Upload
ramo-sivro
View
360
Download
25
Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERZITET U NIŠU
Fakultet zaštite na radu
Predmet: Tehnički materijali
SEMINARSKI RAD
Tema: Čelik i njegove legure
Mentor: Student:
Niš, 2009.
SADRŽAJ
Uvod................................................................................................................................3
1. Osobine čelika.........................................................................................................4
2. Proizvodnja čelika..................................................................................................5
3. Vrste čelika..............................................................................................................5
4. Podela čelika u grupe.............................................................................................6
5. Podela čelika prema oblastima primene..............................................................9
6. Legirajući elementi i njihov uticaj na osobine čelika........................................10
7. Zaključak..............................................................................................................22
8. LITERATURA.....................................................................................................23
2
UVOD
Čelik je metastabilno kristalizovana Fe-C (Fe-Fe3C) legura sa sadržajem ugljenika
manjim od 2,06%. Dodavanjem volframa, hroma, molibdena, vanadijuma, mangana, nikla,
kobalta i drugih metala, pojedinačno ili u kombinacijama, dobijaju se legirani čelici za
specijalne svrhe, izuzetno mehanički, hemijski ili toplotno postojani. Ako je maseni udeo
legirajućih elemenata veći od masenog udela gvožđa, ili se gvožđe nalazi samo u tragovima,
onda ne govorimo o čeliku već o novim tipovima legura. Neverovatan raspon i fleksibilnost
osobina (uz pomoć legiranja, termičke obrade i plastične prerade) kao i relativno niska cena
proizvodnje čine ga i dalje najrasprostranjenije korišćenim metalnim materijalom.
3
Osobine čelika
Kao što smo već rekli, čelik ima neverovatan raspon i fleksibilnost osobina. Može biti
vrlo mek i kao takav izuzetno pogodan za duboko izvlačenje (pravljenje limenki, konzervi i
td.). Nasuprot tome čelik može biti vrlo tvrd i krt kao na primer kod martenzitnih čelika koji
se koriste za sečiva. Pred modernu proizvodnju čelika postavljaju se vrlo visoki zahtevi, koji
najčešće uključuju optimalnu kombinaciju osobina kao što su zatezna čvrstoća sa jedne i
duktilnost odnosno deformabilitet sa druge. Pored toga mora se stalno voditi računa o
isplativosti proizvodnje što je posledica neprestane promene cena legirajućih elemenata.
Najvažniji legirajući element u čeliku je ugljenik. On se u čeliku nalazi u obliku
jedinjenja pod imenom cementit, Fe3C. Povišeni maseni udeo ugljenika čini čelik čvršćim, ali
u isto vreme krtim materijaliom. U zavisnosti od udela ugljenika i temperature na kojoj se
uzorak čelika nalazi na faznom dijagramu se mogu uočiti sledeći mikrokonstituenti: Austenit,
Ferit, Primarni-, Sekundarni-, cementit kao i mikrostrukture (mešavine faza): Perlit,
Ledeburit. Ako se čelik naglo ohladi, tako da se difuzioni procesi (na prvom mestu difuzija
ugljenika) ne odviju do kraja, onda se u strukturi čelika pojavljuju nove mikrostrukture koje
su većinom presićene ugljenikom. Ako se ubrzano hlađene odvija iz austenitne oblasti mogu
se javiti finolamelirane mikrostrukture Sorbit ili Trosit) kao i igličati/zrnasti Beinit ili igličasti
Martenzit.
Specifična težina čelika je skoro ista kao specifična težina čistog gvožđa i iznosi oko
7.850 kg/m³.
Osobine čelika kao što su tvrdoća, duktilnost, zatezna čvrstoća... mogu se kreirati i
kontrolisati u veoma širokom spektru, što čelik čini osnovnim metalnim konstrukcionim
materijalom. Tri osnovne metode, koje se naravno mogu međusobno kombinovati, u cilju
postizanja željenih osobina čelika su:
- legiranje
- termička obrada (žarenje, kaljenje, poboljšanje, Tempcore-metoda, itd.)
- plastična prerada (valjanje, izvačenje, itd.)
4
Proizvodnja čelika
Proizvodnja čelika ima za cilj dobijanje legure (gvožđa i ugljenika) željenog
hemijskog sastava i mehaničkih osobina. Postizanje željenih mehaničkih osobina zavisi od tri
međusobno povezana faktora:
- hemijskog sastava (kombinacija legirajućih elementata),
- plastične prerade i
- termičke obrade.
Proizvodnja čelika se odvija u čeličanama, koje su deo šireg postrojenja pod imenom železara.
To postrojenje se najčešće sastoji od: pogona visoke peći, čeličane i valjaonice (tople i
hladne). Pogon visoke peći nije neophodan u slučaju ako se čelik dobija iz čeličnog otpada
pomoću elektro lučnih peći. Postoje generalno dva tipa železara:
- integralna železara, ona koja poseduje postrojenje visoke peći, konvertorske čeličane i tople
i hladne valjaonice,
- ostali tipovi železara koje nemaju proizvodnju gvožđa (nemaju visoku peć).
