Cikkek

Késacélok ötvözőiről röviden

Angelero2016. február 3.

Kedves Olvasó!
Előre jelzem, hogy minden egyes írásomkor nehezemre esik meghúzni a határt a szakmaiság és közérthetőség között. Hol az egyik, hol a másik oldalra lendülök túl. Az acélokról, összetevőiről nagyon sokat lehetne beszélni, kezdve a kristályrácstól, gyártási technológián, a vas-vaskarbon állapotábrán át, az ötvözők eutektoidos, eutektikumos mennyiségén keresztül szinte a végtelenségig. Ha a metallográfia tudósa vagy nézd el nekem, most inkább a késkedvelő, de acélokban kevésbé jártas emberekhez szól írásom:
Célom most csak az, hogy ha egy laikus érdeklődő ránéz egy acél összetevőire, nagyjából tudja, hogy mit várhat el. Zárójelbe tettem amit már nem akartam kitörölni, de nem kapcsolódik szorosan a lényeg megértéséhez…

Kezdésnek néhány alapfogalmat tisztázzunk:

Acél melynek széntartalma maximum 2,06%, e fölött öntöttvasról (nyersvasról) beszélünk.
(Legfontosabb szövetszerkezetek, anélkül, hogy kitérnék mélyebben rájuk: Ferrit, Bénit, Martenzit, Ausztenit, Perlit (eutektoidos szövetelem), Ledeburit (eutektikumos szövetelem) és a cementit mint Fe-C vegyület. )

Ötvözetlen vagy szénacélnak hívunk minden olyan acélt, ami a szénen kívül csak szennyezői mennyiségben tartalmaznak egyéb összetevőket.

Gyengén ötvözött acélnak hívunk minden olyan acélt, ami a szénen kívül egyéb ötvözőket is tartalmaz. Az összes ötvöző mennyisége nem éri el az 5%-ot.

Erősen ötvözöttnek hívjuk, ha az ötvözők mennyisége eléri az 5%-ot. (Ebből következik, hogy „mezei” rozsdamentes acél is erősen ötvözött, mivel krómtartalma 13% fölötti.)
Késnek csak edzhető acélok (edzett szövetszerkezete a martenzit) alkalmasak, mely a széntartalomtól függ, ami 0,25% fölött kell hogy legyen.

Ötvözők:

(Ne arra tessék gondolni, hogy önmagukban milyen tulajdonsággal rendelkeznek, nem az a fontos, hanem, hogy az acélra milyen hatása van. Különböző csoportosítási szempontok alapján is össze lehet szedni. De külön leírom a leggyakrabban használt ötvözőket és azok hatásait is.

Az ötvözők hatásait ezen szempontok szerint célszerű vizsgálni:

Az átalakulási hőmérsékletekre kifejtett hatás alapján:
Ferritképzők: Cr, Si, Mo, V, Ti, Nb, W stb
Ausztenitképzők: Ni, Mn, N, C, Cu.

Kritikus lehűlési sebességre kifejtett hatás alapján:
Szinte az összes (Kobalt kivételével) ötvöző növeli a krit. hűlési időt. Ennek jelentősége, hogy a martenzites szövetszerkezet elérése érdekében lassabb hűtés is elegendő. Ami azt jelenti, hogy kisebb a repedésveszély hűtéskor illetve nagyobb átmérő is átedzhető biztonsággal, ezzel elkerülve a proeutektoidos ferritet ami mechanikai tulajdonság romlásához vezetne.

Karbidképzés szempontjából:
Ezt nem nagyon szorul magyarázatra, az acélmátrix kopásállóságát növeli. Az ötvözőkben a szénhez való affinitásában (sorrend: Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Zr, Ti) és karbidjuk keménységében van különbség. A karbidoknak a keménységen kívül, szemcsefinomító és melegszilárdságnövelő hatása is van.

