SKUPINA A1.Výroba železa. Vysvětlete pojmy zkujňování,desoxidace a rozdělení(neuklidněné/polouklidněné)

Surové železo je bezprostredný produkt tavenia železnej rudy s koksom, vápencom a ďalšími prísadami vo vysokej peci. Má vysoký obsah uhlíka - viac ako 2,14 %, typicky aj viac ako 3,5 %. Vplyvom vysokého obsahu uhlíka je tvrdé a krehké, pri ohriatí na teploty 1150°C až 1250°C sa taví bez prechodu cez tvárny stav. Preto ho nie je možné tvárniť za tepla ani za studena. Nazýva sa tiež nekujné železo a jeho priame použitie je veľmi obmedzené. Je však východiskovým materiálom pre výrobu ostatných druhov technického železa.

Surové železo sa vyrába vo vysokých peciach redukciou železných rúd oxidom uhoľnatým, alebo uhlíkom pri vysokých teplotách. Do procesu vstupujú nasledovné suroviny s obsahom železa:železná ruda - najčastejšie magnetit, hematit, limonit a siderit,oceľový odpad- najčastejšie okoviny, ktoré vznikajú pri tvárnení ocele za tepla a obsahujú až 55% železa,pyritové výpražky - odpad pri výrobe kyseliny sírovej a obsahujú až 60% železa,vysokopecný prach - získaný prečistením vysokopecného plynu.

Okrem nich do procesu vstupuje:

koks - ktorý plní 3 úlohy: slúži ako palivo pre dosiahnutie potrebnej teploty, do pece sa vháňa predhriaty.uhlík z neho vstupuje do reakcie ako redukčné činidlo,uhlík z neho nauhličuje vyrobené čisté železo,

vzduch - potrebný pre udržanie horenia,struskotvorné prísady - umožňujúce lepšie oddelenie hlušiny a popola a vytvorenie strusky, napríklad

vápenec.

Produktmi vysokej pece sú:

surové železo - hlavný produkt,vysokopecný plyn - využíva sa ako palivo,vysokopecná struska - táto sa ďalej spracováva na vysokopecný cement, struskovú vlnu, dlažobné

kocky, struskový štrk, struskový piesok a iné produkty.

Skujnenie je proces, pri ktorom sa zo surového železa odstraňuje prebytočný uhlík.Toto sa robí tak, že sa dlhou trubicou zhora do kokily do taveniny vháňa kyslík (čistý na 98%)Dezoxidácia je chemická reakcia, pri ktorej sa odstraňuje kyslík. Dezoxidácia sa využíva predovšetkým v metalurgii pre zníženie objemu kyslíku v kovoch, napr. pri výrobe ocelí alebo zvárania.Neuklidnene oceli – vyrábajú sa bez dezoxidácie alebo len s veľmi obmedzenou dezoxidáciou.Polouklidnene oceli – vzniknú prerušením varu pred ukončením reakcie uhlíku s kyslíkom (mechanicky zvýšením tlaku, alebo chemickou prísadou dezoxidačných prvkov (Mn,Si,Al), prípadne oboma týmito postupmi).

2.Vznik přesyceného tuhého roztoku

-buď rychlým ochlazením u slitin, jejichž koncentrace leží v rozmezí křivky poklesu rozpustnosti – např. alfa roztok v duralu, ferit a austenit ve slitinách Fe-C

-nebo bezdifuzní přeměnou tuhého roztoku s vyšší rozpustností přísady na tuhý roztok s nižší rozpustností přísady – např. přeměna austenitu na přesycený ferit (tj. martenzit)

3.IRA diagram (Pod,E,Nad)

TTT diagram, S-křivka – diagram izotermického rozpadu austenitu. Znázorňuje doby rozpadu austenitu za izotermických podmínek při teplotách pod AC1, (tj. 723 °C podle rovnovážného diagramu Fe3C). Podle teploty rozpadu vzniká z austenitu perlit, horní, popřípadě dolní bainit nebo martenzit, probíhá-li přeměna pod teplotou označenou MS. Pro eutektoidní ocel (tj. s 0,8 % C) má IRA-diagram tvar jednoduché křivky, připomínající písmeno S. Přeměna austenitu začíná při dané teplotě po určité době (inkubační) a končí, když je prakticky všechen austenit přeměněn. Přeměna austenitu na perlit nebo bainit je difúzní, zárodková, přeměna na martenzit je bezdifúzní. Pro uhlíkové oceli pod- a nadeutektoidní a pro oceli legované je IRA-diagram mnohem složitější. IRA-diagram má význam při izotermickém tepelném zpracování ocelí.

