Predavanje 8A (vii)- mašinski materijali -

PODELA ČELIKA

.Grupa metala koja se danas najviše primenjuje jesu

- ČELICI -Čelici se upotrebljavaju u:- Mašinskoj industriji,- Građevinarstvu,- Rudarstvu,- Poljoprivrednoj mehanizaciji,- Itd.

U svetu se proizvodi nekoliko hiljada vrsta čelika. Oni se dobijaju različitim kombinacijama sadržaja ugljenika i legirajućih elemenata.

Različite konstrukcije .

3

.

.

Drugi razni proizvodi

.

.

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

Čelik Livenogvožđe

Podsećanje

.

Ugljenični čelici u svom sastavu imaju ugljenik i to jenajznačajniji element; jer od njegovog sadržaja zavise mehanička i druga svojstva čelika.Takođe sadrže i prateće primese koje zaostaju u procesu proizvodnje čelika, kao što su Mn, Si, Al, P, S.

Prema hemijskom sastavu čelici se dele na: - ugljenične, - legirane, - mikrolegirani.

Legirani čelici sadrže ugljenik i namerno dodate legirajuće elemenate u cilju poboljšanja svojstava.Sadržaj legirajućih elemenata kod legiranih čelika mora preći standardom predviđene vrednosti određjene narednom tabelom.

Leg. E Mn Ni V Al Si W Co Cu Cr Mo Ti

% > od 0.8 0.3 0.05 0.05 0.6 0.1 0.05 0.03 0.2 0.05 0.05

.Prema sadržaju legirajućih elemenata legirane čelike delimo na:

• niskolegirane - sadržaj svih legirajućih elemenata < 5% i

• visokolegirane - sadržaj leg. elemenata > 5%.

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

• prateće,

• skrivene,

• slučajne i

• legirajuće elemente.

.

.Prateće primese u čeliku vode poreklo iz:

- rude gvožđa (mangan, silicijum, fosfor),

- goriva (sumpor) i

- 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 sadržajima iznad odgovarajućih propisanih vrednosti, 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 čelici se dele na:

.• Simens-Martenivi čelici. Veoma kvalitetni čelici, ali je sam proces manje ekonomičan od drugih. Velika prednost procesa je što može kao sirovinu da koristi i stare otpatke gvožđa veoma različitog sastava. Proizvodnost je 16 000 kg/h.

• Besemerovi čelici. U nešto većem obimu ima pratećih primesa u čeliku; jer se proces odvija u bazično izidanom konvertoru. U rastopljenom belom livenom gvoždju odvija se oksidacija primesa putem uduvavanja vazduha. Visoka produktivnost 60 000 kg/h.

• LD čelici (kiseonički postupak, BOF-postupak). Čelik je čistiji od Besemerovog čelika. U rastopljeno belo liveno gvoždje uduvava se čist kiseonik koji vrlo burno reaguje i tako vrši prečišćavanje čelika. Mogu se upotrebiti i otpaci gvožđa. Proizvodnost je 50 000 kg /h.• Elektro čelici. Čelici visokog kvaliteta, uglavnom su to legirani čelici. Toplota se stvara putem električnog luka ili indukcijom, pa su i proizvodni troškovi znatno veći.

.

Prema čistoći čelici se dele na:

• 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 imaju sadržaj fosifora 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 na:

• 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:

- konstrukcione, - 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 u čelicima .Svaki element kojim se legira čelik, menja njegova svojstva zavisno od toga u kom

je obliku prisutan u strukturi:

-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.

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.

Elementi koji potpuno otvaraju oblast γ Dijagram potpuno otvorene γ-oblasti obrazuju sa Fe elementi, čiji su poluprečnici atoma bliski poluprečniku atoma Fe i čija je kristalna rešetka slična fazi γ.

U ovu grupu se ubrajaju nikal i mangan (Ni ima površinski centriranu rešetku sličnu kao γ-Fe).

Elementi koji potpuno otvaraju γ - oblast nazivaju se austenitotvorni ili γ-geni.

Elementi koji potpuno zatvaraju oblast γ Ferit koji nastaje iz rastopa pri očvršćivanju, označava se kao - 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 proširuju oblast γ .Neki elementi (npr. Cu, N) proširuju oblast gama, ali to nije dovoljno

da se ta oblast potpuno otvori da bi prekristalizacija bila sasvimpotisnuta. Ovi elementi dakle povećavaju stabilnost faze gama, ali je nepovećavaju u toj meri, da bi bila zadržana i pri sobnoj temperaturi.

