26
9 PODELA ČELIKA Čelici predstavljaju danas najbrojniju i najčće korišćenu grupu metala. Razne vrste čelika najviše se upotrebljavaju u mašinskoj industriji, gradjevinarstvu, poljo- privrednoj mehanizaciji, rudarstvu, hemiji i energetici. Danas je u svetu poznato nekoliko hiljada raznih vrsta čelika dobijenih odgova- rajućom kombinacijom sadržaja ugljenika i legirajućih elemenata najrazličitijih osobina. Čitav niz tih čelika ima slične ili iste osobine, a nova oznaka često se daje da bi se koristile domaće sirovine ili izbegla patentna zaštita, uz veoma male promene hemijskog sastava. Da bi se olakšalo snalaženje pri izboru čelika svaka država da- nas je standardizovala glavne grupe, a teži se stvaranju zajedničkih standarda za grupu zemalja. Medjunarodni standardi olakšavaju razmenu robe, tako da se može očekivati da objedinjavanje standarda bude brzo nastavljeno. Broj standardizovanih čelika se sa razvojem tehnike i tehnologije stalno menja. U standarde se unose nove grupe, stari tipovi nestaju ili se zamenjuju čelicima sa boljim osobinama. Ali se pri uvodjenju novih čelika ipak teži da se previše ne širi asortiman, jer preveliki broj oznaka otežava orijentaciju korisniku, povećava troš- kove skladištenja i dovodi do malih proizvodnih serija koje ne mogu biti rentabil- ne. Kao što je već spomenuto, čelici se proizvode u Martenovim pećima, konverto- rima i posebno kvalitetne vrste u elektro pećima. Klasifikacija čelika može biti zasnovana na različitim kriterijumima koji se mogu svesti na: a) podelu prema hemijskom sastavu: ugljenični, legirani, mikrolegirani 1 i b) podelu prema nameni: konstrukcioni, alatni i čelici posebnih fizičkih ili hemij- skih osobina. Kod ugljeničnih čelika na korisne osobine presudno utiče sadržaj ugljenika, a kod legiranih čelika legirajući elementi. Da bi se dati element smatrao legirajućim, 1 Ovi su čelici kako po performansama, tako i po ceni izmedju ugljeničnih i legiranih čelika.

PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

  • Upload
    others

  • View
    23

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

9 PODELA ČELIKA

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

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

Čitav niz tih čelika ima slične ili iste osobine, a nova oznaka često se daje da bi se koristile domaće sirovine ili izbegla patentna zaštita, uz veoma male promene hemijskog sastava. Da bi se olakšalo snalaženje pri izboru čelika svaka država da-nas je standardizovala glavne grupe, a teži se stvaranju zajedničkih standarda za grupu zemalja. Medjunarodni standardi olakšavaju razmenu robe, tako da se može očekivati da objedinjavanje standarda bude brzo nastavljeno.

Broj standardizovanih čelika se sa razvojem tehnike i tehnologije stalno menja. U standarde se unose nove grupe, stari tipovi nestaju ili se zamenjuju čelicima sa boljim osobinama. Ali se pri uvodjenju novih čelika ipak teži da se previše ne širi asortiman, jer preveliki broj oznaka otežava orijentaciju korisniku, povećava troš-kove skladištenja i dovodi do malih proizvodnih serija koje ne mogu biti rentabil-ne. Kao što je već spomenuto, čelici se proizvode u Martenovim pećima, konverto-rima i posebno kvalitetne vrste u elektro pećima.

Klasifikacija čelika može biti zasnovana na različitim kriterijumima koji se mogu svesti na: a) podelu prema hemijskom sastavu: ugljenični, legirani, mikrolegirani1 i b) podelu prema nameni: konstrukcioni, alatni i čelici posebnih fizičkih ili hemij-

skih osobina. Kod ugljeničnih čelika na korisne osobine presudno utiče sadržaj ugljenika, a

kod legiranih čelika legirajući elementi. Da bi se dati element smatrao legirajućim,

1 Ovi su čelici kako po performansama, tako i po ceni izmedju ugljeničnih i legiranih čelika.

Page 2: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Mašinski materijali

220

a ne primesom potrebno je da njegov sadržaj u čeliku bude iznad odredjene količi-ne; npr. više od 0.60% Si, 0.80% Mn, 0.30% Cr,..., što je definisano standardom.

9.1 Označavanje čelika

Prema našem standardu oznaka čelika sadrži: • slovni simbol Č - za čelik, ČL - za čelični liv, • osnovnu oznaku od četiri (ili pet) brojnih simbola i • dopunsku oznaku za stanje čelika (često se izostavlja).

Osnovna oznaka, pre svega, razlikuje se za: • čelike sa negarantovanim hemijskim sastavom i • čelike sa garantovanim hemijskim sastavom.

U čelike sa negarantovanim hemijskim sastavom spadaju ugljenični (nelegira-ni)1 čelici trgovačkog kvaliteta (Č0000) i ugljenični čelici propisanih mehaničkih osobina (ponekad se ograničava i sadržaj nečistoća P i S). Kod ugljeničnih čelika propisanih mehaničkih osobina, brojni simbol na prvom mestu je nula, a na drugom broj koji označava minimalnu jačinu na kidanje (zateznu čvrstoću) prema standar-dnoj tablici. Takodje se dalji simboli na trećem, četvrtom (ponekad i petom) mestu odnose na pripadnost čelika odredjenoj grupi i daju se u odgovarajućim tablicama.

Tako npr. oznaka Č0370 pokazuje da je reč o čeliku sa garantovanim mehanič-kim osobinama (0), nazivne jačine na kidanje Rm = 360-380 MPa, (3) i ograniče-nog sadržaja P i S, (70).

U čelike sa garantovanim hemijskim sastavom ubrajaju se ugljenični i legi-rani čelici. Simbol na prvom mestu dat je prema donjoj tablici za najuticajniji legi-rajući element (proizvod faktora vrednosti i % legirajućeg elementa).

Leg. element C Si Mn Cr Ni W Mo V ostali Brojni simbol 1 2 2 4 5 6 7 8 9

Kod ugljeničnih čelika na prvom mestu je 1, a na drugom mestu desetostruka vrednost maksimalnog sadržaja ugljenika (zaokruženo na desetine). U osnovnoj oznaci za legirane čelike na prvo mesto dolazi brojni simbol najuticajnijeg elemen-ta, a na drugo mesto dolazi simbol sledećeg elementa po rangu uticaja.

Dalji brojni simboli (treći i četvrti) odnose se na redni broj čelika prema sta-ndardnom utvrdjenom redosledu. Tako se na primer iz oznake Č4732 može zaklju-čiti da je reč o čeliku legiranom sa Cr (4) i Mo (7) i da čelik ima redni broj 32 (na-menjen za poboljšanje).

Treba istaći da se detaljniji podaci o karakteristikama odredjenih vrsta čelika mogu naći u odgovarajućim standardima i katalozima proizvodjača; tu se uglav- 1 Danas se često koristi termin nelegirani umesto ugljenični čelik.

Page 3: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Podela čelika

221

nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost, način prerade i primeri primene. U novijim listama proizvodjača materijala daju se i temperature prekristalizacije, krive popuštanja, dijagrami ARA ili IRA i neke termo-fizičke osobine. Kod čelika za posebne primene daju se još i neke specifične osobine (npr. granica puzanja i sl.).

Dopunska oznaka odnosi se isključivo na stanje isporuke čeličnih poluproizvo-da, uglavnom prema vrsti primenjene termičke obrade. Dva brojna simbola upisuju se kad je reč o dve vrste obrade izvedene jedna za drugom na odgovarajućim žele-zarskim poluproizvodima (npr. konačno stanje vučeno + žareno označava se sa 51).

Odgovarajući simboli dopunskih oznaka stanja isporuke valjanih i vučenih če-lika dati su niže:

0 - u prirodnom stanju, bez odredjene termičke obrade, 1 - žareno, 2 - žareno na najbolju obradljivost, 3 - normalizovano, 4 - poboljšano, 5 - hladno deformisano i 6 - prema posebnim uputstvima. Pošto svi nelegirani čelici sadrže osim osnovnih sastojaka (C, Si, Mn) i nečis-

toće (P i S), kao i manje količine elemenata koji u čelik prelaze bilo iz rude ili pri pretapanju starog gvoždja, u standarde se uvode granice iznad koje se elementi smatraju za legirajuće. Prema standardu JUS C.B0.002 za legirajuće elemente sma-traju se oni elementi čiji je sadržaj u čeliku veći od:

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

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

Ako je sadržaj nekog elementa niži od navedenog u tablici, onda se on smatra za primesu. Uzmimo npr. čelik sa 0.30% C, 0.40% Si, 0.60% Mn, 0.20% Cr, za ko-ji možemo zaključiti da je reč o nelegiranom čeliku, u kome su Si i Mn dezoksida-tori, a Cr se smatra za primesu.

Na kraju treba primetiti da se normirani granični sadržaji legirajućih elemenata unekoliko razlikuju u standardima raznih zemalja. Tako se npr. u češkom standardu (ČN) daje: Mn > 0.90%, Si > 0.50%, Ni > 0.50% itd., a u AISI1 - standardima Mn > 1.65%, Si > 0.60%, Cu > 0.60% itd.

1 AISI - American Iron and Steel Institute (USA).

Page 4: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Mašinski materijali

222

9.2 Uticaj legirajućih elemenata u čelicima

Ugljenični čelici ne mogu ispuniti sve konstrukcione zahteve, kojima se često traži ne samo visoki napon tečenja već takodje i dobra žilavost, odredjena dinamička izdržljivost, granica puzanja ili odredjene osobine na niskim ili visokim temperatu-rama. Pored ovih osnovnih mehaničkih osobina moraju ponekad odredjeni delovi imati i posebne osobine, kao korozionu otpornost, termo-postojanost i sl., koje se mogu dobiti samo dodavanjem drugih elementa, tj. legiranjem. Konstrukcioni legira-ni čelici uvek su skuplji od ugljeničnih i zato ih treba primenjivati u poboljšanom stanju kada imaju najveći odnos Rp/Rm kao i maksimalnu žilavost, pa se tako najbolje koriste dodatni elementi. Ponekad se, naprotiv ne traže visoke mehaničke osobine, već se npr. zahteva samo dovoljna otpornost protiv korozije. U tom slučaju bi bilo neekonomično praviti debele limove od skupih visokolegiranih čelika; bolje je pri-meniti tzv. platiranje-postupak kojim se na meki nelegirani čelik privaruje tanji lim od nerdjajućeg čelika. Dodirne površine oba lima medjusobno se spajaju postupkom zavarivanja eksplozijom, čime se dobija dovoljno kompaktan spoj. Takodje se dvos-lojne (bimetalne) cevi i ležišne čaure izradjuju postupkom centrifugalnog livenja.

