Konstrukce - redakce 2/04

ČASOPIS KONSTRUKCE 2/2004
ZAJÍMAVOSTI Z OBORU
NEJNOVĚJŠÍ SMĚRY VÝVOJE KALENÝCH OCELOVÝCH PLECHŮ
Kalené ocelové plechy zaujímají v současnosti pouze několik procent celkové výroby oceli ve světě. Tento segment
ocelových výrobků vykazuje rychlejší růst než ostatní ocelové výrobky, jeho podíl na celkové výrobě oceli tedy
narůstá. Kalenými ocelovými plechy jsou materiály s finálním tepelným zpracováním (kalení, případně kalení a popouštění).
ROZDĚLENÍ KALENÝCH
OCELOVÝCH PLECHŮ
V současné době existují čtyři skupiny kalených ocelových plechů. První skupinou jsou
vysokopevné konstrukční oceli. Tyto jsou
definovány zejména svou mezí kluzu
v rozmezí 700 – 1 100 MPa. Užívají se tam,
kde je třeba snížit hmotnost výrobku z jiných
důvodů než je pouhá úspora nákladů za
materiál. Těmi jsou zejména zvýšení nosnosti
a legislativní nebo technologické omezení
celkové hmotnosti výrobku. Kromě meze
kluzu jsou rozhodujícími vlastnostmi
u těchto ocelí houževnatost (KCV) a svařitenost (CEV, CET).
Druhou skupinou jsou otěruvzdorné oceli.
Základní vlastností je tvrdost, která se pohybuje v rozmezí 350 až 600 HB. Dalšími důležitými vlastnostmi je opět houževnatost
a technologičnost (svařitelnost) těchto ocelí.
Typické aplikace této skupiny materiálu jsou
zřejmé. Ve většině případů je otěruvzdornost
závislá víceméně pouze na tvrdosti oceli.
Zvýšenou tvrdostí se logicky zhoršuje technologičnost oceli a je nutné hledat pro každý
konkrétní případ optimální tvrdost aplikovaného materiálu.
Třetí skupinou jsou pancéřové plechy. Zde je
opět základní vlastností tvrdost, která je
v rozmezí 370 – 600 HB. Spolu s tvrdostí je
u těchto materiálů velmi důležitá i houževnatost. Ačkoliv tento problém není teoreticky
zcela vyřešen, zdá se, že právě tvrdost
v určité kombinaci s houževnatostí definuje
střeleckou odolnost – základní vlastnost
těchto materiálů. Extrémně vysoké hodnoty
houževnatosti při současně vysoké tvrdosti
se u této skupiny materiálů dosahují částečně na úkor svařitelnosti. To však není
zásadním problémem, protože tyto materiály
zpracovává relativně malý počet vysoce specializovaných firem.
Poslední skupinou jsou kalené nástrojové
oceli. Jedná se relativně nový segment aplikací kalených ocelových plechů. Jelikož
typickou aplikací těchto ocelí jsou složitě
obráběné součásti, mělo se za to, že je vždy
výhodnější opracovávat „měkký“ materiál
a kalit na výsledné mechanické vlastnosti až
hotový výrobek. Ukazuje se, že i varianta
použití kalené oceli s garantovanými mechanickými vlastnostmi je v této oblasti
komerčně a technologicky zajímavá. Nyní
existují tyto materiály v tvrdostech 33 a 44
HRC. Kromě tvrdosti je zde důležitou vlastností tepelná odolnost (až do 550 °C) a obrobitelnost (čistota oceli).
MECHANICKÉ, TECHNOLOGICKÉ
A „MARKETINGOVÉ“ VLASTNOSTI
Užitná hodnota nejenom kalených ocelí je
dána jejich mechanickými a technologickými vlastnostmi. Zatímco mechanické
vlastnosti ocelí definují jejich schopnost odolávat v daném výrobku předpokládaným
zatížením, technologické vlastnosti (zejména
svařitelnost) definují jejich schopnost
výrobky a konstrukce vytvářet. Je zajímavé,
že v řadě případů jsou technologické vlastnosti (fakticky negarantované) důležitějším
kritériem pro výběr oceli než precisně zaručované a atestované mechanické vlastnosti.