Vrste čelika
Po DIN EN 10020 postoje samo dve Glavne klase čelika:
- Kvalitetni čelici (QS)
- Specijalni (plemeniti) čelici (SS)
Danas je registrovano negde oko 2500 različitih vrsta čelika.
Dalje grupiranje na podgrupe vrši se prema legurajućim elementima, mikrostrukturi, ili
mehaničkim osobinama.
Prema sadržaju legirajućih elemenate čelici se dele na:
- Nelegirani čelici - Nelegirani čelici se dele na one koji su predviđeni za termičku obradu i
one koji to nisu.
- Niskolegirani čelici - Kao niskolegirani čelici tretiraju se oni čelici sa ukupnim masenim
udelom legirajućih elemenata ne manjim od 1%, ali ne većim od 5%. Ovi čelici posduju
poboljšane mehaničke osobine u odnosu na nelegirane čelike.
- Visokolegirani čelici - Kao visoko legirani čelik tretira se čelik koji sadrži više od 5%
legirajućih elemenata. Ovi čelici poseduju izuzetne osobine u zavisnosti koja kombinacija
legirajućih elemenata je primenjena. Tipičan primer je nerđajići čelik, koji svoju optpornost
na koroziju duguje u prvom redu Hromu.
5
Podela čelika u grupe
Razvrstavanje čelika po srodnim grupama moguće je izvesti na više načina. To su:
način proizvodnje, hemijski sastav, kvalitet, mikrostruktura, namena itd.
Prema načinu proizvodnje čelici se dele na:
• Bessemerov čelik
• Thomasov čelik
• Simens-Martinov čelik
• Elektro čelik
• Čelik iz kisikovih konvertora
• čelik proizveden sekundarnom metalurškom obradom, kontrolisanom
metalurgijom.
Prema načinu dezoksidacije:
• nemirene
• poluumirene i umirene
• specijalno umireni čelici
Prema hemijskom sastavu čelici se dele na:
• nelegirane
• legirane (niskolegirani, visokolegirani)
Prema kvalitetu:
• osnovne ili komercijalne (masovne)
• kvalitetne
• plemenite
Prema nameni:
• konstrukcione
• alatne
• posebnim osobinama (antikorozioni, vatrootporni, brzorezni, itd.)
Prema načinu prerade:
• toplo valjani
• hladno valjani
• kovani
• vučeni
6
• liveni
Prema obliku proizvoda:
• šipke
• žice
• cevi
• profili
• limovi itd.
•
Gvožđe čiji sadržaj ugljenika ne prelazi 2 % može se definisati i definiše se kao čelik.
Sa većim procentom ugljenika prestaje mogućnost deformacije, pa se takvo tehničko željezo
sa preko 2 % sadržaja ugljenika naziva gvožđem.
Čelici se razlikuju i po načinu dobijanja. Tako se čelik dobijen u tečnom stanju zove
topljeni čelik, a ako je dobijen u testastom stanju, tj. ako pri dobijanju nije prekoračena tačka
topljenja čelika, zove se vareni čelik.
Na slici 1. dat je šematski prikaz opšte podele gvožđa i njegovih legura.
- ugljenični - ugljenični - ugljenični - ugljenični
- niskolegirani - niskolegirani - niskolegirani
7
Ž E L J E Z O
HEMIJSKO ČISTO ŽELJEZO (Fe) TEHNIČKO ŽELJEZO (sadrži C)
s manje od 2 % CČELIK
s više od 2 % CGVOŽĐE
Vareni čelik dobiven na temp.
ispod temp. topljenja čelika
Topljeni čelik dobiven na temp.
iznad temp. topljenja čelika
Bijelo livenogvožđe
Sivo livenogvožđe
KONSTRUKCIONI ČELIK ALATNI ČELIK
obični kvalitetni plemeniti plemeniti
- visokolegirani - visokolegirani
Konstrukcionim čelicima se nazivaju oni čelici koji se primenjuju za izradu delova
mašina, noseće konstrukcije i građevina. Konstrukcioni čelici mogu biti kako ugljenični tako i
legirani čelici. Sadržaj ugljenika u ovoj grupi čelika obično ne prelazi 0,5 - 0,6 %.
Konstrukcioni čelik treba da ima povišenu čvrstoću, plastičnost i žilavost, zajedno sa dobrim
tehnološkim svojstvima. Treba da se lako prerađuje pritiskom (valjanjem, kovanjem,
presovanjem, itd.) i rezanjem, da se dobro zavaruje, malu sklonost ka deformacijama i
obrazovanju pukotina pri kaljenju.
Obični ugljenični konstrukcioni čelici. U ovu grupu spadaju čelici koji sadrže do 0,6
% C i pri čijoj proizvodnji se obično ne stavljaju veliki zahtevi u pogledu postupaka topljenja
i livenja.
