OSOBINE MATERIJALA

1. KLASIFIKACIJA OSOBINA Da bi se neki konstrukcioni ili pogonski materijal mogao pravilno upotrebiti potrebno je što potpunije

poznavati njegove osobine. Postoji veliki broj različitih osobina materijala, ali sve se ove mogu svrstati u tri glavne grupe: fizičko-mehaničke, hemijske i tehnološke.

Neke od ovih osobina su opšteg karaktera, zajedničke kod većine materijala, npr. gustina, tvrdoća, čvrstoća itd, a neke specifičnog karaktera, svojstvene nekom materijalu ili grupi materijala, npr. plastičnost, livkost, kovnost, magnetne osobine itd.

U tabeli 1. date su važnije fizičko-mehaničke, hemijske i tehnološke osobine materijala (uglavnom konstrukcionih materijala).

Tab. 1. Važnije fizičko-mehaničke, hemijske i tehnološke osobine materijala Fizičko-mehaničke osobine Hemijske osobine Tehnološke osobine

1. Fizička građa (sklop) 2. Gustina 3. Termo-fizičkle osobine 4. Elektromagnetne osobine 5. Tvrdoća 6. Čvrstoća 7. Elastičnost 8. Žilavost 9. Plastičnost

1. Atomska težina 2. Afinitet 3. Bazični karakter 4. Kiselinski karakter 5. Otpornost prema koroziji

1. Obradivost (livenjem, presovanjem, rezanjem itd.) 2. Specifične osobine pogonskih materijala (radna sposobnost, br-izantnost eksploziva i dr.) 3. Trajnost (postojanost)

Karakteristične osobine pogonskih materijala su još mnogobrojnije, naročito specifične tehnološke osobine, kao npr. brzina detonacije eksploziva, toplotna moć goriva, viskozitet ulja, temperatura kapanja masti, tvrdoća vode itd.

2. FIZIČKO-MEHANIČKE OSOBINE

2.1. STRUKTURA Struktura ili unutrašnja građa materijala podrazumeva oblik, veličinu i raspored pojedinih delića od kojih

je sagrađen neki materijal. Sa upoznavanjem strukture materijala nastala je prava mala revolucija u proizvodnji novih materijala, poboljšanju njegovog kvaliteta i racionalnijem korišćenju u praktične svrhe. Upoznavanje unutrašnje građe čvrstog tela naročito je doprineo razvoj optike, u prvom redu optičkih mikroskopa sa povećanjem do 1.500 puta i savremenih elektronskih mikroskopa sa povećanjem do 150.000 puta i više.

Naučna oblast koja se bavi ispitivanjem unutrašnje strukture materijala poznata je pod imenom metalografija. Postoje dve osnovne metode metalografskog ispitivanja i to: makrografska i i mikrografska metoda.

Makrografska ispitivanja sastoje se u vizuelnom pregledu uzorka golim okom ili pomoću lupe sa manjim povećanjem do 20 puta. Ova ispitivanja najčešće prethode mikrografskim ispitivanjima.

Daleko potpunija slika o unutrašnjoj građi materijala dobija se mikrografskim ispitivanjima, korišćenjem metalografskih mikroskopa. Elementi građe koji se vide pod mikroskopom obuhvataju kristale materijala. Pri tome kristali kao normalan oblik očvrslog stanja najčešće se vide pod mikroskopom kao kristaliti, tj. tela nepravilvog oblika sa pravilnom atomskom građom. Ovo potiče od toga što kristalizacija pri prelazu materije iz tečnog ili gasovitog stanja u čvrsto stanje započinje istovremeno iz više centara, tako da usled uzajamne smetnje u masi materijala retko može doći do razvoja tela pravilnog geometrijskog oblika (kristala). Kod amorfnih materijala, npr. staklo, smola itd., kod kojih ne postoji pravilan, sistematski raspored atoma materijala, pod mikroskopom se vidi samo jednolična, bezoblična masa. Međutim, amorfne materije su nestabilne i mogu katkad preći u kristalno stanje same od sebe.

Ako se iz rastopljenog metala vrši postepeno odvođenje toplote u rastopu nastaje smirivanje oscilovanja atoma, sve dok se ne postigne temperatura očvršćavanja, kada se obavlja sređivanje atoma na tačno određena međusobna rastojanja. Sređivanje atoma u kristalne rešetke odvija se uz odavanje latentne toplote, koja se odvija u određenom vremenu na račun unutrašnje energije, a pri tom zastoju dolazi do formiranja kristalnih zrna.

Kada se atomi nalaze na tačno određenoj udaljenosti, onda su sile uravnotežene, a unutrašnja energija je najmanja. Udaljenost među atomima, koja odgovara najmanjoj unutrašnjoj energiji, je karakteristična za svaki hemijski element, a naziva se parametar rešetke i označava sa a0.

2Na sl. 1. prikazana je građa kristalisane i amorfne materije, a na sl. 2. najčešće atomske

rešetke metala. Metali najčešće kristališu po teseralnom (kubnom), heksagonalnom i tetragonalnom sistemu.

Sl. 1. Građa kristalne i amorfne materije: a) kristalisana materija, b) amorfna materija

Sl. 2. Najčešće atomske rešetke metala: a) površinski centrisana

kubna, b) prostorno centrisana kubna, c) heksagonalna

2.2. GUSTINA Gustina materijala definisana je odnosom jedinice mase prema jedinici zapremine materijala. Zavisi od

vrste materijala i stanja u kome se materijal nalazi. Razlikuju se dve fizičke veličine vezane za gustinu materijala i to: gustina (apsolutna) ρ i zapreminska

(volumenska) gustina d. Gustina (apsolutna) određuje se iz odnosa mase matereijala (bez pora i šupljina) prema jedinici

njegove zapremine:

[ ]ρ =mV

kg m; / 3

gde je: m - masa u kg; V - zapremina bez pora i šupljina u m3. Zapreminska (volumenska) gustina izražava se odnosom mase materijala prema jedinici zapremine

materijala zajedno sa porama i šupljinama:

[ ]dmV

kg ms= ; / 3 ,

gde je: ms- stalna masa epruvete u kg; V- zapremina sa porama i šupljinama u m3. S obzirom na stanje u kome se materijal nalazi razlikuju se: zapreminska gustina pri određenoj

vlažnosti dw, zapreminska gustina u rastresitom stanju dr, zapreminska gustina u zbijenom stanju dz i dr. Gustina i zapreminska gustina određuju se laboratorijski pomoću odgovarajuće opreme. Na sl. 3.

prikazani su volumenometar i areometar za neposredno određivanje gustine.

Sl. 3. Laboratorijska oprema za određivanje gustine: a) volumenometar za sprašen uzorak; b) sifonski volumenometar

za krupan zrnasti uzorak; c) areometar za tečan uzorak Poroznost materijala predstavlja stepen ispunjenja zapremine porama i šupljinama i određuje se na

osnovu poznate gustine i zapreminske gustine:

pd

=−ρρ

100%

gde je: ρ- gustina, kg/m3; d- zapreminska gustina, kg/m3. Zapremina koju zauzimaju pore i šupljine u poroznom materijalu dobija se kao razlika između ukupne

zapremine i zapremine bez pora i šupljina (apsolutne zapremine) materijala. Od poroznosti zavisi više važnih osobina materijala, kao što su čvrstoća, upijanje vode itd.

2.3. TVRDOĆA Tvrdoća predstavlja otpor materijala prema prodiranju drugog (tvrđeg) materijala u njega. Tvrdoća se

određuje na različite načine u zavisnosti od materijala koji se ispituje i samog načina ispitivanja. Za ispitivanje tvrdoće plastičnih materijala (metali, legure i dr.) koriste se postupci na principu

utiskivanja utiskivača određenog oblika i veličine (kuglica, konus, piramida i dr.) od tvrđeg materijala, pri čemu se tvrdoća izračunava iz odnosa sile utiskivanja i površine otiska koga utiskivač napravi u materijalu. Postoji veliki broj metoda za određivanje tvrdoće, tako da se tvrdoća minerala određuje po Mosovoj skali, tvrdoća stena pomoću skleroskopa (Šorova tvrdoća), tvrdoća drveta utiskivanjem čelične kuglice itd. Da bi se rezultati ispitivanja mogli međusobno upoređivati potrebno je da oblik i veličina utiskivača, zatim sila utiskivanja, kao i svi ostali uslovi ispitivanja budu tačno definisani.

2.4. ČVRSTOĆA Čvrstoća (jačina materijala) je svojstvo materijala da se odupre razaranju pod dejstvom spoljašnje sile.

Prema načinu dejstva spoljne sile, zatezanje, pritisak, savijanje, smicanje i uvijanje, razlikuju se zatezna čvrstoća Rm , pritisna čvrstoća Rc , savojna čvrstoća Rf, , čvrstoća na uvijanje τm , čvrstoća na smicanje τms i dr.

3Na sl. 4. šematski su prikazane vrste naprezanja pri ispitivanju čvrstoća materijala.

Sl. 4. Vrste naprezanja pri ispitivanju materijala:

1) zatezanje; 2) pritisak; 3) savijanje; 4) smicanje; 5) izvijanje; 6) uvijanje

Čvrstoće na zatezanje, pritisak i smicanje dobijaju se se iz odnosa maksimalne sile Fm koja je proizvela razaranje epruvete i prvobitnog preseka epruvete SO:

[ ]RFS

MPamm

o= ;

Savojna čvrstoća izračunava se iz odnosa maksimalnog momenta savijanja Mf i otpornog momenta preseka uzorka W:

[ ]σ ffM

WMPa= ;

Veliki uticaja na čvrstoću materijala ima homogenost i poroznost materijala, tj. zapreminska gustina materijala. Sa smanjenjem poroznosti čvrstoća materijala se znatno povećava. Na primer, smanjenjem poroznosti proizvoda od betona od 50% na 25%, područje čvrstoća na pritisak povećava se od 10MPa na 80MPa.

Materijali mineralnog porekla (kamen, beton, opeka itd.) i liveno gvožđe dobro izdržavaju naprezanje na pritisak, ali znatno slabije na zatezanje (5-10 puta manje). Metali i drvo dobro izdržavaju naprezanje kako na pritisak tako i pri zatezanju.

Dinamička čvrstoća materijala izražava se udarnom žilavošću, odnosno krtošću i određuje se izlaganjem uzorka materijala dinamičkom (udarnom) naprezanju.

2.5. ELASTIČNOST Elastičnost je osobina materijala da povrati prvobitni oblik posle prestanka dejstva spoljašnje sile koja

je izazvala deformaciju. Ovo je moguće samo onda ako naprezanjem kojim je izazvana promena oblika nije prekoračena granica elastičnosti.

Granica elastičnosti (RE) je granični napon do kojeg ne nastaju nikakve trajne deformacije u materijalu. Nisku vrednost granice elastičnosti ima sivi liv, dok je kod čelika granica elastičnosti sasvim blizu granice razvlačenja.

Na sl. 5. dat je dijagram istezanja mekog nisko ugljeničnog konstrukcionog čelika.

Sl. 5. Dijagram istezanja mekog čelika Sa dijagrama se vidi da u početku postoji linearna zavisnost između sile i trenutnog izduženja sve do

tačke P, koja predstavlja granicu proporcionalnosti. Zatim izduženje raste nešto brže do tačke E, koja označava granicu elastičnosti. Do tačke E u materijalu se javljaju samo elastične deformacije, koje nestaju po rasterećenju epruvete i materijal se vraća u prvobitno stanje. Pri daljem povećanju sile epruveta se naglo izdužuje, tako da za male priraste sile nastaju velika izduženja. Tačke R i R1 predstavljaju gornju i donju granicu razvlačenja, kada u materijalu nastaju trajne-plastične deformacije. U tački M sila dostiže maksimalnu vrednost, pa tačka M predstavlja granicu maksimuma, kojoj odgovara maksimalna zatezna čvrstoća. Zatim se sila naglo smanjuje do tačke K u kojoj dolazi do prekida epruvete. Tačka K predstavlja granicu kidanja i njoj odgovara sila kidanja FK.

Modul elastičnosti (E) predstavlja odnos između naprezanja u elastičnom području i jediničnog izduženja. Određuje se preko izraza:

[ ]ER F

SMPa

O= =

ε ε;

gde je: R - naprezanje na zatezanje, MPa; SO- površina poprečnog preseka epruvete, mm2; ε- jedinično izduženje, %. Modul elastičnosti definiše otpornost materijala prema deformisanju. Ukoliko je njegova vrednost veća

utoliko je za isti presek epruvete potrebna veća sila da bi nastala određena deformacija. Vrednosti modula elastičnosti za neke materijale dati su u tabeli. 2.

Tab. 2. Modul elastičnosti nekih materijala

Materijal Modul elastičnosti [MPa] Materijal Modul elastičnosti

[MPa] Aluminijum 70.300 Beton 240

Bakar 112.500 Krečnjaci 11.400

4Sivi liv 100.000 Laporci 4.000 Čelik 210.000 Škriljci 900

2.6. ŽILAVOST Veliki broj delova mašina i konstrukcija izložen je u toku rada udarnim-dinamičkim opterećenjima.

Takva opterećenja materijali daleko teže podnose od mirnih-statičkih opterećenja. Karakteristike materijala pri udarnim-dinamičkim opterećenjima znatno se razlikuju od odgovarajućih karakteristika dobijenih pri statičkom dejstvu sile.

Žilavost je osobina materijala da može podneti razaranje tek posle veće plastične deformacije. Ova osobina materijala dolazi do izražaja kad je materijal izložen naglom i učestalom dejstvu spoljašnje sile.

Žilavost je naročito važna osobina konstrukcionih materijala. Materijali sa većom žilavošću pokazuju veću otpornost prema razaranju-lomu u slučaju dinamičkih opterećenja.

Materijal se može lomiti krto ili žilavo, što zavisi od niza faktora: karaktera naponskog stanja, brzine nanošenja opterećenja, temperature ispitivanja, uticaja okolne sredine i dr. Pod krtim lomom podrazumeva se lom bez prisutnih plastičnih deformacija, a pod žilavim lom sa prisutnim većim plastičnim deformacijama.

Značajan napredak u proučavanju problema krtog loma predstavlja određivanje kritičnog koeficijenta inteziteta napona Kic, poznatog u praksi kao žilavost loma.

Žilavost loma predstavlja meru otpora nekog materijala prema razvijanju krte prskotine u uslovima ravanske deformacije. Određuje se na epruvetama sa inicijalnom, tzv. “zamornom” prslinom, koje se ispituju zatezanjem ili savijanjem na univerzalnim mašinama za ispitivanje materijala.

2.7. PLASTIČNOST Plastičnost je osobina materijala da se može deformisati pod dejstvom spoljašnje sile u toplom ili

hladnom stanju, a da pri tome zadrži oblik posle prestanka dejstva sile. Deformacije su rezultat delovanja unutrašnjeg napona u materijalu elementa, koji dovodi do trajne izmene oblika i dimenzija.

Plastične deformacije javljaju se kod elemenata izrađenih od plastičnih-rastegljivih materijala (meki čelici, aluminijumove i bakarne legure itd.), dok se kod krtih materijala (kaljeni čelici, liveno gvožđe, staklo) praktično ne javljaju. Neki materijali postaju plastični tek posle zagrevanja na odgovarajuću temperaturu (metali i legure, neke plastmase itd.), dok drugi u prisustvu vode (glina, cement i dr.).

Kod rudarskih mašina u praksi su registrovane plastične deformacije u mnogim slučajevima, kao što su: krivljenje vratila i osovina, produženje i skraćenje zavojnih opruga, pojava udubljenja na stazama i kuglama kotrljajućih ležišta, krivljenje štapova noseće čelične konstrukcije bagera i odlagača, proširenje žljeba za klin i deformacija u pravcu smicanja klina, produženje galovih lanaca itd.

2.8. ZAMOR MATERIJALA Usled dugotrajnog dejstva periodično promenljivih opterećenja nastaje postepeno razaranje materijala.

Ta pojava naziva se zamor materijala, a tako izazvan prelom - prelom usled zamora. Za pojavu loma nije od odlučujućeg značaja samo visina opterećenja, već i učestalost njegovog

ponavljanja. Pri učestalom ponavljanju nekog opterećenja mnogi mašinski delovi se lome, iako je to opterećenje znatno manje od statičkog opterećenja potrebnog za lom.

Kao osnovu za racionalno dimenzionisanje delova izloženih promenljivim opterećenjima, potrebno je odrediti dinamičku čvrstoću, tj. najveći napon koji materijal može izdržati bez loma pri neograničenom broju promena opterećenja. Ispitivanja zamaranjem pružaju mogućnost za određivanje dinamičke čvrstoće.

Ponašanje materijala pri promenljivim opterećenjima nije lako odrediti. Pokazalo se da čvrstoća pri promenljivom opterećenju zavisi od čitavog niza uticajnih veličina: kvaliteta i stanja površine, eventualnih korozionih oštećenja, frekfencije opterećenja, temperature, dimenzija, oblika itd. Uprkos dugogodišnjem istraživačkom radu saznanja iz ove oblasti su nedovoljna. U mnogim slučajevima laboratorijska ispitivanja i inženjerski proračuni su nedovoljni za konačnu odluku o upotrebljivosti neke konstrukcije izložene promenljivom opterećenju, već se na samoj konstrukciji moraju izvesti ispitivanja pod uslovima koji su što je moguće sličniji uslovima eksploatacije.

3. HEMIJSKE OSOBINE Hemijske osobine materijala zavise od njihovog hemijskog sastava, odnosno od osobina hemijskih

elemenata i načina njihove pojave u vidu smeša i spojeva od kojih se materijali sastoje. Periodični sistem elemenata D.I.Mendeljeva pokazuje da postoji vrlo tesna veza među svim hemijskim

elementima i da se osobina nekog elementa može u potpunosti shvatiti jedino u vezi sa osobinama svih ostalih elemenata.

Svaka perioda (osim prve) počinje sa aktivnim metalom i završava se sa inertnim gasom. U granicama svake periode hemijske osobine elementa se postepeno menjaju sa povećanjem mase atoma (s leva u desno), tako da metalni karakter opada a nemetalna svojstva rastu. Sa porastom atomske mase periodično se

5menjaju na samo hemijski sastav elementa, već i atomski radijus, kao i fizičke osobine elementa, npr. gustina, temperatura topljenja, ključanja itd.

Prema tome, metalne odnosno nemetalne osobine, kiselinski odnosno bazni karakter, različiti afinitet među elementima, egzotermni odnosno endotermni karakter reakcije, katalizatorske osobine, stepen polimerizacije, različiti otpor prema koroziji, biohemijski procesi itd.,rezultat su karakterističnih osobina hemijskih elemenata i njihovih jedinjenja koja ulaze u sastav nekog materijala.

4. TEHNOLOŠKE OSOBINE Tehnološke osobine materijala se zasnivaju kako na fizičko-mehaničkim, tako i na hemijskim

osobinama materijala. One se odnose na karakteristične sposobnosti materijala da se može obrađivati različitim tehnološkim postupcima, kao i da se može suprostaviti štetnim uticajima pod specijalnim radnim uslovima. U tehnološke osobine spadaju: obradivost, trajnost materijala, specifične tehnološke osobine pogonskih materijala i dr.

4.1. OBRADIVOST Obradivost materijala je sposobnost konstrukcionih materijala da se mogu obrađivati raznim procesima

obrade u prerađivačkoj industriji. Pod oradivošću podrazumeva se više tehničkih karakteristika materijala koje se uglavnom svode na

sledeće osobine: Plastičnost je sposobnost pojedinih materijala da se trajno deformišu pod uticajem spoljašnjih sila. Kovnost je sposobnost isključivo metala i legura da se mogu plastično oblikovati u hladnom i

zagrejanom stanju, pod dinamičkim dejstvom sile ili pritiskom. Plastični materijali su obično i kovni. Livkost je osobina pojedinih materijala da u tečnom stanju mogu ispuniti livarski kalup i očvrsnuti u

njemu (rastopljen metal, sveža betonska masa itd.). Rezivost je osobina većine materijala da se mogu obraditi rezanjem pomoću odgovarajućih alatnih

mašina: struganjem, glodanjem, rendisanjem, brušenjem itd. Zavarljivost je osobina metala i pojedinih nemetala da se mogu spojiti na odgovarajućoj temperaturi

korišćenjem metalnih šipki-elektroda. Elektrode su od istog ili približnog materijala kao i predmeti koji se zavaruju.

4.2. TRAJNOST Trajnost ili postojanost je jedna od važnijih osobina kako konstrukcionih tako i pogonskih materijala,

kojom se označava otpor materijala prema raznim uticajima, koji utiču na skraćenje veka trajanja materijala, a samim tim i konstrukcije.

Trajnost materijala je u funkciji fizičko-mehaničkih, hemijskih i drugih štetnih uticaja. Razaranje materijala pod hemijskim i elektrohemijskim uticajima poznato je pod opštim nazivom korozija, dok se razaranje pod čisto mehaničkim uticajima naziva habanje-abrazija.

Otpornost na habanje je sposobnost materijala da se opiru habanju, oštećenju površine ili promeni dimenzija pod dejstvom sila trenja.

Usled ovih štetnih uticaja konstrukcioni materijali izloženi su intezivnom propadanju zbog njihove loše ili nikakve zaštite. Ovo je naročito karakteristično za rudarstvo zbog kompleksnosti ove industrijske grane, velike raznolikosti upotrebljenih materijala, izuzetno nepovoljnih radnih uslova u rudnicima sa podzemnom i površinskom eksploatacijom i dr.

4.3. SPECIFIČNE OSOBINE POGONSKIH MATERIJALA Pogonski materijali odlikuju se specifičnim tehnološkim osobinama koje su karakteristične samo za

odgovarajuće materijale, kao npr. brzina detonacije, brizantnost radna sposobnost i dr. kod eksploziva, zatim toplotna moć, paljivost i dr. kod goriva, ili pH vrednost, tvrdoća kod rudničkih voda itd.

Specifične osobine pogonskih materijala koji se koriste u rudarstvu, detaljno su obrađene u udžbeniku Tehnologija materijala u rudarstvu-Metode ispitivanja.

