celik

Mašinski materijali - Dr Dragan Adamovic 1

Mašinski materijali- Predavanje (AS)- 7aaab

Podela čelika


Svetska proizvodnja metala

Cink 7Bakar 12Aluminijum 21 Čelik 788

Miliona tonaMetal


Najveći proizvođači čelika


Čelici predstavljaju danas najbrojniju i najčešće korišćenu grupu metala. Razne vrste čelika najviše se upotrebljavaju u mašinskoj industriji, gradjevinarstvu, poljoprivrednoj mehanizaciji, rudarstvu, hemiji i energetici.

Danas je u svetu poznato nekoliko hiljada raznih vrsta čelika dobijenih odgovarajućom kombinacijom sadržaja ugljenika i legirajućih elemenata najrazličitijih osobina.


Konstrukcije


Transport


Tehnika


Ambalaža


Drugi proizvodi


Pod čelikom podrazumevamo leguru gvožđa i ugljenika, najviše do 2,1%, i drugih elemenata, a zavisno od sadržaja tih elemenata razlikujemo ugljeničnei legirane čelike.

400 C

1400 C

1200 C

1000 C

800 C

600 C

1600 C

Fe

1% C

2% C 3% C

4% C

5% C 6% C 6.70% C

L

γ

α

δ

Čelik Livenogvožđe

Podsećanje


Ugljenični čelici u svom sastavu imaju pored ugljenika i prateće primese koje zaostaju u procesu proizvodnje čelika, kao što su mangan, silicijum, aluminijum, fosfor i sumpor. Najznačajniji prisutni element je ugljenik i od njegovog sadržaja zavise mehanička i druga svojstva čelika.

Legirani čelici u svom sastavu imaju pored ugljenika i pratećih elemenata namerno dodatih legirajućih elemenata u cilju poboljšanja željenih svojstava.Sadržaj legirajućih elemenata kod legiranih čelika mora preći standardom predviđene vrednosti određjene narednom tabelom.


Prema sadržaju legirajućih elemenata legirane čelike delimo na:

• niskolegirane, sa ukupnim sadržajem svih legirajućih elemenata do 5% i

• visokolegirane sa sadržajem iznad 5%.

Hemijski elementi koji se javljaju u čeliku mogu se svrstati u:

• prateće,

• skrivene,

• slučajne i

• legirajuće elemente.


Hemijski elementi u čeliku


Prateće primese u čeliku vode poreklo iz rude gvožđa (mangan, silicijum, fosfor) iz goriva (sumpor) i od dezoksidatora (mangan i silicijum). Količina pratećih elemenata zavisi kako od polazne sirovine (rude, goriva, topitelja) kao i od samog postupka dobijanja čelika.

Skrivene primese u čeliku (kiseonik, azot i vodonik) dolaze iz atmosfere sa kojom rastopljeni čelik dolazi u kontakt u procesu dezoksidacije. Obzirom da je kontrola njihovih sadržaja u čeliku veoma složena, to se ona praktično i ne vrši.

Slučajne primese u čeliku (bakar, olovo, kalaj, antimon i arsen) potiču iz polazne sirovine – rude gvožđa, a njihova pojava i sadržaj vezani su za vrstu rude.

Legirajući elementi u čeliku, silicijum, mangan, hrom, nikl, volfram, molibden, vanadijum, kobalt i titan, namerno se dodaju čelicima i kreću se u sadrđajima iznad vrednosti datih u prethodnoj tablici, sa ciljem da izmenom hemijskog sastava i strukture omogući dobijanje željenih svojstava.


Pored navedene podele prema hemijskom sastavu čelici se mogu podeliti i prema:

• načinu proizvodnje,

• čistoći,

• strukturi,

• stanju isporuke,

• obliku proizvoda i

• nameni.


