit je vrsta kristalne strukture v kovinskih zlitinah. Pri hitrem ohlajanju jekla iz visoko temperaturne avstenitne faze so raziskovalci prvič opazili nastajanje fine strukture, ki so jo poimenovali martenzit (po nemškem metalurgu Adolfu Martensu). Kasneje so tak pojav opazili še pri drugih zlitinah, npr. v materialih z oblikovnim spominom. Ugotovili so, da je taka struktura posledica transformacije kristalne rešetke in ne difuzije atomov. Ploskovno centrirana kristalna rešetka avstenita se pretvori v območja v obliki leče ali ravne plošče, ki jih tvorijo prostorsko centrirane kubične kristalne rešetke. Kristali nastali s tako transformacijo se imenujejo martenzit, sama transformacija pa martenzitna transformacija. Tako poimenovanje je splošno in se ne nanaša zgolj na jekla, čeprav je mnogokrat ob uporabi imena martenzit mišljena določena vrsta jekla, saj je taka uporaba termina najbolj znana v praksi.

Slika 1: kristalna rešetka martenzita, (tetragonalno prostorsko centrirana mikrostruktura)

Martenzit pri jeklih

Če imamo v mislih vrsto jekla, je martenzit prenasičena trdna raztopina ogljika v α-železu. Nastane iz avstenita z brez difuzijsko premeno, kadar jeklo podhladimo pod temperaturo Ms (temperatura začetka nastajanja martenzita). Pri tem se avstenit, ki ima ploskovno-centrirano kubično kristalno zgradbo - PCK, z brezdifuzijsko ali martenzitno premeno pretvori v martenzit, ki ima telesno-centrirano tetragonalno (TCT) kristalno zgradbo. Kristalna zgradba martenzita je zelo podobna kristalni zgradbi ferita (TCK), razlika je samo v tem, da je velikost roba celice v smeri z-osi večja kot v smeri x- in y-osi. To popačenje povzroči prisilno

19

raztopljen ogljik, ki se prednostno razporedi v oktaedrske vrzeli na robovih, ki so vzporedni z-osi. Za martenzitno premeno je značilno, da delež martenzita ni odvisen od časa zadrževanja na temperaturi pod Ms, temveč se povečuje z večanjem podhladitve pod Ms. Šele ko jeklo ohladimo pod Mf (temperatura konca nastajanja martenzita), se ves avstenit pretvori v martenzit. Avstenit, ki je v jeklu pri sobni temperaturi, imenujemo zadržani. Martenzitne ploščice nastanejo na dislokacijah v kristalnih zrnih. Prve ploščice segajo preko celotnega kristalnega zrna. Ker se pri njihovem nastanku močno povečajo notranje napetosti, je nadaljnja premena možna šele pri nižji temperaturi, nove ploščice pa so vedno manjše. Velike notranje napetosti izhajajo iz dejstva, da ima martenzit drugačno obliko kot avstenit, iz katerega nastane. Čeprav se ploščice martenzita močno plastično deformirajo, ostanejo v avstenitu še velike elastične napetosti. Za martenzit je značilna velika trdota, ki je sorazmerna deležu ogljika. V jeklu z okoli 0,8 % ogljika doseže trdota vrednost okoli 67 HRC. Veliko trdoto martenzita v največji meri povzroča prisilno raztopljeni ogljik (utrjanje trdne raztopine, raztopinsko utrjanje). Pomembni so tudi prispevki zaradi velike gostote dislokacij (deformacijsko utrjanje) oziroma dvojčičnih mej v posameznih ploščicah martenzita, velike gostote martenzitnih ploščic (utrjanje s kristalnimi mejami) in velikih elastičnih napetosti v zadržanem avstenitu.

Nerjavna jekla

Uvod v nerjavna jekla

Nerjavna jekla se uporabljajo predvsem za obstojnost proti korozijo. Njihov glavni legirni element je krom (Cr). Krom v nerjavnem jeklu tvori ultra tanko oksidno plast na površini. Velja splošno pravilo, da se z večanjem deleža kroma veča obstojnost proti koroziji. Ostali legirni elementi kot sta nikelj (Ni) in molibden (Mb) se dodajajo za spremembo strukture, povečanje korozijske odpornosti in trdnosti nerjavnega jekla.

Slika 2: vsebnost niklja v nerjavnih jeklih [%]

20

Slika 3: količina mangana v nerjavnem jeklu [%]

Slika 4:

Obdelovanost nerjavnih jekel

Trdota večine nerjavnih materialov se z deformacijo povečuje, npr. med odrezavanjem . Z globino se ta učinek drastično zmanjšuje. Ob uporabi neprimernega orodja lahko trdota blizu površine doseže do 100% prvotne vrednosti. Nerjavna jekla so slabi pretvorniki, kar privede do visokih temperatur na rezilnem robu v primerjavi z obdelavo jekel s podobno trdoto. Zaradi velike žilavosti je potreben večji moment, kar privede do visokih delovnih obremenitev orodja. Kombinacija slabe toplotne prevodnosti in utrditve površine predstavlja težke delovne pogoje za rezilno orodje. Ti materiali so nagnjeni k temu, da tvorijo nalepke na površini rezilnega orodja. Težave pri lomljenju in odvajanju odrezkov zaradi visoke žilavosti nerjavnega jekla.

21

Martenzitna nerjavna jekla

Martenzitna nerjavna jekla so magnetna in jih je moč kaliti, pri tem obdržijo dobre mehanske lastnosti. Običajno vsebujejo 6-18% kroma in zmeren delež ogljika od 0,1 do 1,5%. Ta jekla se lahko utrdijo s hitrim ohlajevanjem iz avstenitnega območja. Zaradi svoje trdote je martenzitno nerjavno jeklo primerno za izdelavo rezil in jedilnega pribora, za izdelavo kotlov, tlačnih posod, v letalski industriji in v splošni strojegradnji. Večino vrst nerjavnih jekel je v nekaljenem stanju razmeroma lahko obdelovati, to pa ne velja za vrste z vsebnostjo niklja in visoko vsebnostjo ogljika, ki imajo slabe obdelovalne lastnosti. Zaradi trdote ga je težje obdelovati in variti, je pa tudi magnetno.

Slika 5: popis nerjavnih martenzitnih jekel s schäflerjevim diagramom

Varjenje martenzitnih nerjavnih jekel

Obstaja veliko vrst nerjavnih jekel, ki se ločijo po svojih mehanskih, varilnih in korozijskih lastnostih. Martenzitna nerjavna jekla imajo kritično ohlajevalno hitrost in so kaljiva na zraku. Toplotno vplivana cona je trda in krhka. Pred varjenjem predgrevamo na 350 - 400 °C in takoj po varjenju napuščamo na 600 - 700°C. Dodajni material je INOX B 13/1Fe. Varimo jih pretežno tudi po TIG in MIG postopku s stržensko žico. Nekaj tabelaričnih podatkov nerjavnih martenzitnih jekel

22

Tabela 2: Toplotna obdelava:

Vrsta Žarjenje [°C]

Poboljšanje – kaljenje [°C]

Popuščanje [°C]

1.4006 700...780 zrak 950...1000 olje, zrak 700...750 1.4021 700...780 zrak 950...1000 olje, zrak 700...750 1.4005 700...780 zrak 950...1000 olje, zrak 700...750 1.4028 700...780 zrak 950...1050 olje, zrak 630...680 1.4104 800...850 zrak, peč 980...1030 olje, zrak 550...650 1.4057 650...700 zrak 980...1030 olje, zrak 600...700

Tabela 1: Vrste in sestava nerjavnih martenzitnih jekel:

Tabela 3: Mehanske lastnosti - žarjeno:

Vrsta Trdota HB maks.

Napetost tečenja

[N/ ] min.

Natezna trdnost [N/ ]

Razteznost A

[%] min.

1.4006 200 250 470...670 20 1.4021 220 - < 740 - 1.4028 235 - < 780 - 1.4005 207 - < 700 - 1.4104 217 - < 730 - 1.4057 285 - < 950 -

Številka SIST EN

10027-2

Oznaka SIST EN 10027-2

C Maks.

Mn Maks.

P Maks.

S Maks.

Cr Ni Maks.

Mo

1.4006 X12Cr13 0,12 1,0 0,040 0,030 12,5 1,0 - 1.4021 X20Cr13 0,21 1,0 0,040 0,030 13,0 1,0 - 1.4028 X30Cr13 0,31 1,0 0,040 0,030 13,0 1,0 - 1.4005 X12CrS13 0,12 1,5 0,060 0,25 13,0 1,0 < 0,60 1.4104 X14CrMoS17 0,14 1,5 0,060 0,25 16,5 1,0 < 0,60 1.4057 X17CrNi16-2 0,19 1,0 0,040 0,030 16,3 2,0 -

23

Tabela 4: Mehanske lastnosti – kaljeno:

Vrsta Napetost tečenja

[N/ ] min.

Natezna trdnost [N/ ]

Razteznost A

[%] min.

1.4006 400 600...800 16 1.4021 450 650...850 15 1.4028 600 800...1000 11 1.4005 440 620...820 12 1.4104 450 640...840 11 1.4057 680 880...1080 11

Viri in literatura

Slika 1 - Diplomska naloga: Analiza snovnih lastnosti dveh vzmetnih jekel str. 31 Slika 2 - http://www2.sts.si/arhiv/tehno/Projekt7/alfageni_legirni_elementi.htm Slika 3 - http://www2.sts.si/arhiv/tehno/Projekt7/alfageni_legirni_elementi.htm Slika 4 - http://www2.sts.si/arhiv/tehno/Projekt7/alfageni_legirni_elementi.htm Slika 5 - http://www2.sts.si/arhiv/tehno/Projekt7/alfageni_legirni_elementi.htm Tabela 1 - Krautov strojniški priročnik, 2003 str.433 Tabela 2 - Krautov strojniški priročnik, 2003 str.434 Tabela 3 - Krautov strojniški priročnik, 2003 str.434 Tabela 4 - Krautov strojniški priročnik, 2003 str.434

24

K.5. AVSTENITNA NERJAVNA JEKLA 23060254 Avstenitna jekla so od vseh nerjavnih jekel najbolj razširjena. So nemagnetna. Odlikuje jih izredno dobra žilavost, odporna so proti obrabi in koroziji. Od ostalih nerjavnih jekel (feritna in martenzitna) je to jeklo zaradi večje količine legirnih elementov najdražje. Avstenitno jeklo vsebuje 17-26 % kroma, manj kot 0,12 % ogljika, po možnosti tudi 2-4,5 % molibdena in 1,5-2,5 % bakra. za razliko od ostalih inox jekel vsebuje to tudi 7-26 % niklja. Vsi ti legirni elementi razširjajo gama (avstenitno) področje do te mere, da je avstenit obstojen pri sobni in še nižjih temperaturah.

25

Vrsta jekla glede na količino legirnih elementov:

26

Krom na površini tvori kromov oksid, ki ne odpade s površine in ščiti jeklo pred korozijo ter tako zagotavlja nerjavnost. Ogljik je nezaželen element, ker se kemično veže na krom in pri tem tvori karbide, zato se vsebnost kroma v trdni raztopini zmanjša. Zaradi tega uporabljamo toplotno obdelavo, ki se imenuje gašenje. Pri tem jekla s temperature 1000 do 11500C zelo hitro ohladimo v vodi. Vsa pločevina je zato dobavljena v gašenem stanju. Nikelj poveča korozijsko odpornost v oksidativnih medijih in zagotavlja dobro žilavost. Molibden povečuje odpornost na jamičasto korozijo. Titan, niobij, cirkonij in tantal pa se uporabljajo kot stabilizatorji. Ker pri teh jeklih ni mogoča sprememba gama kristalne strukture, jih ni mogoče toplotno obdelati. Lahko jih samo rekristalizacijsko žarimo, če jih plastično deformiramo. Ta jekla imajo namreč visoko stopnjo utrjevanja s plastično deformacijo. Avstenitna jekla imajo nizko napetost tečenja. Avstenitna jekla so zelo dobro varljiva. Varimo jih lahko na več načinov: -plamensko z dodajanjem materjala ali brez (je manj primerno zaradi povečane strukturne spremembe materjala) -obločno z ustreznimi elektrodami -tig s čistim argonom (primerno za tanjše prereze) -mig v zaščitni atmosferi zmesi argona in kisika -s plazmo -uporovno točkovno Vsa nerjavna jekla vključno z avstenitnimi je težko obdelovati, ker: -trdota tega jekla se z deformacijo drastično povečuje -ker so ta jekla slabi prevodniki toplote, privede med odrezavanjem na rezilnem robu do visokih temperatur -zaradi velike žilavosti je potreben večji moment pri odrezavanju -ta materjal je nagnjen k temu, da na orodju tvori zlepke -težave so tudi pri odvajanju in lomljenju odrezkov Vse to vpliva na večje obremenitve in krajšo življensko dobo orodja. Za izboljšanje obdelovalnih lastnosti jekla je pogosto kot legirni element dodan molibden in ali žveplo. Visoko legirana avstenitna jekla z vsebnostjo kroma 26 % in niklja 22 % imajo visoko odpornost proti koroziji vendar jih je zelo težko obdelovati. Med avstenitna jekla prištevamo tudi manganovo trdo jeklo in čisto niklevo jeklo katero ima do 36 % niklja. posebnost tega je, da ima zelo majhno toplotno razteznost. Ta jekla imenujemo tudi invar jekla. Področje uporabe avstenitnih jekel je zelo široko. Uporabljamo ga v prehrambeno- predelovalni industriji, kemični in petrokemični industriji, v morskem okolju, pri izdelavi kotlov in cevovodov, v gospodinjstvu, pri izdelavi izpušnih sistemov pri športnih avtomobilih, pri proizvodnji energije in ostalih vročih in korozivnih okoljih. Zaradi nezahtevnega vzdrževanja (barvaje) in lepega izgleda se ga vse več vključuje v gradbeništvo. Manganovo trdo jeklo je po plastični deformaciji v hladnem izredno trdo zato se ga uporablja za železniške kretnice, drobilnike, gradbene stroje, itd. Čista nikljeva (invar) jekla so bolj redka. Ker imajo to lastnost, da ima zelo majhne toplotne raztezke, se jih uporablja pri izdelavi instrumentov. Težnja nadomeščanja avstenitnih nerjavnih jekel s feritnimi je v močnem porastu, saj so slednja zaradi manjše porabe dragih surovin (legirni elementi) cenovno bistveno cenejša.

27

Zaradi surovinskih prihrankov pa izdelava feritnega jekla pozitivno vpliva tudi na manjšo obremenitev okolja. Primer: nerjavno v ognju odporno feritno jeklo X10CrAlSi18 je idealno nadomestilo za avstenitna v ognju odporna jekla. Tako so primerna za armature peči, dele parnih kotlov, cevovode, elemente za transport, itd. Avstenitna jekla so zelo duktilna. Razteznost znaša od 30-40 %. Po žarjenju imajo trdoto od 192-220 HB, natezno trdnost (Rm) pa od 480-720 Mpa. Nekatere standardne oznake avstenitnih jekel: W.Nr. DIN AISI JUS

1.4306 X2CrNi 19 11 304L Č.45701

1.4310 X12CrNi 17 7 301 Č.4571

1.4401 X5CrNiMo 17 12 2 316 Č.4573

1.4404 X2CrNiMo 17 13 2 316L Č.45703

1.4435 X2CrNiMo 17 14 3 316L Č.45704

1.4436 X5CrNiMo 17 13 3 316 Č.45706

1.4438 X2CrNiMo 18 16 4 317L Č.45705

1.4439 X2CrNiMoN 17 13 5 317LNM Č.47702

1.4449 X5CrNiMo 17 13 317 -

1.4541 X6CrNiTi 18 10 321 Č.4572

1.4550 X6CrNiNb 18 10 347 Č.4582

1.4571 X6CrNiMoTi 17 12 2 316Ti Č.4574

1.4713 X10CrAL 7 - Č.4974

1.4724 X10CrAl 13 - Č.4972

1.4742 X10CrAl 18 - Č.4973

1.4762 X10CrAl 24 (446) Č.4970

1.4821 X20CrNiSi 25 4 - Č.4586

1.4828 X15CrNiSi 20 12 309 Č.4577

1.4841 X5CrNiSi 25 20 314 Č.4578

1.4845 X12CrNi 25 21 310S -

1.4864 X12NiCrSi 36 16 330 Č.4579 Viri: www.acroni.si, Sl.wikipedia.org, wwwRamainox.si, www.dormertools.com, strojniški priročnik

28

K.6. IIZZDDEELLAAVVAA NNEERRJJAAVVNNIIHH JJEEKKEELL OODD IINNGGOOTTAA DDOO PPOOLL IIZZDDEELLKKAA OOZZ.. KKOONNČČNNEEGGAA IIZZDDEELLKKAA 23070369

Izdelava Ingota Klasičen postopek litja nerjavnih jekel za preoblikovanje – gnetenje, skratka za izdelavo jeklarskih polizdelkov je litje v trajne forme. Masa ulitega ingota je lahko od dveh do petdesetih ton, odvisno od tega kakšna je nadaljnja uporaba polizdelka. Pri postopku izdelave vseh jekel ne moremo zanemariti dejstva, da imamo pri litju in posledično nadaljnji obdelavi prisotne različne vključke in nečistote. Nekatere napake se pri nadaljnji obdelavi zavarijo, druge ostanejo in povzročajo kopičenje napetosti pri obremenjevanju, spet se nekatere preoblikujejo – podvržene so smeri preoblikovanja in silam, ki delujejo na surovec in tako ostanejo ujete v strukturi materiala – te lahko povzročijo razslojevanje pločevine, ipd. Zato proizvajalci zagotovijo primerno kakovost jekla v serijski proizvodnji z taljenjem in litjem v vakuumu. Ulitke ohlajajo ''racionalno'' počasi, še raje pa se dodaja dezoksidante, ki vežejo kisik, vendar ti ostanejo v ujeti strukturi kot izločki – časi ohlajanja pa se skrajšajo. Jeklo pa lahko vsebuje tudi druge karbide in nečistote, ki so poledica primesi, te pa ravno tako povzročajo neugodne strukturne napetosti in padec trdnosti materiala. Slednjih ne moremo odpraviti drugače kot z kemičnim čiščenjem jekla pred litjem v kokile.

Kontinuirano litje Če hočemo doseči veliko proizvodnjo z veliko prihranki sredstev in posledično cenejšimi izdelki je potrebno vpeljati kontinuirano proizvodnjo jekla. Tu je

kokila postavljena vertikalno. Na vrhu ulivamo talino, na spodnjem delu pa odvajamo toploto in vibriramo celotno komoro. S tem dosežemo da ulitek z dotikom na kokilo ne povzroča prevelike drsne obrabe. Na spodnjem delu tako izstopa kristalizirana jeklena forma, ki se jo nadalje obdeluje enako kot samostojni ingot. Vir slike zgoraj je: http://www.afm.com.au/ , Slik desno:

http://www.isam-ag.de/meltshop Vir podatkov je Metalurški priročnik (1972): Podrobnejše informacije so na straneh od 601 do 613.

29

Splošno

Jekla, ki vsebujejo do 0,8% C se načeloma dobro valjajo. Nerjavna jekla pa po navadi vsebujejo samo do 0,1% - 0,2% C in več kot 10,5 – 12% Cr, ki pa bistveno vpliva na toplotno trdnost. Tudi nekateri ostali legirni elementi jeklo stabilizirajo in povzročijo povišano trdnost pri višjih temperaturah.

Nadaljnja obdelava Jekla po litju v ingote – kontinuirano ali klasično valjamo v profilirane oblike, v pločevino; vlečemo v žico, drogove - palice, cevi; iztiskujemo kot profile in

cevi… itd. Vir slike je: http://www.dunaferr.hu/english/08-media/gallery.htm

V odvisnosti od kemične sestave in namena jih preoblikujemo v hladnem ali toplem stanju.

Preoblikovanje v hladnem ima prednosti v natančnosti izdelave in kakovosti površine. Preoblikovanje v vročem pa pusti slabšo kakovost površine in posledično večje tolerance izdelka. V odvisnosti od vrste nerjavnega jekla, se razlikujejo tudi temperature za mehčanje jekla. Višja kot je temperatura manjša je trdota in manjša je trdnost… poveča pa se duktilnost – sposobnost za preoblikovanje. Vir podatkov je knjiga prof. Mirana Kovača: GRADIVA - Zapiski z predavanj (2001) , Poglavje 30, 16.1

Vir slike ''PLANETNO VALJANJE PLOČEVINE'' je: http://www.msm.cam.ac.uk/phasetrans/2007/tetra/A/A-Pages/Image0.html

30

Postopki predelave nerjavnih polizdelkov: TERMIČNA PREDPRIPRAVA: Valji ali kakršno koli orodje mehansko deformirajo material, zato je zaželeno, da je trdnost preoblikovanega materiala čim nižja. Vendar je treba omeniti, da je

koeficient trenja zaradi testastega stanja gnetenega materiala večji, zato je tudi hrapavost večja ravno tako so večje tolerance izdelkov v primerjavi z preoblikovanjem v hladnem. Glede na vrsto nerjavnega jekla, ki ga preoblikujemo imamo različne temperature žarjenja na mehko. Vir slike je: http://www.dunaferr.hu/english/08-media/gallery.htm

Izpisanih je nekaj orientacijskih vrednosti za različne skupine nerjavnih jekel.

Vrsta nerjavnega jekla Žarjenje na mehko

Temp. vroče predelave -

gnetenje

Od Do Od Do Orodna jekla za delo v hladnem

680 840 °C 850 1050 °C

Orodna jekla za delo v vročem 720 830 °C 850 1100 °C

Hitrorezna jekla 770 860 °C 900 1100 °C

Jekla za vzmeti 600 680 °C 830 920 °C

Vir podatkov je Metalurški priročnik (1972): Podrobnejše informacije za specifičen material so na straneh od 896 do 997.

Vir slike je: http://www.dunaferr.hu/english/08-media/gallery.htm

31

ŽARJENJE Vir teksta ''Žarjenje za gnetenje'' in ''Žarjenje na mehko'' ter osnutkov pripadajočih grafov (grafa sta sicer izrisana v programu CorelDRAW) je: http://sl.wikipedia.org/wiki/%C5%BDarjenje

3.1 Žarjenje za gnetenje

Za vroče preoblikovanje jekla moramo material primerno segreti. Zelo pomembno je, da pri valjanju in kovanju pregnetemo celoten presek, ne samo površinske plasti. Zaradi tega segrejemo predmete večjih dimenzij do zgornje meje, drobne predmete pa samo nad spodnjo mejo.

Grobozrnata struktura se med gnetenjem spremeni v fino-zrnato, naloga valjanja pa je, da razbije strukturo, ki je nastala pri vlivanju ingotov. Valjanje ima globlji učinek kot kovanje, zato je valjanje po navadi prva predelava ingotov, za kovanje pa uporabljamo valjane polizdelke.

3.2 Žarjenje na mehko

Pri žarjenju na mehko ni pomembna, kakšna je struktura pred in po žarjenju. Pomembno je le sprememba natezne trdnosti in trdote. Pri obdelavi se karbidi preoblikujejo v majhne kroglice (zrnati perlit) Material segrejemo na temperaturo v območju Ac1, kateremu sledi počasno ohlajanje , da dosežemo stanje, ki je dovolj mehko in ima čim manj notranjih napetosti.

Poznamo tri načine žarjenja na mehko:

32

• Jeklo dalj časa žarimo tik pod temperaturo prekristalizacije, to je 723 °C, torej tik pod mejo spremembe perlita v avstenit. Nato material pustimo na zraku, da se ohladi. S tem postopkom žarimo nelegirana, ogljikova in tudi orodna jekla.

• Jeklo žarimo tik nad temperaturo prekristalizacije, sledi počasno ohlajanje preko 723-650 °C pa tudi do 600 °C, nato do konca ohladimo na zraku. S tem postopkom žarimo tankostenske izdelke takoj po kovanju ali valjanju

• Jeklo žarimo tik nad temperaturo prekristalizacije, nato počasi znižujemo in zvišujemo temperaturo, ki niha okoli 723 °C. Sledi ohlajanje na zraku. S tem postopkom žarimo legirana jekla in nadevtektoidna C-jekla.

Končna toplotna obdelava

Po predelavi v končni polizdelek sledi ohlajenje na zraku oz. počasno ohlajanje izdelka – za večino izdelkov. V primeru da želimo doseči boljše mehanske lastnosti gradiva, je to potrebno poseči po drugih postopkih termičnih oz. kemičnih obdelav nerjavnih jekel. (Kaljenje, popuščanje, nitridiranje, kromiranje površin, itd) Vendar to je že zgodba potrošnikov in nas strojnikov kot potrošnikov železarske industrije.

Vir slike je: http://www.isam-ag.de/meltshop Vir zanimivih simulacij proizvodnje jekla na internetu:

http://csd.newcastle.edu.au/simulations/roll_sim.html

PREOBLIKOVANJE POLIZDELKOV: Vse slike so modelirane v programu CATIA V5 R18, glede na naslednje vire: GRADIVA - Zapiski z predavanj (2001) , Poglavje 30 in Metalurški priročnik (1972) - Stran: 614 do 688. Predstavljeni so samo nekateri pogosti postopki predelave nerjavnih polizdelkov.

33

Valjanje: Profile valjamo postopoma, da zmanjšamo velikosti preoblikovalnih sil.

Kalibrirna valja za valjanje različnih oblik profilov

Končno valjanje I profila

34

Valjanje kotnika

Postopno – shematsko valjanje pločevine

Valjanje brezšivne cevi – Stožčasti postopek luknjanja

Izpeljanke iz procesa valjanja so tudi ravnanje, krivljenje z valji, glajenje,…

35

Vlečenje: Vlečemo predvsem za dosego toleranc in dobre kakovosti površine – postopek poteka v hladnem stanju.

Vir slike je: http://www.isam-ag.de/meltshop Iztiskovanje:

Material mora biti v testastem stanju, da zadrži dano obliko do sobne temperature. Matrica, ki daje zunanjo obliko je modre barve. Potisni bat, ki material prisili, da zapusti komoro skozi matrico in se preoblikuje je zelene barve. Trn za luknjanje pa je obarvan rdeče. Iztiskujemo lahko vse profile poljubnih končnih oblik.

36

K.7. MARAGING JEKLA 23070395

1. Uvod ................................................................................................................................. 2. Kemična sestava maraging jekel ...................................................................................... 3. Fizikalne in mehanske lastnosti maraging jekel ............................................................... 4. Zaključek .......................................................................................................................... 5. Literatura ..........................................................................................................................

1. Uvod Maraging jekla so se razvila okoli leta 1950 in sicer sta nastali prvi dve različici tega jekla. Vsebovali sta 20 in 25 masnih procentov niklja, z manjšimi dodatki aluminija, titana in niobija. Nato so se hitro razvile še ostale različice maraging jekel, saj so postala zelo zanimiva zaradi zelo dobrih lastnosti kot so: visoka trdnost, visoka duktilnost, visoka žilavost, dobra trdota, dobra varivost, preprosta toplotna obdelava brez večjih deformacij in odpornost na rjavenje,… Ravno zaradi teh lastnosti se je uporaba maraging jekel zelo hitro razširila na široko področje uporabe. Področje uporabe:

• v vesoljski in vojaški industriji kot material za ohišja raketnih motorjev • vzmeti s posebnimi zahtevami po vzdržljivosti pri visokih temperaturah • v letalski industriji predvsem kot deli pristajalne opreme • v livarski industriji kot material orodij za tlačno litje • uporabljajo se tudi kot material za izdelavo rezalnih orodij • v avtomobilski industriji kot material za zelo obremenjene dele motorjev

izpostavljene visoki temperaturi

2. Kemična sestava maraging jekel Najbolj pogosto se uporabljajo 18% nikljeva maraging jekla, ki omogočajo široko izbiro mehanskih in fizikalnih lastnosti in je njihova termična obdela manj zahtevna od obdelave prvotnih maraging jekel z vsebnostjo 20-25% ogljika.

37

C - 200 C - 250 C - 300 C - 350 T - 200

Ni [ % ] 18,5 18,5 18,5 18,5 18,5 Co [ % ] 8,5 7,5 9 12 / Mo [ % ] 3,25 4,8 4,8 4,8 3 Ti [ % ] 0,2 0,4 1,4 1,4 0,7 Al [ % ] 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 Si [ % ] < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1

Mn [ % ] < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1 C [ % ] < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 S [ % ] < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 P [ % ] < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 Zr [ % ] 0,01 0,01 0,01 0,01 - Cr [ % ] - - - - -

T - 250 T - 300 MARLOCK

C1650 X2NiCrMo

10-10-5 Ni [ % ] 18,5 18,5 14 10 Co [ % ] / / 10,5 9,5 Mo [ % ] 3 4 4,5 5 Ti [ % ] 1,4 1,85 0,2 0,8 Al [ % ] 0,1 0,1 / - Si [ % ] < 0,1 < 0,1 < 0,1 <0,3

Mn [ % ] < 0,1 < 0,1 / <0,3 C [ % ] < 0,03 < 0,03 < 0,008 <0,03 S [ % ] < 0,01 < 0,01 / <0,015 P [ % ] < 0,01 < 0,01 / <0,025 Zr [ % ] / / / / Cr [ % ] - - - 9

Tabela 1: Kemična sestava maraging jekel v masnih procentih. Glede na sestavo lahko maraging jekla razdelimo na naslednje zlitinske tipe:

• Ni-Ti (20-25%Ni; 1,6-1,7%Ti) • Ni-Co-Mo (8-18%Ni; 8-20%Co; 3-18%Mo; 0,2-1,6%Ti; 0,05-0,2%Al) • Brez Co (18%Ni; 3-6%Mo; 1,4%Ti; 0,1%Al) • Ni-Co-Mo-Cr (4-12%Ni; 3-14%Co; 3-10%Mo; 3-14%Cr; 0,1-0,3%Al) • Ni-Cr (7-12%Ni; 0,7-2%Mo; 0,2-1,1%Ti; 5-12%Cr; 0,2-0,3%Al)

38

3. Fizikalne in mehanske lastnosti maraging jekel

C - 200 C - 250 C - 300 C - 350 T - 200 Rm 1450 1800 2030 2400 1450

Rp0,2 1420 1760 2000 2350 1410 A 12 11 11 7 14 Z 62 58 57 35 68

KV 48,8 27 23 13,6 110 H 43-48 48-52 50-55 55-60 43-47 E 180 186 190 200 188 ρ 8,0 8,0 8,0 8,1 7,98

λ pri 20˚C 19,5 25,3 25,3 25,3 α 10,1 10,1 10,1 11,3 12,8

K1c - - - - 128 T - 250 T - 300 MARLOCK

C1650 X2 NiCrMo

10-10-5 Enote

Rm 1800 2000 1600 1800 [ MPa ] Rp0,2 1760 1965 1500 1700 [MPa]

A 11 10 11 - [%] Z 58 51 40 - [%]

KV 34 20 30 - [J/mm2] H 49-52 52-55 47-51 45-50 [HRC] E 186 192 186 203 [103 MPa] ρ 7,98 7,98 8,09 8,1 [g/cm3]

λ pri 20˚C 30 23,6 [W/mK] α 11,2 13,3 10,1 9,9 [10-6 K-1]

K1c 98 69,7 100 - [MPa√m]

Tabela 2: Mehanske in fizikalne lastnosti maraging jekel. Varivost maraging jekel je dobra, varimo jih z TIG-om ali elektronskim snopom, zadnje čase se vse bolj uporablja lasersko varjenje predvsem kot reparaturno varjenje orodij. Varimo jih lahko tudi po MIG-u, ampak se pri varjenju po migu zmanjša duktilnost maraging jekla v zvaru in TVC (toplotno vplivani coni). Kot zaščitni plin je priporočljivo uporabljati argon, razen pri elektronskem snopu, kjer varimo v vakumu. Če želimo doseči lastnosti osnovnega materiala moramo zvar in TVC izločevalno žariti. Maraging jekla so kaljiva na zraku, zato ni potrebno posebnega ohlajanja ampak jih samo vzamemo iz peči. Najvišjo trdnost in trdoto pa ne dobimo s kaljenjem, temveč z izločevalnim žarjenjem do 6 ur na temperaturi 400-550˚C. Maraging jekla so magnetna, njihova magnetnost pa je odvisna od sestave, maraging jeklo ki vsebuje veliko Ni in Al ima najslabše magnetne lastnosti, medtem ko jeklo ki vsebuje več Mo in Co ima najboljše magnetne lastnosti. Magnetne lastnosti padajo tudi z napetostjo v materialu.