Svaki element kojim se legira čelik, menja njegove osobine zavisno od toga u kom je obliku prisutan u strukturi, tj. da li je potpuno ili samo delimično rastvoren u osnovnoj metalnoj masi (u feritu ili austenitu), da li je vezan sa ugljenikom kao karbid, sa azotom kao nitrid i sl. Značajno je i povećanje prokaljivosti koje se pos-tiže legiranjem, gotovo svim dodatnim elementima. Što se tiče ugljenika, on je u čeliku neophodan jer daje gvoždju potrebnu tvrdoću i moć kaljenja. Gvoždje koje sadrži ispod 0.10% C nema ni jednu od ovih osobina; ono je meko i ne može se ka-liti. Ovo se odnosi i na ugljenične i na legirane čelike.

Ako se čelik legira silicijumom, dolazi do porasta granice elastičnosti, pa se ovi čelici upotrebljavaju za lisnate, zavojne i torzione opruge.

Čelik sa oko 1% Mn i 0.50% Si ima odlične magnetne karakteristike te se kori-sti za izradu jezgra elektromagneta.

Manganski čelik (Hadfield) sa 12-14% Mn je veoma otporan na habanje pa se upotrebljava za lance gusenica na tenkovima, za čeljusti bagera, za železničke i tramvajske skretnice, za raonike plugova i sl..

Hrom u iznosu od 12% skokovito menja elektro-potencijal čelika od negativ-nog u pozitivan, i time ga čini nerdjajućim. U kombinaciji sa niklom dobija se poz-nati austenitni nerdjajući čelik 18Cr8Ni (Č4571).

Nikal dodat čeliku do 5% povećava jačinu i naročito žilavost na sniženim tem-peraturama. Od čelika legiranih niklom i hromom izradjuju se zupčanici za menja-če i diferencijale motornih vozila. Legura koja sadrži 40% Ni, 49% Cu i 1% Mn pri zagrevanju se izdužuje isto kao staklo. Zato se od nje prave tanke žice upresovane u staklo električnih sijalica, da bi sprovele struju do volframskog vlakna.

Čelici legirani volframom (do 18% W) namenjeni su za izradu alata za mašin-sku obradu metala. Volframski čelik zadržava dobre osobine, čak i kad se usled ve-

Page 5: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Podela čelika

223

like brzine rezanja zagreje do crvenog usijanja (oko 750°C). Pored volframa alatni čelici mogu biti legirani i sa Mo, V, Co , Ti, Cr.

9.2.1 Uticaj legirajućih elemenata na osnovnu metalnu masu

Svi legirajući elementi utiču u većoj ili manjoj meri na temperaturu prekristali-zacije čelika, a time i na veličinu oblasti gama i alfa. Za termičku obradu uglavnom je važan njihov uticaj na oblast gama. U tom smislu legirajući elementi mogu se podeliti na četiri grupe: a) elemente koji potpuno otvaraju oblast gama, b) elemente koji proširuju oblast gama, c) elementi koji potpuno zatvaraju oblast gama i d) elementi koji sužavaju oblast gama.

a) Elementi koji potpuno otvaraju oblast gama

Neki elementi proširuju u binarnom ravnotežnom dijagramu Fe-M1 oblast faze γ, tako da pri odredjenoj koncentraciji M, ta se faza zadržava od solidus temperatu-re pa do sobne. Primer takvog binarnog dijagrama (Fe-Mn) dat je na slici 9.1 i na slici 5.11.

Sve do koncentracije elementa M date tačkom C1, biće moguća potpuna prekri-stalizacija γ→α; pri sadržaju izmedju C1 i C2 odvijaće se samo delimična prekrista-lizacija. Ako povećamo sadržaj legirajućeg elementa iznad C2, legure Fe-M imaće i pri sobnoj temperaturi samo fazu gama. Pri zagrevanju (odnosno hladjenju) ne od-vijaju se kod ovih legura fazne promene u čvrstom stanju. Dijagram potpuno otvo-rene γ - oblasti obrazuju sa gvoždjem elementi, čiji su poluprečnici atoma bliski poluprečniku atoma gvoždja i čija je kristalna rešetka slična fazi γ. Od tehnički značajnih legirajućih elemenata spadaju u ovu grupu nikal i mangan (Ni ima povr-šinski centriranu rešetku sličnu kao γ-Fe). Elementi koji potpuno otvaraju γ - oblast nazivaju se austenitotvorni ili γ-geni.

b) Elementi koji proširuju oblast gama

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

1 M-uopšteno označava legirajući element.

Page 6: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Mašinski materijali

224

c) Elementi koji potpuno zatvaraju oblast gama

Ako se povećava sadržaj legirajućih elemenata koji podižu temperaturu pre-kristalizacije, zatvara se oblast gama kako je shematski prikazano na slici 9.2.

Pri zagrevanju legura koje imaju nižu koncentraciju legirajućeg elementa M nego što daje tačka C1, prekristalisaće se potpuno pri zagrevanju faza α u fazu γ, što znači da je ove legure moguće termički obradjivati. Legure koncentracije izme-dju C1 i C2 prekristalisaće se pri zagrevanju samo delimično. Posle zagrevanja do oblasti α+γ i brzog hladjenja do sobne temperature prekristalisaće samo faza gama. Pri povećanju sadržaja legirajućeg elementa iznad koncentracije C2 ostaće zadržana faza α u celom opsegu temperatura izmedju solidusa i sobne temperature. Legure ne podležu prekristalizaciji, ni pri hladjenju ni pri zagrevanju, te će na svim tempe-raturama struktura biti feritna. Pošto taj ferit nastaje iz rastopa pri očvršćivanju, oz-načava se kao δ- ferit, da bi se razlikovao od ferita, koji se obrazuje pri hladjenju prekristalizacijom faze gama. Ponekad se naziva prema elementu koji je u feritu ra-stvoren (npr. hromov ferit). U feritotvorne elemente koji potpuno zatvaraju oblast γ spadaju hrom (hrom ima prostorno centriranu kubnu rešetku kao α-ferit), molibden, vanadijum, volfram, silicijum, aluminijum, fosfor i titan.

d) Elementi koji sužavaju oblast gama

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

Rastop (R)

γ

δ + γ

δ

R + δ

α α + γ

R + γ

Tem

pera

tura

, °C

Legirajući element M, maseni %

C1 C2

Tem

pera

tura

, °C

Legirajući element M, maseni %

α

Rastop (R)

γ

C2C1

R + α

γ + α

Slika 9.1 Ravnotežni binarni dijagram Slika 9.2 Ravnotežni binarni dijagram sa otvorenom oblašću gama sa zatvorenom oblašću gama

Page 7: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Podela čelika

225

Pregled legirajućih elemenata i karbida u čelicima

Isti uticaj kao i u binarnim legurama Fe-M imaju legirajući elementi i u čelici-ma. Sa porastom sadržaja austenitotvornih elemenata kod čelika opadaće tempera-tura prekristalizacije. Sniženje ne utiče samo na veličinu oblasti gama, već takodje i na osobine čelika pošto temperatura transformacije odredjuje npr. grubost perlitnih lamela, a time i mehaničke osobine. Ako se temperatura prekristalizacije dovoljno snizi, može biti difuziona promena potpuno potisnuta i austenit će prekristalisati i pri sporom hladjenju mehanizmom klizanja (tj. bezdifuziono) u martenzit. Ako se poveća sadržaj austenitotvornih elemenata iznad odredjene granice, ostaće zadrža-na austenitna struktura i na sobnoj temperaturi. Dodavanjem legirajućih elemenata tako dobijamo čelike koji imaju i pri sobnoj temperaturi austenitnu strukturu, tzv. austenitne čelike. Ovi čelici nisu magnetični, imaju nisku granicu tečenja i malu tvrdoću, ali visoku istegljivost i žilavost.

Sa povećanjem količine feritotvornih elemenata oblast gama će se sužavati, ta-ko da pri odredjenom sadržaju legirajućih elemenata ostaje zadržan δ- ferit i pri sobnoj temperaturi. Čelici će imati feritnu strukturu prema kojoj se nazivaju feritni nerdjajući čelici sa 12-30% Cr i veoma niskim sadržajem ugljenika (Č4170). Prisu-stvo karbida umanjuje korozionu otpornost.

Odredjena klasa čelika sadrži kako γ- gene (Ni, Mn, Cu) tako i α- gene elemen-te (Cr, Mo, Si, Nb,...), pa je procena njihove strukture na sobnoj temperaturi bila nemoguća bez metalografskih i drugih ispitivanja. Na bazi rezultata tih ispitivanja, američki metalurg Šefler konstruisao je dijagram (sl. 9.3) koji ima višestruku na-menu.

Austenit

Austenit + martenzit

Martenzit

E

A

D

CO'

O

NBFerit + martenzit

Austenit + ferit

Martenzit + ferit

Ferit

Austenit + martenzit + ferit

0% δ

5% δ

10% δ

20% δ

100% δ

0 5 10 15 20 25 30 35 400

5

10

15

20

25

30

Ekvivalent hroma, %

Ekvi

vale

nt n

ikla

, %

P

Slika 9.3 Šeflerov dijagram

Page 8: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Mašinski materijali

226

Za odredjivanje strukture najpre treba izračunati tzv. ekvivalente (Ni) i (Cr): ( ) 30 0.5Ni Ni C Mn= + + ; ( ) 1.5 0.5Cr Cr Mo Si Nb= + + + i zatim te vrednosti une-ti u Šeflerov dijagram. Odatle se može očitati struktura: martenzitna (M), austenit-na (A), feritna (F) ili njihove kombinacije.

Legirajući sastojci se prema uticaju na strukturu čelika dele na dve osnovne grupe: austenitizatore (Ni, Mn, Cu, C i N), i feritizatore (Cr, Mo, W, Si, V, Ta, Al, Ti i Nb), ili γ- gene i α- gene elemente.

