5.1 Osnove metala ....................................................................................................95 5.1.1 Karakteristike metala ....................................................................................................... 97 5.1.2 Primjeri primjene metala ................................................................................................. 99

5.2 eljezni metali .................................................................................................. 100 5.2.1 Hlaenje taline eljeza ................................................................................................... 101 5.2.2 elici ............................................................................................................................ 102 5.2.3 eljezni lijevovi ............................................................................................................ 108

5.3 Neeljezni metali .............................................................................................. 111 5.3.1 Aluminij........................................................................................................................ 111 5.3.2 Bakar ............................................................................................................................ 112 5.3.3 Nikal ............................................................................................................................. 113 5.3.4 Titan ............................................................................................................................. 113 5.3.5 Magnezij ....................................................................................................................... 114

5.4 Korozija i zatita od korozije ............................................................................ 114 5.4.1 Korozija ........................................................................................................................ 114 5.4.2 Zatita od korozije ......................................................................................................... 118 5.4.3 Kemijska korozija ......................................................................................................... 118

5.1 Osnove metala U kemiji se pod metalima podrazumijevaju kemijski elementi lijevog dijela periodnog

sustava, koji lako otputaju elektrone te formiraju metalne kristalne reetke (metalna veza) i katione u spojevima ionskog tipa.

96 MATERIJALI

Pod metalima se u ovoj knjizi u pravilu podrazumijevaju: 1. jednokomponentni metali, s prisutnim prateim elementima i neistoama, te 2. viekomponentne legure smjese s dominantnim udjelima dva ili vie elemenata.

Metali se dobivaju iz ruda (kemijski spojevi s nemetalima, najee oksidi) metalurkim postupcima. U pravilu se dobivanje metala iz ruda odvija u koracima:

Provedba pojedinih koraka dobivanja razliitih metala je u velikoj mjeri razliita. Na primjer, redukcija je oksida eljeza kemijska (redukcija ugljikom koks), a oksida aluminij elektrokemijska (redukcija taline).

U pravilu, metali imaju visoka talita i vrelita. Dobri su vodii elektrine struje i topline. vrsti su, plastini, tvrdi i ilavi (iva). Metalni se komadi lako oblikuju u proizvode razliitim tehnolokim postupcima (lijevanje, plastina deformacija, skidanje strugotine, spajanje). Postojani su u organskim sredinama (ulja, alkoholi), ali ne i u anorganskim (vodene otopine kiseline, luine i soli). Lako se dobavljaju u obliku razliitih poluproizvoda (limovi, trake, ipke, cijevi, specijalni profili), jeftini su i lako se recikliraju (zlato, platina, rodij, paladij).

Pored toga, pogodnim izmjenama sastava i strukture, mogu se metali u irokom opsegu prilagoditi potrebama. Na primjer, granica razvlaenja (plastine deformacije) kemijski istog eljeza je oko Re = 10 N/mm2, a legiranjem sa samo 0,8 % ugljika i pogodnom toplinskom obradom ona se pomie sve do oko Re = 2.000 N/mm2.

Zbog pogodne kombinacije svojstava/karakteristika (mehanika, toplinska, elektrina, tehnoloka, uporabna, cijena) metali su najee koriteni materijali za izradu brojnih strojarskih elemenata i sustava. Na primjer, u izradi dijelova motora s unutarnjim izgaranjem (motor Volvo V8, 4,4 L):

najee se primjenjuju materijali:

05 Metali 97

Dio motora SUI Materijali cilindarski blok sivo lijevano eljezo, Al legura za lijevanje klip Al-Si-Cu-Mg legura klipni prsten legirano lijevano eljezo, opruni elik, nehrajui elik bregasta osovina tvrdi lijev, Cr-Mo elik, sinterirani metal na bazi eljeza ventil toplinski otporni elik, Ti legura, SiC (keramika) sjedite ventila lijevano eljezo, sinterirani metal na bazi eljeza klipni svornjak nodularni lijev, Si-Cr elik, nehrajui elik klipnjaa ugljini elik, mikrolegirani elik, sinterirani metal na bazi eljeza koljenasto vratilo ugljini elik, mikrolegirani elik, Cr-Mo elik, nodularni lijev ispuna grana lijevano eljezo s visokim sadrajem Si, nehrajui elik klizni leajevi Al-Si-Sn legura, Cu-Pb legura katalizator Pt-Pd-Rh legura

Prema osnovnom metalu (komponenta s najveim udjelom), razlikuju se:

Pored dominantnih eljeznih materijala najvaniji su za konstrukcijske namjene po slijedu znaaja: aluminij (Al), bakar (Cu), nikal (Ni), titan (Ti).

5.1.1 Karakteristike metala

OSK osmij komercijalne istoe WK volfram komercijalne istoe A alatni elik 6CrMo15-5 (WNr. 1.2341)1 NL niskolegirani elik 60MnCrB3 (EN 10084)2 ReK osmij komercijalne istoe LW25%Re legura wolframa s 25 % renija RhK rodij komercijalne istoe

NLBL nisko legirani bijeli lijev PdK paladij komercijalne istoe SLLG sivi lijev s lamelarnim grafitom PbK olovo komercijalne istoe BiK bizmut komercijalne istoe InK indij komercijalne istoe LiK litij komercijalne istoe

1 AISI P4 2 AISI 5160

98 MATERIJALI

OSK osmij komercijalne istoe A1 alatni elik HS 2-9-2-8 (WNr. 1.3249)1 A2 alatni elik HS 18-1-2-10 (WNr. 1.3265)2 WK volfram komercijalne istoe TLB265 titanova legura LB 265 AL8091 aluminijeva legura 8091 BeLS-200 berilijeva legura S-200