39

4. Zaključek Maraging jekla se uporabljajo za konstrukcije, kjer ima trdota, trdnost in teža konstrukcije prednost pred ceno. Visoko ceno imajo zaradi velikega deleža niklja, ki je precej dražji dodajni element kot ogljik. Njihova prednost pa je prav v tem, da pri povišanih temperaturah do 600˚C ne izgubljajo mehanskih lastnosti zaradi difuzije, kot jih izgubljajo jekla ki so legirana z večjimi procenti ogljika.

5. Literatura http://steel.keytometals.com/default.aspx?ID=CheckArticle&NM=231 http://www.themetallurgist.co.uk/articles/maraging_steels.shtml http://www.matthey.ch/fileadmin/user_upload/downloads/fichetechnique/EN/Durnico.pdf http://www.matthey.ch/fileadmin/user_upload/downloads/fichetechnique/EN/Durinox.pdf http://danvils.com/VascoMaxC.pdf http://www.alleghenytechnologies.com/Allvac/pages/PDF/tech/vascomaxt.pdf http://www.maher.com/html/alloys/maraging/index.htm http://books.google.si/books?id=NRXnXmFRjWYC&lpg=PT411&ots=a6iAyhN4Jh&dq=maraging%20steels&hl=en&pg=PT411#v=onepage&q=maraging%20steels&f=false http://books.google.si/books?id=ORil4pedzjEC&lpg=PA45&ots=m-oO9Mq1Yy&dq=maraging%20steels&hl=en&pg=PA45#v=onepage&q=maraging%20steels&f=false http://www.metsomaterialstechnology.com/MEP/info.nsf/WebWID/WTB-081114-22574-E9F9E/$File/Marlok%20brochure%202008.pdf

40

K.8. IZDELAVA MARAGING JEKEL OD INGOTA DO POLIZDELKA OZ. KONČNEGA IZDELKA 23060359

Kazalo 1. Zahtevane naloge seminarja .................................................................................................. 2. Postopki preoblikovanja oz. oblikovanja maraging jekel ..................................................... 3. Predstavitev maraging jekel .................................................................................................. 4. Staranje ................................................................................................................................. 5. T.t diagram ............................................................................................................................ 6. Viri: ...................................................................................................................................

1. Zahtevane naloge Izdelava maraging jekel od ingota do polizdelka oz. končnega izdelka: postopki preoblikovanja oz. oblikovanja, temperature, časi zadrževanja na obdelovalnih temperaturah, hitrost ohlajanja, T-t diagram, ali je potrebna kakšna nadaljna toplotna obdelava in kakšna. Dimenzije polizdelkov in tolerance.

2. Postopki preoblikovanja oz. oblikovanja maraging jekel V uporabi so postopki preoblikovanja maraging jekel:

• valjanje • kovanje • ulivanje • preoblikovanje v hladnem • preoblikovanje v toplem • preoblikovanje v vročem • varjenje • nitridiranje

Valjanje je postopek kontinuiranega preoblikovanja obdelovanca (ingota) med dvema enako se vrtečima valjema. Pri tem se višina obdelovanca zmanjša od h0 do h1, poveča se njegova dolžina , ob določenih pogojih pa tudi širina. Naloga valjanja je, da grobozrnato strukturo, ki je nastala pri vlivanju ingotov, spremeni v finozrnato.Valjanje ima globji učinek kot kovanje, zato je valjanje po navadi prva predelava ingotov, za kovanje pa uporabljamo valjane polizdelke. Z valjanjem iz ingotov izdelujemo pločevino (različnih debelin) in profile (okrogli, kvadratni,ploščati ...) Temperatura za valjanje maraging jekel se vrti od 950 – 1040°C. Najmanjša še dopustna temperatura pa je 820°C.

41

Kovanje uporabljamo za izdelavo kvalitetnih strojnih delov kompliciranih oblik in z velikimi spremembami prerezov. Zaenkrat je najceneje z raznimi postopki kovanja primerno oblikovati valjane profile,palice in trakove v izkovke. Pri tem največkrat uporabljamo temperature nad mejo rekristalizacije, ker imamo takrat občutno manjše sile, dopustne deformacije pa veliko večje. Temperature za kovanje maraging jekel se vrtijo od 870 – 1175°C.

Preoblikovanje v toplem poteka na 300 – 320°C Preoblikovanje v vročen poteka na temperaturah od 810 do1175°C

Varjenje je spajanje dveh ali več delov osnovnega materiala v nerazdružljivo celoto. Spajanje dosežemo s toploto, s pritiskom ali pa s kombinacijo obeh skupaj z ali brez dodajanja materiala. Maraging jekla varimo z TIG in MIG postopki. Material ni primeren za predgretje, saj se s tem spreminja njegova kristalna struktura. Predgrevamo ga lahko le do 100°C.

Maraging jekla uporabljamo tudi za reparaturno varjenje za orodja za vlivanje plastike, ker so maraging jekla zelo dobro odporna proti obrabi.

Nitriranje ali tudi nitridiranje je termokemična obdelava jekla. Z njo obogatimo površino jekla z dušikom. Glavni namen nitriranja je povečati trdoto površine. S tem postanejo jekla bolj odporna proti obrabi, močno pa se jim poveča tudi nihajna (dinamična) trdnost. Najboljši učinek dosežemo s posebnimi jekli za nitriranje, ki vsebuje Mo, Al in V. Večini jekel se poveča tudi korozijska odpornost, izjema so nerjavna jekla.

Na površini jekla lahko v odvisnosti od pogojev nitriranja nastane le difuzijska plast, ali pa spojinska in difuzijska plast. Kot že ime pove, je v spojinski plasti vsaj ena spojina železa z dušikom: γ'-nitrid in/ali ε-nitrid. Ta plast je zelo odporna proti abrazivni obrabi. Med nitriranjem atomi dušika prodirajo v notranjost z difuzijo. Ker je dušikov atom mnogo manjši od železovega atoma je to intersticijska difuzija. V difuzijski plasti dušik reagira z atomi Al, Mo in V, tako da nastanejo v kristalnih zrnih nitridi. Če je na površini jekla le difuzijska plast, je jeklo dobro odporno proti utrujenostni obrabi.

Maraging jekla zaradi svojih značilnosti zahtevajo posebne procese nadaljne obdelave. Te obdelave so potrebne za zmanjšanje vsebnosti nečistoč. To so elementi:

42

• ogljik • mangan • žveplo • fosfor • plini (kisik, dušik, vodik) Najbolj škodljivi nečistoči sva žveplo in ogljik, ker tvorita krhke kemijske strukture (karbid, sulfid, karbonitridne in karbosulfidne vključke), ki lahko ob raztezanju materiala pri njegovi uporabi pokajo.

Odkar martenzitna transformacija niklja in železa poteka le na dveh stopnjah (austenit – martenzit), so martenzitne strukture relativno nodularne, duktilne. Pred staranjem znaša natezna trdnost od 650 – 820 Mpa. Po staranju pa doseže 1650 – 1700 Mpa.

3. Predsatavitev Maraging jekel: Maraging jekla so zlitine železa in niklja, pridobljene s posebnimi toplotnimi postopki. Posledica teh postopkov je martenzitna struktura. Maraging jekla vsebujejo od 18 – 18,5% niklja. Kobalta vsebujejo od 7,5 – 12%, molibdena od 3,25 – 4,8%, ostali elementi pa so zastopani v sledovih.

Primeri maraging jekel in njihov opis :

• Maraging 250 • Maraging 300 • Maraging 350 • Maraging 362

43

Maraging 250

Maraging 250 je jeklo z 18% niklja, ki je okrepeno z kobaltom. Maraging 250, kot ostala maraging jekla, mora zaradi utrditve ob ohlajevanju prestati proces staranja, za odpravo notranjin napetosti. Posledica staranja tega jekla je tako trdnost kot trdota. Struktura takega jekla kljubuje tudi dejavnikom v okolju, zaradi katerih bi marsikatero drugo jeklo utrpelo nepopravljive poškodbe.

Spekter uporabe jekla maraging 250 je zaradi njegovih obdelovalnih lastnosti zelo širok. Razteznost in odpornost na visoke temperature omogočata, da se jeklo uporablja v različnih atmosferah (voda, zrak, vakuum, vesoljska tehnologija,…)

Po toplotni obdelavi dobi jeklo odlične mehanske lastnosti. Natezna trdnost se poveča na 1654 Mpa, lomna žilavost pa na 75 Kic . To omogoča gradnjo raketnih blokov motorja ter vzletne in pristajalne opreme pri vesoljskih plovilih.

Maraging 300

Maraging 300 je železo-nikljeva zlitina, katero prav tako kot ostala maraging jekla odlikujeta visoka trdnost in trdota. Izredno odporen je proti lomom, tudi v najbolj ekstremnih okoljih. Maraging 300 se uporablja tam, kjer je zahtevana visoka odpornost na lome in kjer so zahtevane zelo majhne tolerance.

Uporablja se večinoma v industriji zračnih in vesoljskih plovil. Pogosto je sestavni del ohišij motorjev vesoljskih plovil ter pristajalne opreme določenih tipov letal. Zastopan je tudi kot materijal pogonskih gredi in nizko-temperaturnih hladilnih sistemov.

Maraging 300 in druga starana martenzitna jekla so zaradi specifične uporabe slabo zastopana na tržišču.

Maraging 350

Zaradi daljšega časa ohlajevanja oz. procesa staranja nastane kristalna martenzitna struktura, ki daje jeklu izjemno trdnost in trdoto, katere ne bi pridobilo pri naravnem hlajenju.

Maraging 350 is an alloy that has become an integral material in the airplane and aerospace industries. Due to its strength and its ability to withstand extreme conditions including frequent and sudden changes in speed and temperature, Maraging 350 is used in the production of rocket motor cases, takeoff and landing gear, and certain munitions created by defense companies. Maraging 350 also has uses in less drastic applications such as die casting and high-performance shafting.

Maraging 300 je zelo odporen na velike temperaturne in hitrostne spremembe. Zato ga uporabljamo v letalski in vesoljski industriji, kot jeklo za proizvodnjo ohišji raketnih motorjev, deli vzletne in pristajalne opreme, ter nekatere vrste orožja (naboji)

44

Le nekaj podjetji je na svetu, ki proizvajajo jeklo maraging 350 in druge podobne zlitine. Le te, ki imajo možnost sodelovanja z glavnimi proizvajalci vesoljski in zračnih plovil, ter proizvajalci obrambne opreme.

Maraging 362

Maraging jekla so znana po njihovi visoki trdoti in trdnosti. Njihove sposobnosti za prenašanje različnih vrst napetosti v različnih okoljih so postavile ta jekla v letalsko in vesoljsko industrijo. Vsako maraging jeklo ima svoje unikatne lastno a veliko njih se uporablja v podobnih aplikacija.

Tudi maraging 362 so podrejena staranju. Ta proces vodi k izboljšanju trdote in trdnosti. Zaradi tega so tovrstna jekla so uvedli v uporabo tudi za izdelovanje golf palic.

4. Staranje Ker so maraging jekla ne-ogljikova jekla, pristaranju ne rabijo nobene zaščitne atmosfere. Starati jih moramo zato, da pridobimo na trdoti in trdnosti.

Tabela1. temperature in časi staranja

45

5. T-t diagram T-t diagram za maraging jekla

T-t diagram maraging jeklo

6. Viri: http://www.steelforge.com/metaltidbits/maraging.htm http://sl.wikipedia.org/wiki/Nitriranje Wikipedija (http) http://www.answers.com Katalog VascoMax Teledyne Vasco Bojan Kraut: Krautou strojniški priročnik

46

K.9. ORODNA JEKLA 23060600 Definirajte lastnosti v odvisnoti od sestave: kemična sestava, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnost kaljenja. Možnost varjenja. Trgovske označbe po standardih. Aplikacije, uporaba. Orodna jekla lahko razdelimo na več načinov:

1. Po tem ali so kaljiva v vodi, olju, na zraku, v solni kopeli in v plinskem toku pod tlakom.

2. Po mikrostrukturi, ki je lahko iz martenzita, popuščenega pri različni temparaturi, iz popuščenega martenzita in iz sekundarnih karbidov ter popuščenega martenzita in evtektičnih karbidnih zrn.

3. Po namenu in intenziteti obrabe, teperaturi, ki se razvija med uporabo ter kontaktni temperaturi, toplotni utrujenosti in namenu uporabe. Zato je struktura orodnih jekel zelo raznovrstna in imajo od 0.5 do 2% ogljika, do 2% silicija, do 2% mangana, do 18% kroma, do 8% molibdena, do 2% vanadija, do 18% volframa in do 5% kobalta v zelo različnih kombinacijah.

Za najpreprostejša orodja za ročno uporabo lahko uporabimo vsako jeklo, ki s toplotno obdelavo dobi zadostno trdoto in kombinacijo trdote in žilavosti. Trdota tudi pri preprostih rezalnih orodjih ne zagotavlja trajnosti pri uporabi. Ta je odvisna od odpornosti proti obrabi in žilavosti loma, ki je potrebna, da se zmanjšakrušenje ostrine. Pri ročnih orodjih ni pomembna temperaturna obstojnost trdote, strojna orodja pa se pri delu segrejejo, zato so izdelana iz jekel, ki ohranjajo trdoto tudi pri povišani temperaturi, npr. Pri ročni obdelavi lesa je temperatura blizu okoliške, pri strojni obdelavi pa temperatura zraste tudi nad 300 ˚C. Orodna jekla so popuščena nad temperaturo, ki se razvije pri uporabi, zato se trdota pri tem ne zmanjšuje. Malolegirana jekla so kaljiva na zraku pri nad 0.6% ogljika, veliko (visoko) legirana, npr. Jekla za utope, pa so kaljiva na zraku že pri 0.4% ogljika. Jekla za orodja z velikimi preseki morajo imeti dobro prekaljivost, da se izvrši kaljenje na martenzit s čim manjšimi napetostmi, ki jih na preseku kaljenca povzroča temperaturno-deformacijski gradient. Orodja izdelujejo iz profilnih kovanih in valjanih polizdelkov, pa tudi iz hladno valjane visokoogljične in malolegirane jeklene pločevine. Iz take pločevine naprimer izdelujejo nože za odrezavanje različnih formatov in oblik iz krtona in papirja v tiskarnah. Zato morajo biti orodna jekla preoblikovana v vročem, nekatera pa tudi v hladnem. Druga orodja lahko izdelamo samo z litjem, npr. velike rezkarje in orodja, odporna proti koroziji in abraziji za iztiskavanje mase za baterije, ki vsebujejo zelo koroziven cinkov klorid. Ta orodja izdelujejo iz kobalt-molibdenovih zlitin z visokim ogljikom, zelo podobne zlitine z mnogo manj ogljika pa se uporabljajo v zobni protetiki in za skeletne vsadke. Za orodna jekla je potrebna zadostna kaljivost, včasih tudi kaljivost na zraku, za orodja z velikimi preseki pa je potrebna tudi zadostna prekaljivost. Protioksidacijsko odpornost in nerjavnost daje orodnim jeklom le legiranje s kromom. Malo legirana orodna jekla imajo 0.6 do 1.2% ogljika in do 2% kroma, niklja, silicija, molibdena, vanadija in redkeje volframa v različnih kombinacijah. Za delo pri povišani temperaturi, ki se razvije pri industrijski obdelavi lesa uporabljajo jekla z višjo vsebnostjo kroma, okoli 8%. Še večjo trdoto in trajnost reznega roba zagotavljajo ledeburitna jekla z nad

47

11% kroma, 1.5% in več ogljika in z ev. dodatki molibdena in vanadija. V poboljšanem stanju imajo ta jekla mikrostrukturo iz popuščenega martenzita in karbidnih zrn kromovega karbida iz ledeburitnrga evtektika, ki se pri segrevanju pred kaljenjem niso raztopila v avstenitu. Ta zrna ohranjajo trdoto jekla še pri temperaturi, ko se začne martenzitna matica mehčati zaradi popuščanja martenzita. Molibden, vanadij in volfram tvorijo karbidne izločke pri temperaturi nad 500˚C, kar povzroča sekundarno utrditev jekla, ki obstojnost trdote in rezalnosti poveča za do 50˚C. V hitroreznih jeklih najdemo med 0.75 in 1.3% ogljika ter 4% kroma, do 8% molibdena, do 18% volframa, do 2% vanadija in do 5% kobalta. Ta jekla so namenjena za najzahtevnejše pogoje obdelave z odrezovanjem ostružkov in štancanje, pa tudi za najmočnejše obremenjena orodja za hladno kovanje in stiskanje prahov. Vzdržljivost pri odrezovanju je odvisna od volumskega deleža, porazdelitve in sestave karbidne faze, ki se pri segrevanju pred kaljenjem ni raztopila v avstenitu, od karbidnih izločkov, ki nastanejo pri popuščanju, in elementov v trdni raztopini, med katerimi je posebej učinkovit kobalt. Posebna kategorija orodnih jekel so tista orodja za delo v vročem, npr. utope in kokile za tlačno litje aluminijevih in bakrovih zlitin. Utopi za vroče kovanje konstrukcijskih in drugih jekel so obremenjeni na abrazijo zaradi škaje in na toplotno utrujenost zaradi temepraturnih šokov, ker prihaja površina orodja pod pritiskom v stik s površino kovanca, ki je pri temperaturi kovanja, pogostonad 1100˚C. Tudi kokile so obremenjene s toplotnim šokom pri dotiku s talino pri temperaturi nad 700˚C. Pri kokilah abrazije praktično ni, je pa lahko obraba zaradi lepljenja taline na steno orodja. To preprečuje plast kromovega ali krom-železovega oksida na delovni površini orodja. Še bolj učinkovito pa lepljenje taline zmanjšamo, če nitriramo delovno površino orodja. Pri hitroreznih jeklih, katerih sestava, omogoča, da ohranjajo trdoto do temno rdečega žara, žilavost po toplotni obdelavi ni tako pomembna, ker jim daje precejšnjo žilavost zelo visoka delovna temperatura. Orodna jekla za delo v hladnem so namenjena za zahtevnejša ročna orodja in pri višji vsebnosti ogljika tudi za obdelavo kovin s hladno deformacijo, npr. z valjanjem in upogibanjem pločevine, valjanjem navojev. Delovna temperatura je nižja kot pri strojnih reznih orodjih, zato pa orodja prenašajo velik površinski pritisk in obrabo zaradi kotalnega trenja. Trajnost takih orodij izboljšamo z nitriranjem, ki poveča trdoto površine in zmanjša trenje. Vsa orodna jekla so primerna za preoblikovnje z vročim kovanjem in valjanjem, pogosto pa tudi za hladno vlečenje. Številna so po mehkem (sferoidizacijskim) žarjenju primerna tudi za hladno kovanje in za izdelavo majhnih orodij zahtevnih oblik, naprimer trnov za vtiskovanje križne glave v vijake. Na sliki 1 so krivulje deformacijske utrditve za volfram-molibdenovo hitrorezno jeklo. Dosegljiva hladna deformacija je močno odvisna od temperature in časa sferoidizacijskega žarjenja pred deformacijo. V razpredelnici 2 so navedene informativne sestave jekel za orodja. Razen pri čistih ogljikovih je mogoče pri vseh jeklih doseči trdoto nad 64 HRc. Vendar pa je pri taki trdoti le pri srednje in visoko legiranih jeklih zadostna tudi žilavost oz. Odpornost proti krušenju ostrine in luščenju površine pri kotalnem trenju z visokim površinskim pritiskom.

48

Slika 1

Tabela 2

49

Jekla za delo v hladnem Kemijska sestava (orientacijske vrednosti v %)

DIN 17350

ZAPP ISO 4957 C Mn Cr Mo V W Ni Co

1,2080 C 120 X210Cr12 2,1 0,3 12,0 - - - - - 1,2363 LVC 50 - 1,0 0,5 5,3 1,0 0,2 - - - 1,2379 LC 120

S X153cRmOv12

1,55 0,3 12,0 0,7 1,0 - - -

1,2436 WC 120 X210 Cr W 12

2,2 0,3 12,0 - - 0,8 - -

1,2550 SCW 20 H

60WCrV8 0,6 0,3 1,1 - 0,2 2,0 - -

1,2714 LCN Extra

55NicRmOv7 0,55 0,7 1,2 0,5 0,1 - 1,8 -

1,2767 LCN 45 45NiCrMo16 0,45 0,25 0,3 - - - 4,0 - 1,2842 VM 20 90MnCrV8 0,9 0,25 0,5 - 0,1 - - -

Jekla za delo v vročem Kemijska sestava (orientacijske vrednosti v %)

DIN 17350

ZAPP ISO 4957 C Mn Cr Mo V W Ni Co

1,2343 CVL 10 X37CrMoV5-1

0,38 0,4 5,3 1,3 0,35 - - -

1,2344 CVL 10 V

X40CrMoV5-1

0,4 0,4 5,3 1,4 1,0 - - -

1,2365 CVL 30 - 0,32 0,3 3,0 2,8 0,5 - - - 1,2367 LC 50 - 0,4 0,4 5,0 3,0 0,5 - - -

Jekla za obdelavo umetnih mas Kemijska sestava (orientacijske vrednosti v %)

DIN 17350

ZAPP ISO 4957 C Mn Cr Mo V W Ni Co

1,2083

C 135 M - 0,42 0,3 13,0 - - - -

1,2311

MCL 3 - 0,4 1,5 2,0 0,2 - - -

1,2312

MCL S - 0,4 1,5 1,9 0,2 - - +S

1,2316

LC 160 X 38CrMo16 0,36 0,8 16,0 1,2 - - -

1,2738

MCL 4 - 0,4 1,5 1,9 0,2 - - 1,0 -

1,4112

K 90 L - 0,9 0,6 18,0 1,2 - - -

1,4122

K 35 L - 0,4 0,6 17,0 1,2 - - 0,8 -

1,8550

N 35 - 0,34 0,5 1,7 0,2 - - 1,0 +Al

50

Jekla za obdelavo umetnih mas Kemijska sestava (orientacijske vrednosti v %)

DIN 17350

ZAPP ISO 4957 C Mn Cr Mo V W Ni Co

1,3202

SSVB 50 - 1,4 0,3 4,2 0,9 4,0 12,0 - 5,0

1,3207

SSB 120 HS 10-4-3-10

1,3 0,3 4,2 3,8 3,2 10,5 - 10,5

1,3243

SSLB 50 HS6-5-2-5 0,92 0,3 4,2 5,0 2,0 6,5 - 5,0

1,3343

SSWL 50 HS 6-5-2C 0,9 0,3 4,3 5,0 1,9 6,5 - -

Viri:

1. Kovine in zlitine; Franc Vodopivec 2. http://www.metaling.eu/vsebina/ZAPP-Orodna_jekla.pdf

51

K.10. IZDELAVA ORODNIH JEKEL OD INGOTA DO POLIZDELKA OZ. KONČNEGA IZDELKA 23070488

Kazalo 1. Zahtevane naloge seminarja .................................................................................................. 2. Orodna jekla .......................................................................................................................... 3. Postopki preoblikovanja oz. oblikovanja orodnih jekel ........................................................ 4. Obdelovalne temperature orodnega jekla ............................................................................. 5. Časi zadrževanja na obdelovalnih temperaturah ................................................................... 6. Hitrost ohlajanja .................................................................................................................... 7. T-t diagrami za nekaj orodnih jekel ...................................................................................... 8. Nadaljna toplotna obdelava ................................................................................................... 9. Dimenzije polizdelkov in tolerance ...................................................................................... 10. Viri: ...................................................................................................................................

7. Zahtevane naloge Izdelava orodnih jekel od ingota do polizdelka oz. končnega izdelka: postopki preoblikovanja oz. oblikovanja, temperature, časi zadrževanja na obdelovalnih temperaturah, hitrost ohlajanja, T-t diagram, ali je potrebna kakšna nadaljna toplotna obdelava in kakšna. Dimenzije polizdelkov in tolerance.

8. Orodna jekla Orodna jekla delimo v naslednje skupine:

• Ogljikova orodna jekla za delo v hladnem • Legirana orodna jekla za delo v hladnem • Nerjava orodna jekla • Legirana in močno legirana orodna jekla za delo v vročem • Hitrorezna jekla

9. Postopki preoblikovanja oz. oblikovanja orodnih jekel Poznamo naslednje postopke preoblikovanja orodnih jekel:

• valjanje, • vlečenje, • kovanje

52

Valjanje je postopek kontinuiranega preoblikovanja obdelovanca (ingota) med dvema enako se vrtečima valjema. Pri tem se višina obdelovanca zmanjša od h0 do h1, poveča se njegova dolžina , ob določenih pogojih pa tudi širina. Naloga valjanja je, da grobozrnato strukturo, ki je nastala pri vlivanju ingotov, spremeni v finozrnato.Valjanje ima globji učinek kot kovanje, zato je valjanje po navadi prva predelava ingotov, za kovanje pa uporabljamo valjane polizdelke. Z valjanjem iz ingotov izdelujemo pločevino (različnih debelin) in profile (okrogli, kvadratni,ploščati ...) Orodna jekla običajno vroče valjamo. Temperatura pri vročem valjanju znaša od 800°C do 1100°C.

Slika 1: Postopek valjanja

Vlečenje je postopek, kjer v hladnem stanju vroče valjane ali iztisnjene izdelke predelamo v kvalitetnješe profile. Zvlečenjem izboljšamo mehanske lastnosti in kvaliteto površine ter dosežemo natančnejše oblike z ožjimi tolerancami . Pred vlečenjem je treba izdelke ustrezno pripraviti.

Slika 2: Postopek vlečenja

Kovanje uporabljamo za izdelavo kvalitetnih strojnih delov kompliciranih oblik in z velikimi spremembami prerezov. Zaenkrat je najceneje z raznimi postopki kovanja primerno oblikovati valjane profile,palice in trakove v izkovke. Pri tem največkrat uporabljamo temperature nad mejo rekristalizacije, ker imamo takrat občutno manjše sile, dopustne deformacije pa veliko večje. Temperatura kovanja za orodna jekla je od 800°C do 1000°C.

53

10. Obdelovalne temperature orodnega jekla Tabela 1. Obdelovalne temperature orodnega jekla

Oznaka %C oz. %legirnih elementov

Kovanje Temp. [°C]

Žarjenje Temp. [°C]

Kaljenje Trdota [HRC]

Popuščanje Temp. [°C] DIN Temp. [°C] Sredstvo

Nelegirana oz. ogljikova orodna jekla

C 60 W 0,7C 1050 .., 800 690 ... 720 770 ... 800 voda 63 100 ... 300

C 80 W1 0,8C 1050 .., 800 690 ... 720 770 ... 800 voda 64 100 ... 300

C 105 W1 1,0C 1000 ... 800 690 ... 720 760 ... 790 voda 65 100 ... 300

C 135 W 1,35C 1000 ... 800 690 ... 720 760 ... 780 slanica 65 100 ... 300

Legirana orodna jekla za delo v hladnem

110WCrV5 1,1C 1,5W 0,6Cr 0,1V 1050 ... 800 720 ... 750 800 ... 860 olje 65 150 ... 250

45WCrV7 0,45C 1Si 1Cr 2W 0,2V 1050 ... 850 720 ... 750 890 ... 930 olje 56 ... 59 150 ... 400

100Cr6 1,0C 1,5Cr 1050 ... 850 760 ... 800 820 ... 860 olje 63 ... 65 150 ... 300

105WCr6 1,0C 1Mn 1Cr 1,2W 1050 ... 850 720 ... 750 840 ... 870 olje 64 ... 66 100 ... 300

Legirana orodna jekla za delo v vročem

X30WCrV41 0,3C 1Si 1Cr 4W 0,2V 1100 ... 850 740 ... 760 1000 ... 1040 olje 46 ... 50 550 ... 700

X38CrMoV5-1 0,4C 1Si 5Cr1,3Mo 0,4V 1100 ... 900 800 ... 830 1000 ... 1050 zrak 49 ... 55 550 ... 700

56NiCrMoV7 0,55C 1Cr 1,7Ni 0,5Mo 0,1V 1100 ... 850 670 ... 700 860 ... 900 zrak 54 ... 58 400 ... 700

X30WCrV9-1 0,3C 2,5Cr 9W 0,4V 1100 ... 900 780 ... 810 1130 ... 1160 zrak 43 ... 47 550 ... 700

Nerjavna orodna jekla

X20Cr13 ~0,23C ~0,35Si ~0,35Mn ~13,5Cr 1100 ... 850 770 ... 800 960 ... 1000 zrak 44 ... 52 650 .. 750

X30Cr13 ~0,33C ~0,35Si ~0,35Mn ~13,5Cr 1100 ... 850 770 ... 800 950 ... 1020 zrak 50 ... 58 625 ... 724

X4CrMoS18 ~0,48C ~0,35Si ~0,35Mn ~14,5Cr 1100 ... 850 770 ... 800 950 ... 1020 zrak 53 ... 59

Hitrorezna jekla

S18-0-1 0,75C 4Cr 18W 1,1V 1150 ... 900 800 ... 830 1260 ... 1290 zrak 63 ... 65 530 ... 560

S18-1-2-5 0,8C 4Cr 18W 0,7Mo 1,5V 5Co 1150 ... 900 800 ... 830 1270 ... 1300 zrak 63 ... 66 550 ... 580

S6-5-2 0,82C 4Cr 6,5W 5Mo 1,9V 1100 ... 900 780 ... 810 1200 ... 1240 zrak 63 ... 66 540 ... 570

S6-5-2-5 0,82C 4Cr 6,5W 5Mo 1,9V 5Co 1100 ... 900 780 ... 810 1210 ... 1250 zrak 63 ... 66 550 ... 580

V tej tabeli je zbranih le nekaj jekel posameznih skupin! Okvirno temperaturo žarjenja na mehko lahko izračunamo tudi po tej enačbi:

11. Časi zadrževanja na obdelovalnih temperaturah

54

Pri žarjenju na mehko so časi zadrževanja na obdelovalnih temperaturah precej dolgi (segrevanje obdelovancev ( ≤ 150°C/h), zadrževanje na obdelovalni temperaturi, počasno ohlajanje na zraku). Čas kaljenja je odvisen od velikosti obdelovanca, od sestave materiala (legirni elementi) obdelovanca in od vrste peči za segrevanje. Čas segrevanja je orodnih jekel je definiran z hitrostjo segrevanja ki znaša > 1,5min/mm za legirana orodna jekla in od 1,5 do 2 mm/mm za nelegirana oz. ogljikova orodna jekla. Orodna jekla, ki se kalijo pod 900 oC, se segrevajo najprej na temperaturo 400 do 600 oC. Če jekla segrevamo nad 900 oC, jih predhodno predgrevamo na 600 do 700 oC. Hitrorezna jekla, ki pa imajo majhno toplotno prevodnost, najprej segrejemo na 300 do 500 oC, jih na tej temperaturi kratek čas zadržujemo, nato sledi segrevanje na temperaturo 850 oC in nazadnje celo na temperaturo 1050 oC. Kar nam obdelovalni čas še podaljša! Ko dosežemo kalilno temperaturo obdelovanec držimo na tej temperaturi toliko časa dokler se ne pregreje po celotnem prerezu, vendar ne predolg zaradi naraščanja kristalnih zrn in zmanjšanja žilavosti jekla(priporočila od 30 do 45 min). Celoten čas segrevanja je torej odvisen od velikosti in oblike izdelka,vrste jekla (pri orodnih jeklih je čas segrevanja še daljši zaradi težjega raztapljanja legirnih elementov), temperature, na kateri segrevamo, vrste in toplotne kapacitete peči Pri gašenju jekla je čas spet odvisen od količine legirnih elementov v jeklu:

• Ogljikova in malolegirana orodna jekla gasimo v vodi (čas gašenja relativno kratek) • Srednje legirana orodna jekla gasimo v olju (čas gašenja daljši kot pri vodi) • Močno legirana jekla gasimo na zraku (čas gašenja dolg)

Po kaljenju sledi popuščanje ki traja od 1 do 3 ure, pri delih kjer je važna stabilizacija oblike (deli merilnih orodij), pa je čas popuščanja celo do 24 ur. Pri nekaterih jeklih (hitrorezna jekla, orodna jekla za delo v vročem) poteka popuščanje v več fazah 3 x 1 ura popuščanja.