Kvalitetni ugljenični konstrukcioni čelici. Ovi čelici imaju strožije uslove prilikom
dobijanja u odnosu na obične ugljenične konstrukcione čelike. Postavlja se veći zahtev u
pogledu sastava (manji je sadržaj S, F, pojedinačno do 0,045 %), količine nemetalnih
dodataka, makro i mikro strukture.
Plemeniti ugljenični konstrukcioni čelici. Od ovih čelika se zahtevaju specijalna
svojstva pa se njihova proizvodnja mora odvijati pod strogim režimom. Sadržaj sumpora i
fosfora pojedinačno je ispod 0,035 %, a kod nekih vrsta se ograničava i nižim vrijednostima,
npr. 0,020 %.
Alatni čelici
Alatnim čelicima nazivaju se ugljenični i legirani čelici koji sadrže iznad 0,7 % C,
imaju visoku tvrdoću, čvrstoću i otpornost prema habanju i primenjuju se za izradu različitih
alata.
Podela alatnih čelika nije jednoobrazna, niti se zasniva na nekoj egzaktnoj metodologiji. Ona
je više-manje iskustvena i ima za cilj da što više olakša izbor odgovarajućeg materijala u
određenim slučajevima. Osnovna podela svih alatnih čelika može se izvršiti dvojako:
• prema hemijskom sastavu
• prema nameni
Prema hemijskom sastavu dele se na:
• ugljenične
• legirane
8
Ugljenični čelici se mogu koristiti samo za rezanje malom brzinom, jer se njihova visoka
tvrdoća jako snižava pri zagrevanju iznad 190-200 oC.
Legirani alatni čelici, dopuštaju kaljenje u ulju i toplim kupkama, što smanjuje deformisanje i
vitoperenje alata. Najčešći legirani elementi u ovim čelicima su: Cr, Mn, V, Mo, Ni, Co, itd. S
obzirom na hemijski sastav, razlikuju se glavne grupe čelika kao npr. Cr-alatni čelici, Cr-Mo-
V- alatni čelici W-alatni čelici itd.
Podela alatnih čelika prema nameni
Jedna od osnovnih podela alatnih čelika prema nameni bila bi sledeća:
• alatni čelici za rad u hladnom stanju
• alatni čelici za rad u toplom stanju
• brzorezni alatni čelici
Alatni čelici za rad u hladnom stanju upotrebljavaju se za izradu alata kojima se
obrađuju u hladnom stanju različiti materijali, kao npr.: čelik, obojeni metali, drvo, plastične
mase, papir, itd. Alatni čelici za rad u toplom stanju se upotrebljavaju za izradu alata za
obradu različitih materijala na visokim temperaturama (kovanjem, presovanjem, livenjem).
Brzorezni čelici se koriste za razne alate zbog toga što zadržavaju dovoljno visoku
tvrdoću pri rezanju metala velikom brzinom koja prouzrokuje visoke temperature (540 -600 oC) na reznom sečivu alata.
Podela čelika prema oblastima primene
• Čelici za automate
• Betonski čelici
• Čelici za cementaciju
• Čelik za opruge
• TRIP čelici (engl. TRIP Steels, TRIP - transformation-induced plasticity)
• HSLA čelici (engl. HSLA Steels - High Strength Low Alloy steels)
9
• Nerđajući čelici - Postoji kao Feritni (minimalno 10% Cr) i Austenitni (Cr+Ni).
Austenitni čelici su nemagnetični na sobnoj temperaturi.
• Čelici za nitriranje
• Čelici otpotni na uticaj kiselina
• Čelici za duboko izvačene
• Čelici za poboljšanje
• Alatni čelici
Brzorezni čelici
• Čelici za izradu sečiva
Legirajući elementi i njihov uticaj na osobine čelika
Legirajući elementi u čeliku se rezlikuju po tome da li stabilizuju stvaranje karbida,
austenita ili ferita, odnosno sa kojim ciljem su legirani. Svaki element daje čeliku određeni niz
karakteristika specfičnih samo njemu. Postoje vrste čelika gde samo karakteristična
kombinacija "suprostavljeno" delijućih legirajućih elemenata daje željenu mikrostrukturu.
Legiranje čelika daje samo osnovu za postizanje željenih osobina u toku termičke obrade i
plastične prerade.
Legirajući elementi u čeliku se dele u principu u dve grupe:
- alfageni elementi (stabilizuju ferit): Mo, Si, V, Nb, Ti, Al, W, i
- gamageni elementi (stabilizuju austenit): Ni, Mn, C, N, Cu.
Aluminijum (Al)
T. Topljenja = 658°C.
Sužava snažno γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C <=> Favorizuje stvaranje ferita.
Aluminijum je najjače i najčešće primenjivano dozoksidativno sredstvo. Pored toga
aluminijum snažno utiče na koncentraciju rastvorenog azota u čeliku i kao takav utiče na
osetljivost legure na proces starenja. Već u malim koncetnracijama favorizuje usitnjavanje
zrna što kasnije značajno utiče na mehaničke osobine. Kako aluminijum zajedno sa azotom
gradi nitride visoke trvdoće, veoma je široko korišćen kao legirajući element u čelicima za
nitriranje.10
Aluminijum povećava vatrostalnost (vatrootpornost) čelika i kao takav je često korišćen kod
legiranja feritskih vatrostalnih čelika. Kroz procesu "aliranja" (nanošenje aluminijuma u
površinskom sloju) može se čak i kod visoko ugljenični čelika poboljšati vatrostalnost.
