Referaat Legeerivatest elementidest, legeerterastest elementidest (0)

Maria Paat
LEGEERTERASED
REFERAAT
Õppeaines: TEHNOMATERJALID
Mehaanikateaduskond
Õpperühm: TI-21a
Juhendaja : T. Pihl
Tallinn 2012
SISUKOR
Sissejuhatus 3
1. Legeerterased 4
1.1 Eriterased 5
1.1.1 Roostevabad terased 5
1.1.2 Kulumiskindlad terased 6
1.1.3 Kuumuskindlad terased 6
1.2 Masinaehitusterased 7
1.2.1 Tsementiiditavad terased 7
1.2.2 Kuullaagriterased 7
1.2.3 Legeeritud vedruterased 7
1.2.4 Automaaditerased 8
1.3 Legeeritud tööriistaterased. 8
1.3.1 Kiirlõiketeras 8
1.4 Ehitusterased 9
2. Legeerivad elemendid ja legeerivate elementide mõju 10
Kokkuvõte 13
Viidatud allikad 14

SISSEJUHATUS

Teras on sitke ning läikiv metallide sulam, mille põhiliseks komponendiks on raud, kuid sinna on lisatud ka teisi ühendeid nagu näiteks süsinikku kuni 2,14%. Kõik me oleme näinud ja teame mis on roostevaba teras, kuid paljud ei tea, et selline terase liik on saadud just legeerimise teel.
Legeerimiseks nimetakse struktuuri muutvate ning teatavaid kindlaid füüsikalis-, keemilis- või mehaanilisi omadusi andvate lisandite , niinimetatud legeerivate elementide manustamine metallisulamile (antud juhul terastele). Roostevaba teras sisaldabki lisaks rauale ja süsinikule ka vähemalt 10,5% kroomi ning tavaliselt ka vähestes kogustes niklit , molübdeeni ja veel teisi ühendeid.
Et saada erinevaid omadusi samale materjalile on vajagi materjale legeerida. Üks ja sama teras ei saaks töötada näiteks kiirlõiketerastena ja samas ka konstruktsiooniterastena, sest nende juures vajalikud on hoopis erinevad omadused. Sellepärast ongi vaja teada, mis elemendiga legeerides, mis omadused terastes muutuvad ja kuidas nende mõju avaldub terastele.
Järgnevalt saamegi teada, mida nimetatakse legeerterasteks, kus neid kasutatakse, millest tulenevalt saame ka leida põhjuse, miks teraseid üldse legeeritakse ning legeerivate elementide mõjust

Legeerterased

(suur tugevus, eriomadused, kasutatakse kõikides teraste liikides)
Terasteks nimetatakse süsiniku ja raua sulamit, milles on kuni 2,14% süsinikku, 1% mangaani ja 0,4 % räni. Nad leiavad üldjuhul kasutamist paljudes kohtades, masina- ja aparaadiehtuses, tööriistade valmistamisel, ehituskonstruktsioonides, energeetikas õhuliinide ja antennide mastides, eelkõige sellepärast, et neil on olemas kõik materjale iseloomustavad põhiomadused: mehaanilised, füüsikalis- keemilised, tehnoloogilised ja elektrilised omadused. Eurostandardi EN 10020 järgi liigitatakse terased kahte suurde gruppi- legeerterased ja mittelegeerterased ( tuntud ka süsinikterastena). Mittelegeerterased jagunevad alagruppidesse kahjulike lisandite sisalduse järgi ( fosfor ja väävel):
a) tavakvaliteetterased e. tavaterased,
b) mittelegeerkvaliteetterased,
c) mittelegeervääristerased
Legeerterased jagunevad samade tunnuste järgi kahte gruppi:
a) legeerkvaliteetterased,
b) legeervääristerased.
Legeerteraseid kasutatakse samades kohtades kus mittelegeerteraseid, kuid legeerterased erinevad valmistusviisi ja elementide sisalduse poolest. Legeerkvaliteetteraste hulka kuuluvad keevitatavad konstruktsiooniterased , surveotstarbelised terased, eriterased (magnetterased) jt. Legeervääristeraste gruppi kuuluvad roostevabad, kuumuspüsivad ja -kindlad terased, kuullaagri-, tööriista- ning eriomadustega terased
Kuid kuna vahest on vaja, et terased töötaksid äärmuslikes tingimustes (näiteks konstruktsiooniterased madalatel ja kõrgetel temperatuuridel , abrasiivsetes või korrodeerivates keskkondades ) on neid vaja spetsiaalselt legeerida, et nende talitusomadused muutuksid. Legeeritud terasteks nimetatakse selliseid teraseid, kuhu on lisatud peale räni, fosfori, süsiniku ja väävli veel teatav protsent legeerivaid elemente, milleks võivad olla nikkel , mangaan, kroom jne. Legeerivad elemendid moodustavad terases leiduvate lisanditega ja ka omavahel karbiide, millel on suur kõvadus, tugevus, kulumis- ja temperatuurikindlus. legeeritud teraseid eristatakse veel omakorda:
1) madalalt legeeritud ( milles on lisandeid kuni 3%)
2) keskmiselt legeeritud (lisandite hulk jääb vahemikku 3 – 5 %)
3)kõrgelt legeeritud (kus lisandid ületavad 5,5 %)
Teraseid liigitatakse järgmiselt:

