KAPITOLY

Home » Kapitola 6 - Výrobky z oceli

Kapitola 6 - Výrobky z oceli

Jak vypadá mikrosvět různých ocelových výrobků? Jak to, že se pila jen tak neotupí? Jaký je rozdíl mezi sekerou levnou a sekerou několikrát dražší? Odpovědi na tyto a další otázky se dozvíte v této kapitole.

Výrobky z oceli používáme každý den. Často je bereme do ruky bezmyšlenkovitě a nevíme, co se v nich skrývá, jak se vyrábějí. V této kapitole si ukážeme jaká je mikrostruktura běžného nářadí - pily, sekery, sekáče, bitů (vyměnitelných nástavců na šroubováky), jídelních příborů apod. Ukážeme si, jak se liší nářadí s různou prodejní cenou. Proč je některé nářadí levné a jiné několikanásobně dražší?

Pilový list do pily na řezání dřeva

Jaké vlastnosti požadujeme od pily na řezání dřeva? Především chceme, aby vydržela dlouho ostrá, tj. aby se hned neotupila, a také aby se nám pilový list nezlomil, když pilu po práci povolíme a uložíme k ostatnímu nářadí. Z hlediska metalografie jsou to ale dva protichůdné požadavky. Pokud chceme mít ocel tvrdou tak, aby ostří bylo stále ostré a netupilo, nemůžeme ji mít zároveň dostatečně pružnou. Jak je to tedy řešeno u pilového listu? Podívejme se, jak list vypadá.

Pilový listPilový list

Na první pohled je patrné odlišné zbarvení zubů. A v tom právě tkví ono řešení. Zakaleny na vyšší tvrdost jsou jen zuby pily, ostatní materiál pásu tak zůstává pružný. Pokud list rozřízneme v místě zubu, vidíme na mikrostruktuře, že zub je tvořen martenzitem o tvrdosti až 860 HV a zbytek mikrostruktury v těle pásu je také martenzit, ale popuštěný až na tvrdost cca 500 HV (viz průbě tvrdosti na následující stránce). Tím pádem jsou zuby dostatečně tvrdé a netupí se, ale pás jako celek je ohebný.

Mikrostruktura pilového listu v příčném řezuMikrostruktura pilového listu v příčném řezu

Sekery

Sekera je typické nářadí, kde se opět uplatňuje tepelné zpracování. Opět máme u sekery nároky na trvanlivost jejího ostří. Nechceme, aby bylo otupeno po krátkém používání. Pro ukázku zde jsme si vybrali dvě sekery. Obě jsme koupili v místním obchodním domě pro kutily. První sekeru jsme vybrali z kategorie levnějších, cena byla cca 150 Kč. Druhou sekeru jsme vybrali dražší, stála nás cca 900 Kč. Sekery jsou zobrazené na galerii vpravo. Jaký mezi nimi bude rozdíl v kvalitě oceli a mikrostruktury? Obě sekery se chlubí, že mají násadu vyrobenou z kompozitu, a skutečně tomu tak je. FISKARS na štítku vyzdvihuje, že na čepeli má povlak z PTFE tj. polytetrafluorethylenu, což je povlak obecně známý jako „Teflon“. Ten najdeme třeba na pánvích a mimo to, že zabraňuje tomu, aby se na nich jídlo přichytilo, má hlavně dobré kluzné vlastnosti a snižuje koeficient tření. To se jistě hodí, protože když nám sekyra zajede do dřevěného špalku, nižší tření mezi čepelí a špalkem usnadní jeho rozseknutí. FISKARS se chlubí ještě další vlastností. Tvrdí, že ostří čepele je zakaleno na tvrdost 55 HRC (tvrdost podle Rockwella). Je tomu skutečně tak.

Sekera FestaSekera Festa

Čepele obou seker jsme rozřezali v místě ostří. Jak vypadají vzorky si můžete prohlédnout v následující galerii i spolu s mikrostrukturami. Jak je patrné z průběhů tvrdosti, skutečně čepel FISKARS dosahuje na břitu tvrdosti 55 HRC. A i tvrdost zbytku čepele se díky zušlechtění drží na slušné hodnotě 30 HRC.

Vzhled připravených metalografických vzorků. Vzorky jsou zality v pryskyřici a řezy jsou připraveny broušením a následným leštěním. Mikrostruktura je vyvolána leptáním v NITALUVzhled připravených metalografických vzorků. Vzorky jsou zality v pryskyřici a řezy jsou připraveny broušením a následným leštěním. Mikrostruktura je vyvolána leptáním v NITALU

Sekera FESTO má zbytek čepele nezušlechtěný - je tvořen feriticko perlitickou strukturou, a tak je tedy zbytek čepele relativně měkký. Zajímavé je i porovnání tvaru břitu. Hádejte, s kterou sekerou se Vám bude lépe sekat?

Tvar břitu sekery FestoTvar břitu sekery Festo

Jak vidíte, jsou mezi oběma sekerami rozdíly a sekera dražší nám skutečně poskytuje za vydané peníze vyšší hodnotu. Zde by se opravdu vyplatilo známé rčení: „Nejsem tak bohatý, abych si mohl dovolit kupovat levné věci“.

