Celici i Gvozdja

Čelici

• su legure železa i ugljenika do 2,0%.

• Na ugljenične čelike otpada 90% svetske proizvodnje čelika, pa oni predstavljaju osnovni materijal u mašinskoj industriji.

• Ugljenik je osnovni i najuticajniji element od koga zavise struktura i osobine čelika.

Prema sadržaju ugljenika ovi čelici se dele na:• niskougljenične do 0,25% C,• srednjeugljenične od 0,25% do 0,6% C,• viskokougljenične preko 0,6% C.

Prema nameni ugljenični čelici se dele na:• konstrukcione, do 0,6% C, • alatne, preko 0,6% C.

Ugljenični čelici

Uticaj ugljenika na strukturu i svojstva ugljeničnih čelika

•sadržaj od 0,1% C povećava Rm i Re čelika slično kao 1% Mn, Si, ili Cr.

Uticaj primesa na strukturu i svojstva ugljeničnih čelika

PRIMESE U UGLJENIČNIM ČELICIMA

SKRIVENE PRIMESE

N2, O2, H2

SLUČAJNE PRIMESE

Cu, Co, Cr ...

PRATEĆE PRIMESE

Si, Mn, S, P, Al

Sadržaj primesa u čelicima treba da se svode na najmanju meru, s obzirom da grade nepoželjna jedinjenja kao što su sulfidi, oksidi i fosfidi.

Konstrukcioni čelici

Zahtevi:• Dobra mehanička svojstva• Dobra obrada rezanjem• Dobra obrada deformisanjem (kovanje, valjanje,

presovanje, izvlačenje• Dobra zavarljivost• Dobra prokaljivost• Pouzdanost u radu• Niska cena• Konstrukcioni čelici moraju imati visoku čvrstoću i

plastičnost (na sobnoj, povišenim i niskim T), elastičnost, otpornost na udarna opterećenja, na habanje, na zamor i prema krtom lomu.

1. Opšti konstrukcioni čelici

• Nelegirani i niskolegirani čelici• Čelici sa garantovanim meh svojstvima: Re,Rm,

deformacije na sobnoj T, udarna žilavost i svojstvo savijanja.

• Neumireni, umireni i specijalno umireni• Primena: izrada zavarenih konstrukcija i

cevovoda, konstr. spojenih vijcima i zakovicama, u visokogradnji , u mostogradnji, hidrogradnji i mašinogradnji ili za dalju preradu (hladnim presovanjem, vučenjem i vrućim kovanjem ili valjanjem)

2. Finozrni konstrukcioni čelici• Prisustvo elemenata koji se vezuju u nitride, ili nitride i

karbide,daju čelik sa finim zrnom i sprečavaju rast metalnih zrna u austenitnom području

• Potpuno umireni• Obuhvataju sledeće grupe čelika:1. Osnovne čelike2. Čelike za upotrebu na povišenim T3. Čelike za upotrebu na niskim T

• Mogu biti kvalitetni i plemeniti• Upotreba: cevovodi za visoke pritiske, sudovi pod

pritiskom, elementi drumskih vozila, železnički vagoni, cisterne za prevoz gasa, mostovi, ind. hale, razne zavarene konstrukcije itd.

3. Čelici za cementaciju• Konstrukcioni Č sa malim sadržajem C (0,1-0,25 %)• Za maš. delove kod kojih se površinski sloj cementira

ili karbonitrira.• Visoka tvrdoća, otpornost na habanje i koroziju u

površinskom sloju, dok jezgro ima dobra meh. svojstva- napon tečenja i udarnu žilavost

• Mogu biti:1. Ugljenični (nelegirani)2. Legirani• Ugljenični čelici za cementaciju ( C do 0,2%)-mala

prokaljivost. Za izradu delova malih dimenzija, izloženih habanju i malim opterećenjima (ručice, poluge, zglobovi). Posle cementacije, kaljenja i niskog otpuštanja jezgro ostaje visoke čvrstoće.

• Legirani čelici za cementaciju ( NLČ sa Cr, Mn, Ni, Mo, C 0,18-0,24 %)

• Imaju dobru prokaljivost• Cr čelici - delovi malih i srednjih dimenzija, visoka

otpornost na habanje površinskog sloja (bregaste osovine, valjci, osovinice klipa, vretena)

• Cr-Ni čelici - delovi srednjih i većih dimenzija, čije su radne površine izložene habanju pri većim pritiscima, a zahteva se žilavo, tvrdo jezgro da podnese dinamička opterećenja (zupčanici, vratila većih dimenzija)

• Cr-Ni-Mo čelici - Mo povećava prokaljivost, mogu se kaliti na vazduhu. Za krupne i jako opterećene delove (zupčanici, kolenasta vratila, osovine)

• Cr-Mn čelici - čelici-zamenjuju skupe Cr-Ni čelike ( imaju manju žilavost od njih)

• Cr-Mo čelici

4. Čelici za poboljšanje• Čelici koji se upotrebljavaju posle termičke obrade

poboljšanjem ( K+VO)• Imaju visoku vrednost Re i Rm, dobru plastičnost, malu

osetljivost na koncentracuju napona i visoku vrednost dinamičke čvrstoće.

