Jaké druhy ocelí existují?

Ocel je slitina, jejíž hlavními prvky jsou železo a uhlík, její hmotnostní podíl teoreticky nepřesahuje 2,14% (v praxi – ne více než 1,5%). Složení obsahuje také trvalé a náhodné nečistoty, které mají různý vliv na kvalitu materiálu (lze přidat síru, fosfor, mangan, křemík);

Ocel se vyrábí zpracováním surového železa a šrotu. Při tomto procesu se snižuje obsah uhlíku a zbytečných nečistot a zavádějí se potřebné přídavné složky pro zajištění požadovaných vlastností materiálu.

Druhy ocelí a jejich klasifikace

Metalurgie železa vyrábí mnoho druhů oceli s různými vlastnostmi, materiály jsou klasifikovány podle způsobu výroby, chemického složení, účelu, kvality, stupně dezoxidace, struktury.

Podle výrobní metody

Vlastnosti slitiny oceli do značné míry závisí na technologii výroby. Tradiční metodou přetavování surového železa a šrotu je provádění procesu v otevřených pecích, jejichž hlavní nevýhodou byla doba tavení a značné emise škodlivých látek do ovzduší. Postupně byly otevřené pece nahrazeny kyslíkovými konvertory a elektrickými pecemi. Vysoce kvalitní slitiny legované oceli jsou vyráběny pouze technologií elektrostruskového přetavování.

Podle chemického složení

Podle chemického složení se oceli dělí na uhlíkové oceli, používané za standardních provozních podmínek, a legované oceli, používané při vysokých teplotách a/nebo v agresivním prostředí. Uhlíkové a legované oceli se dělí podle obsahu uhlíku do následujících typů:

• nízkouhlíkové – obsahují méně než 0,3 % C;
• středně uhlíkaté – obsah C v rozmezí 0,3-0,7 %;
• s vysokým obsahem uhlíku – podíl uhlíku přesahuje 0,7 %.

Procento významně ovlivňuje technické vlastnosti legovaných i nelegovaných ocelových slitin. Čím je větší, tím vyšší je tvrdost a křehkost materiálu, tím horší je obrobitelnost, svařitelnost a schopnost deformace. Pro lisování tvarově složitých výrobků za studena se vybírají slitiny, ve kterých obsah C nepřesahuje 1 %. Nízkouhlíkové oceli lze svařovat bez omezení, to znamená, že nevyžadují předehřívání ani zvláštní podmínky chlazení. Při svařování středně a vysokouhlíkových slitin se používají další technologické operace, aby se zabránilo praskání.

Uhlíkové oceli obsahují železo, uhlík, trvalé a náhodné nečistoty; legované, kromě těchto složek, jsou přísady, které poskytují požadované technické vlastnosti. Běžné legující prvky a jejich účinky:

• Chrome (Cr). Levný a rozšířený prvek, jehož zavedení do složení ocelových slitin zvyšuje jejich pevnost, tvrdost a prokalitelnost. Pokud je obsaženo v množství 13 % nebo více, odolnost materiálu proti korozi se zvyšuje.
• Nikl (Ni). Deficitní aditivum, obvykle zaváděné v množství nepřesahujícím 5 %. Často se používá v korozivzdorných ocelích ve spojení s chromem. Slouží ke snížení prahu křehkosti za studena, zajišťuje pevnost a houževnatost. Poskytuje nízký lineární a objemový koeficient tepelné roztažnosti. V současné době je pozornost věnována vývoji korozivzdorných jakostí bez obsahu niklu.
• Molybden (Mo) a wolfram (W). Drahé slitiny používané při výrobě rychlořezných ocelí pro zvýšení jejich tepelné odolnosti. Tyto prvky zvyšují odolnost proti červené barvě, odolnost proti opotřebení a rázovou houževnatost.
• Mangan (Mn). V množství do 0,6 % se jedná o trvalou nečistotu. Když se procento uměle zvýší, mangan funguje jako levnější alternativa niklu. Zlepšuje houževnatost, odolnost proti opotřebení a tvrdost při zachování dobré tažnosti. Mn váže síru a tím neutralizuje její negativní dopad na kvalitu materiálu. Nevýhodou manganu je, že slitina je citlivější na přehřátí.
• Křemík (Si). Stejně jako mangan je to stálá nečistota v množství do 0,4 %. Umělé zvýšení jeho obsahu umožňuje zvýšit elasticitu a pevnost materiálu. Vysoké procento Si dává slitině speciální vlastnosti požadované v elektrotechnickém průmyslu, při výrobě pružinových, kyselinám a okují odolných jakostí.
• titan (Ti). Poskytuje komplex cenných výkonnostních charakteristik – pevnost, tvrdost a tažnost, zvyšuje tepelnou odolnost materiálu.

Klasifikace jakosti legované oceli podle počtu legujících přísad:

• nízkolegované – do 5 %;
• legované – 5-10 %;
• vysoce legované – nad 10 %.