Slika 3: Primer toplotne obdelave orodnega jekla za delo v vročem

55

12. Hitrost ohlajanja

S temperature avstenitizacije ohlajamo jekla v kalilnem sredstvu. V primerih, ko kalimo jeklo na martenzit, ga ohlajamo s hitrostjo, ki je večja, kot je zgornja kritična ohlajevalna hitrost za to jeklo.

Ohlajevalna hitrost je odvisna od:

• temperature avstenitizacije, • količine ogljika • in zlitinskih elementov.

Pri izbiri kalilnega sredstva moramo upoštevati tudi to, da je hitrost ohlajanja pri kaljenju odvisna od specifične toplote ter toplotne prevodnosti jekla, hladilne sposobnosti kalilnega sredstva ter od velikosti in oblike izdelka, ki ga kalimo.

Ohladitev jekla s temperature kaljenja poteka v različnih sredstvih. Izbira sredstva je odvisna od oblike orodja. Tako je za orodje, ki ima komplicirano obliko, primeren zrak, za enostavno obliko, pa olje. Ko je orodje ohlajeno na 80 °C, se takoj popušča.

13. T-t diagrami za nekaj orodnih jekel

Slika 4: T-t diagram za ogljikovo oz. nelegirano orodno jeklo (C80 W1)

56

Slika 5: T-t diagram za legirano orodno jeklo za delo v hladnem (105 WCr6)

Slika 6: T-t diagram za legirano orodno jeklo za delov v vročem (56 NiCRMoV 7)

57

Slika 7: T-t diagram za nerjavno orodno jeklo (X30Cr13)

Slika 8: T-t diagram za hitrorezno jeklo (S6-5-2)

58

14. Nadaljnja toplotna obdelava Za nekatera orodna jekla se uporablja še nadaljnje površinske obdelave:

kemično toplotne obdelave: • nitriranje, • kromiranje, • titaniranje, • karbonitriranje, • boriranje.

površinsko kaljenje, CVD postopek (kemijsko naparjanje prevlek), PVD postopek (fizikalno naparjanje prevlek).

15. Dimenzije polizdelkov in tolerance

15.1. Dimenzije okroglih črnih profilov: - palice Ø 15 – 105 mm - dolžina 3000 – 6000 mm

Dimenzije okroglih valjarsko luščenih profilov: - palice Ø 30 – 102 mm (tolerance ±0,3 mm) - dolžina 3000 – 6000 mm

Ravnost za te profile ≥ 2mm/m

Tabela 2: Tolerance za okrogle črne valjane profile

59

15.2. Dimenzije kvadratnih valjanih profilov : - kvadratni 25 - 75 mm - dolžina 3000 – 6000 mm

Ravnost za te profile ≥ 2mm/m

Tabela 3: Tolerance za kvadratne valjane profile

15.3. Dimenzije ploščatih profilov: - širina 50 – 150 mm v debelini 7 – 65 mm - širina 150 – 225 mm v debelini 7 – 50 mm

Razmerje dimenzij za orodna jekla 1 : 15 - dolžina 3000 – 6000 mm

Ravnost za te profile ≥ 2mm/m

Tabela 4: Tolerance za ploščate valjane profile

60

15.4. Dimenzije svetlih profilov: Luščene in luščeno polirane palice:

- palice Ø 16 – 80 mm - dolžina 2500 – 6000 mm

Brušene in brušeno polirane palice: - palice Ø 7 – 80 mm - dolžina 1200 – 4000 mm

Tabela 5: Tolerance za svetle profile

15.5. Dimenzije kovanih polizdelkov: Kovane palice:

- okrogle Ø 50 – 1050 mm, - kvadratne 80 – 950 mm, - ploščate 90 x 60 do 1800 x 500 mm -dolžine 2000 – 10000 mm

Tabela 6: Tolerance in dodatki za kovane izdelke in orodnega jekla

61

16. Viri:

1. http://www2.sts.si/arhiv/tehno/Projekt7/pobolj%C5%A1anje_jekel.htm

2. http://sl.wikipedia.org/wiki/%C5%BDarjenje

3. http://www.sc-nm.com/e-gradivo/SPREM/kaljenje.html

4. http://www.metalravne.com/selector/selector.html

5. http://www2.sts.si/arhiv/tehno/Projekt7/kaljenje_jekel.htm

6. http://www.sc-nm.com/e-gradivo/POV/index.html

7. Kraut Bojan, Krautov strojniški priročnik (2002)

8. Metalurški priročnik (1972)

9. Strojnotehnološki proročnik (1978)

62

K.11. HITROREZNA (HSS) JEKLA 23070508 1. Kazalo 1. Kazalo 2. Zahtevane naloge seminarja 3. Hitrorezna jekla 3.1 Vloga legirnih elementov, mehanske lastnosti in uporaba 3.2 Glavna delitev hitroreznih jekel 3.2.1 Volframova HSS jekla 3.2.2 Volfram-molibdenova HSS jekla 4. Dodatna razdelitev hitroreznih jekel 4.1 Visoko kakovostna hitrorezna jekla 4.2 Sintrana hitrorezna jekla 5. Kaljenje hitroreznih jekel 6. Varivost hitroreznih jekel 7. Viri 2. Zahtevane naloge Hitrorezna jekla (HSS): definiraj lastnosti v odvisnosti od sestave: kemična sestava, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnosti kaljenja. Možnosti varjenja? Magnetno? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije, uporaba. 3. Hitrorezna jekla Hitrorezna jekla so dobila ime po svoji sposobnosti rezalne hitrosti 60m/min. So jekla, ki imajo visok delež ogljika , nekatera celo do 1,5% ter poleg tega vsebujejo več močnih karbidotvornih elementov, kot so Cr(krom), Mo(molibden), W(volfram) in V(vanadij). Nekatere vrste vsebujejo tudi do 12% Co(kobalt). So nemagnetna, kar lahko sklepamo že iz videnega med obdelavo, saj ne vežejo nase odrezkov. Pri odrezavanju z velikimi rezalnimi hitrostmi in velikem podajanju se rezila orodij močno segrejejo, zato morajo imeti veliko popustno obstojnost. Hitrorezna jekla so po svoji strukturi ledeburitna jekla, ki vsebujejo sekundarne in evtektične oz. ledeburitne karbide. Zaradi prisotnosti ledeburitnih karbidov obstaja pri kaljenju nevarnost pregretja. Hitrorezna jekla uporabljamo za izdelavo rezalnih orodij za obdelavo pri velikih hitrostih rezanja. Od njih zahtevamo veliko trdoto in obstojnost proti obrabi v vročem stanju. Te lastnosti omogočajo prej našteti dodani elementi v točno določenih medsebojnih razmerjih. 3.1 Vloga legirnih elementov, mehanske lastnosti in uporaba Visok delež ogljika je potreben za dosego trde martenzitne osnove in tvorbo primarnih karbidov. Obe mikrostrukturni sestavini sta pomembni za zagotovitev obrabne odpornosti

63

med rezanjem materiala. Delež ogljika, ki je lahko prisoten v hitroreznih jeklih, je omejen zaradi dveh vzrokov. Prvi vzrok je v tem, da ogljik zelo znižuje solidus temperaturo jekla in s tem znižuje temperaturo topilnega žarjenja pred kaljenjem. Drugi vzrok je v močnem zniževanju temperatur MS in MF , kar pomeni večji delež zaostalega avstenita po kaljenju. Delež kroma v hitroreznih jeklih je okrog 4% kateri tvori specialne karbide, ki se raztopijo pri topilnem žarjenju in temperaturah 1200-1300 0C. Krom je torej dodan kot element, ki povečuje prekaljivost in pripomore k nastajanju martenzita. Dodatno je krom koristen za preprečevanje oksidacije, luščenja in škajanja pri visokih temperaturah. Molibden in volfram sta glavna legirna elementa v hitroreznih jeklih, ki vsebujejo do 10% Mo in 20% W. Z metalurškega vidika delujeta oba podobno, saj sta namreč močna karbidotvorna elementa. Torej Mo in W malo prispevata k preklajivosti hitrorezni jekel, toda majhni deleži, ki se raztopijo, so zelo učinkoviti pri zviševanju odpornosti proti popuščanju in dajejo trdoto v rdečem – vzdržujejo visoko trdoto še pri temperaturah rdečega žara. Oba elementa povzročata tudi reakcije sekundarne trdote v martenzitu, kar shematično prikazuje naslednja slika.

Slika 1 - Popuščena krivulja hitroreznega jekla

(pojav sekundarne trdote); (Vir: Llewellyn, 1992, Figure 4.36) Iz slike 1 vidimo, da do zniževanja trdote s popuščanjem ne pride vse do temperature okrog 5500C, ki hkrati predstavlja najvišjo efektivno temperature obrabe hitroreznih jekel. Vsa hitrorezna jekla vsebujejo 1-5% V, s tem se da za vsak dodatni procent V dodamo jeklu tudi 0,1% C. Vanadij je zelo močan karbidotvorni element in tvori izjemno trde karbidne delce tipa MC. Kateri imajo zelo majhno topnost v trdni raztopini jekla in prav tako zelo malo prispeva k preklajivosti. Zelo pa poveča obrabno odpornost hitroreznega jekla in deluje hkrati kot sredstvo za zmanjševanje zrnavosti. Kobalt (Co) ni tradicionalni dodatek, nekatera hitrorezna jekla pa ga vsebujejo do 12%. Kobalt ne tvori karbidov ampak ima visoko topnost v avstenitu. Pri dani kalilni temperaturi zniža delež zaostalega avstenita in zveča učinek sekundarne trdote. Kobalt poveča temperaturno prevodnost, posebno pri visokih temperaturah. Celotni učinek kobalta je v povečanju trdote in izboljšanje lastnosti hitroreznim jeklom pri rezanju z visokimi hitrostmi. Čeprav razvoj hitroreznih jekel še ni zaključen, so se za posamezna orodja že uveljavile določene vrste hitroreznih jekel. Tako na primer uporabljamo:

- jekla s kobaltom za grobo obdelavo - pomembna predvsem obstojnost pri popuščanju;

- jekla z večjim dodatkom vanadija za fino obdelavo- pomembna obrabna obstojnost;

- hitrorezna jekla z molibdenom za vijačne svedre. Vse bolj pa se tudi kaže potreba po univerzalnih hitroreznih jeklih z veliko zmogljivostjo tako pri grobi kot pri fini obdelavi. S hitroreznimi jekli lahko obdelujemo material do petkrat hitreje kot z navadnimi orodnimi jekli, zato so tudi dobila ime hitrorezna (HSS). Imajo

64

bistveno boljše rezalne sposobnosti kot orodna jekla, bistveno večjo obstojnost in kar je najvažnejše - veliko večjo trdoto pri povišani temperaturi. Hitrorezna jekla lahko uporabimo za vsa orodja v tehniki odrezovanju - stružni noži, svedri, rezkala..., kot tudi v tehniki preoblikovanja (predvsem sintrana hitrorezna jekla -jekla iz prahu). 3.2 Glavna delitev hitroreznih jekel Razdelimo jih v dve glavni skupini: volframova serija hitroreznih jekel (oznaka T) in volfram - molibdenova serija hitroreznih jekel (oznaka M). Jekli imata podobne značilnosti, kot naprimer prekaljivost. Večino se uporabljata za rezalna orodja kot so svedri, frezala in stružni noži. 3.2.1 Volframova HSS jekla Tipična sestava je W18Cr4V. Spodnje tabele prikazujejo procentualno sestavo ter dosežene lastnosti po končani toplotni obdelavi jekla. Številka SIST EN 10027-2

Oznaka SIST EN 10027-1

C [%] Co [%] Cr [%] Mo [%] V [%] W [%]

1.3355 HS18-0-1

0.78 / 4.00 / 1.05 17.95

Sestava Navadn

a oznaka

Trdota po zadrževanj

u [HRC]

Upogibna

trdnost [MPa]

Udarna

žilavost [MJ/m2

]

Trdota pri

6000C [HRC]

Gostota [g/cm3]

Koeficient toplotne

razteznosti [µm/m 0C]

W18Cr4V

T1 63-66 3500 0.29 50.5 8.67 9.7

Toplotna prevodnost [W/m

K]

Lomna žilavost [MPa m1/2]

Natezna

trdnost [MPa]

20 17-24 350-700 Vir:

- http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=63398eb9b76a4febb5abfa96e9d013ab

- KSP, 2007, 439 – Hitrorezno jeklo - http://www.springerlink.com/content/t51t80092l71p8rp/fulltext.pdf?page=1

3.2.2 Volfram – molibdenova HSS jekla Njegova tipična sestava je W6Mo5Cr4V2, katera sedaj uspešno nadomešča volframovo serijo HSS jekel. Poleg velike obrabne odpornosti je nižja tudi cena jekla. Po toplotni obdelavi je njegova trdota enaka kot pri jeklu W18Cr4V, vendar pa zmore doseči upogibno trdnost 4700 MPa. Zanimivo je tudi, da sta njegova žilavost in toplotna odpornost za 50% višja kot pri jeklu W18Cr4V. To se običajno uporablja za izdelavo različnih orodij, kot so svedri, rezkarji in podobno.

65

Lahko izpolnjujejo splošne zahteve obdelav inženirskih materialov vendar pa je njegova občutljivost na razogljičenje nekoliko višja. Poleg prej omenjene je zelo poznana sestava W9Mo3Cr4V, ki je bila razvita na Kitajskem. Njegova žilavost in termoodpornost je nekoliko višje od W6Mo5Cr4V2, trdota pa 63-64 HRC. Je enostavno za valjanje in kovanja, njegova občutljivost na razogljičenje je nizka prav tako pa je nižja tudi cena. Številka SIST EN 10027-2

Oznaka SIST EN 10027-1

C [%] Co [%] Cr [%] Mo [%] V [%] W [%]

1.3343 HS6-5-2 0.87 / 4.00 4.95 1.95 6.2

Sestava Navadna oznaka

Trdota po zadrževanj

u [HRC]

Upogibna

trdnost [MPa]

Udarna žilavost [MJ/m2]

Trdota pri 6000C

[HRC]

Gostota

[g/cm3]

Koeficient toplotne

razteznosti [µm/m 0C]

W6Mo5Cr4V2

M2 63-66 4700 0.30-0.40 47-48 8.17 12.4-13

Toplotna

prevodnost [W/m K]

Modul elastičnosti

[GPa]

Specifična toplota [J/g 0C]

Lomna žilavost [MPa m1/2]

Natezna trdnost [MPa]

24-28 179-200 0.418-0.586 9-14 350-700 Vir:

- http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=4fa25f5153504907ba9cb12e7601f128&ckck=1 - KSP, 2007 , 439 – Hitrorezno jeklo - http://ctklj.ctk.uni-lj.si/kovine/izvodi/mit026/leskovsek.pdf

4. Dodatna razdelitev hitroreznih jekel

4.1 Visoko kakovostna hitrorezna jekla Ta jekla imajo boljšo trdoto in so razvita na način, da s spremembo kemijske sestave izboljšamo delovanje oz. obdelovalne pogoje in vzdržljivost hitroreznih jekel. Glavna lastnost je trdnostna obstojnost več kot 60 HRC pri doseženi odrezovalni temperaturi 650°C ter njihova trajnost 1,5-3-krat višja kot pri navadnem hitroreznem jeklu. Uporabna so predvsem za izdelavo rezalnih orodij v visoko temperaturnih aplikacijah, pri obdelavi nerjavnih jekel, titanovih zlitin, visoko trdnostnih jekel ter drugih trdih materialov. Obstajajo 4 glavne serije, in sicer visoko ogljikova HSS serija (njegov značilni sestavni razred je 9w18Cr4V), visoko vanadijeva HSS serija (njihova značilna sestavna razreda sta W12Cr4V4Mo in W6Mo5Cr4V3), kobaltova HSS serija (njihov značilni sestavni razred je W2Mo9Cr4VCo8), in aluminijeva HSS serija (njihova značilna sestavna razreda sta W6Mo5Cr4V2Al in W6Mo5Cr4V5SiNbAl). 4.2 Sintrana hitrorezna jekla V primerjavi z običajnimi hitroreznimi jekli enake strukture imajo znatno boljšo žilavost, obrabno obstojnost, neznatne spremembe dimenzij po kaljenju in boljšo sposobnost brušenja,

66

dimenzijska stabilnost, enakomernost trdote, stabilnost in nižja temperatura taljenja. Njihova trdota pri visokih temperaturah se izboljša za 0,5-1 HRC. Zaradi izboljšane trdnosti se posledično zmanjša tudi obraba. Z uporabo HSS prašna metalurgija, lahko obrabnost manjših orodij izboljšamo 1,5-2-krat, in 20 - 30% obrabo orodji večjih gabaritov. Ker je proces sintranja kompleksnejši kot klasični proces je posledično višja tudi cena izdelave takšnih orodji. 5. Kaljenje hitroreznih jekel Zaradi visokih deležev legirnih elementov so hitrorezna jekla kaljiva na zraku, kar pomeni, da dobijo pri ohlajanju iz avstenitnega temperaturnega področja martenzitno mikrostrukturo. Zato po kovanju ali drugi obliki vročega preoblikovanja jekla žarimo, da dosežemo:

- mehko stanje za lažjo mehansko toplotno obdelavo; - zmanjšanje notranjih napetosti; - primerno mikrostrukturo za utrjevanje s kaljenjem.

Toplotno obdelavo hitroreznih jekel prikazuje naslednja slika:

Slika 2 – Toplotna obdelava hitroreznih jekel;

(Vir: Llewellyn, 1992, Figure 4.36) Žarjenje izvajamo s počasnim segrevanjem v temperaturnem območju 850-9000C, odvisno od konkretne vrste jekla. Čas zadrževanja na žarilni temperaturi je dve do štiri ure, sledi počasno ohlajanje v peči do temperature pod 6000C, nadaljnje ohlajanje je lahko hitrejše. Rezultat tega žarjenja je feritna osnova z drobnimi karbidnimi izločki. Veliki primarni karbidi ostanejo pri tej obdelavi nespremenjeni. Po žarjenju je trdota standardnih vrst hitroreznega jekla pod 300HB. Elementi kot so Mo, W in V tvorijo stabilne karbide, ki imajo omejeno topnost v jeklu. Pri kaljenju je za zagotovitev nastanka mnogoogljičnega martenzita z visoko odpornostjo proti popuščanju in sposobnostjo sekundarnega utrjevanja bistveno, da se del teh karbidov raztopi v trdni raztopini. Ravno zaradi tega izbiramo temperature blizu solidus temperatut (torej 1200-1300), odvisno od konkretne vrste jekla. Raztapljanje karbidov na osnovi kroma se začne tik nad 900 in je končano do 11000C. Raztapljanje karbidov na osnovi Mo in W se začne pri 11500C in nadaljuje do solidus temperature. Karbidi MC na osnovi vanadija pa so zelo stabilni in se le malo raztapljajo, tudi pri temperaturah blizu solidus temperature. Zaradi zmanjšanja temperaturnega šoka obdelovanec počasi predgrevamo do okrog 8500C. Predgrevamo običajno v zračni peči, nakar obdelovanec prenesemo v visokotemperaturno peč

67

z nevtralno atmosfero. Čas gretja na kalilni temperaturi mora biti kratek, npr. 2-5 minut, s čimer preprečimo razogličenje in rast zrn. Ohlajamo lahko na zraku, v olju ali solni kopeli. Solne kopeli imamo na temperaturi 500-6000C, pri kateri izenačimo temperauro po celem prerezu obdelovanca ter na ta način zmanjšamo deformacije in verjetnost nastajanja razpok. V solni kopeli zadržujemo obdelovanec samo toliko časa, da se temperature preko prereza izenačijo, nato pa naprej ohlajamo na zraku. Transformacija v martenzit se začne pod 2000C pri čemer se do sobne temperature transformira v martenzit okrog 80% mikrostrukture. Za zagotovitev visokega deleža martenzita je pomembno, da jeklo doseže sobno temperaturo, po drugi strani pa je pomembno, da začnemo s popuščanjem takoj po kaljenju, ter s tem preprečimo stabilizacijske procese v zaostalem avstenitu ter odpravimo notranje napetosti v materialu. 6. Varivost hitroreznih jekel Znano je, da vsa jekla , ki vsebujejo do 0.25% C imajo dobro varivost. Večji procent ogljika, pri ohlajanju, povzroča nastanek kalilnih struktur . Jeklo je manj plastično in je nagnjeno k nastajanju razpok. To bistveno poslabšajo trdnost in žilavost zvara. Ti učinki so zlasti opazni, ko je delež ogljika večji od 0,45%. Kot vemo so vsa hitrorezna jekla visokolegirana in vsebujejo 0.6-1.2% ogljika. Sklepamo lahko oz. je znano iz prakse, da imajo posledično jekla slabo varivost, zato se varijo s predgrevanjem na temperaturah do 4000C in naknadnim popuščanjem. Temperatur predgrevanja je možno izračunati po naslednji enačbi:

D – debelina varjenca [mm] Tp – temperatura predgrevanja [0C] 7. Viri

- Krautov strojniški priročnik, Ljubljana 2007 - Miran Kovač, Gradiva, Ljubljana 2001 - http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGU

ID=63398eb9b76a4febb5abfa96e9d013ab - http://www.springerlink.com/content/t51t80092l71p8rp/fulltext.pdf?page=1 - http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=4fa25f515350490

7ba9cb12e7601f128&ckck=1 - http://ctklj.ctk.uni-lj.si/kovine/izvodi/mit026/leskovsek.pdf - http://sl.wikipedia.org/wiki/Ogljikovo_jeklo - http://www2.sts.si/arhiv/tehno/varjenje/var19.htm

68

K.12. HITROREZNA JEKLA HSS 23070522 Kazalo Hitrorezna jekla HSS

Splošne značilnosti ................................................................................................................... Slika 1: Primerjalne krivulje popuščanja nekaterih značilnih orodnih jekel ........................

Izbira hitroreznega jekla za izdelavo posameznih orodij ......................................................... Slika 2: Premenske točke hitroreznih jekel ..........................................................................

Toplotna obdelava hitroreznih jekel ......................................................................................... Slika 3: Sestave in uporabnost hitroreznih jekel .................................................................. Slika 4: Toplotna obdelava hitroreznih jekel .......................................................................

Literatura:

Hitrorezna jekla HSS

Splošne značilnosti

Hitrorezna jekla uporabljamo za izdelavo rezalnih orodij za obdelavo pri velikih hitrostih rezanja. Od njih zahtevamo veliko trdoto in obstojnost proti obrabi v vročem stanju. Te lastnosti omogočajo dodatki Cr, W, Mo, V in Co v točno določenih medsebojnih razmerjih. Med vsemi orodnimi jekli imajo hitrorezna jekla prav posebno mesto in se od vseh drugih razlikujejo po posebnem postopku toplotne obdelave in predvsem po svojih lastnostih, med katerimi je najvažnejša popustna obstojnost. Primerjava nekaterih tipičnih orodnih jekel kaže, da hitrorezna jekla obdržijo veliko trdoto do zelo visokih temperatur, kar omogoča uporabnost rezalnih orodij pri razmeroma velikih hitrostih in velike odvzemanju materiala. Trdota in s tem rezalna sposobnost se ne zmanjša četudi se orodje segreje do kakih 500 ˚C. Popustna obstojnost hitroreznih jekel je odvisna od vpliva pravilne kombinacije legirnih elementov: kroma, volframa, vanadija, molibdena in kobalta. Ti elementi, razen kobalta, tvorijo karbide, ki naj bodo v jeklu čim bolj enakomerno razporejeni. Karbidi povečujejo obstojnost jekla proti obrabi. Da bi jeklo dobilo pričakovane lastnosti, moramo legirne elemente in njihove sekundarne karbide spraviti v trdno raztopino. To pa zahteva posebne razmere toplotne obdelave oz. kaljenje pri izredno visokih temperaturah. Od hitroreznih jekel ne pričakujemo vedno enakih lastnosti. Če iz njih izdelujemo rezalna orodja za grobo obdelavo, je odločilnega pomena čim večja trdota v vročem stanju in čim večja popustna obstojnost. Če pa iz njih izdelujemo orodja za fino obdelavo, je važnejša velika trdota in obstojnost proti obrabi. Pri takem delu ali pa pri izredno dobrem hlajenju orodja pridejo toplotne lastnosti manj do izraza kakor pri grobi obdelavi, kjer se orodje posebno pri nezadovoljivem hlajenju precej segreje. Nekaterih orodij, ki so kompliciranih oblik, po kaljenju ne brusimo. Za izdelavo takih orodij mora imeti jeklo zadovoljivo obstojnost mer, tega pa ni lahko doseči pri ogromnih napetostih, ki se pojavljajo pri kaljenju teh jekel zaradi visokih temperatur.

69

Hitrorezna jekla imajo že v skladu s svojo kemično sestavo zelo heterogeno mikrostrukturo. Ta heterogenost predstavlja v vseh tehnoloških fazah izdelave hitroreznega jekla posebno težavo. Pri vroči predelavi se morajo izceje čim bolje izenačiti in karbidi čim enakomerneje razporediti. Količina ogljika v hitroreznem jeklu mora biti prilagojena karbidotvornim legirnim elementom v jeklu, tako da omogoča nastanek pravilne količine karbidov, obenem pa mora ta vsebnost zagotavljati še tisto količino ogljika, ki je nujno potrebna da dobimo martenzitno strukturo z največjo trdoto.

Slika 1: Primerjalne krivulje popuščanja nekaterih značilnih orodnih jekel

70

Izbira hitroreznega jekla za izdelavo posameznih orodij Pred izdelavo orodja moramo kritično oceniti vse zahteve karakteristične razmere dela. Zavedati se moramo, da je prvi pogoj za to, da dobimo dobro kvaliteto orodja, pravilna izbira jekla in šele potem pravilna toplotna obdelava. Osnovni podatki o področju uporabnosti posameznih vrst hitroreznih jekel glede na trdnost obdelovanega materiala in pogoje dela so dani v tabeli hitroreznih jekel. Pri izbiri jekla moramo vedno upoštevati tudi stanje opreme in splošne tehnične možnosti toplotne obdelave, saj mora biti ta zelo precizna, ker hitrorezna jekla le v optimalnih razmerah dobijo zahtevane lastnosti. Na splošno velja, da jekla z dodatkom kobalta izbiramo tedaj, kadar pričakujemo močno segrevanje orodja in ko zahtevamo čim večjo popustno obstojnost. Molibdenova hitrorezna jekla dosegajo med vsemi največjo žilavost, če so pravilno toplotno obdelana. Jekla z dodatki vanadija in z veliko količino ogljika so namenjena predvsem za fino in natančno mehansko obdelavo, kjer je odločilna obstojnost proti obrabi, segrevanje orodja pa ne pride toliko v poštev.

3.2.1 Slika 2: Premenske točke hitroreznih jekel

71

Toplotna obdelava hitroreznih jekel Značilnosti hitroreznih jekel so visoke temperature kaljenja, zaradi katerih je potrebno ogrevanje v solni kopeli. Le tako je mogoče zagotoviti točno temperaturo in preprečiti razogljičenje površine orodij. Pri ogrevanju do temperature kaljenja je potrebno vsaj dvostopenjsko predhodno ogrevanje za postopno izenačevanje temperature po preseku. Za večja oz. debelejša orodja, posebno pa za orodja kompliciranih oblik in neenakomernih presekov s hitrimi prehodi, priporočajo tristopenjsko predhodno ogrevanje. Normalne stopnje predhodnega ogrevanja so:

1. stopnja: 500- 600 ˚C v komorni peči 2. stopnja: 800-850 ˚C v solni kopeli 3. stopnja: 1000-1050 ˚C v solni kopeli

Takoj po izenačenju temperature celotnega preseka orodje prenesemo v solno kopel pri temperaturi kaljenja. Pri kaljenju hitroreznih jekel moramo natančno regulirati temperaturo solne kopeli (po možnosti v mejah +/- 5˚C) in kontrolirati čas. Normalno predpisujemo potopni čas, ki predstavlja čas držanja orodja v solni kopeli pri temperaturi kaljenja. Ta čas je odvisen od vrste jekla, dimenzije in oblike orodja ter od teže vložka, toplotne kapacitete kopeli in karakteristike peči. Za orientacijo in ugotavljanje medsebojnih odnosov lahko rabi prikazani diagram potopnih časov za razmere toplotne obdelave v Železarni Ravne. Pri orodjih z zelo različnimi preseki in pri masivnejših orodjih s tankimi rezili postopno izenačimo temperaturo z večkratnim kratkotrajnim potapljanjem v solno kopel. S tem preprečimo gretje rezilnega dela. Za tak način kaljenja je treba precej izkušenj. Solne kopeli je treba pazljivo vzdrževati , obnavljati in nadzorovati. Pri hitroreznih jeklih uporabljamo kot kalilna sredstva:

- termalno kopel 500-550˚ C - olje(normalno segreto do˚ 70 C) - komprimirani zrak - mirni zrak.

Pri kaljenju na zraku se površina precej oksidira, zato ta način kaljenja uporabljamo le, kadar orodja po končani toplotni obdelavi še brusimo. Večino hitroreznih jekel popuščamo glede na zahtevano trdoto v temperaturnem območju 540-590 ˚ C v solnih kopelih ali v električnih pečeh z mešanjem atmosfere. Tudi pri popuščanju je potrebna natančna regulacija temperature. Pri vseh vrstah hitroreznih jekel je potrebno dvakratno popuščanje. Po prvem popuščanju je treba orodje popolnoma ohladiti. Pri vsakem popuščanju mora biti orodje najmanj 30 minut pri tej temperaturi.

72

Slika 3: Sestave in uporabnost hitroreznih jekel

Slika 4: Toplotna obdelava hitroreznih jekel

4 Literatura:

• Metalurški priročnik, Tehniška založba Slovenije, 1972 • Gradiva, Franc Zupanič, Fakulteta za strojništvo, Maribor, 2007 • http://sl.wikipedia.org/wiki/Orodno_jeklo#Hitrorezna_orodna_jekla

73

K.13. KONSTRUKCIJSKA JEKLA 23070527

1. Uvod

Konstrukcijska jekla so jekla z do 0,8% ogljika in so lahko malo legirana in visoko legirana jekla. Uporabljajo se za razne konstrukcijske namene od nosilnih konstrukcij pa do težje obremenjenih strojnih delov. Pri teh jeklih sta najpomembnejši lastnosti napetost tečenja in natezna trdnost, pomembne lastnosti pa so duktilnost, udarna žilavost in prehodna temperatura žilavosti.

2. Vrste konstrukcijskih jekel

Glede na kemično sestavo in namembnost ločimo več vrst konstrukcijskih jekel.

2.1. Gradbena jekla

Gradbena jekla so jekla za razne nosilne konstrukcije, armiranje betona, tlačne posode, železnice, ladjedelništvo in splošno strojegradnjo, vijake, kovice,... Te jekla so po sestavi nelegirana oziroma malo legirana. Klasificirana so glede na mejo plastičnosti. Zahtevane mehanske lastnosti poleg trdnosti pa so še žilavost pri nižjih temperaturah, duktilnost, sposobnost preoblikovanja

a) Splošna konstrukcijska jekla se klasificirajo po meji plastičnosti oziroma po natezni trdnosti. Oznaka standardu EN 10 025-1 je sestavljena iz črke S in številk, ki podajo mejo plastičnosti za območje najmanjših debelin (primer S235). Dodatne oznake so sestavljene iz oznak za žilavost, kemijsko sestavo in tehnološkega postopka izdelave. Oblike v katerih se dobavljajo splošna konstrukcijska jekla so: vroče valjane palice, široko ploščato jeklo, profili ter srednja in debela pločevina. Te jekla morajo biti dobro variva in imeti zagotovljeno žilavost pri nižjih temperaturah.