5. STANDARDI ZA MATERIJALE Za upoznavanje osobina materijala i njihovu primenu od velike važnosti je uvođenje standarda za

materijale. Standardizacijom je postignuta unifikacija u oblasti ispitivanja i kontrole karakteristika materijala. Standardima se definišu:

a) karakteristike materijala; b) metode, mašine i aparati za ispitivanje osobina materijala; c) oblik, veličine, stanje isporuke, oblast primene i druge karakteristike gotovih proizvoda. U našoj zemlji koriste se Jugoslovenski standardi ili skraćeno JUS, koji su usaglašeni sa mađunardnim

ISO standardima.

6Poslednjih godina se susrećemo sa velikom akcijom uvođenja novih internacionalnih

standarda ISO 9000-9004, evropskih standarda EURONORM EN 29000-29004, kao i jugoslovenskih standarda JUS ISO 9000-9004. Uvođenjem ovih standarda bitno će se izmeniti uslovi izrade i kvalitet pojedinih proizvoda na tržištu, što će našu industrijsku proizvodnju prilagoditi novim evropskim i svetskim normama.

METALI I LEGURE

1. OPŠTE KARAKTERISTIKE METALA Metali i legure su materijali koji se odlikuju nizom karakterističnih osobina, zbog kojih su postali osnova

savremene tehnike. Metali se sastoje od čistog hemijskog elementa sa neznatnom količinom primesa drugih elemenata.

Odlikuju se karakterističnim metalnim sjajem, povećanom elektro i toplotnom provodljivošću, dobrim mehaničkim osobinama, otpornošću prema elektrohemijskim uticajima i povišenoj temperaturi, mogućnošću obrade na različite načine u hladnom i zagrejanom stanju. Sve nabrojane osobine uslovljene su osobinama unutrašnje građe atoma i njihovim međusobnim vezama. Gustina metala se kreće između 0,59g/cm3 (litijum) i 22,4g/cm3 (osmijum). Metal sa najvišom temperaturom topljenja je volfram (34000C), a sa najnižom živa (-390C).

Legure su složeni materijali koji predstavljaju smešu nekog osnovnog elementa sa drugim metalima i nemetalima. Elementi koji čine legure nazivaju se komponente legure, od čijeg broja zavisi složenost legure i njene karakteristike. U sastav legura ulazi najmanje jedan metal (npr. bronza: legura bakra i kalaja, čelik: legura gvožđa i ugljenika, itd.). Legure dobijaju sasvim nove osobine, koje se razlikuju od osobina sastavnih komponenti: povoljnije mehaničke osobine, povećana otpornost prema koroziji, promena boje, povećana mogućnost obrade, itd. Najveći broj legura se dobija topljenjem komponenti, ali postoje i drugi načini dobijanja legura, npr. metalokeramičke legure dobijaju se putem sinterovanja. Za potrebe rudarstva najvažnije legure iz ove grupe su tvrde volfram karbidske pseudo legure, koje se odlikuju velikom tvrdoćom i otpornošću prema habanju.

1.1. PODELA METALA I LEGURA Jedna od osnovnih podela metala je na crne i obojene metale, pri čemu se pod crnim metalima ne

podrazumeva samo gvožđe, već grupa metala prema slici 6. Sl. 6. Podela metala prema periodnom sistemu elemenata Crni metali imaju tamno sivu boju, visoku temperaturu topljenja, relativno visoku tvrdoću. U grupu crnih metala spadaju: fero metali, teško topljivi metali uranovi metali, retki (zemni) metali. Fero metali su: gvožđe, kobalt, nikal i mangan. Kobalt, nikl i mangan su često dodatni elementi

legurama gvožđa, ili su čak i osnovni element kod visoko legiranih čelika. Teško topljivi metali imaju temperaturu topljenja veću od temperature topljenja gvožđa (15390C). Ovi

metali se upotrebljavaju kao legirajući elementi čelika ili kao osnovni elementi kod nekih čelika. Uranovi metali (tzv. aktinidi) upotrebljavaju se uglavnom za legure namenjene za atomska postrojenja. Retki (zemni) metali kao što su: lantanijum, neodijum, prazeodijum i dr., nazvani su zajedničkim

imenom lantanidi. Ovi metali imaju vrlo slična hemijska svojstva, ali prilično različita fizička svojstva, recimo temperature topljenja. U prirodi se nalaze zajedno, teško ih je razdvojiti, te se legurama dodaju kao smeša metala.

Obojeni metali imaju karakterističnu crvenu, žutu ili belu boju, odlikuju se malom tvrdoćom, visokom plastičnošću, niskom temperaturom topljenja.

Obojeni metali se mogu podeliti na: lake metale, plemenite metale i lako topljive metale. Laki metali su: aluminijum, magnezijum i berilijum. Odlikuju se malom gustinom, što ih sa drugim

dobrim svojstvima čini najperspektivnijim metalima. Plemeniti metali su: srebro, zlato i metali platinske grupe. Odlikuju se visokom postojanošću prema

koroziji. U ovu grupu svrstan je i poluplemeniti metal bakar. Lako topljivi metali su: cink, olovo, bizmut i drugi. Predstavljaju veoma značajne metale s obzirom na

njihovu veoma dobru otpornost prema koroziji.

72. GRAĐA METALA

Metali spadaju u grupu kristalnih materija kod kojih se pri prelazu iz tečnog u čvrsto stanje atomi raspoređuju u prostoru po jednom određenom pravilu, stvarajuću pri tome kristalne rešetke.

Rastojanja između atoma u kristalnoj rešetci mogu biti različita u raznim smerovima, te su i svojstva kristalnih tela u raznim pravcima takođe različita. Ova pojava se naziva anizotropija.

Od načina raspoređivanja atoma u prostoru zavise svojstva metala, dok način međusobnog povezivanja atoma u prostoru zavisi od prirode hemijskih elemenata i nije uvek isti.

Kod metala atomi se u prostoru grupišu po zakonima simetrije u rešetke koje imaju karakterističan oblik i dimenzije. Najčešći kristalni sistemi kod metala su: kubna površinski centrisana rešetka, kubna zapreminski centrisana rešetka i heksagonalna rešetka.

Pod kristalizacijom se podrazumeva prelaz rastopljenog metala ili legire u čvrsto stanje. Ako se određena količina metala ili legure rastopi, a zatim postepeno hladi, započeće očvršćavanje

rastopa na određenoj temperaturi, i to najpre na pojedinim mestima, dok na kraju celokupni rastop ne očvrsne u obliku međusobno uklještenih "kristala".

Pojedinačna mesta u kojima pri određenoj temperaturi hlađenja započinje kristalizacija nazivaju se centri kristalizacije, s obzirom da se u njima javljaju jezgra (nukleusi) prvih kristala. Nastali kristalići produžavaju da se razvijaju kao tela pravilne građe i pravilnog oblika sve dok se ne počnu doticati i zalaziti jedni u druge u ograničenom prostoru rastopa. Usled toga na kraju se razvijaju samo zrna nepravilnog spoljašnjeg oblika mada pravilne unutrašnje građe, pa zato nose naziv kristaliti za razliku od pravilno razvijenih kristala.

Prema tome, kristalizacija je prirodni proces preobražaja meterije iz energetski bogatijeg tečnog stanja u energetski siromašnije čvrsto ali stabilno stanje. Usled toga pri kristalizaciji oslobađa se izvesna količina toplotne energije, tzv. latentna toplota kristalizacije.

2.1. KRIVE HLAĐENJA METALA I LEGURA Promene pri hlađenju čistog metala ili legure se prate termijskom analizom, koja se zasniva na merenju

temperature u toku vremena. Rezultati ispitivanja se unose u dijagram temperatura -vreme. Krive hlađenja metala i legura dobijaju se tako što se mala količina metala ili legure rastopi i pusti da se

postepeno hladi, pri čemu se temperatura hlađenja meri u određenim vremenskim razmacima. Na sl. 8. uporedo su prikazane krive hlađenja čistog metala, deformisana kriva hlađenja metala usled "podhlađivanja", kao i kriva hlađenja legure.

Sl. 8. Krive hljađenja

a) čist metal; b) podhlađen čist metal; c)legura Kod čistog metala kriva hlađenja najpre srazmerno brzo pada bez ikakve kvalitetne promene stanja

sve do temperature kristalizacije. Pri temperaturi kristalizacije dolazi do zastoja u hlađenju, predstavljenim horizontalnim delom krive (v. sl. 8a). Što znači da se proces kristalizacije čistog metala obavlja pri konstantnoj temperaturi, jer se količina odvedene toplote nadoknađuje toplotom izdvojenom procesom kristalizacije, tzv. latentnom toplotom kristalizacije. Temperatura (tk) na kojoj počinje i završava se proces kristalizacije naziva se stvarnom-kritičnom temperaturom kristalizacije.

Stvarna temperatura kristalizacije (tk) je nešto niža od temperature topljenja (tt) što ukazuje na pojavu podhlađivanja metala. Razlika ovih dveju temperatura (tt-tk) naziva se stepen podhlađivanja. Praktično to znači da se rastopljeni metal obično podhladi ispod svoje teorijske temperature topljenja, pre nego što započne kristalizacija. Što se više primiče tačka kristalizacije pojedine grupe atoma teže da trenutno iskristališu, ali dok se metal dovoljno ne podhladi grupe nisu stalne i rastop ostaje u tzv. metastabilnom stanju. Kad glavni proces kristalizacije započne, latentna toplota kristalizacije je dovoljna da temperaturu rastopa podigne do idealne temperture očvršćavanja, pa se dalji proces kristalizacije nastavlja pri konstantnoj temperaturi.

Kod nekih metala uočava se jako izražena temperatura podhlađivanja (v. sl.8b), koja ukazuje na obrazovanje velikog broja centara za kristalizaciju i nagli rast kristala. Pri tome, latentna toplota kristalizacije izdvaja se tako burno da se u prvom momentu kristalizacije, temperatura naglo podiže do blizu teoretske temperature (tt), što je slučaj kod antimona. Međutim, kod većine metala stepen podhlađenja je neznatan, te se može zanemariti pri eksperimentisanju.

Kod većine legura (osim eutektičkih legura) proces očvršćavanja nije izoterman, tj. na krivoj očvršćavanja nema horizontalnog dela, već je proces očvršćavanja kriva linija. Za razliku od čistih metala prelazak iz tečnog stanja u čvrsto stanje ne odvija se na konstantnoj temperaturi (zastojnoj tački), već u jednom temperaturnom intervalu t'-t'' (v.sl. 8c.). U temperaturnom području između t'-t'' nalazi se deo čvrstog i deo tečnog stanja legure. Ovaj temperaturni interval može biti veći ili manji, što zavisi od količine pojedinih komponenata i može se videti iz dijagrama stanja dotične legure.

82.2. DIJAGRAMI STANJA DVOJNIH LEGURA Dijagrami stanja se konstruišu pomoću krivih hlađenja, pri čemu se koristi niz krivih hlađenja iste legure

sa različitim odnosima komponenti. Na početku i na kraju dijagrama nalaze se krive hlađenja čistih metala koji ulaze u sastav legure. Na apcisnoj osi dijagrama nanosi se koncentracija osnovnog i legirajućeg elementa u %, a na ordinatnoj osi temperatura u oC.

Dijagrami stanja prema broju komponenata mogu biti: dvojni, trojni i četvorni. Za praksu su od najvećeg značaja dijagrami stanja dvojnih legura.

Razlikuju se tri tipa dijagrama stanja dvojnih legura i to: a) Dijagram stanja dvojnih legura sa potpunom nerastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju (npr.

Pb - Sb; Sn - Zn; Ag - Pb i dr.). b) Dijagrami stanja dvojnih legura sa potpunom rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju (npr. Cu

- Ni; Co - Ni; Fe - Ni i dr.). c) Dijagrami stanja dvojnih legura sa delimičnom rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju (npr.

Pb - Sn; Al - Si; Cu - Cd i dr.). - Dijagrami stanja dvojnih legura sa potpunom nerastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju

obuhvataju legure kod kojih su legirajući elementi potpuno rastvorljivi u tečnom stanju, dok su u čvrstom stanju potpuno nerastvorljivi. Ove legure poznate su u praksi kao eutektičke legure. Prilikom očvršćavanja grade eutektikum koji je jasno uočljiv na dijagramu stanja. Na sl. 9. prikazan je dijagram stanja eutektičke legure tipa Pb-Sb.

Sl. 9. Dijagram stanja legure Pb-Sb

Na levoj strani slike date su krive hlađenja čistih metala A i B i njihovih legura, dok su na desnoj strani slike projektovane temperature početka zastoja pojedinih krivi hlađenja, na osnovu čega je konstruisan dijagram stanja.

Tačka A označava temperaturu topljenja čistog olova 3270C, a tačka B temperaturu topljenja čistog antimona 6310C.

Linija ACB prestavlja početak očvršćavanja legure Pb-Sb i naziva se likvidus linija (lat. liquidus=tečan). Iznad likvidus linije ACB nema čvrstog stanja, tj. legure svih sastava nalaze se u tečnom stanju (rastop R).

Linija DCE predstavlja kraj očvršćavanja legure Pb-Sb i naziva se solidus linija (lat. solidus=čvrst). Solidus linija DCE označava kraj očvršćavanja i ispod nje legure svih sastava nalazi se u čvrstom stanju.

Između likvidus i solidus linije legura se sastoji od mešavine čvrstog i tečnog stanja, tzv. testastog stanja.

Na liniji AC, za legura sa manje od 13% Sb, iz rastopa počinju se izdvajati kristali čistog olova, tako da ispod ove linije imano kristale Pb plus zaostali deo rastopa.

Na liniji CB, za legure sa više od 13% Sb, iz rastopa počinju se izdvajati kristali čistog antimona, tako da ispod ove linije imano kristale Sb plus zaostali deo rastopa.

U tački C (legura sastava 13% Sb i 87% Pb) na temperaturi 2450C iz rastopa se istovremeno izdvajaju kristali obe komponente, pa tako nastaje fina mehanička mešavina kristala olova i antimona, koja se naziva eutektika (eutektika=Pb+Sb).

Legura Pb-Sb koja odgovara sastavu u tački C naziva se eutektička legura. Odlikuje se potpunom homogenošću, najnižom temperaturom topljenja, pri očvršćavanju ponaša se kao čist metal.

Legure levo od tačke C sa ispod 13%Sb nazivaju se podeutektičke legure, a desno od tačke C sa iznad 13%Sb nazivaju se nadeutektičke legure.

Hlađenjem podeutektičkih legura kristali čistog Pb se izdvajaju iz rastopa sve dok se ne postigne temperatura 2450C, tj. do solidus linije DC, tako da ispod solidus linije imamo kristale čistog Pb u čvrstom eutektikumu.

Hlađenjem nadeutektičkih legura kristali čistog Sb se izdvajaju iz rastopa sve do solidus liniji CE, tako da ispod solidus linije imamo kristale čistog Sb u čvrstom eutektikumu.

- Dijagrami stanja dvojnih legura sa potpunom rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju obuhvataju legure kod kojih su legirajući elementi potpuno rastvaraju kako u tečnom tako i u čvrstom stanju, gradeći jedinstvene kristale. Čvrsti rasvori ovih legura poznati kao mešani kristali.

Legure ovog sistema nastaju dvojako i to: a) zamenom (supstitucijom) atoma jednog legirajućeg elementa atomima drugog legirajućeg elementa,

pri čemu zamena može biti bez reda i sa određenim redom, b) međuprostornim ubacivanjem (intersticijom) atoma jednog legirajućeg elementa, najčešće nemetala,

u međuprostore kristalne rešetke drugog legirajućeg elementa, metala. Na sl. 10. šematski je prikazan nastanak čvrstih rasvora (mešanih kristala) procesom zamene i

procesom međuprostornog ubacivanja.

Sl. 10. Nastanak čvrstih rasvora (mešanih kristala)

9a) supstitucijom atoma bez reda; b) supstitucijom atoma

određenim redom; c) intersticijom atoma Na sl. 11. prikazan je dijagram mešanih kristala legure Cu-Ni sa zamenom atoma bakra atomima nikla,

pri čemu se zamena vrši bez reda. Sl. 11. Dijagram mešanih kristala legure Cu-Ni

Na dijagramu stanja jasno se razdvaja tečno stanje linijom likvidus i čvrsto stanje linijom solidus. Kod ovih legura iz rastopa se istovremeno izdvajaju mešani kristali bakra i nikla gradeći čvrst rastvor,

tako da između likvidus i solidus linije jedan deo mase je u rastopljenom stanju, a drugi deo mase je očvrsnuo. Ispod solidus linije imamo čvrst rastvor, tj. mešane kristale bakra i nikla α(Cu, Ni). Legure koje grade čvrst rasvor (mešane kristale) putem zamene (supstitucije) su žilave i rastegljive ako

je zamena bez reda, i obratno tvrde i krte ako je zamena određenim redom. Postanak čvrstih rastvora međuprostornim ubacivanjem (intersticijom) atoma jednog elementa u

međuprostore drugog osnovnog elementa, dešava se samo kad su atomi elementa koji se ubacuje vrlo mali u poređenju sa atomima osnovnog elementa. Intersticija se ne dešava samo za vreme prelaza iz tečnog u čvrsto stanje, nego često i kad je osnovni metal već očvrsnuo. Atomi koji se tako ubacuju u prostornu mrežu obično su iz grupe nemetala, npr. ugljenik C se ubacuje u međuprostore γ-Fe.

- Dijagrami stanja dvojnih legura sa delimičnom rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju su od manje važnosti za rudarske inženjere, pa ih u ovom udžbeniku nećemo obrađivati.

1. GVOŽĐE

1.1. Opšte karakteristike i podela Gvožđe se ne nalazi u prirodi kao hemijski čist element, već se dobija raznim postupcima iz ruda

gvožđa. U praksi se uglavnom koristi tehničko gvožđe koje u sebi ima određen procenat primesa. Hemijsko čisto gvožđe (Fe) nema važnosti u tehnici zbog svoje male tvrdoće i čvrstoće.

Tehničko gvožđe je legura gvožđa sa ugljenikom, manganom, silicujumom, fosforom i sumporom, a takođe može sadržati i dodatne sastojke (hrom, nikl, molibden, volfram i dr.) u naročite svrhe. Ovi sastojci, koji su delom poželjni a delom nepoželjni, imaju vrlo veliki uticaj na osobine tehničkog gvožđa.

Ugljenik je najvažniji legirajući element gvožđa koji i u vrlo malim količinama znatno utiče na svojstva legure. Sa povećanjem procenta ugljenika u gvožđu opada temperatura topljenja i gustina. Do 0,1%C zatezna čvrstoća se povećava, a zatim opada. Povećanjem procenta ugljenika povećava se i tvrdoća, ali opada sposobnost zavarivanja. Ugljenik utiče i na druge tehničke osobine: povećava granicu razvlačenja, otpornost na habanje, krtost, a smanjuje istezanje, kontrakciju, sposobnost izvlačenja, sposobnost deformisanja u toplom i hjadnom stanju, hemijsku otpornost itd.

Na osnovu sadržaja ugljenika i drugih dodatnih elemenata tehničko gvožđe obuhvata: a) Čelik, sa sadržajem ugljenika praktično do 1,78%C, a teorijski do 2,14%C. b) Sivi liv, sa sadržajem ugljenika preko 2,6%C. c) Temperovani liv. U legurama gvožđa ugljenik se pojavljuje u obliku čvrstih rastvora (zavisno od moguće rastvorljivosti), u

obliku hemijskog jedinjenja Fe3C i u elementarnom stanju u obliku grafita. U čelicima ugljenik se pojavljuje u najvećem broju slučajeva u obliku cementita Fe3C, s obzirom na

malu rastvorljivost ugljenika u čvrstom rastvoru na normalnim temperaturama. 1.2. Struktura tehničkog gvožđa i dijagram stanja legure Fe-C Tehničko gvožđe je dvojna legura Fe-C sa dva legirajuća sastojka potpuno rastvorljiva u tečnom

stanju, ali samo delimično u čvrstom stanju. Sposobnost alotropskog modifikovanja gvožđa omogućuje pri kristalizaciji stvaranje hemijskih

jedinjenja ili čvrstih rastvora (mešanih kristala). Pojavljivanje pojedinih faznih sastojaka je zavisno od sadržaja ugljenika i temperature kristalizacije.

Strukturni sastojci tehničkog gvožđa grade: ferit, cementit, austenit, perlit, ledeburit i grafit. Svaka faza odlikuju se određenim fizičko-mehaničkim osobinama, koje su date u tabeli 5.

Tab. 5. Strukturni sastojci tehničkog gvožđa Fe-C

10treba ukucati tabelu --------------------------

Od tehničkog značaja je α (alfa) modifikacija pri temperaturi od 7700C sa prostorno centrisanom

kubnom rešetkom i γ (gama) modifikacija pri temperaturi preko 9060C sa površinski centrisanom kubnom rešetkom.

Strukturni sastojci tehničkog gvožđa najbolje se mogu objasniti preko dijagrama stalja legure Fe-C. Dijagram stanja gvožđe-ugljenik konstruiše se na osnovu krivih hlađenja za niz sastava legure gvožđe-

ugljenik. Zavisno od toga da li se ugljenik javlja u obliku hemijskog jedinjenja ili u elementarnom obliku razlikuju se metastabilan i stabilan dijagram stanja.

Metastabilan dijagram stanja je dijagram Fe-Fe3C (gvožđe-cementit) kod koga je ugljenik u potpunosti vezan u hemijsko jedinjenje Fe3C, koje je nestabilno i teži da se raspadne tokom vremena, što pospešuje visoka temperatura.

Stabilan dijagram stanja je dijagram Fe-CGR (gvožđe-ugljenik) u kome se ugljenik nalazi izdvojen u elementarnom stanju.

Metastabilni dijagram stanja je tehnički mnogo važniji, jer obuhvata sve vrste ugljeničnih čelika, dok stabilni sistem obuhvata samo livena gvožđa.

Metastabilni dijagram stanja legure Fe-Fe3C dat je na sl.14.

Sl. 14. Dijagram stanja metastabilnog sistema Fe-Fe3C Na dijagramu stanja se vrlo jasno mogu uočite strukture čelika i livenih gvožđa, pri čemu je: Čelik legura gvožđa i ugljenika sa procentom ugljenika teorijski od 0,008-2,14%C. Liveno gvožđe je legura gvožđa i ugljenika sa procentom ugljenika teorijski od 2,14-6,67%C. Likvidus linija ABCD je višestruko izlomljena linija koja razdvaja tečno stanje od početka očvršćavanja.

