Metalurgie (CME)

1. Metalurgie (CME) Denní studium, Strojírenská technologie Přednáší: Ing. Antonín Záděra, Ph.D. VUT FSI, Ústav strojírenské technologie, odbor slévárenství e-mail: zadera@fme.vutbr.cz

2. Doporučená literatura:ŠENBERGER, J., STRÁNSKÝ, K., ZÁDĚRA, A., BŮŽEK, Z., KAFKA, V.: Metalurgie oceli na odlitky. s. 311, ISBN 978-80-214-3632-9 PTÁČEK, L. a kol.: Nauka o materiálu II.ISBN 80-7204-248-3.ŠENBERGER, J.: Metalurgie oceli. (skripta VUT, FSI).Internet: http://ust.fme.vutbr.cz/slevarenstvi/opory/

3. Organizace výuky Téma přednášek • Metalurgie oceli (5x) – Ing. Antonín Záděra, Ph.D. • Metalurgie litin (5x) – doc. Ing. Jaromír Roučka, CSc. • Metalurgie neželezných kovů (3x) – doc. Ing. J. Roučka, CSc. cvičení • Metalurgie oceli (3x) – Ing. Antonín Záděra, Ph.D. • Metalurgie litin (3x) – Ing. Antonín Záděra, Ph.D. • Metalurgie neželezných kovů (1x) – Ing. Aleš Sláma

4. Cvičení • 1h / týden, j. 2h/14 dní • Skupiny dělené na polovinu • Podmínka zápočtu max. 1 absence na cvičení zkouška • Dělená zkouška jednak z oceli (Záděra) druhá část z litin a neželezných kovů (Roučka) • Z obou částí klasifikace lepší nebo minimálně za E

5. Historie výroby železa První archeologické nálezy z doby před 4000 lety K redukci oxidů železa postačuje teplota 700 °C. S rostoucí teplotou roste nauhličení redukovaného železa a při teplotách nad 1200 °C je produktem redukčních pecí surové železoStředověké postupy: • Žďáření v milířích – dřevené uhlí, • Redukce dřevěným uhlím v dýmačkách pece 700 – 1200 °C, ruční dmýchání vzduchu, výška 1 až 2 m, • Produktem redukce byla železná houba, kováním se zprac. na dejl (hřivnu, vlk) • Denní výroba jedné pece činila řádově X. 101 kg, • Snaha o zvýšení produktivity v šachtových pecích vedla k jejich zvětšování a dmýcháním vzduchu do pece tzv. větru, • V 16 století první vysoké pece vytápěné dřevěným uhlím, surové železo • zkujňování ve výhních (fryšovacích výhních) za přísady okují a železných rud, • Denní produktivita v jednom agregátu řádově 102 až 103 kg,

6. Začátek moderní metalurgie 18. století • vysoké pece - pudlování (oxidace uhlíku oxidy Fe), plamenné pece, nedostatek dřevěného uhlí → černé uhlí, produkt železná houba, v peci upravovala na kulovité dejly (vlky). Kováním na lisech nebo bucharech se z nich vytěsňování strusky, svařování železa. Denní výroba pudlovacích pecí činila řádově až 104 kg, 19. století: • vysoké pece vytápěné koksem (Vítkovice 1836), • Kuplovna patentována 1811- průmyslová výroba odlitků ze šedé litiny předpoklad rozvoje strojírenství), • 1855 Bessemer – Konvertor dmýchaný vzduchem s křemencovou vyzdívkou (Vítkovice 1865) (řádové zvýšení produktivity práce), • 1878 Thomas zásaditý konvertor, odfosfoření (Kladno 1879), • Siemens-Martinské pece 1864 (Vítkovice 1878),

7. Schéma Bessemerova konvertoru Dmýchání vzduchu, výroby plávkové oceli Podíl tuhé vsázky max. 15% Kyselá výduska Nízký obsah fosforu

8. Schéma Siemens – Martinské pece Teplo k tavení vzniká spalováním plynu Podíl tuhé vsázky až 100% Předehřev vzduchu i topného plynu v regenerátorech