Bity (nástavce) pro šroubovák

Bity pro šroubováky jsou dnes velmi populární. Nemusíte mít doma hromadu šroubováků pro různé druhy hlav vrutů nebo šroubů, ale stačí vám jeden šroubovák s držákem pro bity - nástavce. Pak Vám stačí jedna krabička s bity různých tvarů a zašroubujete prakticky cokoliv. Ale jaké bity si vybrat? Je nějaký rozdíl mezi bitem za 100 Kč a bitem za 20 Kč? Pojďme si zase ukázat jeden příklad. V obchodě pro kutily jsme zakoupili výhodnou sadu bitů za 55 Kč a poté ještě 1 bit označený jako bit pro profesionály za 129 Kč. Bude ten dražší opravdu o tolik kvalitnější?Opět jsme tedy bity rozřezali, udělali metalografický výbrus a podívali se, jak vypadá mikrostruktura. Tyto nástavce se obvykle kalí, popouštění se provádí jen na nízkou teplotu ke snížení pnutí v materiálu. Předpokládali jsme tedy martenzitickou mikrostrukturu.

Sada levných bitůSada levných bitů

Jak je patrné z obrázků mikrostruktury, zvláště při pozorování v  řádkovacím elektronovém mikroskopu je viditelné, že mikrostruktura bitu pro profesionály je jemnější. Na struktuře bitu z levné sady je vidět, že jehlice martenzitu jsou podstatně delší a hrubší ve srovnání se strukturou profi bitu. Obecně platí, že čím je mikrostruktura jemnější tím je i pevnější a tvrdší. To se ostatně potvrdilo i po změření tvrdosti. Bit profi má o téměř 80 jednotek Vickerse vyšší tvrdost, než bit z levné sady. Navíc je bit pro profesionály opatřen tenkou vrstvou na bázi nitridu titanu, proto má zlatou barvu), která zvyšuje otěruvzdornost bitu. Pokud budete doma šroubovat jen poličky, občas chcete něco utáhnout nebo povolit nějaký ten šroubek, stačí vám levné bity. Pokud ale používáte bity často, navíc třeba ještě v nástavci v akumulátorovém šroubováku, investujte radši do dražšího vybavení.

Srovnání tvrdosti obou bitůSrovnání tvrdosti obou bitů

Vrtáky

Vrtáky také patří mezi běžně užívané nářadí. Dělí se podle účelu použití na vrtáky do zdiva (betonu), vrtáky do dřeva, vrtáky do železa (oceli, litiny). Všechny tyto druhy jsme pořídili a rozřezali, abychom si mohli ukázat, jak se liší jejich mikrostruktura.

Vrták do zdiva (betonu)
Začneme u vrtáku, kde vlastně jeho hlavní funkční součást není ocelová. U vrtáků do zdiva je do jeho hlavy vložen plátek ze slinutého karbidu (SK), který je poté do samotné ocelové šroubovice vrtáku zapájen. Je to dobře vidět na příčném řezu vrtákem na následujícím obrázku.

Mikrostruktura ocelové šroubovice vrtáku je obyčejně feritickoperlitická. Nebývá zušlechtěná, protože od takového vrtáku očekáváme spíše houževnatost a odolnost proti únavě při použití v příklepových vrtačkách. Nepotřebujeme tedy, aby samotné tělo vrtáku bylo tvrdé (a tím pádem i křehké), protože funkční částí, která vyřezává díru do betonu, je již zmíněný řezný plátek.

Příčný řez vrtákem do betonuPříčný řez vrtákem do betonu

Vrták do oceli

Lze ocelí vrtat ocel? Ano jistě. Jak již jsme si ukázali na předchozích stránkách, víme, že jedna a ta samá ocel podle struktury dosažené tepelným zpracováním vykazuje různé vlastnosti. Pokud tedy vyrobíme z oceli vrták o vysoké tvrdosti, měli bychom být schopni bez problémů vrtat do oceli měkčí. Porovnáme si dva vrtáky do oceli. Jeden levný „Basic“ za 45 Kč a druhý „Profi“ za 219 Kč. Bude mezi nimi opět nějaký rozdíl? Jeden zásadní rozdíl je viditelný na první pohled, vrták Profi má zlaté zbarvení. Je povlakován vrstvou na bázi nitridu titanu, která zlepšuje otěruvzdornost. Vrtáky jsme příčně rozřízli a připravili opět metalografické výbrusy. Vzorky byly zalité v pryskyřici, broušeny a leštěny. Mikrostruktura byla vyvolána leptáním v činidle zvaném Nital (je to roztok kyseliny dusičné a alkoholu).


Vrták BasicVrták Basic

Mikrostruktura obou vrtáků je martenzitická. Jak je patrné z obrázků, mikrostruktura vrtáku „Profi“ je jemnější, obsahuje více jemných karbidů (karbidy jsou velmi tvrdé fáze) a obsahuje méně zbytkového austenitu. To vše napovídá, že vrták „Profi“ bude mít vyšší tvrdost a zjednodušeně řečeno, vyvrtáme s ním více děr než s vrtákem „Basic“.