Iznad likvidus linije legura je u tečnom stanju - rastop. Solidus linijaAHJECF je višestruko izlomljena linija koja razdvaja čvrsto stanje od testastog stanja i

predstavlja kraj očvršćavanja legure. Između likvidus i solidus linije legura je u testastom stanju, tj. heterogena smeša tečnog stanja i kristala δ-Fe, γ-Fe ili Fe3C (zavisno od procenta ugljenika).

Kod legure gvožđe-ugljenik odigravaju se u procesu očvršćavanja tri izotermalne transformacije i to: peritektička, eutektoidna i eutektička.

Peritektička transformacijha nastupa u tački J na temperaturi 14930C, pri sadržaju od najmanje 0,16%C. U tački J vrši se transformacija δ-ferita u γMEŠANE KRISTALE.

Jednačina peritektičke transformacije je: δKRISTALI + R = γMEŠANI KRISTALI Struktura δ - ferit je alotropska modifikacija gvožđa postojana na temperaturama iznad 14010C i bitno

se ne razlikuje od α -ferita. Javlja se kod čelika legiranih hromom i niklom. Po delu likvidus linije AC iz rastopa se počinju izdvajati prvi kristali čvrstog rastvora ugljenika u γ -

gvožđu, koje nazivamo γMEŠANI KRISTALI ili austenit. Tako će mo u području ispod linije AC imati mešavinu dveju faza, tj. rastopa i γMEŠANIH KRISTALA (R + γMK).

Po delu likvidus linije CD iz rastopa počinju se izdvajati kristali karbida gvožđa, tzv. primarnog cementita (Fe3C '), te ćemo u području ispod linije CD imati mešavinu dveju faza: rastopa i primarnog cementita (R + Fe3C ').

U tački C (eutektička tačka) pri sadržaju od 4,3%C i temperaturi 11450C iz rastopa se direktno izdvajaju istovremeno austenit (γ) i primarni cementit (Fe3C '), tj. nastaje eutektikum koji predstavlja finu mehaničku mešavinu austenita i primarnog cementita i naziva se ledeburit.

Eutektička transformacija prestavljena je jednačinom: R → γMK + Fe3C ' = Ledeburit (L) Iz dijagrama stanja Fe-Fe3C se vidi da najniža temperatura na kojoj se javlja rastop je eutektička tačka

C (11450 i 4,3%C). Ova legura se ponaša kao čist metal, s obzirom da se temperatura u toku očvršćavanja ne menja.

Ledeburit se odlikuje veoma visokom tvrdoćom i krtošću i to je karakteristična struktura svih livenih gvožđa sa sadržajem ugljenika od 2,1 do 6,67%.

Na osnovu eutektičke tačke C, liveno gvožđe se deli na: - eutektičko liveno gvožđe sa 4,3%C, - podeutektičko liveno gvožđe sa 2,1 - 4,3%C, i - nadeutektičko liveno gvožđe sa 4,3 - 6,67%C. Ispod granične solidus linije AHJECF sve promene u strukturi su u čvrstom stanju. Preobražaji čvrstog

stanja proističu usled prelaza gvožđa iz jedne modifikacije u drugu, što je u vezi sa promenom rastvorljivosti ugljenika u gvožđu.

11U području JESG imamo čist austenit - γMEŠANE KRISTALE. Strukturna faza γ-austenit javlje se sve

do temperature 7210C, sa maksimalnim sadržajem ugljenika od 2,1%C u tački E. Pri daljem hlađenju austenit se počine raspadati i po liniji GOS izlučuje se ferit, a po liniji SE

sekundarni cementit Fe3C ''. Tako sada u području GOSP imamo mešavinu dveju čvrstih faza ferita i raspadajućeg austenita (αMK+ γMK), a u području SEE1 smešu sekundarnog cementita i raspadajućeg austenita (Fe3C '' + γMK).

Ferit je čvrst rastvor ugljenika u α-gvožđu i predstavlja najlošiju struktura nisko ugljeničnih čelika. Sekundarni cementit se izlučuje iz čvrstog rastvora za razliku od primarnog cementita koji se izlučuje iz

rastopa. Istih su fizičko-mehaničkih karakteristika. U tački S (eutektoidna tačka) pri sadržaju ugljenika od 0,8% i na temperaturi od 7210C kristali austenita

se razlažu na kristale ferita - αMK i sekundarnog cementita Fe3C '', formirajući eutektoid koji nazivamo perlit. Eutektoidna transformacija data je jednačinom: γMK → αMK + Fe3C ''= perlit Perlit je eutektoidna smeša αMK-ferita i sekundarnog cementita, koja u sebi sadrži 85,5% ferita i 13,5%

cementita. Čelik sa sadržajem ugljenjika od 0,8%C naziva se eutektoidni čelik, čelici sa manje od 0,8%C nazivaju

se podeutektoidni čelici, a čelici sa više od 0,8-2,1%C nazivaju se nadeutektoidni čelici. Linija PSK je granična linija po kojoj dolazi do potpunog raspadanja zaostalog austenita iz gvožđa i

obrazovanja perlita. Hlađenjem podeutektoidnih čelika (do 0,8%C) ispod linije PSK izlučuju se kristali ferita i perlita, a kod

nadeutektoidnih čelika (0,8 do 2,1%C) izlučuju se kristali perlita i sekundarnog cementita. Hlađenjem podeutektičkih legura (2,1 do 4,3%C) ispod linije PSK izlučuje se Fe3C ''+ ferit + ledeburit, a

kod nadeutektičkih legura (4,3 do 6,67%C) izlučuje se ledeburit i primarni cementit. 1.3. Dobijanje gvožđa Gvožđe se dobija iz svojih ruda: magnetit (Fe3O4), hematit (Fe2O3), limonit (2Fe2O3 . 3H2O) i siderit

(FeCO3). Ruda siderit se mora prethodno žari da bi se preveo u oksid. Najčešće se različite rude mešaju da bi se dobilo gvožđe odgovarajućeg sastava. Sitna ruda se prethodno presuje (briketira) ili speče (aglomerira) u krupnije komade, koji su podesnija za preradu. Za dobijanje gvožđa mogu se koristi i oksidni ostaci prženog pirita pri dobijanju sumporne kiseline.

1.3.1. Dobijanje sirovog gvožđa u visokim pećima Sirovo gvožđe se dobija u visokim pećima u kojima se oksidna gvozdena ruda prerađuje redukcijom.

Redukcija se može obaviti direktno pomoću ugljenika iz koksa upotrebljenog kao gorivo ili indirektno pomoću ugljen monoksida nastalog sagorevanjem koksa.

Na sl. 15. dato je postrojenje visoke peći.

Sl. 15. Postrojenje visoke peći Postrojenje visoke peći obuhvata: visoku peć, predgrevače vazduha, uređaj za dizanje šarže i

punjenje peći, prečistač gasova, turboduvaljke za vazduh i dr. Visoka peć se sastoji od dve zarubljene kupe spojene osnovicama i donjeg cilindričnog dela. Peć je

ozidana vatrostalnim opekama. Oko najšireg dela peći nalaze se cevi za dovod zagrejanog vazduha, koji se kroz duvaljke pušta u peć. Zavisno od konstrukcije visoka peć je ojačana čeličnim skeletom ili omotačem od čeličnih ploča. Zbog visoke temperature donji kraj peći spolja se stalno hladi vodom kroz ugrađene kanale. Ždrelo peći zatvara se dvostrukim zvonastim zatvaračem i na njega se sa strane nadovezuje uređaj za odvod dimnih gasova. Otvori za ispuštanje zgure i sirovog gvožđa, smešteni u cilindričnom delu peći, zatvaraju se privremenim čepovima od vatrostalnog materijala.

Prethodno zagrevanje vazduha za visoku peć vrši se u tzv. zagrevačima (Kauper aparatima), po najmanje dva uz svaku peć, koji se naizmenično upotrebljavaju. Dok se jedan aparat zagreva sagorevanjem gasa visoke peći, kroz drugi već zagrejani aparat (700-10000C) propušta se hladan vazduh, koji se uteruje posebnim kompresorima.

Šarža za visoku peć sastoji se iz mešavine rude, topitelja i koksa. Odnos ovih komponenata u šarži zavisi od sastava rude i to prvenstveno od sadržaja gvožđa u njoj.

Ruda izmešana sa topiteljem dostavlja se u visoku peć u naizmeničnim naslagama sa koksom kao gorivom, a za sagorevanje koksa uduvava se zagrejani vazduh pod slabim pritiskom.

Kao gorivo u visokoj peći koristi se metalurški koks dobre čvrstoće sa što manje sumpora max. do 1,25%S i pepela max. 10%.

12Rudi se dodaju topitelji, čija je dužnost da teško topljive i štetne sastojke rude kao i pepeo

pretvore u lako topljive. Topitelji mogu biti kiseli i bazični. Kiseli topitelji (glinasti škriljci itd.) dodaju se onim rudama koje imaju bazične primese, a bazični topitelji (kreč, dolomit itd.) dodaju se rudama koje sadrže kisele primese (SiO2-kvarc, Al2O3-glina).

U cilju povećanja kapaciteta visoke peći i smanjenje potrošnje koksa kod savremenih peći vrši se predgrejavanje vazduha do 12000C i povećava njegov pritisak tako da na ždrelu iznosi do 2 bara. U istom smislu deluje obogaćenje vazduha kiseonikom, kao i dodavanje vazduhu ugljene prašine, mazuta, gasnog goriva i vodene pare.

U visokoj peći imamo tri osnovna hemijska procesa: a) redukcija; b) ugljenisanje; c) hemijske reakcije u vezi sa topiteljem. Redukcija je proces oduzimanja kiseonika, koja može biti u visokoj peći dvojaka: - Indirektna redukcija oksidne rude pomoću ugljen monoksida nastalog sagorevanjem koksa, i - Direktna redukcija ugljenikom pri dodiru sa užarenim metalurškim koksom. Kiseonik iz vazduha koji se uduvava u visoku peć u dodiru sa užarenim koksom temperature oko

18000C sagoreva u CO2: C + O2 = CO2 Pri svom kretanju na više CO2 se u dodiru sa užarenim koksom razlaže na CO: CO2 + C = 2CO Ovako dobijeni ugljen monoksid penje se na više nailazeći na slojeve rude gvožđa, redukujući je u

metalno gvožđe (zona redukcije, 700-10000C). Npr. u slučaju hematita hemijska reakcija je prestavljena jednačinom:

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 Ova reakcija se ne obavlja odjednom već postepeno kako se šarža spušta naniže prolazeći kroz sve

toplije zone visoke peći. U nižim zonama visoke peći, tj. u toplijim zonama, redukcija se obavlja direktno čistim ugljenikom iz

koksa, po sledećoj hemijskoj reakciji: 2Fe2O3 + 3C = 4Fe + 3CO2 Ovako rastopljeno gvožđe, oslobođeno kiseonika, u donjim delovima peći sliva se niz užareni koks pri

čemu apsorbuje iz koksa jedan deo ugljenika stvarajući leguru gvožđe-ugljenik (zona ugljenisanja, 1000-12000C) i prelazi u karbid gvožđa:

3Fe + 2CO = Fe3C + CO2 Na još višoj temperaturi (zona topljenja, 1200-18000C) gvožđe se topi i istovremeno dolazi do

delovanja topitelja. Najpre kreč, koji je nastao od krečnjačkog topitelja, spaja se sa kvarcnim primesama iz rude i obrazuje zguru (trosku), a zatim deo silicijuma, mangana, fosfora i sumpora iz rude i koksa pređe u gvožđe. Ovde se još neredukovani oksidi gvožđa redukuju direktno ugljenikom.

Na taj način na dnu visoke peći skuplja se tečno sirovo gvožđe i nad njim specifično lakša zgura. Gvožđe i zgura se povremeno ispuštaju kroz odgovarajuće otvore, dok preostali proizvodi sagorevanja koksa (CO, CO2, N2 itd.), tzv. gasovi visoke peći stalno izlaze na gornjem delu peći.

U zavinosti od rude i samog vođenja procesa sirovo gvožđe će sadržati u većoj ili manjoj meri prateće elemente kao što su: Si. Mn, P, S.

Kao nuzprodukti procesa u visokoj peći mogu se dobiti u manjim količinama: Zn, Ag, Pb . Gasovi visoke peći oslobođeni prašine koriste se za predgrevanje vazduha za uduvavanje u Kauper

aparatima, kao i za druge energetske svrhe na licu mesta, dok se zgura koristiti za izradu šljako blokova, za dobijanje cementa i dr.

Materijalni bilans procesa topljenja u visokoj peći po 1t proizvedenog sirovog gvožđa za rudu sa sadržajem 50-55% gvožđa dat je u tabeli 5.

Tab. 5. Materijalni bilans procesa u visokoj peći po 1t sirovog gvožđa Ulaz u peć Izlaz iz peći

ruda 2,0 t sirovo gvožđe 1,0 t krečnjak 0,4 t troska-zgura 0,6 t koks 0,9 t prašina iz gasa 0,1 t vazduh 3,5 t=2700 m3 gas 5,1 t=4000 m3

1.3.2. Električne peći za dobijanje sirovog gvožđa Topljenje gvozdene rude u pećima sa električnim zagrevanjem našlo je primenu u zemljama koje

nemaju koksujući ugalj, a raspolažu sa velikim hidroenergetskim izvorima jeftine električne energije.

13Dobijanje sirovog gvožđa u električnoj peći vrši se korišćenjem električne energije za

topljenje oksidne gvozdene rude uz dodatak koksa, koji se samo koristi kao redukujuće sredstvo i za naugljenisanje gvožđa (oko 1/3 količine potrebne u visokoj peći). Kako je za dobijanje 1t sirovog gvožđa potrebno oko 2500-3000kWh električne enrgije, to je upotreba električnih peći ograničena.

Na sl. 17. shematski je data električna peć za sirovo gvožđe.

Sl. 17. Shema električna peć za dobijanje sirovog gvožđa: 1) ognjište; 2) jama; 3) elektrode

S obzirom da se u električnu peć ne uduvava vazduh, nastrali gas u peći sastoji se uglavnom od ugljen monoksida, koji se po prečišćavanju od prašine uduvava natrag u donji deo peći. Regulisanjem napona električne struje moguće je dobiti odgovarajuću vrstu sirovog gvožđa vrlo dobrog kvaliteta.

1.3.4. Vrste sirovog gvožđa Zavisno od sastava sirovine, temperature u peći i brzine hlađenja ispuštenog sirovog gvožđa iz visoke

peći može se dobiti belo sirovo gvožđe i sivo sirovo gvožđe. Za dobijanje belog sirovog gvožđa potrebno je da sirovina sadrži dovoljno mangana, koji utiče da se

ugljenik zadrži u obliku karbida gvožđa. Za dobijanje sivog sirovog gvožđa potrebno je da sirovina sadrži dovoljno silicijuma (2-3%Si) i da u

peći vlada povišena temperatura, da bi se ugljenik izdvojio u obliku grafita, što se olakšava sporim hlađenjem ispuštenog sirovog gvožđa u peščanim kalupima.

Posebne vrste sirovog gvožđa su ferosilicijum sa povećanim sadržajem silicijuma (8-10%Si), sjajno sirovo gvožđe sa povećanim sadržajem mangana (6-22%Mn) i feromangan sa znatnim sadržajem mangana (60-80%Mn).

Sivo sirovo gvožđe dobijeno u visokoj peći koristi se za dalju preradu u liveno gvožđe, dok se belo sirovo gvožđe (oko 7/8 ukupne proizvodnje visokih peći) uglavnom koristi za dalju preradu u čelik.

Postrojenje za dobijanje sirovog gvožđa u našoj zemlji nalaze se u železari Smederevo. 1.4. Livena gvožđa Osobine i primena livenih gvožđa zavise od oblika ugljenika koji se nalazi u strukturi gvožđa.Ugljenik u

livenom gvožđu može se nalaziti u dva oblika i to: kao slobodan ugljenik–grafit i kao karbid gvožđa Fe3C. U vezi sa načinom dobijanja i oblikom pojavljivanja ugljenika u gvožđu razlikujemo više vrsta livenih

gvožđa i to: − Bela livena gvožđa, − Siva livena gvožđa, − Legirana livena gvožđa, − Modificirana siva livena gvožđa, − Temper livena gvožđa. Kod belih livenih gvožđa ugljenik se većinom nalazi u vezanom obliku kao karbid gvožđa Fe3C

(cementit) ili karbid ugljenika sa drugim elementima(Cr, Mo, W, V itd). Bela livena gvožđa su vrlo tvrda (HB=3000÷6000MPa), otporna na habanje, visoke temperature i

koroziju. Zbog velike tvrdoće se ne mogu obrađivati rezanjem i plastičnom deformacijom, radi čega se najčešće obrađuju brušenjem. Koriste se u livenom stanju.

Bela livena gvožđa mogu biti legirana i ne legirana. Legirana bela livena gvožđa odlikuju se izuzetno velikom tvrdoćom (HB=8000MPa), otpornošću na koroziju, toplotu i kiseline.

Bela livena gvožđa manje se koriste od sivih livenih gvožđa. Najčešće se upotrebljavaju kao materijal za preradu u čelik i temper livena gvožđa.

U rudarstvu se belo liveno gvožđe koristi za izradu: kugli za mlinove, čeljusti drobilica i dr. Sivo liveno gvožđe je pretopljeno sivo sirovo gvožđe uz dodatak starog liva. Odlikuje se

karakterističnom sivom bojom, znatnom čvrstoćom pri pritisku i srazmerno malom zateznom čvrstoćom, kao i umerenom tvrdoćom. Nije kovno, ali se odlikuje vrlo dobrom livkošću. Topi se na 1200-13000C, gustina mu je oko 7,25g/cm3. Veliki nedostatak sivog livenog gvožđa je vrlo niska udarna žilavost oko 1J/cm2, što znači da je vrlo krt materijal.

Ugljenik je u sivim livenim gvožđima izdvojen u vidu tri alotropske modifikacije: u obliku lamela, rozeta i kuglica (nodula).

Razlikuje se više vrasta sivog livenog gvožđa: obični sivi liv, sivi liv srednje čvrstoće i sivi liv velike čvrstoće.

Sivo liveno gvožđe ima vrlo široku primenu u praksi usled jednostavnog načina livenja, dobre obradivisti rezanjem, visoke otpornosti na habanje i koroziju itd. Koristi se za izradu: postolja, blokova motora,

14cilindara lokomotiva i dizel motora, menjačkih kutija, kućišta pumpi, doboša kočnica, kanalizacionih cevi, slivnika, grejnih tela itd.

Nodularni sivi liv (Sfero liv) je vrsta sivog liva velike čvrstoće, kod koga se ugljenik ne nalazi o obliku ljuspica, već u obliku nodula (loptica). Noduliranjem se povećava zatezna čvrstoća za oko 4 puta (do 600MPa), liv dobija znatnu žilavost i postaje kovan.

Legirana livena gvožđa u svom sastavu imaju i manju količinu legirajući elementi: Cr, Ni, Ni-Cr, Ti, Mo, Cu i Al. Legirajući elementi omogućuju stvaranje sitnozrnastijeg i ravnomernije raspoređenog grafita.

Prema sadržaju legirajućih elemenata livena gvožđa delimo na: nisko legirana sa sadržajem legirajućih elemenata do 5%, srednje legirana sa sadržajem legirajućih elemenata od 5 do10% i visoko legirana sa sadržajem legirajućih elemenata preko 10%.

Modificirana siva livena gvožđa dobijaju se dodavanjem specijalnih materija-modifikatora livenom gvožđu pred izlivanje. Kao modifikator najčešće se koristi Si koji se dodaje rastopljenom sivom livenom gvožđu u obliku ferosilicijuma ili silikokalcijuma. Količina modifikatora iznosi 0,2 do 0,3% mase rastopljenog gvožđa za izlivanje. Od modificiranih livova izrađuju se odgovorni mašinski delovi kao što su: kolenasta vratila, valjaonička vratila i dr.

Temper liveno gvožđe spada u kvalitetna livena gvožđa. Dobija se od belog sirovog gvožđa dugotrajnim žarenjem (60-100 časova) na povišenim temperaturama (900-10000C) radi razlaganja cementita.

Prema hemijskom sastavu, načinu dobijanja, strukturi i osobinama razlikujemo: beli (evropski) temper liv i crni (američki) temper liv.

Kod belog temper liva procesom temperovanja ugljenik je najvećim delom ostranjen iz perifernog dela odlivka do izvesne dubine. Zato izgled preseka belog temper liva perlitne osnove i oksidiranog ugljenika ima svetliju boju usled manje količine grafita.

Kod crnog temper liva višak ugljenika, nastao raspadanjem cementita, ostaje u perifernoj zoni u obliku zrnaca amorfnog ugljenika. Presek odlivka crnog temper liva ima tamnu boju, jer na feritnoj osnovi imamo veliku količinu uključaka temper ugljenika.

Na sl. 19. shematski je data mikrostruktura belog i sivog temper liva.

Sl. 19. Shematski prikaz strukture temperovanog liva: a) crni temer liv; b) beli temper liv; f-ferit; C-ugljenik; p-perlit

Po JUS-u razlikuju se više vrsta temper livova. Koriste se za izradu: delove mašina za domaćinstvo, doboše kočnica, lanaca, malih točkova, ključeva, raznih okvira u građevinarstvu itd.

1.1. DOBIJANJE ČELIKA Čelik se dobija iz belog sirovog gvožđa oksidacijom suvišnih primesa: C, Si, Mn, P, S, koje se izdvajaju

u obliku zgure i gasova. Oksidacija primesa pri dobijanju čelika iz belog sirovog gvožđa nastaje indirektno preko oksidula

gvožđa FeO, koji se najpre obrazuje, i posreduje oksidaciji prvo Si, a zatim Mn, C, P i S, kako je to dato jednačinama:

C + FeO = CO + Fe Si + 2FeO = SiO + 2Fe Mn + FeO = MnO + Fe 2P + 5FeO = P2O5 + 5Fe S + 2FeO = SO2 + 2Fe (delimično), i FeS + Mn = MnS + Fe (većinom). Pri procesu oksidacije primesa jedan deo FeO zaostane u dobijenom čeliku, pa se kao štetna primesa

mora naknadno ostraniti dodavanjem feromangana u određenim količinama. Ukoliko za vreme oksidacije primesa sagori skoro sav ugljenik, odgovarajuća količina ugljenika dodaje se zajedno sa feromanganom, ili u obliku sprašenog koksa neposredno po ispuštanju čelika iz peći.

