Výroba technických kovových materiálů Černá metalurgie

Technické železo Téměř pro všechna průmyslová odvětví je nedůležitějším kovem železo. Chemicky čisté železo Fe je měkké, snadno tvárné, tepelně i elektricky dobře vodivé a dokonale svařitelné. Taje při 1 539°C. Pro malou pevnost má však velmi omezené praktické využití. Zato velmi rozsáhlé upotřebení v technické praxi má technické železo.

Technické železo je slitina železa s různými kovovými i nekovovými prvky a jejich sloučeninami, jež se do železa dostaly při výrobě a to buď cestou přirozenou, nebo umělou. Kromě železa (Fe) obsahuje: uhlík (C) mangan (Mn) křemík (Si) fosfor (P) síru (S) měď (Cu) nikl (Ni) chróm (Cr) wofram (W) kobalt (Co) molybden (Mo) vanad (V) titan (Ti) aj. Každý uvedený prvek nebo jeho sloučenina má charakteristický vliv na vlastnosti technického železa.

Technické železo Vyrábí se ve vysokých pecích ze železných rud. Podle toho, kolik procent uhlíku obsahuje, dělíme jej na: železo surové (nekujné) s obsahem uhlíku větším než 2 % železo kujné (oceli) s obsahem uhlíku menším než 2 %

železo surové (nekujné) Bílé Šedé Speciální Slévárenské Ocelárenské Slévárenské Ocelárenské Feroslitiny Bílá litina Šedá litina temperovaná nelegovaná legovaná tvárná

železo kujné (oceli) Ocel svářková Ocel plávková Temperovaná litina Elektrolytické železo uhlíková slitinová tvářená ocel na odlitky tvářená ocel na odlitky konstrukční nástrojová konstrukční nástrojová speciální

Surová železa (nekujná) obsah uhlíku více jak 2%, vyrábí se ve vysokých pecích jsou výchozí surovinou pro výrobu dalších druhů technického železa vlivem velkého obsahu uhlíku jsou tvrdá, křehká a při zahřátí na teplotu 1 150 až 1 250 °C se taví, aniž by přišli do tvárného stavu – nedají se tedy tvářet ani za studena ani za tepla uhlík je v nich obsažen ve dvojí podobě: - vlivem velkého obsahu křemíku (2 až 4 %) se při chladnutí vylučuje uhlík mezi krystaly železa ve formě krystalů grafitu (tuhy), železo je na lomu šedé, obsah uhlíku je 3,5 až 4,2 % - Vlivem velkého obsahu manganu (až 6 %), tvoří uhlík v roztaveném železe sloučeninu Fe3C (karbid železa) , který se při chladnutí vylučuje v tzv. primární cementit, který je bílý, obsah uhlíku je až 4,5 %

Surová železa Šedé surové železo Bílé surové železo dobře se obrábí dobře se odlévá, málo se smršťuje je především železem slévárenským Bílé surové železo špatně se obrábí, je tvrdé odlévá se hůře než šedé surové železo je především železem ocelárenským

Surová železa Speciální surové železo obsahuje kromě uhlíku další prvky říkáme jim feroslitiny používají se jako přísady při výrobě slitinových litin a slitinových ocelí

Kujná železa Obsah uhlíku méně než 1,8 % Charakteristická vlastnost – tvárnost (kování, lisování, válcování …) Mají větší pevnost a houževnatost Taví se při teplotě 1 150 až 1 539 °C (čím méně uhlíku tím vyšší teplota tavení) Dělí se na: Ocel svářkovou Ocel plávkovou Temperovanou litinu Elektrolytické železo

Svářková ocel - historická záležitost - pudlovací pece – cca 1 300 °C následně se kovářsky svařovala nemá dobré mechanické vlastnosti – vhodná pro umělecké kovářské a zámečnické výrobky dnes se již tento způsob výroby oceli nevyužívá

Plávková ocel Taví se za tak vysokých teplot (1 600 až 1 800°C), že po celou dobu výrobního procesu zůstává ocel tekutá, strusky a jiné nečistoty plavou na povrchu a lze je snadno odstranit Název plávková se v praxi nezdůrazňuje Podle složení - uhlíková slitinová

Rozdělení ocelí podle zpracování Ingotová ocel Litá ocel kokila ingot Ingoty se dále v kovárnách, lisovnách a válcovnách zpracovávají na polotovary, které se dokončují obráběním. Ingotovou ocel dělíme na konstrukční, nástrojovou a speciální.