• Prema hem. sastavu:• Ugljenični čelici za poboljšanje ( C od 0,3-0,5%)-za izradu

delova popr.preseka do 100mm• Legirani čelici za poboljšanje: ( Cr 0,4-2,7%, Ni 0,9-2,2%,

Mo 0,15-0,30%, V 0,1-0,2%)• Cr čelici ( Cr 0,4-2,7%)• Cr-Mn-V čelici• Cr-Ni-Mo čelici

5. Čelici za opruge

• Opruge su izložene dinamičkim i udarnim optećenjima, često korozivnom dejstvu agresivnih sredina i to na normalnim i povišenim radnim T.

• Ovi čelici moraju imati: visoku vrednost granice elastičnosti, što veći Re, dobru Rd, zadovoljavajuću žilavost, dobru plastičnost

• To su ugljenični i legirani čelici ( Si, Mn, Cr, V, W). LE-povećavaju granicu elastičnosti i prokaljivost.

• Re je min 800 N/mm2, za legirane 1000N/mm2• Rd se povećava površinskom obradom-sačmarenjem ili

nitriranjem (1,5-2 puta)

6. Čelici za obradu na automatima• Podešeni za obradu rezanjem na mašinama automatima• Strugotina mora biti kratka ( krta i lomljiva)• To se postiže povećanim sadržajem S(0,15-0,30%) i

P(0,07-0,11%)• Sumpor kao MnS - jako krt, na granicama zrna• P se rastvara u feritu, povećava čvrstoću i tvrdoću• Za poboljšanje obradivosti i dobijanje glatkih površina

dodaje se manja količina Pb(0,15-0,35%)- Pb u obliku zrna.

• Čelici za automate – smanjena plastičnost i žilavost• Čelici za automate - za masovnu proizvodnju i manje

odgovorne delove ( zavrtnjevi, navrtke, podmetači...)

7. Čelici otporni na habanje

• Za delove izložene habanju u uslovima visokih pritisaka i udara u radu (delovi drobilica i mlinova, zubi kašike bagera, skretnice železničkih i tramvajskih šina...)

• VLČ austenitne strukture legiran Mn (oko 1,2%C i oko 12,5%Mn)

• Austenitna struktura se u toku rada pri udarima ojačava i prelazi u martenzit (hladna deformacija)

• NLČ (oko 0,5%C i oko 1,8%Mn) se primenjuje iz razloga ekonomičnosti

8. Vatrootporni čelici• Čelici otporni na hemijsko razaranje površina u atmosferi

vazduha ili gasova na T višim od 550oC, u neopterećenom ili malo opterećenom stanju

• Srednje legirani i visokolegirani čelici ( Cr 13-25%, Si 1-2%, Al 1-1,5%, u cilju popravljanja meh. svojstava i otpornosti na oksidaciju Ni 20-35%)

• Upotreba: predgrejači vazduha, ventilatori za gasove sagorevanja, armature peći, gorionici, kade za termičku i termohemijsku obradu, izduvni sistemi gasnih turbina i SUS motora.

9. Čelici za povišene temperature• Za izradu delova koji su u radu izloženi visokim

opterećenjima i povišenim T u određenom vremenskom periodu (lopatice, diskovi, rotori i tela gasnih parnih turbina, cevi pregrejača pare, parovodi i armature parnih kotlova, ventili i drugi delovi SUS motora...)

• Ovi čelici su toplotno stabilni, tj suprotstavljaju se deformaciji i lomu pri opterećenjima na povišenim T( imaju dobru čvrstoću pri dugotrajnom opterećenju na povišenim T i otpornost na puzanje)

• Vatrootporni su.• Faktori koji utiču na toplotnu stabilnost: Visoka T

topljenja, visoka T rekristalizacije, ojačavanje plastičnom deformacijom, termička i termomehanička obrada,

legiranje (B, Nb, Ti, V, Zr,u 1/100 ili 1/1000 delovima %)

10. Nerđajući čelici• Odlikuju se:otpornošću na koroziju, visokom čvrstoćom i

plastičnošću i visokim sadržajem Cr• Cr gradi sa kiseonikom iz vazduha tanki, tvrdi, kompaktni

sloj hrom oksida Cr2O3 koji štiti metal od korozije

• Cr min 12,5%• To su VLČ koji, pored Cr, sadrže Ni, Mo, Cu, Ti, Si, Mn, Nb• Veći sadržaj C smanjuje njihovu korozionu postojanost

(karbidi Cr po granicama zrna)• Primena:pribor za jelo, elementi opreme u kuhinjama i

restoranima, u medicini npr hirurški instrumenti, u autoindustriji, hemijskoj, prehrambenoj industriji, petrohemijskoj industriji...