Zbog vrlo snažnog uticaja na povećanje koercitivne sile aluminijum se koristi u železo-kobalt-
aluminijum čeliku od koga se prave permanentni (stalni) magneti.
Arsen (As)
T. Topljenja = 817°C (pod pritiskom).
Sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.
Sklonost ka stvaranju segregacija - Izuzetno štetna pojava pri livenju čelika.
Nepoželjan legirajući element.
Difiziono žarenje, inače jedini način uklanjanja segregacija u čeliku, je još teže u slučaju
arsena nego što je to slučaj kod, na primer, fosfora. Pored toga povećava krtost materijala
posle procesa otpuštanja, snižava drastično zateznu čvrstoću i sposobnost zavarivanja.
Bor (B)
T. Topljenja = 2.300°C
Bor ima vrlo izražen uticaj na absorpciju neutrona što ga čini veoma pogodnim za legiranje
čelika koji se koristi pri izgradnji nuklearnih reaktora.
Austenitni 18/8 CrNi-čelici legirani borom u procesu taložnog ojačavanja postižu povećanu
granicu tečenja i zateznu čvtstoću, s tim što istovremeno slabi njihova Koroziona postojanost.
Mikrokonstituenti izdvojeni u procesu taložnog ojačavanja povećavaju zateznu čvrstoću
visoko vatrostalnih čelika u području izuzetno visokih temperatura.
Kod čelika negarantovanog sastava i kod ugljeničnih čelika bor kao legirajući element
poboljšava prokaljivost a samim tim zateznu čvrstoću.
Bor kao legirajući element generalno smanjuje sposobnost zavarivanja čelika.
Berilijum (Be)
T. Topljenja = 1.280°C.
Snažno širi γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.
11
Bakar-berilijum-legure se koriste za izradu visokokvalitetnih opruga za časovnike koje ne
pokazuju skoro nikakvu sposobnost magnetizacije kao i veću dinamičku čvrstoću nego
odgovarajuće opruge napravljene od čelika. Nikl-berilijum-legure su veoma koroziono
postojane i koriste se za izradu hiruških instrumenata. U čeliku, pored toga što snažno širi γ-
oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C, berilijum može onemogućiti taložno ojačavanje što u
pomenutom slučaju vodi padu zatezne čvrstoće. Pored toga poseduje veliki afinitet prema
kiseoniku (dezoksidirajuće svojstvo) i prema sumporu.
Ugljenik (C)
T. Topljenja = 3.450°C.
Snažno širi γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.
Ugljenik je najvažniji i najuticajniji legirajući element u čeliku. Pored ugljenika svaki
nelegirani čelik sadrži silicijum, mangan, fosfor i sumpor, čije je prisustvo posledica samog
procesa proizvodnje čelika. Dodavanje drugih legirajućih elemenata u cilju postizanja
određenih osobina čelika, kao i dolegiranje silicijuma i mangana vodi ka dobijanju legiranog
čelika. Sa povećanjem masenog udela ugljenika raste zatezna čvrstoća i tvrdoća čelika, dok se
sposobnost izvlačenja, kovnost, zavarljivost i mašinska obradljivost smanjuju.
Koroziona otpornost u odnosu na vodu, kiseline i vrele gasove skoro i da ne zavisi od
masenog udela ugljenika.
Kalcijum (Ca)
T. Topljenja = 850°C
Zajedno sa silicijumom u formi siliko-kalcijuma upotrebljava se u procesu proizvodnje pri
dezoksidaciji čelika. U principu kalcijum povećava vatrostalnost.
Cer (Ce)
T. Topljenja = 775°C
Sam, ali najčešće u kombinaciji sa lantanom, neodijumom, prazeodijumom i ostalim
elementima koji pripadaju grupi metala retke zemlje deluje kao snažan dezoksidans. Zbog
12
svog izuzetno velikog aktiviteta prema kiseoniku i sumporu služi kao sredstvo za postizanje
visoke čistoće čelika.
Poboljšava kod visokolegiranih čelika sposobnost obrade na povišenim temparaturama dok
kod vatrostalnih čelika potpomaže vatrostalnost.
Železo-cer-legura sa oko 70% cera naziva se pirofor (veštački kremen).
Dodaje se i kao legirajući element u nodularnom livu.
Kobalt (Co)
T. Topljenja = 1.492°C
Ne stavra karbide <=> Favorizuje izdvajanje grafita.
Otežava rast zrna, poboljšava otpornost u odnosu na krtost pri procesu otpuštanja kao i
zateznu čvrstoću na povišenim temparaturama. Zbog toga se koristi kao legirajući element
kod brzoreznih čelika i alatnih čelika za rad u toplom, kao i za proizvodnju drugih
vatrostalnih i visoko vatrostalnih legura.