U savremenoj metalurgiji najrašireniji postupci dobijanja čelika su: − Konvertorski (Besemerov i Tomasov) postupak; − Simens-Martenov postupak; i − Dobijanje čelika u elektropećima.

1.1.1. Konvertorski postupak Konvertorski postupak dobijanja čelika sastoji se u tome da se kroz rastopljeno belo sirovo gvožđe

uduvava vazduh ili čist kiseonik, pod nad pritiskom od 1,5 do 2,5bara. Kiseonik služi za oksidaciju, tj. sagorevanje primesa Si, P, Mn i C usled čega se razvija određena toplota, potrebna za obavljanje procesa konvertovanja.

Konvertori za čelik su uređaji u obliku velikog vertikalnog suda sa vatrostalnom oblogom odgovarajućeg sastava. Na sl. 21. shematski su prikazane konstrukcije konvertora sa rešetkastim dnom za uduvavanje vazduha i konvertora bez rešetkastog dna za uduvavanje kiseonika kroz duvaljku odozgo.

15Sl. 21. Konvertori za čelik: a) normalna konstrukcija, 1) vatrostalna obloga; 2) rešetkasto dno; 3) dovod vazduha za produvavanje; 4) hidraulični mehanizam za naginjanje suda;

b) konstrukcija sa duvaljkom; 1) obloga; 2) duvaljka za kiseonik sa vodenim hlađenjem; 3) voda; 4) kiseonik; 5) kanal za gasove

U zavisnosti od sastava belog sirovog gvožđa koje se prerađuje, razlikujku se dva osnovna konvertorska postupka:

Besemerov (Besemer) postupak za belo sirovo gvožđe sa velikim sadržajem silicijuma (do 2,4% Si) i malim sadržajem fosfora (ispod 1%P). Konvertor Besemera je obložen vatrostalnom kiselom oblogom - kvarcne opeke.

Tomasov (Thomas) postupak za belo sirovo gvožđe sa velikim sadržajem fosfora (do 2,5%) i malim sadržajem silicijuma (ispod 0,5%). Obloga Tomasovog konvertora je bazična (dolomit).

Proces oksidacije, tj. sagorevanja Si, Mn, P i C teče vrlo burno i ne traje više od 20 minuta. Na kraju procesa konvertovanja rastopljenom čeliku dodaje se feromangan, ferosilicijum ili aluminijum u cilju dezoksidacije, degazifikacije i regulisanja sadržaja ugljenika u čeliku. Kvalitet čelika dobijen ovim postupcima zaostaje za kvalitetom čelika dobijenog u Simens-Martenovoj peći.

1.1.2. Simens - Martenov postupak Simens-Martenov postupak proizvodnje čelika ima naročitog značaja, jer se njime mogu preraditi

znatne količine starog gvožđa, tj. čeličnog otpada i do 80%. Simens-Martenova (Siemens-Martin) peć je vrsta plamene peći, koja se sastoji od zasvođenog

koritastog ognjišta za topljenje sirovine i komora (rekuperatora) za prethodno predgrevanje generatorskog gasa i vazduha za loženje peći.

Korišćenjem otpadne toplote gasova sagorevanja moguće je postići predgrevanje generatorskog gasa i vazduha na 1000 do 12000C. Time se omogućava povećanje temperature u prostoru za topljenje na oko 17000C, koja je potrebnu za postupak u ovoj peći.

Na sl. 22. shematski je data Simens-Martenova peć normalne konstrukcije. Sl. 22. Simens-Martenova peć: 1) ognjište; 2) rekuperatori;

3) vrata za sirovinu; 4) uređaj za dostavljanje sirovine; 5) otvor za ispuštanje čelika; 6) predgrejani

generatorski gas; 7) predgrejani vazduh Proces prečišćavanja u Simens-Martenovim pećima sastoji se u sagorevanju: P, Mn, C i Si kiseonikom

iz plamena generatorskog gasa koji liže preko rastopine. Kod Simens-Martenovog postupka u zavisnosti od sadržaja sirovine koja se prečišćava razlikuje se

kiseli i bazni postupak. Kod baznog (Simensovog) postupka obloga peći je magnezitska i služi za prečišćavanje belog sirovog

gvožđa, uklanjanjem uglavnom fosfora (P). Za bazni proces kao sirovina pored sirovog gvožđa dodaje se 10 do 15% čeličnog otpada uz dodatak hematita 20 do 30%.

Kod kiselog (Martenovog) postupka obloga je od kvarcnih opeka radi sigurnijeg uklanjanja silicujuma (Si) iz sirovine. Sirovina za kiseli postupak je pored belog sirovog gvožđa (20-40%) i staro gvožđe (čelični i gvozdeni lom) 60 do 80%.

Bazičnim postupkom dobijaju se uglavnom meki čelici, pogodni za temičku obradu i duboko izvlačenje. Imaju veću žilavost. Upotrebljavaju se za dinamički opterećene delove i bolji su od konvertorskih čelika.

Kiselim postupkom proizvode se tvrđi čelici i čelici za livenje. Bolji su od čelika bazičnog postupka, ali je proces nešto skupli.

Proces dobijanja čelika, zajedno sa sagorevanjem primesa u sirovom gvožđu, dezoksidacijom proizvoda pomoću feromangana i regulisanjem sadržaja ugljenika u zavisnosti od vrste čelika traje 4 do 6 sati.

U Simens-Martenovim pećima mogu se proizvoditi i legirani čelici, tako što se u rastop dodaju legirajući elementi Cr, Mo, V, Ni i dr.

1.1.3. Postupak dobijanja čelika u elektropećima Postupak dobijanja čelika u električnim pećima je mnogo savršeniji nego konvertorski i Simens-

Martenog postupak, ali je ovaj postupak mnogo skuplji zbog velikog utroška električne energije za topljenje sirovine 400 do 500kWh/Mp. Ovaj postupak primenjuje se kod čelika namenjenih izradi alata i drugih proizvoda sa većim zahtevom u pogledu čistoće.

Za proizvodnju čelika imamo dve vrste električnih peći i to: - elektro lučne peći, i - indukcione peći. Elektro lučne peći se rade u dve varijante i to: − Električni luk se stvara između dveju elektroda i metalne mase; − Električni luk se stvara između jedne elektrode, a kao druga elektroda služi metalno dno peći.

16Najpoznatija elektro lučna peć je Erulova (Heroult) peć kod koje se toplota za pretapanje

čelika (25000C) proizvodi električnim lukom između dve elektrode nad ognjištem peći, kako je to dato na sl. 23.

Sl. 23. Elektro lučna peć za čelik: 1) obloga; 2) krov; 3)elektrode; 4) hidraulični cilindar; 5) dovod struje;

6)šema rada peći U zavisnosti od karaktera sirovina proces u elektro pećima može biti kiseli ili bazni. Pri pretapanju čelika dodaju se razni dodaci (kreč, fluor, kvarcni pesak) u cilju odstranjivanja primesa u

čeliku, a dezoksidacija se vrši dodatkom feromangana. Trajanje procesa topljenja zavisi od kapaciteta peći i elektro opreme i traje u proseku između 3 - 4 sata. Indukcione peći rade na principu obrazovanja indukovane električne struje pri prolazu kroz čelik, usled

čega se on zagreva i topi. Indukcione peći mogu biti nisko frekfentne i visoko frekfentne sa učestalošću od 500 do 10000Hz.

Na sl. 24. data je shema indukcione električne peći za čelik.

Sl. 24. Indukciona električna peć za čelik: 1) lonac; 2) namotaji; 3) rukavac; 4) kanal za izlivanje; 5) dovod struje

Ove peći su podesne za preradu već rastopljenog čelika. U opšte uzevši čelik dobijen u elektro pećima ističe se boljim osobinama, postojanim hemijskim

sastavom, većom čistoćom, manjim sadržajem sumpora, vodonika i azota (N2). U tabeli 7. date su uporedne karakteristike čelika dobijenog različitim postupcima proizvodnje.

Tab. 7. Upoređenje čelika po načinu proizvodnje Način Sadržaj u %, Odstranjuje se u toku Poredak proizvodnje (ne više) procesa Po kval- Po S P S P O itetu ceni S.Martenov baz. 0,06 0,05 delimično da ne 3 2 S.Matrenov kis. 0,07 0,05 ne ne da 2 3 Besemerov 0,09 0,09 ne ne ne 4 1 Elektropećima 0,03 0,03 da da ne 1 4

1.2. UMIRENI I NEUMIRENI ČELICI Gasovi koji zaostanu u čeliku (O2, N2, H i dr.) vode svoje poreklo iz sirovine ili vazduha koji se uduvava

u peć. Ukoliko se ti gasovi ne rastvaraju u metalu oni u njemu stvaraju mehure te postaje porozan, ili grade sa njim jedinjenja kao što su: nitridi, oksidi i dr.

Smanjenje sadržaja gasova u metalu postiže se ubacivanje dezoksidatora u rastop pre izlivanja, a sam proces naziva se dezoksidacija. Kao dezoksidatori kod čelika upotrebljavaju se Mn, Si i Al. Drugi postupci oslobađanja čelika od gasova su: potresanje i mešanje rastopa, livenje u vakumu i dr.

Prema količini i rasporedu gasnih mehurova čelike delimo na: neumirene, poluumirene i umirene čelike.

Neumireni čelici (v. sl. 27a) sadrži u sebi uglavnom H i CO, gasove koji su vrlo ekspanzivni te izazivaju nadimanje čelika, a s tim i unutrašnja naprezanja. Gasni mehurovi se stvaraju uglavnom u srednjem delu odlivka, što omogućava njihovo zatvaranje pri obradi deformisanjem na toplo (valjanjem, kovanjem i dr.).

Poluumireni čelici (v. sl. 27b.) sadrže u sebi veliki broj ravnomerno rasutih gasnih mehurova po čitavoj masi, koji su mnogo manji nego kod neumirenog čelika.

Umireni čelici su čelici kod kojih je procesom dezoksidacije smanjena količina gasnih mehurova na najmanju moguću meru (v. sl. 27c).

Sl. 27. Raspored gasnih mehura u čeličnom livu:

a) neumireni čelik; b) poluumireni čelik; c) umireni čelik

1.3. PODELA ČELIKA Prema hemijskom sastavu čelike delimo na: 1) Ugljenične čelike; i 2) Legirane čelike. Ugljenični čelici sadrže 0,06 do 1,8%C, kao i primese drugih elemenata u dozvoljenim granicama.

Primese u ugljeničnim čelicima nalaze se u sledećim količinama: Si do 0,5%; Mn do 0,7%; S do 0,05%; P do 0,05%. Ovi čelici mogu sadržati i neznatne količine legirajućih elemenata (mikrolegirani ugljenični čelici).

Legirani čelici u svom sastavu osim gvožđa i ugljenika imaju i specijalno dodate legirajuće elemente (Cr, Ni, Mn, Si, V, Mo, W, Co, Ti, Al, Cu i dr.), koji im daju poboljšana mehanička, fizička i hemijska svojstva.

Podela čelika prema hemijskom sastavu i nameni data je u tabeli 9.

17Tabela 9. Podela čelika prema hemijskom sastavu i nameni Podela čelika prema sposobnostima za deformaciju (u toplom i hladnom stanju), mogućnostima

termičke obrade, prema čistoći i kvalitetu površine, vrši se na: - obične ili trgovačke čelike; - kvalitetne čelike; i - plemenite čelike.

1.3.1. Ugljenični čelici Ugljenični čelici su najmasovnije primenjeni materijali u metaloprerađivačkoj industriji i primenjuju se

skoro kod svih konstrukcija: za mostovske konstrukcije, rudarske podgrade, razne mašinske i građevinske elemente, profile itd.

Prema nameni ugljenični čelici se dele na: konstrukcione i alatne čelike. Ugljenični konstrukcioni čelici se dele na: 1. Obične i kvalitetne; 2. Niskougljenične i visokougljenične; 3. Meke čelike (sa 0,15-0,25%C); polumeke (sa 0,25-0,4%C); polutvrde (sa 0,4-0,6%C); i tvrde čelike

(sa preko 0,6-1,7%C); Obični konstrukcioni ugljenični čelici dobijaju se Besemerovim, Tomasovim ili Simens-Martenovim

postupkom i koriste se za izradu: debelih i srednjih limova, klinova, zakivaka, cevi, toplo valjanih profila, šipki itd.

Kvalitetni ugljenični čelici dobijaju se iz Simens-Martenovih peći ili električnih peći. Ovi čelici mogu imati od 0,5-0,8%C, kao i manjui sadržaj legirajućih elemenata do 0,3%, pa se mogu smatrati niskolegiranim čelicima. Po kvalitetu prevazilaze obične čelike, a sadrže i manje štetnih primesa kao što su S i P. U rudarstu se koriste za izradu čeličnih podgrada, rudarskih šina, kao i za druge namene.

Konstrukcioni čelici za izradu rudarskih podgrada detaljno su obrađeni u Praktikumu-Metode ispitivanja (vidi Poglavlje VIII).

Ugljenični alatni čelici koriste se za izradu alata, kojima se mogu obrađivati drugi čelici ili drugi metali. U svom sastavu ovi čelici sadrže od 0,6-1,7%C, uz dodatak do 0,35%Mn. Sadržaj silicijuma se kreće do 0,35%Si. Kaljenjem ovih čelika može se postići velika tvrdoća, ali uz znatno smanjenje žilavosti. Ugljenični alatni čelici su proizvod Simens-Martenovih ili električnih peći.

Mekše vrste ugljeničnih alatnih čelika služe za izradu kovačkih kalupa, čekića, dleta, probojnika itd., dok tvrđe vrste koriste se za izradu matrica i patrica, rezača navoja, noževa alatnih mašina, turpija itd.

1.3.2. Legirani čelici Legirani čelici u svom sastavu imaju specijalno dodate legirajuće elemente (Cr, Ni, Mn, Si, V, Mo, W,

Co, Ti, Al, Cu i dr.), koji im daju poboljšana mehanička, fizička i hemijska svojstva. Prema procentu legirajućih elemenata legirane čelike delimo na: niskolegirane čelike (do 5% legirajućih

elemenata), srednjelegirane čelike (sa 5-10% legirajućih elemenata) i visokolegirane čelike (sa preko 10% legirajućih elemenata).

Prema nameni legirani čelici se dele na: konstrukcione legirane i alatne legirane čelike. Konstrukcioni legirani čelici nose naziv prema legirajućem elementu ili grupi legirajućih elemenata

(npr. Cr–čelik, Cr-Ni čelici i dr.). Hrom (Cr) kao legirajući element ima najširu primenu, jer povećava čvrstoću i tvrdoću, daje čeliku

visoku otpornost na habanje, a srazmerno mu je niska cena. Cr-čelici koriste se za izradu: osovina, zupčanika, kugličnih ležaja, alata, lopatica parnih turbina, cilindara visokog pritiska itd.

Nikl (Ni) je savršen legirajući element, ali s obzirom da je vrlo skup, često se zamenjuje hromom. Kombinuje se sa manganom, hromom i drugim legirajućim elementima. Najpoznatije vrste Ni-čelika su “invar” i “platinit”.

Cr-Ni čelici po svom kvalitetu prevazilaze i Cr čelike i Ni čelike. Upotrebljavaju se za jako opterećene konstrukcione delove, naročito u avio industriji, za izradu aparata za rafinerije nafte, hemijsku i prehrambenu industriji.

Molibdenski čelici koriste se za izradu konstrukcija parnih kotlova, turbina, kotlovskih cevi, cevnih grejača i dr. U praksi se najčešće sreću Ni-Mo, Cr-Mo i Cr-Ni-Mo čelici.

Manganski čelici upotrebljavaju se za konstrukcione delove od kojih se zahteva velika tvrdoća i visoka otpornost na habanje. Koriste se za zupčanike, osovine, šinske skretnice, obloge čeljusti drobilica i dr.

Silicijum čelici se upotrebljavaju za izradu opruga i gibnjeva. Koristite se i za mostovske konstrukcije. Vanadijum čelici upotrebljavaju se za izradu opruga, za rad na visokim temperaturama, za izradu alata

i dr. Vrlo su skupi, te se ređe koriste u praksi. Volframovi čelici se koriste za izradu metalnih testera, alata za obradu deformacijom na toplo, glodala,

alata za rezanje itd. Vrlo su skupi.

18Legirane čelike pre upotrebe treba obavezno termički obraditi. Legirani alatni čelici imaju veću tvrdoću, čvrstoću, prokaljivost, radnu temperaturu, žilavost i otpornost

na habanje u odnosu na ugljenične alatne čelike. Dele se na: − alatne čelike za kovanje, presovanje i merne alate; − niskolegirane alatne čelike za rezanje; i − brzorezne čelike. Specijalni čelici obuhvataju uglavnom veoma legirane vrste koje se odlikuju specifičnim fizičkim i

hemijskim osobinama, podešenim u naročite svrhe. Od specijalnih čelika u praksi se koriste: nerđajući i kiselootporni čelici, čelici sa posebnim magnetskim osobinama i čelici otporni na visoke temperature (vatrootporni čelici). Ovi čelici u rudarstvu imaju neznatnu primenu.

U savremenoj tehnici od svih metala gvožđe i čelik imaju najveću primenu. Vrlo široku primenu u industriji, pa samim tim i u rudarstvu, imaju proizvodi železara dobijeni plastičnim deformisanjem, kao što su: razni profili, žice, tanki limovi, trake, cevi i dr.

Na sl. 30. prikazan je pogon za hladno valjanje čeličnih profila.

Sl. 30. Pogon čeličane za hladno valjanje čelika

2. TEŠKI METALI Od teških metala najveću primenu u tehnici imaju bakar, olovo, cink i kalaj, zatim hrom, nikl, mangan,

kobalt, živa, vanadijum, volfram, molibden i antimon. U ovom udžbeniku obradićemo samo one teške metale koji se proizvode u našoj zemlji.

2.1. BAKAR Pored gvožđa bakar je jedan od najvažnijih metala. Spada u grupu obojenih metala. Odlikuje se

karakterističnom crvenom bojom. Bakar se dobija iz sulfidnih ruda halkopirita CuFeS2 i halkozina Cu2S. Proces proizvodnje bakra odvija se u nekoliko faza. Prva faza sastoji se u delimičnom prženju rude uz dodatak topitelja (kvarcni pesak) da bi se dobio

poluproizvod bakremac sa 30-45%Cu u obliku Cu2S. Druga faza obuhvata preradu bakrenca u plamenoj peći oksidaciono-redukcionim postupkom da bi se dobio crni bakar sa 90%Cu, ili preradu bakrenca u konvertoru za bakar gde se oksidaciono-reakcionim postupkom dobija sirovi (bubuljičasti) bakar sa 96%Cu. Poslednja faza je rafinacija sirovog bakra u plamenoj peći, ili elektrolitičkim postupkom.

Prema JUS-u razlikuju se dve vrste bakra u zavisnosti od načina rafinacije: − Topionički bakar (99,0-99,75%Cu); i − Elektrolitički bakar (99,9%Cu). Pri elektrolitičkoj rafinaciji bakra kao anode služe ploče od sirovog bakra, a kao katode ploče od čistog

elektrolitičkog bakra. Elektrolit je kiseli rastvor bakra sulfata (5-10% slobodne H2SO4). Pri prolazu električne struje rastvara se anodni bakar i zajedno sa primesama prelazi u rastvor. Iz rastvora se izdvaja potpuno čist bakar koji se taloži na katodama, dok se primese talože na dnu suda za elektrolizu u obliku mulja (Au, Ag, Se i dr.).

Na sl. 31. shematski je prikazana elektrolitička rafinacija bakra sa detaljem anode.

Sl. 31. Elektroliza bakra: 1) katoda; 2) anoda od sirovog bakra; 3) elektrolit; desno: detalj anode

Radi sprečavanja oksidacije bakru se dodaju dezoksidatori kao što su: P, Al, Si i dr. Najčešće se upotrebljava fosfor (P) koji se dodaje rastopljenom bakru u vidu fosfornog bakra koji ima 8-12%P.

Tehnički čist ili crveni bakar ima gustinu 8,9g/cm3, temperaturu topljenja 10830C, čvrstoću u žarenom stanju 200-220MPa, izduženje do 50%, čvrstoću nakon obrade deformacijom 300-500MPa, modul elastičnosti 115.000MPa, žilavost 160-180J/cm2. Vrlo je dobar provodnik toplote i elektriciteta. Dobro se obrađuje valjanjem, izvlačenjem i presovanjem u hladnom i zagrejanom stanju. Teško se zavaruje i lije. Prema hemijskim uticajima dosta je postojan. Kiseline i kisele soli ga napadaju gradeći s njim otrovna jedinjenja, mahom zelene boje.

Bakar se zbog svoje velike provodljivosti toplote teško zavaruje elektrootpornim postupcima, već se zavaruje elektrolučnim ili gasnim postupcima. Dobro se lemi.

U savremenoj tehnici bakar se najviše upotrebljava u elektrotehnici zbog svoje dobre provodljivosti električne struje. Veliki deo proizvodnje bakra (oko 40%) koristi se za izradu raznih legura (mesinga, bronze, duraluminijuma i dr.). U rudarstvu primenjuje se između ostalog i za izradu čaura za rudarske kapisle, električne upaljače itd.

Proizvođači bakra u našoj zemlji su Bor i Majdanpek.

192.2. OLOVO

Olovo se dobija iz njegove najvažnije rude galenita PbS oksidaciono-redukcionim ili oksidaciono-reakcionim postupkom, nakon čega se proizvod uvek rafiniše. Ruda cerusit PbCO3 je od manje važnosti za dobijanje olova.

Po oksidaciono-redukcionom postupku, podesnom za bogate rude i koncentrate, galenit se prvo prženjem prevede u oksid. Nastali oksid olova uz dodatak koksa i topitelja (krečnjak, pesak, gvozdena ruda) prerađuje se indirektnom i direktnom redukcijom u metalno olovo u jamastim pećima.

U novije vreme uvedene su jamaste peći za zajedničko dobijanje olova i cinka (ISC postupak). Postupak se zasniva na redukciji sinterovanih kompleksnih koncentrata rude, pri čemu se u donjem delu peći izdvaja olovo, dok se cink sa delom olova izdvaja u kondenzacionoj komori.