9. 1902 první elektrické obloukové pece, • 1902 první elektrické obloukové pece1905 první indukční pece ( Kladno 1908) Metalurgie ve 20. století • První polovina 20. století více než 90 % výroby konvertory a SM pece, postupné zvyšování výroby oceli na elektrických pecích,1955 kyslíkové konvertory, • Od 70. let přibližně 70 % výroby v kyslíkových konvertorech a 30% výroby v obloukových pecích, útlum výroby oceli v SM pecích (tandemové pece) a vzduchem dmýchaných konvertorech, • Nástup pochodů sekundární metalurgie Výroba surové oceli ve světě na konci století cca 800 mil t ročně z toho výroba oceli na odlitky cca 1%, Metalurgie v 21.století • Nástup výroby oceli ve východní Asii zejména v Číně, • V roce 2004 překročila světová výroba oceli 1 miliardu t ročně, • Dramatické zvýšení surovin pro výrobu oceli po roce 2002,

10. Schéma kyslíkového konvertoru Cíle tavby v kyslíkovém konvertoru Snížit obsah uhlíku a fosforu. Ohřát taveninu na odpichovou teplotu. Snížit obsah plynů v oceli. Umožnit bezstruskový odpich. Suroviny pro výrobu oceli v konvertoru: Surové železo. Ocelový odpad. Struskotvorné přísady Vyzdívka konvertoru: Magnezitové tvárnice

11. Základní reakce v kyslíkovém konvertoru • Fe + 1/2O2 = FeO • Na rozhraní kyslík ocel pod tryskou se oxiduje především Fe. • FeO – dále reaguje s ostatními prvky s afinitou ke kyslíku vyšší než má Fe ( C, Si, Mn, P ). Důležitá je reakce (FeO) + [C] = {CO} – homogenizace. Odfosfoření: 2[P] + 5 (FeO) + 4 (CaO) = 4 CaO.P2O5 + 5 Fe Ohřev kovu • Exotermické reakce zejména: [Si] + O2 = SiO2 • Oxidací 1 % Si se zvýší teplota oceli o cca 330 °C • Další zdroje energie jsou oxidace: P, C, Mn, a Fe. Jakost konvertorové oceli H - max 2ppm, N max 50ppm, P max 200ppm, S max 200ppm

12. Tandemové pece

13. Příčný řez tandemovou pecí

14. Světová výroba jednotlivých kovů a slitin v roce 2000 Výroba oceli ke tváření - 850 mil. tun. korozivzdorné oceli - 19 mil. tun • plechy na karoserie aut • plechy na obalovou techniku • tlusté plechy • podélné profily • Kolejnice Výroba oceli na odlitky - 5 mil. tun Výroba litin - 60 mil. tun Výroba slitin Al - 30 mil. tun Výroba Cu a slitin Cu - 11 mil. tun Výroba Zn a slitin Zn - 5 mil. tun Výroba Pb a slitin Pb - 5 mil. tun Ostatní kovové materiály - 7 mil. tun

15. Principem výroby slitin Fe je redukce oxidických ruduhlíkemSuroviny pro výrobu slitin Fe :Hematity (krevele) Fe2O3Magnetity (magnetovce) Fe3O4Hydratované oxidy (limonity)Při redukci rud za nižších teplot vznikají předredukované pelety, za vyšších teplot surové železoSpotřeba energie na 1t výroby:Oceli 19 GJHliníku 106 GJ Ostatních kovů 40 GJEkologická hlediska.Slitiny železa jsou bezezbytku recyklovatelné. Hutní závod představuje uzavřený technologický cyklus. Odpady (strusky, zbytky vyzdívek) slouží jako suroviny pro další zpracování.