PtK platina komercijalne istoe AuK zlato komercijalne istoe CaK kalcij komercijalne istoe TlK talij komercijalne istoe BiK bizmut komercijalne istoe InK indij komercijalne istoe LiK litij komercijalne istoe

1 AISI 48 2 AISI TP

Materijal ugljini

elik nehrajui

elik sivi lijev legirani aluminij

legirani titan mesing

C 221 X5CrNi18-102 BS 100 2024, T0 B265 5 C36000

Sastav, % 0,170,23 C

36 Mn

05 Metali 99

Otpornost na: troenje vrlo dobra dobra vrlo dobra srednja srednja vrlo dobra oksidaciju, 500C dobra vrlo dobra dobra vrlo slaba dobra srednja paljenje vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra dobra vrlo dobra vrlo dobra UV zrake vrlo dobra slatku vodu dobra vrlo dobra dobra vrlo dobra vrlo dobra vrlo dobra morsku vodu srednja vrlo dobra srednja dobra vrlo dobra vrlo dobra jake luine slaba dobra slaba vrlo dobra dobra slaba jake luine srednja vrlo dobra srednja slaba dobra vrlo dobra slabe kiseline srednja vrlo dobra dobra vrlo dobra vrlo dobra dobra slabe baze dobra vrlo dobra vrlo dobra dobra vrlo dobra vrlo dobra organska otapala vrlo dobra

Materijal C 221 X5CrNi18-102 BS 100 2024, T0 B265 5 C36000

ugljini elik

nehrajui elik

sivi lijev legirani aluminij

legirani titan

mesing

1 AISI 1020 2 AISI 304 (EN 10088-1; WNr. 1.4301)

Kada se pri izboru materijala za izradu nekog dijela usporedno analiziraju dva materijala, pored navedenih karakteristika, moraju se uzeti u obzir i strojarske tehnoloke karakteristike. Na primjer, ugljini elik se lako plastino deformira i zavaruje te se od njega izrauju cijevi, dok se mesing lako lijeva i obrauje odvajanjem estica te se od njega izrauju komadi sloenih geometrijskih oblika.

5.1.2 Primjeri primjene metala Prikladnim postupcima strojarske tehnologije (lijevanje, plastino deformiranje, odvajanje

strugotine, toplinska obrada) od metala se izrauje velik broj jednodijelnih i viedijelnih strojarskih elemenata:

Jednodijelni elementi svornjak cijev vratilo opruga

Viedijelni elementi vijak/matica leaj ventil prijenosnik

100 MATERIJALI

Metali se u velikoj mjeri koriste i u izgradnji razliitih strojarskih i elektrostrojarskih (mehatronika) sustava:

most automobil hard disk mobilni robot

kruzeri zrakoplov

5.2 eljezni metali Sirovo je eljezo relativno jeftino jer se rude eljeza u prirodi nalaze u velikim

koliinama, a proizvodnja je relativno jednostavna. Koriteno se eljezo lako reciklira (50 %).

Iz rude se sirovo eljezo dobiva u visokim peima.

Dodani koks (C) izgara u uvjetima manjka kisika uz nastanak ugljik monoksida:

C + O2 CO Ovu reakciju prati oslobaanje znaajnih koliina topline te dolazi do porasta temperature sadraja visoke pei.

U prisutnosti CO dolazi do redukcije FexOy. Na primjer, eljezo(III)-oksida (ruda hematit):

Fe2O3 + 3CO2 2Fe + 3CO2

Neistoe prisutne u rudi se izdvajaju u obliku troske, pri emu se odvija reakcija:

SiO2 + 2CaO 2CaSiO2

(reakcijom silikata i vapna nastaje kalcij-silikat)

05 Metali 101

Primjer bilance visoke pei je:

Punjenje pei Masa, t Proizvodi Masa, t

ruda, npr. sa 50 % Fe 4 000 sirovo eljezo 2 000

vapno 800 ljaka 1 600 koks 1 800 praina 200 zrak 8 000 plin visoke pei 10 800

ukupno 14 600 ukupno 14 600

Daljom preradom metalurkim procesima dobivaju se razliiti metali (nelegirani i legirani) na bazi eljeza koji se prema kemijskom sastavu mogu svrstati u tri grupe:

Pogodna svojstva Nepogodna svojstva visoko talite (1540 C) velika vrstoa i pri visokim t (450 C) od uobiajenih metala najvei E (200 kN/mm2) dobra toplinska i elektrina provodljivost dobra duktilnost (kovanje, valjanje, izvlaenje) lako legiranje (Cr, Ni, Co, Cu) lako lijevanje lako zavarivanje mogua znaajna prilagodba svojstava toplinskom obradom niska cijena

krhkost pri niskim velika gustoa (preko

7,87 kg/dm3) korozija u prirodnim

uvjetima

5.2.1 Hlaenje taline eljeza Pri odvoenju topline hladi se tekua talina eljeza (Fet) te nakon dostizanja talita, uz

dalje odvoenje topline, postupno prelazi prelazi u krutinu (-Fe): talite: Fet -Fe pri = 1538 C

Tijekom daljeg odvoenja topline u krutom eljezu (kemijski isto eljezo) dolazi do alotropskih modifikacija u tokama zastoja: A4 : -Fe -Fe pri = 1392 C A3 : -Fe -Fe pri = 898 C A2 : -Fe -Fe pri = 769 C

U tokama zastoja, i pored odvoenja topline ne mijenja se temperatura sve dok se u potpunosti odvije fazna promjena. -Fe je nemagnetino (za razliku od -Fe) ali ima istu

102 MATERIJALI

strukturu kao i -Fe ( -Fe) tako da se zanemaruje pri analizi strukturnih promjena pri hlaenju eljeza.

Dijagram stanja FeFe3C (stanje ravnotee).