Na sl. 33. prikazana je jamasta peć sa kondenzatorom za zajedničko dobijanje olova i cinka. Sl. 33. Jamasta peć za zajedničko dobijanje olova i cinka (ISC postupak): 1)peć; 2)sirovina i koks; 3)kondenzator za cink; 4)separator olova i cinka; 5)zagrejani vazduh; 6)troska; 7)crpka za tečno olovo; 8)kanal za gasove

(na prečišćavanje) Sirovo olovo rafiniše se pretapanjem ili elektrolizom. Po Harris postupku primese se odstranjuju

zagrevanjem sirovog olova u plitkim kotlovima uz naročite dodatke. Najpre se na površini rashlađenog olova izdvoji Cu, pa pri ponovnom zagrevanju i hlađenju As i Sb, i na kraju Ag.

Elektroliza se naročito primenjuje u cilju odstranjivanja bizmuta (Betts postupak). Rafinisano olovo sadrži 99,9-99,99%Pb.

Olovo se odlikuje plavkastosivom bojom, malom tvrdoćom (40HB) i znatnom gustinom 11,34g/cm3. Zatezna čvrstoća olova je samo 17MPa. Topi se na 3270C. Slab je provodnik toplote i električne struje. Na suvom vazduhu se ne menja, ali u vlazi se prevlači najpre oksidom, a zatim hidroksidnom skramom Pb(OH)2 koja ga štiti od dalje oksidacije.

Rafinisano olovo (čistoće 99,73-99,99%Pb) služi za izradu akumulatorskih ploča, kablovskih omotača, izradu boja (minijum, olovno belo), raznih legura (za ležišta i dr.), olovnih cevi, rudarskih eksploziva (olovo azid, olovo tetraetil i dr.) itd.

Proizvođač olova u našoj zemlji je Trepča.

2.3. CINK Najvažnija ruda cinka je sfalerit ZnS. Smitsonit ZnCO3 je od mnogo manjeg značaja. Iz ovih ruda cink se dobija pirometalalurškim i hidrometalurškim postupkom. Ovako dobijeni sirovi cink

se rafiniše. Pri pirometalurškom dobijanju cinka najpre se sulfidna ruda oksidacionim prženjem prevede u ZnO, koji

se zatim redukuje ugljenikom u zatvorenim sudovima. S obzirom da je tačka ključanja cinka oko 9000 a redukcija cink oksida nastupa preko 10000C, cink se dobija u obliku pare. Zbog toga se proces mora obavljati u keramički zatvorenim sudovima bez prisustva vazduha, tzv. retortama, u kojma se pare ohlade (kondezuju) u rastopljeni cink, a delom pretvore u cinkov prah. Dobijeni sirovi cink se rafiniše pretapanjem. Iskorišćenje cinka u odnosu na sadržaj u rudi je samo oko 90%, usled gubitaka pri kondezaciji u retortama i gubitaka kroz dimne gasove.

Kod hidrometalurškog način dobijanja cinka, sulfidna ruda se oksidacionim prženjem najpre prevede u oksid cinka, koji se zatim dejstvom sumporne kiseline prevede u sulfat cinka (ZnSO4). Ovako dobijeni i prečišćeni sulfat cinka ZnSO4, podvrgava se elektrolizi (rafinacija cinka) u koritima sa anodama od olovnog lima i katodama od aluminijuma. Istaloženi čisti cink (99,95% Zn) se na kraju pretopi u plamenoj peći u redukcionoj atmosferi, da bi se sprečila oksidacija, a zatim izlije u kalupe.

Cink je metal plavkaste boje. Gustine 6,9-7,2g/cm3 (liven) do 7,25 g/cm3(valjan cink), temperatura topljenja 4200C, temperatura ključanja 9200. Zatezna čvrstoća valjanog cinka obične čistoće (99%Zn) je 160MPa. Dobro se lije. Na suvom vazduhu se ne menja, ali u prisustvu vlažnog vazduha se prevlači tankom oksidnom skramom, koja ga štiti od dalje oksidacije (pocinkovanje).

Na tržištu se cink pojavljuje kao: sirovi cink, rafinisani cink i kao cinkov prah. Najvažnija upotreba cinka je za prevlake gvozdenog lima u svrhu zaštite od korozije (oko 50% svetske

proizvodnje), zatim za izradu legura (mesing, beo metal i dr.), raznih limova, boja (bela cinkova boja i dr.), lakova, električnih baterija i dr.

Najveći proizvođač cinka u našoj zemlji je Trepča. U tabeli 8. date su važnije fizičko-mehaničke karakteristike obojenih metala. Tab. 8. Važnije fizičko-mehaničke osobine obojenih metala

Metal Gustina g/cm3

Temp. topljenja

0C

Zatezna čvrstoća

MPa

Ukupno izduženje

A, %

HB tvrdoća MPa

20Bakar Cink Olovo Kalaj Aluminijum Magnezijum

8,9 7,1

11,3 7,28 2,7

1,7

1083 419 327 232 659

650

2101), 4502) 150 14

27,5 (70-110)1) (150-230)2)

200

501), 22) 35 60 40

45-30 8-2 10

3501), 9502)

35 4 5

15-25 35-40

25 1) tvrdo žaren, 2) meko žaren

3. LAKI METALI Laki metali obuhvataju uglavnom aluminijum, magnezijum i berilijum. Odlikuju se gustinom manjom od

2,7g/cm3.

3.1. ALUMINIJUM Najvažnija sirovina za dobijanje aluminijuma je boksit, koji se sastoji od mešavine hidroksida

aluminijuma (Al2O3 . H2O ili Al2O3 .3H2O) sa primesama silicijum dioksida, gvožđe oksida, titan oksida itd. U tehničkoj praksi obično se razlikuje crveni boksit sa malo silicijum dioksida (1-5%SiO2 i 20-25%Fe2O3) i beli boksit sa mnogo silicijum dioksida (do 25%SiO2 i 5%Fe2O3). Tehnička vrednost boksita je tim veća što sadrži manje silicijim oksida i titan oksida.

Aluminijum se najviše dobija iz crvenih boksita koji su podesni za preradu po baznom (alkalnom) postupku po Bajeru (Bayer).

Dobijanje aluminijuma po Bajerovom postupku izvodi se u dve faze: 1. Izolovanje čistog, suvog aluminijum oksida, tzv. glinice, i 2. Elektrolitička redukcija glinice u metalni aluminijum. Izolovanje čiste suve glinice postiže se zagrevanjem boksita u obrtnoj sušnici, da bi se oslobodio vode i

organskih primesa, a zatim se izmleven kuva sa natrijum hidroksidom u zatvorenim sudovima (autoklavama) da bi se dobio natrijum aluminat:

Al2O3 . H2O + 2NaOH = Na2O . Al2O3 + 2H2O Filtriranjem se iz rastvora izdvoje nerastvorljive primese u obliku crvenog mulja (oksid i hidroksid

gvožđa, silicijum dioksid, titan oksid). Prečišćenom rastvoru natrijum aluminata dodaje se čist Al2O3, da bi se mešanjem ponovo razložio na hidroksid aluminijuma i natrijum hidroksid. Ovako dobijen hidroksid aluminijuma se opere, a zatim žari u obrtnoj peći da bi se dobio čist aluminijum oksid Al2O3, tzv. glinica.

Elektrolitička redukcija glinice vrši se u elektrolitičkim ćelijama, tzv. pećima za aluminijum. Peć ima dno od ugljenih blokova koji služe kao katoda, a anoda je od petrol koksa. Ćelije rade s niskim naponom jednosmerne struje od 5-6V i jačinom od 30.000-40.000A. U ćelijama se stalno nalazi rastopljen mineral kriolit, kome se dodaje samo do 20% glinice, s obzirom da se mešavina glinice i kriolita topi na 900-9500C, a čista glinica tek na 20500C. Proces elektrolitičke redukcije može se prikazati jednačinom:

Al2O3 + 3C = 2Al + 3CO Za dobijanje 1t aluminijuma potrebno je 2t glinice, odnosno 5t boksita pri potrošnji struje 15.000-

20.000kWh, što jako poskupljuje proces dobijanja aluminijuma. Na sl. 34. data je električna peć za aluminijum.

Sl. 34. Električno-redukciona peć za aluminijum:

1)metalni plašt; 2)ugljena obloga; 3)anoda; 4)katoda; 5)topionički lonac

Rafinacija aluminijuma vrši se ponovnom elektrolizom u posebnim električnim pećima. Neprečišćeni aluminijum dolazi na tržište u tri vrste: sa 99,7; 99,5 i 99%Al, a rafinisani aluminijum sa 99,99%Al.

Aluminijum je srebrnastobele boje sa gustinom 2,7g/cm3 i temperaturom topljenja 6580C. Zatezna čvrstoća livenog aluminijuma je 90-120MPa, istezanje 30-40%, tvrdoća oko 300HB. Dobar je provodnik električne struje.

Aluminijum je vrlo mek i plastičan, dobro se kuje i valja u hladnom stanju. Svojstvo livkosti je nedovoljno. Zavarivanje i lemljenje je otežano usled stvaranja oksidne skrame.

Na vazduhu aluminijum se brzo zaštićuje od korozije oksidnom skramom Al2O3. Vrlo je otporan na dejstvo kiselina (osim sone), ali je slabo otporan na dejstvo baza. U morskoj vodi aluminijum se vrlo brzo razara.

Aluminijum se najviše upotrebljava za proizvodnju legura (oko 63%), srazmerno malo u čistom stanju u elektrotehnici za vodove visokog napona i dr. (oko 12%), u metalurgiji (za dezoksidaciju i dr.), za termitske mešavine, zaštitne premaze, anbalažu, posuđe itd.

Postrojenje za dobijanje aluminijuma u našoj zemlji nalaze se u Podgorici.

213.2. MAGNEZIJUM

Magnezijum se dobija iz ruda karnalit MgCl, magnezit MgCO3, dolomit CaCO3 . MgCO3; kao i iz morske vode (MgCl2 . KCl . 6H2O). Pri dobijanju iz hloridnih sirovina, čist MgCl2 se podvrgava elektrolitičkom topljenju. U slučaju karbonatne sirovine prethodi pečenje, da bi se dobio magnezijum oksid, koji se prevodi u hlorid magnezijuma zagrevanjem u struji hlora i u prisustvu ugljenika. Ovako dobijen MgCl2 dalje se podvrgava elektrolitičkom topljenju.

Magnezijum je najlakši tehnički metal sa gustinom 1,74g/cm3, tačkom topljenja 6500C, zateznom čvrstoćom 120-220MPa. Na vazduhu je nepostojan usled oksidacije, stvarajući oksidnu skramu koja je porozna, te ne prestavlja zaštitu magnezijuma od dalje oksidacije.

Magnezijum je prema delovanju baza dosta otporan, ali ga zato kiseline i soli lako razaraju uz razvijanje vodonika.

Gori pri povišenoj temperaturi (pali se na oko 7000C) oslobađajući veliku količinu toplote. Tehnički čist magnezijum ne upotrebljava se kao konstrukcioni materijal, jer su mu mehanička svojstva

vrlo mala, dok obrađen deformacijom ima nešto bolja mehanička svojstva. Znatnu primenu magnezijum ima u vazduhoplovstvu, metalurgiji (za dezoksidaciju, kao vatrostalni

materijal itd.), za izradu legura i dr.

4. LEGURE OBOJENIH METALA Legure obojenih metala obuhvataju legure teških i legure lakih obojenih metala. U pogledu teških

metala najčešće su u upotrebi legure bakra i kalaja (Cu-Sn), bakra i cinka (Cu-Zn), bakra i nikla (Cu-Ni) i dr., dok kod lakih metala to su legure: aluminijuma, bakra i magnezijuma (Al-Cu-Mg), aluminijuma, magnezijuma i silicijuma (Al-Mg-Si) i dr.

Najpoznatije legure bakra su mesing i bronza. Mesing (CuZn) je legura bakra (najmanje 50%Cu) i cinka (od 40-50%Zn). Najbolja mehanička svojstva

ima mesing pri sadržaju cinka oko 40% (čvrstoća Rm=330MPa pri A=35%). Povećanje sadržaja cinka preko 50% nema nikakvog korisnog dejstva, jer čvrstoća i plastičnost naglo opadaju.

Mesing je zlatnožute do crvenkaste boje zavisno od sadržaja bakra. Vrste sa manje od 20%Zn su crvenkaste boje i poznate su kao tombak.

Prema vrsti i načinu obrade mesinge delimo na: mesing za gnječenje i mesing za livenje. Kovne vrste mesinga odlikuju se većom čvrstoćom, tvrdoćom i otpornošću prema hemijskim uticajima.

Upotrebljava se za: armature, mašinske delove, lim, žicu, trake, za ležajeve, elemente otporne na morsku vodu, u metalurgiji praha za razne presovane i sinterovane proizvode i dr.

Bronza je legura bakra sa kalajem (5-20%Sn) i drugim metalima. Prema vrsti metala koji ulazi u ovu leguru imamo: kalajne, aluminijeve, olovne, silicijumove i manganske bronze.

Bronze se odlikuju znatnom čvrstoćom, otpornošću prema koroziji, dobrom livkošću i znatnom tvrdoćom.

Upotrebljavaju se za livenje armatura, ležišnih posteljica, cevi, žice itd. U tabeli 9. date su najbitnije karakteristike legura bakra.

Tab. 9. Fizičko-mehaničke karakteristike legura bakra Vrsta legure

Zatezna čvrstoća

MPa

Gustina g/cm3

Istezanje A, %

HB tvrdoća

MPa

Zn %

Sn %

Bronza,kalajna Bronza,alumin. Bronza, crvena Mesing, liven Mesing,t.valjan

150-200 160-200 300-400 150-180 230-360

- 7,5-8,6

- 8,6 8,5

do 15 30-50 6-25

10-20 15-36

600-1800 600-900 500-700

400 150

- -

3-7 35 40

10-20 -

4-10 - -

Legure aluminijuma obuhvataju vrste sa najmanje 87% aluminijuma i dodatkom lakih i teških metala. Odlikuju se malom masom, znatnom čvrstoćom i tvrdoćom, a pojedine vrste znatnom otpornošću prema koroziji. U pogledu mogućnosti obrade legure aluminijuma dele se na: legure za livenje i legure za gnječenje. Najpoznatije legure aluminijuma su duraluminijum, silumin i hidronalijum.

Duraluminijum je najpoznatija kovna legura aluminijuma iz grupe Al-Cu-Mg. Osim ovih elemenata duraluminijum sadrži još i Si i Fe (0,2-0,6%). Duraluminijum se može termnički poboljšati kaljenjem na temperaturi do 5000C uz sporo hlađenje u vodi sobne temperature. Ovaj proces postepenog očvršćavanja nakon kaljenja (u roku 5-6 dana) naziva se starenjem. Ne može zavarivati. Od korozije se štiti prevlačenjem tankim slojem aluminijuma.

Superduraluminijum je duraluminijum povećane čvrstoće. Duraluminijum se upotrebljava za izradu raznih mašinskih delova, delove rudničkih izvoznih koševa i

vagoneta, podgradnih stubaca itd.

22Silumin je karakteristična livna legura aluminijuma iz grupe Al-Si sa 5-13%Si. Silumin ima

odlično svojstvo livkosti. On je najotpornija Al-legura na koroziju. Nedostatak siluminovih odlivaka jeste poroznost, jer silumin u rastopljenom stanju lako upija gasove.

Hidronalijum je poznata kovna i livna legura aluminijuma iz grupe Al-Mg sa 2,5-4%Mg (kod kovnih vrsta) i 4-12%Mg (kod livnih vrsta). Otporan je prema koroziji. Upotrebljava se za jače opterećene konstrukcione delove, naročito izložene koroziji slane vode.

Legure magnezijuma obuhvataju legure sa najmanje 89%Mg i dodatkom aluminijuma, cinka, mangana i drugih elemenata, koje se jednim imenom nazivaju elektroni. Elektroni se ne mogu upotrebiti u konstrukcione svrhe, zbog svoje male čvrstoće. Veliki nedostatak elektrona je mala otpornost na koroziju. Dobro se obrađuju rezanjem. Dele se na: elektrone za livenje i elektrone za gnječenje. U rudarstvu se koriste za livenje kućišta ručnih rotacionih bušilica i dr.

U tabeli 11. date su uporedne mehaničke osobine čelika i nekih lakih legura. Tab. 11. Uporedne mehaničke osobine čelika i nekih lakih legura

Materijal

Granica elastičnost

i RE [MPa]

Izduže-nje

A, %

Zatezna čvrstoća Rm [MPa]

Tvrdoća HB [MPa]

Modul elastičnosti

E [MPa]

Čelik Duralumin (kaljen) Duralumin (nekaljen) Elektron (livni)

180-220 80-240

150-370

60-180

27 32-36

-

26-30

500-600 260-520

110-220

240-370

1400-1700600-1400

300-600

550-800

210.000 70000-75000

70000-75000

46.000

5. SPECIJALNE LEGURE Specijalne legure obuhvataju: legure za ležišta, tvrde legure, legure za lemljenje, lako topljive legure i

legure za otpornike. Legure za ležišta ili antifrikcione legure se odlikuju specifičnim osobinama potrebnim za ležišta, kao

što su: mali koeficijent trenja, dovoljna pritisna čvrstoća, manja tvrdoća od osovine koja se okreće u ležištu, dobra provodljivost toplote i malo širenje pri zagrevanju. Najpoznatije ležišne legure su: beli metali, aluminijumske legure i bronze.

Beli metal je legura kalaja i olova sa dodatkom antimona i bakra u cilju povećanja tvrdoće i nosivosti. Plavičastobele boje. Lako se topi na 230-4000C. Razlikuju se dve vrste ovih legura i to: kalajni beli metal i olovni beli metal. U tabeli 12. dat je sastav belih metala.

Tab. 12. Sastav belih metala za ležišta Hemijski sastav, % Beli metal Sb Cu Pb Sn Kalajni Olovni

10-12 15-17

5,5-6,5 1,5-2,0

- ostalo

ostalo 15-17

Aluminijumske legure za ležišta (sastava Al-Cu-Si) odlikuju se manjom težinom, većom čvrstoćom i jeftinije su od belih metala.

Kalajna bronza sa 90%Cu i 8%Sn je savršena antifrikciona legura. Upotrebljava se za najodgovornije ležajeve, jer podnosi vrlo velike specifične pritiske.

Olovna bronza sa 70-75%Cu i 25-30%Pb upotrebljava se za nalivanje kliznih ležaja motora sa unutrašnjim sagorevanje.

Tvrde legure sastavljene su od karbida teško topljivih metala. Odlikuju se velikom tvrdoćom (oko 70-90HRC) koju zadržavaju i pri povišenoj temperaturi (do oko 10000C).

Prema načinu proizvodnje i nameni tvrde legure se dele na: 1. Sinterovane (metalokeramičke); 2. Livene tvrde legure - steliti; i 3. Praškaste tvrde legure. Sinterovane tvrde legure sastavljene su od jedinjenja karbida (WC, TiC, TaC i dr.) i kobalta (Co) kao

vezivnog sredstva. Kobalt se ne legira sa navedenim karbidima, nego samo povezuje čestice karbida u tečnoj fazi, zbog čega se ove legure nazivaju tvrde pseudo legure.

U rudarstvu najveću primenu nalaze volfram karbidske pseudo legure tipa WC-Co. Ove legure sastoje se od zrnaca volfram karbida (WC) povezanih stopljenim prahom kobalta Co (6-15%Co) kao vezivnog sredstva. Pri tome volfram karbid (tvrdoća po Mosu H=9) daje leguri veliku tvrdoću i otpornost prema habanju, a kobalt čvrstoću i žilavost.

U pogledu krupnoće karbidne komponente razlikujemo: sitnozrne, srednjezrne i krupnozrne vrste.

23Variranje sadržaja kobalta u tvrdoj leguri znatnije utiče na promenu tvrdoće nego na promenu

čvrstoće, dok variranje prosečne veličine čestica karbidne komponente znatnije utiče na promenu čvrstoće (žilavosti).

Tvrdoća legure raste sa padom sadržaj kobalta i povećanjem sadržaja WC, kao i s opadanjem krupnoće zrnaca WC kako je to vidljivo na dijagramima sl. 37. i 38.

Čvrstoća na savijanje raste sa porastom sadržaja kobalta u leguri i sa porastom veličine čestica karbidne faze, kao što se vidi na dijagramima sl. 37. i 39. Žilavost ovih legura je srazmerno niska i iznosi 3-6J/cm2.

Sl. 37. Zavisnost savojne čvrstoće i tvrdoće

od sadržaja kobalta Sl. 38. Zavisnost HV tvrdoće od srednje vrednosti prečnika zrna WC

Sl. 39. Zavisnost savojne čvrstoće od srednje vrednosti prečnika zrna WC Sinterovane volfram karbidske pseudo legure proizvode se postupcima metalurgije praha

(metalokeramike). Najpre se mešavina usitnjenog volfram karbida i sprašenog kobalta ispresuje u kalupima pod pritiskom 100-420MPa, a zatim peče (sinteruje) u elektropećima na temperaturi od 1400-15000C. Pri pečenju dolazi do topljenja kobalta (Co) koji obavija karbidna zrna i tako ih povezuje.

Pločice ovih legura pričvršćuju se za telo alata indukcionim lemljenjem ili mehaničkim putem (presovanjem).

Ove legure poznate su pod raznim trgovačkim nazivima, kao što su: vidia (Nemačka), koromant (Švedska), karboloj (SAD), pobedit (Rusija) itd. U našoj zemlji ih proizvodi "Prvi partizan"-Užice po licenci Švedske firme Sandvik Coromant.

U rudarstvu se upotrebljavaju za izradu sečiva: bušaćih dleta, kruna, svrdala, reznih elemenata kombinovanih tunelskih i drugih mašina.

Na sl.40. dati su neki primeri primene tvrdih sinterovanih volfram karbidskih legura za izradu sečiva reznih elemenata bušaće opreme u rudarstvu.

Sl. 40. Rezni elementi bušaće opreme za rudarstvo

Livene tvrde legure (steliti) su legure na bazi kobalta (Co) sa volframom (W), hromom (Cr) i ugljenikom. Odlikuju se vrlo visokom antikorozivnošću i visokom vatrostalnošću do 8000C. Krte su. Proizvode se livenjem u obliku šipki prečnika 5-7mm. Ne mogu se kovati, niti kaliti, već se odlivci doteruju brušenjem na tačne dimenzije. Tvrdoća stelita iznosi 45-55HRC. Nanose se navarivanjem (acetilenskim gasnim plamenikom) na čelik i liveno gvožđe radi stvaranja tvrdih i otpornih površina na habanje (matrice, ventili, kalibri za izvlačenje žice itd).