Povećava remanenciju, koercitivnu silu i toplotnu provodnost, zato se često primenjuje kao
osnovni legirajući element za visokokvalitetene stalne magnete (čelične ili od drugih legura).
Pod uticajem neutronskog zračenja stvara se intenzivno izotop 60Co, zbog toga je Kobalt
nepoželjan kao legurajući element u matrijalima koji služe za izradu nuklearnih reaktora.
Hrom (Cr)
T. topljenja = 1.920°C.
Izražena težnja ka stvaranju karbida.
Snažno sužava γ- a širi α-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.
Hrom kao legirajući element daje čeliku sposobnost kaljenja u ulju, odnosno na vazduhu,
preko uticaja na kritičnu brzinu kaljenja, što povećava prokaljivost čelika i sposobnost
poboljšanja. Sklonost ka krtom lomu se smanjuje dodatkom hroma, mada je uticah na
sposobnost izvlačenja relativno slab. Sposobnost zavarivanja (zavarljivost) raste sa
povećanjem masenog udela hroma u leguri. Zatezna čvrstoća čelika raste 80-100 N/mm2 po
masenom procentu hroma.
Hrom ima izuzetnu sklonost ka stvaranju karbida koji dalje pozitivno utiču na mehaničke
karakteristika čelika (na pr. otpornost na habanje), ali negativno utiče na korozionu
postojanost.
13
Iako snažno sužava γ- a širi α-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C, hrom stabilizuje austenit
(γ-oblast) u hrom-mangan-, odnosno hrom-nikl-nerđajućim čelicima.
Hrom kao legirajući element snižava toplotnu i električnu provodnost čelika.
Ako imamo visko sadržaj ugljenika u čeliku i istivremeno sadržaj hroma do 3% (masena %)
povećavaju se istovremeno remanencija, koercitivna sila.
Kod nerđajućih čelika sadržaj hroma preko 12% daje materijalu pozitivni elektrohemijski
potencijal, materijal postaje "plemenitiji", što ga čini otpornim na delovanje elektrolita, a
istovremeno se stvara površinski sloj Cr-oksida, koji dodatno štiti materijal od korozivne
sredine.
Bakar (Cu)
T. Topljenja = 1.083°C.
Nepoželjan (štetan) legirajući element.
Bakar se vrlo retko ciljno legira (samo kod nekih posebnih vrsta čelika), inače je u principu
vrlo nepoželjan u čeliku. Poseban problem predstavlja u čeličanama koje proizvode čelik u
elektrolučnim pećima gde se njegov udeo u leguri može vrlo teško kontrolistai, s obzirom da
metalni otpad ima vrlo širok spektar udela bakra. Kada je u pitanju „staro gvožđe“, što je
često sinonim za čelični otpad, u Evropskoj uniji postoje 9 klasa čeličnog otpada podeljenih
prema "čistoći" čelika. Zbog visoke cene čelika koji pripadaju višim klasama čistoće, čeličane
su primorane da prave tzv. "čelični meni" sastavljeno od optimalne kombinacije čeličnog
otpada i optimalne cene tone čelika.
Štetno dejstvo bakra ispoljava se naročito pri visokim temperaturama. Najštetnije dejstvo
bakra ispoljava se tokom platične prerede čelika na povičenim temparaturama (kovanje,
valjanje, izvlačenje ...), i posledica je izdvajanja bakra po granicama zrna. Izdvajanje bakra po
granicama zrna povećava površinsku osetljivost materijala u toku svih vrsta plastične prerade
napovišenim temparaturama.
Granica tečenja i odnos granica tečenja/zatezna čvrstoća se poboljšavaju sa porastom
masenog udela bakra u čeliku. Maseni udeo preko 0,3% bakra vode povećanju tvrdoće,
odnosno povećane sposobnosti kaljenja.
Uticaj na sposobnost zavarivanja nije primećen.
14
Kod nelegiranih i nisko legiranih čelika bakar povećava njihovu otpornost na štetene
atmosferke uticaje. Kod visoko legiranih čelika maseni udeo bakra iznad 1% povećava
njihovu otpornost na dejstvo kiselina (pogotovo hlorovodonične i sumporne kiseline).
Vodonik (H)
T. Topljenja = -262°C.
Nepoželjan (štetan) legirajući element.
Vodonik izaziva povećanje krtosti i smanjenje sposobnosti izvlačenja čelika a da pritom ne
poboljšava vrednost granice tečenja i zatezne čvrstoće. Kod većine legirajućih elemenata, npr.
sposobnost izvlačenja i zatezna čvrstoća su obrnuto korelirani.
Vodonik je pored ostalog „krivac“ za takozvani „plavi lom“ čeličnog matrijala.