Prema načinu proizvodnje čelike delimo shodno postupku dobijanja, a to su:

a) Simens-Martenov proces. - Daje vrlo kvalitetan čelik ali je sam proces manje ekonomičan u odnosu na druge. Velika mu je prednost što kao sirovinu koristi i stare otpatke gvodžja veoma različitog sastava. Proizvodnost je 16.000 kg/h.

b) Besemerov proces. - Obezbedjuje vrlo visoku produktivnost oko 60.000 kg/h. Obzirom da se proces obavlja u bazično izidanom konvektoru u rastopljenom belom livenom gvoždju odvija se oksidacija primesa putem uduvavanja vazduha, a u dobijenom čeliku su prisutne prateće primese u većem obimu.

c) Kiseonički postupak (LD Postupak, BOF postupak). Postupak kod koga se u rastopljeno belo liveno gvoždje uduvava čist kiseonik koji vrlo burno reaguje i tako vrši prečišćavanje čelika.Prednost ovog postupka je u mogućnosti korišćenja otpadaka gvoždja i čelika. Čelik je čistiji od Besemerovog čelika, a produktivnost je nešto manja, oko 50.000 kg/h.

d) Elektro proces. - Koristi se uglavnom za dobijanje vrlo kvalitetnog, uglavnom legiranog čelika. Toplota se stvara putem električnog luka ili indukcijom, pa su i proizvodni troškovi znatno veći.


Prema čistoći razlikujemo:

• obične,

• kvalitetne i

• plemenite čelike

Obični ugljenični-nelegirani čelici u svom sastavu imaju fosfora i sumpora pojedinačno najviše do 0.06%.

Kvalitetni ugljenični - nelegirani čelici u svom sastavu imaja sadržajfosifora i sumpora pojedinačno najviše do 0,045%.

Plemeniti ugljenični, nisko i visoko legirani čelici imaju u svom sastavu fosfora i sumpora pojedinačno najviše do 0,015%.


Prema strukturi na sobnoj temperaturi čelici se dele na osnovu strukturnih faza koje se u čeliku javljaju pri hlađenju na mirnom vazduhu. Tako razlikujemo:

• feritne,

• perlitne,

• austenitne,

• martenzitne,

• ledeburitne kao i

• mešovite, npr. feritno-perlitne čelike, itd.


Pema stanju isporuke razlikujemo dve vrste čelika:

• termički obradjeno stanje i

• termičkii neobrađeno stanje isporuke.

Termički obradjeno stanje zavisi od vrste oblika polufabrikata i može biti:

• žareno,

• normalizovano,

• poboljšano,

• hladno vučeno,

• hladno vučeno i poboljšano,

• ljušteno i sl.


Prema obliku poluproizvoda čelici se dele na vruće valjane, hladno vučene, hladno valjane i proizvode oblika odlivaka i otkivaka.


Najznačajnija podela čelika je prema nameni, na konstruktivne, alatne i čelike za posebne svrhe. Oštra granica izmedju njih se ne može povući, jer se navedeni čelici mogu primeniti za različite svrhe.


Uticaj legirajućih elemenata na osnovnu metalnu masu

Svi legirajući elementi utiču u većoj ili manjoj meri na temperaturu prekristalizacije čelika, a time i na veličinu oblasti gama i alfa. Za termičku obradu uglavnom je važan njihov uticaj na oblast gama. U tom smislu legirajući elementi mogu se podeliti na četiri grupe:

1. Elemente koji potpuno otvaraju oblast gama,

2. Elemente koji proširuju oblast gama,

3. Elementi koji potpuno zatvaraju oblast gama i

4. Elementi koji sužavaju oblast gama.

Svaki element kojim se legira čelik, menja njegove osobine zavisno od toga u kom je obliku prisutan u strukturi, tj. da li je potpuno ili samo delimično rastvoren u osnovnoj metalnoj masi (u feritu ili austenitu), da li je vezan sa ugljenikom kao karbid, sa azotom kao nitrid i sl.


Rastop (R)

γ

δ + γ

δ

R + δ

α α + γ

R + γ

Tem

pera

tura

, °C

Legirajući element M, maseni %

C1 C2

Ravnotežni binarni dijagram sa otvorenom oblašću gama

Dijagram potpuno otvorene γ-oblasti obrazuju sa gvoždjem elementi, čiji su poluprečnici atoma bliski poluprečniku atoma gvoždja i čija je kristalna rešetka slična fazi γ. Od tehnički značajnih legirajućih elemenata spadaju u ovu grupu nikal i mangan (Ni ima površinski centriranu rešetku sličnu kao γ-Fe). Elementi koji potpuno otvaraju γ -oblast nazivaju se austenitotvorni ili γ-geni.