4.Martenzitické kalení

Kalenie je zohriatie ocele na austenitovú teplotu (niečo nad 700 °C), kde sa podrží až do úplnej premeny na austenit a následné prudké ochladenie (600 °C/s), ktoré môže byť dvojakého typu:

martenzitické :nepretržité - je najjednoduchšie a najlacnejšie, ale vznikajú pri ňom vnútorné

napätia a maximálne deformáciepretržité - znižuje vnútorné napätie

bajnitické: nepretržitéizotermické

Martenzitické kalenie:

Nepřetržité kalení - běžný postup a záleží v ohřevu předmětu na teplotu vyšší než Ac3, popř. Ac1, výdrži na této teplotě k dosažení homogenního austenitu a v následném ochlazení v kalícím prostředí (voda, olej, vzduch), jehož teplota je nižší než teplota počátku martenzitické přeměny. Po vychladnutí předmětu v kalícím prostředí následuje popouštění

Lomené prostředí - probíhá tak, že se ochlazuje ve dvou studených lázních po soběPředmět se vyjme z první lázně po takové době, aby jeho teplota byla o něco vyšší než teplota MS dané oceli a dochladí se v druhé lázni s menším ochlazovacím účinkem právě v oblasti martenzitické přeměny (například se předmět ochladí prudce ve vodě nad teplotu MS a pak se dochladí v oleji -> zmenšení vnitřního pnutí při nepřetržitém kalení do vody)Použití: Kalení složitých předmětu z ocelí kalitelných do vodyNevýhoda: Nutnost stanovení správného okamžiku pro přemístění z vody do oleje -> Vyžaduje technologickou kázeň a zkušenosti.

Částečné kalení - Použití: Kalení jednobřitových nástrojů (nástrojárny)Nástroj se ponoří do vodní nebo olejové lázně pouze tou částí, která má vysokou tvrdost

Jiný způsob: Na austenitickou teplotu se ohřeje jen ta část předmětu, která má být zakalenáPo zakalení se břit popouští vlastním teplem zbývající části nástroje.

Termální kalení - Snižuje pnutí a deformace v kaleném předmětu. Předmět ohřátý na austenitizační teplotu se ochladí v solní lázni o teplotě těsně nad teplotu počátku martenzitické přeměny dané oceli (asi 20 až 30 °C nad MS). Na teplotě předmět setrvá dlouhou dobu, aniž by došlo k bainitickému rozpadu -> možno dosáhnout vyrovnání teplot v jádře a na povrchu předmětu při zachování austenitického stavu. Po vyrovnání teplot se předmět vyjme ještě v austenitickém stavu z lázně a ochlazuje se dále na vzduchuMartenzitická přeměna pak probíhá při pomalé ochlazovací rychlosti -> vnitřní pnutí je podstatně menší než při kalení do studené lázně.Použití: Kalení tvarově složitých součástí a nástrojů z nelegovaných a nízkolegovaných ocelí určených pro kalení do vody.Někdy pro kalení nástrojů z vysokolegovaných ocelí (např. rychlořezných ocelí). U nelegovaných a nízkolegovaných ocelí je použití omezeno na slabší průřezy (menší ochlazovací schopnost solné lázně).Kalení se zmrazováním - Následuje po kalení martenzitickém další ochlazování oceli, jejichž teplota Mf leží pod 0°C, na teplotu pod bodem mrazu -> pro dosažení co největšího rozpadu zbytkového austenitu na martenzit. Zmrazování se používá hlavně pro nadeutektické oceliZmrazení musí být provedeno ihned po zakalení, aby se nestabilizoval zbytkový austenitKe zmrazování je potřeba speciální zařízení, které je velmi nákladné -> Použití:- V případech, kde se požaduje stabilizace rozměrů součásti (měřidla, valivá ložiska)- U ocelí na nástroje pro zvýšení tvrdosti a řezivosti (kuchyňské nože)

5.Vlastnosti hlubokotažných ocelí

Hlubokotažné ocele – jsou používány na výrobu hlubokotažných plechů. Plechy musí vykazovat především dobré plastické vlastnosti. Tyto oceli jsou nízkouhlíkové s minimálním obsahem legujících prvků. Zlepšení mechanických vlastností a jejich stability se dosahuje mikrolegováním hliníkem, titanem, vanadem, borem, zirkonem a niobem. Jsou to zejména materiály pro karosářské plechy (např. ČSN 412009).

