Ocel

Profesionálové z branže často hovoří o oceli i tak, že se nachází v určité fázi výroby (pak jde o cementit, ledeburit, perlit, austenit, ferit α), jenž jsou popsány ve fázovém binárním diagramu železo-uhlík a to v řadě struktur (žmirin, troostit, sorbit, martenzit, bainit), jenž popisují tzv. diagramy IRA (anebo ARA).

Obvykle se ovšem v technické a chemické praxi využívá výrazu „železo“ jen pro specifikaci chemického prvku, respektive chemicky čistého železa jako takového. Kdybychom se ale bavili o Technických slitinách, tak o těch se mluví vždy jako o „ocelích“ resp. „litinách“ (tyto pojmy jsou velmi dobře známy i laikům a uživatelům).

Jak se ocel vyrábí?

Když nepočítáme starověk a středověk, tak doba moderní přinesla četné změny i do tohoto procesu. Jde dnes opět o metalurgický proces, v jehož rámci se z tzv. „surového železa“ (jenž se vyrábí jak známo ve vysoké peci) získává ve finále slitina uhlíku, železa a dalších chemických prvků. Během procesu se snižuje obsah uhlíku a nečistot (v první řadě síra a fosfor) na určitou úroveň + doplňují se i další legující prvky dále zkvalitňující vlastnosti oceli (nikl, chrom, hliník, mangan, křemík, …).

Co je to Chemicko-tepelné zpracování oceli?

Co se týče pro změnu procesu chemicko-tepelného zpracování oceli, to obsahuje nespočet stylů dalšího zpracování, v jehož rámci se nasycuje povrch ocele dalšími prvky. Tím se mění chemické složení ve svrchních vrstvách dané ocelové součásti (obvykle při zvýšení teploty a za pomoci dalšího prvku typu uhlík nebo dusík – nebo klidně i jejich kombinace). Smyslem logicky je, aby u daného konkrétního typu oceli bylo dosaženo výrobcem požadovaných parametrů: zejména jde o navýšení odolnosti proti únavě a opotřebení, zvýšení  korozivzdornosti, navýšení žáruvzdornosti, tvrdosti, …

Dnes těmi nejobvyklejšími metodami chemicko-tepelného zpracování jsou tyto:

• Karbonitridace
• Boridování
• Sulfonitridování – to je povrchové sycení oceli jak dusíkem, tak i sírou zároveň.
• Nitridování – obnáší povrchové sycení oceli, ovšem výhradně s dusíkem.
• Nitrocementování – zde zase jde o povrchové sycení oceli dusíkem a uhlíkem zároveň.
• Šeradování – pro změnu je to povrchové sycení ocelových součástí zinkem.
• Sulfinizace – výhradně jde o povrchové sycení oceli sírou.
• Cementování – to je zase sycení povrchu nějaké nízkouhlíkové oceli s uhlíkem (ale jen do 0,25 %).

Jaké má ocel vlastnosti?

Každý ví, že ocel (a potažmo i železo) je v naší civilizaci tím nejčastějším materiálem kovového typu. Když ji nalegujeme uhlíkem, respektive nějakým dalším materiálem (a popoženeme vše tepelně-mechanickým a tepelným procesem), rázem tu máme jiné vlastnosti ocelí. A to i v nečekaně velkém rozmezí. To samozřejmě dává široký prostor jednotlivým výrobcům, jak právě ty své ocelové produkty dopracovat ke skutečné dokonalosti (jinými slovy, každičký typ a pod-typ oceli se dá použít jen pro nasazení, kde skutečně exceluje).

Jaké mají oceli (v průměru) fyzikální vlastnosti?

Když budeme nejprve u oceli uvažovat její strukturní složky, tak ty jsou popsány tradičně v binárním diagramu s prvky železo-uhlík. Standardní měrná hustota oceli je 7850 kg/m³. Jeho měrná tepelná kapacita (jde o množství tepla, co je potřeba k ohřátí 1 kilogramu dané látky o běžný 1 teplotní stupeň) pro změnu dosahuje asi tak k cca 469 J·kg-1·K-1 (do značné míry záleží na obsahu dalších příměsí). Bod tavení je pro oceli zase přibližně okolo 1539 °C.

Fyzikální vlastnosti oceli

Ty závisí opět velmi silně na tom, jakou má ocel hmotnost, též však na obsahu uhlíku, takže hodnoty níže nejsou platné vždy a za všech podmínek – jde jen o orientační hodnoty.

• Poissonovo číslo – v = 0,3
• Modul pružnosti – E = 210 000 MPa
• Modul pružnosti ve smyku – G = 81 000 MPa

Jaké se dnes vyrábí a používají druhy ocelí?

Ke dnešnímu dni je počet produkovaných ocelí velmi vysoký (v úhrnu asi tak 2500 typů a variant!). Tyto jsou díle specifikovány a rozděleny v rámci jednotlivých norem (DIN, ČSN, ...) dle typu (tedy chemického složení), dále podle struktury, ale také podle jejich fyzikálních a mechanických vlastností.

Zrovna podle dalšího chemického složení se oceli dělí na tyto skupiny:

Nelegované oceli

Někdy se jim také říká „uhlíkové oceli“. V nich je obsah určitých legujících prvků nižší, nežli jejich maximální tabelovaná hodnota daná pro určitý prvek. Platí, že pro drtivou většinu prvků, jichž se to týká jde o maximálně o hmotností podíl okolo 2 %. I mechanické vlastnosti všech uhlíkových ocelí lze samozřejmě dále upravit zpracováním: a to tepelným (popouštění, kalení, žíhání), tepelně-mechanickým a tepelně-chemickým (nitridace a cementace).