Elementi koji sužavaju oblast γ

To su niobijum, tantal, cirkonijum i cer; oni se međutim koristeza legiranje čelika samo u posebnim slučajevima (npr. Nb kaostabilizator kod nerdjajućih čelika).

Legirajući elementi 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. Od čelika legiranih Ni i Cr izrađuju se zupčanici

za menjače.

Mangan se supstitucijski rastvara u feritu doprinoseći porastu svojstava otpornosti

čelika. Povećanjem sadržaja mangana do 1.5% rastu jačina i žilavost uz održanje

dobre plastičnosti. Manganski čelik (Hadfield) – 12% Mn je veoma otporan na

habanje (primenjuje se za lance gusenica na tenkovima, čeljusti bagera i sl.)

Bakar, u količinama koje se obično sreću u konstrukcionim čelicima (oko 0.5%),

povećava napon tečenja i jačinu (ReH i Rm), ne pogoršavajući bitnije svojstva

plastičnosti i zavarljivosti. Povećava takodje otpornost prema atmosferskoj

koroziji.Ugljenik najviše utiče na strukturu i svojstva čelika. Povećava jačinu, tvrdoću,

otpornost na habanje, prokaljivost, a snižava svojstva plastičnosti i žilavost, uz

pogoršanje zavarljivosti.

.Azot, slično ugljeniku povećava jačinu čelika. 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.

Hrom u iznosu 12% skokovito menja elektro-potencijal čelika od negativnog u pozitivan i time ga čini nerđajućim. U kombinaciji sa Ni dobija se poznati austenitni nerđajući čelik 18Cr8Ni (Č4571).

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.

Molibden se u konstrukcionim čelicima izaziva usitnjavanje zrna i dovodi do povećanja žilavosti 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. 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 ima sklonost ka obrazovanju nitrida - smanjujući na taj način osetljivost čelika na proces starenja. Kod 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. Sužava austenitno područje, smanjuje prokaljivost i poboljšava zavarljivost.

Bor 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 S 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 d manje 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.

Stabilnost obrazovanja karbida raste u pravcu od :Gvoždja prema manganu, hromu, vanadijumu do titana molibdena preko niobijuma do cirkonijuma volframa preko tantala do hafnijuma

Ti 223d24s2

V 233d34s2

Cr 243d54s1

Mn 253d54s2

Fe 263d64s2

Zr 404d25s2

Nb 414d45s1

Mo 424d55s1

Hf 725d26s2

Ta 735d36s2

W 745d46s2

.

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.

Radijus atoma C je 0.071nm, a radijus atoma svih karbidotvornih elemenata je > od 0.1nm.

Kada je odnos radijusa atoma C i radijusa atoma karbidotvornih elemenata < od 0.59 (Zr, Hf, Ti i dr.) nastaju kristalne intermetalne faze.

Kada je odnos radijusa > od 0.59 (Mn) karbidi imaju složenu strukturu.

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.

Podela čelika prema nameni

. Čelici se prema nameni dele na: - konstrukcione, - specijalne i - alatne.

Konstrukcioni čelici

.

• Konstrukcioni čelici mogu biti: - ugljenični (nelegirani) i - legirani.

Konstrukcioni čelici (nelegirani i legirani)

- sadrže C < 0.60%,

- primenjuju se za izradu mašina i uredjaja, koji rade u neagresivnim

sredinama,

- pri temperaturama od -25 do 300C,

- kao i za noseće i gradjevinske konstrukcije.

.

UGLJENIČNI (NELEGIRANI) ČELICI

opšta podela posebne namene

običnog kvalitetakvalitetni čelici

za gradjevinarstvoza brodogradnju i železniceza kotlove i sudove pod pritiskomza karoserijske limoveza cevi, žice, zavrtnje, zakivkeza zavarene lancečelici za automateza elektrotehniku

LEGIRANI ČELICI

opšte namene posebne namene

za poboljšanje za površinsko kaljenje za cementaciju za nitriranje

za opruge za kotrljajuće ležajeve za rad na niskim temperaturama za ventile čelici povišene jačine (ReH > 360 MPa)

Ugljenični (nelegirani) konstrukcioni čelici

.