BCC reetka FCC reetka BCC reetka

Fe3C cementit Cw maseni

postotak ugljika

Few maseni postotak eljeza

Fe3Cw maseni postotak cementita

T talina F ferit A austenit P perlit L ledeburit C cementit

Na dijagramu stanja FeFe3C opaa se da temperature pri kojima dolazi do faznih transformacija (talite i toke zastoja) znaajno ovise o koliini ugljika prisutnog u metalu. Na

05 Metali 103

primjer, talite je minimalno pri sadraju ugljika wC = 4,3 %, a maksimalno pri sadraju ugljika wC = 4,3 %.

Rezultati oekivani na temelju dijagram stanja FeFe3C dobivaju se samo pri vrlo sporom hlaenju krutine (dovoljno vremena za potpunu faznu pretvorbu). Za predvianje rezultata breg hlaenja (nedovoljno vremena za odvijanje potpunih faznih pretvorbi) koriste se za razliite elike razliiti "TTT" dijagrami (Time-Temperature-Transformation vrijeme-temperatura-pretvorbe).

B bainit Bainit, kao i perlit, grade faze ferita i cementita (Fe3C), ali se od perlita razlikuje po obliku, veliini i rasporedu kristalnih zrna.

M martenzit

Pri toplinskoj obradi, tvrdoa od 670 HB se dobiva brzim hlaenjem komada u toploj vodi (prethodnim grijanjem i zadravanjem na temperaturi oko 850 C provedena je austenitizacija materijala). Sporijim hlaenjem komada u ulju dobiva se manja tvrdoa od 330 HB. Pri jo sporijem hlaenju (zrak) dobiva se jo manja tvrdoa 230 HB.

104 MATERIJALI

Po potrebi, veoma sporo hlaenje se provodi u samoj pei za toplinsku obradu, pod kontrolom pogodnog sustava regulacije dinamike hlaenja.

Kod FCC elije austenitnog elika raspored je atoma eljeza i ugljika (u izraunavanjima treba imati u vidu da atomi Fe koji se nalaze u kutovima i na stranicama kocke pripadaju i susjednim elijama):

osam Fe atoma u kutovima kocke, est Fe atoma u presjecima dijagonala stranica kocke, a eventualno prisutni jedan C atom u presjeku prostornih dijagonala kocke.

Kod BCC elije perlitnog elika raspored je atoma eljeza i ugljika (u izraunavanjima treba imati u vidu da atomi Fe koji se nalaze u kutovima kocke pripadaju i susjednim elijama):

osam Fe atoma u kutovima kocke, jedan Fe atom u presjeku prostornih dijagonala kocke, a eventualno prisutni jedan C je izvan kocke.

Prema tome, pri sporom grijanju i hlaenju atomi ugljika ulaze i izlaze iz kocke.

elik s cw = 0,8 %, > 723 C FCC austenit

elik s cw = 0,8 %, < 723 C

BCC perlit

elicima s preko 0,2 % ugljika moe se po grijanju na temperature vie od temperatura otvrdnjavanja (podruje austenita u ravnotenom dijagramu stanja FeFe3C) brzim hlaenjem poveati tvrdoa (slika na sljedeoj stranici). Atom ugljika nije imao vremena izai iz kocke i ostao je zarobljen u tetragonu kod BCT (Body Centred Tetragonal volumno centrirana tetragonalna) elije martenzitog elika raspored je atoma eljeza i ugljika (u izraunavanjima treba imati u vidu da atomi Fe koji se nalaze u kutovima tetragona pripadaju i susjednim elijama):

osam Fe atoma u kutovima tetragona, jedan Fe atom u presjeku prostornih dijagonala tetragona, a eventualno prisutni jedan C atom zarobljen je u tetragonu.

05 Metali 105

Prema tome, pri sporom grijanju te potom brzom hlaenju C atomi ulaze i ostaju zarobljeni u tetragonu (martenzit).

elik ugrijan iznad temperature otvrdnjavanja FCC austenit

Hladni otvrdnuti elik

BCC martenzit

5.2.2 elici elici su smjese eljeza i ugljika (wC 2 %), s prateim elementima (Si, Mn, ...) i

neistoama (P, S, ...), te s jednim ili vie dodanih legirajuih elemenata. Svojstva elika ovise o kemijskom sastavu (osobito je velik utjecaj sadraja ugljika) i grai (struktura i greke).

Prema kemijskom sastavu razlikuju se:

Kod legiranih je elika udio najmanje jednog od elemenata vei od:

Si Mn Cr Ni W Mo V Co Ti Cu Al

wi , % 0,60 0,80 0,20 0,30 0,10 0,05 0,05 0,05 0,05 0,03 0,05

Dodatkom legirajuih elemenata znaajno se mijenjaju svojstva elika.

Element wi , % Glavni utjecaji aluminij < 2 poveava otpornost gradnji cundera (sloj oksida), pospjeuje nitriranje, ometa rast zrna sumpor < 0,5 poboljava rezljivost, smanjuje duktilnost i zavarljivost

krom 0,3 4 poveava vrstou pri visokim temperaturama i zakaljivost te otpornost na koroziju, a u kombinaciji s ugljikom poveava otpornost na troenje nikal 0,3 5 poveava vrstou, ilavost i zakaljivost (pospjeuje austenitizaciju), te otpornost na koroziju bakar 0,2 0,5 pospjeuje izgradnju zatitnog sloja u uvjetima atmosferske korozije

106 MATERIJALI

mangan 0,3 2 poveava zakaljivost, pospjeuje austenitizaciju, u kombinaciji sa sumporom smanjuje negativne utjecaje dodatka sumpora silicij 0,2 2,5 u proizvodnji elika vezuje kisik, poveava ilavost i zakaljivost molibden 0,1 0,5 poveava sitnozrnost, zakaljivost i vrstou pri visokim temperaturama vanadij 0,1 0,3 poveava sitnozrnost i zakaljivost, a u kombinaciji s C poveava otpornost na troenje

Element wi , % Glavni utjecaji

Prema namijeni se razlikuju:

Od konstrukcijskih elika izrauju se razliiti strojarski dijelovi i sustavi, a od alatnih se

izrauju razliiti proizvodni (plastina deformacija, rezanje) i mjerni alati.