Nikal rastvoren u feritu povećava jačinu i žilavost uz održavanje visoke plasti-čnosti. Delovanje nikla kao austenitizatora zavisi u velikoj meri od sadržaja hroma u čeliku. Legirani čelici tipa Cr-Ni sa sadržajem Ni iznad 8% pri odnosu Cr/Ni<1.8/1 imaju čisto austenitnu strukturu. Nikal je sastojak otporan prema oksi-daciji, a legure koje sadrže 30-40% Ni oksidišu se približno istom brzinom kao i čisti elementi. Nikal u čeliku deluje kao grafitizator (razlaže cementit), pa čelici bogati niklom treba da sadrže što manje ugljenika.

Mangan se supstitucijski rastvara u feritu doprinoseći porastu svojstava otpor-nosti čelika. U ugljeničnim i niskolegiranim čelicima povećava otpornost zavarenih spojeva prema prslinama na toplo jer obrazuje stabilan sulfid mangana (MnS) vi-soke temperature topljenja (≈ 1620ºC) i time smanjuje količinu štetne niskotopljive eutektike Fe-FeS. Povećanjem sadržaja mangana u gore navedenim čelicima do 1.5% rastu jačina i žilavost uz održanje dobre plastičnosti. Pri sporom hladjenju le-gura Fe-C-Mn, zavisno od sadržaja Mn i C mogu se dobiti sledeće strukture: perli-tna, perlitno-martenzitna, martenzitno-austenitna i austenitna. Praktično se upotre-bljavaju samo perlitni i austenitni manganski čelici, dok su ostale strukture nepo-godne za obradu deformisanjem i mašinsku obradu. Najpoznatiji austenitni man-ganski čelik (~ 13% Mn, 1% C) sklon je ka pregrevanju, tj. naglom porastu metal-nih zrna na višim temperaturama. Ovaj čelik, železare isporučuju u livenom stanju ili kao valjane i kovane delove. Mala plastičnost austenitnih (Mn) čelika može se povećati termičkom obradom, koja se sastoji iz zagrevanja do oko 1000ºC, progre-vanja i naglog hladjenja u vodi. Ovaj postupak termičke obrade zove se gašenje i izvodi se samo kod austenitnih čelika.

Bakar, u količinama koje se obično sreću u konstrukcionim čelicima (oko 0.5%), povećava napon tečenja i jačinu (ReH i Rm), ne pogoršavajući bitnije osobine plastičnosti i zavarljivosti. Povećava takodje otpornost prema atmosferskoj korozi-ji.

Ugljenik najviše utiče na strukturu i osobine čelika. Povećava jačinu, tvrdoću, otpornost na habanje, prokaljivost, a snižava svojstva plastičnosti i žilavost, uz po-goršanje zavarljivosti. Ugljenični i niskolegirani čelici sa C > (0.2-0.25)% smatraju se uslovno zavarljivim. U legiranim čelicima ugljenik gradi karbide koji se izdvaja-ju po granicama zrna, što u austenitnim Cr-Ni čelicima stvara uslove za medjukris-talnu koroziju. U cilju sprečavanja te nepovoljne pojave, dodaju se nerdjajućim Cr-Ni čelicima hemijski elementi Ti i Nb koji deluju kao stabilizatori. U stvari, oni ve-zuju ugljenik gradeći stabilne karbide (npr. TiC, NbC) i time sprečavaju formiranje karbida hroma, tj. onemogućavaju osiromašenje čvrstog rastvora hromom. Drugo

Page 9: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Podela čelika

227

rešenje je proizvodnja Cr-Ni čelika sa veoma niskim sadržajem ugljenika (ispod 0.03%) ali time se pogoršava termo-postojanost. Ustanovljeno je da porast sadržaja C i N u čeliku (u dopuštenim granicama) doprinosi održavanju svojstava otpornosti na visokim temperaturama, tj. termo-postojanosti.

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

Hrom se u niskougljeničnim čelicima obično nalazi u količinama do 0.3%, u legiranim čelicima 0.7-3.5%, u hromovim čelicima 12-18% i u hrom-niklovim če-licima 9-35%. Povišen sadržaj hroma u ugljeničnim i niskolegiranim čelicima po-goršava njihovu zavarljivost na račun poboljšanja prokaljivosti. Povećava vatroot-pornost austenitnih čelika u oksidacionim uslovima ali deluje manje efikasno, nego npr. molibden ili vanadijum. Pri sadržaju hroma iznad 12% čelik je veoma otporan prema koroziji. Daljim povećanjem sadržaja hroma raste jačina i otpornost čelika prema koroziji, ali pri Cr > 20% vidno opada plastičnost. Hrom obrazuje veoma stabilne karbide Cr23C6, Cr7C3 i Cr3C2, koji se u čeliku mogu nalaziti u slobodnom stanju ili povezani sa Fe3C. Ako čelik sadrži više ugljenika nego što je potrebno za obrazovanje perlita, to nastaju uslovi povoljni za pojavu slobodnih karbida hroma, koji se izdvajaju po granicama zrna, što može izazvati medjukristalnu koroziju. Kritična temperatura izdvajanja karbida iznosi 500-800ºC. Hrom izaziva povećanje kritične temperature AC1, što dovodi do toga da brzina rastvaranja karbida u auste-nitu bude znatno manja od brzine rastvaranja Fe3C u ugljeničnim čelicima. Zbog toga je pri kaljenju Cr-čelika potrebna viša temperatura i duže vreme progrevanja. Legure Fe-Cr-C po očvršćivanju mogu imati sledeće strukture: podeutektoidnu, nadeutektoidnu, ledeburitnu i feritno-karbidnu. Praktičnu primenu imaju legure svih struktura. Sa porastom sadržaja hroma smanjuje se termička provodnost što zahteva predostrožnost pri zagrevanju čelika, npr. pri preradi na toplo, termičkoj obradi ili zavarivanju.

Molibden se u konstrukcionim čelicima nalazi u granicama od 0.2-0.5%. Iza-ziva usitnjavanje zrna i dovodi do povećanja žilavosti (pri visokim temperaturama) i prokaljivosti. Sa povećanjem sadržaja Mo raste i jačina i napon tečenja, dok izdu-ženje i kontrakcija opadaju pri Mo > 2.3%.

Volfram daje čeliku sitnozrnastu gradju na račun obrazovanja teško rastvorlji-vih karbida. Prokaljivost se povećava relativno malo, a zavarljivost pogoršava zbog velike krtosti zavarenog spoja, posebno kod čelika sa većim sadržajem ugljenika. Volfram donekle povećava opštu korozionu otpornost kao i otpornost prema me-djukristalnoj koroziji austenitnih čelika. Doprinosi formiranju σ- faze u hrom-nikl čelicima. U austenitnim čelicima koji sadrže male količine ugljenika (ispod 0.15%) dodatkom volframa do 3% ne pogoršava se zavarljivost. Legure Fe-W-C po oč-vršćivanju i hladjenju imaju strukture: podeutektoidnu, nadeutektoidnu, ledeburitnu i feritnu. Praktičnu primenu imaju sve strukture i ubrajaju se u čelike. Sa poveća-

Page 10: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Mašinski materijali

228

njem sadržaja W, opada termička provodnost, povećava se gustina (samo do W = 7.6%) i električni otpor.

Silicijum, koji se supstitucijski rastvara u feritu povećava njegovu jačinu i na-ročito granicu elastičnosti, i s te tačke gledišta jeste poželjan legirajući sastojak kod čelika za opruge. U visoko legiranim čelicima silicijum sprečava oksidaciju hroma. Većina austenitnih čelika sadrži do 1% Si. U čelicima tipa 18Cr8Ni, silicijum dop-rinosi obrazovanju ferita i dovodi do ojačanja i povećanja otpornosti prema medju-kristalnoj koroziji. Silicijum ne podleže segregaciji i otežava segregaciju nekih sas-tojaka, kao sumpora i fosfora. Legure Fe-Si-C po očvršćivanju imaju sledeće struk-ture: feritnu, podeutektoidnu, nadeutektoidnu i ledeburitnu. Praktičnu primenu na-laze prve tri strukture, a legura četvrte strukture ubraja se u livena gvoždja. Pri ve-ćem sadržaju ugljenika i silicijuma (C > 0.8% i Si > 0.8%) cementit pod uticajem silicijuma pokazuje povećanu sklonost ka grafitizaciji. Ovo isključuje izradu alat-nih čelika sa istovremeno povećanim sadržajem C i Si.

Vanadijum se u specijalnim čelicima nalazi u granicama 0.2-0.85%, a u čeli-cima za rad na toplo 1-1.5%. On otežava zavarivanje čelika usled povećanja proka-ljivosti. Smanjuje osetljivost čelika ka pregrevanju - karbidi vanadijuma koče po-rast zrna.

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

Aluminijum pokazuje veću sklonost ka obrazovanju nitrida - smanjujući na taj način osetljivost čelika na proces starenja. Dodatak aluminijuma u količini 0.02-0.2% utiče na veličinu zrna prvobitnog austenita zahvaljujući kočionom delovanju nitrida aluminijuma i Al2O3. U malim količinama aluminijum ne samo što koči po-rast zrna, već takodje smanjuje sklonost ka zakaljivanju prelazne zone. Čelici sa sadržajem aluminijuma iznad 1% su teško zavarljivi. Dodatak aluminijuma nerdja-jućim čelicima povećava otpornost na oksidaciju.

Titan je legirajući element najvećeg afiniteta prema ugljeniku, pa se stoga čes-to primenjuje kao stabilizator u čelicima otpornim prema kiselinama, u cilju vezi-vanja ugljenika i sprečavanja da nastane karbid hroma. Ako odnos sadržaja titana prema ugljeniku u čeliku ispunjava standardne zahteve onda će takav čelik biti ne-osetljiv prema medjukristalnoj koroziji. Obrazuje se takodje nitrid titana nerastvor-ljiv u čvrstom stanju, koji deluje kao centar kristalizacije pri faznim promenama u čvrstom stanju. Titan povećava otpornost zavara prema prslinama na toplo.

Niobijum pokazuje veliku sklonost ka ugljeniku i obrazuje karbid NbC. Često se primenjuje u mikrolegiranim čelicima u količini do 0.05%. Njegov koristan uti-caj na osobine čelika zasniva se pre svega na kočenju procesa segregacije. Takodje, hromni feritni čelici koji sadrže niobijum manje su osetljivi prema prslinama na to-plo. Sužava austenitno područje, smanjuje prokaljivost i poboljšava zavarljivost.

Bor je element koji obrazuje karbide i veoma povećava prokaljivost čelika ako se doda u malim količinama. Pri većim sadržajima bora prokaljivost čelika opada i

Page 11: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Podela čelika

229

nastaje krta grubozrnasta struktura. Obično se dodaje čelicima u malim količinama - oko 0.003%. Prema literaturnim podacima bor proširuje područje γ gvoždja. U austenitnim hrom-nikl čelicima mikrododaci bora povećavaju termo-postojanost što je povezano sa ojačanjem granica zrna.

