Acél

A Wikipédiából, a szabad lexikonból.

Egy öreg bányafelvonó acél kötele

Az acél fémötvözet, fő összetevője vas 0,02 - 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.).

[szerkesztés] Vas és acél

Vasérc pellet acélgyártáshoz

A vas a fémek többségéhez hasonlóan elemi állapotban nem található meg a Föld kérgében. A földkéreg 4,7%-át a vas alkotja, több mint száz vasásvány formájában. A vas ércásványai közül legfontosabbak az oxigén tartalmú oxidok, pl: a magnetit (mágnesvasérc 72,4% vastartalommal) (Fe⁺²Fe ³⁺₂O₄), a hematit (vörösvasérc 70% vastartalommal) (Fe₂O₃), a limonit (vashidroxid-gél vagy barnavasérc 40% vastartalommal) (Fe₂O₃+nH₂O); a karbonátok pl: a sziderit (vaspát 48% vastartalommal) (FeCO₃) és szulfidok pl: pirit (vaskovand 46,6% vastartalommal) (FeS₂). A vasat az ércből úgy állítják elő, hogy az oxigént, a szén segítségével távolítják el.

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.

Vas-szén állapotábra
* - 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 + folyékony

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 vaskarbid: 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. Nikkel és mangán 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 α_T = 0,000012 ⁰C^-1
• hővezetési tényező λ = 58 W/mK
• Poisson-tényező ν = 0,30

[szerkesztés] Acéltermelés országok szerint

Forrás: United States Geological Survey

[szerkesztés] Lásd még

• Acélmetszet