6.Vlastnosti nástrojových ocelí

Nástrojové oceli – jsou obyčejné uhlíkové, středně legované a vysocelegované ocele, neboli ocele rychlořezné (jsou samokalitelné) s vyšším až vysokým obsahem uhlíku a používají se na výrobu nástrojů a forem. Označují se číslem 198xx. (např. ČSN 19855 - Nástroje na těžko obrobitelné materiály a pro nejvyšší výkony, zejména nože na kovy, vrtáky, zápichové nože,frézy, nástroje na ozubení a pod.) Ocel uhlíková a ocel rychlořezná dosáhne při kalení stejné tvrdosti, ale: ocel uhlíková drží tvrdost ostří (břitu) cca do 240 °C, s další teplotou začíná měknout. Ocel rychlořezná drží ostří do 600 °C, v tom je její hlavní význam. Umožňuje mnohem rychlejší obrábění a proto se jí říká rychlořezná. Tato ocel se začala se vyrábět už před 1. světovou válkou.

Tvrdosť - Výše optimální tvrdosti je dána způsobem a podmínkami namáhání nástrojů. Tvrdost nástrojů po kalení závisí především na obsahu uhlíku a vzrůstá s jeho zvyšujícím se obsahem. Legující

přísady ovlivňují výrazněji tvrdost oceli tehdy, tvoří-li s uhlíkem karbidy. Používají se zejména Cr, V, W a MoPevnosť v ohybu - nástrojových ocelí lépe vystihuje způsob namáhání nástroje. Obdobně jako tvrdost závisí především na obsahu uhlíku (vzrůstá s jeho zvyšujícím se obsahem) a způsobu tepelného zpracování. Významně závisí rovněž na stavu povrchu, protože vysoce pevné materiály jsou citlivé na vruby.Húževnatosť - Určuje odolnost nástrojů vůči mechanickým rázům (tj. proti tvorbě trhlin a jejich šíření). Houževnatost je důležitá hlavně u materiálů na nástroje pro stříhání a tváření. Zvýšení houževnatosti lze dosáhnout zjemněním zrna, rovnoměrným rozložením jemných karbidů a minimalizováním vnitřních pnutí. Nežádoucí je struktura s výraznou karbidickou řádkovitostí a přítomnost nečistot a vměstků.Kalitelnosť a prokalitelnosť - Určuje odolnost nástrojů vůči mechanickým rázům (tj. proti tvorbě trhlin a jejich šíření). Houževnatost je důležitá hlavně u materiálů na nástroje pro stříhání a tvářeníZvýšení houževnatosti lze dosáhnout zjemněním zrna, rovnoměrným rozložením jemných karbidů a minimalizováním vnitřních pnutí. Nežádoucí je struktura s výraznou karbidickou řádkovitostí a přítomnost nečistot a vměstků.Odolnosť proti popúšťaniu - Nástrojové oceli si musí zachovat mechanické vlastnosti (hlavně tvrdost) i při práci za vyšších teplot, aby se nesnížila odolnost proti otěru a řezivost, tedy životnost nástroje.Dostatečnou životnost nástrojů lze zajistit především vhodným výběrem oceli. Odolnost proti popouštění zvyšují hlavně W, Mo, V, Co.Odolnosť proti oteru a otupeniu - Otěr ovlivňuje velikost opotřebení a tím i řezivost (odolnost proti otupení) nástrojů. Odolnost proti otěru je výrazně ovlivňována množstvím, typem a rozložením karbidů ve struktuře. Při otěru se funkční části nástroje zahřívají, proto je nutné, aby měla ocel i dobrou odolnost proti popouštění.Stálosť rozmerov - U většiny nástrojů je požadováno, aby měly po tepelném zpracování minimální rozměrové změny, neboť další opracování (broušení) je velice drahé. Navíc u přesných nástrojů musí být zaručena rozměrová stálost i po dlouhých dobách používání.

7.Tepelné zpracování Temperované litiny

Temperovanie je spôsob tepelného spracovania odliatkov z podeutektickej bielejliatiny. Jedná sa vlastne o dlhotrvajúce žíhanie za účelom dosiahnutia grafitizácieledeburitického, resp. perlitického cementitu. Cementit sa môže odstrániť dvomaspôsobmi:

- oduhličením;- rozkladom v tuhom roztoku (austenit alebo ferit), kedy sa cementit rozpadá na grafit

a príslušný tuhý roztok.