Ugljenični čelici običnog kvaliteta - koriste se za slabije opterećene delove mašina, uredjaja, vozila, - čelici trgovačkog kvaliteta (Č0000, Č0010) za šipke i rešetke.

Svi nelegirani čelici običnog kvaliteta primenjuju se u sirovom stanju (bez termičke obrade). Srednje ugljenični čelici (0.25-0.60% C)

-koriste se u normalizovanom stanju, a u poboljšanom za delove manjih preseka.

- Čelici sa 0.5-0.60% C primenjuju se za delove otporne na habanje ( zupčanike, pužne transportere, ekscentre, klinove).

Sitni mašinski delovi prave se takodje od srednje ugljeničnih čelika isporučenih u obliku limova, traka, žica, vučenih ili valjanih šipki na hladno (time se povećava jačina).

Čelici za gradjevinarstvo uglavnom su meki (niskougljenični C < 0.25%) čelici u obliku profila, limova, šipki, žica za armirani beton (betonsko gvoždje).

.Čelici za brodogradnju

-su u obliku limova i profila od mekog čelika (zavarljivog),

- a za železnice u obliku posebnih valjanih proizvoda i otkovaka od nisko i srednje ugljeničnih čelika (točkovi, šine, osovine vagona).

Karoserijski limovi su čelici sa 0.1% C, visoke čistoće (P i S < 0.035%), dobro se izvlače i imaju glatku površinu (Č0148).

Čelici za patentirane žice (0.3-1.0% C) (čelične sajle, žice točkova (kod bicikla), žice kišobrana, žičane mreže i opruge najvišeg kvaliteta).

Čelici za automate (valjane ili vučene šipke, Č1190, Č1590) koriste se za izradu sitnih delova (npr. zavrtnjeva, navrtki) na automatskim strugovima.

To su ugljenični čelici sa povećanim sadržajem P do 0.11%, S do 0.3% ili 0.35% Pb, što im daje krtu i lako lomljivu isprekidanu strugotinu.

Legirani konstrukcioni čelici

.Legirani čelici za poboljšanje (0.25-0.60% C) mogu biti:

• Manganski (1.20-1.60% Mn za osovine vratila, Mn-Si za veće zupčanike),

• Hromni (1-1.5% Cr-Si)- za jako opterećena vratila (kolenasta), zupčanike,

• Hrom-molibdenski (1% Cr, 0.2% Mo)- za sitnije žilave delove,

• Hrom-niklovi (0.6-1.5% Cr i 1-3.5% Ni)- zupčanici menjača, delovi turbina

koji rade na temperaturama do 500C.

Čelici za površinsko otvrdnjavanje .Za površinsko kaljenje koriste se Cr-Mn i Mn-Si čelici sa 0.3-0.5% C.

Za cementaciju upotrebljavaju se čelici sa C < 0.25% i legirani sa Cr, Cr-Mn, Cr-Mo i Cr-Ni. Č4120 koristi za bregaste osovine, osovinice klipova, vretena mašina alatki i drugih delova izloženih habanju.

Cr - Ni i Cr - Mn čelici za cementaciju upotrebljavaju se za izradu zupčanika menjača i diferencijala (Č5420, Č4320), a Cr - Mo čelici za bregaste osovine, zupčanike, kardanske zglobove (Č4720).

Čelici za nitriranje (Č4531, Č4739) postižu traženu površinsku tvrdoću (900-950 HV) sitno dispergovanim nitridima Al, Cr i Mo.

Ugljenik se ograničava na 0.45% da se spreči obrazovanje karbida Cr, Mo koji imaju manju tvrdoću nego nitridi. Nitriranju se podvrgavaju zacilindri motora i pumpi, zupčanici, kalupi za livenje pod pritiskom, preserski alati, probijači i sl.

Legirani čelici za posebne namene

.

Čelici za opruge treba da imaju visoku Re, odredjenu istegljivost, odgovarajuću dinamičku izdržljivost.

Tražena svojstva postižu se deformacijom na hladno (valjanje, vučenje) ili termičkom obradom.

Svojstva elastičnosti poboljšava dodatak 0.15 -1.8% Si podižući ReH,

prokaljivost se kod većih preseka povećava dodacima 1% Mn ili 1% Cr ili kombinovano (Cr, Mn).