Současná doba přináší ještě další skupinu
vlastností ocelových plechů. Tato skupina
vlastností by se dala nazvat marketingové
nebo designérské. Jedná se například
o kvalitu povrchu, rovinnost a toleranci tlouštěk. V drtivé většině případů jsou tyto parametry z čistě technického hlediska nepodstatné pro funkčnost daného výrobku. Pro
jeho prodejnost ale mohou mít důležitý
význam. Typickým příkladem jsou opět
korby nákladních automobilů. Drobné povrchové vady na stěnách nebo dnech korby
nemohou mít vliv na její odolnost nebo rychlost opotřebení, avšak mohou být důvodem
odmítnutí korby při přejímce. V konečném
důsledku ale nejsou marketingové vlastnosti
jako kritérium pro výběr oceli úplně nesmyslné. Určitá pohledová preciznost ocelového
plechu je indikátorem kvality výrobce
a „hezčí“ plech dává větší pravděpodobnost,
www.konstrukce.cz
Hotové tepelné zpracování na jedné straně
znamená, že jsme nuceni provádět veškeré
technologické operace na materiálu, jehož
struktura je relativně pevná (tvrdá) a má
vyšší náchylnost k tepelnému ovlivnění
(popouštění původního nízkopopuštěného
martenzitu). Na druhé straně je zřejmé, že
tepelné zpracování, provedené výrobcem
oceli, zaručuje výrazně vyšší kvalitu výrobku.
Podstatná část aplikací kalených ocelových
plechů (např. korby nákladních aut, výložníky mobilních jeřábů) vyžaduje kalené
plechy takových rozměrů, kde je dílenský
způsob tepelného zpracování nemožný.
69
ZAJÍMAVOSTI Z OBORU
ČASOPIS KONSTRUKCE 2/2004
že i ostatní, důležitější mechanické nebo
technologické vlastnosti, budou na dostatečné úrovni.
Dizkuze vlastností (mechanických, technologických i marketingových) je u kalených
ocelí mnohem důležitější než u klasických
ocelí. Důvod je v tom, že hlavní mechanické
vlastnosti u kalených ocelí jsou u všech
výrobců většinou podobné, ale způsob jakým
se daných vlastností dosahuje, může být
různý. Různá technologie výroby se projeví
především v různých technologických
a marketingových vlastnostech. Typickým
příkladem jsou třeba otěruvzdorné oceli
s podobnou zaručovanou tvrdostí, ale s dramatickými rozdíly v houževnatosti a svařitelnosti. Kalené oceli nelze tedy považovat za
„komoditu“, kde „shodná“ ocel od různých
výrobců znamená i shodné vlastnosti.
strukčních ocelí se zřejmě etabluje ocel
s mezí kluzu 800 MPa. Půjde o pevnostní
kompromis mezi oceleni 700 MPa a 900 MPa.
VÝVOJ KALENÝCH
OCELOVÝCH PLECHŮ
Vývoj kalených ocelových plechů se v nejbližších letech bude pravděpodobně vyvíjet
těmito směry: V oblasti vysokopevných kon-
Vzrůst meze kluzu o 100 MPa bude doprovázen jen mírným nebo žádným zhoršením
technologických vlastností. Tato ocel by
nabídla stávajicím uživatelům oceli 700 MPa
možnost zvýšení nosnosti svých výrobků,
prakticky bez konstrukčních změn. V oblasti
extrémně vysokých pevností se zřejmě představí ocel s mezí kluzu 1 200 MPa. U otěruvzdorných ocelí došlo k zavedení oceli, která
nabídla vyšší tvrdost než stávající standard
400 HB bez praktického zhoršení technologických vlastností již před několika lety.
Ocelový plech o tvrdosti 450 HB je zejména
v menších tloušťkách velmi dobře přijat a lze
očekávat, že postupně začne nahrazovat
původní standard 400 HB. V současné době
se také zavádí vysokohouževnatá otěruvzdorná ocel, která nabídne při tvrdosti cca
400 HB vrubovou houževnatost KV (-40 °C) =
70 J - 100 J, a to v tloušťkách okolo 80 mm.
Tato ocel, v uvedených tloušťkách cca trojnásobně houževnatější než standardní 400
HB materiál, je určena zejména pro dynamicky namáhané části stavebních strojů jako
jsou např. břity velkých lopat (zejména
tloušťky břitů nad 50 mm) nebo části hydraulických „nůžek“ na demolici staveb. Další
novinkou bude ocel tvrdosti 550 HB. Zde se
jedná opět o pokus zvýšit tvrdost zavedené
značky 500 HB bez velkého zhoršení technologičnosti.
Zajímavý vývoj lze pozorovat u pancéřových
ocelí. Na úkor stávajícího nejužívanějšího
pancíře tvrdost 500 HB se začínájí prosazovat plechy tvrdosti 600 HB na jedné straně
a tvrdosti 440 HB na straně druhé. Používání
pancíře tvrdosti 600 HB se zvyšuje hlavně
z důvodů vyšší střelecké odolnosti vůči
ručním zbraním. Důvodem zvyšující se oblíbenosti tvrdosti 440 HB je pak velmi vysoká
houževnatost, která umožňuje konstruovat
pancéřovou ochranu proti minám. U kalených nástrojových ocelí bude vývoj zřejmě
směřovat k vyšším tvrdostem a po ocelích
o tvrdosti 33 HRC a 44 HRC lze očekávat
v dohledné době ocel tvrdosti 55 HRC.