Do cíle

Podle oblastí použití jsou všechny třídy oceli běžně rozděleny do následujících typů:

• Strukturální. Nejrozsáhlejší kategorie používaná ve stavebnictví pro vytváření svařovaných kovových konstrukcí, ve strojírenství, pro výstavbu inženýrských sítí. Zahrnuje běžnou jakostní ocel, vysoce kvalitní uhlíkovou ocel, nízko a středně legované jakosti. Slitiny konstrukční oceli jsou podrobeny různým typům tepelného (HT) a chemicko-tepelného zpracování (CHT).
• Instrumentální. Používá se při výrobě řezných, měřicích a lisovacích nástrojů. Jsou na ně kladeny vysoké požadavky na prokalitelnost, schopnost zachovat pevnost a odolnost proti opotřebení při zahřátí.
• Zvláštní účel. Jedná se o konstrukční slitiny se speciálními vlastnostmi – kyselinovzdorné, žáruvzdorné, žáruvzdorné a s vysokým elektrickým odporem.

Tabulka symbolů chemických prvků v označení

Název prvku	Symbol	Název položky	Symbol
Chrome	Х	Dusík	А
Silikon	С	Nikl	Н
Titan	Т	Kobalt	К
Měď	Д	Molybden	Mo
Wolfram	В	Hliník	Ю
Vanad	Ф	Mangan	Г

Podle kvality

Kvalita je soubor vlastností, které jsou určeny charakteristikou výroby, složením surovin a doplňkovými technologickými postupy. Kategorie kvality:

• Obyčejná kvalita. Tato skupina zahrnuje pouze nelegované třídy. Množství síry nepřesahuje 0,06%, fosforu – 0,07%.
• Vysoká kvalita. Existují nelegované a legované. S – ne více než 0,04 %, P – až 0,04 %.
• Vysoká kvalita – nelegované a legované. Obsah síry je do 0,02 %, fosforu – 0,03 %.
• Zvláště vysoká kvalita. Tyto legované druhy, získané elektrostruskou nebo přetavením elektrickým obloukem, obsahují minimální možné množství škodlivých nečistot: síru – ne více než 0,15%, fosfor – až 0,025%.

Podle stupně dezoxidace

Dezoxidace je operace, při které je ze slitiny odstraněn kyslík, což způsobí její křehký lom při vysokoteplotní deformaci. Prvky používané k dezoxidaci: hliník, mangan, křemík Klasifikace jakostí oceli podle stupně dezoxidace, který ovlivňuje technologické vlastnosti materiálu:

• Vařící. Při tuhnutí se uvolňují plyny, které vytvářejí imitaci varu kompozice. V tomto případě se k dezoxidaci používá mangan. Do této kategorie obvykle spadají třídy s nízkým obsahem uhlíku. Z pece se vykládají téměř okamžitě po přidání dezoxidátorů. V některých případech se tavenina dezoxiduje v pánvi. Varné slitiny se používají k výrobě válcovaných výrobků s velkými průřezy, které jsou následně roztaveny na materiál vyšší kvality nebo podrobeny deformaci za tepla za účelem výroby válcovaných výrobků s menšími průřezy.
• Poloklidný. Existují pouze uhlíkové. Mají dobrou tvárnost. K dezoxidaci se používá mangan a hliník.
• Uklidnit. Vysoce kvalitní legované druhy se vyrábějí pouze v klidných jakostech. K dezoxidaci se používá mangan, křemík a hliník. Téměř veškerý kyslík v těchto slitinách je vázán deoxidačními činidly vzniklými v důsledku oxidačních reakcí, stoupá nahoru a je odstraňován spolu se struskou. Tavenina se ochlazuje a není doprovázena uvolňováním plynů.

Podle struktury

Konstrukční forma oceli závisí na chemickém složení, způsobu výroby a dalších technologických operacích. Rozlišuje se struktura materiálu v žíhaném a normalizovaném stavu. V žíhaném stavu je možných 6 typů struktury:

• Hypoeutektoidní. Struktura obsahuje ferit a perlit, což je směs dvou fází – feritu a cementitu (neboli karbidů). Feritická třída zahrnuje všechny uhlíkové a nízkolegované ocelové slitiny.
• Eutektoidní. Perlitová struktura zajišťuje dobrou obrobitelnost ocelové slitiny. Jeho rozptýlené typy jsou troostit a sorbitol.
• Hypereutektoidní. Perlit a cementit, který je zástupcem intruzních fází.
• ledeburit. Primární ledeburit (eutektická směs perlitu a cementitu).
• austenitické. Jedná se o tuhé roztoky přesycené uhlíkem. Slitiny této třídy vznikají při vysokých koncentracích chrómu, niklu a manganu. Vyznačují se vysokou úrovní rázové houževnatosti.
• Feritický. Je to tuhý roztok mírně nasycený uhlíkem.

Uhlíkové oceli mohou mít strukturu jedné z prvních tří tříd, legované oceli mohou mít všech šest. Po normalizaci jsou možné 4 strukturní stavy: feritický, perlitický, austenitický a martenzitický. Martenzitická struktura vlastní středně a vysoce legovaným ocelím se vyznačuje vysokou pevností a jemnou zrnitostí.

