Acél
A Wikipédiából, a szabad lexikonból.
Az acél fémötvözet, fő összetevője vas 0,02 és 1,7 súlyszázalék közötti szénnel ötvözve. A szén a a vas leggazdaságosabb ötvözőanyaga, de sok más ötvöző elem is használatos. A szén és más elemek szilárdító szerepet töltenek be, meggátolva a diszlokációt a vas atomok kristályrácsában, azaz azt, hogy elcsússzanak egymáson. Különböző fajta és mannyiségű ötvözőkkel az acél olyan tulajdonságait lehet megváltoztatni, mint a keménység, rugalmasság, hajlékonyság, szilárdság, hőállóság, savállóság, korróziómentesség. Az acél megnövelt széntartalommal a vasnál keményebb és szilárdabb lesz, de ridegebb is. Az acél legfeljebb 1,7% szenet képes oldani 1130 °C-on, a magasabb széntartalom, vagy alacsonyabb hőmérséklet cementit képződését okozza, ez az anyag szilárdságának csökkenését okozza. Az ennél magasabb széntartalmú vasötvözetet öntöttvasnak nevezik alacsonyabb olvadáspontja miatt.
Jelenleg többfajta acéltermékben a szenet más ötvöző anyagokkal helyettesítik és a szén, ha mégis jelen van nemkívánatos szennyeződésnek számít. Korszerűbb definíció szerint az acél olyan vas-alapú ötvözet, melyet képlékeny alakítással lehet megmunkálni (kovácsolni, hengerelni, stb.).
Tartalomjegyzék |
[szerkesztés] Vas és acél
A vas a fémek többségéhez hasonlóan elemi állapotban nem található meg a Föld kérgében. A földkéregben a vas kizárólag oxigén- és kénvegyületeiben lelhető fel. Gyakori ércei a Fe2O3— a hematit és FeS2— a pirit. A vasoxid puha homokkő - olyan anyag benyomását kelti, ami nem sokra használható. A vasat az ércből az oxigén eltávolításával vonják ki egy másik, hasznosabb anyag, mint a szén segítségével:
Ezt a folyamatot, az olvasztást és redukciót először alacsonyabb olvadáspontú fémeknél használták. A réz olvadáspontja kicsivel 1000 °C feletti, az óné 250 °C körüli. Az acél 1370 °C-on olvad. Ezeket a hőmérsékleteket már az ókori technológiai módszerekkel el lehetett érni, legalább 6000 éve használják (a bronzkorszaktól kezdve). Mivel 800 °C felett az oxidáció erősen megindul, fontos, hogy az olvasztás oxigénszegény környezetben folyjon le. A rézzel és ónnal szemben a folyékony vas igen jól oldja a szenet, ezért a folyamat eredményeképpen kapott ötvözet nem nevezhető még acélnak.
* - széntartalom (súly %)
** - hőmérséklet (ºC)
A - perlit eutektikum
B - ledeburit eutektikum
a - α + perlit
b - Fe3C + ledeburit + perlit
c - Fe3C + ledeburit
d - cementit (Fe3C) + grafit
e - ferrit α
f - α + γ
g - ausztenit γ
h - γ + Fe3C + ledeburit
i - Fe3C + ledeburit
j - γ + folyékony
k - folyékony
l - folyékony + Fe3C
m - δ + γ
n - δ
o - γ + ciecz
Még abban a keskeny széntartalom-sávban is, ahol acélról beszélünk a szén és vas keveréke egy sor különböző szerkezetet, vagy allotróp módosulást alkot igen különböző sajátságokkal, ezeknek megértése teszi lehetővé a jóminőségű acél gyártását. Szobahőmérsékleten a vas legstabilabb alakja a tércentrált köbrács felépítésű ferrit vagy α-vas, egy meglehetősen puha fémes anyag, mely csak kismennyiségű szenet tud oldani (910 °C-on kevesebbet, mint 0,021 súly%). 910 °C felett a tércentrált köbrács ferrit fázis lapcentrált köbös ausztenit fázisba, vagy γ-vasba vált, mely hasonlóképpen puha és fémes, de lényegesen több szenet képes oldani (1154 °C-on 2,03 súly%-ot).