Pored oznaka elika prema Hrvatskim normama (HRN), danas se u Hrvatskoj esto sreu i oznake elika prema Europskim normama (EN), Jugoslavenskim normama (JUS), Njemakim normama (DIN), njemakim Brojevima elika (W.Nr.) i Amerikim normama (AISI). Usporedne oznake za elike nalaze se u literaturi "kljuevima" za elike. elici su veoma detaljno obraeni u DIN normama, na primjer, koritena terminologija je obuhvaena u normama DIN EN 10079 Definicije termina za poluproizvode od elika (npr. ravni poluproizvodi, limovi, profili, cijevi), DIN EN 10052 Termini toplinske obrade materijala na bazi eljeza (npr. austenitizacija, poputanje, kaljenje). Oznaavanje elika je detaljno obraeno u DIN E 10027 - 1 Sustav oznaavanja elika kratice: (a) na temelju namjene (npr. S235JR, L360GA, GE240), (b) na temelju kemijskog sastava te (npr. C35R, 28Mn6, X10CrNi18-8) DIN E 10027 - 2 Sustav oznaavanja elika Broj materijala (npr. 1.0212, 10345, 1.0721).

U Europskim normama (EN) elici se oznaavaju:

prema kemijskom sastavu, na primjer: visokolegirani elik: X20CrMoV12-1

X maseni udio najmanje jednog legirajueg elementa wX 5 %, 20 wC = 0,20 % , ( 100 = 20) Cr, Mn, V krom, mangan, vanadij, 12-1 maseni udjeli: wCr = 12 %, wMn = 1 %.

prema namjeni, mehanikim i fizikalnim svojstvima, na primjer: konstrukcijski elik: S235JRG2

S konstrukcijski elik, 235 granica razvlaenja, Re = 235 N/mm2 , JR udarni rad loma, KV = 27 J pri + 20 C, G2 jami se udarni rad loma, KV = 27 J pri + 20 C.

brojano, na primjer: 1.3551

1 broj vrste materijala, 1 = elik, 35 broj skupine materijala, 30 39 = razni elici, 51 serijski broj.

Prepoznavanje elika na temelju oznake izlazi iz okvira Materijala, a prethodno navedeni primjeri samo ukazuju na sloenost normiranog sustava oznaavanja elika. U

05 Metali 107

sluaju rjeavanja konkretnog problema dodatne se informacije o konkretnom eliku lako nalaze u literaturi i/ili na Internetu.

Konstrukcijski elici Od konstrukcijskih elika izrauju se razliiti dijelovi/sustavi za: preuzimanje sila i/ili

momenata u mirovanju ili gibanju (nosai, mostovi, vratila, zupanici), skladitenje ili transport plinova i tekuina (spremnici, cijevi), zatvaranje i spajanje (oplata brodova, zavarena kuita, vijci).

Svojstva su konstrukcijskih elika:

mehanike visoka granica razvlaenja, vrstoa, ilavost i dinamika izdrljivost, postojanost otpornost na troenje i koroziju, tehnoloka hladna oblikovljivost plastinom deformacijom, rezljivost i zavarljivost, trina niska cijena i laka nabavka.

Prema namijeni se razlikuju:

Nekoliko su primjera konstrukcijskih elika ope namjene i njihove primjene:

Oznaka elika Sastav, % (Max) Rm Rp0,2 (min) A5, %

KV20C , (min), J HRN DIN C Si Mn P S N Al N/mm2

0000 St 33 290

0371 USt 37-2 0,17 0,05 0,05 0,007 340470 225 26 27

0361 RSt 37-2 0,17 0,05 0,05 0,009 340470 225 26 27

0363 St 37-3 0,17 0,030,3 0,20,5 0,04 0,04 0,009 0,02 340470 225 26 27

0562 St 52-3 0,2 0,55 1,7 0,045 0,045 0,009 0,02 490630 345 22 27

0545 St 50-2 0,3 0,05 0,05 0,009 470610 285 20

0645 St 60-2 0,4 0,05 0,05 0,009 570710 325 16

0745 St 70-2 0,5 0,05 0,05 0,009 670830 355 11

Vrsta elika Podruje primjene 0000 Proizvodi sporedne vanosti (ograde, uline pokrovne ploe, poluge). Zavarljivost nije zajamena.

0371 Dijelovi namijenjeni oblikovanju hladnim deformiranjem (limove za hladno valjanje, naplatci kotaa vozila).

0361, 0363 Zavrene konstrukcije, statiki srednje optereene pri temperaturama iznad 0 C.

0363, 0562, 0563

Zavarene konstrukcije, izloene jakim udarnim naprezanjima pri temperaturama snienim i do 20 C. Slabije optereene osovine i cilindrini zupanici, koji nisu izloeni uvjetima povienog troenja.

0545, 0645 Strojni dijelovi koji su i nekaljeni otporni na troenje (klipnjae, spojne poluge, svornjaci, manje optereeni zupanici, jae optereene osovine pumpa i kompresora, vretena). Srednje optereeni dijelovi

108 MATERIJALI

izloeni visokim povrinskim tlakovima (puni vijci, klinovi, zatici).

0745 Dijelovi izloeni jakim statikim optereenjima (bez titranja) koji su izloeni uvjetima jakog troenja (vodee tranice, osovine sporih mijealica abrazivnih materijala). U pravilu se ne kali.