Tabela 1: (Vir: www.acroni.si) Označevanje splošnih konstrukcijskih jekel po standardu EN 10025-2 je sestavljeno iz črke S in meje plastičnosti. J0, JR, J2 pa nam povejo zagotovljeno žilavost pri določeni temperaturi

74

b) Jekla za armiranje betona Za navadni armiran beton se uporabljajo okrogli profili iz jekla z natezno trdnostjo do 500MPa, medtem ko se za prednapeti beton uporabljajo malo legirana jekla z natezno trdnostjo do 1200MPa. c) Jekla za kotlovsko pločevino Kotlovske pločevine so pločevine iz nelegiranih in malo legiranih jekel za gradnjo parnih kotlov, posod in cevovodov pod visokimi tlaki. Pomembne lastnosti jekel za kotlovske pločevine sta meja plastičnosti pri povišani temperaturi in meja lezenja pri povišani temperaturi. d) Jekla za ladjedelništvo Posebnost teh jekel je, da morajo biti dobro variva in odporna na krhki lom. Posebej pomembna je žilavost pri nizkih temperaturah. e) Maloogljična jekla za tanke pločevine in trakove Pločevina je toplo ali hladno valjana in navita v kolute. Namenjene so za plastično preoblikovanje, zato morajo biti sposobne za globoki vlek.

2.2. Jekla za cementiranje

Jekla za cementiranje imajo malo ogljika (do 0,25%), so nelegirana ali pa malo legirana z Cr, Mn, Ni in Mo. Jeklo pri cementiranju površinsko naogljičimo in s tem dobimo po kaljenju veliko trdoto na površini. Jedro je mehko in žilavo, saj zaradi majhne količine ogljika ne dobimo martenzitne strukture. Uporabljamo jih tam, kjer potrebujemo trdo, obrabno odporno površino in mehko, žilavo jedro.

2.3. Jekla za poboljšanje

Jekla za poboljšanje vsebujejo od 0,25 do 0,7% ogljika in so legirana z elementi Mn, Si, Cr, Ni, Mo in V v različnih kombinacijah. Poboljšanje je uspešno takrat, kadar pri kaljenju dosežemo v jedru 50% martenzita. Legirni elementi nam CCT krivuljo pomaknejo v desno, kar ugodno vpliva na prekaljivost. Posamezna jekla je mogoče poboljšati le do določenih premerov. Za pregretje pri kaljenju so občutljiva ogljikova, manganova in Cr-Mn jekla, kar pa zmanjšujemo z vanadijem. Vsako dobavljeno jeklo za poboljšanje ima podano območje Jominyjevih krivulj. Temperatura kaljenja in popuščanja sta odvisni od količine ogljika v jeklu. Z različnimi temperaturami popuščanja lahko dosežemo različne trdote in trdnosti. Ta jekla se uporabljajo za težje obremenjene strojne dele, ki zahtevajo visoko trdnost in žilavost materiala.

2.4. Jekla za obdelavo na avtomatih

Jekla za avtomate so konstrukcijska jekla za cementiranje in poboljšanje ter nerjavana jekla. Dodatki žvepla, fosforja, telurja, selena ali svinca nam dajo dobre lastnosti pri obdelavi. Ta jekla se lahko odrezavajo z velikimi hitrostmi, izdelki pa imajo gladko površino, odrezki pa so kratki in lahko lomljivi.

2.4. Jekla za nitriranje

So jekla za poboljšanje, ki pa imajo dodane elemente Cr, Al, V, Ti in Mo, ki omogočajo

75

difuzijo dušika v jeklo. Ti elementi tvorijo na površini trdo plast nitridov. Pred nitriranjem se jeklo poboljša.

2.5. Jekla vzmeti

Jekla za vzmeti morajo imeti visoko mejo elastičnosti. Visoko mejo elastičnosti se doseže z toplotno obdelavo in hladno deformacijo. Za vzmeti se uporabljajo jekla, ki so nelegirana ali malo legirana z Si, Mn, Cr in V. Vzmeti se izdelujejo tudi iz nerjavnih močno legiranih CR-Ni jekel.

2.6. Jekla za površinsko kaljenje

Za površinsko kaljenje uporabljamo jekla za poboljšanje. Jeklo mora imeti zadostno količino ogljika (nad 0,35%), da dosežemo veliko trdoto površine. Jeklo mora biti kaljivo v vodi, saj je to najbolj preprost način hlajenja pri površinskem kaljenju. Material prav tako ne sme biti občutljiv na pregretje, saj je težko kontrolirati temperaturo na površini obdelovanca.

2.7. Nerjavna jekla

Nerjavna jekla so visoko legirana jekla. Glavni legirni element nerjavnih jekel je krom, ki ga je v jeklu vsaj 12%. Poznamo feritna, martenzitna in avstenitna nerjavna jekla. Pred oksidacijo ščiti jeklo tanka plast kromovega oksida, ki nastane na površini. Poleg kroma vsebuje tudi druge legirne elemente, kot sta nikelj in mangan. Ogljik je v nerjavnem jeklu nezaželen, saj s kromom tvori kromove karbide.

2.8. Jekla obstojna pri višjih temperaturah

Jekla za povišane temperature gledamo glede na dva kriterija:

-mehanske lastnosti pri visokih temperaturah

-odpornost proti oksidaciji pri visokih temperaturah.

Trdnost in odpornost proti lezenju pri povišanih temperaturah izboljšamo z legirnimi elementi, med katerimi je najvažnejši molibden.

3. Lastnosti konstrukcijskih jekel glede na sestavo

3.1. Varivost konstrukcijskih jekel

Vsa jekla do 0,25% ogljika imajo dobro varivost. Pri večjem procentu ogljika prihaja, zaradi hitrega odvoda toplote, na mestu vara do martenzitne strukture. Poslabša se žilavost vara. Tudi legirni elementi slabo vplivajo na varivost jekel. Lahko izračunamo ogljikov ekvivalent:

C e= CMn

6

Cr

5

V

5

Mo

4

Ni15

Cu

13

P

2[% ]

Varivost jekel se bistveno poslabša če je CE večji od 0,45%. Varivost lahko izboljšamo z predgrevanjem jekel in naknadnim žarjenjem.

76

3.2. Trdota konstrukcijskih jekel

Trdota jekel je najbolj odvisna od vrste kristalne rešetke. Najbolj trda so konstrukcijska jekla v martenzitni strukturi. Trdota je odvisna tudi od deleža ogljika v jeklu. Maksimalno trdoto doseže jeklo pri 0,7% ogljika. Slika 1 Odvisnost maksimalne trdnosti od količine ogljika.

3.3. Magnetne lastnosti konstrukcijskih jekel

V avstenitni strukturi so jekla nemagnetna. V vseh ostalih stukturah so jekla magnetna. Pri sobni temperaturi so nemagnetna le avstenitna nerjavna jekla.

3.4. Žilavost jekel

Žilavost jekla je površina pod krivuljo v σ-ε diagramu. Odvisna je od kemične sestave jekla in toplotne obdelave. Žilavost jekel pada tudi s temperaturo. Imamo tako imenovano prehodno temperaturo žilavosti. Pri tej temperaturi žilavost nenadno pade, kar prikazuje slika 2. Slika2: (http://fs-server.uni-mb.si/si/inst/itm/lm/GRADIVA_UC/Mehanski_preskusi/udarni_preskus.html)

77

3.5. Vplivi legirnih elementov na mejo plastičnosti

Na prirastek meje plastičnosti imata velik vpliv ogljik in dušik. Vendar imata velik vpliv na zniževanje žilavosti. Prav tako imata elementa omejeno topnost v jeklu.

Slika 3. Vpliv posameznih elementov na prirastek dogovorne napetosti tečenja pri raztopinskem utrjevanju(vir: Gradiva-zapiski iz predavanj; Miran Kovač; 2001; st:14.2 )

4. Zaključek Vidimo, da je področje konstrukcijskih jekel zelo široko. Imajo širok spekter uporabe. Vidimo, da poleg legirnih elementov na mehanske lastnosti zelo vplivajo toplotne obdelave. Na izbiro ustreznega konstrukcijskega jekla vplivajo različni dejavnik: zahtevane mehanske lastnosti, okolje obratovanja in temperature obratovanja.

5. Viri -Gradiva-zapiski iz predavanj; Miran Kovač; 2001

-Strojnotehnološki priročnik; M. Jež, L. Kosec, K. Kuzman, H. Muren, V. Prosenc, J. Puhar, J. Žvokelj; Tehniška založba Slovenije 1978;

-http://www2.sts.si/arhiv/tehno/varjenje/var19.htm

-http://fs-server.uni-mb.si/si/inst/itm/lm/GRADIVA_UC/Mehanski_preskusi/udarni_preskus.html

-http://www.acroni.si

78

79

K.14. SINTRANA JEKLA 23060207

Kazalo: 1. Zahtevane naloge seminarja ................................................................................................. 2. Oznake sintranih gradiv ....................................................................................................... 3. Kemična sestava sintranih jekel ........................................................................................... 4. Lastnosti sintranih gradiv ..................................................................................................... 5. Naknadna obdelovalnost ......................................................................................................

5.1 mehanska obdelava ............................................................................................................ 5.2 toplotna obdelava ............................................................................................................... 5.3 končna obdelava .................................................................................................................

6. Uporaba ................................................................................................................................ 7. Viri in literatura ....................................................................................................................

Zahtevane naloge Sintrana jekla:definirajte lastnosti v odvisnosti od sestave: kemična sestava, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznost. Možnost kaljenja, varjenja, magnetnost? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije in uporaba?

Oznake sintranih gradiv Po standardu MPIF 38-69 označujemo sintrana jekla na naslednji način: najprej navedemo črkovno oznako materiala, nato štiri številke ki označujejo kemijsko sestavo, pri železu in jeklu je glavni element sintranja že v črkovni oznaki že v črkovni oznaki, njegova količina pa v prvih dveh številkah, drugi dve številki sta namenjeni za označbo količine ogljika, ki je do vključno do 0,3% ne označimo. Večje količine pa označujemo tako kot je prikazano v tabeli 2.

A aluminij P svinec

D kadmij M mangan

R krom O molibden

C baker N nikelj

F železo SS nerjavno jeklo

FX infiltrirano železo ali jeklo T kositer

Z cink

Tabela 1:črke za črkovno označevanje sintranih gradiv,

80

količina ogljika kodiranje

0,0 do 0,3 % 00

0,3 do 0,6 % 05

0,6 do 1,0 % 08

Tabela 2: kodiranje količine ogljika Označimo samo vezan ogljik, prostega ogljika ne damo v oznako. Sintrana nerjavna jekla označujemo na zgoraj naveden številski način ampak z oznakami Ameriškega inštituta za železo in jeklo. in na koncu označimo s črko po tabeli 3 ki nam pove povprečno gostoto izdelka

N 6000kg/m3 in manj

P 6000kg/m3 do 6400 kg/m3

R 6400 kg/m3 do 6800 kg/m3

S 6800 kg/m3 do 7200 kg/m3

T 7200 kg/m3 do 7600 kg/m3

U 7600 kg/m3 do 8000 kg/m3

W 8000 kg/m3 do 8400 kg/m3

Tabela 3: oznaka gostot sintranih gradiv

Kemična sestava sintranih jekel Kemično sestavo lahko razberemo iz tabele 4.

material Cu C Fe Ni

F-0000 0-0,3 97,7-100

F-0008 0,6-1,0 97,0-99,4

FC-0208 1,5-3,5 0,6-1,0 93,5-97,9

FC-0508 4,5-5,5 0,6-1,0 91,5-94,9

FC-0808 6,0-11,0 0,6-1,0 86,0-93,4

FC-1000 9,5-10,5 0-0,3 87,2-90,5

FN-0200 0-2,5 0-0,3 92,2-99,0 1,0-3,0

FN-0205 0-2,5 0,3-0,6 91,9-98,7 1,0-3,0

FN-0208 0-2,5 0,6-0,9 91,6-98,4 1,0-3,0

FN-0400 0-2,0 0-0,3 90,2-97,0 3,0-5,5

FN-0405 0-2,0 0,3-0,6 89,9-96,7 3,0-5,5

FN-0408 0-2,0 0,6-0,9 89,6-96,4 3,0-5,5

FN-0700 0-2,0 0-0,3 87,7-94,0 6,0-8,0

FN-0705 0-2,0 0,3-0,6 87,4-93,7 6,0-8,0

FN-0708 0-2,0 0,6-0,9 87,1-93,4 6,0-8,0

FX-2000 15,0-25,0 0-0,3 70,7-85,0

FX-2008 15,0-25,0 0,6-1,0 70,0-84,4

Tabela 4:kemična sestava sintranih jekel

81

Lastnosti sintranih gradiv Lastnosti sintranega jekla so zelo odvisne od lastnosti in oblike prašnih zrn, s katerega izdelek naredimo. Prav tako pa na lastnosti sintranih jekel vplivamo s tlakom stiskanja in temperaturo sintranja izdelka, s tem jim povečamo gostoto in damo boljše mehanske lastnosti.

slika 1 slika 2 (vir:Metalurški priročnik,1972) (vir:Metalurški priročnik,1972)

MATERIAL

GOSTOTA [kg/m3]

σm

[MPa] σ0,2

[MPa] RAZTEZEK

δ[%] TRDOTA ŽILAVOST

[J]

F-0000-N 5600-6000 108 2

F-0000-S 6800-7200 206 147 6 HRF60

F-0000-T 7200-7600 275 177 11 HRB30

F-0008-N 5600-6000 196 0-0,5 HRB35

F-0008-P 6000-6400 235 0-0,5 HRB50

FC-0208-N 5600-6000 226 206 0-0,5 HRB45

FC-0208-P 6000-6400 314 284 0-0,5 HRB60

FC-0508-P 6000-6400 412 402 0-1 HRB65 4,9

FC-0808-N 5600-6000 245 0-0,5 HRB55

FC-1000-N 5600-6000 206 0,5 HRF70

FN-0200-R 6400-6800 196 127 4 HRB38 18,6

FN-0200-S 6800-7200 255 177 7 HRB42 43,1

FN-0200-T 7200-7600 314 206 10,5 HRB51 67,7

FN-0205-R 6400-6800 255 157 3 HRB57 13,7

FN-0205-S 6800-7200 343 216 3,5 HRB74 24,5

FN-0205-T 7200-7600 422 255 4,5 HRB85 43,1

FN-0208-R 6400-6800 333 206 2 HRB62 10,8

FN-0208-S 6800-7200 451 284 3 HRB79 18,6

FN-0208-T 7200-7600 539 343 3,5 HRB87 29,4

82

FN-0400-R 6400-6800 245 147 5 HRB40 21,6

FN-0400-S 6800-7200 333 206 6 HRB60 47,1

FN-0400-T 7200-7600 402 245 6,5 HRB67 67,7

FN-0405-R 6400-6800 314 177 3 HRB63 13,7

FN-0405-S 6800-7200 422 235 4,5 HRB72 20,6

FN-0405-T 7200-7600 510 294 6 HRB80 40,2

FN-0408-R 6400-6800 392 284 1,5 HRB72 7,8

FN-0408-S 6800-7200 530 392 3 HRB88 13,7

FN-0408-T 7200-7600 637 461 4,5 HRB95 21,6

FN-0700-R 6400-6800 353 206 2,5 HRB60 16,7

FN-0700-S 6800-7200 490 275 4 HRB72 28,4

FN-0700-T 7200-7600 579 333 6 HRB83 35,3

FN-0705-R 6400-6800 373 235 2 HRB69 11,8

FN-0705-S 6800-7200 520 333 3,5 HRB83 22,6

FN-0705-T 7200-7600 618 392 5 HRB90 32,4

FN-0708-R 6400-6800 392 284 1,5 HRB75 7,8

FN-0708-S 6800-7200 549 373 2,5 HRB88 16,7

FN-0708-T 7200-7600 657 451 3 HRB96 21,6

FX-2000-T 7200-7600 441 1 HRB60 20,6

FX-2008-T 7200-7600 588 520 0-1 HRB80 18,6

Tabela5: lastnosti sintranih gradiv brez dodatne toplotne obdelave Materiali, ki jih dobimo s postopkom sintranja so magnetni , vendar so njihove magnetne lastnosti nekoliko slabše. Prav tako je s toplotno prevodnostjo. Oboje pa je odvisno od poroznosti izdelka.

Naknadna obdelovalnost

mehanska obdelava V večini primerov so sintrani izdelki po končanjem sintranju primerni za vgradnjo, včasih pa je potrebno izdelati še kakšne utore ali izvrtine, ki ležijo pravokotno na smer stiskanja izdelka. Za to moramo uporabiti orodja iz karbidnih trdin in hlajenje z komprimiranim zrakom

toplotna obdelava

Sintrani materiali se razlikujejo od standardnih materialov predvsem zaradi svoje poroznosti. Če gre za material z visoko gostoto (nad 7200 kg/m3)in za infiltrirana gradiva, preostala poroznost nima posebnega vpliva tako da lahko uporabljamo vse poznane metode. V primeru nižje gostote pa moramo za kalilno sredstvo uporabljati olje, saj bi voda ali solna kopel povzročila preveliko korozijo, obdelovance pa moramo segrevati v zaščitni kopeli. Če izdelek cementiramo, moramo upoštevati, da se debelina cementirane plasti veča, če ima material nižjo gostoto, kar je razvidno iz naslednjih slik.

83

slika 3:debelina cementiranja v odvisnosti slika 4: struktura izdelka od časa cementiranja pri 930°C (vir:Metalurški priročnik,1972) (vir:Metalurški priročnik,1972)

končna obdelava Sintrane izdelke lahko nikljamo, kromamo ali kako drugače obdelamo. Paziti moramo samo da, če je gostota materiala manjša od 90 % teoretske gostote, predhodno zapolnimo pore z umetnim materialom, drugače nam bodo izdelki korodirali. Lahko pa jih obdelamo tudi z vodno paro, saj tako na površini dobimo črni Fe3O4, ki povečuje odpornost proti koroziji in obrabi. Lotanje oz. varjenje lahko izvajamo le z železovimi materiali ki imajo gostoto nad 7200 kg/m3.

Uporaba Glede na poroznost sestavljenega materiala lahko ločimo tudi aplikacije v katerih bomo naš izdelek uporabljali.

DELEŽ PROSTORNINE POR UPORABA

do 60 % filtri

do 30 % drsni ležaji

15 – 20 % strojni deli

do 5 % zelo trdi strojni deli

Tabela 6 : Uporaba sintranih gradiv glede na poroznost Nekatere osnovne skupine gradiv, ki jih izdelujemo s sintranjem, so:

84

• Gradiva, ki imajo zelo majhen koeficient drsnega trenja (uporabljamo za ležaje),

• gradiva, ki imajo velik koeficient drsnega trenja (uporabljamo za zavorne ploščice),

• gradiva za elektrotehniko (mehki in trdi magnetni materiali, električni kontakti),

• filtri za filtriranje tekočin in plinov, dušenje plamena in zvoka,

• gradiva, primerna za delo pri visokih temperaturah (rezalne ploščice)

slika 5: primer sintranih ozobij (vir: http:/www.sinter-okl.com/cgi-bin/stran.pl?id=3&izris=prikaziSliko&st_gal=0&st_slike=42&vel_slike=4&jezik=slo&templ=0 Prednosti postopka izdelave s sintranjem pred drugimi postopki so:

• natančnost mer in visoka kakovost površine,

• izdelki so izdelani na končno mero,

• navadno ni potrebna dodelava,

• možnost izdelave zahtevnih oblik v ozkih tolerancah,

• omogoča nadzor nad poroznostjo (filtri, samomazalni deli,…)

• dobre drsne lastnosti in velika odpornost na obrabo,

• ni odpadnega materiala (dober izkoristek materiala do 97%)

• manjša poraba energije.

85

slika 6: primer vseh mogočih oblik (vir: http://www.sinter-okl.com/cgi-bin/stran.pl?id=3&izris=prikaziSliko&st_gal=0&st_slike=0&vel_slike=4&jezik=slo&templ=0 Slabosti postopka izdelave s sintranjem pred drugimi postopki so:

• velikost izdelkov je omejena

5 iri in literatura

Krautov strojniški priročnik,1993,Tehniška založba Slovenija Gradiva 1.del, Polde Leskovar,1973 Metalurški priročnik,1972, Tehniška založba Slovenija Internetna stran: http://www.sinter-okl.com/

86

K.15. IZDELAVA SINTRANIH JEKEL OD PRAHU DO KONČNEGA IZDELKA 23050114

ZAHTEVE NALOGE: Izdelava sintranih jekel od prahu do končnega izdelka: postopki sintranja, temperature, časi zadrževanja na obdelovalnih temperaturah, hitrost ohlajanja, T-t diagram, ali je potrebna kakšna nadaljna toplotna obdelava in kakšna. Dimenzije izdelkov in tolerance.

1. POSTOPKI SINTRANJA

ISO definicija sintranja: Toplotna obdelava prahu ali stisnjenca na temperaturi pod tališčem

glavne sestavine, z namenom povečanja njegove trdnosti s povezovanjem delcev

Sintran izdelek proizvedemo tako, da prah iz različnih vrst kovin, zlitin ali nekovin oblikujemo oz. stisnemo pod tlakom in ga nato sintramo v primerni atmosferi in pri primerni temperaturi. Sintranje je postopek izdelave končnega izdelka iz kovinskega prahu. Kovinski prah sestavljajo drobna zrnca (velikosti 50 µm) kovin, zlitin in nekovin. Bistvena prednost tega izdelovalnega postopka je v tem, da lahko izdelamo izdelke takšnih oblik, ki jih s konvencionalnimi postopki veliko težje izdelamo ali pa jih sploh ne moremo.

87

Prednost sintranih izdelkov je tudi zelo dobra izkoriščenost materiala, velika merska natančnost in kakovost površine, majhna masa ter nepotrebna nadaljnja mehanska obdelava z odvzemanjem materiala. Izdelava delov iz prahov vključuje dve glavni komponenti:

1. stiskanje prahov - pri tem nastane surovi stisnjenec (zelenec), ki ima zadostno trdnost, da ga lahko dvigujemo prenašamo. Paziti moramo, da višina sintranega dela ne presega 3x širine, ker se na sredini potem material ne stisne dovolj.

2. segrevanje - navadno v varovalni atmosferi, na temperaturo pod tališčem glavne sestavine. Pri tem se posamezni delci združijo in difuzijsko zavarijo ter s tem pridobijo zadostno trdnost za uporabo. Ta del izdelave, ko material segrevamo, imenujemo sintranje.

IZDELAVA PRAHOV Kovine lahko izdelamo v obliki prahov na različne načine. Z: - izločanjem iz raztopine kovinskih soli - toplotnim razkrojem kemične spojine - redukcijo iz spojine (navadno oksida) v trdnem stanju - elektroliznim izločanjem (izločanje pod vplivom električnega toka) - atomizacijo (razprševanje) taline.

Podrobneje si oglejmo redukcijo v trdnem stanju in atomizacijo taline.

REDUKCIJA V TRDNEM STANJU:

To je bila najdlje najpogosteje uporabljena metoda za izdelavo železovega prahu. Izbrana ruda se zdrobi, pomeša z ogljikom in potuje skozi kontinuirno peč, kjer poteka reakcija, pri katerih nastane železova goba, ki jo nato zdrobimo, odstranimo nekovinski material in presejemo. Ker postopek ne vključuje nobene rafinacije (očiščenja), je čistoča prahu zelo odvisna od čistoče surovin. Nepravilni gobasti delci so majhni, dobro stisljivi, tako da dobimo stisnjence z dobro zeleno trdnostjo. V ognju obstojne kovine navadno reduciramo z vodikom, prav tako pa tudi baker.

ATOMIZACIJA oz. RAZPRŠEVANJE TALINE

Pri tem procesu tekočo kovino razpršimo v drobne kapljice in jih hitro strdimo, preden se zaletijo druga v drugo ali zadenejo ob trdno površino. Osnova te metode je, da tanek curek taline razbijemo z močnim prečnim curkom plina ali tekočine. Zrak, dušik, in argon so najpogosteje uporabljeni plini, voda pa je najpogostejša tekočina.

S spreminjanjem številnih parametrov: oblika, velikost in število šob, tlak in pretok fluida, premer curka taline, lahko nadziramo velikostno porazdelitev prašnih delcev v širokih mejah. Obliko delcev pretežno določa hitrost strjevanja in se spreminja od okrogle, ko uporabimo plin z majhno toplotno kapaciteto, do zelo nepravilne, če uporabimo vodo.

To metodo lahko uporabimo pri vseh kovinskih gradivih, ki jih lahko stalimo. Komercialno se uporablja za izdelavo prahov železa, bakra, orodnih jekel, legiranih jekel, brona, medi in

88

nizkotaljivih kovin, kot so aluminij, kositer, svinec, cink, kadmij. Kovinska gradiva, ki so nagnjena k oksidaciji (npr. zlitine, ki vsebujejo krom), atomiziramo z inertnim plinom, predvsem z argonom. Obstaja še več postopkov, ki se vedno bolj uporabljajo, eden izmed njih je centrifugalna atomizacija.

Atomizacija je posebej uporabna za izdelavo zlitin v obliki prahov, kajti zlitinski elementi so v tekočem stanju povsem pomešani med seboj. Tako ima vsak delec enako kemično sestavo. S tem postopkom lahko izdelamo tudi zlitino Cu-Pb, ker se Cu in Pb v tekočem tudi delno mešata, pri strjevanju pa se svinec izloči iz taline. Pri normalnem strjevanju zlitine nastanejo močne svinčeve izceje, po atomizaciji pa vsebuje končni produkt drobne in enakomerno porazdeljene delčke svinca v vsakem prašnem delcu.

ZNAČILNOSTI PRAHOV Nadaljnje obdelave in končne lastnosti sintranih delov (sinter: produkt sintranja) so zelo odvisne od značilnosti prahov, kot so srednja velikost delcev, porazdelitev velikosti (zrnavost), oblika delcev, mikrostruktura delcev in stanje površine. Zelo pomemben parameter je nasipna gostota; to je masa deljena s prostornino nasutega prahu. Navidezna gostota je odvisna od oblike delcev in njihove poroznosti. Izbira značilnosti prahu je navadno stvar kompromisa, kajti vplivni dejavniki imajo pogosto povsem nasprotujoč si učinek. S povečanjem nepravilnosti oblike in poroznosti (manjša navidezna gostota) se poveča zmanjšanje prostornine pri stiskanju in s tem število in trdnost hladnih zvarov. Iz tega izhajata večja zelena gostota in trdnost ter zaradi večje kontaktne površine tudi hitrejše sintranje. Toda doseganje večje zelene gostote prahu z majhno navidezno gostoto je povezano z večjimi tlaki, kar zahteva trdnejšo in dražjo formo.

89

IZDELAVA SINTRANIH DELOV

Prahovi komponent se pomešajo skupaj z mazivom, dokler ne dosežemo homogene mešanice. Mešanico vsujemo v formo, kjer jo s stiskanjem zgostimo. Zatem se stisnjenec sintra. Izjema je izdelava filtrov iz kroglastega prahu brona, ki ga ne stiskamo, temveč le vsujemo v primerno oblikovano formo, kjer se sintra: to je sintranje nasutega prahu (angl. loose powder sintering).

MEŠANJE

Cilj mešanja je zagotoviti homogeno mešanico in primešati mazivo. Najpogostejša maziva so stearinska kislina, stearin, kovinski stearati, predvsem cinkov stearat, in druga organska maziva na osnovi voska. Glavna naloga maziva je zmanjšati trenje med prahom in površino orodja - stenami forme ter stiskalnimi bati, vzdolž katerih drsi prah med stiskanjem. To pripomore k doseganju želene enakomernosti gostote od vrha do dna stisnjenca. Enako pomembno je tudi, da zmanjšanje trenja olajša izmetavanje stisnjenca in minimizira možnost tvorbe razpok.

STISKANJE

Pomešane prahove stisnemo v togi formi, ki je narejena iz jekla ali iz karbidne trdine (slika 12). Tlaki so navadno med 150 MPa in 190 MPa. Na tej stopnji stisnjenec obdrži svojo obliko zato, ker se delci prahu hladno zavarijo. Stisnjenec mora biti dovolj trden, da vzdrži izmetavanje iz forme in nadaljnje transportiranje pred sintranjem. Stiskanje je kritična operacija celotnega procesa, saj so končna oblika in mehanske lastnosti v največji meri odvisne od stopnje in enakomernosti gostote po stiskanju. Prahovi pod tlakom se ne obnašajo kot tekočine, saj se tlak ne prenaša enakomerno, poleg tega pa je tok prahu v prečni smeri minimalen. Zato je doseganje primerne gostote predvsem odvisno od konstrukcije forme. Uporabljeni tlak in gostota se zmanjšujeta z dolžino stisnjenca. Stiskanje z obeh strani izenači porazdelitev tlaka, toda v sredini dela ostane področje z manjšo gostoto. Zato ni priporočljivo, da bi razmerje dolžina : širina preseglo 3 : 1. Poleg tega utori v orodju, prečne luknje in obratna koničnost niso možni, ker stisnjenca ni mogoče odstraniti iz orodja.

Obstaja še cela vrsta postopkov stiskanja, ki pa jih ne bomo podrobneje obravnavali. Tukaj bomo našteli samo nekatere: vroče stiskanje (stiskanje pod tlakom), hladno izostatsko stiskanje, vroče izostatsko stiskanje, sinter - HIP (sintranje in vroče izostatsko stiskanje v isti posodi), vbrizgovalno oblikovanje prahov (angl. metal injection moulding).

90

SINTRANJE

Sintranje je proces zgostitve in mehanske utrditve, pri katerem preide porozni material (zeleni oblikovanec) iz drobnodisperznega prašnatega stanja, ki ima gostoto med 40 % in 75 % teoretične gostote začetne snovi, pod vplivom toplote v trdno telo z bistveno manjšo specifično. Temperatura, pri kateri poteka proces, je torej nižja od temperature tališča materiala, tako da izdelek ohrani obliko, ki jo je imel pred sintranjem. Pri tej temperaturi običajno tudi ne sme potekati kaka kemična reakcija. Pri sintranju želimo doseči čim večjo gostoto materiala, zgostitev pri čim nižji temperaturi, ustrezno mikrostrukturo. Glede na potek procesa, lahko razdelimo sintranje na:

• sintranje v trdnem stanju,

• sintranje pod tlakom,

• sintranje s tekočo fazo.

Pri sintranju poteka difuzija, s katero se zvarjena mesta nastala pri stiskanju povečujejo, poroznost pa izginja, dokler v celoti ne izgine. Sledita lahko rekristalizacija in rast zrn, preostale pore pa postanejo zaokrožene in celotna poroznost se začne zmanjševati. Sintranje je potrebno izvajati v varovalni atmosferi zaradi velike površine delcev, pri temperaturah med 60 % in 90 % tališča kovine oziroma zlitine. Za mešanice prahov je lahko temperatura sintranja nad tališčem nizkotaljive sestavine (Cu-Sn, Fe-Cu, WC-Co), tako da sintranje poteka v navzočnosti tekoče faze. Bistveno je, da je delež tekoče faze omejen, da se ohrani oblika dela.

Sintranje po navadi poteka v zaščitni atmosferi. Izbira zaščitne atmosfere je odvisna predvsem od sintranega materiala. Večina kovin potrebuje zaščitno atmosfero pred oksidacijo oz. atmosfero za redukcijo oksidov. Poznamo šest vrst osnovnih sestavin za zaščitne atmosfere: vodik, amonijak, inertni plini, dušik, naravni plini ali vakuum. Za sintranje nekaterih materialov (Al2O3) zaščitna atmosfera ni potrebna in se lahko sintrajo na zraku. Zaščitne atmosfere se med seboj lahko tudi mešajo.