Unutar čelika Vodonik se okuplja u blizini greški u materijalu (dislokacije, nemetalni
uključci, ...) u atmosfere. U zavisnosti od količine vodonika u čeliku te nakupine mogu dostići
takve razmere da postanu koncetrator naprezanja dovoljno veliki da na njemu krene rast
prskotine koja će kasnije dovesti do loma matarijala.
Magnezijum (Mg)
T. Topljenja = 657°C
Magnezijum se koristi kao dezoksidans a kao sredstvo za uklanjanje neželjenog sumpora iz
čelika. Kao legirajući element u dobijanju legure gvožđa pospešuje stvaranje globularnog
(sfernog) grafita.
Mangan (Mn)
T. Topljenja = 1.221°C.
Snažno širi γ-oblst u faznom dijagramu Fe-Fe3C.
Mangan u čeliku na prvom mestu služi kao dezoksidacionao sredstvo. Kao sredstvo za
redukovanje količine slobodnog sumpora mangan deluje tako što stvara mangansuklfid (MnS)
stvaranje štetnog železosulfida (FeS). Dugo je vremena problem stvaranja železosulfida što
uzrokuje takozvanu pojavu loma u crvenom (ili crveni lom) bio nerešiv. Problem je bio u
tome što železosulfid ima veoma nisku tačku topljenja tako da ostaje u tečnoj fazi pri
15
očvršćavanju čelika. To dovodi do toga da kao poslednja tečna faza železosulfid očvrsne po
granicama zrna. Kako je Železosulfid vrlo krt to dovodi do loma materijala već pri plastičnoj
preradi u oblasti temparatura crvenog usijanja. Odatle vodi naziv - „crveni lom“ ili lom u
crvenom. Suprotno železosulfidu, mangansuklfid je teško topivo jedinjenje, tako da se u vidu
nemetalnih uključaka izdvaha unutar zrna, što povoljno utiče na mehaničke osobine
materijala. Ta osobina je posebo veoma korisna kod čelika za automate koji inače imaju
povećan sadržaj sumpora. Povećan sadržaj sumpora kod čelika za automate koristan je sa
aspekta poboljšanja sposobnosti mašinske obrade materijala.
Mangan snažno snižava kritičnu brzinu hlađenja što povećava sposobnost kaljenja čelika.
Granica tečenja i zatezna čvtstića se povećavaju ps povišenjem masenog udela mangana.
Mangan takođe povoljno utiče na kovnost, sposobnost zavarivanja kao u povećanje dubune
prokaljivosti.
Maseni udeli preko 4% vode, pri sporijem hlađenju, stvaranju krte martenzitne strukture tako
da se ta oblast legiranja izbegava. Čelici sa preko 12% masenih udela mangana ostaju
austenitni i pri istivremeno visokom sadržaju ugljenika, jer Mangan snažno deluje na širenje
γ-oblasti u faznom dijagramu Fe-Fe3C. Takvi čelici se mogu na pr. deformaciono platično
povzšinski ojačati uz istovremeno očuvanje duktilne centralne zone profila, što ovu sortu
čelika čini izuzetno otpornu na habanje. Takav raspored, meka (duktilna) centralna zona i tvrd
površinski sloj, daju ovom materijalu izuzetne eksplotacione mehaničke osobine. Čelici sa
preko 18% masenih udela mangana ostaju čak i posle relativno visokog stepena plastične
deformacije nemagnetični. Ova sorta čelika se često pod nazivom specijalni čelici koristi za
izradu odgovornih delova koji rade u uslovima niskih temparatura.
Managn povećava toplotni koeficijent širenja, a pri tom smanjuje toplotnu i električnu
provodnost čelika.
Molibden (Mo)
T. Topljenja = 2.622°C.
Izražena težnja ka stvaranju karbida.
Snažno sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.
Molibden se većinom legira u kombinaciji sa drugim legirajućim elementima. Molibden
snažno snižava kritičnu brzinu hlađenja što povećava sposobnost kaljenja čelika. U
kombinaciji sa hromom niklom i manganom, molibden smanjuje sklonost ka krtosti posle
otpuštanja, pospešuje stvaranje finijeg (sitnijeg) zrna, pozitivno deluje na sposobnost
16
zavarivanja. Granica tečenja i zatezna čvtstoća se povećavaju ps povišenjem masenog udela
mangana. Granica tečenja i zatezna čvrstoća se povećavaju sa povišenjem masenog udela
molibdena.
Pri većim masenim udelima molibdena dolazi do smanjenja sposobnosti mašinske obrade.
Zbog izražene težnje ka stvaranju karbida poboljšava osobine brzorežućih alatnih čelika.
Primenjen kod visokolegiranih čelika legirenih hromom ili kod hrom-nikl-austenitnih čelika,
molibden pomaže daljem povećanju korozione postojanosti.
Dodatak molibdena kao legirajućeg elementa negativno deluje na vatrostalnost čelika.
Azot (N)
T. Topljenja = -210°C.
Snažno širi γ-oblst u faznom dijagramu Fe-Fe3C.