Zásady klasifikace a značení oceli podle ruského systému

V Rusku se používají alfanumerické značky, jejichž konkrétní typ závisí na kvalitě slitiny.

• Oceli běžné jakosti jsou označeny písmeny st, za nimiž je uveden index jakosti (0-6) a stupeň dezoxidace. Sp – klid, ps – poloklid, kp – vroucí. Vpředu se může objevit písmeno A (slitina má zaručené mechanické parametry, často se na ni dává), B – se zaručeným chemickým složením, C – se zaručenými mechanickými vlastnostmi a chemickým složením. Příklad: St3 – ocel běžné jakosti se zaručenými mechanickými vlastnostmi a podmíněným indexem 3, pro kterou je obsah uhlíku 0,14-0,22 %.
• U vysoce kvalitních ocelí nejsou na začátku označení žádná písmena. Množství uhlíku se udává v setinách procenta. Na konci je nastavena úroveň dezoxidace. Příklad: 08 kp. Obsah uhlíku – 0,08%.
• Vysoce kvalitní nástrojové oceli mají na začátku označení písmeno U, za nímž následuje množství C v setinách procenta. Na konci označení vysoce kvalitní slitiny je umístěno písmeno A. Například označení U7A znamená vysoce kvalitní uhlíkovou ocel s obsahem uhlíku 0,07 %.
• U rychlořezných ocelí začíná označení písmenem P, za nímž je množství wolframu uvedeno v procentech. Například P17 je vysokorychlostní slitina obsahující 17 % W.
• U konstrukčních legovaných ocelí se obsah uhlíku udává v setinách procenta. Dále je uveden symbol prvků a jejich obsah v procentech. Příklad: 12H18H10Т. Tato ocel obsahuje 0,12% uhlíku, chrom – 18%, nikl – 10%, titan – přibližně 1%.

Jak dešifrovat jakost oceli v evropských a amerických systémech

Pro korozivzdorné oceli v Evropě a Americe se často používá systém značení AISI. Vyžaduje tři čísla a jedno nebo více písmen. První číslice v kovovém označení označuje třídu oceli. Další dvě číslice odpovídají sériovému číslu slitiny ve skupině. Význam písmen používaných při označování ocelových slitin:

• obsah uhlíku menší než 0,03 %;
• obsah C v rozmezí 0,03-0,08 %;
• slitina obsahuje dusík;
• nízkouhlíkové oceli obsahující dusík;
• vysoká koncentrace síry a fosforu;
• obsahuje selen, B – křemík, Cu – měď.

Ve Spojených státech lze použít jiné systémy značení. V Evropě existuje systém, který je v mnoha ohledech podobný ruskému systému označování. Obsah uhlíku se udává v setinách procenta. Rozdíly jsou v tom, že nejprve jsou uvedeny legující prvky a poté následují jejich procenta ve stejném pořadí podle periodické tabulky. Pokud je nějaký prvek přítomen v množství větším než 5 %, pak se před označení umístí písmeno X. Například: X5CrNi18-10. Tato ocel obsahuje 0,05 % uhlíku, 18 % chrómu a 10 % niklu.

Tabulka označení legovaných ocelí v různých systémech značení

americký standard ASTM A240	evropské normy EN10088-2 a EN 10095	Ruská norma GOST 5632-2014	Chemické složení, %
			C max	Cr	Ni	Mo	Ti
Austenitická třída
Odolný proti korozi
AISI304	1.4301	12H18H9	0,07	17-19	8-10
AISI 304DDQ	1.4301	08H18H10	0,07	17-19	9-10
AISI 304L	1.4307	04H18H10	0,03	18-19	8-10
AISI 316	1.4401	03H17H14M2	0,03	16,5-18,5	10-13	2-2,5
AISI 316L	1.4432	03H17H14M3	0,03	16,5-18,5	10,5-13	2,5-3
AISI 316Ti	1.4571	08X17H13M2T	0,08	16,5-18,5	10,5-13,5	2-2,5	5*C-0,7
AISI 321	1.4541	12X18H10T	0,08	17-19	9-12	5*C-0,7
Tepelně odolný a tepelně odolný
AISI 309S	1.4833	20H23H13	0,15	22-24	12-14
AISI 310 S	1.4845	20H23H18	0,10	24-26	19-22
Feritická třída
Slitiny korozivzdorné oceli
AISI 410S	1.4000	08X13	0,08	12-14
AISI 430	1.4016	12X18	0,12	16-18
AISI 430Ti	1.4510	08H17T	0,08	16-18	Do 0,8
AISI 409	1.4512	08X13	0,08	0,5-11,75
Martenzitická třída
Slitiny korozivzdorné oceli
AISI 410	1.4006	12X13	0,08-0,15	11,5-13,5
AISI 420L	1.4021	20X13	0,16-0,25	12-14
AISI 420	1.4028	30X13	0,26-0,35	12-14
AISI 420	1.4031	40X13	0,36-0,42	12,5-14,5
AISI 420	1.4034	45 × 13	0,43-0,5	12,5-14,5