17. Redukce rud ve vysoké peci

20. Produkty vysokých pecí • Surová železa se dělí na ocelárenská a slévárenská • Ocelárenská surová železa obsahují obvykle 3,5 až 4,5%C, 0,40 až 1,00%Si, 0,60 až 1,00% Mn, max. 0,18%P, max. 0,03%S a max. 0,20%Cu. • Slévárenská surová železa se dělí podle obsahu křemíku. • Pro výrobu litiny s kuličkovým grafitem se volí surová železa (nodulár) s nižším obsahem křemíku. Pro výrobu litiny s lupínkovým grafitem jsou dodávána slévárenská surová železa s odstupňovaným obsahem křemíku. Slévárenská surová železa s vyšším obsahem křemíku jsou odstupňována obvykle po půl procentu křemíku až do 3,0 až 3,5%Si. • Pro výrobu feritických litin jsou dodávána surová železa s obsahem Mn do 0,1%, případně do 0,05%Mn. Běžná slévárenská surová železa obsahují obvykle 0,4 až 1,0%Mn. • Obsah fosforu je u želez sloužících k výrobě litiny s kuličkovým grafitem omezen obvykle hodnotou 0,05%, příp. 0,07%. U slévárenských surových želez pro výrobu litiny s lupínkovým grafitem se pohybuje obsah fosforu kolem 0,1%P. • Obsah síry je ve slévárenských surových železech pro výrobu LKG obvykle nižší než 0,03%.

21. Vyráběné feroslitiny na vysokých pecích lze rozdělit na: • ferosilicia a feromangany. Také ferosilicium se již ve vysokých pecích vyrábí jen zřídka. • Vysokopecní feromangan obsahuje obvykle 70 až 80% Mn a 7 až 8 %C. • Vysokopecní struska se používá ve stavebnictví jako vysokopecní štěrk. Část vysokopecní strusky se využije při výrobě cementů. • Sazební plyn je z hlediska výhřevnosti málo hodnotné palivo. Obsahuje obvykle 22 až 26 objemových procent CO. Je silně toxický a výbušný. Spotřebuje se jako topný plyn v hutních závodech.

23. V oblasti vzdálenějších od výfučen při nedostatku kyslíku probíhají reakce: V důsledku průběhu reakce (3) je veškerý volný oxid uhličitý, mimo pásma průběhu oxidačních reakcí ,přeměněn na oxid uhelnatý. Uhlík v koksu a zejména oxid uhelnatý jsou základními redukčními látkami ve vysoké peci.

24. Termická disociace oxidů • Vyšší oxidy vykazují obecně vyšší disociační napětí a jsou proto méně stálé než nižší oxidy. Pro disociaci oxidů železa při teplotách nad 570 °C je možné použít schéma: • Při teplotách nad 570 °C je stabilní pouze FeO,který je redukován uhlíkem nebo CO (disociační napětí FeO odpovídá velmi nízkému parciálnímu tlaku kyslíku).

25. Redukce oxidůPřímá reduce oxidů ve vysoké peci uhlíkem koksu je omezena nedokonalým stykem obou tuhých fází.Při teplotách nad 900oC má rozhodující význam redukce oxidů železa oxidem uhelnatým podle reakcí:Oxid uhličitý vznikající při redukčních reakcích reaguje s koksem podle reakce a vzniká opět oxid uhelnatý.

26. Rozpouštění uhlíku a jiných prvků v železeVyredukovaná železná houba rozpouští v sobě uhlík.K intenzívnímu nauhličování železa dochází však až po jeho úplném roztavení přímou reakcí s uhlíkem koksu. Rozpouštění uhlíku v železe můžeme popsat rovnicí :Rozpustnost uhlíku v železe roste s teplotou. Také chemické složení ,zejména obsah křemíku a manganu ovlivňují rozpustnost uhlíku v surovém železe. Kromě oxidů železa obsahují rudy i další oxidy zejména SiO2. Tyto oxidy se také redukují ve vysoké peci a vyredukované prvky se rozpouštějí v surovém železe. Redukční schopnost uhlíku s teplotou roste. Zvýšení teploty ve vysoké peci vede ke zvýšení obsahu obtížněji redukovatelných prvků v surovém železe, zejména křemíku.