Ravnotežni binarni dijagram sa zatvorenom oblašću gama

Tem

pera

tura

, °C

Legirajući element M, maseni %

α

Rastop (R)

γ

C2C1

R + α

γ + α

Ferit koji nastaje iz rastopa pri očvršćivanju, označava se kao δ- ferit, da bi se razlikovao od ferita, koji se obrazuje pri hladjenju prekristalizacijom faze gama. Ponekad se naziva prema elementu koji je u feritu rastvoren (npr. hromov ferit). U feritotvorne elemente koji potpuno zatvaraju oblast γ spadaju hrom(hrom ima prostorno centriranu kubnu rešetku kao α-ferit), molibden, vanadijum, volfram, silicijum, aluminijum, fosfor i titan.


Elementi koji sužavaju oblast gama

To su niobijum, tantal, cirkonijum i cer; oni se medjutim koriste za legiranje čelika samo u posebnim slučajevima (npr. Nb kao stabilizator kod nerdjajućih čelika).

Elementi koji proširuju oblast gama

Neki dodatni elementi (npr. Cu, N) istina proširuju oblast gama, ali to nije dovoljno da se ta oblast potpuno otvori da bi prekristalizacija bila sasvim potisnuta. Ovi elementi dakle povećavaju stabilnost faze gama, ali je ne povećavaju u toj meri, da bi bila zadržana i pri sobnoj temperaturi.


Pregled legirajućih elemenata i karbida u čelicima

Nikal rastvoren u feritu povećava jačinu i žilavost uz održavanje visoke plastičnosti. Nikal u čeliku deluje kao grafitizator (razlaže cementit), pa čelici bogati niklom treba da sadrže što manje ugljenika. Mangan se supstitucijski rastvara u feritu doprinoseći porastu svojstava otpornosti čelika. U ugljeničnim i niskolegiranim čelicima povećava otpornost zavarenih spojeva prema prslinama na toplo. Povećanjem sadržaja manganado 1.5% rastu jačina i žilavost uz održanje dobre plastičnosti.Bakar, u količinama koje se obično sreću u konstrukcionim čelicima (oko 0.5%), povećava napon tečenja i jačinu (ReH i Rm), ne pogoršavajući bitnije osobine plastičnosti i zavarljivosti. Povećava takodje otpornost prema atmosferskoj koroziji.Ugljenik najviše utiče na strukturu i osobine čelika. Povećava jačinu, tvrdoću, otpornost na habanje, prokaljivost, a snižava svojstva plastičnosti i žilavost, uz pogoršanje zavarljivosti.


Azot, slično ugljeniku povećava jačinu čelika na sobnoj i povišenim temperaturama. Prednost mu je što se hemijski ne vezuje za hrom, pa kod Cr-Ni čelika ne umanjuje korozionu otpornost. Nepovoljno je što smanjuje plastičnost i time otežava hladnu preradu.

Povišen sadržaj hroma u ugljeničnim i niskolegiranim čelicima pogoršava njihovu zavarljivost na račun poboljšanja prokaljivosti. Povećava vatrootpornost austenitnih čelika u oksidacionim uslovima.Hrom obrazuje veoma stabilne karbide Cr23C6, Cr7C3 i Cr3C2, koji se u čeliku mogu nalaziti u slobodnom stanju ili povezani sa Fe3C. Sa porastom sadržaja hroma smanjuje se termička provodnost što zahteva predostrožnost pri zagrevanju čelika, npr. pri preradi na toplo, termičkoj obradi ili zavarivanju.

Molibden se u konstrukcionim čelicima izaziva usitnjavanje zrna i dovodi do povećanja žilavosti (pri visokim temperaturama) i prokaljivosti. Sa povećanjem sadržaja Mo raste i jačina i napon tečenja, dok izduženje i kontrakcija opadaju.


Volfram daje čeliku sitnozrnastu gradju na račun obrazovanja teško rastvorljivih karbida. Prokaljivost se povećava relativno malo, a zavarljivost pogoršava zbog velike krtosti zavarenog spoja, posebno kod čelika sa većim sadržajem ugljenika. Volfram donekle povećava opštu korozionu otpornost kao i otpornost prema me-djukristalnoj koroziji austenitnih čelika. Sa povećanjem sadržaja W, opada termička provodnost, povećava se gustina i električni otpor.