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

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

Karbidi u metalnoj osnovi i njihov značaj

Najveći broj legirajućih elemenata u čeliku i livenom gvoždju hemijski se jedi-ni sa ugljenikom obrazujući intersticijalne faze ili složene strukture uobičajeno zvane karbidima.

Esperimentalno je utvrdjeno da u čelicima obrazuju karbide samo oni elementi čiji je podsloj d1 manje posednut elektronima nego gvoždje. Što element ima manji broj elektrona u podsloju d, tim je sklonost ka obrazovanju karbida veća i karbid je pri tome stabilniji. U tablici 9.1 dati su: atomski brojevi, energetsko stanje, atomski radijusi važnijih karbidotvornih elemenata, kao i odnosi atomskog radijusa ugljeni-ka i odgovarajućeg elementa. Tablica 9.1 Atomski brojevi, energetsko stanje i veličine atomskih radijusa u nm važnijih karbidotvornih elemenata, i odnos rC/rM = 0.071/rM

Ti 22 3d24s2

0.147/0.48

V 23 3d34s2

0.132/0.54

Cr 24 3d54s1

0.125/0.57

Mn 25 3d54s2

0.112/0.63

Fe 26 3d64s2

0.124/0.57

Zr 40 4d25s2

0.158/0.45

Nb 41 4d45s1

0.143/0.50

Mo 42 4d55s1

0.136/0.52

Hf 72 5d26s2

0.157/0.45

Ta 73 5d36s2

0.143/0.50

W 74 5d46s2

0.137/0.52

U skladu sa navedenim pravilom stabilnost obrazovanja karbida raste u pravcu od gvoždja prema manganu, hromu, vanadijumu do titana

1 Vidi poglavlje 1.1 Gradja atoma i periodni sistem elemenata.

Page 12: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Mašinski materijali

230

Ti V Cr Mn Fe← ← ← ← ,

od molibdena preko niobijuma do cirkonijuma

Zr Nb Mo← ← ,

od volframa preko tantala do hafnijuma

Hf Ta W← ← .

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

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

Radijus atoma ugljenika iznosi 0.071 nm, dok radijus atoma svih karbidotvor-nih elemenata jeste veći od 0.1 nm. Kad je odnos radijusa atoma ugljenika prema radijusu atoma karbidotvornog elementa manji od 0,59 (Zr, Hf, Ti i dr.) onda nasta-ju kristalne intermetalne faze čije su sledeće odlike: • imaju (zadržavaju) stehiometrijski odnos MC ili M2C (gde je M- metal, a

C- ugljenik), • imaju prostu kristalnu rešetku obrazovanu od atoma metala kao i mešovitu re-

šetku najčešće površinski centriranu kubnu (karbidi tipa MC) ili heksagonalnu (karbidi tipa MC ili M2C),

• mogu obrazovati kristalne rešetke neposednute atomima ugljenika, tj. mogu se kristalisati pri nepotpunoj posednutosti svih slobodnih mesta,

• to su veoma stabilna jedinjenja sa izuzetno visokom temperaturom topljenja (2000 - 3500ºC) i gotovo nerastvorljiva u austenitu,

• to su jedinjenja visoke tvrdoće. Kad je odnos radijusa atoma ugljenika prema radijusu atoma karbidotvornog

elementa veći od 0.59 (npr. Mn) karbidi imaju složenu strukturu. Većina poznatih karbida kristališe se u tri kristalografska sistema: kubnom, heksagonalnom i rombi-čnom, pri čemu neki elementi mogu obrazovati dve vrste karbida, a mangan i hrom, čak tri vrste karbida koji imaju različite rešetke.

Najprostijim karbidima smatraju se oni koji se kristališu u kubnom sistemu primitivne rešetke tipa MC. Takve karbide obrazuju V, Ti, Nb, Ta i Hf. Nešto slo-ženiji karbidi su oni koji se kristališu u heksagonalnom sistemu sa rešetkama tipa MC i M2C. Heksagonalne rešetke tipa MC imaju samo molibden i volfram, a tip M2C, osim molibdena i volframa, imaju takodje i V, Nb i Ta. Karbid ε, koji se jav-lja u kaljenim i niskootpuštenim čelicima, ima takodje heksagonalnu rešetku tipa MC. Rombične rešetke obrazuju Cr, Mn, Fe, Co, Ni.

Page 13: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Podela čelika

231

Iz aspekta otpornosti na habanje i na visoke temperature, posebno treba objas-niti karbide hroma i njima slične karbide mangana koji se mogu kristalisati po re-gularnom1, heksagonalnom (Cr7C3 i Mn7C3), kao i rombičnom (Cr3C2 i Mn3C) sis-temu. Osim karbida hroma Cr3C2 svi ostali se javljaju u legurama gvoždja, pri če-mu odredjeni broj atoma Fe može biti zamenjen drugim metalom.

Dešava se često da se pored gvoždja u karbidu javljaju dva karbidotvorna ele-menta gradeći kristalno jedinjenje tipa M6C složene regularne rešetke. Takve kar-bide najčešće obrazuju W i Mo, pri čemu sastav tih karbida nije stalan i kreće se u granicama od Fe3(W,Mo)3C do Fe4(W,Mo)2C2.

Tipična rešetka karbida je cementit (Fe3C). Ta je rešetka izomorfna sa rešetkom Mn3C, pa se ova dva karbida mogu potpuno rastvarati, obrazujući legiran karbid.

Hrom obrazuje dva karbida, koji se mogu pojaviti zajedno sa gvoždjem. Prvi od njih je Cr23C6 i ima elementarnu površinski centriranu rešetku regularnog sistema sa 16 atoma i parametra 1.066 nm. Drugi Cr7C3 kristališe se u heksagonalnom sistemu i ima elementarnu rešetku sa 80 atoma i parametre a = 1.398 nm i c = 0.453 nm.

Hrom se rastvara u cementitu, zamenjujući u njemu atome gvoždja i obrnuto - gvoždje se rastvara u karbidu hroma, zamenjujući atome hroma. Tako se dobijaju legirani karbidi (Fe,Cr)3C, odnosno (Cr,Fe)7C3.

Neki elementi (osim Ni, Co, Fe, Mn i Cr, a u odredjenim slučajevima W i Mo) obrazuju faze intersticijskog tipa. Predstavnik te faze je karbid vanadijuma. Ele-mentarna rešetka karbida vanadijuma VC ne mora biti potpuno ispunjena atomima ugljenika već negde mogu postojati i praznine (vakancije).

Posebno značajan, iz aspekta izuzetno velike otpornosti protiv abrazivnog ha-banja je volfram-karbid. Isporučuje se u obliku žica punog preseka ili cevi punjenih karbidima. Tvrdoća ovog karbida se kreće od 2400-2700 HV (95 HRA).

Medju slabije karbidotvorne elemente spada mangan koji ne obrazuje sa uglje-nikom u čeliku poseban karbid, već se delimično rastvara u cementitu, gde zame-njuje deo atoma gvoždja (Fe,Mn)3C.

Pošto su specijalni karbidi manje rastvorljivi u austenitu nego cementit (manja brzina difuzije), neophodno je pri austenitizaciji legiranih čelika duže vreme zadr-žavanja na austenitnoj temperaturi. Ponekad je poželjno obrnuto: da u strukturi os-tane zadržan deo nerastvorenih karbida, jer sprečavaju porast austenitnog zrna (npr. kod brzoreznih čelika). Specijalni karbidi, imaju veću tvrdoću nego cementit ili martenzit. Kada su ravnomerno rasporedjeni u osnovnoj martenzitnoj masi poveća-vaju otpornost čelika na habanje. Ta otpornost ne zavisi samo od tvrdoće karbida, već i od njihove disperzije, veličine i oblika. Nepoželjni su grubi karbidi (lako se otkidaju sa ivica alata za obradu rezanjem), kao i medjusobno povezani karbidi iz-lučeni po granicama zrna. Neki elementi obrazuju sa azotom nitride koji povećava-ju tvrdoću. To su pre svega aluminijum, titan, vanadijum, molibden i hrom (vidi 7.7.3 Nitriranje).

1 Pod regularnom rešetkom podrazumeva se kubna rešetka. 2 Elementi dati u zagradi mogu se potpuno ili delimično medjusobno zamenjivati.

Page 14: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Mašinski materijali

232

9.3 Podela čelika prema nameni

Pored podele čelika na ugljenične, niskolegirane, nerdjajuće i alatne, često se oni prema nameni dele na konstrukcione, specijalne i alatne. Za sve čelike bitna je i njihova čistoća, odnosno sadržaj fosfora i sumpora koji je uslovljen načinom proizvodnje. Prema čistoći razlikuju se: • čelici običnog kvaliteta (ugljenični čelici proizvedeni u LD konvertorima ili

SM- pećima; C < 0.5%, S < 0.06%, P < 0.07%), • kvalitetni čelici (SM - ugljenični i legirani čelici sa 0.035 - 0.040% P, S), • visoko kvalitetni čelici (legirani čelici dobijeni u elektro pećima; S,

P < 0.025%) i • plemeniti čelici (legirani čelici izradjeni u elektro-pećima, rafinisani pretapa-

njem i drugim metodima; S, P < 0.015%).

9.3.1 Konstrukcioni čelici

Ovi čelici mogu biti ugljenični (nelegirani) i legirani. Konstrukcioni čelici (nelegirani i legirani-sadrže C < 0.60%) primenjuju se za

izradu mašina i uredjaja, koji rade u neagresivnim sredinama i pri temperaturama od -25 do 300°C, kao i za noseće i gradjevinske konstrukcije (tab. 9.2). Tablica 9.2 Primeri primene konstrukcionih čelika

UGLJENIČNI (NELEGIRANI) ČELICI

opšta podela posebne namene • običnog kvaliteta • kvalitetni čelici

• za gradjevinarstvo • za brodogradnju i železnice • za kotlove i sudove pod pritiskom • za karoserijske limove • za cevi, žice, zavrtnje, zakivke • za zavarene lance • čelici za automate • za elektrotehniku

LEGIRANI ČELICI

opšte namene posebne namene • za poboljšanje • za površinsko kaljenje • za cementaciju • za nitriranje

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

Page 15: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Podela čelika

233

9.3.1.a Ugljenični (nelegirani) konstrukcioni čelici

Ugljenični čelici običnog kvaliteta svrstavaju se pretežno prema mehaničkim osobinama (Rm, Rp, A5) i koriste se za slabije opterećene delove mašina, uredjaja, vozila, a čelici trgovačkog kvaliteta (Č0000, Č0010) za šipke i rešetke. Svi nelegi-rani čelici običnog kvaliteta primenjuju se u sirovom stanju (bez termičke obrade). Niskougljenični kvalitetni čelici imaju garantovane mehaničke osobine i hemijski sastav. Koriste se za delove bicikla, šivaćih mašina, male zupčanike.