Č2130 za podloške i tanjiraste opruge,

Č4230 za spiralne opruge za udarna opterećenja, torzione opruge, opruge ventila,

Č4830 za najopterećenije opruge drumskih vozila.

.Čelici za kotrljajuća ležišta (Č4140, Č4146) treba da imaju:

-veliku tvrdoću i otpornost na habanje,

- obradljivost rezanjem i deformisanjem,

- dobru prokaljivost uz minimalnu deformaciju.

To su hromni čelici sa visokim sadržajem ugljenika i najviše čistoće (max 0.025% P, max 0.025% S i sastava 1% C i 0.50-1.50% Cr). .

Čelici za rad na niskim temperaturama sadrže Ni ili Mn i nizak % C (0.10-0.15).

Pri 3-5% Ni temperatura prelaska u krto stanje je oko -100C,

pri 8-10% Ni oko -200C.

Od ovih čelika prave se transportni i stacionarni rezervoari za suvi led (CO2) ili

tečan metan (CH4).

Za rad na još nižim temperaturama (za skladištenje i transport tečnih tehničkih gasova) koriste se austenitni Cr-Ni čelici sa niskim % C, ili Cr-Mn-Ni-N-čelici.

.

Čelici za ventile motora sa unutrašnjim sagorevanjem izloženi su pri radu visokim temperaturama (do 900C).

Treba da zadrže dobre mehanička svojstva na povišenim temperaturama (ReH, Rm, HB) i da budu vatrootporni.

Najčešće se primenjuju visokolegirani Cr-čelici Č4270 (0.40% C, 3.2% Si, 9.0% Cr), Č4771 (0.5% C, 16.5% Cr, 2.0% Mo),

a za najopterećenije ventile Č4574 (0.45% C, 1.5% Si, 14.5% Cr, 1.3% Ni i 3% W).

Za malo opterećene usisne ventile odgovara i Č2331 (0.6% C, 1.7% Si i 0.7-1% Mn).

.Čelici povišene jačine – mikrolegirani čelici (ReH > 360 MPa) razvijaju se

poslednjih tridesetak godina s ciljem da se smanji težina konstrukcije: -mostova, brodova, rezervoara, cisterni, cevi pod pritiskom i sl.

Tehnologija mikrolegiranja omogućila je proizvodnju nove kategorije čelika.

To su u stvari konvencionalni ugljenični čelici sa min dodacima leg. elemenata (< od 0.50%), radi povećanja napona tečenja, jačine na kidanje i tvrdoće.

Prvi put je ova tehnika bila primenjena na čeličnim limovima.

Posebno je važna primena ovih čelika za transportna sredstva gde smanjenje težine direktno utiče na moguće opterećenje.

Danas se čelici povišene jačine isporučuju u svim standardnim valjanim oblicima kao što su: limovi, trake, ploče, profilisani nosači, šipke i specijalni profili.

Specijalni čelici

.

U ovu klasu čelika svrstavaju se:

• Nerdjajući čelici (otporni na kiseline i vatrootporni),

• Čelici za povišene temperature (termo-postojani Cr-Mo-V čelici) i

• Čelici otporni na habanje.

.Ovde spadaju:

-čelici otporni na kiseline koji su otporni na elektrohemijsku koroziju (organskim i neorganskim kiselinama, jedinjenjima azota, rastvorima soli - elektrolitima, agresivnim životnim namirnicama) i

-vatrootporni čelici koji se ne oksidišu na vazduhu i sagorelim gasovima (CO, CO2, SO2) na temperaturi preko 600ºC.

Čelici otporni na kiseline moraju sadržati više od 12% Cr, a vatrootporni čelici više od 6% Cr i dodatke Si i Al radi sprečavanja dubinske korozije.

Pri dugotrajnom držanju na temperaturi iznad 500ºC kod čelika otpornih na kiseline dolazi do izdvajanja Cr po granicama zrna i time osiromašenja čvrstog rastvora u hromu.

Ako % Cr u čvrstom rastvoru spadne ispod 12% nastaće selektivna medjukristalna korozija.

Sklonost ka ovoj vrsti korozije umanjuje se stabilizacijom čelika pomoću Ti, Nb ili Ta koji imaju veći afinitet prema ugljeniku nego hrom.

Nerđajući čelici

Hromomosiromašena zona

.