[szerkesztés] Hőkezelés
Amint a szénben dús asztenit lehűl, a keverék hajlamos arra, hogy visszatérjen a ferrit fázisba, ami azt eredményezi, hogy szénfelesleg alakul ki. Az egyik módja annak, hogy a szén cementit fornmájában kilépjen az ausztenitből az, hogy kicsapódik a keverékből, hátrahagyva szénszegény ferritet és ferrit-cementit keverék képződik. A cementit vaskarbon: Fe3C. Cementit ott képződik, ahol magasabb a széntartalom, míg az alacsonyabb széntartalmú helyek körülötte ferritté alakulnak át. Magasabb szilárdságú mintázatok alakulnak ki, mint például a perlit, mely nevét a gyöngyhöz (angolul pearl) hasonló megjelenésnek köszönheti, vagy a hasonló, de kevésbé szép bainit.
Valószínűleg a legfontosabb allotróp módosulat a martenzit, egy kémiailag metastabil anyag, melynek szilárdsága négyszer vagy ötször nagyobb a ferriténél. Legalább 0,4 súlyszázalék szén szükséges a martenzit kialakulásához. Az ausztenit edzés közben martenzitté alakulása során a szén helyben "megfagy", amikor a kristályszerkezet tércentráltról lapcentráltba megy át. A szénatomok sokkal nagyobbak annál, hogy elférjenek az intersticiális vakanciákban, és így térközpontú tetragonális szerkezetté torzítják a kristályrácsot. A mertenzit és ausztenit kémiai összetétele azonos. Így igen kis kötési energia szükséges az átalakuláshoz. A hőkezelés folyamata a legtöbb acélnál abból áll, hogy az ötvözetet ausztenites állapotig hevítik, majd a forró fémet vízben vagy olajban megedzik, olyan gyorsan lehűtve, hogy a ferritté vagy perlitté alakulás ne mehessen végbe. A martenzitté alakulás csaknem azonnal bekövetkezik a kisebb kötési energiaszükséglet miatt.
A martenzitnek az ausztenitnél kisebb a sűrűsége, így az átalakulás egyik következménye a térfogatnövekedés. Belső nyomófeszültségek lépnek fel ettől a részben gátolt térfogatnövekedéstől a martenzitkristályokban és húzófeszültség az ezeket körülvevő ferritben mindkét kristályban jelentős nyírófeszültséggel egyetemben. Az edzés helytelen kivitelezése a belső feszültségek miatt repedésekhez is vezethet.
Ha a széntartalom elég nagy elegendő mennyiségű martenzit képződéséhez, az eredmény nagyon kemény, de rideg anyag lesz. Ezért a hőkezelés további részében alacsanyobb hőmérsékletre hevítik az anyagot, hogy a martenzit egy részét lebontsák (lehetővé téve elegendő időt, hogy cementitté, stb. alakuljon át) vaklamint hogy oldódjanak a belső feszültségek és a kristályrács hibái részben helyrejöjjenek. Ez a folyamat csökkenti az acél keménységét, rugalmasabb és szívósabb fémet eredményez. Ezt az eljárást megeresztésnek vagy temperálásnak hívják, mivel a folyamat időigénye kritikus az eredmény szempontjából.
[szerkesztés] Ötvözők
Gyakran adnak más anyagokat a vas-szén keverékhez abból a célból, hogy megfelelő tulajdonságú ötvözetet nyerjenek. Nikkelt és mangánt a szilárdságát növeli és az ausztenitet kémiailag stabilabbá teszi, keménységét és olvadáspontját növeli és ezzel a szilárdsága magasabb hőmérsékleten javul (hőálló acél). A vanádium ugyancsak növeli a keménységet és a kifáradással szembeni ellenállást. Nagymennyiségű króm és nikkel (gyakran 18% illetve 8%) az acélt rozsdamentessé (korrózióállóvá) teszi, ami kemény oxid réteget alkot a felületen és ez véd a korróziótól. A volfram a cementit alakulására van hatással, ötvözése esetén a martenzitté alakulás lassabb edzési sebesség mellett is végbemegy, ezek a gyorsacélok, melyeket nagyteljesítményű forgácsolószerszámokhoz használnak. A nitrogén, a kén és a foszfor az acélt törékennyé teszi, ezért ezeket a szennyezőket általában eltávolítják az acélgyártás folyamán.