Konstruktsioonterased

Ehitusterased

Masinaehitusterased

Lõike- ja mõõteriistaterased

Stantsiterased (külm- ja kuumstantsiterased)

Kiirlõiketerased

Eriterased

Roostevabad terased

Kuumuskindlad terased

Kulumiskindlad terased

Eriterased
1.1.1 Roostevabad terased Foto 1. Roostevabast terasest köögiriistad
Kõige enam levinud korrosioonikindlatest terastest, kus on kroomi (vähemalt 12%) ning ka niklit ja teisi legeerivaid elemente. Seda terast hakati kasutama peale I maailmasõda. Roostevabadest terastest valmistatakse töötavaid masinaosi korrodeerivas keskkonnas: ehitusdetaile, arsti- ja köögiriistu jne (vt Foto 1). Tuntuimad roostevabad terased on:

• kroomterased (13…27% Cr, Cr-sisalduse kasvuga suureneb ka terase korrosioonikindlus)
  
• kroomnikkelterased (legeeritud lisaks kroomile nikliga ning võivad sisaldada titaani, nioobiumi, lämmastikku
  

Esimeseks roostevabaks teraseks võib nimetada X5CrNi18-10. milles on 0,05% C, 18 % Cr ja 10 % Ni (tuntud kui teras 1.4301).C sisaldus peab olema madal, kui roostevaba terast on vaja keevitada (1.1.2 Kulumiskindlad terased
Et kulumine oleks minimaalne, peab pinnakõvadus olema suur, need kaks asja on omavahel tihedalt seotud. Sellepärast kasutatakse kulumiskindluse tõstmiseks selliseid tugevdamise meetodeid nagu legeerimist, pindamist, termo­keemilist töötlemist ja pindkarastamist. Läbilegeerimine on vähem tõhus (sisseviidavatest legeerivatest elementidest on detaili läbimõõdu 100 mm korral toimetõhusad ainult 2...3%), kõige efektiivsem on eri pindamismoodustega kõvade pinnete peale­kandmine ( leek -, plasmapihustamine-, detonatsioon - ja pealesulatamine, sadestamise pealekeevitamine jms.) Kulumiskindlate terastena kasutatakse legeerterastest tsementiiditud ja suurema C-sisaldusega mangaani, kroomi, volframi ja teiste elementidega legeeritud teraseid. Tuntuimad on mangaanterased.
1.1.3 Kuumuskindlad terased
Kuumustugevus on vastupidavus koormustele kõrgel temperatuuril. Kuumustugevad terased, mis töötavad temperatuuril kuni 350ºC on süsinikterased. Kuumuspüsivad terased on aga need, millede struktuur ja koostis kõrge temperatuuri juures ei muutu.
Eelkõige tagab terase kuumuskindluse (kuumuspüsivus+ kuumustugevus) kroomiga legeerimine. Selle tagamiseks legeeritakse teraseid lisaks kroomile nikli , molübdeeni räni ja teiste elementidega. Suurema C-sisaldusega kasutatakse klapiterastena (0,5…0,6%) kroomi (5…15%) ja räniga (1…3%) legeeritud teraseid. Mida suurem on Cr-, Al- või Si- sisaldus rauas , seda kõrgem on selle kuumuspüsivus. Kuumuspüsivuse temperatuuril 900 °C annab ca 10% Cr, 1000 °C juures aga on vajalik Cr-sisaldus juba 25%. Kuumuskindlad terased on näiteks sisepõlemismootorite vedrud , nõelad, pihustite , tõukurid, hülsid, puksid ja teised keeruka kujuga kuumust taluvad detailid valmistatakse terastest, mis sisaldavad alumiiniumi, vanaadiumi , kroomi ja molübdeeni.