Praškaste tvrde legure proizvode se u obliku praha sastava: W-C-Si-Fe ili Cr-C-Mn-Si-Fe. Koriste se za navarivanje u cilju stvaranja tvrdih i otpornih površina na habanje (čeljusti drobilica, zubi bagera itd.). Navarivanje tvrdih praškastih legura vrši se elektrolučnim postupkom, tako što se na navarivanu površinu prvo nanese tanak sloj 0,2-0,3mm dezoksidatora, a zatim sloj od 3-5mm praha tvrde legure koji se stopi elektrodom.

Legure za otpornike imaju visoku elektrootpornost, a malu elektroprovodljivost. Upotrebljavaju se za izradu otpornika i grejnih tela električnih peći i drugih aparata.

Za elektrootpornike temperature do 5000C koriste se legure bakra sa Ni, Mn i Zn, od kojih su najpoznatije: nikelin, manganin i konstantan. Primenjuju se za otpornike mernih instrumenata, merne trake, mostiće električnih upaljača itd.

Za otpornike temperature preko 5000 koriste se legure na bazi nikla, hroma, gvožđa i drugih dodataka, od kojih su najpoznatije: nihron (cekas) i fehral (kantal). Primenjuju se za otpornike termičkih aparata.

Legure za lemljenje koriste se za spajanje (lemljenje) delova metala i legura među sobom. Delimo ih na meke lemove i tvrde lemove.

Meki lem ima malu čvrstoću Rm=50-70MPa i temperaturu topljenja ispod 3000C. Od mekih lemova najviše su u primeni lemovi od kalaja (Sn) i olova (Pb). Upotrebljavaju se spojeve bez velikih naprezanja u eksploataciji.

Tvrdi lem ima visoku čvrstoću Rm=500MPa i temperaturu topljenja preko 5500C. Pri lemljenju daje vrlo čvrste spojeve. Kao tvrdi lem upotrebljava se: elektrolitički i fosforni bakar (za lemljenje čeličnih delova); razni bakarno-cinkovi, srebreni, aluminijumski i drugi lemovi (za lemljenje crnih i obojenih metala). Tvrdi lemovi na bazi bakra i cinka (temperatura topljenja 820-9150C) upotrebljava se za lemljenje mesinga, bronze, bakra i gvožđa. Bakarni lemovi našli su veliku primenu za indukciono lemljene pločica tvrdih legura kod bušaćih alata za rudarstvo.

Lako topljive legure imaju nisku tačku topljenja (ispod 1000C). Najpoznatije lako topljive legure su: Rozova (Rose) legura (Pb-Sn-Bi) temperature topljenja 93,750C i Vudova (Wood) legura (Bi-Pb-Sn-Cd)

24temperature topljenja 600C. Upotrebljavaju se za: osigurače parnih kotlova i električnih vodova, kao prenosnici toplote u metalnim kupatilima itd.

6. OBRADA METALA I LEGURA U savremenoj praksi postoji veliki broj postupaka obrade metala i legura kojima se dobijaju gotovi

proizvodi za upotrebu u tehnici. Najčešće korišćeni postupci obrade metala i legura su: 1. Obrada livenjem; 2. Obrada plastičnom deformacijom; 3. Obrada rezanjem (skidanjem strugotine); 4. Termička obrada; 5. Metalokeramička obrada; i 6. Lemljenje i zavarivanje. U ovom udžbeniku postupci obrade materijala biće obrađeni u skraćenom obimu, s obzirom da se

rudarski inženjeri u praksi neće detaljno baviti ovom problematikom.

6.1. LIVENJE Livenje je postupak koji se sastoji u tome da se metal ili legura u tečnom stanju uliju u kalup, u kome

hlađenjem očvrsnu dobijajući oblik kalupa. Najvažnije osobine metala i legura koje dolaze do izražaja pri livenju jesu stepen livkosti i skupljanje pri

hlađenju. Naročito dobru livkost ima sivo liveno gvožđe, cink, kalaj i olovo, kao i većina legura obojnih metala. Slabije se lije čelik, aluminijum i bakar. Skupljanje rastopljenog materijala pri hlađenju znatno je kod mnogih metala i legura. Zato su kalupi za livenje uvek za onoliko veći za koliko se dotični materijal skuplja pri hlađenju: za sivo livničko gvožđe 1%, belo livničko gvožđe do 2,5%, čelik 2%, bronza i mesing 1,5%, legure lakih metala 1,25% itd.

Pri livenju mogu nastati greške koje obuhvataju deformisanje odlivka, pukotine i šupljine, rastresitost i poroznost odlivka, slojevitost i dr. Greške se mogu preduprediti odgovarajućim merama, kao što su: dobrom izradom kalupa, optimalnim načinom hlađenja odlivka itd. U cilju izbegavanja pojave šupljina usled mehurića u odlivku, naročito pri livenju čelika, livenje se izvodi u tzv. produženim kalupima, da bi se šupljine zadržale u ovom delu kalupa, koji se nakon hlađenja odlivka odreže.

Prema načinu livenja razlikuju se: obični postupci livenja i specijalni postupci livenja (kokile, centrifugalno livenje, livenje pod pritiskom itd.).

6.2. OBRADA PLASTIČNOM DEFORMACIJOM Obrada plastičnom deformacijom metala i legura vrši se preko granice elastičnosti materijala, da bi

predmet trajno zadržao promenjeni oblik. Najčešće korišćeni postupci plastičnog deformisanja materijala su: kovanje, presovanje, valjanje, izvlačenje i istiskivanje.

Plastičnost mnogih metala i legura na običnim temperaturama je mala, zbog čega je potrebno da se pre plastičnog deformisanja prethodno zagreju do određene temperature, da bi im se povećala plastičnost i smanjio otpor deformisanja.

Kod nekih obojnih metala i njihovih legura, kao i kod tankih profila, promena oblika pod pritiskom može se vršiti i u hladnom stanju.

Obrada čelika obično se izvodi pri temperaturi preko 9000C, jer se čelik najbolje obrađuje u oblasti tzv. čvrstog rastvora. Pravilno zagrevanje ima vrlo važnu ulogu i ono je najpovoljnije između 9000 i 12000C, zavisno od sastava čelika. Što čelik sadrži više ugljenika, to je temperatura obrade niža i obratno. Tako, meki ugljenični čelici zagrevaju se na 12000C, a tvrdi na 10000C i manje.

Kod ostalih metala i njihovih legura, kao što je aluminijum, bakar, mesing, legure magnezijuma itd. topla obrada se obično izvodi pri slabom crvenom usijanju na temperaturi od 500-7500C.

Na sl. 1. data je zavisnost između zatezne čvrstoće i temperature zagrevanja čelika.

Sl. 1. Zavisnost zatezne čvrstoće čelika od temperature zagrevanja

Kovanje je postupak oblikovanja zagrejanih komada metala i legura nanošenjem čestih i kratkih udaraca, ograničenih na manju površinu komada. Radna brzina pri kovanju iznosi 3-10m/sec. Zagrevanje komada namenjenih kovanju vrši se u kovačkoj vatri ili u specijalnim pećima kod kovanja velikih komada. U praksi se koristi: ručno i mašinsko kovanje. Ručno kovanje se vrši pomoću ručnog čekića i nakovnja na koji se stavlja materijal pri kovanju. Mašinsko kovanje se vrši pomoću mašinskih čekića, uz primenu kovačkih kalupa, što se naročito koristi kod serijske izrade velikog broja istih komada.

Presovanje je postupak obrade sličan kovanju, s tom razlikom što je radna brzina presovanja znatno manja i iznosi 0,01-0,1m/sec. Manjom brzinom rada kod presovanja se postiže sabijanje metala i u unutrašnjosti komada, dok udarci čekića deluju uglavnom na površinu komada. Pri tome, kod presovanja

25izostaje jak potres koji se javlja kod težih mašinskih čekića. Presovanje se obavlja pomoću brzohodih presa (ekscentar presa, frikcionih presa) ili pomoću sporohodih hidrauličnih presa. Presovanje se najčešće vrši u kalupima (matricama).

Kovanje i presovanje u kalupima ima vrlo široku primenu u metalnoj industriji za proizvodnju najrazličitijih mašinskih delova, alata, armatura, okova itd. U rudarstvu mašinsko kovanje u kalupima pomoću pneumatskih čekića ima naročito primenu kod kovanja bušaćih dleta. Kalupi se sastoje iz dva dela, donjeg izdubljenog dela kalupa (matrice) i gornjeg ispupčenog dela kalupa (patrice). Na sl. 2. prikazan je rasklopni kalup za kovanje glave bušaćeg dleta.

Sl. 2. Rasklopni kalup za kovanje glave bušaćeg dleta

1) matrica; 2) šipka dleta; 3) patrica Valjanje se sastoji u tome što se zagrejani čelični blok (ingot) propušta između dva valjka, koji se

obrću u suprotnom smeru jedan prema drugom, što se vidi na sl. 3.

Sl. 3. Princip valjanja metala Kako je rastojanje između valjaka manje nego debljina sirovog bloka, to valjci prihvataju blok i snažnim

pritiskom mu smanjuju presek uz znatno izduženje i neznatno širenje. Valjaonički valjci mogu biti: za grubo valjanje i za završno valjanje.

Postupcima valjanja prerađuje se najveći deo savremene proizvodnje čelika (nosači, železničke i rudarske šine, šipke, debela žica, ploče, različiti limovi, cevi i drugi specijalni proizvodi).

U narednom tekstu daće se postupci valjanja nekih proizvoda koji imaju široku primenu u rudarstvu. Bešavne cevi proizvode se valjanjem na uređaju sa kosim valjcima (postupak Manesmann). Uređaj se

sastoji od dva valjka koji su postavljeni koso jedan iznad drugog i trećeg malog pomoćnog valjka, kako je to dato na sl. 4.

Sl. 4. Valjanje bešavnih cevi: a) kosi Manesman valjci; 1) kosi valjci;

2) čelični blok; 3) konusni umetak: 4) debela bešavna cev; b) bregasti valjci; 1) valjak; 2) umetak; 3) debela bešavna cev;

4) stanjena bešavna cev Propuštanjem usijanog cilindričnog bloka između valjaka dolazi do većeg razvlačenja perifernih delova

nego unutrašnjih, tako da se u sredini pojavi rascep koji se pretvori u šupljinu. U tu šupljinu umeće se konični umetak, koji služi za izjednačavanje debljine zidova i izravnanje unutrašnje površine cevi. Ovako dobijena cev debelih zidova svodi se na tanju cev (završno valjanje) pomoću bregastih valjaka uz korišćenje cilindričnog umetka, i to valjanjem napred - nazad zajedno sa umetkom.

Šipke bušaćih dleta proizvode se valjanjem čeličnih cilindara, pri čemu razlikujemo postupak sa metalnim jezgrom i postupkom sa peščanim jezgrom.

Kod prvog postupka najpre se kroz čelični blok izbuši aksijalno bušotina i u nju uvuče metalno jezgro, koje se prethodno premaže mazivom. Cilindar se zatim zagreje na odgovarajuću temperaturu i podvrgne valjanju pomoću kalibrisanih valjaka za šestougaoni presek. Metalno jezgro se po valjanju izvadi u zagrejanom ili ohlađenom stanju.

Kod drugog postupka najpre se izbuši središnja bušotina kroz čelični blok, koja se napuni kvarcnim peskom i s obe strane začepi. Zatim se blok izvalja u zagrejanom stanju, čepovi izvuku i pesak izduva. U oba slučaja se na kraju iskiva usadnik i glava dleta.

Na sl. 5. pokazano je valjanje šupljih šipki za bušaća dleta.

Sl. 5. Valjanje šupljih šipki za bušaća dleta a) puni blok; b) izbušeni blok ispunjen peskom; c) kalibrisani valjci

Specijalni profili za rudarske podgrade (vidi deo 8.1.1. Praktikuma-Metode ispitivanja) izrađuju se postupkom toplog valjanja, provlačenjem zagrejanog čeličnog bloka kroz niz kalibrisanih valjaka, koji postepeno smanjuju presek do završnog oblika (I ili U profil). Kalibri mogu biti otvoreni ili zatvoreni. Otvoreni kalibri koriste se za grubo valjanje, dok se zatvoreni kalibri koriste za završno valjanje. Na sl. 5a. prikazani su kalibrisani valjci za valjanje I profila, kao i redosled deformacija bloka pri njegovom valjanju.

Sl. 5a. Kalibrisani valjci za profilisane proizvode

a) redosled deformacija pri valjanju I profila Izvlačenje je postupak kod koga se materijal u hladnom stanju provlači kroz otvor manjeg prečnika,

tako da dolazi do smanjenja preseka i izduženja materijala. Ovim postupkom prerađuje se debela valjana žica, šipke itd.

Izvlačenje žice vrši se na mašinama koje se sastoje od bubnjeva za vuču i otvora za provlačenje, tzv. kalibara. Otvori kalibara su obloženi izmenljivim okcima od tvrde legure ili industrijskih dijamanata za najtanju

26žicu. Kako prilikom izvlačenja žica otvrdne, to se posle provlačenja kroz više kalibara (sve manjeg prečnika) mora žariti da bi omekšala. Na sl. 6. shematski je dat postupak izvlačenja žice.

Sl. 6. Uređaj za izvlačenje žice: 1) pomoćni bubanj; 2) tabla sa kalibrima za izvlačenje; 3 ) vučni bubanj;

desno:detalj table sa kalibrima Žica se upotrebljava za izradu: električnih provodnika, čeličnih užadi, eksera (tvrda nežarena žica) itd. Čelična užad izrađuju se od žice prečnika 0,8 - 3,8mm, zatezne čvrstoće 1200-1770MPa. Žica za užad

radi se od visoko ugljeničnog konstrukcionog čelika i naziva se "patentirana" žica za užad. Čelična užad za potrebe rudarstva detaljno su obrađena u Praktikuma-Metode ispitivanja (vidi Poglavlje IX).

Žičana užad se pletu pomoću naročitih mašina, pri čemu se najpre ispletu strukovi od žica (19-37 žica), a zatim strukovi (najčešće 6) upletu oko središnjeg umetka (jezgra) užeta.

Mašina za pletenje strukova i užadi sastoji se od obrtnog bubnja sa kalemovima za žicu, odnosno strukove, i centrično postavljenog grla u kome dolazi do uplitanja, kako je to prikazano na sl. 2.

Sl. 2. Uređaj za pletenje užeta: a)pletenje strukova: 1) centralna žica;

2) bubanj za struk; 3) kotur sa kalemovima žice; b) pletenje užeta: 1) jezgro od kudelje; 2) kalemovi za strukove; 3) obrtna "košara"; 4) žičano uže Pri pletenju užeta žice se moraju podmazivati mazivim mastima za užad, kako bi svaka pojedinačna

žica bila pokrivena tankim slojem maziva. Time se žice štite od korozije i smanjuje unutrašnje trenje između žica u užetu.

Šavne cevi izrađuju se od čeličnih traka koje se savijaju provlačenjem ugrejane trake kroz levkasti otvor odgovarajućeg prečnika. Na kraju se ivice savijene trake zavare autogenim ili električnim putem. Kod cevi većeg prečnika (φ40-300mm) zavarivanje se vrši preklopom ivičnih površina. Na sl. 6a. dato je izvlačenje čeličnih cevi sa šavom.

Sl. 6a. Izvlačenje čeličnih cevi sa šavom: a) presek izvučene cevi; b) pripremljena traka; c) izvlačenje

zagrejane trake Istiskivanje je postupak koji se koristi za izradu šupljih delova tankih zidova. Istiskivanje se najčešće

vrši u hladnom stanju. Istiskivanje izrezanog komada lima vrši se na presama uz korišćenje matrice (izdubljenog dela) i patrice (ispupčenog dela). Ovaj postupak koristi se za izradu delova za automobilsku industriju, posuđa, čaura za detonatorske kapisle itd.

6.3. OBRADA REZANJEM Obrada rezanjem (skidanjem strugotine) metala i legura vrši se na alatnim mašinama. Zavisno od

načina obrade razlikuju se: struganje, glodanje, rendisanje, bušenje, brušenje i sečenje. Alati sa kojima se vrši obrada mogu biti sa: jednim sečivom (noževi), sa dva i više sečiva (glodala, svrdla itd.) i alati sa velikim brojem nepravilnih oštrih površina (tocila, brusevi i dr.).

Pogon savremenih alatnih mašina je preko elektro motora. Za pomeranje alata strugova i glodalica za finu obradu primenjuju se hidraulični sistemi.

Prema broju operacija koje se mogu izvesti na jednoj alatnoj mašini, kao i njenoj nameni razlikuju se: proste, univerzalne, specijalne i automatske alatne mašine.

Na sl. 7. shematski su prikazani postupci obrade metala skidanjem strugotine, s glavnim kretanjem označenim punom linijom i pomoćnim kretanjem označenim isprekidanom linijom.

Sl. 7. Shematski prikaz postupaka za obradu metala

skidanjem strugotine: a) struganje; b) glodanje (frezovanje); c) rendisanje; d) bušenje; e) brušenje

Struganje je postupak obrade cilindričnih površina na strugu pomoću strugarskih noževa. Pri struganju se obrće komad metala koji se obrađuje, a nož se pomera paralelno osi komada.

Strugarski noževi su različitih konstrukcija u zavisnosti od njihove namene, i to za grubu i finu obradu, za navoje, za bočnu obradu itd. Sečivo noža je od brzoreznog čelika ili od navarene pločice tvrde legure u slučaju obrade izrazito tvrdih materijala. Na sl. 8. pokazani su karakteristični strugarski noževi za razne vrste obrade na strugu.

Sl. 8. Vrste strugarskih noževa

Na strugu se mogu obavljati mnogobrojne operacije, kao što su: uzdužna i poprečna obrada, zasecanje, odsecanje, bušenje, rezanje navoja itd.

Glodanje (frezovanje) je postupak obrade na mašini glodalici, korišćenjem obrtnog alata sa zubima-glodala. Glodanjem se mogu obrađivati ravne, cilindrične i profilisane površine u zavisnosti od oblika i vrste

27glodala. Prema obliku glodala se dele na: valjkasta glodala sa ravnim ili spiralnim zubima, glodala za kanale sa pravim ili kosim zubima i profilisana glodala sa zubima različitog profila u zavisnosti od namene (v.sl. 9).

Sl. 9. Vrste glodala: 1) valjkasto; 2-3) za kanale;

4-6) profilisano u određene svrhe Rendisanje je postupak obrade na mašini rendisaljci (šeping mašina), korišćenjem noža koji se kreće

pravolinijski. Nož aktivno skida strugotinu samo u jednom pravcu, dok pri povratnom hodu klizi po komadu. Po obliku noževi za rendisanje su slični strugarskim noževima, ali su veći i teži. Mašine rendisaljke, zbog sporijeg rada-hoda, upotrebljavaju se uglavnom za obradu dugačkih komada koji se ne mogu obraditi glodanjem.

Brušenje i glačanje su najfiniji i najtačniji postupci obrade skidanjem strugotine, koji se obavljaju na brusilicama. Brušenjem se mogu obrađivati cilindrične i ravne površine, kako spolja tako i iznutra. Pored toga brusilice služe i za oštrenje alata.

Na sl. 10. pikazan je način oštrenje sečiva od tvrde legure monoblok dleta, sa kontrolom geometrije sečiva.

Sl. 10. Oštrenje monoblok dleta; b) kontrolni šablon

Bušenje se izvodi na mašinama bušilicama, pri čemu se burgija okreće i pomera u pravcu ose, a komad koji se buši stoji. Bušenjem mogu se otvarati nove rupe, kao i proširivati izbušene ili izlivene rupe. Na bušilicama moguće je i narezivati navoje u izbušenim rupama, pomoću tzv. nareznih burgija. Na sl. 11. dati su neki alati za bušenje.

Sl. 11. Alati za bušenje: a) burgija;

b) razvrtač cilindrični i konusni; c) glodač-razvrtač Sečenje se vrši pomoću testere ili makaza, koje mogu imati ručni ili mašinski pogon. Često se

primenjuje i autogeno sečenje, korišćenjem gorionika nešto izmenjene konstrukcije, date na sl. 11a.

Sl. 11a. Plamenik za autogeno sečenje (detalj): 1) kiseonik; 2) acetilen+kiseonik

Autogeno sečenje se primenjuje uglavnom za sečenje čelika i čeličnih limova.

6.4. TERMIČKA OBRADA Pod termičkom obradom podrazumevaju se postupci kod kojih se dejstvom temperaturnih promena

postiže promena strukture i određenih mehaničkih osobina metala i legura. Postupcima termičke obrade uglavnom se podvrgavaju: čelici i legure lakih metala. Najčešće primenjivani postupci termičke obrade su: žarenje, normalizacija, kaljenje, otpuštanje i poboljšanje, obrada niskim temperaturama, “patentiranje” čelične žice, površinsko otvrdnjavanje, temperovanje, termička obrada lakih legura i dr.

S obzirom da se rudarski inženjeri u praksi neće često sretati sa postupcima termičke obrade, to će mo u ovom udžbeniku obraditi samo postupak kaljenja koji se najčešće koristi u rudarstvu.

6.4.1. Kaljenje Kaljenje je postupak kojim se postiže poboljšanje mehaničkih svojstava čelika. Operaciji kaljenja

podvrgavaju svi alatni čelici posle tehnološkog procesa proizvodnje. Kaljenje je zasnovano na zagrevanju čelika do iznad kritične temperature, držanju izvesno vreme na toj

temperaturi, a zatim brzom hlađenju. Brzo hlađenja čelika pri kaljenju je neophodno, da bi se što pre prešlo temperaturno područje oko 7000C da ne dođe do preobražaja austenita u perlit, već da bi se dobila jedna od željenih struktura: sorbit, trustit ili martenzit.

Na sl. 13. dat je dijagram zagrevanja čelika pri raznim postupcima termičke obrade.