Efekat Cr ogleda se u stvaranju pasivnog sloja ili zaštitnog oksidnog sloja CrO3 koji štiti materijal od korozije.

.Prema hemijskom sastavu nerdjajući čelici mogu biti: • hromni, • hrom-niklovi i • hrom-manganski, a prema stanju isporuke • valjani i • liveni.

Valjani nerdjajući čelici dele se prema metalurškoj strukturi na: • austenitne, • feritne, • martenzitne, • taložno ojačane i• dupleks, a

liveni na: • termo-postojane i • koroziono-otporne.

.

Glavne vrste nerđajućih čelika i njihovi hemijski sastavi

Tip Glavni legirajući elementi

1. Feritni - Fe - Cr (12-25%) – Mo (1-4%), Ni (2%)

2. Austenitni - Fe – Ni (8-10%) – Cr (18-30%), Mn i N

3. Martenzitni Fe - Cr (Cr<18%) – C (0.6-1.2%)

4. Dupleks – + Fe – Cr (18-30%) – Ni (3-9%)

5. Precipitaciono ojačani Fe – Cr - Ni, Al iNb

.Austenitni nerđajući valjani čelici su legure:

Fe-Cr-Ni-Mn,

Fe-Cr-Ni I

azotom ojačane legure.

Sadržaj ugljenika je ispod 0.15%, hroma najmanje 16%, kao i Ni i Mn.

Struktura austenitnog nerđajućeg čelika

Austenitni nerdjajući čelici upotrebljavaju se uglavnom za delove kod kojih je koroziona otpornost i žilavost primarni zahtev.

To su delovi izloženi morskoj vodi (osovine, pumpe, poklopci),

oprema i postrojenja u hemijskoj i prehrambenoj industriji, posebno u mlekarama.

Iz grupe nerdjajućih austenitnih čelika najpoznatiji su Cr-Ni čelici koji su istovremeno otporni na kiseline i vatrootporni (Č4571, Č4572 i Č4582).

.Feritni valjani nerdjajući čelici sadrže:

10.5-27% Cr (18Cr-2Mo, 26Cr-1Mo, 29Cr-4Mo i 29Cr-4Mo-2Ni).

Sadrže manje ugljenika, a više hroma nego martenzitni čelici pa se ne mogu kaliti, već ojačavaju samo preradom na hladno. Feritni nerdjajući čelici su magnetični, a ako sadrže dovoljno Cr i Mo zadržavaju svoju osnovnu mikrostrukturu sve do tačke topljenja.

U žarenom stanju jačina na kidanje ovih čelika za 50% nadmašuje ugljenične čelike.

Namenjeni su za delove od kojih se traži srednja koroziona otpornost, a žilavost nije glavni zahtev.

Najviše koriste za:-izduvne sisteme motora, -za opremu za prenos toplote u hemijskoj i petrohemijskoj industriji, - kao i za kuhinjsku opremu (sudopere i sl.).

Struktura feritnog nerđajućeg čelika

.Martenzitni nerdjajući čelici - povećan sadržaj ugljenika (do 1%), Cr (11.5 do 18%) i eventualno male količine drugih legirajućih elemenata.

Oni su magnetični, mogu biti ojačani termičkom obradom tako da posle kaljenja i otpuštanja imaju ne samo veliku jačinu, već i osrednju žilavost.

Manje su koroziono otporni nego austenitni i feritni čelici.

Od ovih čelika izradjuju se kuglični ležajevi, livački kalupi, noževi medicinskih instrumenata, delovi aviona i turbina.

Struktura martenzitnognerđajućeg čelika

.Taložno ojačani nerđajući čelici postižu veoma veliku jačinu nisko-temperaturskom termičkom obradom koja gotovo ne menja oblik tretiranih predmeta (bitno kod preciznih delova).

Sastav ovih čelika je takav da može nastati ojačanje (izlučivanje tvrdih precipitata), stvaranje intermetalnih jedinjenja i istovremeno otpuštanje martenzita.

Kada se traži max jačina i velika koroziona otpornost sastav čelika je 17% Cr, 7%Ni, 1%Al.

Porast tvrdoće i jačine delom nastaje zbog martenzitne strukture, a delom zbog precipitacije starenjem.

Precipitaciono ojačane legure koriste se za delove od kojih se traži velika jačina, ne velika koroziona otpornost i laka obrada.