Výroba temperovanej liatiny oduhličením prebieha pri teplotách okolo 980 až1000°C (obr. 2, krivka 3). Pri takejto teplote dochádza k oduhličeniu povrchu, čímvzniká koncentračný spád uhlíka od povrchu k jadru. Dochádza teda k difúzii atómovuhlíka z jadra na povrch odliatku a znižuje sa obsah uhlíka v austenite. V dôsledkutoho začína postupné rozpúšťanie karbidov v austenite. Cementit sa rozpadá naaustenit (tuhý roztok) a grafit. Po úplnom rozpustení karbidov sa rovnováha udržiavadifúziou uhlíka do austenitu z povrchových vrstiev odliatku.

Ochladením liatiny po temperovaní vzniká v miestach, kde bol austenit ochudobnenýo uhlík ferit, vo vnútorných menej oduhličených vrstvách vzniká zmes feritu a perlitu.

Grafit vytvorený pri temperovaní má pavúčikovitý tvar.Výroba temperovanej liatiny rozpadom v tuhom roztoku prebieha grafitizáciou

v dvoch stupňoch v neutrálnom prostredí (H2, N2, CO2), obr. 2, krivka 1. Prvýstupeň grafitizácie prebieha pri teplotách okolo 950°C, pokým sa úplne nerozpadneledeburitický cementit na austenit a temperovaný uhlík (grafit). Po prvom stupnigrafitizácie nastáva ochladzovanie na teplotu druhého stupňa (700°C) a zotrvanie natejto teplote určitý čas, ktorý je potrebný na rozpad perlitického cementitu na ferit agrafit. Nasleduje pomalé ochladzovanie z teploty druhého stupňa grafitizácie, aby saneporušila stabilná rovnováha. Výsledná štruktúra bude tvorená feritom a grafitom.

Obr. 2 Temperovanie odliatkov z bielej liatiny: 1-výroba rozpadom v tuhom roztoku; 3-výroba oduhličením

8.Mosazi

Mosadz je zliatina medi so zinkom a prípadne ďalšími prvkami s menším podielom.Hustota mosazi 8400 až 8700 kg.m-3. Teplota tání je 850-920°C.Mosaz obecně je vůči atmosférické korozi odolná. Tato odolnost je jen o něco nižší, než u čisté mědi, avšak s rostoucím obsahem zinku mírně klesá.Mosadze sa podľa účelu rozdeľujú na tvárnené a zlievarenské.

Podľa počtu zložiek sa mosadze delia na dve skupiny:

dvojzložkové mosadze: Jedná se o slitiny obsahující pouze dva prvky: měď a zinek. Proto se jim říká také binární mosazi.

tombak (do 20 % zinku) - Jedná se o mosazi s obsahem mědi vyšším než 80% (Ms 80, Ms 85, Ms 90, Ms 96). Díky vysokému obsahu mědi jsou měkké a tedy dobře tvárné zastudena. K následnému lisování, tlačení a ražení se dodávají zpravidla v podobě pásů a plechů. Využívány jsou i díky své velké odolnosti vůči korozi v atmosféře. Nalezneme v elektrotechnice, přístrojích na měření tlaku, vlnovce (což je regulátor tlaku), membránách, sítech (např. papírenských), pájené bižuterii, chladičových a kapilárních rourkách. Také se používají jako povrchová vrstva nábojů. A to pro již zmíněnou odolnost vůči korozi a měkkost proti opotřebení hlavně.

hlbokoťažná mosadz (30 % zinku) - takže to jsou mosazi Ms 70 a Ms 68 (ČSN 42 3210-12). Trpí na vyšší obsah nečistot. Jsou vhodné pro zpracování zastudena. Dodávají se jako nejrůznější tvárné polotovary. Pro hluboký tah ve vyžíhaném stavu, a pro ostatní účely v různých stupních tvrdosti. Využívají se k výrobě lamelových chladičů do automobilů, nebo třeba lopatek parních turbín.

automatová mosadz (s prísadou olova; určená na obrábanie) - Někdy se jim také říká šroubové mosazi, což už naznačuje jejich využití k výrobě šroubů a jiných soustružnických součástek. Obsahují přibližně 58 % mědi (Ms 58), ale často se legují

olovem (Ms 58-Pb ). Ono olovo v mosazi není rozpustné, a mělo by být ve struktuře jemně rozptýlené. Přidává v množství 1 až 3 %, což zlepšuje obrobitelnost této mosazi.

viaczložkové mosadze: Kromě zinku a mědi obsahují i přísady jiných prvků jako jsou Fe – železo, Al – hliník, Mn – mangan, Ni – nikl, Sn – cín, Si – křemík, apod. Používají se především tam, kde jsou jednoduché mosazi kvůli svým mechanickým vlastnostem nedostatečné. Jedná se o mosazi pro tváření a odlitky. V případě, že mají tavící teplotu vyšší než 500 °C, řadíme je k tvrdým pájkám a používají se pro spojování kovových dílců.