27. Doprava surového železa od VP do ocelárnypojízdný mísič.V mísičích se dopravuje až 600 t surového železana vzdálenost ač 300 km

28. Odsíření surového železa • Odsíření sodou: Na2CO3 + [S] + [Si] = (Na2S) +(SiO2) + COg • Odsíření hořčíkem: [Mg] + [S] = MgS • Odsíření karbidem vápníku: CaC2 +[S] = CaS + 2[C]

29. Roztoky v metalurgii Koncentrace roztoků • Koncentrace v hmotnostních procentech: • Koncentrace v atomových procentech: • Koncentrace plynů v objemových procentech:

30. Zákony ideálních plynů • Stavová rovnice: pV = nRT • Jednotka množství látky Tlak plynů . • Parciální tlak plynů:

31. Termodynamická rovnováha • Rovnovážná konstanta: a A + b B = c C + dD v1 = k1 cAa . cBb v2 = k2 cCc . cDd k1 cAa . cBb = k2 cCc . cDd

32. ŽELEZO - OCEL Železo • Atomová hmotnost 55,87 • Teplota tavení 1539 °C • Skupenské teplo tání 15,315 kJ.g atom -1 • Vzrůst objemu při tavení 2,6% • Bod varu 3070 °C • Hustota při 20 °C 7,874 g.cm-3 • Modul pružnosti v tahu 2,004 . 105 MPa (oceli většinou 2,1.10 5 MPa) • Dvě krystalografické modifikace – mřížka BCC a FCC Ocel je slitina železa, uhlíku a dalších prvků. Prvky vyskytující se v oceli rozlišujeme na – prvky legující • prvky doprovodné • nečistoty Ocel má teplotu tavení nižší než čisté železo!!!

33. Rozdělní ocelí Podle chemické složení • Nelegované (náhrada v max. míře LKG), dobrá svařitelnost • Středně legované (nízkolegované) • Vysokolegované (Cr, Cr-Ni, Mn) Rozdělení ocelí podle užití • Konstrukční • Nástrojové Podle specifických vlastností • Korozivzdorné, otěruvzdorné Podle výroby • Oceli pro tváření • Oceli na odlitky

34. Klasifikace nelegovaných ocelí 1) Pokud jsou prooceli předepsány dva, tři, nebo čtyři prvky označené touto poznámkou a jejich určující obsahy jsou menší než uvedené v tabulce, pak je pro rozdělení nutné vzít v úvahu dodatečně mezní obsah, který činí 70% součtu mezních obsahů těchto dvou, tří nebo čtyř prvků. 2) Pravidlo uvedené v poznámce 1 platí odpovídajícím způsobem také pro prvky označené poznámkou 2. 3) Pokud je pro obsah Mn udána pouze nejvyšší hodnota, platí jako mezní obsah 1,80 hmot. procenta

35. Nelegované a nízkolegované oceli Nelegované • Nelegované ocelis obsahem Mn nižším než 1,20% mají předepsaný maximální obsah P a S. U některých značek je předepsán pouze maximální obsah síry a fosforu. Chemické složení si řídí slévárna tak, aby byly dosaženy předepsané mechanické hodnoty (Rm 350-700MPa, Re 200-300Mpa, A 15-25%) • Nelegované oceli s obsahem Mn 1,60 až 1,80% byly ve staré normě ČSN zařazeny mezi nízkolegované oceli. Tyto oceli jsou doposud v českých slévárnách hojně vyráběny. Jednotlivé značky této skupiny ocelí se od sebe liší zejména obsahem uhlíku (Rm 500-800MPa, Re 300-550Mpa, A 10-25%) Nízkolegované • Nízkolegované ocelilze rozdělit na oceli legované Cr a Mo a na oceli obsahující dále Ni. U skupiny nízkolegovaných Cr-Mo je obsah chrómu v intervalu 0,80 až 2,50%, obsah Mo 0,15 až 1,20%. Největší vliv na vlastnosti této skupiny ocelí má obsah uhlíku. Stabilita karbidů za vyšších teplot se zajišťuje přísadou 0,05 až 0,15% V. (Rm 550-1100MPa, Re 400-750Mpa, A 10-20%)