Nízkolegované oceli

U těch zase platí, že když odečteme obsah uhlíku, tak jejich obsah uhlíku bývá menší než hodnota 5 %. Jsou co do vlastností dost podobné ocelím nelegovaným, ovšem jsou vhodné i pro další tepelné zpracování (právě tepelným zpracováním totiž jde dále změnit jejich mechanické vlastnosti). Jak nám roste obsah uhlíku, stejně stoupá i jejich tvrdost po zakalení (a to až do obsahu 0,85 % hmotnosti obsahu uhlíku). Další kalení je nepřínosné, protože se tvrdost posléze již nadále nezvyšuje. On ale obsah uhlíku také říká svoje k pevnosti oceli (zde platí přímá úměra = čím vyšší obsah uhlíku, tím je ocel pevnější).

Pro příklad – kdysi se u nás vyráběly radlice pro pluh z oceli typu 11700, u nichž výrobce tvrdil, že je není třeba kalit, protože ocel s tímto objemem uhlíku je dostatečně tvrdá sama o sobě.

Vysoce legované oceli

Když obsah legovaných prvků překročí v úhrnu hranici 5 %, označuje se daná ocel za vysoce legovanou. I zde ovlivní jeden každý vlastnosti výsledného produktu.

Jak se oceli dělí podle oblasti použití?

• Ocel damascénská – jde o ocel určenou primárně pro výrobu čepelí všech typů (meče, šavle, nože, …), která je pružná a pevná. Paradoxní je, že tento typ není tvořen jedním typem oceli, ale hned několika a to svařených na ohni za pomoci kování (technicky je to spojování za tepla).
• Nástrojové oceli – uhlíkové vysoce a středně legované. Mívají předčíslí „19“.
• Korozivzdorné, žáruvzdorné a žárupevné oceli – jde vždy o vysoce legované oceli, kde je mnoho niklu (zajišťuje odolnost na kyseliny) a chromu (když je ho aspoň 8 %, brání korozi).
• Oceli k zušlechťování – jde o typy, co mají střední obsah uhlíku a co se  ještě dále popouštějí, aby se dosáhlo požadovaných vlastností při zachování těch dobrých stávajících.
• Hlubokotažné ocele – používají se výhradně k výrobě tzv. hlubokotažných plechů.
• Oceli pro elektrotechnické plechy – aby se daly zpracovat a použít jako jádro transformátoru (a točivých strojů),musí poskytovat jisté magnetické parametry a vlastnosti. Mívají 1-4,5 % křemíku a málo uhlíku.
• Oceli k cementování – nízký obsah uhlíku, ale i po kalení s výbornými mechanickými parametry. Povrch se u nich ještě při dalším kalení dále obohacuje uhlíkem.
• Oceli na pružiny – známá ocel pérová či také ocel pružinová. U těch je předpokladem použití mít dobré statické i mechanické vlastnosti a super vysokou únavovou životnost.
• Betonářské oceli – najdete je u tyčí ve stavebním průmyslu anebo u armovacích drátů.
• Automatové oceli – uhlíkové oceli s navýšeným podílem síry a manganu či dokonce i olova. Mají slušnou obrobitelnost a jejich třísky se snadno lámou.
• Konstrukční oceli – typicky nelegované a pro stavební branži a strojírenskou.

Kde všude se dnes ocel využívá?

Asi to znáte sami – stačí jet někde okolo staveniště a jistě neunikne vaší pozornosti, že se zde staví za pomoci právě ocelových nosníků. Standardně se totiž z ocele dělají nosné konstrukce staveb. Ocel je proti jiným materiálům relativně velmi pevná a přitom pružná a s nevelkou hmotností. Pro silně namáhané (a velkorozponové) konstrukce zkrátka nejde volit jinak. Velmi namáhané konstrukce i haly, na to vše poslouží ocel výborně. Velmi často ji dnes najdete i přes řeky ve formě mostů, schodišť, lávek a podobných udělátek. Musí se ale jistě nechat, že má i svůj velký vliv estetický (a proto po ní nezřídka sahají i všelijací sochaři a domácí i zahradní architekti).

Kusy oceli se dnes velmi běžně využívají i jako spojka / výztuž jiných staveb (speciálně skleněných, dřevěných a betonových). Najdou svoje uplatnění i u všelijakých speciálních a tvarově složitějších unikátních staveb (architekti musí počítat  s tím, že když se kupříkladu nízkolegovaný kus ocele zahřeje, klesá mu mez kluzu i mez pevnosti asi tak na polovičku). Oceli se dnes často využívají i jako pevné zásobníky / sila / potrubí, kde to dává smysl, respektive je to potřeba (průmysl, energetika, …). Bez ocele se logicky však neobejde ani žádná se sekcí strojírenského průmyslu.

A ke cti ocelí hovoří i to, že je snadné je plně recyklovat (snižuje spotřebu energií během zpracování o 75 %!) a velmi snadno se zesilují, popřípadě se jinak jejich konstrukce doplňuje.

Na uvedených odkazech se můžete podívat na jednotlivé druhy ocele, s nimiž se můžete v našem internetovém obchodě setkat, především u nožů, ale také u mačet a multifunkčních nástrojů, u některého nářadí nebo třeba u ešusů a dalšího cestovního nádobí:

• 440A
• 440B
• 440C
• 8CrMoV
• AUS 8
• CrNi 1810
• D2
• Niolox
• PGK
• Sleipner

Poznámka na závěr: u některých nožů se lze setkat také s keramickou čepelí.