Masinaehitusterased
( Nad peavad olema töökindlad, see tähendab, et nendel peavad olema kõrged tugevusnäitajad: Rm (tugevuspiir) ja ReH ( voolavuspiir ) või Rp 0,2 (tinglik voolavuspiir), vastuvõetav külmahapruslävi ja löögisitkus KU.)
1.2.1 Tsementiiditavad terased
Tsementiiditavad terastena kasutatakse madalsüsinikteraseid (0,1 ... 0,25 % C), mille kõvadus peale tavakarastust on väike. Peale tsementiitimist (pinnakihi rikastamist süsinikuga, C-sisaldus viiakse ∼ 1 %), karastamist ja madalnoolutamist on nende pinnakõvadus 58 ... 62HRC, südamiku kõvadus aga 30 ... 42HRC. Suure läbikarastuvusega legeerterased moodustuvad südamikus sorbiitse, trostiitse või isegi martensiitse struktuuri suure tugevusega , kuid madala süsinikkusisalduse.Pärast see südamik jääb sitkeks ja väsimustugevaks. Nii, et sõltuvalt koostisest võib jaotada tsementiiditavad terased kahte rühma: mittetugevneva ja tugevneva südamikuga.
1.2.2 Kuullaagriterased
Rull- ja kuullaagrite töötingimuste iseärasus on kõrgest survest tingitud materjali lokaalneddeformatsioon ja kuuli või rulli kontakt veerevõruga. Sellest tulenevalt peabkuullaagriteras olema suure kõvadusega (62HRC) ja väga ühtlase mikrosisaldusega,eelkõige kroomiga legeeritud teraseid. Selleks kasutatakse suure süsinikusisaldusega, eelkõige kroomiga legeeritud teraseid. Tuntumad sisaldavad ca 1% C ja 1,5% Cr. Nende teraste termotöötlus seisneb karastamises õlisse temperatuurilt 830...840 °C ja madalas noolutamises 150...160 °C 1...2 tunni jooksul. Saadakse peeneteraline struktuur, mis on kõva ja kulumiskindel ning hea vastupanuga väsimusele. Tavaliselt tehakse kuulid ja rullid veidi pehmemad kui veerevõrud. Suur kõvadus ja kulumiskindlus lubab kasutada kuullaagriteraseid ka tööriistaterastena külmlõike- ja survetöötlusstantside, pressvormide ja muu sellise valmistamiseks. Foto 2. Legeeritud vedruterased
1.2.3 Legeeritud vedruterased
Kuna vedrude, olgu nendeks siis kas keerd - spiraal- või lehtvedru (vt Foto 2 ) ning ka teiste elastsete detailide juures on oluline eelkõige terase elastsus ja ka tugevus. Igasugune elastne deformatsioon on lubamatu. Vedrud töötavad ju vahelduv-kordumatel koormustel, seega on tähtis nendel väsimuspiir, kõrge nõue on aga voolavuspiiril ja elastsusmoodulil. Olulist tähtust ei oma sitkus- ja plastsusnäitajad. Vedruterastesse lisatakse kroomi, vanaadiumi ja mangaani.
1.2.4 Automaaditerased
Automaaditeraseks nimetatakse automaatpinkidel töödeldavate detailide materjalina kasutatavat terast, mis sisaldab kuni 0,4% C ja tavalisest rohkem väävlit ja fosforit (kuni 0,2%). Tänu väävlile on teras hästi lõiketöödeldav (annab lõikamisel lühikese murduva laastu , mida lõiketsoonist on kerge eemaldada). Ent väävel viib alla terase mehaanilised omadused, eelkõige sitkuse.