Celý výbrus šroubovicí vrtáku BasicCelý výbrus šroubovicí vrtáku Basic
Celý výbrus šroubovicí vrtáku ProfiCelý výbrus šroubovicí vrtáku Profi

Výsledky měření tvrdosti potvrdily náš předpoklad z pozorování mikrostruktury. Vrták „Profi“ má o více než 70 jednotek Vickerse vyšší tvrdost. Také analýza chemického složení (viz tabulka) prokázala vyšší přítomnost prvků jako chrom (Cr) a molybden (Mo), které mají kladný vliv na prokalitelnost (tj. vyšší tvrdost). Přičteme-li k tomu ještě fakt, že je opatřen otěruvzdornou vrstvou, vyšší investice se jistě vyplatí.

Tvrdost vrtáků Basic a ProfiTvrdost vrtáků Basic a Profi

Utahovací klíč

Klasické utahovací klíče patří k běžně používanému nářadí. Vyrábí se zápustkovým kováním a funkční plochy se dále obrábějí. Klíč jsme pro analýzu mikrostruktury rozřízly v polovině a na řezu provedli metalografický výbrus.
Struktura klíče je tvořena nízkopopuštěným martenzitem a vyskytuje se zde také ferit. Povrch klíče je chromován, proto má klíč stříbrný lesk. Množství feritu na povrchu je vyšší než v jádru klíče. Je to způsobeno jevem, kterému se říká oduhličení. K oduhličení dochází při kování a tepelném zpracování vždy, pokud je výrobek vystaven působení vzduchu. Lze mu zabránit buď ochrannými nátěry, nebo se při procesech tepelného zpracování používá ochranné atmosféry z inertních plynů (dusík, argon), popřípadě se zpracovává ve vakuu. Oduhličení je nepříjemným jevem, protože oduhličená struktura vykazuje nižší tvrdost. Pokud by takováto struktura byla na funkčních plochách klíče, velmi rychle by se nám lidově řečeno „ožvejkal“. Ve struktuře jsme také pozorovali tzv. sulfidické vměstky (4. obrázek v galerii - protáhlé šedomodré částice). Ty jsou tvořeny sloučeninou manganu a síry - MnS. Vměstky jsou obecně nežádoucí, protože pokud je jich příliš vysoké množství, jejich přítomnost může vést ke zhoršení mechanických vlastností ocelového výrobku. Proto existuje řada předpisů (norem), podle kterých se hodnotí množství vměstků přítomných ve struktuře oceli. A na každou konkrétní oblast ocelových výrobků pak výrobce předepisuje maximální možné množství vměstků. U tohoto klíče bylo pozorované množství vměstků v normě.

Analyzovaný klíčAnalyzovaný klíč

Jídelní nůž (příborový)

Jaké požadavky klademe na nůž, který bereme do ruky při jídle? Chceme, aby dobře padl do ruky. Ale o to nám zde nejde. Běžným požadavkem na ocelové výrobky používané v gastronomii je bezesporu korozní odolnost. Nechceme jistě, aby nám nůž po pár mycích cyklech v myčce zrezivěl. Jak toho dosáhneme u oceli, když přeci ocel běžně koroduje? Korozní odolnost ocel získává legováním, tj. přidáním chromu. Obecně se má za to, že přidání více jak 12% chromu zajistí korozní odolnost za běžných podmínek. Tím myslíme v běžném prostředí, samozřejmě ne ve styku s kyselinami. Běžné úzké příbory se vyrábějí z válcovaného plechu, což se na struktuře projeví protáhlými feritickými zrny. Nůž, který jsme pro analýzu pořídili, byl rozříznut a podroben metalografickému zkoumání. Mikrostruktura je feritická s dlouhými protáhlými zrny feritu.

Chemický rozbor (viz tabulka v galerii) dokazuje, že podmínka obsahu 12% chromu pro dosažení korozní odolnosti byla splněna. Povšimněte si malého množství uhlíku. To je také důležité, protože pokud by byl obsah uhlíku vysoký, chrom by se přednostně vázal na uhlík, se kterým by tvořil karbidy, a nezůstával by tak ve feritu. Pak by bylo chromu ve feritu už méně než 12% korozní odolnost by nebyla udržena. Někdy se příbory vyrábějí z oceli, která nese označení např 18/10. Tato ocel je legována 18% chromu a 10% niklu. Pak je mikrostruktura takového nože austenitická a nikoliv feritická jako v našem případě.

Analyzovaný nůžAnalyzovaný nůž

Sekáč

Sekáč nebo-li majzlík je též typickým ocelovým nástrojem. Očekáváme od něj vysokou tvrdost a odolnost proti opotřebení. Již podle těchto požadavků můžeme předpovědět, že mikrostruktura sekáče bude martenzitická a je tomu skutečně tak. Sekáč je ještě navíc popuštěn při nízké teplotě, aby se o zvýšila jeho houževnatost. Tvrdost jsme naměřili ve výší 590 HV10. Naměřené chemické složení ukazuje legování chromem a molybdenem pro zvýšení prokalitelnosti.

Analyzovaný sekáčAnalyzovaný sekáč