Oldódás szempontjából:
Nem fejtem ki mélyebben. Kisebb atomátmérőjű ötvözők: C, N, O, B intersztíciósan, az összes többi szubsztitúciósan oldódik a vasban. Van amelyik szilárd oldatot képez, van amelyik ferritben van ami ausztenitben oldódik, van ami karbidokat képez, van ami nitrideket, van olyan ami meg fémes vegyületet a vassal és olyan is aminek oxidrétege védőréteget ad az acél felületén.

Mechanikai tulajdonságokra kifejtett hatás alapján:
Mivel a legtöbb ötvöző torzítja a rácsszerkezetet, ezáltal csökkenti a képlékenységet és ütőmunkát, de növeli a szilárdságot. De csökkenthetik az átmeneti hőmérsékletet, kiváltképp a Nikkel mint ötvöző.

Hőkezelési tulajdonságokat hogyan befolyásolják.
A legtöbb ötvöző csökkenti a krit. hűlési sebességet, növeli az átedzhető átmérőt, növelik a megeresztésállóságot. De egyes ötvözők, kiváltképp a Mo, csökkenti a megeresztési ridegség jelenségét.

Szennyezők:

Oxigén (O): csökkenti szilárdságot, nyúlást, növeli a melegrepedési hajlamot. Acélgyártáskor ezért ezekkel az ötvözőkkel: Mn, Si, Al dezoxidálják az acélt.

Nitrogén (N): növeli szilárdságot, csökkenti szívósságot, „öregedési” jelenségért felelős. Nitridáláskor ötvöző, de akkor már vegyület formájában épül be. Az újabb, porkohászati acélokban egyéb ötvözőkkel szintén vegyületként építik be a porkohászati technológia segítségével.

Hidrogén (H): folyékony acélban jól oldódik, elridegít, hidegrepedési hajlamot növeli, ú.n. pelyhesedésért felelős. Nagyon káros.

Kén (S): képlékenységet és korrózióállóságot csökkenti, az acél vöröstörékenységét és melegtörékenységét okozza. Már 0,03% fölött jelentkezik a vöröstörékenység melegalakításkor, ugyanis a kén vassal képzett vasszulfid alacsonyabb olvadáspontú (988°C) és szemcsehatárokon válik ki így ezen hőmérséklet feletti alakításkor széttöredezik. Az acélban jelenlévő mangánnak nagyobb az affinitása a kénhez, és az vele képzett mangán-szulfid zárvány képlékenyen alakítható, így csökkentbe a kén káros hatását…

Foszfor (P): Ferritképző elem, a vasban szubsztitúciósan oldódik. Foszfortartalom növelésével csökken az acél képlékenysége, szívóssága. 1028°C feletti melegalakítás esetén, a kénhez hasonlóan, vöröstörékenységet okoz a kialakuló Fe-P vegyületnek köszönhetően. A foszfor ridegítő hatású és durva szövetszerkezetet hoz létre már 0,07% felett. Ma már a szívósságcsökkentő hatása miatt szennyezőként tartják számom.A repeszgránátok acéljának „hasznos” ötvözője Megengedett mennyisége 0,01-0,03%.

Réz (Cu): növeli szilárdságot és korrózióállóságot, vöröstörékenységi hajlamot növeli. Szennyezőként megengedett mennyisége általában: ~0,2%. )

Szén (C): Talán a legfontosabb ötvöző. Mennyiségének növelésével nő a keménység, szilárdság, az edzhetőség, melynek feltétele 0,25% fölötti széntartalom. (Ez a határ nem éles, de egyezményesen 0,2-0,25 körüli értéket adnak meg. Amennyiben elegendő van jelen az acélban, ausztenítés követő gyors, a kritikus hűlési sebességet meghaladó, hűtés során kialakul a szilárdságért felelős martenzites szövetszerkezet). Viszont nem érdemes a végtelenségig növelni, mivel a szilárdságnövelő hatása ütőmunkacsökkenéssel, szívósság és duktitilás csökkentéssel jár együtt. Itt is érdemes az optimumra törekedni, ez az ötvözetlen és gyengén ötvözött acélokban az eutektoidos (0,8%) pont körül van. Erősebben ötvözött acélok esetében pedig lehet picivel több, mivel a karbidképző ötvözők képződéséhez is szén szükséges. Általában véve 0,6 és 1,7-1,8% széntartalommal rendelkező acélokból készülnek kések.