U zavisnosti od vrste i namene čelika azot se može posmatrati i kao šteten i kao koristan
legirajući element. Štetna su pojave taloženja koje dovode do sniženja sposobnosti izvalčenja
a u procesu starenja izazivaju takozvani lom u plavom (pri preredi u oblasti temperatura
plavog usijanja - 300 do 350°C), ako i mogućnost pojave interkristalne naponske korozije kod
nelegiranih ili niskolegiranih čelika.
Kao legirajući element azot proširuje γ-oblast i stabilizuje austenitnu strukturu, povećava kod
austenitnih čelika granicu tečenja, a posebno zateznu čvrstoću kao i ostale mehaničke osobine
na povišenim temperaturama.
U procesu nitriranja Azot se može naneti u tankom površinskom sloju, čime se dobija vrlo
čvrst i tvrd površinski sloj, dok unutrašnjost ostaje originalno meka i žilava, čime se postižu
optimalne karakteristike na primer za delove koji su izloženi snažnom dinamičkom
opterćenju.
Niobijum i Tantal (Nb-Ta)
T. Nb Topljenja = 1.960°C, T. Ta Topljenja = 3.030°C
Izražena težnja ka stvaranju karbida.
Snažno sužavaju γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C <=> Favorizuju stvaranje ferita.
Zbog toga što u prirodi obično idu zajedno i uz to se veoma teško razdvajaju, ova dva
elementa se primenjuju u legiranju čelika ako legura niobijuma i tantala. Zbog osobine da
17
povećavaju vatrostalnost kao i otpornost na puzanje vrlo često se koriste kao legirajući
elementi za čelike koji rade u uslovima visokog pritiska i visoke temperature.
Tantal ima veoma visok stepen absorpcije neutrona tako da za čelike koji se primenjuju za
izradu nuklearnih reaktora dolazi u obzir samo tantal-niobijum-legura sa vrlo niskim masenim
udelom tantala.
Nikl (Ni)
T. Topljenja = 1.453°C.
Snažno širi γ-oblst u faznom dijagramu Fe-Fe3C.
Povećava granicu tečenja i smanjuje krtost kod čelika negarantovanog sastava. U cilju
povećanja žilavosti nikl se dodaje kao legirajući element u čelika za cementaciju i čelike za
poboljšanje.
Zbog snažno širi γ-oblsti u faznom dijagramu Fe-Fe3C nikl služi kao stabilizator austenitne
strukture u nerđajućim hrom-nikl-čelicima.
Legura železa i nikla sa 36% masenih udela nikla pod komercijalnim nazivom „Invar“
poseduje najmanji koeficijent termičkog širenja i kao takva nezamenljiv je matrijal u izradi
mnogih mernih instrumentata.
Antimon (Sb)
T. Topljenja = 630°C
Sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.
Sklonost ka stvaranju segregacija - Izuzetno štetna pojava pri livenju čelika.
Nepoželjan legirajući element.
Slično arsenu povećava krtost odnosno smanjuje žilavost materijala.
Olovo (Pb)
T. Topljenja = 327,4°C
Olovo u principu nije istinski legirajući element u čeliku, jer njegov uticaj na mehaničke
osobine skoro i da ne postoji. Dodaje se u količini između 0,2 i 0,5 masenih procenata u cilju
18
poboljšanja sposobnosti obrade mašinskom obradom. Jedna od primena olova je u izradi
ležajeva gde dolazi do izražaja nizak koeficijent frikcije olova.
Fosfor (P)
T. Topljenja = 44°C.
Nepoželjan (štetan) legirajući element izuzetno snažnog legirajućeg uticaja.
Snažno sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.
Postoji samo jedna sorta čelika kod koje je dozvoljen relativno visok sadržaj fosfora. To su
čelici za automate. Fosfor iskazuje jaku tendenciju posebno ka primarnoj segregaciji, čije se
štetno prisustvo usled relativno nikog koeficijenta difuzije fosfora, kako u austenitu tako i u
feritu, veoma je teško uklanja. Segregacije deluju kao slaba mesta u strukturi materijala na
kojima po pravilu kreće propagacija prskotine, što za posledicu ima lom materijala. Pošto je
skoro nemoguće sprečiti Segregaciju fosfora, odnosno pospešiti njegovu ravnomernu
raspodelu unutar čvrstog rastvora, ostaje kao jedino rešenje maksimalno smanjenje masenog
udela (od 0,03%-0,05%).
Fosfor već u malim količinama povećava osetljivost na pokavu krtosti materijala prilikom
otpuštanja. Taj uticaj se povećava sa povećanjem masenog udela ugljenika. Takođe raste
temperatura kaljenja, veličina zrna kao i smanjenje sposobnosti plasične deformacije.
Posledica svega toga može da bude lom u hladnom kao posledica porasta krtosti materijala.
U niskolegiranim čelicima negarantovanog kvaliteta koji imaju maseni udeo ugljenika oko
0,1%, povećan sadržaj fosfora povećava korozionu postojanost u odnosu na atmosferske
uticaje. Sličan uticaj ima još jedan takozvani nepoželjni legirajući element, bakar.