Legeeritud tööriistaterased.
Nendele terastele lisatakse kroomi, volframi, vanaadiumi, molübdeeni, räni, mangaani. Legeeritud tööriistaterased ei ole keevitatavad. Legeeritud terasest lõikeriistadega võib töötada temperatuuril kuni 350º…500ºC C. Legeerivate elementide sisaldus annab lõikeriistale töödeldavuse, teritatavuse ja termilise töötluse võimaluse.
1.3.1 Kiirlõiketeras
See on kõrgelt legeeritud tööriistateras. Põhiliseks legeerivaks elemendiks on volfram , mis viiakse legeeriva elemendina sisse suures Foto 3 Kiirlõiketeras - puuriotsad
Koguses (6% - 8%). Volfram suurendab kiirlõiketerase kuumustugevust 500 …600ºC juures, mis teeb kiirlõiketerase võrreldes süsinikterasega 3- 3,5 korda paremaks. Volfram moodustab süsinikuga karbiide, mis on väga kõvad.
Nüüd on hakatud valmistama ka puidulõikeriistu nn poolkuumuskindlatest terastest, selle vahe seisneb selles, et lisaks väiksemale volframi hulgale on suur kroomi sisaldus. Suurest volframisisaldusest tngituna on kiirlõiketeras kallis Põhiline omadus ongi selle suur kõvadus (vt foto 3), mille tõttu suureneb ka kulumiskindlus. Head omadused avalduvad kiirlõiketerastes siiski alles peale termilist töötlemist ( karastamine jne).
(Üldlevinud tähis lõikeriista markeeringus on HSS (high speed steel ), P18, P6M5 (P tähele järgnev number tähistab volframisisaldust protsentides)).
Tabel 1 Mõningate tööriistateraste koosseis
Lõikeriista tüüp
Süsinik
Räni
Mangaan
Kroom
Volfram
Vanaadium
Molübeen
Nikkel
Koobalt
Lintsaed s 0,72
0,24
0,75
Lintsaed s> 1,1mm
0,75
0,20
0,35
2,0
Raamsaed
0,75
0,20
0,35
2,0
Freesid
1,65
12,0
0,5
0,1
0,6
Ketassaed
0,85
0,25
0,45
0,6
0,2
Freesmasina noad
0,70
4,0
7,5
1,8
4,5
Raiemasina noad
0,50
1,0
8,0
1,2
0,25
1,3

EHITUSTERASED
Ehitusterastena kasutatakse suhteliselt väikese süsiniku (kuni 0,2 %) ja legeerivate elementide sisaldusega (Si ja Mn 1 ... 2 %) teraseid. Harilikult kasutatakse ehitusteraseid mitmesuguste ristlõikega profiilmetallina (nurkteras, talad , armatuur jt) ning valmistaja väljastatud olekus. Seetõttu ei kuulu ehitusterased täiendavale termotöötlusele. Hea keevitatavus on peamine tehnoloogiline omadus. Kuna paljud ehituskonstruktsioonid töötavad tihti madalatel temperatuuridel ja dünaamilistel koormustel, siis üheks tähtsamaks omaduste näitajaks on külmahaprusläve.