Szilícium (Si): Szinte minden acél tartalmaz valamennyit. Oxigénaffinitása nagyobb mint a vasnak, ezáltal az egyik legfontosabb dezoxidáló ötvöző. Szilíciummal dezoxidált acélt csillapítottnak nevezünk. 1-3% között szerkezeti acélok ötvözésére alkalmazzák, másik fontos területe a rugóacélokban való ötvözés. E fölött inkább speciális esetekben alkalmazzák (transzformátorlemezek, speciális 15-18%-ot tartalmazó ötvözetek).

Aluminium (Al): Szintén dezoxidáló ötvöző, illetve fontos szerepet tölt be az öregedés jelenségének kiküszöbölésénél azáltal, hogy megköti az atomos nitrogént, nitrideket képezve. Inkább a nitridálható acélok fontos ötvözője, a már említett nitridképző tulajdonsága miatt. 1-3%-ban használják még a hőálló krómacél öntvények hőállóságának fokozása érdekében. Késacélokban elvétve található meg.

Mangán (Mn): Az egyik leggyakrabban használt ötvözőelem. A speciális mangánacélokat leszámítva általában a szerkezeti és szerszámacélokban 1,1-2%-ot ötvöznek be. Csökkenti a kritikus hűlési sebességet, lassabb hűtés is elegendő edzéskor. (A „C” görbét jobbra tolja el. Idomszerek, mérőműszerek esetén 1,5-2%-ot ötvöznek be egy eutektoidos acélba. Így alacsonyabb hőmérsékletről is edzhető, viszont sok maradék ausztenitet képezhet és túlhevítésre nagyon érzékeny).

Karbidképzők: Az ötvözött acélok tulajdonságát nagyon gyakran a karbidok javítják, ezek abban térnek el a martenzites mátrixtól, hogy keménységük nagyobb hőmérsékleten is megmarad. (Ellenben a martenzittel ami magasabb hőmérsékleten szferoiditté alakul). A karbidok stabilitása annál nagyobb minél nagyobb a képződési hőmérsékletük, olvadáspontjuk és keménységük. Egyéb ötvözők is képesek karbidokat képezni (Ni, Co, Cu, Al, Si) de vasalapú ötvözetekben nem fordulnak elő. A képződő karbidok kristályosodásában fontos szerepe van a Fe-Fe3C rendszernek, mellyel gyakran kettős képletű karbidokat képeznek. Tovább bonyolítja a helyzetet, hogy az edzési hőmérséklet növelésével nő a karbidok oldódása az ausztenitben. Az így oldatba vitt karbidok kiválási módját, nagyságát, ezzel együtt az acél tulajdonságait a hevítési és hűtési módszerek nagyban befolyásolják. (Karbidképző ötvözők, általános karbidjaik keménységének növekvő sorrendjében: Vas, Mangán, Króm, Molibdén, Wolfrám, Vanádium, Titán). Karbidok további előnye a szemcsefinomítás, mert hőkezeléskor nehezebben oldódnak, ezáltal gátat szabva a szemcsedurvulás növekedésének.

Wolfram (W): A gyorsacélok egyik fő ötvözője. Nagyon erős karbidképző, kemény karbidjai hőstabilak. Molibdénhez hasonlóan csökkenti ugyan a megeresztési ridegség jelenségét, bár kicsit nagyobb mennyiség kell hozzá beötvözni. (0,6-0,8% szükséges)

Molibdén (Mo): A karbidképző hatása tulajdonképpen megegyezik a wolframéval. Van egy nagy előnye, mégpedig a megeresztési ridegség kiküszöbölése. Ugyanis vannak acélok (főleg a króm-nikkel és mangánnal ötvözött acélok) melyeknek egy bizonyos tartományban való megeresztése során a helyett, hogy növekedne a szívósságuk, az csökken. Ezt már 0,3% Mo szinte teljes egészében kiküszöböli. (Másik módja, ha megeresztés után nem levegőn, hanem gyorsan, akár vízben hűtünk szobahőmérsékletig).