Sl. 13. Dijagram zagrevanja čelika u svrhu termičke obrade: 1) kovanje; 2) kaljenje; 3) normalizacija;

4) potpuno žarenje; 5) otpuštanje (nisko, srednje, visoko) i rekristalizaciono žarenje; 6) žarenje-homogenizacija

Temperatura kaljenja zavisi od sadržaja ugljenika u čeliku i iznosi (v.sl. 13): − za podeutektoidni čelik temperatura zagrevanja pri kaljenju je 30-500C iznad linije GOS; − za nadeutektoidne čelike temperatura zagrevanja pri kaljenju je 30-500C iznad linije SK. Kao što se sa dijagrama vidi, čelici sa manjim sadržajem ugljenika greju se na višu temperaturu i

obratno. Na primer, obični čelik za bušaća dleta sa 0,7-0,9%C zahteva temperaturu zagrevanja od 780-8000C. Legirani čelici greju se na temperaturu zavisno od njihove vrste.

28Zagrevanje čelika vrši se u pećima različitih konstrukcija: električne, plamene, mufl peći, sone

i olovne kade itd. Za hlađenje pri kaljenu biraju se različite tečnosti u zavisnosti od: potrebne kritične brzine hlađenja,

dimenzija i oblika predmeta i zahtevane dubine prokaljivosti. Najšire primenljivani način hlađenja je potapanje zagrejanog predmeta u tečnosti. Rashladne tečnosti

su: voda, rasvori baza ili kiselina, ulja, rastopljeno olovo itd. Jednim od boljih rashladnih sredstava smatra se 10%-ni rastvor NaOH u vodi, a kao umerena

rashladna sredstva primenjuju se mineralna ulja. Ugljenični (nelegirani) čelici hlade se skoro uvek u dovoljno hladnoj vodi (15-250C). Čelici slabo legirani

sa W, Ni ili Si hlade se kao nelegirani čelici u vodi, dok oni sa Cr ili Mn hlade se u ulju. Jako legirani brzorezni čelici hlade se samo u ulju ili u još blažim sredstvima, kao što su loj, petroleum ili vazduh.

Zavisno od brzine hlađenja zagrejanog čelika sa austenitnom strukturom, nastaju sledeće strukture kaljenog čelika:

1. Martenzit - zasićen čvrst rasvor ugljenika u α gvožđu, igličast, vrlo tvrd i nemagnetičan. Nastaje pri brzini hlađenja 180-2000C u sekundi u vodi temperature 200C. Tvrdoća HB 6000-7000MPa podesna je za sečiva dleta.

2. Trustit - vrlo sitnozrna smeša ferita u cementitu, nastaje raspadanjem austenita pri brzini hlađenja 650C u sekundi. Tvrdoća HB 3500-5000MPa podesna je za mašinske delove od kojih se traži pored znatne tvrdoće i dovoljna čvrstoća pri udaru.

3. Sorbit - sitnozrna smeša ferita u cementitu, nasataje raspadanjem austenita pri brzini hlađenja ispod 300C u sekundi u zagrejanoj vodi. Tvrdoća HB 2500-3500MPa podesna je za mašinske delove od kojih se pored površinske tvrdoće traži i žilavost.

Nakon kaljenja čelik se podvrgava otpuštanju na temperaturama 500-7000C radi usitnjavanja strukture, što ima za posledicu smanjenje HB tvrdoće, povećanje žilavosti i plastičnosti materijala.

U praksi se često primenjuje površinsko kaljenje kod koga se samo tanak površinski sloj predmeta zagreva iznad kritične temperature, dok se unutrašnjost predmeta ne zagreva i ne kali. Na taj način dobije se predmet sa tvrdim površinskim slojem i mekim jezgrom.

6.5. METALOKERAMIČKA OBRADA Metalurgija praha (ili "metalokeramika") odlikuje se time što se oblikovanje predmeta obavlja

presovanjem sprašenih metala i legura, uz naknadno pečenje presovanih proizvoda ispod tačke topljenja (sinterovanja). Krupnoća zrnaca metalnog praha kreće se u granicama 0,05-0,15mm.

Metalurgija praha je u mnogim područjima mašinstva zamenila postupke livenja, presovanja i obrade skidanjem strugotine. U rudarstvu ima široku primenu za izradu pločica tvrdih legura za sečiva bušaćih dleta, dijamanskih kruna za dubinsko bušenje itd.

Proizvodnja predmeta od metalnih prahova odvija se u nekoliko faza: mešanje metalnih prahova, presovanje, sinterovanje i završna obrada odpresaka.

Sinterovanje ipresovanih predmeta obavlja se u granicama 2/3 do 4/5 temperature topljenja dotičnih metala ili legura. Ona iznosi kod bronze i sličnih legura oko 600-8000C, gvožđa i nikla oko 1000-13000C, kod volframa oko 2000-33000C.

Redosled operacija pri proizvodnji pločica od tvrdih volfram karbidskih legura može se prikazati na sledeći način:

MEŠANJE W + C → KARBURISANJE → WC → USITNJAVANJE WC + Co → PRESOVANJE → PRETHODNO SINTEROVANJE (500-6000C) → DOTERIVANJE → ZAVRŠNO SINTEROVANJE (10500C)

6.6. LEMLJENJE I ZAVARIVANJE

6.6.1. Lemljenje Lemljenje je postupak za spajanje dva metala pomoću odgovarajuće legure s nižom tačkom topljenja,

koju nazivamo lem. Lem mora da ima moć legiranja sa dotičnim metalom. Pri lemljenju osnovni materijal je u čvrstom stanju, a lem u rastopljenom.

S obzirom na karakteristike lema razlikuje se dve vrste lemljenja: 1. Lemljenje mekim lemom; 2. Lemljenje tvrdim lemom. Meki lem ima malu čvrstoću Rm=50-70MPa i temperaturu topljenja ispod 3000C. Od mekih lemova

najviše su u primeni lemovi od kalaja (Sn) i olova (Pb). Tvrdi lem ima visoku čvrstoću Rm=500MPa i temperaturu topljenja preko 5500C. Od tvrdih lemova

najviše su u primeni elektrolitički bakar i fosforni bakar, koji daju vrlo čvrste spojeve, zatim bakarno-cinkovi, srebrni, aluminijevi i drugi lemovi (za lemljenje crnih i obojenih metala i legura).

29Meko lemljenje vrši se lako topljivim kalajnim lemovima. Koristi se uglavnom za spojeve bez

velikih naprezanja u eksploataciji. Pri lemljenju gvožđa mekim lemom upotrebljavaju se dezoksidatori - cink hlorid ZnCl2 i amonijum hlorid

NH2Cl (nišador) ili njihove smeše. Dezoksidatori jako nagrizaju metal pa ih treba udaljiti sa površina odmah nakon završetka lemljenja. Za lemljenje bakra i mesinga kao dezoksidator upotrebljava se kalafonijum, a za lemljenje olova i lakotopljivih legura - stearin.

Zagrevanje spajanih delova i topljenje lema vrši se: bakarnom lemilicom, gasnim lampama, električnim pećima, plamenim pećima, gasnim pećima, sonim kadama itd.

Tvrdo lemljenje vrši se bakarnim lemovima, pri čemu se dobijaju vrlo čvrsti spojevi koji mogu izdržati veća naprezanja. Spojevi mogu biti: na preklop, čeoni spojevi i spojevi sa zakošenjem, što se vidi na sl. 15.

Sl. 15. Vrste spojeva pri lemljenju: a)na preklop;

b) čeoni spojevi; c) sa zakošenjem Za čišćenje površina i sprečavanje oksidacije kod tvrdog lemljenja upotrebljavaju se: boraks, kiseli

natrijum fosfat, stakleni prah, vodeno staklo itd. U zavisnosti od načina zagrevanja postoji nekoliko vrsta lemljenja i to: gasno lemljenje, lemljenje

potapanjem, električno lemljenje, indukciono lemljenje, lemljenje u zaštitnoj atmosferi. Indukciono lemljenje našlo je široku primenu u rudarstvu za lemljenje pločica tvrdih volframkarbidskih

legura monoblok i krstastih dleta. Sastoji se u brzom zagrevanju mesta spoja induktorom. Induktor je bakarna cev sa jednim ili više namotaja hlađena vodom. Na sl. 16. prikazan je postupak indukcionog lemljenja pločice tvrde legure noža za obradu metala. Bakarni lem se stavlja u vidu lista između pločice tvrde legure i noža. Radi sprečavanja oksidacije glava noža se posipa boraksom. Ovako pripremljeno mesto spoja zagreva se induktorom. Nakon lemljenja nož se zatrpava u pesak radi laganog hlađenja.

Sl. 16. Indukciono lemljenje pločice tvrde legure; 1) čelični nož;

2) pločica tvrde legure; 3) folija-list tvrdog lema Osnovni defekti kod zalemljenog spoja su: slabo priljubljivanje, praznine i pore. Praznine u spoju

smanjuju čvrstoću zalemljenog spoja (npr. zbog lošeg lemljenja i praznina u spoju dolazi do brzog ispadanja pločice tvrde legure iz glave monoblok dleta). Zavisno od uslova lemljenja praznine u spoju mogu iznositi 5-65% cele površine spoja, pri čemu je poželjno da se praznine i pore ne sjedinjavaju, već da su rasejane po celom spoju.

6.6.2. Zavarivanje Zavarivanje je postupak spajanja dva ili više metala slične ili iste vrste, na račun vezivanja njihovih

atoma. Danas je moguće, osim metala, zavarivanje i nemetala kao što su: staklo, plastične mase, smole itd.

Isti tako, moguće je spajanje metala sa nemetalom, na primer stakla sa metalom. Prema postupku razlikuju se sledeće vrste zavarivanja: 1. Zavarivanje pritiskom (kovačko, elektrootporno, hladno zavarivanje i dr.); 2. Zavarivanje u stopljenom stanju (gasno-autogeno, elektrolučno); 3. Termitno zavarivanje. 4. Specijalni postupci zavarivanja. U ovom udžbeniku obradićemo najčešće korišćene postupke zavarivanja u rudarstvu.

6.6.2.1. Zavarivanje pritiskom Zavarivanje pritiskom izvodi se tako što se predmeti najpre zagreju, a zatim pritiskom spoje. Postoji

nekoliko postupaka zavarivanja pritiskom i to: kovačko zavarivanje, zavarivanje vodenim gasom, hladno zavarivanje pritiskom, elektrootporno zavarivanje i dr.

Elektrootporno zavarivanje je najčešće korišćen postupak zavarivanja pritiskom. Zagrevanje delova postiže se usled otpora prolazu indukovane struje, na dodirnim mestima zavarivanih predmeta.

Postoje tri vrste elektrootpornog zavarivanja: 1. dodirno - čeono; 2. tačkasto; 3. šavno. Na sl. 20. šematski su prikazani postupci elektrootpornog zavarivanja.

Sl. 20 Elektrootporno zavarivanje: a) čeono-dodirno; b) tačkasto; c) šavno; 1) predmeti koji se zavaruju;

2) kleme; 3) transformator; 4) elektrode; Dodirno ili čeono zavarivanje primenjuje se za spajanje krajeva dva metalna predmeta, na primer žice,

cevi itd. Predmeti koji se zavaruju (1) spojeni su klemama (2) i dodiruju se čeono (v. sl. 20a). Indukciona struja

30velike jačine, dobijena transformatorom (3), prolazi kroz dodirna mesta predmeta, pri čemu se usled nastalog otpora razvija velika toplota, kojom se predmeti na mestu spoja stope i pod dejstvom sile F spoje.

Tačkasto zavarivanje sastoji se u tome da se spajani predmeti (1) stavljaju između elektroda (4), kroz koje se pušta indukovana struja (v.sl. 20b). Usled velikog otpora na mestima dodira spajani predmeti se zagreju do usijanja, pa pod pritiskom elektroda (F) dolazi do difuzije i tačkastog zavarivanja. Elektrode su šuplje radi vodenog hlađenja, da se ne bi suviše zagrejale i spojile sa predmetom.

Tačkasto zavarivanje se primenjuje u proizvodnji mrežaste armature, karoserija automobila, rudarskih vagoneta itd.

Šavno zavarivanje se upotrebljava za spajanje limova, pri čemu se pripremljeni delovi (1) propuštaju između rotirajućih elektroda-točkića (4) zavarivačkog aparata. Kroz elektrode prolazi indukovana struja koja ne mestima spoja, usled velikog otpora, zagreje predmete do usijanja, koji se zatim pod pritiskom šavno spoje (v.sl.20c). Elektrode-točkići se izrađuju od legura bakra. Zbog intezivnog zagrevanja elektrode se moraju neprestano hladiti.

Šavno zavarivanje se primenjuje za proizvodnju rezervoara, cevi, sudova pod pritiskom itd.

6.6.2.2. Zavarivanje u stopljenom stanju Zavarivanje u stopljenom stanju izvodi se tako što se predmeti koji se spajaju i dodatni materijal za

zavarivanje (žice, elektrode i dr.) zagreju na visoku temperaturu, na kojoj dolazi do topljenja materijala i zavarivanja predmeta. Razlikuje se više postupaka zavarivanja u stopljenom stanju od kojih su najčešće u primeni: autogeno (gasno) zavarivanje i elektrolučno zavarivanje.

6.6.2.2.1. Autogeno (gasno) zavarivanje Autogeno (gasno) zavarivanje vrši se pomoću toplote koja nastaje sagorevanjem nekog gasa:

vodonika, acetilena i dr. Zavarivanje vodonikom danas se vrlo retko koristi, zbog velikih gubitaka toplote usled sporog zagrevanja vodonikom.

Zavarivanje acetilenom ostvarauje se sagorevanjem smeše acetilena i kiseonika, pri čemu se razvija toplota potrebna za zavarivanje.

Uređaj za autogeno zavarivanje obuhvata: bocu za acetilen (disu gas), bocu za kiseonik, plamenik i gumena creva za dovod kiseonika i acetilena do plamenika. Na sl. 21. data je oprema za autogeno zavarivanje.

Sl. 21. Oprema za autogeno zavarivanje: a) opšta šema: 1) boca za acetilen; 2) boca za kiseonik; 3) osigurač;

4) gumeno crevo; 5) plamenik; 6) metalna šipka za zavarivanje; 7) var; b) plamenik: 1) dovod acetilena; 2) dovod kiseonika;3) ventil za acetilen; 4) ventil za kiseonik; 5) mlaznica

Disu-gas predstavlja acetilen upijen u aceton i sabijenim do 15bara. Poznato je da 1l acetona pod normalnim pritiskom može upiti 24l acetilena, a pod pritiskom od 15bara oko 380l acetilena. U čelične boce ispunjene poroznom masom (smeša drvenog uglja i dijatomejske zemlje) i acetonom, uvodi se acetilen, nakon čega se aceton sa upijenim acetilenom sabija na 15bara. Pri otvaranju ventila usled smanjenja pritiska u boci izdvaja se acetilen iz acetona.

Čelične boce za acetilen su zapremine 40l i primaju 16l acetona, tj. boca pod nad pritiskom od 15bara sadrži 6000l acetilena.

Čelične boce za kiseonik su zapremine 40l i pri nad pritisku od 150bara sadrže 6m3 O2. Radi raspoznavanja boce su različito obojene i to: − boce kiseonika plavom bojom, a − boce acetilena belom bojom. Plamenik služi za mešanje acetilena sa kiseonikom, koji pomešani izgore (obično 3 dela acetilena : 4

dela kiseonika) vrlo vrelim plamenom temperature oko 32000C. Prema boji plamena varioc može regulisati količinu gasova, da bi se dobila najpovoljnija mešavina za zavarivanje.

Za autogeno zavarivanje potrebna je metalna šipka (žica) od istog ili materijala približnog sastava kao i predmeti koji se zavaruju. Žica (šipka) se pod dejstvom plamena stopi i gradi šav-var. Prečnik žice za zavarivanje je 1-8mm. Pored žica za zavarivanje postoje i žice za navarivanje.

Za čišćenje površina predmeta koje se vare koriste se različite vrste praškova za zavarivanje (boraks za čelik, soda za liveno gvožđe, smeše fluorida i hlorida alkalija za lake legure itd.).

Tehnologija autogenog zavarivanja sastoji se u tome da se plamenik kreće uzduž kratera šava pod određenim uglom, zavisno od debljine predmeta. Pri tome razlikujemo "levi" i "desni" način zavarivanja (sl. 22).

"Levi" način zavarivanja (v.sl.22a) karakterističan je po tome što se šipka pomera ispred plamenika. Plamen liže preko vara i topi šipku za zavarivanje, te se izbegava da se ivice tankog lima suviše zagreju i stope. Koristi se za zavarivanje tanjih limova (ispod 5mm).

Kod "desnog" načina zavarivanja (v.sl.22b) šipka ide iza plamenika. Plamen je upravljen u šav, zagreva ivice debelog lima, a šipka za zavarivanje se unosi u plamen i topi se. Koristi se za zavarivanje debljih limova.

31

Sl. 22. Načini autogenog zavarivanja a) zavarivanje "ulevo"; b) zavarivanje "udesno"

Pri autogenom zavarivanju metalni predmeti se zbog visoke temperature strukturno menjaju u samom šavu i delovima u neposrednoj okolini, uz pojavu grube kristalne strukture. Da bi se uklonila krupnozrna struktura, zavareni predmeti se normalizuju žarenjem. Na zavarenim komadima dolazi i do manjih ili većih deformacija (vitoperenja, skupljanja itd.).

Gasno ručno zavarivanje koristi se uglavnom za sitnije predmete male dužine. Za masovnu i serijsku proizvodnju zavarenih predmeta, srazmerno dugih šavova, danas se isključivo koristi automatsko gasno zavarivanje (npr. u proizvodnji "šavnih" cevi).

Gasnim postupkom mogu se seći metali i legure. Gasno sečenje je postupak kod koga metal sagoreva u struji čistog kiseonika. Gorionik se pokreće

određenom brzinom i sagorevanjem kiseonika pod pritiskom seče usijani metal. Pri sečenju ne dolazi do strukturnih promena u materijalu, sem na ivicama reza.

Gorionici za sečenje su nešto drugačiji od gorionika za zavarivanje i mogu biti: sa dva odvojena voda, sa oba voda zajedno i prstenasti gorionik (sl. 27).

Sl. 27. Gorionici za sečenje metala: a) sa dva odvojena voda;

b) sa oba voda zajedno; c) prstenasti gorionik Gasno se ne mogu seći: Cu, Al, Ni i mesing. Vrlo teško i pod specijalnim uslovima seku se: liveno

gvožđe do 3,4%C, hrom, olovo, nerđajući hrom i hrom-nikl čelici, plakirani limovi. Ostali metali i legure mogu se lako seći.

Gasno sečenje ima široku primenu u rudarstvu za sečenje čeličnih podgrada, šina, cevi, profila itd.

6.6.2.2.2. Elektrolučno zavarivanje Elektrolučno zavarivanje zasniva se na toploti koju stvara električni luk između dve elektrode. Koristi se

za zavarivanje: čelika, sivih livenih gvožđa, tvrdih legura, bakra, aluminijuma, nikla, njihovih legura i dr. Elektrolučno zavarivanje deli se na: 1. Ručno elektrolučno zavarivanje. 2. Automatsko elektrolučno zavarivanje. 3. Elektrolučno zavarivanje u atmosferi zaštitnog gasa. Najpoznatiji postupak ručnog elektrolučnog zavarivanja je postupak Slavjanov-a, kod koga se kao

negativna elektroda koristi metalna šipka, koja je u isto vreme i dodatni materijal (v. sl. 23). Luk koji nastaje između elektrode (1) i predmeta (2), topi predmet i elektrodu koja popunjava krater šava.

Sl. 23. Elektrolučno zavarivanje: 1) metalna elektroda; 2) predmet;

Elektrolučno zavarivanje u atmosferi zaštitnog gasa sastoji se u tome da se u zonu elektroluka dovodi zaštitni gas (vodonik ili argon), koji štite rastopljeni metal od oksidacije i uticaja azota iz vazduha. Najpoznatiji postupci ovog načina zavarivanja su: zavarivanje u zaštitnoj atmosferi vodonika - arkatom postupak i zavarivanje u zaštitnoj zoni argona.

Ova vrsta zavarivanja upotrebljava se za zavarivanje aluminijevih i magnezijevih legura, nerđajućih čelika, bakra i drugih metala i legura.

Automatsko elektrolučno zavarivanje je najsavremeniji tehnološki proces zavarivanja metala. Kod automatskog elektrolučnog zavarivanja elektroda je dugačka žica, namotana na valjak sa kojeg se pri radu odmotava, ispravlja i topi radi nanošenja na metal. Savremeni automati osiguravaju stalni napon struje, što omogućava održavanje dužine luka sa tačnošću +0,2-0,3mm.

Pri elektrolučnom zavarivanju javljaju se velika termička naprezanja na mestu vara, a nakon potpunog hlađenja zaostala naprezanja. Usled termičkih naprezanja predmet se deformiše, prska, menja mu se struktura itd.

Radi smanjenja naprezanja predmeti se pre zavarivanja predgrevaju, a nakon zavarivanja podvrgavaju termičkoj obradi i to: za ugljenične čelike - normalizaciji, a za legirane čelike - kaljenju sa otpuštanjem.

Elektrode su dodatni materijal, kojim se pri zavarivanju popunjava pripremljeni šavni kanal. Izrađuju se od materijala po sastavu sličnom materijalu koji se zavaruje (od čelika, legiranih čelika, tvrdih metala, livenog gvožđa, Al i Al legure, Cu, bronze, monel metala i dr.). Prečnik elektrode je obično 1-10mm.

Prema spoljašnjem izgledu elektrode mogu biti: gole, obložene i sa jezgrom. Na sl. 25. šematski su prikazane važnije vrste elektroda za elektrolučno zavarivanje.

32

Sl. 25. Elektrode za elektrolučno zavarivanje: 1) gole; 2-3) obložene; 4) sa jezgrom; a) deo za držanje; b) obloga; c) jezgro; d) prečnik

Prema upotrebi elektrode mogu biti za: zavarivanje čelika, elektrode za lake metale, elektrode za teške metale, elektrode za navarivanje, za glatke šavove, elektrode za sečenje metala i dr.

Elektrolučno sečenje je postupak sečenja metala pod dejstvom električnog luka. Na mestu sečenja metal sagoreva usled visoke temperature koju stvara električni luk. Elektrode za sečenje mogu biti ugljene ili čelične. Sečenje ugljenim elektrodama je mnogo brže s obzirom da se može upotrebiti jača struja.

Sečenje metala ima široku primenu u mašinstvu za sečenje limova, profila, šina itd., u brodogradnji za sečelje čeličnih konstrukcija brodova i dr.