To su rudarske bušilice, delovi pumpi visokog pritiska, visokotemperaturske pumpe i zatvarači, komponente aviona i sl.

.Dupleks nerđajući čelici sadrže:Cr: 18-30%Ni: 3-9%• Nalaze se između austenitnih i feritnih čelika (α + γ faze aproksimativno 50%-50%)• Imaju bolju korozionu otpornost od konvencionalnih feritnih čelika i bolju čvrstoću od austenitnih

Struktura dupleks nerđajućih čelika

.Nerđajući čelik Rp, MPa Rm, MPa Izduženje, A, %

Feritni 275-600 450-700 20-30

Austenitni 200-380 500-800 45-60

Martenzitni 275-1900 520-2000 15-30

Dupleks 315-565 590-740 20-40

Precipitaciono ojačan 1200-1800 1380-1900 5-15

Mehanička svojstva nerđajućih čelika

Krive zatezanja za različite nerđajuće čelike

.

Predmeti od nerđajućeg čelika .

.

Čelici za povišene temperature (termo-postojani Cr-Mo-V čelici)

.Termo-postojanost je sposobnost materijala da izdrži kratkotrajno i dugotrajno opterećenje na povišenim temperaturama. Od čelika ove klase prave se parni kotlovi, gasne turbine, mlazni (reaktivni) motori, postrojenja u hemijskoj industriji-rečju oprema koja dugotrajno radi na povišenim (do 600C) i veoma visokim temperaturama ( preko 600C). Obični nelegirani konstrukcioni čelici zadržavaju mehaničke osobine (odredjene pri sobnoj temperaturi) do oko 300C, a iznad toga ReH i Rm manje ili više opadaju.

Posebno se od termo-postojanih čelika traži otpornost na puzanje i relaksaciju-pojave karakteristične za povišene temperature.

Hromni-niskolegirani čelici namenjeni su za temperature do 600C, a srednje i visokolegirani za preko 600C. Čelici legirani sa Cr, Mo, V primenjuju se za zavrtnje i navrtke, cevi grejača, prirubnice, kotlovske limove, rezervoare, delove postrojenja za preradu nafte i td. na povišenim temperaturama.Ovde spadaju čelici Č4970 Č4578.

Čelici otporni na habanje .Procenjuje se da oko 50-80% svih otkaza mašina i opreme nastaje zbog habanja, a

ostalo usled zamora materijala i drugo.

Otpornost čelika prema habanju uslovljena je hemijskim sastavom (uglavnom visok sadržaj C i Mn) i strukturom, ali i vrstama habanja koje mogu biti:

adheziono, abraziono, eroziono, kavitaciono, zamorno, vibraciono.

Abrazivno habanje može nastati dejstvom:

• udarnih sila (kašike bagera na kamenitom terenu, drobilice za kamen) i

• rasutog materijala (rude, šljaka, pesak, cement, pepeo, žitarice i dr.).

Za delove izložene habanju udarnog tipa primenjuje se manganski austenitni čelik Č3160 poznat pod nazivom Hadfield-ov čelik (13% Mn, 1.2% C).

Otporan je na abrazivno habanje samo ako se pri radu jako plastično deformiše.

Za abrazivno habanje rasutim materijalima bitna je što veća tvrdoća pa se koriste niskolegirani poboljšani čelici i alatni ledeburitni čelici.

Upotrebljavaju se za čeljusti drobilica za kamen, kugle mlinova za drobljenje ruda, a najviše za železničke i tramvajske šine i skretnice.

.Alatni čelici

Ovi čelici su namenjeni za izradu alata u širokom smislu:

• za obradu deformisanjem,

• obradu rezanjem,

• kalupa za livenje,

• alata za mlevenje kamena,

• za izradu mernih i kontrolnih pribora, kao i

• ručnih alata i pribora.

Pored alatnih čelika, za izradu alata još se mogu upotrebiti i sinterovani karbidi, a u nekim slučajevima i jevtiniji metali kao što su konstrukcioni čelici ili neke vrste livenog gvoždja.

Alati za najteže radne uslove prave se od tvrdih legura, keramičkih materijala i dijamanata.

.Od dobrog alata traži se velika tvrdoća i žilavost, otpornost na habanje i td.