Vanádium (V): Már alacsony mértékben is jelentősen javítja az acélok tulajdonságát. Szintén erős karbidképző, 0,3%-ig az egyik legjobb szemcsefinomító hatású komponens. Erősen dezoxidál és jó nitridképző.

Króm (Cr): A rozsdamentes késacélok egyik legfontosabb ötvözője. Az acél felületén kialakuló króm-oxid passziválja és megvédi az acélt a további korróziótól. A rozsdamentesség viszont sok mindentől függ. (Az inhomogenitás rontja, ezért is van az, hogy a sok karbidot tartalmazó acél kevéssé tűri a rozsdásodást, ami lehet ugyanaz az acél is, csak magas megeresztéssel. Továbbá a króm az acélban lévő szénnel karbidokat képez, ráadásul karbidok többféle fajtáit, így vonja el a szén a krómot az acélból). Ezért általában 12-13% króm ötvözése minimálisan szükséges. (Ezzel az első rezisztencia szint körül van.) Ennél alacsonyabb szinten való ötvözés során kevésbé a rozsdamentesség elérése a cél. Egyik, hogy nagyban csökkenti a kritikus lehűlési sebességet, már 1% körül is nagyban hozzájárul ahhoz, hogy repedésmentesen lehessen bonyolult alkatrészeket is lassabb hűtéssel is biztonságosan edzeni, pl. gördülőcsapágy. Másrészt az acélban lévő szénnel, a vasénál keményebb, karbidokat képez, ezáltal növelve a kopásállóságot.

Nikkel (Ni): Nagyon változatos a hatása lehet (speciális ötvözetekben is széleskörűen használják). Fontos ötvözője a Cr-Ni acéloknak 0,5-5% között, ahol a jobb átedzhetőség és szilárdságnövelés a cél. (Másik területe savállónak is hívott, ausztenites rozsdamentes (tehát lágy) acélok gyártásában van, ahol a króm mellett a másik fontos ötvöző melynek mennyisége biztosítja, hogy szobahőmérsékleten is ausztenites legyen az acél. További alkalmazása az átmeneti hőmérséklet csökkentése szerkezeti acéloknál, ezáltal alacsony hőmérsékleten se válnak rideggé) Késacélokban lévő nikkel hatása a rozsdamentességet közel se biztosítja, de jótékony hatása van a szívósságra gyengén ötvözött acélokban. Illetve, mint a legtöbb ötvözőnek, szemcsefinomító hatása is van.

Kobalt (Co): A vassal korlátlanul oldódik, nem befolyásolja a kritikus hűlési sebességet, de a gyakorlati tapasztalatok szerint a karbidok ideális beágyazó anyaga, ezáltal az éltartósságot növeli. Kevés késacél tartalmazza. (Illetve, bár nem tartozik a késekhez, de hővezetőképesség növelése révén nagyobb teljesítmény érhető el a gyorsacélokban való alkalmazás során.)

Lényegében ezek azok az ötvözők melyek döntően befolyásolják késeink acélját. Nem tértem ki, hisz a mindennapokban kevesen találkozunk Bórral, Nióbiummal és egyéb mikroötvözővel ötvözött acéllal. Melyek inkább specialitásuk miatt érdekes (pl.: a Bórral ötvözött hegeszthető acélok, mely már igen kis százalékban is biztosítja ezen acélok szemcsefinomítását, vagy egyéb acélok krit. hűlési sebességét csökkenti. Bár beötvözni sem egyszerű, azon oknál fogva, hogy ötvözéskor nagyrésze kiég az acélból… de már 0,0005%-nál érezteti hatását, vagy egyéb pl.: nitridálható acélok speciális ötvözőivel melyek nitridáláskor biztosítják a kemény nitrideket…)

Köszönöm a figyelmedet! Remélem hasznosnak érezted elolvasni.