• U zavisnosti od strukture, mogu biti: feritni, martenzitni, austenitni i duplex

• Feritni nerđajući čelici ( 12-30% Cr; 0,12% C)-imaju dobru čvrstoći i malu plastičnost

• Magnetični su, odlična otpornost na koroziju, smanjena sposobnost oblikovanja i relativno su jeftini.

• Oprema kuhinja, restoran, ind. dekorativnih predmeta

• Martenzitni (12-17% Cr i 0,15-1% C)-dobija se kaljenjem pa zatim žarenjem u cilju smanjenja napona

• Magnetičan, ima visoku čvrstoću, tvrdoću, otporan na zamor, ima dobru plastičnost, ali manju korozionu otpornost od feritnih i austenitnih

• Primena: pribor za jelo, hirurčki instrumenti, kuglični ležajevi, ventili, opruge....

• Austenitni (16-25% Cr, 7-20% Ni) – austenit na sobnoj T

• Nemagnetični su, mala vrednost Re, umerena Rm, visoka plastičnost, dobra žilavost, otporni na udare na niskim T, postojani na niskim T,

• bolja otpornost na koroziju od feritnih i martenzitnih, lako se oblikuju

• Osetljivi na stvaranje karbida Cr23C6 na granici zrna – stabilizacija Ti I Nb-ijumom to sprečava

• Primena: oprema kuhinja i u ugostiteljstvu, za cevovode i armaturu u hemijskoj, papirnoj, tekstilnoj i prehrambenoj industriji, za delove peći i izmenjivača toplote, merne instrumente, noževe, u medicini za implantate, aparate, instrumente.

Alatni čelici

• Ugljenični i legirani čelici za izradu alata za obradu metala i drugih materijala

• Visoka tvrdoća, čvrstoća, dobra žilavost i otpornost na habanje

• Ostala važna svojstva: • dobra toplotna stabilnost,• potrebna prokaljivost• Postojanost prema razugljenisavanju i oksidaciji• Dobra toplotna provodljivost• Mali koef. linearnog širenja• Mogućnoszt dobre obrade brušenjem

1. Čelici za alate za obradu rezanjem i sečenjem• Alati za rezanje i sečenje (noževi, burgije, glodala i dr.)

jednostavnog oblika i manjih dimenzija• Visoka tvrdoća (viša od materijala koji se obrađuje),

otpornost na habanje, toplotno stabilni, dobra prokaljivost

• Mogu biti:• Ugljenični, legirani i brzorezni čelici• Ugljenični ( 0,6-1,4%C, bolje su prečišćeni, Mn do

0,35%, Si do 0,35%, P i S do 0,3%)• Visoka tvrdoća HRC 60-64, prokljeni na malu dubinu

( prima kvalitet 3-5mm, ekstra 2-3mm), posle kaljenja, nisko otpušt. Na 160-180oC

• Dobra otpornost na habanje ( sačuvati oblik i dimenzije sečiva)

• Dobra žilavost

• Legirani alatni čelici ( Cr, Mo, W, V, Ni) bolja svojstva od ugljeničnih

• Brzorezni alatni čelici – toplotno stabilni, zadržavaju martenzitnu strukturu, visoku tvrdoću, čvrstoću i otpornost na habanje na povišenim T (620-650oC)

• 2-4 puta veće brzine rezanja od ugljeničnih• VLČ sa W i Mo (obezb. toplotnu stabilnost), Co, V, Cr- svi

obezbežuju karbide postojane na visokim T• Obrađuju se deformisanjem u toplom stanju (kovanje,

valjanje, izvlačenje) a zatim žarenjem za uklanjanje zaostalih napona

• Rezna sposobnost povećava se nitriranjem (HV 1000-1100), i tvrdim prevlakama (HV 2500-4500)

• Tipovi u zavisnosti od LE: molibdenski (5-10%), volframovi (12-18%), kobaltni i vanadijumski

2. Čelici za alate za obradu deformisanjem u hladnom stanju

• Alati za prosecanje, probijanje, udarni alati, za hladno presovanje, za hladno vučenje cevi, profila, žica, valjci za hladno valjanje i sl.