Konstrukční ocel: Nástrojová ocel: Speciální oceli: Pro výrobu strojních součástí a stavebních konstrukcí – pevná, houževnatá Nástrojová ocel: K výrobě nástrojů, měřidel a částí přístrojů – vysoká pevnost, tvrdost a odolnost proti opotřebení. Zvláštním druhem nástrojové oceli je slitinová ocel rychlořezná, obsahuje více legujících prvků – výroba řezných nástrojů Speciální oceli: nerezavějící žáruvzdorné na trvalé magnety apod.

Litá ocel: Sléváme do forem kde ztuhne na ocelové odlitky Používáme pro velmi namáhané strojní součásti

Temperovaná litina Získáme zkujněním – temperováním – odlitků z bílého surového železa Temperovací proces probíhá v peci s oduhličující oxidační atmosférou (směs CO, CO2, H2 a vodní pára) při teplotě asi 1050°C. Probíhá grafitizace, tj.rozpad karbidů na grafit a současně oduhličování povrchu odlitku (atmosféra odebírá odlitku C, který oxiduje, aniž by vznikaly okuje.

Elektrolytické železo téměř chemicky čisté železo vyrábí se elektrolýzou ze železnatých solí výrobně drahé je měkké, snadno tvárné, tepelně i elektricky dobře vodivé a dokonale svařitelné. Taje při 1 539°C. pro malou pevnost má však velmi omezené praktické využití, v elektrotechnice k výrobě jader na cívky pro různé přístroje, v práškové metalurgii a pod.

Neželezné kovy a jejich slitiny Rozdělení podle měrné hmotnosti: Kovy těžké – olovo, měď, zinek, zlato, stříbro Kovy lehké – hliník, hořčík, titan Podle výskytu: Kovy obecné – měď, hliník, olovo, zinek, cín Kovy vzácné – wolfram, vanad, kobalt, molybden Kovy drahé – zlato, stříbro, platina, paládium, osmium

Neželezné kovy a jejich slitiny Rozdělení podle teploty tavení: Kovy nesnadno tavitelné – wolfram, molybden Kovy snadno tavitelné – olovo, zinek, cín, kadmium Kovy tekuté - rtuť Podle odolnosti proti korozi: Kovy ušlechtilé – měď, zlato, stříbro, platina Kovy méně ušlechtilé – hořčík, hliník, zinek

Technicky důležité neželezné kovy Měď – Cu velká elektrická a tepelná vodivost – označení mědi Ecu – pro elektrotechniku měrný elektrický odpor: 0,017 Ωmm2/m nečistoty (fosfor) velmi snižují vodivost Na vlhkém vzduchu se pokrývá měděnkou (síran měďnatý) – chrání proti další korozi Použití - vodiče, - ve slitinách – chladiče, výparníky

Technicky důležité neželezné kovy Hliník - Al Nízká měrná hmotnost – 3 x nižší než ocel Dobrá odolnost proti chemickým vlivům Na vzduchu se pokrývá vrstvičkou (0,0001 mm) kysličníku hlinitého – chrání proti další korozi, je nevodivá Tvářením za studena se zvyšuje pevnost Slitiny hliníku – dural - v automobilovém průmyslu, letectví apod.