Srednje ugljenični čelici (0.25-0.60% C) koriste se u normalizovanom stanju, a u poboljšanom za delove manjih preseka. Čelici sa 0.5-0.60% C primenjuju se za delove otporne na habanje, kao npr. zupčanike, pužne transportere, ekscentre, kli-nove; stanje normalizovano.

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

Čelici za gradjevinarstvo uglavnom su meki (niskougljenični C < 0.25%) čelici u obliku profila, limova, šipki, žica za armirani beton (betonsko gvoždje). Visoko-ugljenični čelik visokog kvaliteta (nezavarljiv) upotrebljava se za armiran prednap-regnut beton. Koriste se takodje C-Mn čelici povišene jačine kao i žice iz klase "patentiranih"1 žica (npr. za mostovske konstrukcije).

Čelici za brodogradnju su u obliku limova i profila od mekog čelika (zavarlji-vog), a za železnice u obliku posebnih valjanih proizvoda i otkovaka od nisko i srednje ugljeničnih čelika (točkovi, šine, osovine vagona).

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

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

Čelici za automate (valjane ili vučene šipke, Č1190, Č1590) koriste se za izra-du sitnih delova (npr. zavrtnjeva, navrtki) na automatskim strugovima. To su uglje-nični čelici sa povećanim sadržajem P do 0.11%, S do 0.3% ili 0.35% Pb, što im daje krtu i lako lomljivu isprekidanu strugotinu; time se postiže veća brzina rezanja i bolji kvalitet rezane površine kod zavrtnjeva trgovačkog kvaliteta (zahvaljujući Pb).

9.3.1.b Legirani konstrukcioni čelici

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

• Manganski (1.20-1.60% Mn za osovine vratila, Mn-Si za veće zupčanike), • Hromni (1-1.5% Cr-Si)- za jako opterećena vratila (kolenasta), zupčanike, 1 Posebna vrsta izotermičkog kaljenja čeličnih žica i traka; austenitizacija na 900-1100ºC, a izoter-mička promena pri 400-550°C u olovnom ili sonom kupatilu. Dobija se sitnozrnasta bejnitna ili per-litna struktura velike jačine i sposobnosti plastičnog oblikovanja; višestruko vučenje + patentiranje = patentirane žice.

Page 16: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Mašinski materijali

234

• Hrom-molibdenski (1% Cr, 0.2% Mo)- za sitnije žilave delove, • Hrom-niklovi (0.6-1.5% Cr i 1-3.5% Ni)- zupčanici menjača, delovi turbina

koji rade na temperaturama do 500°C.

Čelici za površinsko otvrdnjavanje

Za površinsko kaljenje koriste se Cr-Mn i Mn-Si čelici sa 0.3-0.5% C. Za cementaciju upotrebljavaju se čelici sa C < 0.25% i legirani sa Cr, Cr-Mn,

Cr-Mo i Cr-Ni. Tako se hromni čelik (Č4120) koristi za bregaste osovine, osovini-ce klipova, vretena mašina alatki i drugih delova izloženih habanju. Slično ovome i hrom-niklovi i hrom-manganski čelici za cementaciju upotrebljavaju se za izradu zupčanika menjača i diferencijala (Č5420, Č4320), a hrom-molibdenski čelici za bregaste osovine, zupčanike, kardanske zglobove (Č4720).

Čelici za nitriranje (Č4531, Č4739) postižu traženu površinsku tvrdoću (900-950 HV) sitno dispergovanim nitridima Al, Cr i Mo, bez naknadne termičke obrade ali je neophodno prethodno poboljšanje. Ugljenik se ograničava na 0.45% da se spreči obrazovanje karbida Cr, Mo koji imaju manju tvrdoću nego nitridi. Nitrira-nju se podvrgavaju cilindri motora i pumpi, zupčanici, kalupi za livenje pod pritis-kom, preserski alati, probijači i sl.

Legirani čelici za posebne namene

Čelici za opruge treba da imaju visoku Re, odredjenu istegljivost (za slučaj pre-koračenja Re pri udarnom opterećenju ili oblikovanju), odgovarajuću dinamičku iz-držljivost (opruge automobila, odbojnici vagona, oslonci temelja mašina). Posebno, za neke primene traži se otpornost na koroziju i povišene temperature. Tražene osobine postižu se deformacijom na hladno (valjanje, vučenje) ili termičkom obra-dom; na hladno, kod opruga za manje radne zahteve (za kauče, ključaonice) i kod opruga od Cr-Ni čelika (18-9) izloženih koroziji.

Osobine elastičnosti poboljšava dodatak 0.15-1.8% Si podižući ReH, a prokalji-vost se kod većih preseka povećava dodacima 1% Mn ili 1% Cr ili kombinovano (Cr, Mn). Tako se npr. primenjuje Č2130 za podloške i tanjiraste opruge, Č2131 za konične vagonske opruge, lisnaste gibnjeve, spiralne vagonske opruge, Č4230 za spiralne opruge za udarna opterećenja, torzione opruge, opruge ventila, Č4830 za najopterećenije opruge drumskih vozila.

Čelici za kotrljajuća ležišta treba da imaju pre svega veliku tvrdoću i otpornost na habanje, i zatim obradljivost rezanjem i deformisanjem, dobru prokaljivost uz minimalnu deformaciju. To su hromni čelici sa visokim sadržajem ugljenika i naj-više čistoće (max 0.025% P, max 0.025% S i sastava 1% C i 0.50-1.50% Cr). Termi-čka obrada se sastoji iz kaljenja sa 850°C u ulju i niskog otpuštanja (160°C) (pri-mer: Č4140, Č4146- kuglice, valjčići, prstenovi, košuljice, Č3140- prstenovi kugli-čnih ležajeva).

Čelici za rad na niskim temperaturama sadrže Ni ili Mn i nizak % C (0.10-0.15). Pri 3-5% Ni temperatura prelaska u krto stanje je oko -100°C, a pri 8-10%

Page 17: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Podela čelika

235

Ni oko -200°C. Od ovih čelika prave se transportni i stacionarni rezervoari za suvi led (CO2) ili tečan metan (CH4). Za rad na još nižim temperaturama (za skladište-nje i transport tečnih tehničkih gasova) koriste se austenitni Cr-Ni čelici sa niskim % C, ili Cr-Mn-Ni-N-čelici. Osim toga CrNi čelici koriste se za rashladne sisteme i za konstrukcije koje rade napolju u svim godišnjim dobima.

Čelici za ventile motora sa unutrašnjim sagorevanjem izloženi su pri radu vi-sokim temperaturama (do 900°C) i cikličnim promenama temperatura. Stoga mora-ju da zadrže dobre mehaničke osobine na povišenim temperaturama (ReH, Rm, HB) i da budu vatrootporni. Najčešće se primenjuju visokolegirani hromni čelici Č4270 (0.40% C, 3.2% Si, 9.0% Cr), Č4771 (0.5% C, 16.5% Cr, 2.0% Mo), a za najopte-rećenije ventile Č4574 (0.45% C, 1.5% Si, 14.5% Cr, 1.3% Ni i 3% W). Za malo opterećene usisne ventile odgovara i Č2331 (0.6% C, 1.7% Si i 0.7-1% Mn).

Zavarljivi čelici povišene jačine (ReH > 360 MPa) razvijaju se poslednjih tride-setak godina s ciljem da se smanji težina konstrukcije: mostova, brodova, rezervoa-ra, cisterni, cevi pod pritiskom i sl. (npr. za cisternu zapremine V = 80 m3 potrebna je debljina zida oko 28 mm od čelika sa ReH = 240 MPa, a samo 14 mm od čelika sa ReH = 440 MPa). Tehnologija mikrolegiranja omogućila je proizvodnju nove kate-gorije čelika, koji su u stvari konvencionalni ugljenični čelici sa minimalnim doda-cima legirajućih elemenata (manje od 0.50%), radi povećanja napona tečenja, jači-ne na kidanje i tvrdoće. Prvi put je ova tehnika bila primenjena na čeličnim limo-vima. Znatno docnije mikrolegiranje je iskorišćeno za proizvodnju šipki da bi se izbegla termička obrada posle kovanja. Te se šipke upotrebljavaju u industriji mo-tornih vozila za delove, kao što su upravljačke spone, osovine turbokompresora, stabilizacione poluge, U - zavrtnje (uzengije), univerzalne zglobove. Osim toga od šipki povišene jačine izradjuju se i pogonski delovi pumpi za vadjenje nafte i anker zavrtnji za razne konstrukcije. Posebno je važna primena ovih čelika za transportna sredstva gde smanjenje težine direktno utiče na moguće opterećenje. Danas se čeli-ci povišene jačine isporučuju u svim standardnim valjanim oblicima kao što su: li-movi, trake, ploče, profilisani nosači, šipke i specijalni profili. Od korozije se štite galvanizacijom, pocinkovavanjem i nanošenjem drugih antikorozionih prevlaka. Limovi i ploče koriste se za šasije vozila, korpe bagera, razne delove mašina za ra-vnanje puteva, za železničke vagone i brodske konstrukcije. Za dizalice, kranove, mešalice u cementarama, poljoprivredne mašine, teretna vozila, prikolice i bandere koriste se čelični štapovi minimalnog napona tečenja 350-490 MPa. Za ove čelike karakteristična je anizotropija mehaničkih osobina, jer i obradljivost deformisa-njem i jačina znatno variraju u odnosu na pravac valjanja.