• Zahteva se: visoka tvrdoća, otpornost na habanje, dobra žilavost, prokaljivost

3. Čelici za alate za obradu deformisanjem u toplom stanju

• Alati za kovanje i presovanje, alati za livenje pod pritiskom, valjci za toplo valjanje i sl.

• Moraju imati dobra mehanička svojstva, koja se moraju zadržati na povišenim T, dobru otpornost na habanje, prokaljivost, toplotnu provodnost, postojanost prema razugljenisavanju i oksidaciji, mali koef linearnog širenja i biti otporni na stvaranje površinskih prslina.

4. Čelici za merne instrumente

• Visoka tvrdoća, otpornost na habanje, dobra obradivost brušenjemi poliranjem i treba da im koeficijent linearnog širenja malo zavisi od T

Gvožđa

• Livena gvožđa su legure železa sa više od 2,0% ugljenika.

• imaju nisku plastičnost i relativno malu otpornost prema udaru.

• Koriste se zbog dobrih svojstava livenja, širokog opsega čvrstoće i tvrdoće, u većini slučajeva dobre obradivosti rezanjem, i niske cene.

• Ako je potrebno popraviti neka svojstva, npr. otpornost prema habanju i koroziji, livena gvožđa se dodatno legiraju.

• Prednosti livenih gvožđa u odnosu na čelike su: bolja svojstva livenja, niža temperatura topljenja za 300-400°C i niža cena.

• Struktura livenog gvožđa prvenstveno zavisi od hemijskog sastava i brzine hlađenja odlivaka.

• U praksi se koriste livena gvožđa koja sadrže 2,0-4,0% C, 1-3% Si, Mn, P i S.

• Sadržaj Si je veoma značajan za osobine ovih legura, pa

se zbog toga često klasifikuju kao trojne legure Fe-C-Si.

• Prema načinu sastavu i strukturi livena gvožđa se dela na:

• Sivo liveno gvožđe (sivi liv) - ugljenik u obliku lamelarnog grafita.

• Belo liveno gvožđe (beli-tvrdi liv) - ugljenik vezan u obliku cementita.

• Nodularno liveno gvožđe (nodularni liv) - ugljenik u obliku kuglastog grafita (nodule).

• Temperovani liv (temper liv) - ugljenik u obliku temper-grafita.

• Vermikularno liveno gvožđe, kod koga je grafit izdvojen u vermiku larnom (crvastom) obliku.

• Legirano liveno gvožđe (legirani liv).

• Elementi se dele na one koje pomažu izdvajanje grafita (C, Si, Ni, Cu i Al), i one koji pomažu izdvajanje cementita (Mn, S, Cr i W).

• Povećan sadržaj C i Si, kao najuticajnijih elemenata, deluje isto kao i povećanje preseka odlivaka da bi se dobila ista mikrostruktura.

• Odlivci većeg preseka hlade se sporije, što pomože izdvajanje grafita.

• Sumpor - štetna primesa (snižava tečljivost gvožđa i pospešuje stvaranje pora, a pri većem sadržaju sumpora stvara se sulfidni eutektikum po granicama metalnih zrna, koji nepovoljno utiče na mehaničke osobine. Ukoliko je prisutan mangan stvaraju se uključci MnS koji su manje štetni.

• Fosfor povećava livkost, pa je posebno bitan za proizvodnju tankozidih odlivaka.

• Međutim, pri većim sadržajima fosfora stvara se fosfidni eutektik po granicama metalnih zrna, što nepovoljno utiče na osobine gvožđa.

• Ukoliko se fosfor javlja u obliku Fe3P i ako se pravilno raspredi u metalnoj osnovi povećava se otpornosti prema habanju.

Sivi liv• Sivi liv se dobija iz sivog livničkog gvožđa sporim hlađenjem

koje omogućava da se ugljenik u toku očvršćavanja izdvoji u obliku lamela grafita.

• Metalna osnova sivog liva može da bude feritna, perlitna ili mešovita, feritno-perlitna.

• Više perlita u livu - zatezna čvrstoća i tvrdoća veće.• Lamele grafita nepovoljno utiču na svojstva sivog liva, a

prvenstveno na žilavost, jer presecaju metalnu osnovu, čime se smanjuje otpornost na udarno opterećenje.

• Stoga je sadržaj ugljenika ograničen na 4%.

• Si značajno povećava livkost, a smanjuje žilavost.