Technicky důležité neželezné kovy Cín - Sn Na vzduchu velmi stálý, odolává organickým kyselinám Čistý cín při trvalých teplotách pod 13 °C se rozpadá na nevzhledný šedý prášek Při zahřátí nad 160 °C se stává křehkým a snadno se drtí na prach - Hlavní využití – povrchová úprava plechů, výroba měkkých pájek, kompozitní výstelky kluzných ložisek, přísada slitin - bronz

Technicky důležité neželezné kovy Zinek - Zn Za normální teploty je křehký. Ohřátý na 100 až 150 °C se dá kovat, válcovat a táhnout. Při teplotě 200 °C je opět křehký. Má vynikající slévatelnost, ale špatnou obrobitelnost (maže se). Na suchém vzduchu je stálý, ve vlhku se pokrývá vrstvou zásaditého uhličitanu, který brání další korozi. Proti kyselinám a zásadám je velmi málo odolný. Nejdůležitější použití – výroba slitin - mosazí.

Technicky důležité neželezné kovy Wolfram – W anglicky Tungsten - Wolfram je šedý až stříbřitě bílý, mimořádně obtížně tavitelný kov, jeho bod tavení je nejvyšší ze všech kovových prvků. Významná je i jeho vysoká hustota, pouze některé drahé kovy jako např. zlato, platina, iridium a osmium jsou těžší. - chemicky je kovový wolfram velmi stálý – je zcela netečný k působení vody a atmosférických plynů a odolává působení většiny běžných minerálních kyselin. - setkáváme se s ním jako s materiálem pro výrobu žárovkových vláken.

Další technicky důležité prvky Germanium – Ge Měrná hmotnost: 5,323 kg/dm3 Teplota tavení: 938,25 °C Měrný elektrický odpor: 1 Ω·m (20 °C) => polovodič Uplatnění zejména v elektrotechnice

Další technicky důležité prvky Křemík – Si Měrná hmotnost: 2,33 kg/dm3 Teplota tavení: 1 413,85 °C Měrný elektrický odpor: 1 000 nΩ·m (20 °C) => polovodič Uplatnění zejména v elektrotechnice, dále jako přísada do ocelí (transformátorové plechy), při výrobě skla apod.

Další technicky důležité prvky Rtuť – Hg Měrná hmotnost: 13,534 kg/dm3 Teplota tavení: - 38,83 °C Měrný elektrický odpor: 961 nΩ·m (25 °C) Uplatnění v praxi má rtuť ve formě svých slitin s jinými kovy – amalgámy. Ochotně je vytváří s Au, Ag, Cu, Zn, Cd, Na, naopak s železnými kovy jako jsou Fe, Ni a Co nevznikají vůbec. Čistá rtuť – teploměry, tlakoměry apod.

Důležité slitiny neželezných kovů Vznikají spojením různých kovů a nekovů za účelem získání materiálu, který má pro určitý účel co nejvíce dobrých vlastností a co nejméně špatných vlastností. Slitiny mají pro praxi větší význam než kovy čisté.

Slitiny stejnorodé – homogenní – složeny z jednoho druhu krystalů nestejnorodé – heterogenní – složeny z různých druhů krystalů Podle počtu složek: Podvojné – binární – dva kovy nebo kov a nekov Potrojné – ternární – tři složky Počtverné – kvaternární – čtyři složky Komplexní – obsahují více než čtyři složky

Slitiny - Mechanické směsi – každý kov si uchovává svoji krystalickou mřížku. - Chemické sloučeniny – prvky spolu vytváří chemickou sloučeninu, kterou lze vyjádřit vzorcem – Fe3C – cementit. - Tuhé roztoky – jeden prvek je rozpuštěn v druhém – roztok uhlíku v železe – austenit. Vlastnosti slitin se liší od vlastností čistých kovů – tvrdost, tvárnost, slévatelnost, elektrická a tepelná vodivost, barva.