91

Pri sintranju se povečuje trdnost ob tem, da se delci zavarijo z difuzijo. Navadno se s stopnjo sintranja povečuje gostota, kar še dodatno poveča trdnostne lastnosti. Povečanje gostote pomeni tudi splošno krčenje, ki lahko povzroči zaplete. Toda med sintranjem se lahko prostornina tudi poveča. Razlog za to so lahko številni dejavniki: a) ujeti plini v stisnjencu b) vodna para, ki nastane v stisnjencu pri redukciji oksidov c) razkroj veziva. Hitro segrevanje in velika zelena gostota ojačita vse te pojave in ne vodita k celotni rasti, temveč tudi k pojavu mehurjavosti in zveganju. Takšnemu obnašanju se moramo izogniti. Drugi razlog izvira iz mešanice prahov različnih elementov. Izrazit primer je železo, ki vsebuje baker, ali baker, ki vsebuje kositer (bron). V vseh primerih natančen mehanizem še ni pojasnjen, toda privzamemo lahko, da je to difuzijski pojav. Rast je izrazita nad tališčem komponent z nizkim tališčem, ki jo ojači še velika hitrost segrevanja. V nadzorovanih razmerah je možno zagotoviti ponovljive spremembe mer. Te spremembe je potrebno že upoštevati pri načrtovanju in izdelavi orodij, toda v vedno večjem številu primerov je mogoče voditi proces tako, da sprememb mer ni! Poudariti je treba, da na spremembe mer močno vplivajo gostota stisnjenca, čim manjša je, večja je težnja h krčenju. To je eden izmed razlogov, zakaj je enakomernost gostote stisnjencev tako pomembna. Kovinski prahovi imajo veliko površino, katere precejšen del pri sintranju izgine zaradi spajanja delcev na stični površini. Ker so mejne površine področja z večjo energijo kot notranjost kristala, velja, da ima material v stanju z večjim deležem mejnih površin tudi večjo energijo. Torej imajo zeleni oblikovanci pred sintranjem večjo energijo kot material po sintranju. Ker vemo, da vsak sistem želi preiti v stanje z najmanjšo prosto energijo, lahko imamo težnjo po zmanjšanju površin za gonilno silo sintranja, saj s tem preide oblikovanec v termodinamsko stabilnejše stanje z manjšo energijo. Shematično si lahko prašne delce, ki jih sintramo, predstavljamo kot toge kroglice, ki se stikajo v točkah. Med njimi se nahajajo pore, katerih mejne površine so proste površine kroglic. Proces sintranja takšnih delcev lahko razdelimo na štiri stopnje: 1. nastanek grl, 2. debeljenje grl in naraščanje stične površine; pore se zaoblijo, nastopi krčenje, 3. krčenje por in rast zrn, 4. zaprte pore se združujejo in počasi izginjajo na površino; zrna intenzivno rastejo.

Prostornina por med prašnimi delci se med sintranjem zmanjšuje. Površinska napetost mejnih površin por skuša te pore stisniti. V atomskem merilu se to zgodi s prenosom snovi z meje med delci (iz stičnih površin) na mesta notranje površine por (na proste površine kroglic). Na ta način se centra dveh zrn približujeta, pora postaja vse manjša, površina stika med zrni pa se veča - skrček materiala (slika 15). Procese sintranja spremljamo v določenih razmerah na laboratorijskih vzorcih z dilatometrskimi meritvami ali z opazovanjem v visokotemperaturnem mikroskopu. Merimo skrček v odvisnosti od časa izotermnega sintranja oziroma spreminjanje gostote od časa ali temperature sintranja. Krivulje izotermnega sintranja pri različnih temperaturah kažejo, da dosežemo večjo gostoto veliko lažje pri višji temperaturi sintranja kot pa po daljšem času. Ker je potek zgoščevanja odvisen tudi od hitrosti segrevanja, spremljamo proces sintranja pogosto že med segrevanjem. Tako dobimo popolno krivuljo sintranja (slika 16), ki je sestavljena iz dilatometrske krivulje med segrevanjem in dilatometrske krivulje med izotermnim sintranjem. Na takšni popolni krivulji sintranja lahko ocenimo temperaturo začetka zgoščevanja in tudi hitrost zgoščevanja ( ). Vzorce segrevamo pri takšnih poskusih s konstantno hitrostjo segrevanja. Do začetka sintranja se dimenzija vzorca povečuje zaradi

92

temperaturne razteznosti. Ko dosežemo temperaturo sintranja, poteče zgoščevanje zelo hitro, tako da dosežemo že v zelo kratkem času skoraj končno gostoto

Med sintranjem rastejo tudi kristalna zrna. Gonilna sila procesa je površinska napetost. Z večanjem kristalnih zrn se namreč zmanjšuje površina kristalnih mej. Na rast zrn med sintranjem vplivata tudi poroznost in vključki. Pora ali vključek na meji zadržita rast zrn. Pora na meji zrna se lahko z mejo tudi pomika - meja vleče poro in zrno raste počasneje. Meja pa lahko oviro tudi preskoči (pri povišanih temperaturah) in rast zrn je znova hitrejša.

2. ČASI ZADRŽEVANJA NA OBDELOVALNIH TEMPERATURAH

MATERIAL TEMPERATURA (°C) ČAS(minute) bron 760-870 10 do 20 baker 840-900 30-45 med 840-900 30-45 železo 1000-1150 30-45 jeklo 1180-1260 30-45 magneti 1200-1300 120-150 WC-Co 1430-1480 20-30

Mo, W, Ta 2000-2900

93

3. T- t DIAGRAM

ALI JE POTREBNA KAKŠNA NADALJNA TOPLOTNA OBDELAVA IN KAKŠNA

Sintranju lahko sledi še več operacij, kot so: ponovno stiskanje, vroče ponovno stiskanje, vroče izostatsko stiskanje, kovanje, infiltracija, impregnacija, toplotna obdelava, utrjanje površine, obdelava s paro, galvaniziranje, nanašanje prevlek, mehanska obdelava … Naknadne mehanske obdelave večinoma niso potrebne, največkrat pa se uporabljajo postopki za izboljšanje videza površine, kot so peskanje, poliranje in brušenje.

Poroznost zmanjšamo na dopustno mejo s kovanjem; lahko pa tudi z infiltriranjem, kjer na predmet položimo ploščico iz lažje taljive kovine, ki pri taljenju zapolni pore. Za izboljšanje

94

drsnih, korozijskih in drugih lastnosti lahko poroznim sintranim izdelkom dodamo različna olja, žveplo, lake, umetne mase, itd.

DIMENZIJE IZDELKOV IN TOLERANCE

S sintranjem dosežemo visoke natančnosti oz. NNS (Near Net Shape), dosežene tolerance izdelave pa so zelo odvisne od velikosti izdelka, kar je prikazano na sliki.

Prednosti so še: natančnost mer in visoka kakovost površine, izdelki so izdelani na končno mero, navadno ni potrebna dodelava, možnost izdelave zahtevnih oblik v ozkih tolerancah, omogoča nadzor nad poroznostjo (filtri, samomazalni deli,…), dobre drsne lastnosti in velika odpornost na obrabo, ni odpadnega materiala (dober izkoristek materiala do 97%), manjša poraba energije.

Sintranje je primerno predvsem za velike serije majhnih izdelkov zapletenih oblik, kot so npr. zobniki pri urah. S sintranjem lahko dobimo gradiva z majhnim koeficientom drsnega trenja (ležaji), gradiva, ki imajo velik koeficient drsnega trenja ( zavorne ploščice), gradiva za elektrotehniko (mehki in trdi magnetni materiali, električni kontakti), filtre za filtriranje tekočin in plinov, gradiva, primerna za delo pri visokih temperaturah ( rezalne ploščice)…

95

Nekaj primerov izdelkov doseženih s sintranjem:

LITERATURA:

Strojniski prirocnik – str. 710

http://www.sinter-okl.com/sinter-sintranje.shtml

http://www.fs.uni-lj.si/latem/Slike%20s%20predavanj/15-Tehnologija%20prahov.pdf

http://fs-server.uni-mb.si/si/inst/itm/lm/GRADIVA_UC/Tehnologija_gradiv/izdelava_delov_iz_prahov.html

http://www.substech.com

http://en.wikipedia.org/wiki/Sintering

http://www.irt3000.si/default-300,461.html

96

K.16. MATERIALI ZA ZOBNIKE 23060241 KAZALO: 1. DEFINICIJA NALOGE 2. MATERIALI ZA ZOBNIKE PO EVROPSKIH STANDARDIH

Tabela 1: materiali za zobnike povzeto po Ref. 5 ....................................................... 3. MATERIALI ZA ZOBNIKE POVZETI PO STANDARDIH ZDA IN PREVEDENI NA EVROPSKE STANDARDE: 4. TABELE:

Tabela 2: sestava jekel za površinsko utrjevanje (Ref. 6) ........................................... Tabela 3: mehanske lastnosti po toplotni obdelavi (Ref. 6) ........................................ Tabela 4: toplotna obdelava (Ref. 6) ........................................................................... Tabela 5: sestava jekel za poboljšanje (Ref. 6)............................................................ Tabela 6: mehanske lastnosti v poboljšanem stanju (Ref. 6) ...................................... Tabela 7: toplotna obdelava (Ref. 6) ........................................................................... Tabela 8: povprečni linearni raztezek α (Ref. 4) ......................................................... Tabela 9: toplotna prevodnost λ (Ref. 4) ..................................................................... Tabela 10: specifična toplota cp (Ref. 4)......................................................................

5. DIAGRAMI: Diagram 1: razlika v padcu trdote z globino, med jekli za cementiranje in jekli za poboljšanje ...............................................................................................................

6. REFERENCE:

1. DEFINICIJA NALOGE Definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, lomna žilavost, specifična toplota , toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Možnost kaljenja, varjenja, ali je jeklo magnetno. Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije in uporaba.

97

2. MATERIALI ZA ZOBNIKE PO EVROPSKIH STANDARDIH

Tabela 1: materiali za zobnike povzeto po Ref. 5

σFlim= korenska trajna dinamična trdnost σHlim= bočna trajna dinamična trdnost

Skupina Oznaka

po Toplotna Trdota σ Flim σ Hlim materialov DIN obdelava [Mpa] [Mpa]

siva litina GG-20 180HB 40 300

GG-25 220HB 55 360

temprana litina GTS-35 150HB 165 320

GTS-65 220HB 205 460

nodularna litina GGG-40 180HB 185 370

GGG-60 250HB 225 490

GGG-80 320HB 250 600

jeklena litina GS-52 160HB 140 320

GS-60 180HB 160 380

konstrukcijska St 50 160HB 160 370 jekla St 60 190HB 175 430

St 70 210HB 205 460

jekla za Ck 45 normalizirano 190HV 10 205 530

poboljšanje 34CrMo4 poboljšano 270HV 10 260 530

42CrMo4 poboljšano 300HV 10 285 600

34CrNiMo6 poboljšano 310HV 10 305 630

jedro boki

jekla za Ck 45 plamensko 190HV 10 560HV 10 270 1030

poboljšanje 34CrMo4 ali 270HV 10 590HV 10 430 1070 42CrMo4 induktivno 280HV 10 610HV 10 360 1170

34CrNiMo6 kaljeno 250HV 10 500HV 10 380 1270

jekla za 180HV 10 550HV 1

poboljšanje in plinsko 280HV 10 550HV 1

nitriranje nitriranje 320HV 10 700HV 1

360HV 10 770HV 1

jekla za cementiranje 270HV 10 720HV 1

cementiranje in 310HV 10 730HV 1

kaljenje 400HV 10 740HV 1

98

3. MATERIALI ZA ZOBNIKE POVZETI PO STANDARDIH ZDA IN PREVEDENI NA EVROPSKE STANDARDE:

Jekla za zobnike so po Ameriškem standardu razdeljeni na dve glavni skupini:

A) površinsko utrjeni - j. za cementiranje - j. za nitridiranje

To so jekla z vsebnostjo ogljika med 0,1 in 0,25%, kar je premalo za kaljenje zato se jih dodatno cementira ali nitridira. Značilno za te postopke je, da lahko zakalimo samo površino, ki ima po npr. cementiranju zadosten odstotek ogljika. Jedro ostane mehko in žilavo kar je ugodno za prenašanje dinamičnih obremenitev, površina pa zelo trda kar nam nudi visoko obrabno odpornost in odpornost na pitting. Paziti je potrebno, da ni jedro premehko, ker potem ne nudi zadostne opore za trdo površino. Prav tako mora biti primerna tudi debelina trde površine, da nam ne poči. .

B) po celem preseku utrjeni - plitvo utrjeni - globoko utrjeni

Vsebnost ogljika v teh jeklih je nekje med 0,35 in 0,5%. Uporabljajo se predvsem jekla za poboljšanje. Značilno je, da imajo ta jekla dobre trdnostne lastnosti vendar nekaj slabšo žilavost. Navadno so še površinsko kaljeni toda zaradi višje vsebnosti ogljika ostanejo trdi globlje v notranjost prereza, posledica je slabša odpornost na dinamične obremenitve.

4. TABELE: Tu so predstavljena jekla, ki se najpogosteje uporabljajo za zobnike, po standarih SAE – AISI.

99

A) površinsko utrjeni

Tabela 2: sestava jekel za površinsko utrjevanje (Ref. 6)

Tabela 3: mehanske lastnosti po toplotni obdelavi (Ref. 6)

Napetost tečenja

Natezna trdnost Razteznost Kontrakcija Žilavost

Re, min [Mpa]

(pri prem.

30mm) Z Kumin

SIST EN pri premeru

[mm] Rm [Mpa] Amin [%] [%] [J] 10027-2 16 30 63 ogljikova

j.

1 .0401 270hl. Vleč. 420 12 1 .0406 230 normal. 440 23

1 .7264 1000-1300

jedro 8 35 nizkoleg.

J.

1 .7149 670 610 540 900-1250 9 20

SIST EN SIST EN SAE- SESTAVA [%] 10027-2 10027-1 AISI C Si Mn P S ostalo

ogljikova j.

1 .0401 C15 1015 0,12-0,18 0,15-0,4 0,3-0,6 < 0,05 < 0,05

1 .0402 C22 1020 0,18-0,25 0,15-0,35 0,3-0,6 0,045 0,045

1 .0406 C25 1025 0,22-0,29 0,15-0,4 0,4-0,7 < 0,05 < 0,05 nizkoleg.

J.

1 .7211 23CrMoB4 4118 0,2-0,25 0,15-0,35 0,5-0,8 0,035 0,035 0,9-1,2Cr; 0,1-0,2Mo

1 .7264 20CrNo5 4118 0,18-0,23 0,15-0,35 0,9-1,2 0,035 0,035 1,1-1,4Cr; 0,2-0,4Mo

1 .2162 21MnCr5 5120 0,18-0,24 0,15-0,35 1,1-1,4 0,03 0,03 1-1,3Cr

1 .7149 20MnCrS5 5120 0,2 0,15-0,4 1,25 < 0,035 < 0,035 1,65Cr; 0,3Mo; 1,55Ni 1 .6522 20NiCrMo2 8620 0,17-0,23 0,1-0,25 0,6-0,9 0,025 0,025 0,4-0,7Ni/0,35-0,65Cr

0,15-0,25Mo/0,02-0,05A

100

Tabela 4: toplotna obdelava (Ref. 6)

Prekaljivost: trdota [HRC]

SIST EN Ogljičenje Preprosto kaljenje Popuščanje

Na oddaljenosti od čelne ploskve [mm]

10027-2 °C °C °C 1,5 3 5 11 20 ogljikova

j.

1 .7264 820-840 170-210 217HB po

žarj. 23 nizkoleg.

J. 1 .7149 880-980 820-860 150-200 41 39 36 28

B) po celem preseku utrjeni

Tabela 5: sestava jekel za poboljšanje (Ref. 6)

SIST EN SIST EN SAE- SESTAVA [%] 10027-2 10027-1 AISI C Si Mn P S ostalo

j. za plitvo utrjevanje: ogljikova j.

1 .0501 C35 1035 0,35 0,1-0,4 0,65 < 0,045 < 0,045 1 .0511 C40 1040 0,37-0,44 0,15-0,4 0,5-0,8 < 0,05 < 0,05 1 .0503 C45 1045 0,45 0,1-0,4 0,65 < 0,045 < 0,045 1 .0540 C50 1050 0,47-0,55 0,15-0,4 0,6-0,9 < 0,05 < 0,05

nizkoleg. j.

1 .5223 42MnV7 1340 0,38-0,45 0,15-0,35 1,6-1,9 0,035 0,035

j. za srednje do globoko

utrj. nizkoleg. j.

1 .2382 43MnSiMo4 4042 0,36-0,46 0,8-1,0 0,85-1,1 0,035 0,035 0,1-0,21Mo 1 .7035 41Cr4 5140 0,41 0,1-0,4 0,75 < 0,035 < 0,035 1,05Cr

1 .7039 41CrS4 5140 0,41 0,1-0,4 0,75 < 0,035 0,02-0,04 1,05Cr

1 .7045 42Cr4 5140 0,38-0,44 0,15-0,4 0,5-0,8 0,025 0,035 0,9-1,2Cr

1 .6546 40NiCrMo2 2 8640 0,37-0,44 0,15-0,4 0,7-1,0 0,035 0,035 0,4-0,7Ni/0,4-0,6Cr/0,15-

0,3Mo

1 .3563 43CrMo4 4140 0,4-0,46 0,4 0,6-0,9 0,025 0,035 0,9-1,2Cr/0,15-0,3Mo/0,3Cu

1 .7223 41CrMo4 4140 0,38-0,44 0,15-0,4 0,5-0,8 0,025 0,035 0,9-1,2Cr/0,15-0,3Mo 1 .7225 42CrMo4 4140 0,42 0,1-0,4 0,75 < 0,035 < 0,035 1,05Cr; 0,22Mo

1 .7227 42CrMoS4 4140 0,42 0,1-0,4 0,75 < 0,035 0,02-0,04 1,05Cr; 0,22Mo

101

Tabela 6: mehanske lastnosti v poboljšanem stanju (Ref. 6)

Napetost tečenja Natezna trdnost Razteznost Žilavost

Re, min [Mpa] (pri prem.

30mm) Kumin

SIST EN pri premeru

[mm] Rm [Mpa] Amin [%] [J] 10027-2 16 30 63

j. za plitvo utrjevanje: ogljikova j.

1 .0501 430 380 320 600-750 19 / 1 .0511 290 normal. 550 17 1 .0503 490 430 370 650-800 16 1 .0540 320 normal. 610 14

j. za srednje do globoko

utrj. nizkoleg. j.

1 .7035 800 660 560 900-1100 12 25 1 .7039 800 660 560 900-1100 12 25 1 .7225 900 750 650 1000-1200 11 25 1 .7227 900 750 650 1000-1200 11 25

Tabela 7: toplotna obdelava (Ref. 6)

poboljšanje čelmo normaliziranje

Prekaljivost: trdota [HRC] SIST EN kaljenje popuščanje kaljenje

Na oddaljenosti od čelne ploskve [mm]

10027-2 °C °C °C °C 1,5 3 5 11 20

j. za plitvo utrjevanje:

ogljikova j.

1 .0501 840-880 v, o 550-660 870±5 860-900

j. za srednje do

globoko utrj. nizkoleg. j.

1 .7035 820-860 v, o 540-680 840±5 61 61 60 56 46 1 .7039 820-860 v, o 540-680 840±5 53 52 50 37 29 1 .7225 820-860 o, v 540-680 840±5 61 61 61 59 56 1 .7227 820-860 o, v 540-680 840±5 53 53 52 43 34

102

Tabela 8: povprečni linearni raztezek α (Ref. 4)

Tabela 9: toplotna prevodnost λ (Ref. 4)

Tabela 10: specifična toplota cp (Ref. 4)

SIST EN SAE- Toplotna

Specifična toplota cp [J/kg.K] pri temperaturi [°C]

10027-1 AISI obdelava 50-100

150-200

200-250 250-300

300-350

350-400

450-500

550-600

650-700

700-750

750-800

Ck45 1045 žarjen 486 519 586

34CrMo4 4135 utrjen in

popuščen 477 515 544

42CrMo4 4140 utrjen in

popuščen 473 595 657 737 825 833

34CrNiMo6 4337 neznana 519 561

SIST EN SAE- Toplotna

Povprečni linearni raztezek α [µm/m.K] pri temperaturi [°C] 10027-1 AISI obdelava 20-100 20-200 20-300 20-400 20-500 20-600 20-700

Ck45 1045 žarjen 11,6 12,3 13,1 13,7 14,2 14,7 15,1 34CrMo4 4135 neznana 11,7 12,2 12,8

42CrMo4 4140 utrjen in

popuščen 12,3 12,7 13,7 14,5 34CrNiMo6 4337 neznana 11,3 14,6 16MnCr5 5115 neznana 12 12,8 13,5

SIST EN SAE- Temper.

Toplotna prevodnost λ [W/m.K] pri temperaturi [°C]

10027-1 AISI obdelava 0 100 200 300 400 500 600 700 800 1000 1200

Ck45 1045 neznana 50,8

34CrMo4 4135 utrjen in

popuščen 42,7 40,6 37,3 31 28,1 30,1

42CrMo4 4140 utrjen in

popuščen 42,7 42,3 37,7 33,1

103

5. DIAGRAMI:

Diagram 1: razlika v padcu trdote z globino, med jekli za cementiranje in jekli za poboljšanje

Odvisnist trdote od oddaljnosti od čelne ploskve

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25

oddaljenost od čel. pl. [mm]

Trd

ota

[H

RC

]

j. za cementiranje: 1.7149

j. za srednje do globoko utrj.: 1.7035

j. za srednje do globoko utrj.: 1.7225

6. REFERENCE: Referenca 1: Krautov strojniški priročnik, 14. Slovenska izdaja; J. Puhar, J. Stropnik – Ljubljana: Littera picta, 2002 Referenca 2: Strojnotehnološki priročnik, 7. predelana in razširjena izdaja; redaktor H. Muren – Ljubljana: Tehniška založba Slovenije, 1998 Referenca 3: ASM Specialty Handbook, Carbon and Alloy Steels; Edited by J. R. Davis – First printing, March 1996; ISBN 0-87170-557-5 Referenca 4: Metals Handbook – Tenth Edition, Volume 1: Properties and Selection: Irons, Steels and High – Performance Alloys; J. R. Davis – ISBN 0-87170-377-7 (v. 1) Referenca 5: Maschinenelemente; Niemann, Winter; 1983 Referenca 6: Tabele so povzete po podatkih iz Ref. 1 in Ref. 2

104

K.18. MATERIALI ZA SPIRALNE VZMETI 23060568

Uvod Vzmet je prožno telo, ki lahko shrani mehansko energijo. Pod vplivom zunanje obremenitve vzmet sprejme delo, po razbremenitvi pa ga vrne v obliki potencialne energije. Vzmeti delimo v več skupin: Delitev po obliki:

Vijačne vzmeti Membranske vzmeti Listaste vzmeti Palične vzmeti

Delitev glede na obremenitev: Tlačne vzmeti Natezne vzmeti Vzvojne ali torzijske vzmeti Upogibne vzmeti

Spiralne ali polžaste vzmeti Spiralne vzmeti spadajo po obliki med vijačne vzmeti, prenašajo pa upogibne napetosti. Izdelane so lahko ali iz okrogle žice ali in vzmetnega traku. Spiralna vzmet je bistven element nihalnega kolesa, skupaj pa tvorijo harmonično nihalo. Vzmet povzroča linearno silo, ki spreminja smer vrtenja kolesa tako da niha enkrat v sourno, drugič protiurno. Gibanje kolesa je zato konstantno, s sinusno periodo. Njegov nihajni čas je neodvisen od zunanjih vplivov in motenj, zato je ta pripomoček dober za merjenje časa in s tem je uporaba spiralnih vzmeti zelo razširjena v urah, ki imajo še klasične mehanizme.

Slika 1: Spiralna vzmet obremenjena z zunanjo obremenitvijo (levo) in obremenjena z

notranjo obremenitvijo (desno)

105

Materiali Za izdelavo spiralnih vzmeti se uporabljajo številni materiali. Na začetku se je uporabljalo jeklo, vendar brez kakršnega koli poboljšanja ali kaljenja. Posledica tega je bila ta, da je vzmet počasi oslabela in ura, v kateri je bila vzmet vgrajena, ni bila več točna. Nekateri izdelovalci ur so, da bi se izognili koroziji uporabljali zlato. Vendar so tudi zlate vzmeti s časom oslabele. Zato se je začelo postopoma uporabljati poboljšano in kaljeno jeklo, ki se je uporabljalo do dvajsetega stoletja. Problem materialov je bila temperatura in z njo elastičnost. Če se je temperatura spremenila, se je vzmeti spremenila elastičnost in nihalno kolo je začelo nihati z drugačnim nihajnim časom. Posledica tega je bila netočnost ure ob različnih temperaturah. S tem se je ukvarjal švicarski fizik Charles Edouard Guillaume, ki je nato izumil elinvar. Elinvar je zlitina železa (59%), niklja (36%) in kroma (5%). Ime elinvar izhaja iz francoskih besed »Elasticité invariable«, kar pomeni elastičnost, ki se ne spreminja. Podobne karakteristike imata materiala s trgovskimi imeni Nivarox in Nivaflex. Ime nivarox izhaja iz nemških besed »Nicht Variable Oxydfest«, kar pomeni ne-spremenjliv in neoksidativen, kar se nanaša na temperaturno razteznost in korozijo. Kemična sestava obeh je podobna; kobalt (42-48%), nikelj (15-25%) in krom (16-22%). Seveda je več možnih sestav; primer ene kemične sestave za nivarox: kobalt (45%), nikelj (21%), krom (18%), železo (5%), volfram (4%), molibden (4%), titan (1%). Pri nivaflexu je poleg vseh naštetih sta še dodatna 0.2% berilija. Skoraj istočasno kot Nivarox, se je pojavila tudi zlitina berilija in brona (bakra in železa) imenovana Glucydur. Ta zlitina je nemagnetna in ima nizek temperaturni razteznostni koeficient. Zaradi tega je primerna za izdelavo spiralnih vzmeti, saj temperatura nima velikega vpliva na nihajni čas. Glucydur je tudi odporen na korozijo, kar je še ena prednost pri praktični uporabi. Fe Ni Cr Ti Al Mn Si Najboljša zlitina za spiralne vzmeti

50.84 38.23 8.47 1.29 0.37 0.45 0.36

Standardna zlitina za spiralne vzmeti

50.19 38.79 8.75 1.02 0.42 0.45 0.38

Tabela 1: Sestava mikrostrukture najboljše in standardne zlitine za spiralne vzmeti

Zaključek Materialov za spiralne vzmeti je veliko, veliko se jih tudi še razvija, sploh iz modernih, nekovinskih materialov, kot so na primer karbonska vlakna. Ker se spiralne vzmeti večinoma uporabljajo v klasičnem mehanskem urarstvu, so zelo pomembni temperaturni razteznostni koeficienti materialov, ker ti vplivajo na nihajni čas oscilacijskega kolesa v sami uri. Sčasoma vsaka vzmet začne nekoliko zaostajati ali prehitevati, kar ima za posledico to, da tista ura, v kateri je taka vzmet ni več točna.

106

Literatura http://en.wikipedia.org/wiki/Balance_spring http://en.wikipedia.org/wiki/Spring_%28device%29 http://sl.wikipedia.org/wiki/Vzmet http://www.bhi.co.uk/hj/July04-AoM.pdf http://en.wikipedia.org/wiki/Elinvar http://en.wikipedia.org/wiki/Nivarox http://en.wikipedia.org/wiki/Glucydur

107

K. 19. MATERIALI ZA OSI IN GREDI 23070447

V nadaljevanju si lahko preberete več o jeklih, ki se uporabljajo za izdelavo gredi in osi in sicer jekla za poboljšanje ter legirana jekla.

• Poboljšanje jekla (Carbon Steels for Heat Treatment)

Poboljšanje je postopek toplotne obdelave, kjer se jekla kali v kalilnem sredstvu (voda, olje, solni kopeli) in nato takoj popušča pri visoki temperaturi približno od 530 do 670 oC.

Lastnosti in uporaba jekla za poboljšanje

Jekla za poboljšanje so nelegirana ali malolegirana srednjeogljična jekla. Vsebnost ogljika je 0,25 do 0,7 %. Poleg ogljika pa jekla vsebujejo še druge zlitinske elemente v raznih kombinacijah, kot so mangan, silicij, krom, nikelj, molibden ali vanadij. Dodatek zlitinskih elementov je pomemben, ker vpliva na globino zakaljene plasti izdelka.

S poboljšanjem dosežemo, da je mikrostruktura po žarjenju sestavljena iz drobnih, enakomerno porazdeljenih karbidov Fe3C in železa alfa. Če jeklo vsebuje še karbidotvorne elemente, se nahajajo v mikrostrukturi tudi karbidi zlitinskih elementov. Drobno razporejena kristalna zrna v osnovi z izločki karbidov vplivajo na mehanske lastnosti poboljšanega jekla, ki se kaže kot velika žilavost pri sorazmerno visoki trdnosti.

Jekla za poboljšanje so primerna za dinamično in statično obremenjene dele strojev. Če si izberemo za dinamično obremenjene dele ogljikova jekla, so le-ta uporabna za strojne dele manjših premerov (To je za Φ 40 mm.). Pri večjih premerih zaradi slabe prekaljivosti uporabljamo malolegirana jekla, ki imajo sposobnost zagotoviti večjo prekaljivost.

Iz navedenega se vidi, da je po kaljenju zelo pomembna prekaljivost. O dobri prekaljivosti govorimo, če vsebuje izdelek po kaljenju na sredi najmanj 50 % martenzita. Za zagotavljanje kaljivosti jekla so pomembni pasovi kaljivosti, ki so za nekatera poboljšana jekla navedeni v standardu SIST EN 10083. Omenjeni diagrami so narejeni na osnovi kontrolnih preizkusov prekaljivosti po metodi Jominy.

[Vir 1]

• Legirana jekla (Alloy Steels) So tista, ki vsebujejo >0,5 % Si in > 0,8 % Mn in/ali še druge namerno dodane elemente. Malolegirana jekla vsebujejo do 5 % zlitinskih elementov, visokolegirana pa več kot pet odstotkov.

Glavni cilj legiranja jekel je:

• povečanje mehanskih lastnosti • povečanje kaljivosti (globine prekaljevanja) • izboljšanje sposobnosti za toplotno obdelavo.

108

Zlitinski elementi (razen Co) zmanjšajo kritično hitrost pri kaljenju in omogočajo kaljenje pri zmernih hitrostih ohlajanja. S tem se zmanjšajo notranje napetosti in s tem nevarnost za nastanek razpok in deformacij.

Pri kaljenju ogljikovih jekel dobimo le blizu površine trdo martenzitno mikrostrukturo, medtem ko je v globini mikrostruktura sestavljena iz mehkejših bainita, perlita in/ali ferita. Legirana jekla se pri kaljenju v istem kalilnem sredstvu prekalijo globlje, zato ima kaljeno legirano jeklo po popuščanju tudi enakomerno mikrostrukturo in lastnosti po večjem delu prereza.

• Elementi, ki tvorijo s feritom trdno raztopino in ne tvorijo karbidov

Takšni elementi so Ni, Si in Al. Ti elementi zmanjšujejo obstojnost cementita.

• Zlitinski elementi, ki se topijo v feritu močno utrjujejo jeklo - utrjevanje trdne raztopine ali raztopinsko utrjanje.

• Elementi, ki tvorijo karbide

Ti (TiC), V (VC, V2C), W (WC, W2C), Cr (Cr7C3, Cr4C), Mo (MoC), Mn (Mn3C), Zr, Nb. Vsi ti karbidi so stabilnejši kot Fe3C. Zaradi tega se C v jeklu ne veže na železo, če so prisotni ti karbidotvorni elementi, ampak predvsem na te elemente. Čim obstojnejši je določen karbid, tem težje se topi v avstenitu in tem težje se izloča pri popuščanju jekla.