Elektrolučno navarivanje je postupak za dodavanje mekog ili tvrdog metalnog sloja na površine pojedinih delova, u cilju poboljšanja mehaničkih svojstava i otpornosti na habanje.

Pod mekim navarenim slojem podrazumeva se sloj koji se posle navarivanja može relativno lako obraditi, npr. navareni slojevi reznih delova buldozera, utovarivača, kod klipova mašina itd. Takav sloj navaruje se običnim elektrodama.

Tvrdi navareni sloj odlikuje se povećanom tvrdoćom i otpornošću prema habanju, što je naročito interesantno za rudarstvo. Takav sloj može se navarivati:

− ugljenom elektrodom uz upotrebu tvrde legure u zrnastom stanju (kao dodatni materijal), ili − elektrodom od same tvrde legure. Tvrdo navarene slojeve koristimo za ojačanje zuba bagera, reznih elemenata bušilica, podsekačica i

drugih kombinovanih rudarskih mašina.

6.6.2.3. Specijalni postupci zavarivanja U novije vreme sve više u upotrebi su specijalni postupci zavarivanja, kao što su: zavarivanje trenjem,

indukcijom, ultrazvukom, difuzijom, laserom, elektronsko zavarivanje, zavarivanje gasnom plazmom itd. Ove postupke nećemo obrađivati u ovom udžbeniku, već se mogu naći u stručnoj literturi iz ove oblasti.

KOROZIJA I ZAŠTITNE MERE

1. KOROZIJA METALA I LEGURA Pod korozijom (lat. corrado-nagrizati) metala i legura podrazumeva se njihovo razaranje pod uticajem

okolne sredine, koje obično počinje sa površine usled hemijskog i elektrohemijskog dejstva. Kao primeri korozije mogu se navesti: rđanje gvožđa i čelika, razaranje podzemnih cevovoda, rezervoara, delova mašina i druge opreme usled delovanja kiselina, baza i soli.

Prirodna težnja metala je da se jedine sa drugim supstancama i da se odgovarajućim oslobađanjem energije preobraćaju u stanje niže energije. Ovo smanjivanje slobodne energije je pokretačka sila korozionih reakcija. Korozione reakcije javljaju se između graničnih površina, koje mogu biti između čvrste i gasovite ili između čvrste i tečne faze.

2. OBLICI KOROZIJE Prema načinu i uzroku oštećenja razlikuju se: površinska-ravnomerna korozija i lokalna korozija.

Korozija može da bude praćena i drugim oblicima napada, kao što su erozija ili zamor materijala, što može da izazove naročito teška oštećenja. U praksi se najčešće istovremeno javlja nekoliko oblika korozije, pri čemu je jedan oblik obično dominantan.

Površinska korozija se odlikuje ravnomernim napadom koji se razvija paralelno s površinom predmeta. Ovo je najrasprostranjenija vrsta korozije. Površinska korozija nastaje uglavnom pod uticajem vode, agresivnih gasova, soli i prašine. Debele, ravnomerne naslage proizvoda korozije i rđe, obično ukazuju na ravnomernu koroziju. Gvožđe i čelik mogu izgledati kao da korodiraju ravnomerno, ali uklanjanjem rđe najčešće se mogu otkriti mesta ili tačke relativno dubokog napada.

Ravnomeran napad korozije može se lako konstatovati, merenjem gubitaka mase ili smanjenjem debljine predmeta u određenim vremenskim razmacima.

Lokalna korozija izaziva lokalno korodivno razaranje, tj. razaranje na jednom mestu pa čak i u jednoj tački. U lokalnu koroziju spadaju: mestimična-tačkasta korozija, selektivna korozija, interkristalna korozija, korozija pod naprezanjem, korozija praćena erozijom i dr.

33Tačkasta korozija javlja se na veoma uočljivim mestima. Takva mesta su relativno mala u

odnosu na celokupnu površinu i definišemo ih kao tačkice. Ove tačkice su u stvari šupljine relativno oštrih i uočljivih ivica, koje se mogu razviti u dubinu do te mere da izazovu probijanje čak i čeličnih ploča. Na sl. 1 dat je tipičan primer tačkaste korozije.

Sl. 1. Neravnomerni raspored rupica kod tačkaste korozije

Selektivna korozija javlja se kod metala i legura koji u građi imaju dve ili više strukturnih faza različitog sastava. Pri tome jedna faza može biti podložna selektivnoj koroziji, a da ostale budu otporne na koroziju. Navešćemo primer čelika feritno-cementitne strukture: Pri potapanju takvog čelika u elektrolit, nejednorodni kristali će imati različite potencijale, a pošto su ti kristali električno spojeni jedni s drugima preko mase metala, dobiće se veliki broj galvanskih elemenata, što se vidi na sl. 2. Tamno je označen cementit (faza sa većim potencijalom) kao katoda (+), a svetlim ferit kao anoda (-). Strelicama je pokazan prelaz čestica anode (ferita) u rastvor.

Sl. 2. Selektivna korozija čelika feritno-cementitne strukture:

tamno: cementit-katoda; belo: ferit-anoda Iz svega ovoga može se zaključiti da čisti metali i jednofazne legure imaju veću otpornost prema

koroziji nego višefazne legure. Interkristalna korozija je vrsta selektivne korozije kod koje su napadnute ivice zrna ili okolnog

materijala, bez posebnog napada na sama zrna ili kristale, što dovodi do slabljenja međukristalnih veza i mehaničkih osobina materijala.

Metali sa izraženom interkristalnom korozijom gube svoj metalni zvuk prilikom snažnog udarca. Ako se metal savije na napadnutom mestu pojaviće se prskotine. Na sl. 5. dat je primer interkristalne korozije.

Sl. 5. Interkristalna korozija

Korozija pod naprezanjem javlja se kod opterećenih delova i može biti uzrok njihovog prskanja. Naprezanje može biti: statičko i dinamičko. Koroziju pod naprezanjem delimo na: naponsku koroziju i korozioni zamor.

Naponska korozija se javlja kao posledica kombinovanog dejstva statičkog naprezanja i korozije, koje dovodi do razaranja usled nastalih prslina u materijalu. Prsline obično teku upravno na pravac naprezanja, izazivajući interkristalno prskanje. Na sl. 6. dat je interkristalni napad izazvan naponskom korozijom, koji se razvio u lokalne prskotine.

Sl. 6. Interkristalni napad usled naponske korozije

Kada prsline teku kroz same kristale tada je prskanje transkristalno. Na sl. 7. prikazane su razgranate transkristalne pukotine nastale usled naponske korozije, koje su tipične za razaranje austenitnih nerđajućih čelika.

Sl. 7. Transkristalno prskanje austenitnog nerđajućeg

čelika usled naponske korozije Korozioni zamor se javlja kao posledica kombinovanog dejstva dinamičkog naprezanja i korozije.

Razaranje metala zbog zamora nastaje nakon velikog broja ciklusa pri dovoljno velikom opterećenju. Efekat cikličnih naprezanja intezivira koroziju i izaziva stvaranje dubokoh zareza, koji povećavaju oštećenja nastala zamorom. Procesi korozije i zamora se uzajamno ubrzavaju i nastavljaju sve dok ne dođe do loma usled korozionog zamora.

Sl. 8. i sl. 9. prikazuju tipična razaranja usled korozionog zamora. U oba slučaja postoje mnogobrojne duboke šupljine i veoma vidljive pukotive koje prolaze preko njih. Pukotine su normalne na pravac naprezanja. Prisustvo velikog broja pukotina je karakteristično za ovu vrstu korozije, zbog čega prelomna površina ima reckav izgled.

Sl. 8. Korozioni zamor (prirodna veličina)

Sl. 9. Korozioni zamor Korozija praćena erozijom izaziva izuzetno teška oštećenja, često lokalne prirode. Mnogi metali su

otporni na koroziju zahvaljujući zaštitnim slojevima oksida ili naslagama produkata korozije. Uklanjanjem ovih zaštitnih slojeva erozijom, metali korodiraju mnogo brže. Postoji više vrsta korozije izazvane erozijom, kao što su: eroziona korozija, udarni napad mlazom tečnosti, kavitaciona erozija i nagrizajuća korozija.

U rudarstvu korozija izazvana erozijom javlja se kod: pumpi, ventilatora, cevovoda za hidraulični transport rude i jalovine, kao i u mnogim drugim slučajevima.

Na sl. 10, 11, 12 i 13. dati su neki primeri erozione korozije.

34Sl. 10. Eroziona korozija livenog gvožđa

Sl. 11. Eroziona korozija izazvana udarnim napadom na disk od mesinga

Sl. 12. Kavitaciona erozija Sl. 13. Nagrizajuća korozija

Korozija na visokim temperaturama ima slične oblike kao i korozija na niskim temperaturama. Može da bude u obliku tačkica, površinske-ravnomerene korozije, selektivnog napada, prskanja ili erozije.

Najčešću vrstu korozije na visokim temperaturama predstavlja suva oksidacija. Produkti korozije ostaju na površini i njihova priroda u velikoj meri određuje dalji tok napada. Ako su porozni i ne prijanjaju korozija može da se nastavi i ubrza. Ako su neporozni i dobro prijanjaju mogu da pruže visok stepen zaštite. Na sl. 15. dat je presek korodiranog metala na visokim temperaturama.

Sl. 15. Korozija oksidacijom na visokim temperaturama

3. VRSTE KOROZIJE Zavisno od sredine u kojoj teče proces korozije, razlikuju se dve vrste korozije: hemijska korozija i

elektrohemijska korozija.

3.1. HEMIJSKA KOROZIJA Hemijska korozija nastaje u prisustvu agresivnih supstanci koje nisu elektroliti, kao što su: suvi gasovi i

tečnosti neelektroliti (benzin, nafta, ulje, smola i dr.). Agresivno dejstvo gasova (kiseonika, njegovih jedinjenja sa ugljenikom, sumpora i dr.) dovodi do stvaranja hemijskih jedinjenja, najčešće oksida u vidu tanke površinske skrame, kojom se prevlače metali (sa izuzetkom plemenitih metala Au, Ag, Pt). Čvrstoća oksidne skrame je različita kod različitih metala. Tako na primer, čvrstoća oksidne skrame gvožđa je neznatna, porozna je i sipka, lako se razara, zbog čega korozija gvožđa napreduje do potpunog uništenja. Međutim, kod aluminijuma, bakra, hroma i dr. oksidna skrama je dovoljno čvrsta i gusta te prestavlja zaštitu od dalje korozije. Čvrste oksidne skrame prestavljaju zaštitu i od elektrohemijske korozije, jer izoluju od dejstva elektrolita.

Čista hemijska korozija vrlo retko se javlja, jedino u slučajevima pojave oksidacije pri obradi metala na toplo.

Atmosferska korozija prestavlja kombinovanu hemijsku i elektrohemijsku koroziju.

3.2. ELEKTROHEMIJSKA KOROZIJA Elektrohemijska korozija se javlja u prisustvu nekog elektrolita i uvek je praćena električnom strujom,

zbog čega je poznata i kao elektrolitička korozija. Kao elektroliti mogu poslužiti: kiseline, baze, nihovi rastvori, soli rastvorene u vodi, gasovi rastvoreni u vodi itd.

Kod elektrohemijske korozije hemijska energija se pretvara u električnu energiju usled mnoštva mikro galvanskih elemenata, koji se stvaraju na površini metala u prisustvu elektrolita.

Ako se dva različita metala dovedu u kontakt, struja će teći kroz rastvor sa manje plemenitog (hemijski aktivnijeg) ka plemenitijem (hemijski manje aktivnom) metalu. Ova struja povećava koroziju anodnog člana sprega i pruža nešto zaštite katodi. Količina korozije anode naziva se galvanskom korozijom. Na sl. 99. dat je galvanski Cu-Zn element.

Sl. 99. Galvanski Cu-Zn element

Na sl. 16. shematski je prikazan proces elektrohemijske korozije usled stvaranja mikrogalvanskih elementa, u kojima čisto gvožđe predstavlja anodu, a elektrolit (npr. kapljica vode) katodu.

Sl. 16. Shema elektrohemijske korozije metala: 1)anodna zona; 2)katodna zona; 3)elektrolit (kapljica vode);

4)proizvod korozije (rđa) Pri rastvaranju metala u elektrolit prelaze samo pozitivno naelektrisani joni, usled čega se sloj

elektrolita uz metal pozitivno naelektrizira, a sam metal negativno na račun zaostalih elektrona. Metali imaju različite sposobnosti rastvaranja, pa njihovim uranjanjem u elektrolit imaju i različite

elektrodne potencijale. Najviši elektrodni potencijal imaju plemeniti metali Au, Ag, Pt, zbog čega su otporni na koroziju.

U tabeli 1. dati su potencijali pojedinih elemenata u poređenju sa vodonikom, čiji potencijal je uzet za 0. Tabela 1. Pregled potencijala nekih metala

Metal Potencijal Metal Potencijal Magnezijum -1,55 Olovo -0,127 Aluminijum -1,28 Vodonik 0,00 Mangan -1,10 Bakar +0,344 Cink -0,762 Srebro +0,80

35Gvožđe -0,439 Živa +0,86 Nikal -0,23 Zlato +1,50 Kalaj -0,136 Platina +1,80

Što neki metal ima nižu vrednost elektrodnog potencijala, to je hemijski aktivniji i više izložen gubljenu elektrona koji prelaze u rastvor, pa je tim više sklon koroziji. Zato član galvanskog sprega sa višim potencijalom čini katodu, a sa nižim potencijalom anodu.

Pri nastanku mikro galvanskih elemenata rastvara se materijal anode. Višak elektrona kreće se prema komponentama metala i spaja se sa kiseonikom rastvorenim u elektrolitu, gradeći jone hidroksida OH -:

O2 + 4e + 2H2O → 4OH- Kao sekundarna reakcija, posebno pri koroziji gvožđa, je reakcija katjona Fe2+ sa jonima OH- uz

stvaranje hidroksida nerastvorljivog u vodi: Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3 Vremenom hidroksid gvožđa pređe u jedinjenje tipa: n Fe2O3 . n H2O - u praksi poznato kao "rđa". Na brzinu korozije utiče sastav metala, primese i dodaci za legiranje, strukturne faze, mehanička i

termička obrada, radna sredina (vazduh, voda, kiseline, baze, soli) i dr.

4. ZAŠTITNE MERE OD KOROZIJE Veliki gubici i šteta koja nastaje zbog korozije mogu se smanjiti ili sprečiti primenom raznih sredstava i

postupaka zaštite. Metali i legure mogu se štititi od korozije na nekoliko načina: − nanošenjem metalnih prevlaka; − nanošenjem nemetalnih prevlaka; − hemijska zaštita; − elektrohemijska zaštita.

4.1. METALNE PREVLAKE Zaštita metala prevlačenjem drugim metalom daje vrlo dobre rezultate i vrlo je rasprostranjena. Metalne prevlake za zaštitu gvožđa i čelika mogu biti od: cinka, kalaja, hroma, bakra, aluminijuma,

olova itd. Nanose se na prethodno dobro očišćene površine nekim od postojećih postupaka: potapanjem u rastopljen metal, galvanskim, difuzionim i termomehaničkim postupkom, rasprašivanjem metala (metalizacijom), eloksiranjem itd.

Potapanje u rastopljeni metal je najjednostavniji postupak zaštite i sastoji se u nanošenju tankog sloja lako topljivih metala: kalaja (kalaisanje), cinka (cinkovanje), olova itd. U tu svrhu očišćeni i osušeni predmeti urone se u kotao sa rastopljenim metalom, koji prione na površine predmeta formirajući tanak zaštitni sloj. Na ovaj način se proizvode pocinkovani i kalaisani limovi, čelična žica, cevi, zavrtnjevi i dr.

Galvanski-elektrolitički postupak sastoji se u nanošenju cinka, kalaja, olova, bakra, nikla, hroma i drugih metala galvanskim putem. Postoji anodna i katodna zaštita.

Anodna zaštita izvodi se metalima čiji je potencijal u datom elektrolitu niži od potencijala osnovnog metala. Cink i aluminijum ophode se prema gvožđu kao anode, pa pri rastvaranju oni će otići u rastvor. Zbog toga cink nalazi veliku primenu za zaštitne prevlake gvozdenih predmeta, a aluminijum u prahu se koristi kao zaštitni premaz. Na sl. 18. pokazano je zaštitno dejstvo prevlake od cinka u slučaju gvozdenog lima.

Sl. 18. Zaštitno dejstvo prevlake od cinka na gvozdenom limu: 1)gvozdeni lim; 2)zaštitna prevlaka od Zn; 3) elektrolit-vlaga

Katodna zaštita izvodi se metalima čiji je potencijal u datom elektrolitu veći od potencijala osovnog metala. Bakar, nikal i kalaj ophode se prema gvožđu kao katode, pa ga mogu štititi samo u dovoljno debelim, kvalitetnim prevlakama. Narušavanje zaštite mehaničkim povredama prevlake ima za posledicu intezivnu elektrohemijsku koroziju osnovnog metala (gvožđa), koji ima niži elektrodni potencijal (sl. 19).

Sl. 19. Elektrohemijska korozija izazvana mehaničkim

povredama zaštitne prevlake Galvanski postupak izvodi se tako što se predmet koji se prevlači (npr. gvožđe) obesi kao katoda u

vodeni rastvor metala, kojim se želi prevući (npr. cinka). Propuštanjem struje kroz rastvor cink se istaloži na gvozdenom predmetu u debljini zavisno od trajanja postupka. Koristi se za presvlačenje čeličnih limova, zavrtnjeva i dr.

Difuzni način zaštite sastoji se u difuznom obogaćenju površinskog sloja zaštitnim metalom, pri visokim temperaturama (proces termohemijske obrade). U ovaj način zaštite spadaju: alatiranje, hromiranje, siliciranje itd.

36Termomehanički način zaštite (plakiranje) sastoji se u dobijanju bimetala (dvojnih metala),

putem zajedničkog valjanja na toplo osnovnog i zaštitnog metala. Na primer, čelik se može zaštititi sa bakrom, tompakom, aluminijumom itd.

Metalizovanje je postupak za nanošenje zaštitne metalne prevlake prskanjem rastopljenog, lako topljivog metala (olova, kalaja, cinka itd.) pomoću pištolja za metalizovanje. Lako topljivi metal u obliku žice prolazi kroz pištolj, topi se i kao sitne kapljice izbacuje na površinu koja se zaštićuje. Prednost ovog postupka je što se može upotrebiti kod krupnih i teških predmeta, koji se ne mogu zaštititi potapanjem, kao i za već montirane konstrukcije. Na sl. 20. dat je postupak izrade metalne prevlake metalizovanjem.

Sl. 20. Metalizovanje: 1)pištolj; 2)metalni predmet; 3)kabal za električnu struju; 4) žica od lako topljivog materijala za rasprašivanje

Eloksiranje (eloksal postupak) se odnosi na zaštitu aluminijuma i njegovih legura. Zaštitna prevlaka je od oksida aluminijuma i nanosi se galvanskim putem. Tako dobijena zaštitna prevlaka je vrlo otporna prema koroziji, a uz to je i dobro elektro izolaciono sredstvo.

4.2. NEMETALNE PREVLAKE I OBLOGE Zaštita nemetalnim prevlakama sastoji se u premazivanju površina: bojama, mastima i uljima,

lakovima, sintetičkim smolama, katranom, bitumenom, kao i emajlima. Ulja i masti služe kao privremena zaštita gvozdenih i drugih delova za vreme transporta i na stovarištu.

U ovu svrhu služe samo mineralna ulja i masti (vazelini), jer biljna ulja i životinjske masti oksidacijom delimično se razlažu u masne kiseline, koje nagrizaju metalne delove.

Uljane boje služe kao stalne zaštitne prevlake, koje se nanose četkom ili prskanjem. Osnovna prevlaka sastoji se od firnisa (prekuvanog lanenog ulja) i materijala koji dobro pokriva (minijum, gvozdeni minijum, grafit). Po sušenju osnovne prevlake dolazi završna prevlaka od firnisa i boje otporne prema vremenskim uticajima (cinkova siva, cinkova bela i dr.).

Sintetičke smole našle su u novije vreme primenu kao zaštitne prevlake, npr. melamino-formaldehidske smole i dr.

Katran (ter) i bitumen pogodni su za zaštitu gvozdenih predmeta u stalnoj vlazi (rezervoari, cevi i dr.). Obično se nanose rastvoreni u benzinu ili benzolu, tako da po isparavanju rastvarača ostavljaju zaštitnu prevlaku.

Lakiranje proizvoda se vrlo često koristi kao mera zaštite od korozije. Nedostatak zaštite lakiranjem je krtost laka i njegovo razaranje na višim temperaturama.

4.3. HEMIJSKA ZAŠTITA Hemijska zaštita metala od korozije sastoji se u tome, što se na površini metala veštački (procesima

oksidacije) stvaraju zaštitne oksidne skrame (npr. Al2O3). Najrasprostranjeniji način oksidiranja je potapanje metala u rastvor azotnih soli. Nakon oksidiranja, radi

povećanja antikorozivnosti, zaštićeni delovi se premazuju mastima ili uljima koja popunjavaju pore u oksidnoj skrami i sprečavaju prodiranje vlage u metal.

4.4. ELEKTROHEMIJSKA ZAŠTITA Elektrohemijska zaštita deli se na: protektornu i katodnu zaštitu. Protektorna zaštita sastoji se u pričvršćenju protektora na zaštitnoj površini (sl. 21). Protektori su od

metala koji ima niži potencijal od osnovnog metala. Pri ovoj zaštiti stvara se galvanski par, tj. protektor je anoda (-), a zaštićeni materijal katoda (+). U takvim uslovima protektor će postepeno da se razara, štiteći time osnovni metal. Nakon razaranja protektor se zamenjuje. Npr. cinkovim protektorom zaštićuju se podvodni delovi brodova, bojleri itd. Veličina protektora je oko 5% od površine koja se zaštićuje.

Sl. 21. Protektorna zaštita cinkovim protektorom

Katodna zaštita primenjuje se kod podzemne elektrohemijske korozije zakopanih gvozdenih (čeličnih) cevi, rezervoara itd. U tu svrhu gvozdeni predmet koristi se kao katoda, a manje plemenit predmet, npr. cink, kao anoda. Ovo se izvodi tako što se podzemni gvozdeni predmet (objekt) spoji sa trakom od cinka, čime se postiže da se pri elektrohemijskom korozivnom procesu troši cink umesto gvožđa, zbog čega se cink mora povremeno obnavljati.