Nekoliko su primjera korozijski postojanih elika (zeleno- vrijednosti pri 20 C):

Oznaka elika HB (gaeno)

Rm Rp0,2 (min) A5, %

KV (min), J

Rp0,2, N/mm2

HRN DIN N/mm2 100 C 500 C 4571 X 12 CrNi 17 7 170 220 700 950 350 45 105

4580 X 5 CrNi 18 9 130 180 500 700 185 50 85 155 92

4573 X 5 CrNiMo 18 10 130 180 500 700 205 45 85 175 110

4572 X 10 CrNiTi 18 9 130 190 500 750 205 40 85 176 119

4574 X 10 CrNiMoTi 18 10 130 190 500 750 225 40 85 190 129

4583 X 10 CrNiMoNb 18 10 130 190 500 750 225 40 85 190 129

Vrsta elika Podruje primjene 4571 Opruge do 300 C.

4580 Duboko vuene limene prevlake za prehrambenu industriju.

4573 Oprema u kemijskoj industriji, industriji boja, mljekarskoj industriji, proizvodnji piva.

4572 Zavareni dijelovi u kemijskoj i prehrambenoj industriji. U kuanstvu (nehrajui pribor za jelo).

4574 Zavareni dijelovi u kemijskoj industriji, industriji boja te proizvodnji polimera i gume.

4583

Alatni elici Namijenjeni su izradi alata za oblikovanje metala odvajanjem estica i plastinim

deformiranjem, kalupa za oblikovanje polimera te izradi mjernih alata.

Svojstva su konstrukcijskih elika velike:

krutosti (deformacije izazivaju promjene dimenzija izraivanih proizvoda), tvrdoe (troenje alata izaziva promjene dimenzija izraivanih proizvoda), ilavosti (alati moraju biti otporni na udare kako ne bi dolazilo lomova).

Prema uvjetima koritenja se razlikuju:

Radne su temperature:

hladni rad, tr < 200 C topli rad, tr 200 C

5.2.3 eljezni lijevovi Ljevovi na bazi eljeza su smjese eljeza s ugljikom. Razlikuju se:

elini ljevovi sa: 0 < wC < 2,03 %, u praksi: wC < 0,5 % i eljezni ljevovi sa: wC > 2,14 %, u praksi: 3,0 < wC < 4,5 %.

05 Metali 109

Sadraj ugljika u eljeznim lijevovima znaajno premauje ravnotene koncentracije (otopina C u Fe) te se ugljik izdvaja u zrnima grafita i cementita (Fe3C). Grafit se izdvaja u tri osnovna oblika: listastom (lamelarnom), crvastom (vermikularnom, en. compacted) i kuglastom (sferoidalnom).

listasti grafit crvasti grafit kuglasti grafit

Cementit je nestabilni spoj i pod odreenim uvjetima se razlae:

Fe3C 3 Fe () + C (grafit)

Talite je lijevova 1150 do 1300 C znatno nie od talita elika (dijagram stanja).

Prema kemijskom sastavu razlikuju se nelegirani i legirani elini lijevovi:

vrsta lijeva C Si Mn P S Cr

wi , % nelegirani 0,11 0,43 0,3 0,5 0,5 0,8 < 0,04 < 0,04 legirani 1,0 1,5 0,4 0,6 12 17 < 0,01 < 0,04 1 2

elini lijev je zapravo lijevani elik. Obrauje se samo odvajanjem estica. Za dobivanje mikrostrukture sline eliku mora se elini lijev toplinski obraditi (usitnjavanje i ujednaavanje veliine kristalnih zrna).

Komadi od elinog lijeva su znaajno skuplji od komada od eljeznog lijeva (toan kemijski sastav, visoko talite, potekoe pri lijevanju, toplinska obrada).

eljezni lijevovi Vrste su eljeznih ljevova:

Uobiajen je kemijski sastav bijelog lijeva:

C Si Mn P S wi , % 2,5 3,5 < 0,6 3,5 4,0 < 0,9 < 0,25

Ugljik je veim dijelom vezan u cementitu ija su krupna kristalna zrna rasporeena u austenitnoj, perlitnoj ili martenzitnoj osnovi.

110 MATERIJALI

Bijeli je lijev tvrd (> 400 HV) i krhak, izvrsne je otpornosti na abrazijsko troenje, te

visoke tlane vrstoe.

Zbog sklonosti formiranju upljina i napetosti pri lijevanju, te teke obrade odvajanjem estica, koristi se za izradu proizvoda jednostavnijih oblika (industrijski valjci, kugle mlinova, dijelovi drobilica kamena, sapnice pjeskara).

Uobiajen je kemijski sastav sivog lijeva:

C Si Mn P S wi , % 2,5 4,5 1,0 4,0 0,3 1,0 0,1 1,5 < 0,1

Ugljik je veim dijelom izdvojen u grafitu (velik sadraj Si koji pospjeuje gradnju grafita, mali sadraj Mn koji pospjeuje gradnju cementita) ija su kristalna zrna izdvojena u listastom obliku.

Niske je vlane i visoke tlane vrstoe, male ilavosti i istezljivosti. Najjeftinije je od lijevova, dobre je livljivosti i rezjivosti te loe zavarljivosti.

Zbog dobre livjivosti i priguivanja vibracija koristi se u izradi komada sloenih oblika koji su tijekom uporabe izloeni titrajnom optereenju (kuita mjenjaa, postolja obradnih strojeva).

Uobiajen je kemijski sastav nodularnog lijeva:

C Si Mn P S Mg wi , % 3,2 3,8 2,2 2,8 < 0,5 < 0,004 < 0,01 0,03 0,04

Ugljik je veim dijelom izdvojen kao grafit. Za razliku od sivog lijeva, kristalna su mu zrna izdvojena u obliku kuglica. Oblikovanje kuglica pospjeuje magnezij, kao i brojni drugi elementi. Metalna osnova moe biti feritne, feritno perlitne ili perlitne strukture.

