MATERIJALI II. Lijevovi Autorizirana predavanja
Prof.dr.sc Tomislav Filetin
SISTEMATIZACIJA MATERIJALA Pojam lijev proizlazi iz tehnološkog postupka lijevanja i usko je povezan s pojmom „odljevak“. Taljevina ( lijev ) se ulijeva u kalupe i poprima konačan oblik, čime dobivamo odlijevak koji se još eventualno dorađuje obradom odvajanjem česticama ( blanjanje, brušenje, bušenje, i sl. ) Odljevci se prvenstveno primjenjuju kada tehnički nije izvodljivo ili nije ekonomično oblikovanje na drugi način – npr. kovanjem, obradom odvajanjem čestica iz poluproizvoda, zavarivanjem i sl. To se poglavito odnosi na dijelove vrlo složenih oblika i geometrije a i velikih dimenzija ( kučišta strojeva, veliki zupčanici ) PREGLED Fe LIJEVOVA -
Čelični lijev Bijeli tvrdi lijev Sivi lijev Nodularni ( žilavi ) lijev Temper ( kovkasti ) lijev ( CTEL – crni feritni, PTEL – crni perlitni, BTEL – bijeli
PODIJELA LIJEVOVA PREMA: a) Mehaničkim svojstvima - lijevovi dobre istzljivosti i žilavosti ( čelični, temper i nodularni ) - krhki lijevovi ( sivi i bijeli ) b) Tehnološkom postupku dobivanja - Bijelo ( čelik i čelični tvrdi lijev ) – bijele su boje zbog prisutnog Fe3C - Sivo ( sivi i nodularni lijev ) – sive su boje zbog prisutnog Grafita c) Kemijskog sastava - lijevovi s malim masenim udjelom uglika ( do 0,5 % C ) = čelični lijev - lijevovi s visokim masenim udjelom uglika ( 2,2 – 4,5 % C) temper lijev 2,4 – 3,0 tvrdi lijev 3,0 – 3,8 sivi lijev 3,5 – 4,5 nodularni lijev 4,5 – 5,1 d) Mikrostrukturi ( vrsti kristalizacije ) - metastabilno ( čelični i bijeli tvrdi ) – ugljik u cementitu ili karbidu ( legirani ) - mješovito ( stabilno/metastabilno ) – ugljik u grafitu i cementitu - stabilno – ugljik samo u obliku grafita ( ima i ferita ) Mikrostruktura stabilno ili mješovito kristaliziranih lijevova je dvojna i sastoji se od željezne osnove i grafitnih nakupina. Osnova kod nelegiranih vrsta lijevova može biti: Perlitna, Feritna, Feritno-perlitna, slobodni cementit
Grafit se pojavljuje u tri osnovna oblika: - LISTIĆAV ILI LAMELARAN - kod sivog lijeva - KUGLAST - kod žilavog lijeva - ČVORAST – kod temper lijeva - VERMIKULARNI ILI CRVIČAST Na mehanička svojstva lijeva utječe: udio, oblik, veličina i raspodjela grafitnih nakupina. SVOJSTVA LIJEVOVA KOJI SADRŽE GRAFIT U STRUKTURI - velika sposobnost prigušenja vibracija - dobra klizna svojstva - dobra tlačna čvrstoća - dobra obradljivost odvajanjem čestica SVOJSTVA LIJEVOVA SA PREKO 2 % C U ODNOSU NA ČELIČNE LIJEVOVE - nisko talište ( oko eutektičke crte ) - dobra livljivost - mogućnost lijevanja složenijih oblika - dobra korozijska postojanost
ČELIČNI LIJEV Metastabilno kristalizirane legure koje teorijski sadrže 0,2 % C, a kod nelegiranih vrsta 0,5 % C. Čelični lijev je zapravo lijevani čelik koji se podvrgava samo obradi odvajanjem čestica, sastoji Widmannstattenove feritno-perlitne strukture ( 50 %F i 50%P ) koja daje nisku istezljivost i žilavost. Da bi se dobila mikrostruktura slična čeličnoj, lijev se najčešće podvrgava toplinoskoj obradi normalizacije, pri čemu dolazi do usitnjenja lijevane mikrostrukture i izjednačenja veličine zrna. PRIMJENA ČELIČNOG LIJEVA: - ako nije dovoljna čvrstoća sivoga i temper lijeva - za najveće dimenzije i mase ( zbog dobre žilavosti ) - dijelovi otporni na trošenje Dijelovi iz čeličnog lijeva znatno su skuplji od onih od sivg ili temper lijeva i to zbog visokih zahtjeva na čistoću i točnost sastava litine, visokog tališta ( potrebne su posebne peći ), potrebne su naknadne toplinske obrade, kalupi za lijevanje izraditi od debljih stjenki zbog slabog ispunjavanja kalupa i visokog toplinskog stezanja ( skupljanja ), što uzrokuje velika zaostala naprezanja i povećava opasnost od stvaranja pukotina. KLASIFIKACIJA - nelegirani ČL - niskolegirani ČL Kod legiranih toplinskom obradom se postižu neka posebna svojstva: - povišena žilavost i vlačna čvrstoća - mehanička otpornost na povišenim temperaturama ( 300 – 600 oC )
-
otpornost na udarno trošenje otpornost na opću koroziju otpornost na djelovanje agresivnih medija vatrootpornost