Slitiny mědi Mosaz Slitina mědi a zinku – více jak 50 % mědi Měrná hmotnost cca 9 kg/dm3 v závislosti na obsahu zinku Barva se mění dle obsahu zinku červená - zlatá - oranžová - žlutá Teplota tavení cca 900 °C Elektrická vodivost klesá v závislosti na obsahu zinku Nemagnetická

Slitiny mědi Mosazi tvářené 56 až 62 % mědi – tváříme za tepla cca 700 °C Nad 62 % mědi tváříme za studena tombak – více jak 80 % mědi → tvárná šroubová – automatová – hodinářská → měď 58 % + 1 až 3 % olova

Slitiny mědi Mosazi lité 58 až 68 % mědi – s přídavkem olova, železa a hliníku Příliš se nepoužívá

Slitiny mědi Mosazi speciální 50 až 60 % mědi – s přídavkem olova, železa, hliníku, manganu, cínu, niklu Jsou velmi pevné (až 80 MPa), houževnaté a tvárné za tepla Nejznámější jsou: kondenzátorová mosaz – velmi odolná proti korozi – výroba kondenzátorových trubek Niklová mosaz – 12 až 20 % niklu – má stříbrnou barvu – nazývá se pakfong, alpaka, nové stříbro a pod.

Slitiny mědi Bronz Slitina mědi a cínu – cínový bronz s obsahem do 10 % cínu – bronzy na tváření s obsahem vyšším než 10 % - bronzy lité Použití: - Bronzy elektrovodné – 97 až 98 % mědi s přísadami cínu, kadmia nebo zinku a hořčíku - Bronzy manganové – manganin, rezistin – cca 15 % manganu, 2 % niklu – odporové materiály v elektrotechnice

- Bronzy niklové - Bronzy lité Konstantan - 40 až 45 % niklu – měrný elektrický odpor je v širokém rozsahu teplot přibližně konstantní (0,49 µΩ·m). Nikelin ~ 30 % niklu, 2 až 3 % manganu – má stříbrnou barvu – výroba ozdobných předmětů a levných šperků. V elektrotechnice odporové topné dráty. Kuprodur – (obchodní značka) - vyznačuje se vysokou pevností v tahu i za vysokých teplot. - Bronzy lité Bronzy cínové, hliníkové a bronzy olověné – ložiskové kovy slitina cínu, antimonu (8 – 20 %) a mědi (do 7 %), popřípadě s přísadou Pb, Cd, As, Ni ap. pro vylévání pánví ložisek. (Babbittův kov).

Slitiny hliníku Tvářené: Označení značkami prvků ze kterých jsou složeny: Al95-Cu4,5-Mg0,5 – duraluminium (dural) průmyslově nejpoužívanější slitina hliníku – pevnost ~ 40 MPa, přidáním hořčíku nebo křemíku se může pevnost zvýšit až na 45 MPa (superdural). Al-Mg – odolnost proti korozi, dobře leštitelné Al-Mg-Si – velká houževnatost, dobrá elektrická a tepelná vodivost, odolnost proti korozi – lana pro vedení vysokého napětí Slitiny na odlitky: Al-Si-Mg – až 13 % Si - silumin

Slitiny hořčíku Elektron je obchodní název slitiny nejméně 90 % hořčíku (Mg) a nanejvýše 10 % hliníku (Al), případně ještě s příměsí zinku (Zn) a manganu (Mn). Slitina se vyznačuje vysokou pevností, odolností proti korozi a nízkou hustotou (1,8 kg/dm3). - Přesné lití složitých součástek, je také dobře obrobitelná a rozměrově stálá (optika). Pozor: nevýhodou elektronu je vysoká hořlavost třísek, které vyvíjejí velmi vysokou teplotu (asi 2 200 °C).