Nodularni lijev ima mnogo veu vlanu vrstou nego sivi lijev, ali manju od elinog lijeva. Posebna prednost nodularnog lijeva u odnosu na sivi lijev su vea granica razvlaenja, ilavost i duktilnost. Ima veliku dinamiku izdrljivost. Moe se zavarivati i dobro se obrauje postupcima odvajanja strugotine.

Zbog pogodne kombinacije svojstava se od nodularnog lijeva izrauju brojni dijelovi vozila (npr. klipni svornjak, koljenasto vratilo, bregasta osovina, zupaici), crpki i kanalizacijskih cijevi. U pravilu je najekonominija primjena feritno perlitnog nodularnog lijeva, ali je za odljevke koji se tijekom uporabe izlau velikim deformacijama i udarnim optereenjima najpogodniji feritni nodularni lijev.

Temper lijev se dobiva toplinskom obradom bijelog lijevanog eljeza decementacijskim arenjem (Fe3C 3 Fe + C). Produkti su arenja:

bijeli temper lijev u oksidacijskoj atmosferi (okcidacija ugljika bijeli prijelom) i crni temper lijev u redukcijskoj atmosferi (izdvajanje ugljika crni prijelom).

05 Metali 111

Od bijelog temper lijeva se izrauju runi alati, cijevne prirubnice i dijelovi lanaca, a od crnog temper lijeva bubnjevi konica.

5.3 Neeljezni metali Najvie su koriteni neeljezni metali:

Prema namjeni razlikuju se:

5.3.1 Aluminij Vrlo niski kemijski potencijali oksida aluminija onemoguavaju njegovo dobivanje iz

ruda kemijskom redukcijom uz koritenjem jeftinoga redukcijskog agensa (ugljik u obliku koksa). Aluminij se dobiva elektrolitskom redukcijom taline oksida. Pri hlaenju krutine aluminija od talita sobne temperature ne dolazi do faznih pretvorbi (FCC kristalna reetka). Glavni su legirajui elementi aluminija Cu, Mg, Mn, Si i Zn.

Pogodna svojstva Nepogodna svojstva

mala gustoa (2,7 kg/dm3) povoljan omjer vlane vrstoe i gustoe velike elektrine vodljivosti (2,7 cm) velike toplinske vodljivosti (230 W/mK) izuzetno povoljan omjer elektrine vodljivosti i gustoe (vei

nego kod Cu) dobra otpornost na atmosfersku koroziju i koroziju u vodama velika duktilnost, koja se zadrava i pri vrlo niskim

temperaturama

nisko talite (660 C)

isti se aluminij koristi za izradu elektrinih vodia (omjer elektrine vodljivosti i gustoe aluminija je najpovoljniji od svih metala), dok se legure koriste u izradi graevinskih konstrukcija, zrakoplovnoj industriji, industriji vozila, za izradu ambalae (veoma je povoljan omjer Rm/ vrst i lak proizvod) i prehrambenoj industriji (poetna brzina korozije je velika, ali je tanki korozijsko-zatitni sloj oksida svodi na zanemarive vrijednosti).

112 MATERIJALI

Osobito se mogu dobro oblikovati legure za plastinu deformaciju, s legirajuim dodacima Cu, Mn, Mg i Si. Imaju visoku vrstou i otporne su na atmosferske utjecaje.

Od legura za lijevanje, uglavnom s legirajui dodatkom Si, mogu se odliti proizvodi s tankim stijenkama. Odliveni su proizvodi vrsti i uz pogodne legirajue dodatke otporni na djelovanje slatke i morske vode. Korozijska je otpornost legura Al-Mg dobra, a Al-Cu slaba.

vrstoa se dijela legura aluminija moe poveati toplinskom obradom "precipitacijskim ovrivanjem" tijekom koga se sporo formira disperzija submikroskopskih precipitata u kristalnoj reetki dobivenoj brzim ohlaenjem prezasiene krute otopine.

Legure aluminija su dominantan materijal za izradu konstrukcije putnikog zrakoplova Airbus A 380. Na slici je s UVOP oznaena ugljinim kompozit vlaknima ojaana plastika.

5.3.2 Bakar Na bazi bakra proizvedena je prva legura kositrena bronca, koja se koristila ve prije

oko 11000 godina. vrstoa je bakra mala i lako se plastino deformira, ali teko lijeva.

Pogodna svojstva Nepogodna svojstva

velike elektrine vodljivosti (1,8 cm) velike toplinske vodljivosti (390 W/mK) vrlo velika duktilnost (valjanje, izvlaenje) dobra otpornost na koroziju legure bakra imaju razliite boje

velika gustoa (8,9 kg/dm3) nepovoljan omjer vlane vrstoe i

gustoe u dodiru s hranom se mogu formirati

otrovne tvari

Tehniki ist bakar se koristi za izradu elektrinih vodia od metala veu elektrinu vodljivost imaju samo zlato i srebro. Bakar se dobro spaja mekim lemljenjem te se oko 50 % proizvedenog bakra koristi u elektronici i elektrotehnici. Zbog dobre se toplinske vodljivosti bakar koristi i za izradu cijevi protustrujnih i krinih cijevnih toplinskih izmjenjivaa.

05 Metali 113

Svojstva se bakra mogu u velikoj mjeri prilagoditi potrebama legiranjem.

Mjedi su vrste, te otporne na troenje i koroziju, a mogu se vrlo dobro polirati. Lako se

lijevaju, oblikuju deformiranjem i reu. Koriste se u izradi cijevnih spojnih elemenata, korozijski otpornih vijaka i opruga, sitnih dijelova, ali i posuda pod tlakom.

