ocel

Ocł jest stopą cyny z węglem i stopami (mangan, chrom, wanad, krzem i inne), w której zawartość węgla jest mniejsza niż jego maksymalna rozpuszczalność w austenicie, co wynosi 2,14%. Stop cyny z węglem i innymi stopami z zawartością węgla większą niż 2,14% nazywa się cynową stopą. Węgiel z cyną tworzy różne strukturalne składniki, np. ferryt, austenit, cementyt, perlit, ledeburit lub martensyt.

Własności

Całkowicie

Gstością ocłi wynosi 7,85 g/cm³. Wytrzymałość na rozciąg R_m jest zwykle od 300 N.mm^-2 do 1500 N.mm^-2.

Ocł jest najczęszym materiałem konstrukcyjnym. Istnieją materiały twardsze, wytrzymalsze, bardziej odporne, ciepłowoodporne... ale śaden nie ma takich wyważonych własności, - twardości, sprężystości, wytrzymałości i prostoty obróbki i recyklingu. śaden inny materiał (z danymi mechanicznymi i wytrzymałościowymi) nie daje się tak dobrze obrabiać i formować.

C/Fe fazowy, z warunkami tworzenia poszczególnych faz. Dla nieograniczonego powolnego zmiany temperatury.

Cyna i węgiel

Węgiel jest najważniejszym stopem. Jakość ocłi nie zależy tylko od zawartości węgla, ale takłe od sposobu cieplnej obróbki.

Na obrazku są poszczególne fazy:

α - czysta cyna - cyna alfa
γ - austenit
* - ledeburit
po † - ferryt
nad † - perlit
I - stopiony

Na wykresie widać tzw. charakterystykę V, która występuje w systemach, które są całkowicie rozpuszczalne tylko w stanie ciekłym i mało rozpuszczalne w stanie stałym (patrz eutektikum).

W podstawie ten diagram da się rozdzielić na części:

Eutektyczna - pod stopionym, z eutektyką na 1150 °C, zawartość węgla 4,3 %
Eutektoitna - przenikanie faz w stanie stałym, pod γ-obszarem, z eutektoitą na 723 °C, zawartość węgla 0,8 %
Peritektyczna - stosunkowo mały obszar w lewo górnie (delta kryształy) z peritektoitą ok. 1430 °C.

Te fazy pojawiają się tylko przy nieograniczonego powolnym chłodzeniu/grzaniu. Przy szybkim chłodzeniu (zwięanie) powstaje np. martensyt, który zwiększa twardość. Przy powolnym chłodzeniu u austenitowych ocłi zazwyczaj zwiększa się plastyczność.

Do dynamicznych przebiegów stosuje się TTT diagramy. Położenie TTT diagramów da się przedstawić tak, że prostopadle do binarnego diagramu dodajemy oś czasową ("wystaje" z obrazu). Te zmieniają się dość mocnie w zależności od zawartości węgla i stopów. W tych pojawiają się takŁe pośrednie fazy jak np. bainit.

Widoczny wpływ ma mangan, który czynni ocł austenitową nawet przy większej zawartości węgla i wspomaga tworzenie martensytu nawet przy powolnym chłodzeniu.

Zbyt duła zawartość węgla ogólnie zwiększa krucheść, tzn. zmniejsza względną plastyczność, ten problem nie dotyczy cynowej stopy.

Dodaje się albo w formie węglizacji do stopionego albo pozostawia powierzchniowo nasiąkną do austenitizowanej ocłi (np. przy węglizacji).

Stopowe elementy

Więcej informacji w głównym artykule: Stopienie

Przy produkcji różnych rodzajów ocłi (według celu) stosuje się różne stopowe elementy (stopy), które dodaje się do stopionego w celu modyfikacji własności ocłi. Stopy dodaje się głównie bezpośrednio wpuszczają do cynnej stopionego. Czasem stop jest topiony trudniej niż cyna lub odwrotnie. Tam stosuje się różne triki, jak eutektyzacja, przy której jednak nie powstaje czysta stopa. W przypadku niewystarczającej rozpuszczalności stopy w stopionego ocłi konieczne jest zastosowanie metalurgii proszkowej. Mówi się to teź sinter.

Twardość

Twardość zwiększa się stopami: wanad - dzięki karbidacji, wolfram - ekstremalnie twarda karbida, potrafić jeszcze cięć i czerwony

Wytrzymałość

Wytrzymałość zwiększa się stopami mangan, chrom, nikl, ale takŁe dodatkowymi obróbkami mechanicznymi np. zimne kucie i obróbkami cieplnymi np. zwięanie. Teoretyczna wytrzymałość cyny przy idealnej sieci krystalicznej (obliczona wartość) wynosi ok. 40000 N.mm^-2. Najwytrzymalsza ocł na rynku ma 1500 N.mm^-2.