U principu se napon tečenja ReH može povećati porastom % C, ali kod ovih če-lika to ne dolazi u obzir jer se traži da zadrže dobru zavarljivost, obradljivost de-formisanjem na hladno i otpornost prema krtom lomu. Danas se ovi čelici proizvo-de modifikacijom hemijskog sastava (Cr-Mn, ČRN - za niske temperature, ČRO - za normalne temperature, ČRV - za visoke temperature), ili primenom specijalne tehnologije topljenja i valjanja železarskih proizvoda (bejnitni-fortyweld, poboljša-ni (Q+T-T1, Mo ≈ 0.5%, B = 0.003%). Pored C-Mn-čelika povišene jačine

Page 18: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Mašinski materijali

236

(Č0460, Č0370, Č0561) namenjenih za delove kod kojih nema opasnosti od krtog loma, zatim čelika Č0461 i Č0462 za zategnute delove konstrukcija, proizvode se i čelici Č0471 i Č0563 za delove izložene opasnosti od krtog loma. Mikrolegirani čelici povišene jačine sadrže Al, V, Ti, Nb, N, zbirno < 0.20%. Uz oznaku ovih če-lika, ČRO, ČRN, ČRV, dodaje se napon tečenja (MPa), na primer: ČRV500 i tsl.

9.3.2 Specijalni čelici

U ovu klasu čelika svrstavaju se: a) Nerdjajući čelici (otporni na kiseline i vatropostojani), b) Čelici za povišene temperature (termo-postojani Cr-Mo-V čelici) i c) Čelici otporni na habanje.

a) Nerdjajući čelici

Ovde spadaju čelici otporni na kiseline koji se odupiru pre svega elektrohemij-skoj koroziji (organskim i neorganskim kiselinama, jedinjenjima azota, rastvorima soli - elektrolitima, agresivnim životnim namirnicama) i vatrootporni čelici koji se ne oksidišu na vazduhu i sagorelim gasovima (CO, CO2, H2O, SO2, pepelu) na temperaturi preko 600ºC (reč je o elektroneprovodljivim sredinama). Čelici otporni na kiseline moraju sadržati više od 12% Cr, a vatrootporni čelici više od 6% Cr i dodatke Si i Al radi sprečavanja dubinske korozije. Prema hemijskom sastavu ner-djajući čelici mogu biti: hromni, hrom-niklovi i hrom-manganski, a prema stanju isporuke valjani i liveni. Pri dugotrajnom držanju na temperaturi iznad 500ºC kod čelika otpornih na kiseline dolazi do izdvajanja hroma po granicama zrna i time osiromašenja čvrstog rastvora u hromu. Ako procenat Cr u čvrstom rastvoru spadne ispod 12% nastaće selektivna medjukristalna korozija. Sklonost ka ovoj vrsti koro-zije umanjuje se stabilizacijom čelika (pomoću Ti, Nb ili Ta koji imaju veći afinitet prema ugljeniku nego hrom) ili smanjenjem sadržaja ugljenika ispod 0.03%, ali uz pad termo-postojanosti.

Valjani nerdjajući čelici dele se prema metalurškoj strukturi na austenitne, feri-tne, martenzitne i taložno ojačane, a liveni na termo-postojane i koroziono-otporne. Austenitni valjani čelici su legure: Fe-Cr-Ni-Mn, legure Fe-Cr-Ni i azo-tom ojačane legure. Sadržaj ugljenika je ispod 0.15%, hroma najmanje 16%, a ni-kla i mangana mora biti toliko da se zadrži austenitna struktura od kriogene oblasti pa do temperature topljenja legure. Azotom ojačani austenitni čelici su legure Cr-Mn-N, a neke vrste sadrže i Ni. Napon tečenja im je u žarenom stanju za 50% veći nego kod legura bez azota. Ovi čelici su nemagnetični i to ostaju i posle višes-truke prerade na hladno. Slično ugljeniku i azot se rastvara intersticijski u gvoždju i povećava jačinu čelika, ali mu je prednost što se ne sjedinjuje znatnije sa hromom u nerdjajućim čelicima. Do nedavno metalurzi su veoma teško dodavali kontrolisa-ne količine azota leguri, ali je danas to rešeno AOD-postupkom (argon-oxygen de-carburization) rafinacije.

Page 19: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Podela čelika

237

Austenitni nerdjajući čelici upotrebljavaju se uglavnom za delove kod kojih je koroziona otpornost i žilavost primarni zahtev. To su delovi izloženi morskoj vodi (osovine, pumpe, poklopci), oprema i postrojenja u hemijskoj i prehrambenoj indu-striji, posebno u mlekarama. Iz grupe nerdjajućih austenitnih čelika najpoznatiji su Cr-Ni čelici koji su istovremeno otporni na kiseline i vatrootporni. Mogu biti nes-tabilizovani Č4571 i stabilizovani Č4572 (dodatak Ti) i Č4582 (stabilizovan sa Nb i namenjen za kamionske cisterne za hemikalije). Ovi čelici pripadaju poznatoj grupi austenitnih čelika 18Cr8Ni, gde % Ni može varirati do 10%. Isporučuju se u gašenom stanju, tj. posle termičke obrade koja se jedino izvodi kod austenitnih če-lika da se dobije struktura stabilnog austenita sa velikom žilavošću. Gašenje je na-glo hladjenje sa temperature 1000-1100ºC (u vodi).

Feritni valjani nerdjajući čelici sadrže 10.5-27% Cr i pripadaju seriji 400 pre-ma standardu AISI (USA). Primenom argonsko-kiseoničkog razugljenisavanja (AOD-postupka) proizvedeno je nekoliko klasa feritnih čelika: 18Cr-2Mo, 26Cr-1Mo, 29Cr-4Mo i 29Cr-4Mo-2Ni. Sadrže manje ugljenika, a više hroma nego martenzitni čelici pa se ne mogu kaliti, već ojačavaju samo preradom na hladno. Feritni nerdjajući čelici su magnetični, a ako sadrže dovoljno Cr i Mo zadržavaju svoju osnovnu mikrostrukturu sve do tačke topljenja. U žarenom stanju jačina na kidanje ovih čelika za 50% nadmašuje ugljenične čelike. Namenjeni su za delove od kojih se traži srednja koroziona otpornost, a žilavost nije glavni zahtev. Upotre-bljavaju se takodje u sredinama u kojima postoji opasnost od naponske korozije po-jačane delovanjem hlorovodonične kiseline. Stoga se najviše koriste za izduvne sis-teme motora, za opremu za prenos toplote u hemijskoj i petrohemijskoj industriji, za unutrašnju opremu motornih vozila, kao i za kuhinjsku opremu (sudopere i sl.).

Martenzitni nerdjajući čelici pripadaju takodje seriji 400 (AISI). Ovi valjani čelici imaju povećan sadržaj ugljenika (do 1%), sadržaj hroma (11.5 do 18%) i eventualno male količine drugih legirajućih elemenata. Oni su magnetični, mogu biti ojačani termičkom obradom tako da posle kaljenja i otpuštanja imaju ne samo veliku jačinu, već i osrednju žilavost. Plastična prerada ovih čelika mora se izvesti pre kaljenja, tj. u žarenom stanju. Manje su koroziono otporni nego austenitni i fe-ritni čelici. Razvijene su i dve vrste martenzitnih čelika koji su dobro mašinski ob-radljivi. Što se tiče primene, martenzitni nerdjajući čelici namenjeni su pre svega za delove kod kojih su jačina i tvrdoća glavna stvar, a ne koroziona otpornost. Zato se od ovih čelika izradjuju kuglični ležajevi, livački kalupi, noževi medicinskih ins-trumenata, delovi aviona i turbina. Jedna vrsta martenzitnih čelika upotrebljava se za livačke kalupe za plastike i za industrijske komponente od kojih se traži velika tvrdoća i koroziona otpornost. Svi feritni, feritno-martenzitni i neki martenzitni če-lici skloni su otpusnoj krtosti pri sporom hladjenju u intervalu od 300-400ºC.

Taložno ojačani nerdjajući čelici i martenzitno stareni čelici (Maraging) posti-žu veoma veliku jačinu nisko-temperaturskom termičkom obradom koja gotovo ne menja oblik tretiranih predmeta (bitno kod preciznih delova). Sastav ovih čelika je takav da može nastati ojačanje (izlučivanje tvrdih precipitata), stvaranje interme-talnih jedinjenja i istovremeno otpuštanje martenzita. Kad se traži maksimalna ja-

Page 20: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Mašinski materijali

238

čina i ne velika koroziona otpornost upotrebljavaju se čelici sa približno 17% Cr, 7% Ni, 1% Al i maraging čelik sa približno 18% Ni i 7% Co. Kod prvog izvodi se rastvorno žarenje (1052ºC), a zatim starenje na 482ºC da bi nastali precipitati (pro-dukti taloženja). Kod maraging čelika, najpre je potrebna austenitizacija pri 815ºC da se rastvore istaložene faze, a zatim brzo hladjenje čime se dobija relativno mek niskougljenični martenzit. U ovom stanju materijal se plastično preradjuje ili ma-šinski obradjuje. Kad se sve završi, materijal se podvrgava zagrevanju do 482ºC/3h što dovodi do starenja. Porast tvrdoće i jačine delom nastaje zbog martenzitne stru-kture, a delom zbog precipitacije starenjem. Precipitaciono ojačane legure koriste se za delove od kojih se traži velika jačina, ne velika koroziona otpornost i laka ob-rada. To su rudarske bušilice, delovi pumpi visokog pritiska, visokotemperaturske pumpe i zatvarači, komponente aviona i sl. (maraging čelik).

Liveni nerdjajući čelici odgovaraju po sastavu sličnim vrstama valjanih čelika. Proizvode se dve klase odlivaka: termo-postojani (oznaka H) za radne temperature izmedju 650 i 1200ºC i koroziono-otporni (oznaka C). Sadržaj C i Ni znatno je viši u klasi H nego u C. Termo-postojani odlivci koriste se za delove parnih turbina i za delove industrijskih peći, a odlivci otporni na koroziju za ventile, armature i pumpe koje rade u korozionom medijumu.

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

Termo-postojanost je sposobnost materijala da izdrži kratkotrajno i dugotrajno opterećenje na povišenim temperaturama. Od čelika ove klase prave se parni kotlo-vi, gasne turbine, mlazni (reaktivni) motori, postrojenja u hemijskoj industriji-rečju oprema koja dugotrajno radi na povišenim (do 600°C) i veoma visokim temperatu-rama ( preko 600°C)

Obični nelegirani konstrukcioni čelici zadržavaju mehaničke osobine (odredje-ne pri sobnoj temperaturi) do oko 300°C, a iznad toga ReH i Rm manje ili više opa-daju. Posebno se od termo-postojanih čelika traži otpornost na puzanje i relaksaci-ju-pojave karakteristične za povišene temperature. Ukratko se puzanje (engl. creep) može definisati kao lagano izduženje pri dugotrajnom konstantnom opterećenju na povišenim temperaturama (σ = const, T > 0.3⋅Tt = const.), a relaksacija kao pojava prelaska elastičnih deformacija u plastične (εel→εpl, εT = εel+εpl = const). Kao ter-mopostojani koriste se uglavnom hromni čelici (Cr i Mo, ili Cr-Mo-V), a redje aus-tenitni čelici (Cr-Ni sa nekim dodacima).