36. Vysokolegované oceli • Korozivzdorné oceli Základním prvkem ve korozivzdorných ocelích je chrom. Nerezavějící oceli jsou schopné pasivace - odolnost proti elektrochemické korozi v oxidačním prostředí. Podmínkou pasivace je obsah chrómu v tuhém roztoku vyšší než 11,5%. Pro nerezavějící oceli je charakteristický nízký obsah uhlíku, obvykle nižší než 0,08%. Vyloučení karbidů chrómu na hranicích zrn působí mezikrystalickou korozi. Mezikrystalická koroze se vyskytuje obzvláště po svařování v tepelně ovlivněné zóně. Ochrana proti mezikrystalické korozi je vedena buď snížení obsahu uhlíku, nebo legováním Nb, Ta a Ti, • Žáropevné oceli Mají vysokou odolnost proti oxidaci a korozi a dlouhodobě stálé vlastnosti v horkých plynech. Použití ocelí neprocházející při ohřevu krystalografickou přeměnou, tzn, použití Cr oceli s feritickou strukturou nebo ocelí Cr-Ni s austenitickou strukturou příp. oceli austeniticko-feritické, které mají vyšší mez kluzu (400 až 600MPa) než oceli čistě austenitické a jsou také lépe obrobitelné. Oproti dříve vyráběným žáruvzdorným ocelím mají normované oceli až na výjimky obsah uhlíku pod 0,12% a mohou být svařitelné,

37. Vysokolegované oceli • Otěruvzdorné • Hadfeildova ocel - Manganové austenitické oceli jsou určeny pro vysoké měrné tlaky. Tyto oceli obsahují přibližně 1,2 až 1,5% C a 12 až 15 % Mn. Varianta v cca 18% Mn je používána pro nejvíce namáhané součástky. Austenitické struktury se dosahuje ohřevem na teploty 980 až 1100 °C s následujícím co nejrychlejším ochlazením ve vodě, aby se na hranicích zrna nevyloučilo karbidické síťoví. Oceli dobře tepelně zpracované mají tvrdost okolo 200 HB, mez kluzu 400 N/mm2, při pevnosti 800 až 900 N/mm2 a tažnosti 35 až 50%. Ocel v litém stavu nebo pomalu ochlazená je křehká. • Chromové karbidické - oceli mají základní strukturu tvořenu martenzitem, ve kterém jsou uloženy karbidy. Oceli obsahují 1,1 až 1,6 %C a 12 až 28 % Cr. Poměr obsahu uhlíku k obsahu chromu má obvykle hodnotu 1-10. Např. Ocel o složení 1,2 až 1,6 %C a 12 až 14 % Cr se používá k výrobě mlecích koulí a nástrojů. Na odlévání těles a oběžných kol kalových a bagrovacích čerpadel se používá materiál o obsahu 2,5 až 3,0 %C a 15 až 28 %Cr.

38. Soustava železo - uhlík • Uhlík je základním prvkem všech ocelí a výrazně mění vlastnosti železa (již od velmi nízkých koncentrací) • Při predikci vlastností technických slitin železa můžeme proto vycházet s určitou nepřesností z rovnovážného diagramu železa s uhlíkem • Uhlík rozhodujícím způsobem ovlivňuje jednak materiálové vlastnosti Re, Rm, A, Z, KV, tvrdost, ale také technologické vlastnosti jako např. svařitelnost nebo odolnost proti opotřebení. • Uhlík s železem tvoří intersticiální tuhý roztoky s omezenou rozpustností • Uhlík je současně jedním z nejdůležitějších prvků z hlediska metalurgie ocelí