hliníkové - Zpravidla obsahují 3 až 3,5 % hliníku. Přítomnost hliníku v mosazi zjemňuje zrno a zvyšuje pevnost. Daní za to jsou však zhoršené slévárenské vlastnosti. Díky odolávání vůči korozi se používají pro armatury, ventilová sedla, kondenzátorové trubky, ozubená kola a jiné nadměrně silně namáhané díly.

kremíkové - Kvůli tomu, že křemíkové legury zužují oblast fáze α, používají se zásadně tombaky. Obsah Si bývá jen málokdy vyšší než 5 %. Charakteristickými vlastnostmi křemíkových mosazí je dobrá tvářitelnost zastudena i zatepla a odolnost proti korozi. Jsou vhodné převážně k odlévání armatur a jiných součástí, které jsou v provozu při nezvýšených teplotách nuceny odolávat účinkům agresivních solných roztoků, mořské vody a solným alkáliím (kromě amoniaku). Pro lití ložisek a pouzder je zvláště vhodná mosaz Ms 80-Si 3-Pb 3. V neposlední řadě se používají i jako pájky na ocel.

cínové - Mosazi s 0,5 až 1,5% příměsí cínu se vyznačují kvalitní korozní odolností proti účinkům slané mořské vody. Proto se z nich vyrábějí součásti lodních zařízení. Dále jsou proslulé výbornými akustickými vlastnostmi, čehož se využívá při výrobě žesťových nástrojů.

mangánové - I manganové mosazi mají dobré antikorozní i mechanické vlastnosti, díky kterým se z nich vyrábějí součásti zámořských lodí, především pak lodní šrouby. Zároveň se ale používají i k výrobě součástí zbraní, turbínových lopatek a armatur pro nejvyšší tlaky.

niklové - Historicky je to jedna z nejstarších slitin mosazi. Obsahuje zhruba 60 % mědi a 14 až 18 % niklu. Nikl je ovšem drahý prvek, takže norma ČSN EN uvádí mosazi legované jen do 6 % obsahu. Mají světlou, dalo by se říci až bílou barvu. Díky své pevnosti a odolnosti vůči korozi se z ní vyrábějí lékařské nástroje a pružiny, nebo i postříbřené jídelní příbory. Pokud tyto slitiny vyžíháme, jsou zvláště vhodné pro hluboké tažení. Několik specifických složení má svůj název. Například slitina s Cu 60 % + Zn 26 % + Ni 14 % se nazývá pakfong, alpaka, argentin nebo také new silver (nové stříbro). Z této slitiny se dříve vyráběly ozdobné nádoby, které svým vzhledem napodobovaly nádoby stříbrné. Cu 45 % + Ni 5 % + Mn se nazývá konstantan a využívá se hlavně jako

odporový materiál do tenzometrů (to je elektrotechnická součástka sloužící k měření mechanického napětí na povrchu součásti). Cu 56 % + Ni 30 % + Zn 13 % se nazývá nikelin.

mosadzné spájky

9.Reologický model pro relaxaci (Sériové zapojení)

Maxwell

viskoelastickýmateriál

tEit

.exp

- reologický model: pružina o tuhosti G a hydraulický válec s kapalinou o viskozitě seriově

- používá se pro modelování relaxace materiálů (e = konst., s = f (t) ) - napětí st v materiálu dosažené v čase t je dáno vztahem

10.Temperované sklo-ohřev do oblasti mezi teplotou skelného přechodu a teplotou

měknutí-ochlazení na pokojovou teplotu v proudu vzduchu (někdy v olejové lázni)-různé rychlosti ochlazování na povrchu a v jádře vznik reziduálních pnutí-povrch je ochlazován rychleji a tuhne-jádro je ochlazováno pomaleji a zůstává plastické -s pokračujícím chladnutím se jádro smršťuje víc než povrch jádro je drženo povrchem -po úplném ochlazení na pokojovou teplotu je v povrchových vrstvách tlakové pnutí, ve vnitřních tahové

Porušení keramických materiálů téměř vždy vychází z povrchových defektů povrch temperovaného skla je namáhán tlakově a proto vnější napětí napřed musí vynulovat tlaková pnutí a pak teprve dosáhnout lomového tahového napětí potřebného pro iniciaci a propagaci trhliny pak teprve nastane porušení.

i MPa = původní zatížení,

E MPa = modul pružnosti materiálu,

Pa.s = viskozita materiálu při dané teplotě