Hromni-niskolegirani čelici namenjeni su za temperature do 600°C, a srednje i visokolegirani za preko 600°C. Kod niskolegiranih hromnih čelika ograničava se C do 0.30%, Cr do 3% i Mo, V, (W) do 1%. Čelici legirani sa Cr, Mo, V primenjuju se za zavrtnje i navrtke, cevi grejača, prirubnice, kotlovske limove, rezervoare. Mogu se opteretiti praktično neograničeno dugo pri T ≈ 600°C bez opasnosti od ra-zaranja usled puzanja. Koriste se u poboljšanom stanju, a zavarljivi su uslovno (predgrevanje, termička obrada).

Page 21: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Podela čelika

239

Srednjelegirani hromni čelici sadrže 5-10% Cr, 0.50-1.0% Mo i ponekad i V, W. Koriste se za delove postrojenja za preradu nafte, za rad sa sabijenim vodoni-kom ili sumporvodonikom na povišenim temperaturama.

Visokolegirani hromni čelici, postojani na veoma visokim temperaturama, raz-vijeni su od klasičnog feritnog nerdjajućeg čelika sa 12% Cr i C < 0.20%, daljim dodacima Mo, V, W (Ti, Nb) koji daju stabilnije karbide nego hrom (Cr23C6). Ovde spada Č4970 - feritni termo-postojani čelik primenljiv u gasnoj sredini koja sadrži i sumpor; izdržava rad pri temperaturama do 1100°C.

Austenitni čelici tipa 18Cr8Ni zadržavaju postojanost do 600°C (stabilizovana varijanta). Znatno bolja termo-postojanost postiže se dodacima za otvrdnjavanje (Mo, W), tako da vrhunski čelik iz ove grupe Č4578 (25% Cr, 20% Ni, 2% Si) - tzv. prokron 19 - može da radi na temperaturi do 900°C. Nije otporan u gasnoj sre-dini koja sadrži sumpor.

c) Čelici otporni na habanje

Procenjuje se da oko 50-80% svih otkaza mašina i opreme nastaje zbog haba-nja, a ostalo usled zamora materijala, preopterećenja ili grubog narušavanja rad-nih uslova. Otpornost čelika prema habanju uslovljena je hemijskim sastavom (uglavnom visok sadržaj C i Mn) i strukturom, ali i vrstama habanja koje mogu bi-ti: adheziono, abraziono, eroziono, kavitaciono, zamorno, vibraciono.

Abrazivno habanje može nastati dejstvom: • udarnih sila (kašike bagera na kamenitom terenu, drobilice za kamen) i • rasutog materijala (rude, šljaka, pesak, cement, pepeo, žitarice i dr.).

Za delove izložene habanju udarnog tipa primenjuje se manganski austenitni čelik Č3160 poznat pod nazivom Hadfield-ov čelik (13% Mn, 1.2% C). Koristi se u stanju plastično preradjenom ili kao odlivak; otporan je na abrazivno habanje samo ako se pri radu jako plastično deformiše (nije reč o deformacionom ojačanju auste-nita već o lokalnoj površinskoj martenzitnoj transformaciji indukovanoj plastičnim deformisanjem). Za abrazivno habanje rasutim materijalima bitna je što veća tvr-doća pa se koriste niskolegirani poboljšani čelici, alatni ledeburitni čelici, odlivci dobijeni odbeljivanjem. Osim toga rezni delovi mašina na površinskim kopovima navaruju se legurama sa visokim sadržajem ugljenika i više od 20% hroma.

Upotrebljava se za čeljusti drobilica za kamen, kugle mlinova za drobljenje ru-da, a najviše za železničke i tramvajske šine i skretnice.

9.3.3 Alatni čelici

Ovi čelici su namenjeni za izradu alata u širokom smislu: za obradu deformisa-njem, obradu rezanjem, kalupa za livenje, alata za mlevenje kamena, za izradu mernih i kontrolnih pribora, kao i ručnih alata i pribora. Pored alatnih čelika, za

Page 22: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Mašinski materijali

240

izradu alata još se mogu upotrebiti i sinterovani karbidi1, a u nekim slučajevima i jevtiniji metali kao što su konstrukcioni čelici ili neke vrste livenog gvoždja. Alati za najteže radne uslove prave se od tvrdih legura, keramičkih materijala i dijama-nata.

Od dobrog alata traži se pre svega velika tvrdoća i žilavost, otpornost na haba-nje i popuštanje kao i dimenzijska stabilnost. Tako je npr. za rezne alate (noževe, glodala i dr.) potrebno da im tvrdoća bude najmanje 1.3 puta veća od tvrdoće obra-djivanog materijala. Kako je već ranije napomenuto, tvrdoća ugljeničnih čelika u zakaljenom stanju zavisi od % C; raste do njegovog eutektoidnog sadržaja kada do-stiže 64 HRC i dalje se praktično ne menja; istina povećanje sadržaja ugljenika i preko 0.8% poboljšava otpornost na habanje. Iako se kod legiranih čelika može do-biti nešto veća tvrdoća (formiranjem specijalnih karbida umesto cementita), u veći-ni slučajeva što se tiče tvrdoće, ako se isključe radne temperature iznad 300ºC nas-tale zbog velike brzine rezanja, odgovarali bi i nelegirani čelici. Potrebna tvrdoća na povišenim radnim temperaturama postiže se legiranjem čelika karbidotvornim elementima naročito sa Cr, V, W i Mo; osim toga legiranjem se povećava i proka-ljivost u odnosu na nelegirane čelike.

Alatni čelici pripadaju grupi plemenitih čelika koji se proizvode od posebno odabranih sirovina u elektro-pećima (lučnim ili indukcionim). Od strane proizvod-jača, alatni čelici se isporučuju u obliku toplo valjanih ili kovanih šipki, hladno vu-čenih šipki, otkovanih komada, toplo i hladno valjanih traka.

Prema hemijskom sastavu alatni čelici se dele na: a) ugljenične, b) legirane i c) brzorezne (BRW).

a) Ugljenični alatni čelici

Mogu biti sa niskim sadržajem ugljenika (do 0.25% C), srednjim (0.25-0.6% C) i visokim (više od 0.6% C). Upotreba nisko i srednje ugljeničnih čelika za alate veoma je ograničena, jer je u stvari reč o primeni konstrukcionih čelika za alate.

Meki čelici koriste se za male cementirane kalupe za brizganje plastike i gume, za merne alate i kontrolnike ("kalibre"), metalne lenjire, šablone i sl. Srednjeuglje-nični nelegirani čelici služe za izradu ručnih alata i pribora, reznih alata za obradu drveta, jevtinijih noževa, livačkih kalupa i dr. (npr. Č1540 za sekire, čekiće, jevtine noževe, srpove).

Znatno je veća primena visokougljeničnih čelika sa 0.6-1.4% C, od kojih se prave alati za prosecanje, za preradu hladnim deformisanjem, za obradu drveta i termoplasta2, stezni alati, mali i jednostavni kalupi za oblikovanje plastike i gume 1 Sprašeni karbidi i vezivno sredstvo se presuju pod visokim pritiscima i zatim izlažu visokim tem-peraturama (sinteruju), čime se vezuju u kompaktnu celinu. 2 Plastike se dele na termoplaste i duroplaste. Termoplasti se mogu naknadno pretapati i oblikovati (reciklirati), a duroplasti delovanjem toplote otvrdnjavaju i više se ne mogu preoblikovati.

Page 23: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Podela čelika

241

kao i za ručne alate i pribore. Tako se npr. od eutektoidnog čelika Č1840 izradjuju alati za obradu drveta (dleta, sekire, turpije), kovački čekići, probijači za papir i kožu, noževi poljoprivrednih mašina, sekači, makaze za meke metale, probojci, alati za obradu kamena.

Nadeutektoidni čelik Č1841 namenjen je za izradu svih vrsta kosa, a čelici Č1940, Č1941-1946 sa 1-1.3% C upotrebljavaju se za izradu ureznica i nareznica, razvrtača, glodala, turpija, steznih čeljusti, matrica za izvlačenje, noževa za obradu drveta, mesarskih noževa.

Ugljenični alatni čelici kale se u vodi, ali s obzirom na njihovu malu prokalji-vost zadržavaju neprokaljeno žilavo jezgro. Zato su čelici sa preko 0.8% C tvrdi i otporni na habanje i dovoljno žilavi te stoga pogodni za izradu alata za obradu re-zanjem. Najveća je mana što nelegirani čelici zadržavaju dobre osobine samo do oko 200°C; preko toga naglo im opada tvrdoća.

b) Legirani alatni čelici

Upotrebljavaju se kada je neophodna postojanost na povišenim temperaturama i veća prokaljivost. Gotovo svi legirani alatni čelici, kako za rad na hladno tako i za rad na toplo, sadrže hrom. Ali, samo nekoliko čelika za rad na hladno sadrže jedi-no Cr, dok je većina još legirana sa W, V, Mo, odnosno za rad na toplo još i sa ni-klom.

Dalje se legirani alatni čelici dele na niskolegirane (ukupan sadržaj legirajućih elemenata ne prelazi 5%) i visokolegirane. Zahvaljujući legirajućim elementima, prvenstveno hromu, povećava se prokaljivost što omogućuje da se ovi čelici uglav-nom kale u ulju ili na vazduhu.

Niskolegirani čelici za rad na hladno koriste se za razne vrste alata za obradu čelika, obojenih metala, drveta, plastike, papira. Obrada se odvija na sobnoj tempe-raturi (na hladno), s tim što temperatura alata usled trenja ne sme za duže vreme preći temperaturu od 300°C. To se odnosi na rezne alate za obradu mekših metala, drveta, termoplasta, na alate za prosecanje i obradu deformacijom na hladno, kalu-pe za oblikovanje delova od plastike i gume, kalupe za presovanje cigli i šamotnih proizvoda, ručne alate (proširivače, upuštače, bušilice za zube, graverske alate, uti-skivače brojeva) i na stezne i merne alate. Kao primer može se navesti Č6840 (za spiralne burgije, glodala, ureznice i nareznice, hirurške instrumente), Č6441 (za noževe za obradu drveta i papira), Č4140 (za preserske alate, ekscentre), Č4830 (alati za jaka dinamička opterećenja).