Silicijum, koji se supstitucijski rastvara u feritu povećava njegovu jačinu i naročito granicu elastičnosti, i s te tačke gledišta jeste poželjan legirajući sastojak kod čelika za opruge.

Vanadijum otežava zavarivanje čelika usled povećanja prokaljivosti. Smanjuje osetljivost čelika ka pregrevanju - karbidi vanadijuma koče porast zrna.

Tantal je element sa velikom sklonošću ka obrazovanju karbida i primenjuje se u austenitnim hrom-nikal čelicima kao stabilizator koji suzbija medjukristalnu koroziju. Mora biti uveden u dovoljnoj količini, da veže sav ugljenik i tako spreči obrazovanje karbida hroma.


Aluminijum pokazuje veću sklonost ka obrazovanju nitrida - smanjujući na taj način osetljivost čelika na proces starenja. Dodatak aluminijuma nerdjajućim čelicima povećava otpornost na oksidaciju.

Titan je legirajući element najvećeg afiniteta prema ugljeniku, pa se stoga često primenjuje kao stabilizator u čelicima otpornim prema kiselinama, u cilju vezivanja ugljenika i sprečavanja da nastane karbid hroma.

Niobijum pokazuje veliku sklonost ka ugljeniku i obrazuje karbid NbC. Često se primenjuje u mikrolegiranim čelicima. Njegov koristan uticaj na osobine čelika zasniva se pre svega na kočenju procesa segregacije. Sužava austenitno područje, smanjuje prokaljivost i poboljšava zavarljivost.

Bor je element koji obrazuje karbide i veoma povećava prokaljivost čelika ako se doda u malim količinama. Pri većim sadržajima bora prokaljivost čelika opada i nastaje krta grubozrnasta struktura. Obično se dodaje čelicima u malim količinama - oko 0.003%.


Sumpor pokazuje veliku sklonost ka segregaciji. U legurama Fe-C pri povišenom sadržaju sumpora nastaje niskotopljiva eutektika Fe-FeS (≈ 975-985ºC) rasporedjena po granicama metalnih zrna, što u suštini umanjuje otpornost prema prslinama na toplo koje nastaju oko solidus temperature.

Fosfor umanjuje otpornost prema prslinama na toplo i znatno snižava žilavost, naročito na sniženim temperaturama. Posebno negativan uticaj fosfora zapaža se pri povišenom sadržaju ugljenika i nikla. Utvrdjeno je, da u nekim austenitnim čelicima fosfor povećava termo-postojanost.


Karbidi u metalnoj osnovi i njihov značaj

Najveći broj legirajućih elemenata u čeliku i livenom gvoždju hemijski se jedini sa ugljenikom obrazujući intersticijalne faze ili složene strukture uobičajeno zvane karbidima.Utvrdjeno je da u čelicima obrazuju karbide samo oni elementi čiji je podsloj dmanje posednut elektronima nego gvoždje. Što element ima manji broj elektrona u podsloju d, tim je sklonost ka obrazovanju karbida veća i karbid je pri tome stabilniji.

W 745d46s2

Ta 735d36s2

Hf 725d26s2

Mo 424d55s1

Nb 414d45s1

Zr 404d25s2

Fe 263d64s2

Mn 253d54s2

Cr 243d54s1

V 233d34s2

Ti 223d24s2

U skladu sa navedenim pravilom stabilnost obrazovanja karbida raste u pravcu od gvoždja prema manganu, hromu, vanadijumu do titanaod molibdena preko niobijuma do cirkonijumaod volframa preko tantala do hafnijuma


Legirajući elementi čiji je podsloj d posednutiji elektronima nego gvoždje, uopšte ne obrazuju karbide u legurama gvoždja, a posebno oni koji imaju potpuno ispunjen podsloj d, kao npr. bakar i cink.

U slučaju kad se u leguri gvoždja nalazi više karbidotvornih elemenata, onda će se ugljenik uvek vezivati za element veće karbidotvorne sklonosti što znači da u čeliku legiranom sa Cr i V treba očekivati pre svega karbide V, a zatim Cr.

Većina poznatih karbida kristališe se u tri kristalografska sistema: kubnom, heksagonalnom i rombičnom, pri čemu neki elementi mogu obrazovati dve vrste karbida, a mangan i hrom, čak tri vrste karbida koji imaju različite rešetke.

celik

Documents