[szerkesztés] Acélgyártás
Amikor a vasat ércéből előállítják a szokásos technológiákkal, a kívánatos értéknél több szenet tartalmaz. Ahhoz, hogy acél legyen belőle, meg kell olvasztani, és el kell távolítani a felesleges szenet, valamint más anyagokat kell hozzáadni. Amikor ezt a folyékony fémet kokillába öntik, rendszerint további magas hőmérsékletű melegalakításnak kell alávetni, hogy a megszilárdulás alatt bekövetkező minden repedést vagy inhomogenitást megszüntessenek benne, és hogy lemezt, huzalt, sínt, stb. készítsenek belőle. Ezután hőkezelik a kívánt kristályszerkezet létrehozása céljából, majd gyakran hidegalakításnak is alávetik, hogy a végső alakját felvegye. A korszerű acélgyártásnál ezek a folyamatok sokszor nem különülnek el, a gyártósor elején beadagolják az ércet és kész acéltermék jön ki a másik oldalon.
[szerkesztés] Az acél fizikai jellemzői
- sűrűség ρ = 7850 kg/m3
- hőtágulási együttható αT = 0,000012 0C-1
- hővezetési tényező λ = 58 W/mK
- Poisson-tényező ν = 0,30
[szerkesztés] Acéltermelés országok szerint
| Termelés ezer tonnában | ||||||
| Hely | Ország | 1970 | 1980 | 1990 | 2000 | 2004 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Kínai Népköztársaság | 20 000 | 40 918 | 66 349 | 127 236 | 272 450 |
| 2 | Japán | 102 869 | 122 792 | 110 339 | 106 444 | 112 718 |
| 3 | USA | 131 514 | 100 800 | 89 726 | 101 824 | 99 681 |
| 4 | Oroszország | 87 250 | 111 410 | 116 243 | 59 136 | 65 583 |
| 5 | Dél-Korea | 530 | 9 434 | 23 125 | 43 107 | 47 521 |
| 6 | Németország | 55 219 | 56 379 | 43 981 | 46 376 | 46 374 |
| 7 | Ukrajna | 32 810 | 41 898 | 43 715 | 31 782 | 38 738 |
| 8 | Brazília | 5 942 | 16 908 | 20 567 | 27 865 | 32 909 |
| 9 | India | 6 722 | 10 387 | 15 313 | 26 924 | 32 626 |
| 10 | Olaszország | 19 045 | 29 212 | 25 439 | 26 759 | 28 479 |
| 11 | Franciaország | 28 205 | 25 547 | 19 015 | 20 743 | 20 770 |
| 12 | Törökország | 1 445 | 2 796 | 9 322 | 13 572 | 19 868 |
| 13 | Tajvan | 324 | 3 767 | 9 747 | 16 896 | 19 593 |
| 14 | Spanyolország | 8 189 | 13 874 | 12 714 | 15 874 | 17 684 |
| 15 | Mexikó | 4 278 | 7 888 | 8 726 | 15 631 | 16 730 |
| 16 | Kanada | 12 346 | 17 512 | 12 281 | 16 496 | 16 428 |
| 17 | Nagy-Britannia | 31 213 | 12 432 | 17 908 | 15 155 | 13 766 |
| 18 | Belgium | 13 897 | 13 696 | 11 419 | 11 615 | 11 697 |
| 19 | Lengyelország | 13 002 | 21 479 | 13 625 | 10 498 | 10 578 |
| 20 | Délafrika | 5 244 | 9 996 | 8 619 | 8 481 | 9 504 |
| 21 | Irán | 0 | 1 300 | 1 425 | 6 615 | 8 990 |
| 22 | Ausztrália | 7 520 | 8 371 | 6 666 | 7 297 | 7 414 |
| 23 | Csehország | 8 562 | 11 355 | 9 996 | 6 216 | 7 033 |
| 24 | Hollandia | 5 558 | 5 811 | 5 412 | 5 492 | 6 848 |
| 25 | Ausztria | 4 496 | 5 097 | 4 292 | 5 722 | 6 530 |
Forrás: United States Geological Survey



Based on work by