[Vir 2]

Jekla za poboljšanje (ISO 683/1 – 1987) [Vir 3]

109

• Mehanske lastnosti v poboljšanem stanju

[Vir 3]

• Označbe jekel najdemo na sledeči povezavi:

http://www.znksteel.com/download/Product_range_of_the_Niksic_Steelworks.pdf • Jekla za poboljšanje oziroma legirana malo-ogljična jekla so namenjena toplotni

obdelavi, zato se dobro kalijo, prav tako so v splošnem magnetna.

• Vsa jekla , ki vsebujejo do 0.25 % C imajo dobro varivost.Varivost se podaja z izračunanim ekvivalentnim ogljikom po spodnji enačbi:

Varivost jekel se bistveno poslabša,če je CE večji od 0,45%. [Vir 4]

• VIRI:

Vir 1: http://www.sc-nm.com/e-gradivo/SPREM/popuanje.html Vir 2: http://sl.wikipedia.org/wiki/Legirano_jeklo Vir 3: Krautov strojniški priročnik, Littera Picata, štirinajsta izdaja, 2003, Ljubljana Vir 4: J. Tušek, Tehnika spajanja, učbenik

110

K.20. MATERIALI ODPORNI NA LEZENJE 23060033

Zahtevane naloge

Poiskal sem materiale odporne na lezenje. Definiral njihove lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, poiskal informacije o gostoti, trdoti, modulu elastičnosti, mehanskih lastnosti, natezni trdnosti, napetosti tečenja, lomni žilavosti, specifični toploti, toplotni prevodnosti, koeficientu toplotne razteznosti. Raziskal možnost varjenja, možnost kaljenja ter uporabo. Poiskal trgovske označbe in označbe po standardih.

JEKLO 1.4922: ODPORNO NA LEZENJE IN NAMENJENO ZA UPORABO NA TEMPERATURAH VIŠJIH OD 650°C (vir 1)

Označbe po standardih: Mat. No.: 1.4922 DIN: X20CrMoV11-1 Trgovska oznaka: Ravne: PT929

Kemična sestava v masi % C Si Mn Cr Mo Ni V W

0,20 max 0,50 max 1,00 11,25 1,0 0,55 0,30 - Jeklo ima stabilno mikrostrukturo z drobnimi karbidnimi izločki, ki zadržujejo gibanje

dislokacij in mej med podzrni. Fino porazdeljeni in toplotno stabilni izločki, ki nastanejo med

popuščanjem, so bistveni za odpornost jekla proti lezenju. (vir 3) Fizikalne lastnosti pri sobni temperaturi: Modul elastičnosti: E = 210 000 N/mm2 Gostota: ρ = 7,76 g/cm3 Toplotna prevodnost: λ = 29,2 W/mK Spec. el. upornost: ρ = 0,65 Ohm mm2/m Specifična toplota: c = 0,46 J/gK

Modul elastičnosti [103 N/mm2] 20°C 600°C 210 180

111

Koeficient linearne toplotne razteznosti [10-6 °C-1] 20-100°C 20-200°C 20-300°C 20-400°C 20-500°C 20-600°C 20-700°C 20-800°C

10,7 11,1 11,5 11,5 11,8 12,2 12,3 12,5

Mehanske lastnosti pri sobni temperaturi

premer [mm]

stanje toplotne obdelave

RP,0.2 [N/mm2]

RM [N/mm2]

razteznost A [%]

lomna žilavost KV

[J]

d ≤ 100 kaljenje+popuščanje 500 700-850 16 (vzolžno) 14 (prečno)

29 (vzolžno) 27 (prečno)

d ≤ 250 kaljenje+popuščanje 500 700-850 16 (vzolžno) 14 (prečno)

31 (vzolžno) 27 (prečno)

251- 330 kaljenje+popuščanje 500 700-850 16 (vzolžno) 14 (prečno)

16 (vzolžno) 27 (prečno)

RP,0.2 pri povišanih temperaturah [N/mm2] preme

r [mm]

100°C

150°C

200°C

250°C

300°C

350°C

400°C

450°C

500°C

550°C

600°C

< 160 460 445 430 415 390 380 360 330 290 250 160

1 % meja lezenja [N/mm2] pri različnih temperaturah ure 480°C 500°C 520°C 540°C 560°C

10 000 299 247 207 170 135 100 000 236 190 147 114 85

112

Diagram mehanskih lastnosti v odvisnosti od toplotne obdelave

Toplotna obdelava Jeklo je žarjeno na mehko na temperaturi 730–780°C. Ohlajeno počasi v peči ali na zraku. Žarjeno za odpravo notranjih napetosti, nastalih zaradi toplotne obdelave, pri 650-680°C, pri tej temperaturi zadrževano eno uro, nato zračno ohlajano. Kaljeno na temperaturi 1020 – 1070°C. Gašeno z zrakom ali v olju. Struktura je martenzitna. Popuščano pri temperaturi 720-780°C. Obdelovalnost - Jeklo kujemo na temperaturi 1100-850°C, ohlajamo počasi. - Odrezovalni postopki so enaki, kot pri specialnih jeklih podobne trdote. Varjenje Jeklo X20CrMoV11-1 je varjivo z vsemi postopki razen z metodami, pri katerih uporabljamo

zaščitni plin.(vir 2) Pri varjenju je priporočljivo predgretje pred varjenjem in počasno ohlajanje zvara po varjenju. Uporaba

Temperatura popuščanja [°C] (t = 2h)

Raz

tezn

ost i

n zo

ženo

st [%

]

RP

,0.2

in

RM

[N/m

m2 ]

113

Sestavni deli za parne turbine in druge komponente, odporne na stisnjen vodik za kemično industrijo. Veliko delov v termoenergetskih centralah, ki so izpostavljeni temperaturam do 600 °C in

tlakom do 100 MPa, je izdelanih iz jekel, ki so odporna proti deformaciji z lezenjem.

X20CrMoV111 jekla odporna proti lezenju se v ta namen uporabljajo že več kot pol

stoletja.(vir 3)

KROM-MOLIBDENOVO JEKLO 1.7380 (vir 4) Označbe po standardih: Mat. No.: 1.7380 DIN: 10CrMo9-10 AISI: A182 Grade F22 Trgovska oznaka: Ravne: PT181

Kemična sestava v masi % C Si Mn Cr Mo Ni V W

0,12 max 0,40 0,55 2,25 1,0 max 0,50 - - Fizikalne lastnosti pri sobni temperaturi: Modul elastičnosti: E = 190 - 210 × 103 N/mm2 Gostota: ρ = 7,80 g/cm3

Mehanske lastnosti pri sobni temperaturi (vir 2)

RP,0.2 [N/mm2]

RM [N/mm2]

razteznost A [%]

lomna žilavost KV [J]

280 450-600 20 (vzolžno) 18 (prečno)

34 (prečno)

RP,0.2 pri povišanih temperaturah [N/mm2] (vir 2)

debelina[mm] 200°C 250°C 300°C 350°C 400°C 450°C 500°C 550°C ≤ 40 245 240 230 215 205 195 185 -

40<s≤60 235 230 220 205 195 185 175 - 60<s≤80 225 220 110 195 185 175 165 -

Toplotna obdelava Jeklo je normalizirano na 920-980°C. Žarjeno za odpravo notranjih napetosti, nastalih zaradi toplotne obdelave, pri 675°C, pri tej temperaturi zadrževano eno uro, nato zračno ohlajano. Avstenizacija na temperaturi 920 – 980°C. Popuščano pri temperaturi 650-750°C. Obdelovalnost Jeklo kujemo na temperaturi 1050-850°C.

114

Varjenje Varimo lahko z vsemi metodami.(vir 2) Uporaba Sestavni deli za parne kotle in turbine, ter za gredi uporabljene na visokih temperaturah. Pogosto se uporablja tudi za cevi in parovode v energetskih objektih.(vir 3)

JEKLO 1.4903: ODPORNO NA LEZENJE IN NAMENJENO ZA UPORABO NA TEMPERATURAH VIŠJIH OD 630°C (vir 5)

Označbe po standardih: Mat. No.: 1.4903 DIN: X10CrMoVNb9-1 AISI: A213/P91 Trgovska oznaka: Ravne: PT950

Kemična sestava v masi % C Si Mn Cr Mo Ni V drugo

0,10 0,35 0,45 8,50 0,95 max 0,40 0,22 Nb = 0,53 N = 0,05,

Al = max 0,040 Fizikalne lastnosti pri sobni temperaturi: Modul elastičnosti: E = 218 × 103 N/mm2 Gostota: ρ = 7,7g/cm3 Toplotna prevodnost: λ = 29,2 W/mK Specifična toplota: c = 0,46 J/gK

Modul elastičnosti [103 N/mm2] 20°C 200°C 400°C 650°C 218 207 190 162

Koeficient linearne toplotne razteznosti [10-6 °C-1]

20-200°C 20-400°C 20-650°C 11,3 12,0 12,7

Mehanske lastnosti pri sobni temperaturi

premer [mm]

stanje toplotne obdelave

RP,0.2 [N/mm2]

RM [N/mm2]

razteznost A [%]

lomna žilavost KV

[J]

< 130 kaljenje+popuščanje 450 630-730 19

(vzolžno) 17 (prečno)

40 (vzolžno) 27 (prečno)

RP,0.2 pri povišanih temperaturah [N/mm2]

100°C 150°C 200°C 250°C 300°C 350°C 400°C 450°C 500°C 550°C 600°C 410 395 380 370 360 350 340 320 300 270 215

115

Toplotna obdelava Jeklo je žarjeno na temperaturi 730–780°C. Ohlajeno počasi v peči ali na zraku. Struktura je martenzitna. Kaljeno pri temperaturi 1040-1090°C, gašeno z zrakom ali v olju. Obdelovalnost - Jeklo kujemo na temperaturi 1100-800°C, ohlajamo počasi. - Odrezovalni postopki so enaki, kot pri specialnih jeklih podobne trdote. Varjenje Material se dobro vari. Varjenju sledi žarjenje za odpravo notranjih napetosti z počasnim ohlajanjem. Dodajni material je MTS3 ali Thermanit iz Thyssena. Uporaba Kotli, cevovodi in druga visokotemperaturna parna oprema.

NERJAVNO TEMPERATURNO OBSTOJNO JEKLO 1.4893 (vir 6) Označbe po standardih: Mat. No.: 1.4893 DIN: X8CrNiSiN21-11 Trgovska oznaka: MDM: AVESTA 253 MA

Kemična sestava v masi % C Cr Ni Si N ostalo

0,09 21 11 0,3 0,15 Ce Pri izdelavi jekla AVESTA 253 MA obstojnega pri visokih temperaturah, ima poseben tehnični pomen tako izbira zlitinskih elementov kot tudi postopek, kako se ti dodajajo v večjih količinah. Poleg običajnih zlitinskih elementov se dodajajo redke kovine v zelo majhnih a natančno predpisanih odmerkih. Te povečujejo odpornost jekla proti oksidaciji in pa izboljšujejo odpornost proti lezenju. Kljub sorazmerno majhni količini kroma in niklja je jeklo AVESTA 253 MA obstojno pri visokih temperaturah, saj lahko nadomešča veliko močneje legirana jekla ali zlitine na osnovi niklja. Prisotnost mangana in molibdena je potrebno omejiti na čim nižjo mejo, da na ta način dobimo večjo odpornost proti oksidaciji.

116

Fizikalne lastnosti pri sobni temperaturi: Gostota: ρ = 7,8 g/cm3

Fizikalne lastnosti

Temperatura [°C]

Modul elastičnosti E

[kN/mm2]

Temperaturna razteznost α [K-1×10-6]

Toplotna prevodnost k

[W/mK]

Specifična električna upornost ρ

[nΩm] 20 200 16,5 15,0 850

600 155 18,5 22,5 1370 800 135 19,0 25,5 1430

1000 120 19,5 29,0 1450

Mehanske lastnosti pri sobni temperaturi

Napetost tečenja RP,0.2

[N/mm2]

trdnost RM

[N/mm2]

Raztezek pri zlomu A5 [%]

Trdota po Brinellu

HB

Žilavost ob zarezi

KVC [J]

min 420 680 25 max 290 100

Toplo valjano

min 370 390

Hladno valjano

min 700 710

Obdelovanje: -Preoblikovanje v hladnem: Kot vsa druga avstenitna jekla, je možno tudi jeklo AVESTA 253 MA obdelovati v hladnem. Zaradi izredno velikega deleža dušika ima veliko trdnost, tako da so za učinkovito preoblikovanje potrebne večje sile. -Preoblikovanje v toplem: Uporablja se v temperaturnem območju 1150 – 950°C. Žarjenje po preoblikovanju načeloma ni potrebno, saj je jeklo pri svoji uporabi tako ali tako izpostavljeno visokim temperaturam. Odrezavanje Za jeklo AVESTA 253 MA je značilno, da je zelo žilavo. Relativno velika trdota in nagnjenost k deformacijskemu utrjevanju sta dejavnika, ki ju je potrebno upoštevati pri strojni obdelavi. Varjenje Tudi za jeklo AVESTA 253 MA velja, da se lahko pohvali z dobro varivostjo. Močna je uporaba naslednjih varilnih postopkov: • ročno in obločno varjenje • varjenje v zaščitnem plinu, kot so varjenje TIG, MIG ter varjenje pod plazmo. Kot zaščitni plin se uporablja čisti argon.

117

• varjenje pod praškom Kot dodajni material se uporabljajo oplaščene elektrode in varilna žica. Pri varjenju jekla AVESTA 253 MA ni dovoljeno uporabljati dodajnega materiala, ki bi bil stabiliziran z niobijem, saj lahko s silicijem tvorita po mejah kristalnih zrn zelo krhko fazo. Uporaba Tipična področja uporabe jekla AVESTA 253 MA so: • Pripomočki za sintranje - rešetke, sesalne komore, gorilniki, puhala • Plavži - cirkulacijska puhala, saržirne cevi za premogov prah, kondenzatorji in rekuperatorji za plavžni plin, vroči deli na kosarniških pečeh • Agregati za taljenja jekla - odvodne nape, odvodne cevi za pline, zasuni, vrata peči, naprave za predgrevanje starega jekla • Valjarne - valjčnice za peči, drsne tračnice, dvižne prečke, okvirji, ojačitve za robove vrat • Peči za toplotno obdelavo in dodatni deli - toplotni izmenjevalniki, ognjišča, transportne naprave, sevalne cevi, električni grelni elementi • Priprava materialov in proizvodnja cementa - nakladalni in razkladalni sistemi v predgrevalnih pečeh, cevi, zasloni gorilnikov, mrežne rešetke, zasuni, obroči, ognjevzdržna sidra.

Reference

• Vir 1: http://www.metalravne.com/selector/steels/pt929.html

• Vir 2: http://www.e-pipe.co.kr/eng/DIN/17175.htm

• Vir 3: http://www.imt.si/program2005.pdf

• Vir 4: http://www.metalravne.com/selector/steels/pt181.html

• Vir 5: http://www.metalravne.com/selector/steels/pt950.html

• Vir 6: http://www.mdm.si/uploads/pdf/06_nerjavna_jekla.pdf

118

K.21. ALUMINIJ SERIJA – 1XXX 23060263

Aluminij serija – 1xxx

http://aluminium.matter.org.uk relativna molska masa: 26,981539 gostota pri 293 K: 2,702 g/cm3

tališče : 660,37 oC http://aluminium.matter.org.uk

Ta skupina aluminijevih zlitin spada pod čisti aluminij z od 99,00% do 99,99% čistoče. Zlitine v tej seriji imajo nizko mehanično žilavost, visoko obdelovalnost, najboljšo korozijsko odpornost med vsemi ostalimi skupinami zlitin in visoko električno prevodnost. Zlitino lahko utrdimo z hladnim preoblikovanjem. Ekstrudiramo jo v različne profile, palice ali cevi.

Aluminij serije 1xxx uporabljamo za električne žice, laboratorijsko in medicinsko opremo, alu-folije, dekorativne elemente…

V primerjavi z ostalimi zlitinami se odraža:

• V zelo nizki trdnosti. Ker je prisotnih zelo malo ostalih (legirnih) elementov (%>1), nam dovoljuje lahko plastično deformiranje. To nas vodi k visoki oblikovnosti in obdelovalnosti.

• Visoka korozijska odpornost, ker je v zlitinah 1xxx prisotnih zelo malo kovinskih elementov občutljivih na korozijo.

• Ima visok sijaj in lep, dekorativen izgled.

• Zelo visoka električna in toplotna prevodnost.

Kombinacija teh lastnosti je uporabna v živilski industriji npr, alu-folija za pakiranje, za elektronske naprave (visoka prevodnost električnih kablov, grelni elementi, visok sijaj za parabole žarometov in reflektorjev, laserska ogledala), dekorativni elementi (pohištvo). Glavni nečistoči sta Fe in Si (v manj kot 1%). Ti elementi povečajo trdoto v primerjavi s čistim aluminijem. Železo v aluminiju povzroča rahlo večjo trdoto in pomanjša velikost zrn.

Kemična sestava nekaj aluminijevih zlitin serije 1xxx

Oznaka Si,% Fe,% Cu,% Mn,% Mg,% Zn,% Ti,% Ostali el.,% Al, % min

119

1050 0.25 0.4 0.05 0.05 0.05 0.05 0.03 0.03 99.50

1060 0.25 0.35 0.05 0.03 0.03 0.05 0.03 0.03 99.60

1100 0.95 Si + Fe 0.05-0.2 0.05 - 0.1 - 0.15 99.00

1145 0.55 Si + Fe 0.05 0.05 0.05 0.05 0.03 0.03 99.45

1200 1.00 Si + Fe 0.05 0.05 - 0.1 0.05 0.15 99.00

1230 0.70 Si + Fe 0.1 0.05 0.05 0.1 0.03 0.03 99.30

1350 0.10 0.40 0.05 0.01 - 0.05 - 0.11 99.50 Največkrat uporabljene zlitine serije 1xxx imajo oznake: 1060, 1100, 1350.

120

Aluminijeva zlitina 1060

LASTNOST Value in metric unit

Gostota 2.705*10³ kg/m³

Modul elastičnosti 69 GPa

Termični raztezek (20 ºC) 23.6*10-6 ºCˉ¹

Specifična toplota 900 J/(kg*K)

Toplotna prevodnost 231 W/(m*K)

El. upornost 2.81*10-8 Ohm*m

Natezna trdnost (kaljen) 69 MPa

Dopustna trdnost (kaljen) 28 MPa

Razteztek (kaljen) 43 %

Strižna trdnost (kaljen) 48 MPa

Odpornostna žilavost (kaljen) 21 MPa

Trdota (kaljen) 19 HB

Temperatura kaljenja 343 ºC

Aluminijeva zlitina 1100 Kemijska sestava: Si + Fe =0.95% , Cu=0.12%, Al=99.0% min

LASTNOST Value in metric unit

121

Aluminijeva zlitina 1350 Kemična sestava: Si=0.1%, Fe =0.40% , Al=99.5% min

http://www.substech.com

Gostota 2.71 *10³ kg/m³

Modul elastičnosti 69 GPa

Termični raztezek (20 ºC) 23.6*10-6 ºCˉ¹

Specifična toplota 904 J/(kg*K)

Toplotna prevodnost 222 W/(m*K)

El. upornost 2.99*10-8 Ohm*m

Natezna trdnost (kaljen) 90 MPa

Dopustna trdnost (kaljen) 34 MPa

Razteztek (kaljen) 35 %

Strižna trdnost (kaljen) 62 MPa

Odpornostna žilavost (kaljen) 34 MPa

Trdota (kaljen) 23 HB

Temperatura kaljenja 343 ºC

6

LASTNOST Value in metric unit

Gostota 2.705 *10³ kg/m³

Modul elastičnosti 69 GPa

Termični raztezek (20 ºC) 23.8*10-6 ºCˉ¹

Specifična toplota 900 J/(kg*K)

Toplotna prevodnost 234 W/(m*K)

El. upornost 2.83*10-8 Ohm*m

Natezna trdnost (kaljen) 83 MPa

Dopustna trdnost (kaljen) 28 MPa

Razteztek (kaljen) 23 %

Strižna trdnost (kaljen) 55 MPa

Odpornostna žilavost (kaljen) MPa

Trdota (kaljen) 23 HB

Temperatura kaljenja 343 ºC

122

Klasifikacije aluminijevih zlitin

Prva cifra prikazuje skupino zlitin glede na glavni dodatni (legirni) element:

1xx.x Aluminij 99.0% minimum;

2xx.x Baker (4%...4.6%);

3xx.x Silicon (5%...17%) z dodanim bakrom in/ali magnezijem;

4xx.x Silicon (5%...12%);

5xx.x Magnezij (4%...10%);

7xx.x Cink (6.2%...7.5%);

8xx.x Kositer;

9xx.x Ostalo.

Drugi dve cifri prikazujeta identifikacijo zlitine in njeno čistost;

Pri zlitinah serije 1xx.x drugi dve cifri prikazujeta stopnjo čistosti zlitine – (v procentih): 150.0 pomeni minimum 99.50% aluminija v zlitini, 120.1 pomeni minimum 99.20% aluminija v zlitini.

V vseh ostalih skupinah aluminijevih zlitin (2xx.x do 9xx.x) drugi dve cifri ponazarjata druge zlitine v skupini.

Zadnja cifra prikazuje obliko obdelovanja: odlitek (označen z “0”) ali ingot (označen z “1” or “2” odvisno od kemičnih sestavin).

Modifikacija originalne zlitine ali meja nečistoč je prikazana z serijsko črko pred ševilsko oznako. Črke so po abecednem redu, vendar brez črk I, Q,O, črka X pa je rezervirana za experimentalne zlitine.

123

K.22. ALUMINIJEVE ZLITINE SERIJE 2XXX 23060172 Zlitine Al-Cu in kompleksne zlitine, ki vsebujejo elemente Cu, Si, Mg, Zn in Ni tvorijo sisteme, ki imajo delno topnost v trdnem stanju in tvorijo z aluminijem ali med sabo vmesne (intermetalne) spojine. To je osnova za izločevalno utrjevanje, ki je podrobneje opisano v podpoglavju o izločevalnem utrjanju. Z dodatki bakra, silicija in magnezija se trdnost in trdota Al bistveno izboljšata. Še boljše mehanske lastnosti pa dosežemo s toplotno obdelavo – utrjevanjem aluminijevih zlitin. Tehnično najpomembnejši zlitinski sistemi, ki se toplotno utrjujejo so: Al Cu Mg, Al Mg Si, Al Zn Mg in Al Zn Mg Cu.

Najbolj tipični primeri teh sistemov so naslednje zlitine:

• AlCu4Mg1 - s trgovskim imenom dural ali duraluminij • AlZn5Mg3Cu - s trgovskim imenom perdural ali konstruktal

Duraluminij je zlitina iz aluminija, bakra, magnezija in mangana. Zlitina je lahka, močna in odporna proti koroziji. Duraluminij je tudi zelo trd, zlitina aluminija in bakra, ki doseže po

toplotni obdelavi trdnost okrog 450 N/mm2. Zaradi prisotnosti bakra pa je slabo obstojen proti

koroziji in morski vodi, zato ga je potrebno zaščititi – barvati ali eloksirati (električno oksidirati površino aluminija, da se obarva in otrdi). Zlitine aluminija z magnezijem imajo lep sijaj in so odporne proti koroziji. Zaradi svoje korozijske obstojnosti, tudi v morski vodi, se ga uporablja v ladjedelništvu in transportnih sredstvih - tudi v letalski industriji. Iz duraluminija izdelujejo tudi cevi. Natezna trdnost je

okoli 250 N/mm2.

Aluminijeve zlitine na bazi AlCu, AlSiCuNi in AlCuMg se dajo toplotno utrjevati (izločevalno utrjevati). Toplotno (izločevalno) utrjevanje aluminijevih zlitin je osnovano na spremenljivi topljivosti določenih elementov (npr. Cu, Si, Mg itd) v aluminiju. Aluminij pri

temperaturi okoli 500oC dobro topi te elemente, medtem ko je njegova sposobnost za

topljenje pri nižjih temperaturah neznatna. Če pri 500oC trdno raztopino hitro ohladimo, se

raztopljeni elementi ne morejo pravočasno izločiti, tako da ostanejo v prenasičeni raztopini. Ko se presežek raztopljenih elementov sčasoma izloči v kristalnih zrnih ali med njimi, postane zlitina trdnejša. Toplotno utrjevanje aluminijevih zlitin dosegamo torej z žarjenjem (4

– 6 ur) pri temperaturi, določeni za vsako zlitino (okoli 500 – 570oC), ter jih ohlajamo v vodi

in dodatnim staranjem. Staranje je lahko pri naravni temperaturi, ki traja več časa ali pri

povišani temperaturi (100 – 200oC) od 8 do 15 ur.

Aluminijeve zlitine serije 2xxx imajo poleg aluminija kot glavni zlitinski element je baker (Cu), pogost pa je tudi magnezij (Mg). Optimalne lastnosti se dosežejo s topilnim žarjenjem. Lastnosti se stabilizirajo z naravnim staranjem (stanje T1). V nekaterih primerih trdnost povečamo z umetnim staranjem, toda hkrati s tem zmanjšamo razteznost. Na natezno trdnost nima posebnega vpliva. Te zlitine nimajo dobre korozijske odpornosti, pod določenimi pogoji nastopa interkristalna korozija.

124

Kemijska sestava nekaterih Al-Cu zlitin serije 2xxx

Oznaka Si, %

Cu,% Mn,% Mg,% Ni,% Ti,% Ostalo,%

2011 0.4 max

5.0-6.0 - - - - Pb=0.4, Bi=0.4

2014 0.5-1.2 3.9-5.0 0.4-1.2 0.2-0.8 - 0.15 max

-

2017 0.2-0.8 3.5-4.5 0.4-1.0 0.4-0.8 - 0.15 max

-

2018 0.9 max

3.5-4.5 - 0.4-0.9 1.7-2.3

- -

2024 0. 5 max

3.8-4.9 0.3-0.9 1.2-1.8 - 0.15 max

-

2025 0.5-1.2 3.9-5.0 0.4-1.2 - - 0.15 max

-

2036 0. 5 max

2.2-3.0 0.1-0.4 0.3-0.6 - 0.15 max

-

2117 0. 8 max

2.2-3.0 0.2-0.5 - - - -

2124 0. 2 max

3.8-4.9 0.3-0.9 1.2-1.8 - 0.15 max

-

2218 0. 9 max

3.5-4.5 - 1.2-1.8 1.7-2.3

- -

2219 0. 2 max

5.6-6.8 0.2-0.4 - - 0.02-0.1

V=0.1, Zr=0.18

2319 0. 2 max

5.6-6.8 0.2-0.4 - - 0.1-0.2

V=0.1, Zr=0.18

Vse zlitine serije 2xxx vsebujejo kot že omenjeno glavni legirni element baker. Poleg tega vsebujejo zlitine te serije še silicij a je ta v manjših količinah. Večina jih vsebuje še mangan, magnezij in titan. Kot je prikazano v zgornji tabeli zlitina 2011 vsebuje še bizmut in svinec in je zato med gostejšimi, kot bomo lahko videli kasneje.

Fizikalne lastnosti nekaterih Al-Cu zlitin serije 2xxx

Oznaka Gostota [kg/m³]

Elastični modul [GPa]

Termična prevodnost [W/m*K]

Električna upornost [ohm*m³]

Temperatura taljenja oC

2011 2.83 *10³ 70 151 4.49*10-8 524 2014 2.80 *10³ 72 193 3.49*10-8 502 2017 2.79 *10³ 72 193 3.49*10-8 505 2024 2.78 *10³ 73 193 3.49*10-8 493 2124 2.78 *10³ 73 151 4.49*10-8 493 2219 2.84 *10³ 73 171 3.99*10-8 535

*Pri 25oC

125

Fizikalne lastnosti zlitin so zelo podobne. Razlikujejo se predvsem v termični prevodnosti, kjer se količine gibljejo med 150 in 200 W/m*K. Tak razpon lahko pripišemo količini bakra v zlitini, ki ima to lastnost, da dobro prevaja toploto. Elastični modul je nad 70GPa, kar je ugodno za konstrukcijske elemente. Ker so zlitine tako kemijsko podobne, praktično ni zaznati velike razlike v temperaturi taljenja, ki se giblje med 490 in 540 oC. Utrjevanje zlitin iz te skupine je doseženo zaradi obarjanja Al2Cu faze, ki se pojavljajo med staranjem.

Postopek umetnega staranja

Zlitino segrejemo na povišano temperaturo, da nastanejo metastabilni izločki. Ti so pogosto koherentni (ali vsaj delno koherentni) z osnovo, zato pomembno prispevajo k izločevalnemu utrjanju. Pri nadaljnjem segrevanju se transformirajo v stabilne izločke, ki navadno niso koherentni z osnovo, zato je njihov utrjevalni učinek zanemarljiv. Te spremembe mehčajo material. Končno dosežemo najmehkejše ali žarjeno stanje. Tudi v tem stanju izločke zelo težko opazimo v s svetlobnim mikroskopom, čeprav lahko učinek jedkanja opazimo hitro.

126

Na abscisi imamo dobljeno trdoto po Brinellu po pretečenem času staranja. Na abscisi pa imamo čas v logaritemski skali.

Iz zgornjega grafa je lepo razvidno, da če želimo imeti trši material, ga moramo nujno starati. Staramo ga pri povišani temperaturi, da dobimo želeno trboto prej. Opaziti je mogoče tudi hitro spremembo naklona krivulje zlitin, ki vsebujejo več, kot 3,0% bakra v zlitini. Torej, če želimo večjo trdoto moramo dodati več bakra in obvezno tako dobljeno zlitino umetno starati.

Zlitine te vrste imajo zelo visoko mehansko trdnost in po toplotni obdelavi nizko odpornost proti koroziji. Za povečanje odpornosti proti koroziji delov iz aluminija, so bakrene zlitine, prevlečene s čistimi aluminijastimi zlitinami serije 6xxx ali se jih barva. Aluminum-bakrove zlitine (2xxx serija) se uporablja pri konstrukciji letal in v letalski industriji nasplošnoiz te serije so propelerji, avtomobilska karoserija in deli vijačne opreme.

Viri in literatura:

• Spletne strani: http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=wrought_aluminum-copper_alloys_2xxx [20.12.2009 ob 20.00]

• Literatura: Strojinški priročnik; Krautov strojniški priročnik (Littera picta, 2006) Metalurški priročnik; Tehniška založba Slovenije, 1972

127

K. 23. ALUMINIJEVE LITINE SERIJE 3XXX 23060517

Zahteve naloge : Aluminijeve litine 3xxx: definirajte lastnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti natezna trdnost, napetost tečenja, razteznost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti, možnost kaljenja, možnost varjenja, ali je magnetno, kako ga utrjujemo? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije in uporaba!

Aluminijeve litine serije 3xxx V aluminijevih zlitinah serije 3xxx je glavni legirni element zlitine mangan (max. do 2% ), v manjših količinah dodajamo baker in magnezij. Mangan naredi zlitino duktilno, kar se izraža v dobri preoblikovalnosti in zadovoljivih mehanskih lastnostih. Zlitine serije 3xxx so zlitine srednje trdnosti med aluminijevimi zlitinami, vendar imajo 20% večjo trdnost kot osnovne 1xxx zlitine. Zlitine serije 3xxx niso toplotno obdelovalne, zato pa jih utrjujemo z samim preoblikovanjem v hladnem, naprimer: valjanjem, vlečenjem, raztezanjem, zato jo največkrat dobavimo v ingotih in pločevinasti obliki. Kombinacija dobrih mehanskih lastnosti, odpornost proti koroziji, dobri preoblikovalnosti in varivosti nam daje zlitino, ki jo najpogosteje uporabljamo v prehrambeni industriji (kuhinjska posoda, pločevinke…), ogrevalni tehniki ( radiatorji, izmenjevalci toplote, cevovodi…) in gradbeništvu.