LEGEERIVAD ELEMENDID JA LEGEERIVATE ELEMENTIDE MÕJU

Vajalike omaduste saamiseks, viiakse terasesse erisuguseid lisandeid nagu juba eelpool mainitud . Peale süsiniku viiakse terastesse vajalike omaduste saamiseks mitmesuguseid spetsiaalseid lisandeid. Nende mõju seisneb selles, et nad asuvad kristallivõres raua aatomite asemele, muutes sulami omadusi.
Legeeritavate elementide mõju terastes avaldub eelkõige järgmises: Foto 4 Legeerelementide mõju terase tugevusele
- nad mõjutavad raua polümorfsete muutuste ning eutektoidmuutuste
temperatuure ja eutektoidi süsinikusisaldust terastes,
- tõstavad ferriidi ja sellega terase tugevust,
- avaldavad mõju muutustele terase termotöötlusel.
- mõju terase omadustele
- mõju karbiidse faasi tekkele
(vt Foto 4 )
Tabel 2 Legeerivate elementide mõju terases (allikas:Hendre, E. jt. Materjalitehnika )
Element
Sisaldus %, üle
Mõju terastes
Si
0,5
Tõstab voolavuspiiri ja tugevust, halvendab plastsust . Trafoterastes kuni 4% ,suurendab vastupanu keemilistele reaktiividele, suurendab elastsust
Mn
1,65
Tõstab terase tugevust, kõvadust, elastsust, suurendab läbikarastuvust. Kulumiskindlates terastes ca 13%, soodustab austeniitstruktuuri teket.
Cr
0,5
Tõstab terase tugevust, kõvadust, läbikarastuvust, tagab korrosioonikindluse (>12%Cr). Konstruktsiooniterastes 1…2%, tööriistaterastes ca 12%. soodustab ferriitstruktuuri teket.
Ni
0,5
Tõstab terase sitkust, tugevust ja korrosioonikindlust. Kasutatakse koos kroomiga. Konstruktsiooniterastes kuni 5%, roostevabades terastes 8…10%. soodustab austeniitstruktuuri teket.
Mo
0,1
Suurendab kõvadust ja kulumiskindlust, alandab terase külmahaprusläve, parandab keevitatavust, tõstab roometugevust ja vähendab noolutusrabedust
W
0,1
Tõstab terase kõvadust ja kulumiskindlust. Põhilisand kiirlõiketerastes
Co
0,1
Tugevdab terast; parandab selle magnetomadusi. Side­aine kõvasulameis
V
0,12
Tõstab terase kõvadust. Kasutatakse tera peenendajana
Ti, Nb
Tõstab terase tugevust ja sitkust. Kasu­tatakse tera peenendajana
Tähtsaimaks legeerivaks elemendiks võiks pidada kroomi, see tõstab terase kulumiskindlust ja kõvadust. Suurenevad ka terase läbikarastatavus ja korrosioonikindlus. Kroomi kasutamisega moodustuvad karbiidid, mis parandavad terase lõikeomadusi. Ka kroom alandab terase plastsust nagu süsinikki, seetõttu on saeterastes kroomisisaldus väiksem kui 1%, freeside ja nugade terastes sisaldub kroomi, aga kuni 12%.
Volfram tõstab juba väikestes kogustes terase kõvadust ja tugevust ilma plastilisust vähendamata, tekitab terases peeneteralise struktuuri ja parandab lõikeriista lõikeomadusi. Volfram kui raskeltsulav metall ( sulamistemperatuur 3410º) muudab terase kuumuskindlamaks. Volfram on kallis metall ja tema kogus vähelegeeritud terastes kõigub piires 1…2%.
Vanaadium on üks parimaid terase legeerivaid elemente, mis tõstab terase tugevust, jäikust, kõvadust ja plastilisust. Vanaadium muudab struktuuri peeneteraliseks, tema sisaldus terases ei ületa tavaliselt 0,3%. Vanaadium tõstab ka terase kuumuskindlust.
Molübdeen suurendab juba väikestes kogustes terase kõvadust ja plastilisust. Tõusevad terase lõikeomadused (eelkõige kuumuskindlus ) ja kulumiskindlus. Ta on samaväärne vanaadiumi ja volframi asendaja . Analoogselt volframiga on molübdeenil kõrge sulamistemperatuur (2620º C), terase kuumuskindluse tõstmiseks võib seda võrreldes volframiga 2x vähem sisse viia. Molübdeeni mõjul tekib terasel negatiivne omadus kalduvus süsiniku väljapõlemisele pinnakihist.
Koobalt suurendab terase plastilisust, kulumiskindlust ja lõikeomadusi (eelkõige kuumuskindlust). Tõusevad ka materjali magnetilised omadused ja tugevust, samas suureneb terase haprus, see tähendab et teras muutub peenestruktuurilisemaks. Koobaltterased on tundlikud termilisel töötlemisel ülekuumutamisele.
Nikkel tõstab terase plastilisust ja sitkust vähendades samaaegselt kõvadust. Samuti tõstab terase korrosioonikindlust. 2% niklilisand on kohustuslik lintsaeterastest, kus saetee laiendamiseks kasutatakse hammaste paksendamist.
Räni tõstab terase tugevust. Kontsentratsioonidel üle 2,5% väheneb terase plastilisus. parandab terase voolavust ,suurendab vastupanu keemilistele reaktiividele, suurendab elastsust
Titaan suurendab terase tugevust, kuumuskindlust ning ka tihedust ja moodustab terases peeneteralise struktuuri.