39. Diagram Fe-Fe3C

40. Složky a fáze soustavy Fe–Fe3C Fáze – jsou stejnorodé, fyzikálně a chemicky odlišitelné části soustavy tvořené jednou či více složkami a oddělené od ostatních oblastí mezifázovým rozhraním. Fáze mohou být prvky, roztoky nebo chemické sloučeniny • Ferit – intersticiální tuhý roztok uhlíku v železe α, ferit je měkký, tvárný, Rm = 215 MPa, A = 70%, BCC • Austenit – intersticiální tuhý roztok uhlíku v železe γ, austenit je měkký, tvárný, FCC • Perlit – eutektoid v metastabilní soustavě. Jedná se o směs feritu a cementitu. V perlitu je cca 12%cementitu zb. Ferit, Rm = 800 MPa, HB = 280, Morfologicky se rozeznává perlit lamelární (lamely feritu a cementitu) a perlit zrnitý (ferit s globulárním cementitem) • Delta Ferit – intersticiální tuhý roztok uhlíku v železe δ • Cementit – intersticiální sloučenina železa a uhlíku tvrdý, křehký, až 900 HB • Ledeburit - eutektikum v metastabilní soustavě. Ledeburit je směs krystalů austenitu a cementitu

41. Doprovodné a legující prvky • Přechází do kovu ze vsázky, rudy, paliva (koks), atmosféry, • Ovlivňují vlastnosti oceli – pozitivně, negativně (nečistoty), • V případě že nepřekročí dohodnutou hranici jsou označovány za doprovodné, v opačném případě jsou označovány za legující prvky, • Vliv těchto prvků na vlastnosti slitin železa závisí zejména na jejich koncentraci (při nízkých koncentracích lze u některých prvků jejich vliv zanedbat, • Za doprovodné prvky, které u nelegovaných ocelí a litin ovlivňují znatelně jejich vlastnosti jsou ve většině případů považovány mangan, křemík, fosfor, síra, kyslík, dusík, vodík, • Posouzení o škodlivosti jednotlivých příměsí je nutno provádět na základě požadovaných vlastností vyráběné oceli, • Prvky někdy uváděné jako škodlivé, např. síra, dusík, fosfor, kyslík jsou pro některé oceli a litiny považovány za legující nebo je v některých případech požadována jejich určitá optimální koncentrace, • Naopak prvky považované za prospěšné jako mangan, chrom, hliník mohou být v některých případech požadovány v co nejnižší koncentraci např. v litině s kuličkovým grafitem,

42. Důvody legování oceli • Zvýšení mechanických vlastností, zejména pevnosti a tvrdosti při zachování vyhovující houževnatosti. Nejčastějšími legujícími prvky jsou Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, W, • Zvýšení prokalitelnosti legováním prvky, které snižují kritickou rychlost rozpadu austenitu, zejména přísadou Cr, Mn, Mo, V, Ni, B, • Ke zmenšení sklonu oceli k růstu zrna za vyšších teplot a dosažení jemnozrnné struktury vyloučením dispersních částic karbidů nebo nitridů se legují oceli Ti, Nb, Ta, V, K dosažení výše uvedených cílů se často leguje přísadou více prvků v koncentracích obvykle do dvou procent. V případě legování Ti, Nb, Ta, Mo se leguje obvykle do 0,10% každého prvku (mikrolegované oceli) • Zvýšení korozní odolnosti přísadou Cr a Cr společně s Ni, • Zvýšení žáropevnosti se dociluje vytvořením vhodně dispergovaných stabilních karbidů pomocí legování Cr, Mo, V, W, - tělesa armatur a skříní turbin pro teploty až do 600 °C • Vysoké odolnosti oceli proti opotřebení (otěruvzdorné oceli) se dosahuje legováním oceli prvky, které vytvářejí tvrdé karbidy Cr, Mo, W, V, Mn.

43. Segregace - odmíšení prvků Krystalizace slitin kovů probíhá téměř vždy v jistém teplotním rozmezí (nikoli při konstantní teplotě jako je tomu u čistých kovů) a krystalizující fáze má jiné chemické složení než základní matečná tavenina, z níž se krystalizující fáze vyděluje. Rozsah odmíšení lze vyjádřit pomocí tzv. rovnovážného rozdělovacího prvku k