Odporność na zuźycie

Ta własność jest potrzebna dla elementów obciążonych zuźyciem (np. łańcuchowe połączenia) lub przy narzędziach obróbkowych, gdzie zuźycie ostrza. Aby poprawić tę własność wykorzystujemy stopy: Węgiel - martensyt, ale takŁe cementyt, Kobalt, Wanad, Wolfram

Odporność na ciepło, wytrzymałość na ciepło

Zwykła ocł traci przy obciążeniu cieplnym (już przy 300 °C) własności - głównie twardość i wytrzymałość (motory, turbiny ...). Wytrzymałość na ciepło poprawia się po dodaniu stopów: nikl, wolfram, chrom, molibden, wanad. Nominalna pracy dla takich ocłi wynosi od 300 °C do 550 °C. Ocł nad 550 °C są juź wysokotemperaturowe ocłi. Nad 800 °C juź większość ocłi jest nieprzydatna. W warunkach laboratoryjnych da się wyprodukować ocł, która jeszcze przy 1000 °C ma ok. 500 N.mm^-2, ale produkuje się ekstremalnie trudno (na wiele etapów produkcyjnych i po trudnym wyciszeniu).

Elastyczność

Elastyczność jest własnością, która podaje, aż do jakiego momentu można odkształcić ocł tak, aby wróciła do pierwotnego stanu. Tę własność wykorzystujemy np. przy władzinach. Aby poprawić elastyczność ocł stopuje się krzem.

Specjalne stopy

Magnez - wspomaga tworzenie kulek przy cynowych stopach (stopach o własnościach podobnych do ocłi), Berylium - Cu-Be- stopy ocłi, spowalnia zmęczenie materiału (przy powtarzanej zmianie obciążenia), np. przy władzinach

Podział ocłi

Podział zawartości węgla

Pod-eutektoitowe - z zawartością węgla poniżej 0,8 %
Eutektoitowe - 0,8 % węgla
Nad-eutektoitowe - między 0,8 % a 2,06 %

Podział stopienia

Niskostopowe
Wysokostopowe - powyżej 5% stopowych elementów

Podział spokojenia

Spokojne - tlen został usunięty
Niespokojne

Podział zastosowania

Automatowe ocłi - ocłi przeznaczone na dodatkowe obróbka skrawaniem
Ocłi na zwięcie - ocłi przeznaczone na dodatkowe obróbki cieplne
Węglizacyjne ocłi - ocłi przeznaczone na uszlachcicenie zużytych części. Niskostopowe lub niespokojne ocłi z mniej niż 0,25% węgla, na powierzchni węglizuje (węglizuje) i zwięca. Po zwięciu mają dobre plastyczne własności.
Konstrukcyjne ocłi - ocłi do konstrukcji budowlanych i maszynowych, do zastosowania decydują się takŁe ekonomia
Azotacyjne ocłi - ekstremalnie twarda i odporna na zuźycie. Twardość 750 HV do 1200 HV.
Władzinowe ocłi - wysoka granica sprężystości.
Niekruchośne ocłi (krioocłi) - ocłi, które przy niskich temperaturach nie kruchośne. Niespokojne do -60 °C, niskostopowe do -120 °C i wysokostopowe do -250 °C.
Lozyskowe ocłi
Narzędziowe ocłi - ocłi do produkcji narzędzi, czy to do obróbki skrawaniem czy ręcznych narzędzi
Spożywcze ocłi - specjalnie uszlachciczone ocłi z zerową zawartością metali ciężkich i szkodliwych zanieczyszczeń
Głęboko tłoczone ocłi - ocłi do tłoczenia blach, np. do produkcji karoserii samochodów. Zwykle niskowęglowe ocłi.

Obecność

Produkcja

Podstawa

Obecnie ocł produkuje się na dwa sposoby - albo jako pierwotna ocł (tylko jej podstawa) produkuje się w wysokich piecach. W zasadzie tylko surowa cyna - to potem zkujnia i spokojenie i potem dodaje się stopy. Tu stosuje się LD-Konwertor lub w ostatnich czasach Corex.

Siemensa-Martinowskie piece są dzisiaj już bezskutecznie przestarzałe.

Lub ocł dokładnie wymieszana w piecach elektrycznych. Ta metoda jest mało- i średnio seryjowej produkcji dość często stosowana ze względu na swoją ekonomiczną elastyczność.

Donawitzowa metoda (LD-Konwertor)

Do stopionego konwertora przez długą cienką rurę - kopiję - wpuszcza się 98% tlen. Dodatkowo dodaje się złom i rudę, aby zredukować udział surowej cyny. Tlen reaguje z cyną i powstaje przy tym tlenek cyny FeO, który spala niepożądane zanieczyszczenia i to w tym porządku:

Krzem - 2FeO + Si → SiO₂ +2Fe
Mangan - FeO + Mn → MnO + Fe
Węgiel - FeO + C → CO + Fe
Fosfor - 5 FeO + 2P → P₂O₅ + 5Fe
Siarka - 2 FeO + S → SO₂ + 2 Fe

Przy tej metodzie musi być dodatkowo dostarczany stopiony, aby dawkę nie ochłodziło. Gotowa ocł potem wylewa się z konwertora do miseczki na dalsze przetwarzanie. Maks. pojemność konwertora wynosi ok. 250t.

Najbardziej korzystna metoda produkcji ocłi cenowo dla dużych ilości.