• Mikrostruktura sivog livenog gvožđa: a) feritna osnova sa lamelama grafita (tamno); b) perlitna osnova sa lamelama grafita (tamno). Uvećanje 100

• Sivi liv je otporan na habanje i koroziju, dobro se obrađuje rezanjem, dobro provodi toplotu i prigušuje vibracije.

• Odlivci od sivog liva su jeftiniji od ostalih livova.

• Sivi liv SL150 se koristi za manje opterećene delove kao što su postolja mašina, kućišta menjača, kanalizacioni i sanitarni liv.

• Sivi livovi SL200 i SL250 se koriste za vodovodne cevi i armature, za kočione doboše motorinih vozila.

• Sivi livovi SL300 i SL350 se koriste za cevi pod pritiskom, za delove izložene habanju i visokom pritisku, za delove kompresora, turbina i dizel motora.

Tvrdi liv• Očvršćavanje i mikrostruktura belih livova su u

saglasnosti sa metastabilnim dijagramom stanja Fe-C.

• Ako je po celom preseku odlivka ugljenik vezan u obliku cementita, liv se naziva beli tvrdi liv (BTL). Ako pri hlađenju odlivka u površinskom sloju nastane tvrda cementitna struktura, a u unutrašnjosti odlivka struktura sivog liva, dobija se tvrdokorni tvrdi liv (TTL).

• Visoka površinska tvrdoća ovog liva obezbeđuje otpornost na habanje, što ga uz dovoljno žilavo jezgro čini pogodnim za izradu delova, kao što su kugle mlinova, valjci, vagonski točkovi i delovi drobilica.

Nodularni liv• Nodularni liv se dobija na isti način kao modificirani sivi liv, s

tim što se umesto ferosilicijuma dodaju magnezijum ili cerijum, koji omogućavaju izdvajanje grafita u obliku nodula

• Nodularni liv ima znatno veću čvrstoću i žilavost od sivog liva, što je posledica izdvojenog grafita u obliku nodula i smanjenog sadržaja sumpora i fosfora.

Nodularni liv se dobro obrađuje rezanjem, ima sposobnost da prigušuje vibracije i otporan je na habanje. Zahvaljujući relativno visokoj zateznoj čvrstoći nodularni liv se upotrebljava za odgovorne delove presa,mlinova, hidroturbina, automobila.

Temper liv• Temper liv se dobija dugotrajnom termičkom obradom

(žarenjem) belog liva na visokim temperaturama da bi se ugljenik koji je bio vezan u cementitu, izdvojio u obliku temper-grafita.

• Na osnovu hemijskog sastava, temperature, vremena i atmosfere u peći pri žarenju, odnosno strukture, razlikuju se dve vrste temper liva - beli i crni.

• Beli temper liv se dobija žarenjem u oksidacionoj atmosferi (najčešće u hematitu), pri čemu osim razlaganja cementita, dolazi i do razugljeničenja odlivka.

• Crni temper liv se dobija žarenjem u neutralnoj atmosferi (kvarcni pesak), pri čemu dolazi samo do razlaganja cementita.

• Struktura osnove temper liva može da bude feritna, perlitna ili feritno-perlitna.

• Mikrostruktura temper liva: a) beli temper liv; b) crni temper liv. Uvećanje 100

• Temper liv se najviše primenjuje za izradu tankozidnih delova u automobilskoj industriji, klipnjača motora, viljuški kardana, kao i za delove poljoprivrednih i građevinskih mašina.

Vermikularni liv

• U strukturi vermikularnog liva, pored vermikularnog grafita, nalaze se i nodule grafita (najviše do 30%).

• Ovaj liv se prema osobinama nalazi između sivog i nodularnog liva.

• Koristi se za delove koji su izloženi promenljivim mehaničkim opterećenjima, delove motora SUS, brodskih dizel motora, traktora i transportnih mašina.

Legirani liv • Legirani liv se dobija dodavanjem legirajućih elemenata (npr.

Ni, Cr, Mo, Mg, Si, Cu, Al i Mn) ostalim livovima. Dele se na:

• niskolegirane, do 3% legirajućih elemenata,• srednjelegirane, od 3 do 10% legirajućih elemenata i• visokolegirane, preko 10% legirajućih elemenata.

• U zavisnosti od svojstava i namene, livovi se dele na:• otporne na habanje, legirani sa Cr, Mo, Mg, Ni i Si,• koroziono postojane, legirani uglavnom sa Si i Cr,• hemijski postojane, legirani sa Ni, Mn, Cu, Si i Cr,• vatrootporne, legirani sa Cr, Ni, Si i Al, i• sa posebnim fizičkim svojstvima, legirani sa Ni, Cu, Cr i Si.