128

Slika 1: pločevinke Slika 2: alu. Cevi Slika 3. Ingoti aluminija

Označevanje Aluminijeve zlitine te serije (3xxx) označimo glede na kemično sestavo npr.

označba ( zlitine) Cu,% Mn,% Mg,% 3003 0.05-0.20 1.0-1.5 -

3004 0.25 max 1.0-1.5 0.8-1.3

3005 0.30 max 1.0-1.5 0.2-0.6

3105 0.30 max 0.3-0.8 0.2-0.8

Vir: http://www.substech.com

V označbah imajo aluminijeve zlitine 4 številke:

a) Prva številka označuje skupino zlitine v kateri prevladuje glavni legirni element, v našem primeru mangan.

b) Druga številka označuje razen osnovne (Al zlitine = 0) majhne razlike v sestavi in mejo nečistoč v zlitini.

c) Zadnji dve številki opredelita aluminijevo zlitino ali navedeta čistost.

129

Mehanske lastnosti (v odvisnosti od kemične sestave)

Aluminijeva litina 3003

Kemijska sestava: Cu=0.12%, Mn=1.25%,

Lastnosti Vrednost Enote

Gostota 2.73 *10³ kg/m³

Modul elastičnosti 69 GPa

Koeficient topl. razteznosti 23.2*10-6 ºKˉ¹

Specifična toplota 893 J/(kg*K)

Toplotna prevodnost 193 W/(m*K)

Električna upornost 3.49*10-8 Ohm*m

Natezna trdnost (Rm) 110 MPa

Napetost tečenja (Rp 0,2) 41 MPa

Razteznost 30 %

Strižna trdnost 76 MPa

Trajna dinamična trdnost 48 MPa

Trdota 28 HB

Vir: http://www.substech.com

Aluminijeva litina 3004 Kemijska sestava: Mn=1.25%, Mg=1.05%

Lastnosti Vrednost Enote

Gostota 2.72 *10³ kg/m³

Modul elastičnosti 69 GPa

Koeficient topl. razteznosti 23.9*10-6 ºKˉ¹

Specifična toplota 893 J/(kg*K)

Toplotna prevodnost 163 W/(m*K)

Električna upornost 4.16*10-8 Ohm*m

Natezna trdnost (Rm) 179 MPa

Napetost tečenja (Rp 0,2) 69 MPa

Razteznost 20 %

Strižna trdnost 110 MPa

Trajna dinamična trdnost 97 MPa

Trdota 45 HB

Vir: http://www.substech.com

130

Aluminijeva litina 3005 Kemijska sestava: Mn=1.25%, Mg=0.4%

Lastnosti Vrednost Enote

Gostota 2.73*10³ kg/m³

Modul elastičnosti 69 GPa

Koeficient topl. razteznosti 23.9*10-6 ºKˉ¹

Specifična toplota 890 J/(kg*K)

Toplotna prevodnost 160 W/(m*K)

Električna upornost 4.0*10-8 Ohm*m

Natezna trdnost (Rm) 130 MPa

Napetost tečenja (Rp 0,2) 55 MPa

Razteznost 25 %

Strižna trdnost 83 MPa

Trajna dinamična trdnost Ni podatka MPa

Trdota 35 HB

Vir: http://www.substech.com

Aluminijeva litina 3105 Kemijska sestava: Mn=0.55%, Mg=0. 50%

Lastnosti Vrednost Enote

Gostota 2.72*10³ kg/m³

Modul elastičnosti 69 GPa

Koeficient topl. razteznosti 23.6*10-6 ºKˉ¹

Specifična toplota 897 J/(kg*K)

Toplotna prevodnost 171 W/(m*K)

Električna upornost 3.82*10-8 Ohm*m

Natezna trdnost (Rm) 117 MPa

Napetost tečenja (Rp 0,2) 55 MPa

Razteznost 20 %

Strižna trdnost 83 MPa

Trajna dinamična trdnost Ni podatka MPa

Trdota 31 HB

Vir: http://www.substech.com

131

Zaključek Najboljše mehanske lastnosti najdemo pri litini 3004 (Mn=1.25%, Mg=1.05%), saj imamo za te razmere velik delež obeh komponent. Opazimo pa da se nekatere lastnosti materiala z več ali manj mangana, bakra ali magnezija znatno spremenijo. Naprimer: (natezna trdnost, strižna trdnost, trajna dinamična trdnost, trdota, toplotna prevodnost). Medtem, ko ostale lastnosti ostanejo več ali manj enake.

Viri http://www.substech.com - (tabele z lastnostmi, označbe zlitin, opis, slika 1)

http://www.dtzi.hr - (aplikacije 3xxx zlitin, uporaba) http://www.voerdal.com - (slika 2, 3)

132

K.24. ALUMINIJEVE ZLITINE SERIJE 4XXX 23070538

Zahtevane naloge: 1. Definirajte lasnosti v odvisnosti od kemične sestave 2. Gostota 3. Trdota 4. Modul elastičnosti 5. Mehanske lasnosti 6. Natezna trdnost 7. Napetost tečenja 8. Razteznost 9. Lamna žilavost 10. Specifična toplota 11. Toplotna prevodnost 12. Koeficient toplotne razteznosti 13. Možnost kaljenja 14. Možnost varjenja 15. Magnetno 16. Kako ga utrjujemo 17. Trgovsek označbe in označbe po standardih 18. Aplikacije, uporaba

1.Aluminijeve litine serije 4xxx niso dobro kovne (težko oblikovalne) zaradi visoke vsebnosti Si (silicija), tudi do 13,5%. Silicijevi delci povzročijo tudi krhkost litine. Večinoma se aluminijeve litine z visoko vsebnostjo Si lije ali brizga (krčenje med hlajenjem je majhno, nizka viskoznost med litje ), kjer potrebujemo zelo toge in slabo preoblikovalne lasnosti (krčenje med hlajenjem je majhno). Litine Al-Si so dobro odporne na korozijo in dobro varljive. Kemična sestava: (razlika do 100% je Al)

Oznaka Si,% Cu,% Mg,% Ni,% Be,%

4032 11.0-13.5

0.5-1.3 0.8-1.3 0.5-1.3 -

4043 4.5-6.0 0.30 max 0.05 max

- 0.0008

4045 9.0-11.0 0.30 max 0.05 max

- -

4047 11 13 0.30 max 0.10 max

- 0.0008

4145 9.3-10.7 3.3-4.7 0.15 max

- 0.0008

4343 6.8-8.2 0.25 max - - -

4643 3.6-4.6 0.10 max 0.1-0.3 - 0.0008

Tabela 1 : kemična sestava aluminijevih litin 4xxx

(razlika pri sestavi je vsebnost aluminija)

133

Standart označevanja aluminijevih litin (IADS) vsaka aluminijeva litina je sestavljena iz štirih številk: 1.številka:označuje skupino litin odvisno od glavnega legirnega elementa 4xxx Silicon (3.6%...13.5%); 2.številka:označuje spremembo litine ali omejitve nečistosti 3.in 4.številka:označujeti aluminijevo litino ali čistost litine 1070 pomeni 99.70% aluminija v litini

2.gostota,trdota,modul elastičnosti, natezna trdnost, napetost tečenja,razteznost,lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost,električna upornost

zlitina 4032

zlitina 4043

zlitina 4045

zlitina 4343

Lasnost velikost velikost velikost velikost

gostota 2.68 *10³ kg/m³

2.69 *10³ kg/m³

2.67 *10³ kg/m³

2.68 *10³

kg/m³

modul elastičnosti 79 GPa

temperaturna razteznost(20°

C) 19.4*10-

6 ºCˉ¹

22.1*10-

6 ºCˉ¹

21.1*10-

6 ºCˉ¹

21.6*10-

6 ºCˉ¹

specifična toplota 850

J/(kg*K) 850

J/(kg*K)

toplotna prevodnost 154

W/(m*K) 163 W/(m*K) 171 W/(m*K)

180 W/(m*K)

električna upornost

4.32*10-

8 Ohm*m

4.16*10-

8 Ohm*m

3.82*10-

8 Ohm*m

4.16*10-

8 Ohm*m

natezna napetost 379 MPa 145 MPa napetost tečenja 317 MPa 70 MPa

raztezek 9 % 22 % strižna trdnost 262 MPa 90 MPa lomna trdnost 110 MPa Hardness (T6) 120 HB

Tabela 2. Mehanske lasnosti Aluminijeve zlitine ki jih lahko toplotno obdelamo in s tem pridobimo na trdnosti, so 2xxx,6xxx in 7xxx. Ne moremo pa toplotno obdelati 1xxx, 3xxx, 4xxx in 5xxx pri teh zlitina pa dosežemo zahtevano trdnost z Mg(magnezij), Si(silicij), Mn(mangan). Aluminijeve litine 4xxx se uporablja predvsem za varilne in spajkalne žice, nekatere litine so uporabljene tudi v arhitekturi zaradi njihove specifične temno sive barve. Literatura: http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=main_page

134

25. ALUMINIJEVE LITINE SERIJE 5xxx 23070524

Aluminijeve zlitine 5xxx serije predstavljajo komercialno najbolj pomembne toplotno ne obdelovalne litine. Njihovo temperaturno delovno območje je omejeno, ker so toge in zato bolj nagnjene za taljenje pri višjih temperaturah. Najbolj se uporabljajo za strojne elemente, kjer je potrebna tako dobra korozijska odpornost kot jo ima sam aluminij, je pa potrebna višja trdnost. Razširjena je uporaba v letalstvu, ladjedelništvu, transportu in oblikovno delovni industriji. Za kovane izdelke je vrednost 5-6% Mg redko presežena saj se zlitine z visoko vsebnostjo Mg težko oblikujejo in so bolj dovzetne za intergranulacijo in napetostno korozijio. Višja trdnost litin prikazuje dober odziv na varjenje s skupno učinkovitostjo od 80 do 90% trdnosti žarjenega dela, kar vodi do njihove uporabe v kemijskih obratih, gradbeništvu in tlačnih posodah. Magnezijev atom je približno za 12% lažji kot aluminijev atom. Teža zlitine se torej zmanjša z vsako % vsebnostjo magnezija, aluminij ima za primerjavo gostoto 9.7 kg/m3. V binarnem diagramu Al-Mg, se topnost aluminija in magnezija približno giblje od 1,5 wt% (utežni procenti) pri sobni temperaturi do 17,4 wt% pri 450°C. Količina topnega magnezija je pri žarjeni temperaturi za zlitine kot sta na primer 5456 in 5083 večja, kot pa pri trdni raztopini pri sobni temperaturi. Dolgočasno hranjenje pri temperaturi okolice ali izpostavljenost pri zvišanih temperaturah lahko privede do zgoščevanja meja zrn in skupnega drsenja ravnin. To zgoščevanje spodbuja intergranulacijo in cepljenje napetosti v korozivnih atmosferah, zaradi vpliva anodne napetosti. Za kovane izdelke se najpogosteje uporablja napetostna slojna obdelava ali popuščanje pri nizkih temperaturah, da stabilizira strukture in prepreči napetostno korozijo in razslojevanje. Tipične mikrostrukture so ponavadi sestavljene iz dveh oblik, dendriktika in evtektika prav tako pa so prisotne mešanice obeh struktur. Najbolj pogoste strukture so. - čisti aluminij, - trdna raztopina dendriktika - dendriktiki + interdendriktični evtektik - evtektik

Slika 1: Diagram Al-Mg

135

Al-5%Mg zlitina Strjevanje pri neformiranih pogojih (območje hlajenje je večje kot 5x10-6 °C h-1) privede do pojava lukenj, ki nastanejo z združevanjem Al-faze (α-trdna raztopina) in β Mg5Al8 faze, pri vsebnosti manj kot 5%Magnezija. Dovolj hitro ohlajanje med strjevanjem lahko spremeni sestave.

Fizikalne lastnosti Al-Mg zlitin za gnetenje Gostota kg/dm3 2,59-2,7 Specifična toplota kcal/kg ºC 0,22 Modul elastičnosti (E) kp/mm2 6500-7500

Koeficient toplotnega raztezanja

pri 20-100 ºC 1/ ºC 20 .106 pri 20-200 ºC 1/ ºC 24 .106

Fizikalne lastnosti Al-Mg zlitin

Naraščanje vsebnosti legirnih elementov (magnezija in mangana) povzroča pri izdelkih v mehkem in toplo valjanem stanju izboljšanje trdnostnih lastnosti, kar je prikazano na slikah 2 in 3.

Oznaka Tališče (ºC) Strdišče (ºC) Toplotna prevodnost pri

20º-100 ºC (cal/cm s3)

Električna prevodnost pri 20ºC

m/Ωmm2 AlMnMg 650 620 0,29-0,33 22 AlMg3 640 610 0,25-0,30 20 AlMg5 620 580 0,25-0,30 17 AlMg7 600 520 0,21-0,25 15

Slika 3: Odvisnost mehanskih lastnosti mehko žarjene Al-Mg pločevine od vsebnosti Mg.

Slika 2: Mehanske lastnosti Al-Mg plošč v odvisnosti od Mg in Mn. Stanje 1/4 trdo (1=0.9% Mn, 2=0,5% Mn, 3=0,1% Mn)

136

Iz diagrama stanja na sliki 5 je razvidno, da s temperaturo narašča topnost Mg v aluminiju. Iz prenasičenega zmesnega kristala se izloča faza β, ki je nekateri avtorji pripisujejo heksagonalno, drugi pa kubično ploskovno centrirano strukturo. Njena sestava je Al3Mg2.

Stranska dodatna elementa mangan in krom, tvorita z železom težko topne intermetalne faze. Silicij je v teh zlitinah navzoč v količinah, ki spremljajo aluminij. Vsebnost bakra naj bo zaradi korozijske odpornosti čim manjša. Pri taljenju je mogoče z dodatkom berilija močno znižati izgube zaradi oksidacije. Dodajamo ga v obliki 5-odstotne predzlitine. Vsebnost berilija od 0,001 do0,005% zadostuje, da pride do pozitivnega vpliva. Poboljša površino valjanih izdelkov in zmanjša pokanje ulitkov, preprečuje tvorbo nitridov na površini materiala, ter zmanjšuje zrno v liti strukturi.

Slika 4: Vpliv različnih elementov na Al Slika 5: Zlitinski sistem Al-Mg

Slika 6: Pojav lukenj, z združevanjem.

137

KEMIJSKA SESTAVA NEKATERIH Al-Mg litin serije 5xxx Oznaka (%) Mn (%) Mg (%) Cr (%) Ti (%) Ostali

elementi (%)

5005 0.2 max 0.5-1.1 0.1 max - - 5050 0.1 max 1.1-1.8 0.1 max - - 5252 0.1 max 2.2-2.8 0.15-0.35 - - 5056 0.05-0.2 4.5-5.6 0.05-0.20 - - 5083 0.4-1.0 4.0-4.9 0.05-0.25 0.15 max - 5086 0.2-0.7 3.5-4.5 0.05-0.25 0.15 max - 5154 0.1 max 3.1-3.9 0.15-0.35 0. 20max - 5183 0.5-1.0 4.3-5.2 0.05-0.25 0.15 max Be=0.0008 5252 0.1 max 2.2-2.8 - V=0.05 - 5254 0.01 max 3.1-3.9 0.15-0.35 0.5 max - 5356 0.05-0.2 4.5-5.5 0.05-0.20 0.06-0.20 max Be=0.0008 5454 0.5-1.0 2.4-3.0 0.05-0.20 0.20 max - 5456 0.5-1.0 4.7-5.5 0.05-0.20 0.20 max - 5457 0.15-0.45 0.8-1.2 - - V=0.05 5554 0.5-1.0 2.4-3.0 0.05-0.20 0.05-0.20 Be=0.0008 5556 0.5-1.0 4.7-5.5 0.05-0.20 0.05-0.20 Be=0.0008 5652 0.01 max 2.2-2.8 0.15-0.35 - - 5654 0.01 max 3.1-3.9 0.15-0.35 0.05-0.15 Be=0.0008 5657 0.03 max 0.6-1.0 - - Ga=0.03

MEHANSKE LASTNOSTI NEKATERIL LITIN

Aluminijeva litina 5005 Kemijska sestava: Mg=0.80%

Lastnosti Vrednost Enote Gostota 2.70 *10³ kg/m³

Modul elastičnosti 69 GPa Koeficient topl. razteznosti 23.9*10-6 ºC¯ ¹

Specifična toplota 900 J/(kg*K) Toplotna prevodnost 200 W/(m*K) Električna upornost 3.32*10-8 Ohm*m

Natezna trdnost (Rm) 124 MPa Napetost tečenja (Rp 0,2) 41 MPa

Razteznost 25 % Strižna trdnost 76 MPa

Trdota 28 HB

138

Aluminijeva litina 5052

Kemijska sestava: Mg=0.70% ,Mg=4.4%, Cr=0.15% Lastnosti Vrednost Enote Gostota 2.68 *10³ kg/m³

Modul elastičnosti 70 GPa Koeficient topl. razteznosti 23.8*10-6 ºC¯ ¹

Specifična toplota 880 J/(kg*K) Toplotna prevodnost 138 W/(m*K) Električna upornost 4.99*10-8 Ohm*m

Natezna trdnost (Rm) 193 MPa Napetost tečenja (Rp 0,2) 90 MPa

Razteznost 25 % Strižna trdnost 124 MPa

Trdota 47 HB

Aluminijeva litina 5083

Kemijska sestava: Mg=0.70% ,Mg=4.4%, Cr=0.15% Lastnosti Vrednost Enote Gostota 2.66 *10³ kg/m³

Modul elastičnosti 71 GPa Koeficient topl. razteznosti 23.9*10-6 ºC¯ ¹

Specifična toplota 900 J/(kg*K) Toplotna prevodnost 117 W/(m*K) Električna upornost 5.98*10-8 Ohm*m

Natezna trdnost (Rm) 290 MPa Napetost tečenja (Rp 0,2) 145 MPa

Razteznost 22 % Strižna trdnost 172 MPa

Trdota 77 HB

Aluminijeva litina 5154

Kemijska sestava: Mg=3.5%, Cr=0.25%

Lastnosti Vrednost Enote Gostota 2.66 *10³ kg/m³

Modul elastičnosti 70 GPa Koeficient topl. razteznosti 23.9*10-6 ºC¯ ¹

Specifična toplota 900 J/(kg*K) Toplotna prevodnost 125 W/(m*K) Električna upornost 5.32*10-8 Ohm*m

Natezna trdnost (Rm) 241 MPa Napetost tečenja (Rp 0,2) 117 MPa

Razteznost 27 % Strižna trdnost 132 MPa

Trdota 58 HB

139

Aluminijeva litina 5252

Kemijska sestava: Mg=3.5%, Cr=0.25% Lastnosti Vrednost Enote Gostota 2.67 *10³ kg/m³

Modul elastičnosti 69 GPa Koeficient topl. razteznosti 23.8*10-6 ºC¯ ¹

Specifična toplota 900 J/(kg*K) Toplotna prevodnost 138 W/(m*K) Električna upornost 4.99*10-8 Ohm*m

Natezna trdnost (Rm) 180 MPa Napetost tečenja (Rp 0,2) 85 MPa

Razteznost 23 % Strižna trdnost 115 MPa

Trdota 46 HB

Aluminijeva litina 5254

Kemijska sestava: Mg=3.5%, Cr=0.25% Lastnosti Vrednost Enote Gostota 2.66 *10³ kg/m³

Modul elastičnosti 70 GPa Koeficient topl. razteznosti 23.9*10-6 ºC¯ ¹

Specifična toplota 900 J/(kg*K) Toplotna prevodnost 125 W/(m*K) Električna upornost 5.32*10-8 Ohm*m

Natezna trdnost (Rm) 241 MPa Napetost tečenja (Rp 0,2) 117 MPa

Razteznost 27 % Strižna trdnost 132 MPa

Trdota 58 HB

Aluminijeva litina 5154

Kemijska sestava: Mg=3.5%, Cr=0.25% Lastnosti Vrednost Enote Gostota 2.66 *10³ kg/m³

Modul elastičnosti 70 GPa Koeficient topl. razteznosti 23.9*10-6 ºC¯ ¹

Specifična toplota 900 J/(kg*K) Toplotna prevodnost 125 W/(m*K) Električna upornost 5.32*10-8 Ohm*m

Natezna trdnost (Rm) 241 MPa Napetost tečenja (Rp 0,2) 117 MPa

Razteznost 27 % Strižna trdnost 132 MPa

Trdota 58 HB

140

Aluminijeva litina 5456

Kemijska sestava: Mn=0.12%, Mg=5.0%, Cr=0.12% Lastnosti Vrednost Enote Gostota 2.66 *10³ kg/m³

Modul elastičnosti 70 GPa Koeficient topl. razteznosti 23.9*10-6 ºC¯ ¹

Specifična toplota 900 J/(kg*K) Toplotna prevodnost 117 W/(m*K) Električna upornost 5.98*10-8 Ohm*m

Natezna trdnost (Rm) 310 MPa Napetost tečenja (Rp 0,2) 159 MPa

Razteznost 24 % Strižna trdnost 190 MPa

Trdota 83 HB

Aluminijeva litina 5652

Kemijska sestava: Mg=2.5%, Cr=0.25% Lastnosti Vrednost Enote Gostota 2.67 *10³ kg/m³

Modul elastičnosti 70 GPa Koeficient topl. razteznosti 23.8*10-6 ºC¯ ¹

Specifična toplota 900 J/(kg*K) Toplotna prevodnost 138 W/(m*K) Električna upornost 4.99*10-8 Ohm*m

Natezna trdnost (Rm) 193 MPa Napetost tečenja (Rp 0,2) 90 MPa

Razteznost 25 % Strižna trdnost 124 MPa

Trdota 47 HB

Aluminijeva litina 5657

Kemijska sestava: Mg=0.80%

Lastnosti Vrednost Enote Gostota 2.69 *10³ kg/m³

Modul elastičnosti 69 GPa Koeficient topl. razteznosti 23.8*10-6 ºC¯ ¹

Specifična toplota 880 J/(kg*K) Toplotna prevodnost 205 W/(m*K) Električna upornost 3.16*10-8 Ohm*m

Natezna trdnost (Rm) 110 MPa Napetost tečenja (Rp 0,2) 40 MPa

Razteznost 25 % Strižna trdnost 75 MPa

Trdota 28 HB

141

ZAKLJUČEK: Ta skupina vključuje magnezij (Mg), kot glavni zlitinski element (do 5,6%). Magnezij se uporablja v litinah za strjevanje trdne raztopine. Magnezij (Mg), krom (Cr), titan (Ti), vanadij (V), berilij (Be) in galij (Ga), se lahko doda zlitinam serije 5xxx kot legirni element. Aluminij-magnezijeve zlitine so toplotno neoblikovalne in se jih lahko okrepi s postopki obdelave pri sobni temperaturi (strjevanje). Trdnost se poveča, ko se poveča vsebnost magnezija. Delovna temperatura 5xxx zlitin je 260-510 ° C. Zlitine te vrste imajo zmerno visoko mehansko trdnost, visoko duktilnost , dobro korozijsko odpornost in se jih lahko vari.. Zlitine, ki vsebujejo več kot 3,5% magnezija, so občutljivejše na korozijo pri visokih temperaturah. Aluminij-magnezijeve zlitine (5xxx serija) se uporabljajo za visoko trdnost folijo, kontejnerje, bencinske rezervoarje, v ladjedelništvu, za fitinge, gradbeništvu, kemijskih obratih, letalstvu.

Slika 7: Profili Slika 8: pločevina

142

LITERATURA:

- Extrusion of Aluminium alloys; Professor; T. Sheppard; založba: Kluwer Academic Publishers, 1999

- Metalurški priročnik; Tehniška založba Slovenije, Ljubljana, 1972 - http://www.substech.com/ Slike, diagrami: Slika 1: Extrusion of Aluminium alloys; Professor, stran 73 Slika 2: Metalurški priročnik, stran 1168 Slika 3: Metalurški priročnik, stran 1169 Slika 4: Metalurški priročnik, stran 1169 Slika 5: Metalurški priročnik, stran 1169 Slika 6: http://www.emeraldinsight.com/fig/0180550604002.png Slika 7: http://www.hydro.com/upload/36701/WT%20-%20455.jpg Slika 8: http://image.marginup.com/u/u130/Aluminium%20sheets.jpg

143

K. 29 ALUMINIJ SERIJE 1XXX 23070319

1.Uvod 1xxx serije zlitine so tehnično čist z najmanj 99% aluminija. To vodi v: * Zelo nizka moč. Ker je manj oborjeno vrst zlitin element tega je manj ovir pred motenj mobilnost, ki omogoča lažje plastične deformacije. To vodi do zelo visoke uporabnost aluminija. * Odlična odpornosti proti koroziji. Ker ni skoraj nobenega železnega legirnega elementa v njem, zaščitni oksid je manj moten in obstaja veliko manj raje, anodno / katodna reakcija lokacij, kjer se lahko pojavila korozija . To omogoča da je Al serie 1xxx zelo dober za eloksiranje, medtem ko je v drugi seriji zlitin prisotnost elementov zlitine in usedlin lahko obremenjuje anodno strukturo filma in celovitost. Opomba: večina serij zlitin se eloksira zadovoljivo, z izjemo nekaj seriji (večjih težav Al 2xxx series). * Visoko odsevnih in okrasnih. Visoke odbojnost je prirojena lastnost aluminija; čistega aluminija v razsutem stanju se lahko povzpne do 92%. Legiranje to vrednost nekoliko zmanjša. * Zelo visoko toplotno in električno prevodnost. Fizična podlaga za ti dve lastnosti, povezane z elektronskim prenosom in ker so elektroni razpršeni po nečistočah, Zaradi kombinacije teh lastnosti so te zlitine, zelo primerna za pakiranje (za gospodinjske folije, hrana zabojniki, itd), elektronske naprave ( električne kable, izolacijsko plast oksida, za kondenzatorje, itd), oprema za ogrevanje (izmenjevalnik toplote, radiatorji, cevi, itd), za razsvetljavo (visoko odbojnost za reflektor , laser ogledala, itd) in dekoracijo (visoke odbojnosti in videz modela za pohištvo oprema, itd), med drugim. Glavni elementi so nečistoče Fe in Si (za manj kot 1%). Ti elementi povečujejo trdnost zlitine v primerjavi s čisto aluminija. Glavni legirni elementi so Fe in Si (za manj kot 1%). Železo povzroči rahlo povečanje moči in boljše lastnosti lezenja pri zmerno povišanih temperaturah, na primer za električnih vodnikov. Železo prav tako zmanjša velikost zrn. Nickel do 2% povečanje trdnosti zlitin visoke čistosti. Majhne količine bakra v trdni raztopini, so učinkovite pri večanju H1X in O-prednosti temper donosa 1xxx zlitin, vendar pa lahko spodbujajo korozijo. Aluminijeve zlitine serije 1xxx je na voljo najmanj 99,0%, za aluminijaste zlitine 1100 in visok kot 99,6%, najmanj 1060 za aluminijaste zlitine. Ta zlitina skupina ponuja najboljšo odpornost proti koroziji vseh zlitin te skupine in prikazuje odlično oblikovanja, varjenja, spajkanja in zaključna dela. Odlične lastnosti teh zlitin: hladno vlečeno, globoko vlečeni in upogne v različnih sestavah. Te zlitine lahko iztiskamo, kot profile, palice in cevi

144

Aluminij 1060 je zlitina visoke čistosti, s 99,6% minimalne vsebnosti aluminija. Tipične aplikacije vključujejo kemijo opreme in ravnanje s hrano , kot tudi posode za hrano, zdravila in tekočine. Aluminij 1100 je nekoliko močnejši, delno ima nekaj isteih uporab, kot zlitina 1060, plus steklenice gasilnega aparata in cevi. Ta zlitina vsebuje rahle dodatke za moč: silicij, železo, baker . Aluminij 1350 se uporablja predvsem za električne vodnike,ta aluminij ima največjo električno prevodnost od vseh razredov aluminijastih prevodnikov.

2.Primerjava med AL 1xxx in Al in 5%Mg Kovane zlitine, ki se ne odzivajo na staranjemin ne otrdijo (npr. 1xxx, 3xxx, 5xxx) zato jih moramo vtrdit. To običajno vključuje hladno preoblikovannje pri sobni temperaturi, pri kateri število dislokacij pride hitreje. V tem poglavju bomo primerjali obnašanja natezne trdnosti 99,5% Al s tisto Al-5% Mg. Učinek legiranja na Al pri natezni trdnosti V primerjavi z 99,5% Al, dodatek Mg omogoča zelo da Al zlitina prenese veliko večjo natezno trdnost kot brez njega. Ker sam Al prenese zelo majhno natezno trdnost apak ima zelo velik Razteznostni koeficient.

Slika1:Natezna trdnost

145

EN AW-1050A / ISO: Al 99,5

Sestava: Al 99.5

Vporaba: Embalaža: posode, folije, zložljive cevi, radiator, široka zapirala posod, tiskarske plošče. posoda za izmenjevo toplote, kotli. Kuhinjska posoda. Kemična oprema in oprema za živilsko industrijo. Za izdelavo reflektorjev, zgradb, plovila, cevovodov..

Karakteristike Lastnosti:

Zelo dobra odpornost proti atmosferski koroziji. Zelo dobro uporabnost. Visoka toplotna in električna prevodnost. Privlačni videz, visoko odbojnost. Primerno za dekorativne eloksiranje. Zelo dobro varljivost. Nizka mehanske lastnosti.

Nevarnosti: /

Oblika Produkta:

Pločevina, Folija, Palice, Žica, Cev...

EN AW-1200 / ISO: Al 99,0

Sestava: Al 99.0

Vporaba: Izdelava železa, plošče, identifikacijske tablice. Kuhinjska posoda, embalaža folije, zabojniki, avtomobilski platišča, izmenjevalnik toplote, trakovi, cevi, radiator. Uporaba v zidarstvu, zapirala. Kemična in oprema za živilsko industrijo

Karakteristike Lastnosti:

Zelo dobra odpornost proti atmosferski koroziji in uporabnost. visoka toplotna prevodnost in odbojnost, vendar nižja kot za 1050A. Zelo dobro varljivost. Nekoliko večja moč, kot 1050A.

Nevarnost /

Oblika Produkta:

Sheet, Foil, Bar, Rod, Wire, Tube, Profile section shape

Viri http://aluminium.matter.org.uk/content/html/eng/default.asp?catid=62&pageid=381913285 http://aluminium.matter.org.uk/aluselect/01_applications.asp http://aluminium.matter.org.uk/content/html/eng/default.asp?catid=62&pageid=1000900548 http://aluminium.matter.org.uk/content/html/eng/default.asp?catid=62&pageid=38191328

146

K.30. PREOBLIKOVALNE MAGNEZIJEVE ZLITINE 23070425

1. Zahtevane naloge seminarja ................................................................................................. Preoblikovalne magnezijeve zlitine Mg-Al-Zn, Mg-Mn, Mg-Zn-Zr-Th .............................

2. O magnezijevih zlitinah ....................................................................................................... 3. Magnezijeve zlitine ..............................................................................................................

Zlitine Mg-Al-Zn ...................................................................................................................... Magnezijeve livne zlitine po DIN 1729 ............................................................................... Lastnosti: ..............................................................................................................................

Zlitine Mg-Mn .......................................................................................................................... Lastnosti: ..............................................................................................................................

Zlitine Mg-Zn-Zr-Th ................................................................................................................ Lastnosti: ..............................................................................................................................

4. Toplotna obdelava magnezijevih zlitin ................................................................................ Homogenizaciisko žarjenje ..................................................................................................

5. Zaključek .............................................................................................................................. 6. Literatura ..............................................................................................................................

Preoblikovalne magnezijeve zlitine Mg-Al-Zn, Mg-Mn, Mg-Zn-Zr-Th: Definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, razteznost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Temperatura oblikovanja, temperature taljenja. Možnosti varjenja? Magnetno? Kako ga utrjujemo? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije ter uporaba.

1. O magnezijevih zlitinah Približno 15 % magnezija se porabi za matične zlitine in približno polovica za aluminijeve. Magnezij je lahka kovina s heksagonalno kristalno gosto zloženo mrežo in z velikim premerom atoma 0,32 nm, zato so v njemu topni številni elementi. Elastični modul magnezija je 45 GPa, gostota pa 1,74 g/cm3 oboje je okoli 50 % nižje kot pri aluminiju. Tališče čistega magnezija je pri 650 °C, vrelišče pa 1107 °C. Veliko magnezija se uporabi v zlitinah za livarstvo, ki se lijejo v pesek in v kokile gravitacijsko in tlačno. Magnezij je zelo reaktivna kovina, ki na zraku zagori pri temperaturi nad 850 °C, zato se zlitine talijo pod varovalno žlindro ali pa v nevtralni atmosferi. Temperatura vžiga taline se poviša za okoli 200 °C, če magnezij legiramo z 0,01 % berilija, ki talino prekrije s tanko plastjo Be2O3. Magnezij topi veliko vodika, do 30ml/100g .Je korozijsko odporna kovina le v alkalnih medijih s pH 10,5 in več.