Pájky - Slitiny určené k pájení – k trvalému spojení kovových součástí. Nejdůležitější jsou: Měkké - teplota tavení do 450 °C - cínové Tvrdé - teplota tavení nad 450 °C - mosazné stříbrné na hliník – těžké a lehké

Pájky měkké Cínové – slitiny cínu a olova obsahují 33 až 90 % cínu nejlepší 63 % cínu – teplota tavení 183 °C, největší pevnost, dobře zatéká na méně důležité práce používáme pájky s menším obsahem cínu - pájky s větším obsahem olova než 10 % nesmí přijít do styku s potravinami

Pájky tvrdé Mosazné – slitiny mědi a zinku ( 820 až 870 °C) Používají se na spoje větších pevností a tam kde spoj má odolávat větším teplotám. Stříbrné - slitiny mědi, zinku a stříbra Vytvářejí pevné a houževnaté spojení mosazi, niklových slitin a nerezových ocelí.

Pájky na hliník Pájení hliníku je obtížné pro oxydický povrchový film, nejprve je nutno jej narušit – chemicky. Pájky těžké – slitiny zinku, cínu, kadmia a malé přísady hliníku. Teplota tavení: 300 až 400 °C Pájky lehké – slitiny hliníku, křemíku, zinku a hořčíku Teplota tavení: 550 až 600 °C

Prášková metalurgie Výchozí surovinou pro výrobu součástek jsou prášky – kovů, slitin nebo chemických sloučenin (karbidy, nitridy, kysličníky). Výrobky zhotovujeme tak, že prášky slisované vysokým tlakem zahříváme na teploty nižší než jsou teploty tavení. Lze spojovat kovy a nekovy Lze zpracovávat těžko tavitelné kovy Možnost legovat kovy v libovolném poměru smíchání Možnost vyrobit slitiny s přesným složením – zaručit potřebné vlastnosti – magnetičnost, vodivost, tvrdost apod. Možnost vyrobit kovy s potřebnou strukturou – pórovitost – samomazná ložiska

Rozdělení ocelí a jejich značení Podle chemického složení - uhlíková - slitinová Podle výroby a zpracování - oceli k tváření - oceli na odlitky Oceli k tváření dělíme podle použití - oceli konstrukční - oceli nástrojové

Značení ocelí 1 X X X X . X X Schéma číselného označování ocelí: 1 – ocel tvářená 1 X X X X . X X Základní pětimístná číselná značka Doplňková číslice

Značení ocelí 1 X X X X . X X Schéma číselného označování ocelí: 1 – ocel tvářená 1 X X X X . X X Stupeň přetváření Třída oceli Tepelné zpracování Význam se liší dle třídy oceli

Třídy ocelí Jakostní třída 10 až 17 – konstrukční oceli 19 – nástrojové oceli Třída 10 Dvojčíslí dané třetí a čtvrtou číslicí v číselné značce oceli vyjadřuje u konstrukčních ocelí nejmenší pevnost v tahu v 10 MPa s těmito výjimkami: - oceli obchodní jakosti: třetí a čtvrtá číslice je 0 (např. 10 000, 10 004) - betonářské oceli: dvojčíslí udává nejmenší mez kluzu v 10 MPa. Nejlevnější oceli, nemají zaručenou čistotu ani chemické složení. Zaručuje se jen minimální pevnost v tahu. Šrouby, hřebíky, nýty, výztuže do betonu apod.

Třídy ocelí Třída 11 Dvojčíslí dané třetí a čtvrtou číslicí v číselné značce oceli vyjadřuje u konstrukčních ocelí nejmenší pevnost v tahu v 10 MPa s výjimkou automatových ocelí (11 110), kde třetí číslice - 1 - označuje ocel obzvlášť vhodnou k obrábění a čtvrtá číslice charakterizuje střední obsah uhlíku v desetinách procenta, zaokrouhlený na nejbližší celé číslo. Je-li střední obsah uhlíku menší než 0,1 %, používá se číslice 0. Uhlíkové konstrukční oceli se zaručenou čistotou a minimální pevností v tahu dle obsahu uhlíku 280 až 900 MPa. Nejrozšířenější oceli dle použití.