BIJELI TVRDI LIJEV Radi se o lijevu koji je dobiven forsiranjem metastabilne kristalizacije u metalnoj kokili ili u mokrom pješčanom kalupu, pri čemu je uobičajeni kemijski sastav taljevine: 2,5...3,5 %C < 0,6 %Si 3,0...4,0 %Mn < 0,9 %P < 0,25 % S Povišeni je i maseni udio Mn, koji kao cementator pospješuje stvaranje karbida, odnosno sprječava stvaranje grafita, dok je ograničen maseni udio silicija kao grafitizatora. Mikrostruktura po presjeku: a) poptuno metastabilna P + FE3C“ + FE3Ce b) mješovito kristalizirana – površinski slojevi metastabilno kristalizirali, dok sredina presjeka stabilno ili mješovito kristalizirala.. Ovakva mikrostruktura je karakteristična za tkz. tvrdokorni lijev SVOJSTVA: - tvrd ( > 400 HV ) i krhak - osjetljiv na udarna opterećenja - mala istezljivost - velika otpornost na pritiske i abrazijsko trošenje - teško obradnjiv odvajanjem čestica - pri lijevanju dolazi do stvaranja šupljina i zaostalih naprezanja PRIMJENA: - valjci u metalnoj i drugim industrijama - kotači i papuče kočnica - dijelovi za drobilica za kamen - alati za izvlačenje žice - matrice za briketiranje ugljena - oklopi bubnjeva u industriji cementa - kugle u bubnjevima za drobljenje ugljena i sl.
SIVI LIJEV Dobiva se pretaljivanjem sirovog željeza i stare lomljevine čelika i onda lijeva u kupci. Nema tvrde faze, pa je zato krhak ( ima puno grafita ). Veći dio ugljika izdvaja se u obliku listića ( lamela ), a manji dio u cementitu tako da je prijelom presjeka sive boje. Kao legura najčešće kristalizira mješovito, rijetko stabilno.
Kemijski sastav nije propisan normama i iznosi: 3,5...4,5 %Si 0,3...1,2 %Mn 1,4 %Si 0,4...1,5 %P < 0,1 %S Si – jak grafitizator koji omogućuje stvaranje grafita P – grafitizator koji poboljšava livljivost. Štetan jer smanjuje žilavost Mn , S cementatori Kemijski sastav mu se može izraziti preko: a) ekvivalenta ugljika CE = C + 1/3(Si + P ) b) stupnja zasićenja Sz, koji se izračuna preko izraza Sz = %C / %Ce = %C / 4,26 – 1/3(%Si + %P ) Prema vrijednostima Sz razlikuju se: - podeutektičke vrste SL Sz < 1 - eutektičke vrste SL Sz = 1 - nadeutektičke vrste SL Sz > 1 Veza između stupnja zasićenja i mehaničkih svojstava: Rm = 1045 – 785Sz – 2,5d N/mm2 Optimalna vrijednost vlačne čvrstoće 250 N/mm2 ( perlitna osnova ) HB = 100 + 0,45Rm TIPOVI GRAFITA: Jednoličan Gnjezdast Primarni eutektički Interdentritični pothlađenja TIP A TIP B TIP C TIP D STRUKTURA: - sastav ( ugljik, grafitizator ) - brzina skrućivanja manja brzina = manje grafita veća brzina = više grafita TEHNOLOŠKA SVOJSTVA: - mogu se lijevati odljevci svih masivnosti - dobra livljivost i rezljivost - loša zavarljivost - jeftina proizvodnja u odnosu na druge lijevove MEHANIČKA SVOJSTVA: - niska vlačna čvrstoća - visoka tlačna čvrstoća - mala istezljivost - mala žilavost - promjenjiv modul elastičnosti E
Interdentritični TIP E
NODULARNI ( ŽILAVI ) LIJEV Zasip od specijalnog sirovog željeza tali se u elektropeći, a taljevina se obrađuje elementima globulatorima koji pomažu izlučivanje grafita u obliku kuglica. Taljevina se zatim ulijeva u pješčane kalupe.Ovaj je postupak složeniji i skuplji nego za ostale lijevove.Sadrži veći postotak ugljika i silicija 3,2...3.8 %C 2.4...2,8 %Si Da se ne pojave antiglobulatori ( smetaju izlučivanje grafita u obliku kuglica), a to su Al, As, Bi, Cd, Pb, Sb, Sn, Ti, Zn, stupanj zasićenja Sz > 1, pa je ovaj lijev nadeutektičkog sastava. MIKROSTRUKTURA: a) feritna ( mala čvrstoca, veća istezljivost ) b) perlitna ( veća čvrstova, manja istezljivost ) c) austenitna d) feritno-perlitna SVOJSTVA: - ima bolja svojstva od SL-a , ali slabija od ČL-a - visoka dinamička izdržljivost i vlačna čvrstoća - visok modul elastičnosti - može se zavarivati - dobro se obrađuje odvajanjem čestica - dobra ležišna svojstva Legiranjem se postižu posebna svojstva – ( otpornost na djelovanje agresivnih medija i vatrootpornost kod austenitnih vrsta ). Izotermički poboljšani nodularni lijev – nova vrsta lijeva sa visokom čvrstoćom, istezljivost, žilavost, otporan na trošenje i dinamički izdržljiv. Ovi se odljevci austenitiziraju, zatim hlade između 200 – 400 0C gdje dolazi do izotermičke pretvorbe u donji ili gornji bainit. Primjenjuje se kod: zupčanika, rotora pumpi, bregastih i koljenastih osovina, sl.