Tabulka 1
Značka podle
výrobce SSAB
Oxelosund
Základní mechanická
vlastnost
Další důležité
mechanické
vlastnosti
Podstatné
technologické
vlastnosti
Nové, nebo
předpokládané oceli
WELDOX
Mez kluzu
700 - 1100 MPa
Houževnatost
Svařitelnost
Ohýbatelnost
WELDOX 800
Re 800 MPa
WELDOX 1200
Re 1200 MPa
HARDOX
Tvrdost
400 - 600 HB
(Brinell)
Houževnatost
Svařitelnost
Obrobitelnost
Ohýbatelnost
HARDOX HiTuf
(KV, -40°C, 70J)
HARDOX 550
(550 HB)
Otěruvzdorné oceli
Pancéřové oceli
ARMOX
Tvrdost
340 - 600 HB
(Brinell)
Houževnatost
Svařitelnost
ARMOX 440
(440 HB)
Nástrojové oceli
TOOLOX
Tvrdost
33 HRC
44 HRC
Obrobitelnost
Teplotní stálost
TOOLOX 55
(55 HRC)
Skupina
kalených ocelí
www.konstrukce.cz
Vysokopevné
konstrukční oceli
70
ČASOPIS KONSTRUKCE 2/2004
SVAŘOVÁNÍ NOVÝCH KALENÝCH OCELÍ
Příchodem diskutovaných nových kalených ocelí bude nutno definovat i nové přídavné materiály a technologie svařování. V oblasti vysokopevných konstrukčních ocelí bude i nadále probíhat „souboj“ mezi
dvěmi koncepcemi jejich svařování. Na jedné straně snaha volit
takový přídavný materiál, aby svarový kov vykazoval stejnou nebo
vyšší pevnost (mez kluzu) jako základní materiál, na druhé straně pak
volba „měkčího“, méně pevného přídavného materiálu. Jestliže již
používaný ocelový plech o mezi kluzu 1 100 MPa výrazně zpochybnil představu o možnosti mít ekvivalentní pevnost v základním mate-
ZAJÍMAVOSTI Z OBORU
riálu i ve svarovém kovu, pak mez kluzu materiálu 1 200 MPa snahu
o pevnostní ekvivalenci zřejmě definitivně ukončí. Naopak lze očekávat případy, kdy bude u této oceli vyžadován „extrémně měkký“
austenitický přídavný materiál. Jiné požadavky na přídavný materiál
budou zřejmě u plechu s mezí kluzu 800 MPa. Pokud bude platný
předpoklad, že tato ocel bude nahrazovat stávající stupeň 700 MPa.,
pak bude ve velkém množství případů požadováno 800 MPa i u přídavného materiálu. Protože hlavním motivem záměny z 700 MPa na
800 MPa bude pravděpodobně snaha o zvýšení nosnosti výrobku bez
zhoršení technologičnosti při výrobě, bude tlak na pevnější přídavný
materiál bez podstatného zhoršení technologičnosti. Lze předpokládat, že i u „nižších“ pevnostních skupin vysokopevných ocelí bude
postupně převládat koncepce jejich svařování s měkčím přídavným
materiálem. Jak už bylo mnohokrát diskutováno, tato varianta přináší
nezanedbatelné výhody v únavové životnosti, houževnatosti a odolnosti svarových spojů proti studeným trhlinám.
V případě otěruvzdorných ocelí se bude muset svařování vyrovnat
zejména s otěruvzdornou, vysokohouževnatou ocelí. Přídavný materiál musí zaručit, že se cca trojnásobně zvýšená houževnatost základního materiálu nedostane do rozporu s houževnatostí svarového
kovu. I zde bude zřejmě často přicházet v úvahu austenitický přídavný materiál. Podobné požadavky lze očekávat i z oblasti speciální
techniky. Rozšířené používání extrémně houževnatého pancíře
ARMOX 440 bude opět vyžadovat i ekvivalentní houževnatost svarového kovu.
Kalené ocelové plechy rozšiřují na jedné straně počet svých jednotlivých značek a zdánlivě rozšiřují i množství technologií potřebných
pro své zpracování. Na druhé straně však paradoxně dochází i k určitému sjednocování těchto ocelí. V této souvislosti bude při svařování
těchto ocelí stále důležitější otázkou „co požadujeme (jaké vlastnosti)
ve svarovém spoji v konkrétní aplikaci“, oproti tradiční otázce „čím
a jak svařovat konkrétní materiál“.
Ing. Ivan Mika
Foto (jas)
BARRET ANGLIE
aaa
www.konstrukce.cz
aaa
71