Potrebna tvrdoća na povišenim radnim temperaturama postiže se legiranjem čelika karbidotvornim elementima naročito sa Cr, V, W i Mo.

Prema hemijskom sastavu alatni čelici se dele na:

• ugljenične,

• legirane i

• brzorezne (BRW).

.

ALATNI ČELICI

Ugljenični Legirani Brzorezni (BRW)

Niskougljenični

Srednjeugljenični

Visokougljenični

Niskolegirani Vusokolegirani

Za rad na hladno

Za rad na toplo

Za rad na hladno

Za rad na toplo

Ugljenični alatni čelici

.Mogu biti sa:

-niskim sadržajem ugljenika (do 0.25% C),

-srednjim (0.25-0.6% C) I

- visokim (više od 0.6% C).

Upotreba nisko i srednje ugljeničnih čelika za alate veoma je ograničena, jer je u stvari reč o primeni konstrukcionih čelika za alate.

Meki čelici (niskougljenični) koriste se za male cementirane kalupe za brizganje plastike i gume, za merne alate i kontrolnike ("kalibre"), metalne lenjire, šablone i sl.

Srednjeugljenični nelegirani čelici služe za izradu ručnih alata i pribora, reznih alata za obradu drveta, jevtinijih noževa, livačkih kalupa i dr. (npr. Č1540 za sekire, čekiće, jevtine noževe, srpove).

Znatno je veća primena visokougljeničnih čelika sa 0.6-1.4% C, od kojih se prave alati za prosecanje, za preradu hladnim deformisanjem, za obradu drveta i termoplasta, stezni alati i sl. (Č1840, Č1841, Č1940, Č1941).

Legirani alatni čelici

.Upotrebljavaju se kada je neophodna postojanost na povišenim temperaturama

i veća prokaljivost.

Gotovo svi legirani alatni čelici, kako za rad na hladno tako i za rad na toplo, sadrže Cr.

Samo nekoliko čelika za rad na hladno sadrže jedino Cr, dok je većina još legirana sa W, V, Mo, odnosno za rad na toplo još i sa Ni.

Legirani alatni čelici dele na:

-niskolegirane (ukupan sadržaj legirajućih elemenata ne prelazi 5%) i

-visokolegirane.

.

Visokolegirani alatni čelici za rad na hladno uglavnom sadrže visok % Cr i C. Tipičan je predstavnik čelik sa 12% Cr i 2% C, oznake Č4150.

Visok sadržaj C omogućuje stvaranje dovoljno karbida hroma koji se odlikuju velikom tvrdoćom i otpornošću na habanje.

Navedeni čelik je pogodan za alate složenijeg oblika. Koristi se za izradu profilisanih glodala, burgija za lake metale i mesing, testere za metal, kalupe za preradu plastike itd.

Visokolegirani alatni čelici za rad na toplo sadrže 5 do 10% W, 0.25-0.45% C i dodatke Cr, V, Ni, Co.

I na visokim temperaturama zadržavaju potrebnu tvrdoću i nisu skloni ka prslinama na tim temperaturama.

Od ovih čelika grade se alati najviše opterećeni kako mehanički tako i termički.

To su Č6451, Č6450, Č4751, Č4753.

Brzorezni čelici (BRW) .

Početkom 20 veka ustanovljeno je da najbolja rezna svojstva imaju čelici sa

visokim sadržajem volframa (6.3-18% W) i ugljenika (0.8-1.4% C), pošto se zakale

sa visoke temperature i visoko otpuste.

Još sadrže Cr i V, a ponekad i Mo i Co.

Brzorezni čelici zadržavaju visoku tvrdoću do oko 650C, a imaju oko 10 puta veći

kapacitet rezanja i 30 puta duži vek trajanja u odnosu na nelegirane i

niskolegirane alatne čelike.

Klasični BRW-čelik (Č6880) sadrži: 0.75% C, 18% W, 4.5% Cr, 1% V.

Teži se da karbidi (W2C, V4C3) budu sitnozrnasti i ravnomerno rasporedjeni što se

postiže specifičnim postupcima izrade, kovanja i termičke obrade brzoreznih

čelika.

Ostali materijali za alate

.Danas alati za obradu rezanjem izradjuju ne samo od čelika već i od:

• sinterovanih karbida,

• stelita,

• keramičkih materijala,

• tvrdih termopostojanih jedinjenja i

• dijamanata.