TEMPER ( KOVKASTI ) LIJEV Polazna sirovina za dobivanje ovoga lijeva je bijeli tvrdi lijev. Pošto odljevci bijelog tvrdog lijeva su tvrdi i krhki, moraju se podvrgnuti decementacijskom žarenju, kako bi se dobila niža tvrdoća, veća žilavost i kovkost i bolja obradljivost. MIKROSTRUKTURA: P + Fe3C“ + Fe3Ce + γ + Fe3C γ + Fe3C = se raspada na γ Fe i C u elementarnom obliku.
Ovisno o atmosferi u kojoj se provodi žarenje, dobiva se: a) Crni temper lijev – sivi prijelom od grafita, žarenjem u neutralnoj atmosferi SVOJSTVA - teško se zavaruje, ali se dobro lemi - PTEL se može površinski zakaliti čime se povisuje tvrdoća i otpornost na trošenje PRIMJENA: - bubnjevi kočnica vozila - držači kočionih čeljusti - cijevne spojenice - dijelovi poljoprivrednih spojeva - ventili za vodu i plin i sl. b) Bijeli temper lijev – svijetliji prijelom od ferita i perlita, žarenjem u slabo oksidacijskoj atmosferi ( tkz. europski lijev ). Prilikom dugotrajnog žarenja u slabo oksidirajućoj plinskoj atmosferi ili u granulatu, ugljik iz površinskih slojeva veže se s kisikom iz okoline, izgara i izlazi iz peći u obliku CO 2. Za pravilno vođenje žarenja važan je omjer CO/CO2, da ne dođe do oksidacije željeza. Na taj se način mogu razugljičiti slojevi debljine oko 4...12 mm. Tanji odljevci ( < 5 mm ) mogu se razugljičiti preko cijelog presjeka, dok se kod debljih odljevaka ispod ovog sloja nalazi grafit u više ili manje perlitnoj osnovi. Kod takvih odljevaka mikrostruktura nije ujednačena po presjeku pa i mehanička svojstva ovise o debljini stijenke, posebno kod debljih odljevaka PRIMJENA: - ručni alat - cijevne spojnice, lance i sl Može se pocinčavati i cementirati.
ČELICI Čelik je metastablino kristalizirana legura željeza i ugljika ( ≤ 2 %C ) uz prisutne pratioce ( Si, Mn ) i nečistoće ( P, S i ostale ), i uz eventualni dodatak jednog ili više legirnih elemenata. Nema grafita SISTEMATIZACIJA ČELIKA PREMA: a) kemijski sastav b) mikrostruktura c) način proizvodnje d) oblik i stanje e) područje primjene f) svojstva a) -
Prema kemijskom sastavu garantiranog ili negarantiranog sastava ugljični ili legirani – jednostruko ili višestruko, niskolegirani ili visokolegirani prema vrsti legirnog elementa ( Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V-čelici, Cr-Ni, W-Cr-V )
-
prema kvaliteti ( maseni udjeli P i S ): masovni, kvalitetni ( ujednačena kvaliteta ) i plemeniti ( visoka kvaliteta ) b) Prema tipu mikrostrukture Mogu biti: feritni, perlitni, feritno-perlitni, martenzitni, bainitni, austenitni , .... c) Prema načinu proizvodnje - brojni Prema načinu dezoksidacije i lijevanja čelici mogu biti: nesmireni, polusmireni ili posebno smireni d) Prema obliku i stanju OBLICI: šipke, limovi, trake, cijevi STANJA: lijevani, toplovaljani, hladnovaljani, hladnovučeni, ljušteni, brušeni i polirani, kovani, toplinski obrađeni i sl. e) Prema namjeni - konstrukcijski - ( za nosive konstrukcije, strojne elemente, posebnih svojstava ) - alatni - ( za izradu alata – rezni i mjerni ) f) Prema svojstvima – ( povišena granica razvlačenja i vlačna čvrstovća, žilavost pri niskim temperaturama, rezljivost, otpornost na trošenje, ....