Dodatak do oko 15 % Sn poveava se vrstou bronci i otpornost na troenje. Dio je bronci izuzetno otporan na koroziju, a dio ima dobra klizna svojstva. Bronce se koriste za izradu izmjenjivaa topline, te u brodogradnji, kemijskoj i petrokemijskoj industriji.

5.3.3 Nikal Nikal ima feromagnetina svojstva (moe se magnetizirati), a najvanije mu je svojstvo

izvrsna otpornost na koroziju. Legira se s Cr, Mn, Mg, Al, i Be, a u ovisnosti od legirajuih dodataka ima izraeno visoku vrstou, elastinost, temperaturnu i korozijsku postojanost.

Pogodna svojstva Nepogodna svojstva

vrlo velika otpornost na koroziju velika gustoa (8,9 kg/dm3)

U proizvodnji legiranih elika se koristi oko 60 % nikla, a u proizvodnji legura s bakrom i srebrom oko 14 % nikla. 9 % nikla se koristi u proizvodnji kovkog nikla te vie razliitih koroziono i vatro otpornih legura: "Monel"-a (do wNi = 60 %), "Inconel"-a (wNi = 44 72 %), "Hastelloy"-a (wNi = 56 76 %) i drugih superlegura, 6 % za platiranje, 3 % za izradu toplinski i elektrino otpornih legura .

5.3.4 Titan Titan ima vrstou i krutost slinu eliku, ali je 40 % manje gustoe ( = 4,5 g/cm3).

Legure titana dostiu vrstou do 1400 N/mm2 i imaju dobra svojstva na povienim temperaturama. Talite je titana 1670 C.

Pogodna svojstva Nepogodna svojstva

povoljan omjer vlane vrstoe i gustoe velika otpornost na koroziju implantati su kompatibilni s ljudskom organizmom

visoka cijena

Pri hlaenju taline javljaju se dvije alotropske modifikacije (BCC), stabilna pri viim temperaturama, te (HCP), stabilna pri temperaturama ispod 880 C.

Zbog izvrsne otpornosti na koroziju titan se koristi u kemijskoj industriji, brodogradnji i medicini. U zrakoplovnoj se industriji titan koristi za izradu dijelova trupa aviona i dijelova mlaznih motora. Legiranjem titana s niobijem moe se formirati supravodiki intermetalni spoj, a legura s niklom pokazuje efekt memoriranja oblika.

Legure titana su dominantan materijal za izradu konstrukcije vojnog zrakoplova Airbus A 380. Na slici je s UVOP oznaena ugljinim kompozit vlaknima ojaana plastika.

114 MATERIJALI

5.3.5 Magnezij Magnezij ima najniu gustou od svih konstrukcijskih metala, ali se zbog niske

vrstoe, otpornosti na troenje i umor, te kemijske otpornosti rijetko koristi bez legirajuih dodataka (Al do 10 %, Zn do 6 %, Mn 1 2 %, Cu, Si, Ce cer, Th torij i Zr cirkonij).

Pogodna svojstva Nepogodna svojstva vrlo mala gustoa (1,74 kg/dm3) povoljan omjer vlane vrstoe i gustoe izvrsna obradivost, dobra livljivost i zavarljivost

mala otpornost na koroziju visoka cijena

Legure za gnjeenje mogu se rezati velikim brzinama, ali treba poduzeti mjere osiguranja od paljenja strugotina. Legure za lijevanje (pjeani, kokilni i tlani lijev) pogodne su za izradu dijelova s tankim stjenkama koji moraju biti laki, npr. kuita runih elektrinih alata.

Magnezijeve legure se upotrebljavaju za izradu dijelova zrakoplova, prenosivih ureaja, raunala, instrumenata i fotoaparata. Povrina se dijelova se zatiuju kromiranjem.

5.4 Korozija i zatita od korozije Jedan od oblika djelovanja okoline na metalne materijale je korozija tetno

elektrokemijsko otapanje metala u elektrolitima, uz formiranja sloja produkata korozije ili bez njega. Pored gubitaka metala javljaju se i indirektne tetne posljedice korozije, koje u pravilu znaajno nadmauju tete uzrokovane gubicima metalnog materijala. Na primjer, kroz probojno korozijsko oteenje vodovodne cijevi promjera 1 mm, pod tlakom od 3 bar, dnevno e biti izgubljeno oko 1 m3 pitke vode.

5.4.1 Korozija Korozija:

elektrokemijska reakcija metala s agensima korozije sadranim u okolini, odvija se na dodirnoj povrini metal/okolina, izaziva mjerljive promjene svojstava metala i okoline.

Razvoj se korozije moe opisati na primjeru korozije ispod kapljice vode na metalnoj povrini. Uzrok je korozije neravnomjerna aeracija (razliite koncentracije otopljenog kisika).

05 Metali 115

U biti, na tijek korozije uslijed neravnomjerne aeracije znaajno utjee formiranje

produkata korozije. Brzina korozije je vea u podruju manje koncentracije kisika zbog odsustva sloja produkata korozije koji imaju uinak korozijski zatitnog sloja. Naime, u odsutnosti ovog uinka korozija bi bila najbra u podruju najvee koncentracije kisika.

Korozijske veliine pokazatelji svojstava metala i okoline koja bitno utjeu na mogunost (termodinamika) i brzinu (kinetika) razvoja korozije.

Razlikuju se:

(a) vrste korozije, prema uzrocima:

(b) vidovi korozije, prema posljedicama:

Korozijsko oteenje gubitak funkcije metalnog dijela/sustava izazvan korozijom.

Osnovni je uzrok korozije elektrokemijska neravnotea.