Dodatak fosfora može kod austenitnih čelika (CrNi-čelici) pored uticaja na procese taložnog
ojačavanja može povećati i granicu tečenja.
Kiseonik (O)
T. Topljenja = -218,7°C.
Nepoželjan legirajući element.
Kiseonik pogoršava tehno-mehaničke osobine čelika kao što su žilavost sposobnost starenja.
Kao i sumpor kiseonik dovodi do „loma u crvenom“ (lom u oblasti temparatura crvenog
usijanja).
19
Sumpor (S)
T. Topljenja = 118°C .
U principu nepoželjan legirajući element veoma snažnog legirajućeg dejstva.
Sumpor pogoršava tehno-mehaničke osobine čelika u prvom redu granicu tečenja. Zasebno ili
kombinaciji sa kiseonikom (pojačano dejstvo) dovodi do „loma u crvenom“ (lom u oblasti
temparatura crvenog usijanja).
Ipak sumpor se dodaje kod čelika za automate u masenom udelu do maksimalno 0,3% u cilju
poboljšanja sposobnosti mašinske obrade rezanjem.
Silicijum (Si)
T. Topljenja = 1.414°C.
Sužava snažno γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C <=> Favorizuje stvaranje ferita.
Silicijum je jako i vrlo često primenjivano dozoksidativno sredstvo u proizvodnji čelika. Kao
legirajući element silicijum povećava čvrstoću, granicu elestičnosti i otpornost na habanje.
Sposobnost da poveća granicu elestičnosti dovodi do vrlo česte primene silicijuma kao
legirajućeg elementa u proizvodnji čelika za opruge.
Legiran u većim masenim udelima silicijum vodi poboljšanju vatrostalnosti i otpornosti na
uticaj kiselina. Međutim visok sadržaj silicijuma utiče na smanjenje električne provodnosti i
koercitivne sile.
Titan (Ti)
T. Topljenja = 1.727°C.
Izražena težnja ka stvaranju karbida.
Kao snažno dozoksidativno sredstvo u izuzetnu težnju ka stavranju karbida, titan se legira kao
stabilizator u kororiono rezistentnim čelicima (nerđajući čelici).
Vanadijum (V)
T. Topljenja = 1726°C.
Izražena težnja ka stvaranju karbida.
20
Kao i titan poseduje izuzetnu težnju ka stavranju karbida i nitrida. Vanadijum snažno deluje
na vezivanje azota u čeliku. Dodatakom vanadijuma postiže se fina sitnozrna mikrostruktura
koja za posledicu ima poboljšanje mehaničkih osobina čeličnih odlivaka. Dodatak vanadijuma
pozitivno delije na otpornost na habanje (znog prisustava tvrdih karbida), dobre mehaničke
osobine u radu na povišenim temparaturama, kao i povoljan uticaj na proces otpuštanja. Zbog
svega gore nabrojanog Vanadijum se legira kod brzoreznih alatnih čelika, alatnih čelika za rad
u toplom kao i kio alatnih čelika za rad na visokim temparaturama. Dolegiran u čelike za
opruge Vanadijum vodi povećanju granice elastičnosti.
Volfram (W)
T. Topljenja = 3380°C.
Izražena težnja ka stvaranju karbida.
Volfram deluje vrlo pozitivno na zateznu čvrstoću, granicu tečenja kao i na žilavost čelika.
Zbog toga što utiče na povećanje čvrstoće čelika na povišenim temparaturama, a uz to
povećava i otpornost na habanje, Volfram se legira kod brzoreznih alatnih čelika kao i kod
alatnih čelika za rad u toplom.
Kalaj (Sn)
T. Topljenja = 231,8°C.
Nepoželjan legirajući element veoma snažnog legirajućeg dejstva.
Cirkonijum (Zr)
T. Topljenja = 1860°C.
Izražena težnja ka stvaranju karbida.
Cužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.
Cirkonijum se ponaša kao snažno dozoksidativno sredstvo, denitrifikaciono sredstvo i
desulfuraciono sredstvo. Kod čelika za automate, koji inače imaju poželjno uvećan sadržaj
sumpora, Cirkonijum deluje pozitivno na profil i sastav istaloženih sulfida što smanjuje
opasnost od pojave loma u crvenom.
21
Zaključak
Postoji generalna težnja da se čelik zameni u većini mesta gde se trenutno primenjuje,
a razlog je njegova velika specifična težina. Težnja da se upotrebe metalni materijali kao što
su Aluminijum, Magnezijum, Titan i njihove legure ili kompozitni materijali (većinom na
bazi ugljeničnih vlakana) otežana je činjenicom da ni jedan (za sada) poznati materijal nema
tako neverovatan raspon i fleksibilnost osobina (uz pomoć legiranja, termičke obrade i
plastične prerade) kao i relativno nisku cenu proizvodnje kao čelik. Ako je suditi po
trenutnom stanju na tržištu, sada i u bližoj budućnosti, čelik je (i biće) superioran materijal za
najširu upotrebu.
22
LITERATURA
1. www.google.rs
23