Niskolegirani alatni čelici za rad na toplo namenjeni su za radne uslove pri temperaturama iznad 300°C; reč je o kovačkim kalupima male ili srednje veličine, alatima za toplo presovanje i ekstruziju (istiskivanje) neželeznih metala, kalupima za livenje pod pritiskom (Al i legura Al, Zn, Mg), alatima za opsecanje na toplo. U ovu grupu spadaju čelik Č5742 namenjen za kovačke alate i Č5741 za livačke ka-lupe.

Page 24: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Mašinski materijali

242

Visokolegirani alatni čelici za rad na hladno uglavnom sadrže visok % Cr i C. Tipičan je predstavnik čelik sa 12% Cr i 2% C, oznake Č4150. Visok sadržaj ug-ljenika omogućuje stvaranje dovoljno karbida hroma koji se odlikuju velikom tvr-doćom i otpornošću na habanje. Gore navedeni ledeburitni čelik (Č4150) pri kalje-nju neznatno menja dimenzije, pa je pogodan za alate složenijeg oblika; podnosi visoke pritiske ali je osetljiv na savijanje. Koristi se za izradu profilisanih glodala, burgija za lake metale i mesing, testere za metal (uz vodeno hladjenje), kalupe za preradu plastike, presovanje porcelana i keramike kao i za alate za prosecanje na presama (npr. dinamo i trafo-limova).

Visokolegirani alatni čelici za rad na toplo sadrže 5 do 10% W, 0.25-0.45% C i dodatke Cr, V, Ni, Co. I na visokim temperaturama zadržavaju potrebnu tvrdoću i nisu skloni ka prslinama na tim temperaturama. Od ovih čelika grade se alati najvi-še opterećeni kako mehanički tako i termički. Misli se na alate za ekstruziju legura bakra, alate za opsecanje na toplo, na kalupe za livenje legura Cu pod pritiskom. Prema našem standardu to su Č6451 (za presovanje na toplo u dubokim gravurama, za matrice, trnove alata za probijanje), Č6450 (matrice za toplo presovanje, trnovi, alati za valjanje zavrtnjeva, alati za duboko izvlačenje, kalupi za livenje pod pritis-kom), Č4751, Č4753 (za toplo presovanje lakih metala i njihovih legura, za livenje pod pritiskom).

Drugi tip alatnih čelika iz ove grupe je Cr-Ni čelik austenitne strukture. Otpo-ran je na popuštanje te zadržava dovoljnu jačinu i na visokim temperaturama. Upo-trebljava se za izradu izuzetno termički i mehanički opterećenih matrica za ekstru-ziju profilisanih cevi i šipki od bakra, nikla, bronze i mesinga.

c) Brzorezni čelici (BRW)

Početkom 20 veka ustanovljeno je da najbolje rezne osobine imaju čelici sa vi-sokim sadržajem volframa (6.3-18% W) i ugljenika (0.8-1.4% C), pošto se zakale sa visoke temperature i visoko otpuste. Još sadrže Cr i V, a ponekad i Mo i Co. Br-zorezni čelici zadržavaju visoku tvrdoću do oko 650°C, a imaju oko 10 puta veći kapacitet rezanja i 30 puta duži vek trajanja u odnosu na nelegirane i niskolegirane alatne čelike.

Klasični BRW-čelik (Č6880) sadrži: 0.75% C, 18% W, 4.5% Cr, 1% V. Teži se da karbidi (W2C, V4C3) budu sitnozrnasti i ravnomerno rasporedjeni što se postiže specifičnim postupcima izrade, kovanja i termičke obrade brzoreznih čelika.

Za vreme Drugog svetskog rata prešlo se na izradu BRW čelika sa nižim pro-centom W (iz ekonomskih razloga), što je uticalo na smanjenje veka reznih alata. Dalji je razvoj ovih čelika bio usmeren na čelik sa 10-12% W i 3-5% V (Č9681, Č9683). Kod nekih vrsta BRW-čelika deo W zamenjuje se sa Mo i dodaje se Co (tip Mo5W7Co12V2).

Problem je što se kod visokolegiranih i visokougljeničnih čelika ne može klasi-čnim metalurškim postupcima postići izlučivanje ravnomerno rasporedjenih i usit-njenih karbida. Rešenje je dato patentom švedske firme ASEA STORA; čelik koji

Page 25: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Podela čelika

243

sadrži oko 60% karbida najpre se granuliše, a zatim preradjuje sinterovanjem, ekstruzijom i najzad kovanjem na toplo. Svojstva rezanja ovog čelika, uz istu žilavost, za trećinu su bolja od običnih BRW-čelika.

d) Ostali materijali za alate

Ovde se samo napominje da se danas alati za obradu rezanjem izradjuju ne sa-mo od čelika već i od: sinterovanih karbida, stelita, keramičkih materijala, tvrdih termopostojanih jedinjenja i dijamanata.

Sinterovani materijali (karbidi W, vezivo Co) su prvi put uvedeni u Nemačkoj (1932.), pod oznakom "vidia" što znači dijamant (widia). Mana je što su vidia plo-čice veoma krte; zato se postupkom tvrdog lemljenja nanose na radni deo strugar-skog noža ili sličnih alata. Vidia pločice odlikuju se visokom tvrdoćom, postoja-nošću na povišenim temperaturama i otpornošću na habanje.

Steliti su livene tvrde legure (karbidi Cr, W - vezivo Co i 10% Fe) koje se uglavnom navaruju na radne ivice alata (npr. ivice alata za opsecanje).

Keramički materijali su u stvari sinterovani materijali na bazi Al2O3 (do 99.9%); imaju veliku tvrdoću, hemijski su inertni, ali i veoma krti. Služe za izradu reznih pločica za finu obradu sivog liva i čelika.

Metalo-keramički materijali su smese Al2O3 s jedne strane i Cr, Mo s druge strane, a karbido-keramički materijali, smese Al2O3 i karbida Mo, W, Ti. Koriste se ne samo za rezne pločice već i za oblaganje radnih površina mernih alata i speci-jalnih matrica za vučenje žica.

Tvrda termo-postojana jedinjenja dobijaju se sinterovanjem nitrida, borida i oksida elemenata postojanih na visokim temperaturama. Tako npr. sinterovana smesa TaN i ZrB2 ima oko 40% bolje osobine rezanja nego Al2O3. Veliku tvrdoću ima nitrid bora, posle dijamanta najtvrdji materijal. U početku se koristio kao brus-no sredstvo, a danas se primenjuje i kao rezni alat.

Dijamanti (prirodni ili sintetički), koriste se za alate samo u specijalnim sluča-jevima, kao npr. za obradu keramike, duroplasta, za brušenje tocila (tvrdoća dija-manta je po Mosovoj skali 10, a po Brinelu 2500 HB).

DEFINICIJE I DOPUNE:

Ugljenični čelici: legure gvoždja i ugljenika kod kojih na mehaničke i druge oso-bine presudno utiče sadržaj ugljenika. Legirani čelici: legure gvoždja i ugljenika koje sadrže i znatnu količinu legirajućih elemenata. Uloga ugljenika: u čeliku to je neophodan sastojak čelika koji mu povećava tvrdo-ću, jačinu i kaljivost. Običan cementit: hemijsko jedinjenje ugljenika sa gvoždjem (Fe3C), stabilno do 727ºC, koje se ponekad označava sa Cm. Specijalni karbidi: to su samostalne karbidne faze, koje obrazuju metali većeg afiniteta ka ugljeniku nego gvoždje (Ti, V, Cr, Mo, W).

Page 26: PODELA ČELIKA - WordPress.com...Podela čelika 221 nom daje hemijski sastav, predvidjena termička obrada, mehaničke osobine, tempe-rature termičke obrade, prokaljivost, zavarljivost,

Mašinski materijali

244

Legirani cementit: dobija se kad se izvestan broj atoma gvoždja u cementitu za-meni sa atomima Mn, Cr, W, Mo. Austenitotvorni elementi: legirajući elementi koji proširuju austenitno područje čelika; to su C, Ni, Mn, Cu, N. Feritotvorni elementi: legirajući elementi koji proširuju feritno područje čelika; to su Cr, Mo, W, Si, V, Ta, Al, Nb. Karbidotvorni elementi: legirajući elementi koji sa ugljenikom obrazuju karbide; to su: Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo, Ta, W. Supstitucijski čvrsti rastvori: legirajući elementi Si, Mn, Cr, Ni zamenjuju atome gvoždja u njegovoj kristalnoj rešetki. Intersticijski čvrsti rastvori: elementi C, N B, H zauzimaju praznine (intersticije) u kristalnoj rešetki gvoždja. Podela čelika: čelici se prema nameni svrstavaju u konstrukcione, specijalne i alatne; prema čistoći, tj. sadržaju sumpora i fosfora razlikuju se: čelici običnog kvaliteta, kvalitetni čelici, visokokvalitetni čelici i plemeniti čelici. Konstrukcioni čelici: čelici ugljenični i legirani namenjeni za delove mašina i uredjaja koji rade u neagresivnoj sredini na temperaturi do 300ºC. Specijalni čelici: čelici (Cr-Ni) koji se nazivaju nerdjajući (otporni na kiseline, va-trootporni), termo-postojani (Cr-Mo-V) i čelici otporni na habanje (Mn). Alatni čelici: čelici namenjeni za izradu kovačkih, preserskih, livačkih alata, kao i alata za mašinsku obradu; tu spadaju i ostali alati namenjeni za razne svrhe: od obrade drveta, poljoprivrednih alata, kuhinjskog pribora pa do hirurških instru-menata.

PITANJA:

1. Ugljenični, legirani i mikrolegirani čelici. 2. Uticaj ugljenika i glavnih legirajućih elemenata na osobine čelika. 3. Koji se elementi u čeliku smatraju austenitotvornim, a koji feritotvornim? 4. Obični, specijalni i legirani karbidi u čelicima. 5. Kakva je veza izmedju sklonosti metala ka stvaranju karbida i elektronske

strukture metala? 6. Dati pregled glavnih konstrukcionih čelika. 7. Vrsta i upotreba nerdjajućih čelika. 8. Koji legirajući elementi povećavaju termo-postojanost čelika, a koji otpornost

na habanje? 9. Alatni čelici - ugljenični i legirani. 10. Brzorezni čelici. 11. Tvrde i sinterovane legure za rezne pločice.