147

Korozijsko odpornost zmanjšujejo vsi legirni elementi, razen aluminija, in pri dodatku nad 10 % aluminija postane korozijska odpornost magnezija podobna tisti pri aluminijevih zlitinah. Zato je treba površino izdelkov iz zlitin, ki so izpostavljene koroziji, zavarovati z anodizacijo ali z galvanskimi prevlekami. Magnezijeve zlitine varimo v zaščitni atmosferi. Pri izdelavi zlitin se talina pregreje na temperaturo 850 °C in jo obdelamo s snovjo, ki v talini sprošča ogljik in omogoči, da v njej nastanejo izločki aluminijevega karbida (Al4C3), ki so učinkovite eksogene kali za kristalizacijo in zlitinam zagotovijo manjša strjevalna zrna. Livnost je zadostna, da je mogoče pri tlačnem litju doseči zelo majhno debelino stene. Obdelovalnost magnezijevih zlitin z odvzemanjem ostružkov je zelo dobra. Na zraku in v raztopinah magnezij ne tvori pasivne plasti ali druge varovalne prevleke. Že pri 0,004% Fe, 0,015% Cu oz. 0,001% Ni se odpornost magnezija proti koroziji skokoma zmanjša (sl. 1), ker so vključki teh kovin katodna mesta. Vsi trije elementi so malo topni v magneziju. Z legiranjem z 0,2% mangana, ki elemente veže v pasivne intermetalne spojine, se zmanjša občutljivost za korozijo. [3]

Slika 1 (Vpliv železa na korozijsko obstojnost magnezija) [2]

Livarske zlitine so legirane z aluminijem, cinkom, manganom, silicijem, bakrom, cirkonijem, torijem in drugimi elementi v različnih količinah in kombinacijah ter dosegajo 0,2-mejo plastičnosti 75 do 200 MPa, trdnost 135 do 285 MPa in raztezek 3 do 10 %. Npr. zlitina s 6 % Zn in 0,7 % Zr dosega 0,2-mejo plastičnosti 175 MPa, trdnost 285 MPa in raztezek 5 %, zlitina z 8 % Al, 1 % Zn in 0,17 % Mn za precizne ulitke trdnost 250 MPa in raztezek 3 %. Zlitine, legirane z redkimi zemljami, dosegajo mejo plastičnosti 200 MPa, trdnost 285 MPa in raztezek 4 %. Redke zemlje tvorijo evtektike pri nizki koncentraciji, zato npr. že 3 %

148

dodatek zagotavlja dobro, livnost magnezijevih zlitin. [3] Magnezijeve zlitine legiramo z aluminijem, cinkom, manganom in včasih s silicijem. V sistemu Al-Mg (sl. 9.3) se topnost aluminija v magneziju veča od 2,3 % do 12,7 % pri 437 °C. Evtektik (trdna raztopina – Mg4Al3) je pri 32 % Al. Zlitine Mg-Al lahko toplotno utrjamo. Dodatki do 10 % Al povečajo mehanske lastnosti zlitine, povečajo obstojnost proti oksidaciji in koroziji, poslabšajo pa se livne sposobnosti, zaradi povečanja intervala strjevanja. [1]

- 4 Slika 2 (Diagram Mg-Zn) [1]

Cink je delno topen v magneziju (sl. 2). Dodatek do 5,5 % Zn poveča obstojnost proti koroziji in mehanska svoistva. Ker se poveča interval kristalizacije, se poslabšajo livna svoistva, poveča se nagnjenje k nastanku razrahljane strukture in razpok.

V sistemu magnezij-aluminij-cink (mangan) nastopajo zrna trdne raztopine aluminija in cinka v magneziju. Po meji zrn (dendritov) trdne raztopine so produkti sekundarne kristalizacije (Mg4Al3).

Mangan tvori z magnezijem zlitino peritektičnega tipa (sl. 3). Dodatki do 1,5 % Mn povečajo mehanska svoistva in obstojnost proti koroziji, poslabšajo pa ulivnost.

149

Slika 3 (Diagram Mg-Mn) [1]

Silicij tvori z magnezijem spojino Mg2Si. Dodatek do 1,2 % Si poveča sicer trdnost in livne lastnosti, obstojnost proti koroziji pa se že pri dodatku 0,3 % Si močno poslabša. Berilij dodajamo v zlitine do 0,01 %, da preprečimo oksidacijo in zgorevanje. Livna koža se obogati z berilijem, nastali berilijev oksid pa ščiti kovino pred nadaljnjo oksidacijo. Baker (do 2 %), železo povečata sicer trdnost, povečata pa korozivnost.

Magnezijeve zlitine uporabljamo v veliki meri v letalstvu ter za druge konstrukcijske elemente, kjer zahtevamo majhno težo. Glede na majhno gostoto (1,74…1,92) imajo nekatere zlitine večjo specifično trdnost kot aluminijeve ali bakrove zlitine. [3]

2. Magnezijeve zlitine

Zlitine Mg-Al-Zn G MgAl6Zn3 je največ uporabljena magnezijeva zlitina. Komercialna oznaka je Elektron AZG. Uporabljamo jo pri letalskih motorjih, za strojne dele, elektrotehniške dele itd., kjer zahtevamo večjo trdnost pri stalno obre-menjenih delih.

Zlitine MgAl8Zn1 in MgAl9Zn2. V to skupino štejemo zlitine z 8 in 9 % Al. Med zlitinami ni ostre meje. Zlitine ulivamo v peščene forme, kokile in pod tlakom. L4mrabl jamo jo za ulitke, ki so dinamično obremenjeni do 200 °C. [1]

150

Slika 4 (fazni diagram Mg-Al) [4]

Magnezijeve livne zlitine po DIN 1729 Tabela 1 [1]

Oznaka Sestava (%) Primesi(%) Litje Obdelava

G MgA16Zn3 Al 5,5 ... 6,5 Si 0,30 pesek neobdelana

Zn 2,5 ... 3,5 Cu 0,20

Mn 0,15...0,3

G MgAl8Zn1 Al 7,5 ... 9,0 Si 0,30 pesek neobdelano

Zn 0,3...1,0 Cu 0,20 tlačno neobdelano

Mn 0,15...0,3 kokile homogenizirano

G MgAl9Zn1 Al 8,3 ... 10,0 Si 0,30 pesek homogenizirano

Zn 0,3...1,0 Cu 0,20 kokile homogenizirano

Mn 0,15...0,3 tlačno utrjeno

G MgAl9Zn2 Al 7,5 ... 9,5 Si 0,50 pesek neobdelano

Zn 0,5 ... 1,0 Cu o,35 kokile neobdelano

Mn 0,15...0,3 tlačno neobdelano

151

Lastnosti: Tabela 2 [1]

Zlitine Mg-Mn Zlitino z 2 % Mn ulivamo v pesek in ima natezno trdnost 9... 11 kp/mm2, raztezek pa okoli 3...6 %. Zlitina je korozijsko obstojna, ter jo uporabljamo za armature, oljne rezervoarje, itd. Normirana je z DIN 1717. Trgovska oznaka je Elektron Am 503. [1] Tabela 3 [2]

Oznaka Sestava (%) Posebnosti Uporaba

M1 Mn 1,5 Varljiva,

korozijsko obstojna Malo do srednje obremenjeni

deli

Lastnosti: Tabela 4 [2]

Zlitine Mg-Zn-Zr-Th Zlitina za ulivanje v pesek ali kokilo. Ima natezno trdnost okoli 185Mpa, raztezek pa okli 4%. Zaznamuje jo dobra ulivnost. Je tudi varljiva. Ima visoko temperaturno obstojnost (okoli 350°C) [2] Tabela 5

Oznaka Natezna trdnost

(kp/mm2) Razteg (%) Trdota(HB) (kp/mm)

G MgAl6Zn3 16 ... 20 3…6 50...65

G MgAl8Zn1 1 6 … 2 2 2…6 50...65

GK MgAI8Zn1 16…22 2…6 50...65

GD MgAl8Zn1 20 ... 24 1…2 60...85

GK MgAl9Zn1 16 ... 22 2…5 55...70

GD MgAl9Zn1 22 ... 25 0,5...1,5 65...85

G MgAl9Zn2 16 ... 22 2…5 50...70

GK MgAl9Zn2 16 ... 22 2…5 50...70

GD MgAl9Zn2 20 ... 25 0,5…2 60...85

Oznaka Natezna trdnost (MPa) Razteznost (%)

M1 200 - 300 3…5

152

Oznaka Sestava (%) Posebnosti

HZ32 Zn 2,2 Zr 0,7 Th 3,2

Varljiva, dobra ulivnost in visoka

temp. obstojnost

Lastnosti: Tabela 6

Toplotna obdelava magnezijevih zlitin Toplotna obdelava magnezija je potrebna, da odstranimo notranje napetosti ali pa, da s homogenizacijskim žarjenjem povečamo mehanske lastnosti.

Homogenizaciisko žarjenje Homogenizacijsko žarjenje uporabljamo predvsem pri zlitinah do 12 % Al ali 8 % Zn, ki tvorijo trdne raztopine in se dajo toplotno utrjati. Sposobnost termične obdelave narašča z deležem topnih komponent. Po DIN je toplotno utrjanje predvideno le za zlitino G MgAI9. Ker je nevarnost, da se v zlitini ob začetku žarjenja, ko še ni ves aluminij v raztopini, natalijo faze z nižjim tališčem, zato uporabljamo stopnjasto žarjenje: 8 ur pri 390 °C + 10 ur pri 400 °C + 6 ur 410 °C in ohladimo na zraku. S termično obdelavo narastejo mehanske lastnosti: natezna trdnost od 27 do 29 kp/mm2 meja plastičnosti od 11,9 do 13,3 kp/mm2 razteg od 10, 0 do 14,7 % S popuščanjem pri 170...300 °C 3...8 ur zmanjšamo preostale notranje napetosti. [1]

Zaključek Magnezijeve zlitine se vedno bolj uporabljajo, zaradi majhne gostote in razmerja trdnosti proti gostoti. Nekaj težav je še na področju korozijske obstojnosti, katero rešujemo z dodajanjem primesi, katere so korozijsko obstojne, vendar to zmanjšuje dobre lastnosti zlitine oziroma zviša ceno le te. Ker je magnezij pri visokih temperaturah zelo reaktivna kovina, se ga zaradi varnostnih razlogov v določenih primerih (avtomobilska industrija), ne sme uporabljati v prevelikem deležu. Dobra lastnost magnezijevih litin je tudi dobra livnost in oblikovnost, kar pripomore k lažji izdelavi in kvaliteti izdelkov.

Literatura [1] Pelham C., Livarstvo, Ljubljana, (1971)

[2] Polmear I., Light Alloys – From Traditional Alloys to Nanocrystals, London, (2006)

[3] Vodopivec F., Kovine in zlitine, Ljubljana

[4] Totten G., Lin Xie, Funatani K., Handbook of mechanical alloy design, New York, (2004)

Oznaka Natezna trdnost (MPa)

Razteznost (%)

HZ32 185 4

153

K. 31. LITE MAGNEZIJEVE ZLITINE 23070414

Kazalo Zahtevane naloge seminarja ......................................................................................................... Kratek prelet zgodovine in uporaba ............................................................................................. Splošno .........................................................................................................................................

Prednosti magnezijevih zlitin ................................................................................................... Slabosti magnezijevih zlitin ..................................................................................................... Taljenje in litje ......................................................................................................................... Toplotna obdelava ....................................................................................................................

Mg-AL-Zn .................................................................................................................................... Mg-Al-Mn .................................................................................................................................... Mg-Al-Zr ...................................................................................................................................... Zaključek ...................................................................................................................................... Viri ...............................................................................................................................................

Zahtevane naloge Mg-Al-Mn, Mg-Al-Zn, Mg-Zn-Zr: Definirajte lastnosti v odvisnosti od kemične sestave, gostota, trdota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, natezna trdnost, napetost tečenja, razteznost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti. Temperatura litja, temperature taljenja. Možnosti varjenja? Magnetno? Kako ga utrjujemo? Trgovske označbe in označbe po standardih. Aplikacije ter uporaba.

Kratek prelet zgodovine in uporaba Majhna gostota (1,8) omogoča uporabo magnezija v letalstvu. Leta 1909 so izdelali prvo magnezijevo zlitino, leta 1923 so šele začeli uporabljati magnezij tehnično. Proizvodnja magnezija se je močno povečala med in po drugi svetovni vojni, ko je dosegla 200 000t leta 1960 (25 000t leta 1938). Magnezijeve zlitine uporabljamo v veliki meri v letalstvu ter za druge konstrukcijske elemente, kjer zahtevamo majhno težo. Glede na majhno gostoto (1,74 … 1,92) imajo nekatere zlitine večjo specifično trdnost kot aluminijeve ali bakrove zlitine.[2] V letih po 2. svetovni vojni, zlasti v 60. in 70. letih, je uporaba tlačno litih magnezijevih delov v motornih vozilih dosegla višek z vgradnjo ohišja motorja in menjalnika v znamenitega VW hrošča. Sredi 70. let je pričela poraba magnezijevih zlitin zaradi hitro naraščajočih cen legur, ki so jih povzročili omejena konkurenčnost proizvodnih virov in problemi zaradi korozije, znatno upadati. Vendar pa je v osemdesetih letih prišlo do nekaterih ključnih odkritij na tem področju in podlaga za široko proizvodnjo magnezija in njegovih zlitin (legiranje) je bila ustvarjena. Razvite so bile zelo čiste in visoko korozijsko obstojne magnezijeve zlitine. Potencial za uporabo magnezija, zlasti za tlačno lite izdelke, je v proizvodnji motornih vozil danes mnogo večji kot kdajkoli prej - področja so sledeča: Magnezijeve zlitine z visoko razteznostjo so uporabne za platišča (zlitina AM60), volanske obroče (Toyota) in okvirje sedežev (Mercedes Benz). Pri Toyoti so konec 80. let razvili vakuumsko podprto tlačno litje za izdelavo volanskih obročev, kjer lahko s strogo kontrolo

154

poroznosti povečajo raztezek in elastičnost magnezijeve zlitine za več kot 16%. S doseganjem visoke elastičnosti brez izgube ostalih mehanskih lastnosti, lahko magnezijeve zlitine uporabimo za celo vrsto avtomobilskih delov s strogimi varnostnimi zahtevami. Prav tako konec 80. let so pri Mercedes Benzu razvili dve novi magnezijevi zlitini AM20 in AM50, ki so ju uporabili za litje sestavnih delov sedeža pri modelu 500 SEL roadster. Zaradi visoke stopnje prožnosti so te zlitine idealne za litje notranjih sestavnih delov, ki nudijo ob trikrat manjši teži (glede na jeklo) visoko varnost potnikom. Tlačno liti izdelki z večjo površino, npr. okvirji za armaturne plošče (razviti konec 80. let pri Audiju za model V8), nudijo poleg manjše mase (do 50%), vibracij in hrupa tudi dobro toplotno prevodnost, možnost vgradnje sistema zračnih blazin, večjo fleksibilnost pri nadaljnjem opremljanju izdelka (izboljšani styling) ter nenazadnje konkurenčne proizvodne stroške. Izdelki iz magnezija v krmilnih drogovih, kakor tudi v ohišjih ključavnic volana, sistemih zračnih blazin in številnih drugih aplikacijah, pomenijo precejšen prihranek na masi, precej pa pripomorejo tudi k varnosti in akustičnosti. Magnezij se v zadnjem času uporablja tudi kot nadomestilo za jeklene izdelke večjih površin, npr. okvirje vrat, pokrove prtljažnika, okvirje sončnih streh, ojačitve hladilnikov... Z novimi postopki litja, ki omogočajo izdelavo tankostenskih odlitkov, ter magnezijevimi zlitinami z izboljšanimi lastnostmi (korozijska obstojnost...) se to področje uporabe hitro širi. Pogonski deli in komponente motorja: na prvem področju je uporaba magnezijevih zlitin stara že več kot 40 let (ohišja menjalnika pri VW hrošču), danes pa gre razvoj naprej tudi na področje avtomatskih menjalnikov. Tlačno uliti izdelki v enem kosu, npr. pogonske konzole (Jeep Cherokee, Chrysler) blažijo vibracije in hrup, ki jih povzroča motor. Kljub veliki konkurenčnosti ostalih materialov s podobnimi lastnostmi (aluminij, umetne mase...) pa se lahke magnezijeve zlitine uporabljajo tudi za izdelavo pokrovov glave motorja in sicer v lakirani ali nelakirani obliki. Uporaba tlačno litih izdelkov iz magnezijevih zlitin se v avtomobilski industriji nezadržno širi. Po ocenah bi naj bilo leta 2000 v sestavnih delih motornih vozil uporabljenih okoli 130.000 ton magnezijevih zlitin. Magnezijeve zlitine so se izkazale kot cenovno ugodne, po drugi strani pa je njihova uporaba omogočila izboljševanje vozil s strani varnosti in zmogljivosti. Tabela prikazuje napoved uporabe magnezija v izdelavi motornih vozil (v 1000 tonah).[1]

Leto 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

ZDA 12.3 17.2 20.0 26.0 36.3 47.5 51.6 59.3 68.2 78.5

Evropa 6.3 6.4 5.4 6.4 7.4 10.6 13.4 16.8 21.0 26.1

Japonska 1.5 1.4 1.8 3.0 5.0 6.8 9.1 12.3 16.6 22.4

Ostali 5.0 4.9 5.0 5.0 5.2 5.4 5.6 6.0 6.6 7.3

SKUPAJ 25.1 29.9 32.2 38.4 53.9 69.8 79.7 94.4 112.4 134.3

Lite magnezijeve zlitine se dan danes masovno uporabljajo tudi v računalništvu. Zelo je razširjeno na področju prenosnih računalnikov saj se magnezijeve zlitine uporabljajo za izdelavo ohišij le teh. Prav tako se iz magnezijevih zlitin izdelujejo ohišja za fotoaparate in tudi mobitele. Z uporabo magnezija pridobijo robustno ohišje, ki pa je kljub temu tudi zelo lahko.

155

Splošno Z razliko od aluuminija in njegovih zlitin, prisotnost oksidiranega filma na površini razstaljenega magnezija ne preprečuje nadalnje korozije. Ravno nasprotno, še pospeši process. Taljenje magnezija je končano pri ali pod 650°C in razmerje oksidacije staljene površine izjemno hitro raste, kar povzroči, da se pri dosegu 850°C površina vname.

Prednosti magnezijevih zlitin • lahko se uporablja za ulivanje tankih sten (1-1,5mm) česar ne moremo doseči z

aluminijem ali plastiko (2-2,5mm)

• magnezij ima latentno(prikrito) toploto fuzije na enoto prostorjnine, ki je 2/3 nižja kot pri aluminiju, kar pomeni da se magnezijeve zlitine hitreje ohlajajo kot pa aluminijeve in njihova obraba je zmanjšana

• možen doseg visoko zapornih pritiskov pri manjših pritiskih zaradi manjše gostote

Slabosti magnezijevih zlitin • korozivna obstojnost

• zmanjšana možnost uporabe postopkov poboljšanja za izboljšanje lastnosti, ker bi se

pri povišanih temperaturah pore v zlitini povečale in povzročile razpoke[3]

Čistega magnezija ne ulivamo, uporabljamo ga kot dezoksidacijsko sredstvo kot modifikator pri litju sive litine. Ulit v pesek ima natezno trdnost 12Kp/mm2, razteg 6%, trdoto 30HB. Z dodatki legirnih elementov mu izboljpamo trdnostne lastnosti, tališče magnezija je pri 650°C vrelišče pa 1107°C. [2]

Taljenje in litje Vložek je sestavljen iz blokov in krožnega materiala, ki mora biti označen in znane sestave, da ne zamenjamo posamezne litine in ne pokvarimo vložka. Posebno je važno, da očistimo vlek peska, ker magnezij lahko reducira SiO2, tako da lahko prekorači silicij predpisano mejo. Ostružke in dele onesnašene z oljem je najbolje, da pretalimo ločeno in ulijemo v bloke. Pri pretaljevanju magnezija moramo odstraniti nastale okside in nitride s pomočjo soli na bazi magnezijevega klorida. Ko je litina razstaljena jo pokrijemo z zaščitnim talilom (5%) ter segrejemo do 720°C oziroma 750°C. Talino večkrat premešamo, da jo čimbolj očistimo. Talila so v prvi vrsti sestavljena iz MgCl2, nadalje iz KCl, CaF2, NaF

156

tabela: Sestava talil za taljenje magnezija [2] Netopne nekovinske primesi odstranimo, če talino pregrejemo do 750°C. Pri teh temperaturah se primesi posedajo na dno lonca. Železa, silicija in bakra v običajnem livarskem obratu skoraj ne moremo odstraniti iz taline. S posebnimi postopki jih odstranimo pri predelovanju v metalurških obratih. Litino lahko nadalje očistimo s prepihovanjem z inertnimi plini ( helij, argon) ali pa z dušikom ali klorom. Magnezijeve zlitine modificiramo s pregretjem ali z dodatki. Po končani rafinaciji pregrejemo litino na 850-900°C ter držimo pri tej temperature 10-20min. S pregretjem dobimo u ulitku drobno zrno ter izboljšamo mehanske lastnosti. Nadalje lahko litino modificiramo z dodatki, ki vsebujejo ogljik (CaCO3, CO2, CaC2) 2MG+CO2 = 2MGO + C Ogljik je kristalna kal, ki sproži kristalizacijo.Po končani rafinaciji in modifikaciji litino ohladimo na livno temperature in ulijemo.[2]

tabela: livne lastnosti magnezijevih zlitin [2]

Toplotna obdelava

Toplotna obdelava magnezija je potrebna, da odstranimo notranje napetosti ali pa da s homogenizacijskim žarjenjem povečamo mehanske lastnosti. Homogenizacijsko žarjenje uporabljamo predvsem pri zlitinah do 12 % Al ali 8 % Zn, ki tvorijo trdne raztopine in se dajo toplotno utrjati. Sposobnost termične obde- lave narašča z deležem topnih komponent. Po DIN je toplotno utrjanje predvideno le za zlitino G MgAl9. Ker je nevarnost, da se v zlitini ob začetku žarjenja, ko še ni ves aluminij v razto-pini, natalijo faze z nižjim tališčem, zato uporabljamo stopnjasto žarjenje: 8 ur pri 390 °C + 10 ur pri 400 °C + 6 ur 410 °C in ohladimo na zraku. S termično obdelavo narastejo mehanske lastnosti: natezna trdnost od 27 do 29 kp/mm2 meja plastičnosti od 11,9 do 13,3 kp/mm2 razteg od 10,0 do 14,7 %

157

S popuščanjem pri 170...300 °C 3...8 ur zmanjšamo preostale notranje napetosti. [2]

Mg-AL-Zn Zgodnje Mg-Al-Zn zlitine so trpele za zelo slabo korozijsko obstojnostjo pri vlažnih ali mokrih pogojih. Z odkritjem leta 1925, da že majhni vnosti mangana (0,2 % na težo zmesi) močno izboljšajo odpornot zmesi na korozijo. Ključni razlog je bil ta, da so s pomočjo mangana iz zmesi izločili alome železa, ki so povzročali korozijo, velika večina se ga izloći že med taljenjem. Zink je približno 3x bolj učinkovit na atomsko percentualni bazi kot aluminij v povečanju dopustne trdnosti zmesi. [3]

Diagram natezne trdnosti v odvisnosti od prisotnosti Zn ali Al [3]

Zlitina G Mg6-AL6-Zn3 je najbolj uporabljena magnezijeva zlitina. Komercialna oznaka je Elektron AZG, uporabljamo jo pri letalskih motorjih, za strojne dele, elektrotehniške dele … kjer zahtevamo večjo trdnost pri stalno obremenjenih delih.[2] Zlitine vlivamo v peščene forme, kokile in pod tlakom. Uporabljamo za ulitke, ki so dinamično obremenjeni do 200°C[2]

diagram Mg-Zn [2]

158

Cink je delno topen v magneziju. Dodatek do 5,5% Zn poveča obstojnost proti koroziji in mehanska svojstva. Ker se poveča interval kristalizacije, se poslabšajo livna svojstva, poveča se nagnenje k nastanku zrahljane strukture in razpok.[2]

tabela magnezijevih livnih zlitin in tabela lastnosti magnezijevih zlitin [2]

159

Mg-Al-Mn Zlitino z 2% mangana vlivamo v pesek in ima natezno trdnost 9-11 kp/mm2 razteg pa 3-6%. Zlitina je korozijsko obstojna ter jo uporabljamo za armature in oljne rezervarje. Normirana je z DIN 1717, trgovska oznaka pa je Elektron Am 503[2] V sistemu Magnezij-aluminij-mangan nastopajo zrna trdne razsopine aluminija in mangana v magneziju. Po meji zrn (dendritov) trdne razstopine so produkti sekundarne kristalizacije (Mg4Al3). Mangan tvori z magnezijem zlitino peritektičnega tipa. Dodatki do 1,5% Mn povečajo mehanska svojstva in obstojnost proti koroziji, poslabšajo pa livnost.[2]

Izrez iz diagrama Mg-Mn [2]

Mg-Al-Zr Cirkonij je predstavljal posebne problem pri prvih poskusih pri mešanju z železom ali magnezijom , da bi pridobili na trdoti. Sčasoma so problem odpravili s posebnimi dodatki h zmesi kot je K2ZcF6 in BaCl2. V poznih letih 1960 je cirkonij predstavljaj glavni element za povečanje trdnosti v zmesi. Zlitina je ponavadi vsebovala od 10-60% cirkonija glede na težo zmesi, odvisno od posrednika. Plinska poroznost ponavadi ni problem pri omejehnih zlitinah saj cirkonij sam po sebi odstranjuje hidrogene kot so ZrH2 in zato u splošnem ni potrebno razplinjanje the zmesi. Vendar pa mora biti znano, da tak postoek izboljša natezno trdnost pri nekaterih Mg-Al-Zr zmesih, predvsem zaraddi izgube cirkonija pri odstranjevanju H2. Maksimalni vnos cirkonija v topljen magnezij je 0,6% . Ta zmes sama po sebi ni dovolj močna za komercialno uporabo zato je nujen vnos ostalih elementov.[3]

160

Fazni diagram Mg-Zr [3]

Zaključek Omenjene magnezijeve zlitine obetajo veliko potenciala na področju razvoja tehnike predvsem zaradi svoje lahke teže. Velik problem pri tem je korozija magnezija, ki pa se uspešno odpravlja z različnimi dodatki v zmesi. Točni podatki o določenih zmesih so težko dostopni saj obstaja le malo literature, ki pa je po večini napisana v tujem jeziku. Na internetu je veliko člankov o Mg-zlitini, ki veljajo za superelastične vendar pa je dostop do člankov omejen.

Viri [1] http://resources.metapress.com/pdf-preview.axd?code=b48667003048x177&size=smaller [2] Ciril Pelhan – Livarstvo, Univerza v Ljubljani,Ljubljana 1971 [3] Ian J. Polmear – Light Alloys from Traditional Alloys to Nanocrystals – Fourth edition, Elsevier, United Kingdom 2006 [4] http://aluminium.matter.org.uk/content/html/ENG/default.asp?catid=79&pageid=1831104438

161

K.32. MEDENINA (MEDI) 23060391

Medenina (MEDI)

Okrasni predmet iz medi za obtežitev listov (levo), poleg sta vzorca cinka in bakra. Desno sta pa izdelka iz medenine kot kljuka in saksofon.

Méd (pogovorno mesing) - Medi so zlitine bakra in cinka. V medeh je običajno nad 65 % bakra. Včasih se kot sopomenka za med uporablja tudi izraz medenina, vendar se slednji izraz pogosteje rabi za predmete, izdelane iz medi. Zlitine, ki vsebujejo manj kakor 54% Cu so neuporabne, ker se pri manjši vsebini bakra izločajo posebni kristali, ki povzročajo v litini močno krhkost.

V območju 54 – 92% Cu so različne vrste medi, ki jih uporabljamo za litje in gnetenje.

Za litje uporabljamo litine, ki vsebujejo 57 – 64% Cu, le te v izrednih primerih v elektrotehniki 90% Cu. Zelo dobra lastnost medi je v njeni sposobnoasti za litje in je zaradi tega njeno uporabno območje zelo obširno. Medi srečamo skoraj v vseh vejah industrije, posebno so upoštevane v industriji merilnih naprav, armatur, parnih turbin, kemični industriji...

Specialne medi izhajajo prav tako iz osnovne skupine Cu-Zn zlitin, vendar jih dodajamo še Ni, Mn, Fe, Al, Si in Sn, (1% Fe, 1% Mn in 1% Pb). Trdnostne in kemične lastnosti take medi so odlične (ima veliko trdnost in izredno odpornost proti morski vodi).

Lastosti medi so močno odvisne od deleža obeh kovin v zlitini. Večji je delež cinka, nižje je tališče (okoli 900-1045 °C ), manjša se električna prevodnost, zmanjšuje se zmožnost preoblikovanja,...

162

Lastnosti

• Tališče: z naraščanjem vsebnosti cinka pada - 925-900 °C • Gostota: okoli 8,4 g/cm³ CuZn37 • električna prevodnost: okoli 15 MS/m,

z naraščajočo vsebnostjo cinka se prevodnost močno zniža (pri 10 % Zn za 60 %, pri 40 % Zn pa za 75 %)

• Prožnostni modul: 78.000 do 123.000 N/mm² • Natezna trdnost: 310 do 460 N/mm² • Meja tečenja: 120 do 420 N/mm² • hitrost zvoka : 3530 m/s (pri 18 °C) • se ne da namagnetiti • spezifična toplotna kapaciteta : odvisna od zlitine okoli 377 J/(kg·K) • Agregatno stanje: trdno

Medenina pa je zlitina bakra in cinka. V tehničnem smislu so pomembne zlitine, kjer je bakra več kot 50%. V obsegu od 50% - 100% dobimo dve vrsti mešanih kristalov: alfa in beta kristale. Koncentracija bakra v medenini: 50% - 54% beta kristali 54% - 65% alfa in beta kristali 65% - 100% alfa kristali Ms68 68% Cu; alfa kristali

Glede na vsebnost legirnih elementov se barva spreminja zlatooranžne, rdeče do zlatorumene in je na zunaj zelo podobna zlatu.

Medi so nekoliko trše od čistega bakra, vendar ne tako trde kot Broni. Talina se ne navzame toliko plinov kot čisti baker in se zato lepo lije brez plinske poroznosti.

Medi se ne dajo toplotno utrjevati zato potrebno trdnost dosežemo z mehanskim preoblikovanjem v hladnem in ustrezno zlitino.

Pri varjenu uporabljamo E Cu elektrodni material.

Medi uporabljamo za grla žarnic, vijake, kovice, tulce za naboje, vodovodne pipe in ventile, za izdelavo okrasnih predmetov...

Za medi z več kot 80% Cu lahko uporabimo tudi izraz tombak. Medi imenujemo tako, da najprej navedemo baker z odstotkom zastopanosti.

163

Nekaj fotografij izdelkov iz medenine:

razmer ah, če pra

v zel eno-sivkaste prevleke ne mor emo preprečit

VIRI:

- Bojan Kraut: Krautov strojniški priročnik, Littera picta 2002 - Polde Leskovar: Gradiva 1. Del (Pridobivanje kovin, nauk o kovinah, tehnične zlitine

in toplotna obdelava zlitin, gnetenje), Ljubljana 1986 - Hinko Muren: Strojnotehnološki priročnik, Tehniška založba Slovenije 1990 - Internet: http://sl.wikipedia.org/wiki/Med_%28kemija%29