Třídy ocelí Třída 12 až 16 – ušlechtilé konstrukční oceli U ocelí třídy 12 je třetí číslice v číselné značce oceli většinou 0. U ocelí tříd 13 až 16 vyjadřuje třetí číslice součet středních obsahů logovacích prvků v procentech, zaokrouhlený na nejbližší celé číslo. Čtvrtá číslice vyjadřuje střední obsah uhlíku v desetinách procenta se zaokrouhlením setin od 3 na vyšší desetinné číslo. Př.: Průměrný obsah C 0,23 % se zaokrouhlí na 0,3; čtvrtá číslice bude 3.

Třída 17 Třetí číslice v základní číselné značce ocelí třídy 17 vyjadřuje typ legování ocelí jednotlivými logovacími prvky nebo skupinou hlavních legovacích prvků dle tabulky. 17 0 xx Oceli chromové 17 1 xx Oceli chromové s dalšími přísadovými prvky (Al, Mo, Ni) 17 2 xx Oceli chromniklové, popř. stabilizované (Ti, Nb) 17 3 xx a s dalšími přísadovými prvky (Mo, V, W,, aj.) 17 4 xx Oceli manganochromové, manganochromniklové 17 5 xx Oceli niklové 17 6 xx Oceli manganové 17 7 xx Volné 17 8 xx 17 9 xx Čtvrtá číslice v základní číselné značce ocelí třídy 17 vyjadřuje obsah hlavních legovacích prvků Cr, Mn a Ni v jednotlivých druzích ocelí podle typu legování.

Třída 19 – nástrojové oceli Třetí číslice v základní číselné značce ocelí třídy 19 vyjadřuje jednak nelegované oceli, jednak typ legování oceli jednotlivými legovacími prvky nebo skupinou hlavních legovacích prvků dle tabulky. 19 0 X X Dvojčíslí ze 3. a 4. číslice vyjadřuje u nelegovaných ocelí střední obsah uhlíku Nástrojové oceli uhlíkové 19 1 X X 19 2 X X 19 3 X X Oceli manganové, křemíkové, vanadové Nástrojové oceli legované 19 4 X X Oceli chromové 19 5 X X Oceli chrommolybdenové 19 6 X X Oceli niklové 19 7 X X Oceli wolframové 19 8 X X Oceli rychlořezné 19 9 X X Speciální oceli Čtvrtá číslice v základní číselné značce legovaných ocelí třídy 19 má význam pořadový.

Význam doplňkových číslic První doplňková číslice Stav oceli (druh tepelného zpracování) 1xxxx.0 tepelně nezpracovaný 1xxxx.1 normalizačně žíhaný 1xxxx.2 žíhaný (s uvedením způsobu žíhání) 1xxxx.3 žíhaný na měkko 1xxxx.4 kalený nebo kalený a popouštěný při nízkých teplotách, po rozpouštěcím žíhání (jen u austenitických ocelí) 1xxxx.5 normalizačně žíhaný a popouštěný 1xxxx.6 zušlechtěný na dolní pevnost obvyklou u příslušné oceli 1xxxx.7 zušlechtěný na střední pevnost obvyklou u příslušné oceli 1xxxx.8 zušlechtěný na horní pevnost obvyklou u příslušné oceli 1xxxx.9 stavy, které nelze označit číslicemi 0 až 8

1xxxx.x0 dále nepřeválcováno 1xxxx.x1 lehce převálcováno 1xxxx.x2 1/4 tvrdý 1xxxx.x3 1/2 tvrdý 1xxxx.x4 3/4 tvrdý 1xxxx.x5 4/4 tvrdý 1xxxx.x6 5/4 tvrdý 1xxxx.x7 netvoří se při něm čtyřlístky (pásy jsou zpracovány se zřetelem na omezení anizotropie mechanických vlastností materiálů - omezení tvorby cípů); mechanické vlastnosti jako u měkce žíhaného materiálu 1xxxx.x8 zpracováno podle zvláštního předpisu 1xxxx.x9 zpracování podle dohodnutého předpisu