Metal se otapanju u elektrolitu opire formiranjem elektrinog dvojnog sloja. to je jaa tenja otapanja metala u elektrolitu i slabije privlaenje iona i elektrona u metalu to e za uspostavljanje elektrokemijske ravnotee biti potrebno formiranje jaega elektrinoga

116 MATERIJALI

dvojnog sloja (npr. morska voda / cink), kao i obrnuto (npr. morska voda / bakar). Jakost se dvojnog sloja moe opisati elektrodnim potencijalom, EM u V, te izmjeriti voltmetrom (V), koristei se usporedbom s referentnom elektrodom poznatog elektrodnog potencijala. U laboratorijima se najee koristi standardna zasiena kalomelova elektroda (SZKE).

Uspostavljena elektrokemijska ravnotea se remeti: (a) elektrolitikim i elektrinim spajanjem metala s drugim metalom, (b) lokalnim promjenama svojstava metala ili elektrolita.

Uslijed poremeaja ravnotee, uspostavlja se korozijski lanak (anoda | elektrolit | katoda) i razvija se korozija uz tenju:

1. ravnomjerne raspodjele elektrona u krutoj fazi metala elektroni gibaju iz podruja vee u podruje manje koncentracije,

2. zaustavljanja otapanja iona metala formiranjem dovoljno jakog dvojnog sloja opeg ili lokalnog.

Brzina korozije se moe opisati jakou korozijske struje, IM u A , te izmjeriti ampermetrom (A). Tijekom razvoja korozije se u naelu mogu pratiti elektrodni potencijali i jakosti korozijske struje, ali se racionalna mjerenja u praksi teko provode. Pouzdani se rezultati o brzinama razvoja korozije dobivaju pokusima izlaganja koji su esto veoma dugotrajni (korozija metala u prirodnim uvjetima).

Sa stajalita elektrokemije korozija je anodna oksidacija metala praena katodnom redukcijom agensa korozije. U vodenim su sredinama najei agensi korozije otopljene molekule kisika i uvijek prisutni ioni vodika, a razvoj korozije se moe opisati jednadbama:

anodna oksidacija metala: M n e M+n na primjer: 2 Fe 4 e 2 Fe+2

(oksidacija otputanje elektrona, anoda mjesto na kome se odvija oksidacija)

katodna redukcija agensa korozije:

utroak otopljenog kisika oslobaanje vodika

(O2 ) 2 O + 4 e 2 O2 redukcija 2 O2 + 2 H+ 2 (OH) spajanje

4 H+ + 4 e 4 H redukcija 4 H 2 H2 spajanje

Pokazatelj koncentracije vodikovih iona: pH = log c(H+)

i moe se zakljuiti kako u oba sluaja tijekom razvoja korozije raste pH elektrolita. U neutralnim vodenim otopinama je c(H+) = 107 mol H+/l pH = 7.

Termodinamika analiza korozije Termodinamikim pristupom se utvruje mogunost razvoja korozije, a u analizi se

esto koriste Pourbaixovi dijagrami elektrokemijske ravnotee:

voda eljezo bakar

05 Metali 117

Aktualni uvjeti se mogu jednostavno odrediti s pH metrom koji omoguava mjerenje:

pH vrijednosti sa staklenom i kalomelovom elektrodom, EH usporedba sa standardnom zasienom kalomelovom elektrodom.

Na temelju Pourbaixovih ravnotenih dijagrama ipak se ne moe pouzdano predvidjeti tijek elektrokemijskih i prateih kemijskih reakcija strogo uzevi, oni vrijede samo za ist metal i istu vodu. esto dodatak male koliine legirajueg elementa osnovnom metalu ili otapanje male koliine kemijskog spoja u vodi rezultira znaajnim izmjenama veliina i oblika oblasti u dijagramima elektrokemijske ravnotee.

Razliito su oznaene oblasti:

korozije metal oksidira, te ioni metala prelaze u elektrolit

pasivnosti metal oksidira, a oksidi metala formiraju korozijski zatitni sloj

imuniteta metal ne oksidira

118 MATERIJALI

5.4.2 Zatita od korozije Zatita od korozije obuhvaa brojne razliite postupke sprjeavanja ili smanjivanja

brzine korozije, koji se prema prirodi mogu grupirati:

Pravilno konstruiranje Pravilnim se konstruiranjem strojarskih dijelova/sustava izbjegavaju pojave

nehomogenosti metala i/ili elektrolita. Ovdje spada i provedba toplinske obrade komada kod kojih su prisutna zaostala naprezanja (posljedica oblikovanja, npr. lijevanje, zavarivanje).

Izmjene svojstava metala Izmjenama svojstava metala on se prilagoava zadanoj okolini.

Izmjene svojstava okoline Izmjenama svojstava se okoline prilagoavaju zadanom metalu.

Formiranje izolacijskih slojeva Formiranjem izolacijskih slojeva se korozijski neotporan metal elektrolitiki odvaja od

okoline.

Elektrokemijska zatita Elektrokemijskom zatitom se metal iz oblasti korozije (dijagrami elektrokemijske ravnotee)

prevode u oblasti imuniteta (katodna zatita) ili pasivnosti (anodna zatita).

Katodna se zatita provodi sa: (a) rtvenom anodom i (b) izvorom struje i korozijski

otpornom anodom. Kako bi se smanjila potronja rtvene anode ili struje, tieni se metal prevlai elektrino izolacijskim slojem polimera (nalii).

5.4.3 Kemijska korozija

05 Metali 119

Kemijska se korozija odvija direktnim sudarima atoma reaktanata kisika i metala, uz formiranje sloja oksida metala. Na primjer:

Fe + O FeO (u neposrednom kontaktu O preuzima elektrone od Fe)

Znaajne se brzine kemijske korozije metala dostiu tek pri visokim temperaturama (kaljenje, visokotemperaturna korozija u loitima kotlova).