KOKKUVÕTE

Kuna tihti on vaja, et terased töötaksid erinevates tingimustes (näiteks konstruktsiooniterased madalatel ja kõrgetel temperatuuridel, abrasiivsetes või korrodeerivates keskkondades) tuleb neid vastavalt legeerida, et nende talitusomadused muutuksid. Sellepärast ongi hulk erinevaid elemente, millega legeerides terase omadused vastavalt muutuvad.
Teraseid liigitatakse järgmiselt: 1) Konstruktsiooniterased, mille alla kuuluvad ehitus- ja masinaehitusterased; 2) Lõike- ja mõõteriistaterased, kuhu kuuluvad stantsi- ja kiirlõiketerased; 3) Eriterased, mille alla loetakse roostevabad- , kulumis- ja kuumuskindlad terased. Neid kõiki legeeritakse vastavalt vajadusele.
Legeeritud terasteks nimetatakse teraseid, mis sisaldavad legeerivaid elemente lisandina , molübdeeni, volframit, mangaani, niklit, kroomi ja teisi metalle . Legeerivad elemendid avaldavad märgatavat mõju terase omadustele. Legeerivad elemendid moodustavad terases leiduvate lisanditega ja samuti ka omavahel karbiide, millel on suur kõvadus , tugevus, kulumis- ja temperatuurikindlus.
Näiteks lisades kroomi kuni 13%, muudab see terase korrosioonikindlaks ja suurendab kõvadust. Mo ja W suurendavad terase kuumakindlust, Mn seevastu tõstab terase kulumiskindlust, Ni suurendab terase sitkust ja vähendab soojuspaisumist, seetõttu ongi sellest sulamist valmistatud väga palju mõõteriistade osi. Cr ja Ni koos suurendavad terase kõvadust ja püsivust keemilistele mõjutustele.

VIIDATUD ALLIKAD

E- õpe , legeerivad elemendid [WWW]

http://www.e-ope.ee/_download/euni_repository/file/2164/Metallid.zip/legeerivad_elemendid.html (26.01.12)

masinatehnika loengu konspekt [WWW] http://www.scribd.com/doc/11023301/masinatehnika-loengu-konspekt (25.01.12)

Lõikeriistad [WWW]
http://web.zone.ee/pildidt/LoikeriistadI.pdf (26.01.12)

Materjalid TTÜ [WWW]
. http://www.ene.ttu.ee/leonardo/materjalid/Materjalid.pdf (26.01.12)

Terased [WWW]
http://sites.google.com/site/terased/2-mustad-metallid-ja-nendesulamid/2-2-terased-suesinikterased-legeerterased-toeoeriistaterased-eriomadustega-terased-ja-nende-kasutamine (25.01.12)

Materjaliõpetus elektrikele [WWW]
http://opiobjektid.tptlive.ee/Materjaliopetus/terased.html (27.01.12)

Materjali valik ja konstrueerimine [WWW]
http://www.ttu.ee/public/m/materjalitehnika-instituut/MTM0030/01_Konstruktsioonitugevus.pdf (25.01.12)

Masinatehnika loengumaterjal [WWW] http://www.mh.ttu.ee/maido/KAITSTUD_2010/Masinatehnika_TT%C3%9CKK_2010S/MHE0061_Penkovi_Loengukonspekt.pdf (26.01.12)