44. Vliv jednotlivých prvků na vlastnosti oceli • Mangan se rozpouští ve feritu a zvyšuje pevnost a houževnatost oceli při zachování plastických vlastností. Mangan rozšiřuje oblast austenitu (zvyšuje A4 a snižuje A 3 ). Snížení teploty A3 působí na zjemnění lamel cementitu v perlitu. Podle výše uvedené normy není až do koncentrace 1,65% považován za legující prvek. Vyšší obsah manganu po roztavení brzdí uhlíkový var a odfosfoření. • Křemík zvyšuje pevnost a mez kluzu, nad 1% snižuje plastické vlastnosti feritu. Spolu s manganem podporuje křemík segregaci P, As, Sb, Bi, Sn, Pb za zvýšených teplot. Křemík ovlivňuje složení produktů dezoxidace a jejich morfologii, pokud není ocel dezoxidována např. Al. • Fosfor je v ocelích je rozpuštěn ve feritu (netvoří sloučeniny). Fosfor má výrazný vliv na vlastnosti ocelí v závislosti na jeho obsahu. Fosfor zvyšuje pevnost a tvrdost v závislosti na obsahu uhlíku v oceli. Při nízkých obsazích uhlíku do cca 0,01% zvyšuje fosfor tažnost, avšak při obsazích uhlíku nad 0,05% zvyšuje fosfor křehkost a tvrdost feritu. Vliv na křehkost silně vzrůstá již při obsahu fosforu nad 0,05%, kdy se zvyšuje také tranzitní teplota. U vysoce pevných ocelí zvyšuje fosfor sklon ke vzniku trhlin, prasklin a vede ke vzniku křehkých lomů (zejména za studena. Fosforu je zpravidla požadován v ocelích na odlitky pod 0,030% případně i pod 0,015%.

45. Vliv jednotlivých prvků na vlastnosti oceli Síra je nežádoucím prvkem jak v oceli na odlitky. • Přítomnost vyšších koncentrací síry může být u hmotnějších a těžkých odlitků příčinou vzniku trhlin. • V důsledku silného sklonu síry k odměšování dochází v mezidendritických prostorách k obohacování těchto prostor sírou. Při překročení její rozpustnosti v tavenině se síra vylučuje jako sulfidické vměstky, jejichž složení závisí na způsobu desoxidace. Tyto vměstky pak zhoršují mechanické vlastnosti, způsobují lámavost oceli za červeného žáru (oblast teplot mezi 500 a 600°C) a zhoršení tvařitelnosti. • Přítomnost prvků s vyšší afinitou k síře než železo (Mn) působí na vylučování sulfidů při její nižší koncentraci a usměrnění sulfidů do mezidendritických prostor je proto menší. • Prvky s nejvyšší afinitou k síře (Ca a prvky vzácných zemin) tvoří sulfidy při teplotách nad teplotou likvidu a vzniklé sulfidy mají kulovitý tvar a jsou po ztuhnutí rovnoměrně rozmístěné v matrici tzv. modifikace oceli

46. Morfologie sulfidických vměstků Vměstek I. typu vzniklý reoxidací během odlévání nelegované oceli. (100x ). Sulfid II.typu doprovázený oxidy III. typu (100x) Vměstky typu Ib v nízkoleg. Mn oceli ( 100x) Vměstky IV. typu ( 100x )

47. Vliv jednotlivých prvků na vlastnosti oceli Kyslík • Maximální rozpustnost kyslíku v železe při teplotě 1600 °C je 0,25%, • V ocelích je obsah kyslíku omezen přítomností dalších prvků, • Podle obsahu kyslíku v oceli při odlévání rozdělujeme oceli na uklidněné a neuklidněné. Zavedením technologie plynulého odlévání klesá význam i výroba neuklidněných ocelí, • Ocelové odlitky jsou vždy dezoxidovány – uklidněny (Al), • Kyslík tvoří se silnými dezoxidovadly oxidy stabilní nad teplotami tuhnutí. V tekuté oceli po dezoxidaci hliníkem bývá 50 – 80 ppm kyslíku ve formě oxidů (Al2O3) a přibližně 5 ppm kyslíku v roztoku, • Tvar a distribuce oxidů má podobně jako u sulfidů vliv na vlastnosti ocelových výrobků. Oceli silně znečištěné vměstky mají sklon k dřevitým lomům, • Při tuhnutí ocelových odlitků dochází k silné segregaci kyslíku, • Rozpustnost kyslíku ve feritu s teplotou klesá a vyloučené oxidy spolu s nitridy mohou být u neuklidněných ocelí příčinou zvýšení pevnosti a zkřehnutí oceli tzv. stárnutí oceli. U uklidněných ocelí je O a N vázán na hliník a k stárnutí nedochází • Kyslík a síra jsou hlavními zdroji vměstkův oceli (zhoršené metalografické čistoty ). Kyslík významně ovlivňuje také vlastnosti grafitických litin.

48. Vliv jednotlivých prvků na vlastnosti oceli Vodík • Maximální rozpustnost vodíku v železe při atmosférickém tlaku a teplotě 1600 °C je 0,0024% ( 24 ppm ) • Nelegované oceli obsahují při odlévání obvykle méně než 5 ppm vodíku, • Vodík je v ocelích považován za nežádoucí prvek, protože způsobuje zhoršení plastických vlastností, převážně houževnatosti, (aniž by však zvyšoval pevnost) • Vodík může v ocelích na odlitky v případě, že jeho obsah překročí maximální rozpustnosti vodíku v oceli, iniciovat vznik endogenních bublin zejména při lití na syrovo, • Vodík může být dále u ocelí příčinou vnitřních trhlin, tzv. vloček, v důsledku prudkého snížení rozpustnosti při fázové přeměně γ → α. Vznik vloček je však typický zejména pro vysocepevné oceli po tváření, • Vodíku je schopen difuze i při pokojové teplotě. Podle velikosti výrobku klesá jeho koncentrace po několika měsících pod 2,5ppm, • Značné koncentrace vodíku obsahují oceli po moření. Obsah vodíku lze snížit ohřevem na 200 až 600°C. Vodíkové korozi se zabraňuje stabilizací karbidů Cr, Mo, Ti, V (zabránění vzniku metanu při reakci vodíku a uhlíku v kovu ),

49. Vliv jednotlivých prvků na vlastnosti oceli Dusík • Maximální rozpustnost dusíku v nelegovaných ocelích při atmosférickém tlaku a teplotě 1600 °C je 0,044% ( 440 ppm ), • Obsah dusíku v nelegované oceli je obvykle v rozmezí 80 – 120 ppm, • Dusík tvoří s železem intersticiální tuhý roztok, (rozpustnost ve feritu při teplotě 580 °C je cca 0,1%, při pokojové teplotě činí méně než 1.10-3 %. • Dusík je v ocelích na odlitky obvykle považován za nežádoucí - stárnutím oceli. Při poklesu teploty dochází k tvorbě nitridů, které způsobují zhoršení některých materiálových vlastností, zejména tažnosti a vrubové houževnatosti, • Vyloučení nitridů je zvlášť nebezpečné v tepelně ovlivněných pásmech kolem svarů a u ocelí pracujících za teplot 200 až 300 °C a je možné jej eliminovat vázáním dusíku, zejména na Al, Ti, Zr, • V ocelích dezoxidovaných hliníkem může být dusík u masivních odlitků příčinou vzniku tzv. lasturových lomů, které jsou způsobeny vyloučením nitridu hliníku AlN na hranicích primárních zrn, • Dusík je silný austenitotvorný prvek, proto se používá jako legující přísada v austenitických korozivzdorných ocelích, • Podobně jako uhlík je dusík intersticiální prvek a způsobuje zpevnění matrice,

50. Výroba oceli na odlitky v ČR • V České republice je v současnosti cca 20 sléváren oceli, • Výroba oceli v elektrických pecích obloukových (EOP) a elektrických pecích indukčních (EIP), • V 5. případech výroba oceli s využitím prvků sekundární metalurgie – pánvová pec – VD a VOD konvertor • Ve slévárnách oceli v ČR je instalováno cca 55 EOP s hmotností vsázky 4 až 18 t, • Nejběžnějším tavicím agregátem jsou pece vyrobené v ČKD Praha pod označením OTO 5 (60. létech předána výroba do Polska, v závodě Huta Zabrze pod označením HZ 006),