OPĆA SVOJSTVA ČELIKA Temeljna svojstva čelika određena su: a) Kemijskom sastavom: %C Porast %C kod nelegiranih čelika < 0,8 %C raste tvrdoća, granica razvlačenja i vlačna čvrstoća, ali se smanjuje istezljivost, kontrakcija i udarni rad loma. Razlog tome je povišenje udjela tvrdog i krhog Fe3C s povišenjem masenog udjela ugljika. Kod nadeutektoidnih čelika > 0,8 %C, čvrstoća opada jer je povišen udio Fe3C“ koji se mrežasto izlučuje po granicama zrna. Porastom %C, opada sposobnost za plastičnu defromaciju i zavarljivost, a raste zakaljivost: Većina konstrukcijskih čelika sadrži < 0,6 b) Mikrostrukturom i stanjem – koji su određeni sastavom, prethodnim postupcima oblikovanja i toplinske obrade c) Oblikom i dimenzijama poluproizvoda
KONSTRUKCIJSKI ČELICI PRIMJENA: Koriste se za dijelove strojeva i uređaja koji obavljaju neku funkciju: osovine, vratila, zupčanici, nosači, opruge, vijci, zatici, poklopci, kučišta, ventili, ..... ZAHTJEVI: 1. Mehanička svojstva - visoka granica razvlačenja - visoka istezljivost - visoka granica puzanja
2. 3. 4. -
visoka žilavost i čvrstoća dovoljna dinamička izdržljivost Otpornost na trošenje što manji gubitak mase Otpornost na koroziju korozijska postojanost otpornost na oksidaciju Tehnološka svojstva rezljivost
PODIJELA:
OPĆI KONSTRUKCIJSKI ČELICI a) opći konstrukcijski čelici za nosive konstrukcije Od svih čelika najzastupljeniji su u primjeni ( 80 % ). Kemijski im sastav nije propisan, ali su im zato zajamčena mehanička svojstva. Upravo zbog nezajamčenog kemijskog sastava i višeg masenog udjela nečistoća, nisu predviđeni za toplinsku obradu. Imaju < 0,2 %C, a odlikuje ih svojstva zavarljivosti i hladne deformacije. Od ovih se čelika traži dovoljna nosivost i sigurnost, povoljan omjer Re – Rm .Od teholoških svojstava naročita je važna zavarljivost koja ovisi o ugljičnom ekvivalentu Ce. Struktura je feritno-perlitna, što znači da će zrno biti sitnije ako je čelik nakon toplog oblikovanja normaliziran. Sitnozrnastost se poboljšava smirivanjem uz dodtak aluminija koji stvar aluminijev nitrid ( AIN ) i sprječava rast zrna pri kasnijim ugrijavanjima. Viša se čvrstoća postiže dodatkom Mn i Si. Što je viši omjer Mn/C, to je veća žilavost i to posebno pri nižim temperaturama. Viši %Mn povisuje prokaljivost i opasnost od zakaljivanja pri zavarivanja. PRIMJENA: dizalice, mostovi, platforme, stupovi, šasije za vozila, spremnici za tekućine i plinove, i sl. b) opći konstrukcijski čelici za strojogradnju Kemijski sastav 0,3 – 0,5 %C. Imaju lošiju zavarljivost zbog višeg masenog udjela ugljika, više su čvrstoće, ali niže istezljivosti, te veća otpornost na trošenje. Zbog višeg udjela ugljika nisu namjenjeni kaljenju.. PRIMJENA: kod djelova koji se gibaju u odnosu na druge dijelove ili prenose sile i momente: ( vretena, osovine, poluge, vijci, ... )
ČELICI POVIŠENE ČVRSTOĆE Cilj razvoja ovih čelika je postignuće više granice razvlačenja i više vlačne čvrstoće, a time i višeg dopuštenog naprezanja u radu. Primjenom ovih čelika smanjuju se nosivi nosivi presjeci kod jednakih opterećenja, tj. smanjuje se masa i volumen konstrukcije, nadalje je zadržan povoljan omjer Re/Rm tako da u slučaju preopterećenja prije dolazi do plastične deformacije, a ne do loma..
MEHANIZMI OČVRSNUĆA: 1. Očvrsnuće kristalnim mješancima 2. Očvrsnuće martenzitnom transformacijom 3. Očvrsnuće hladnom deformacijom 4. Očvrsnuće usitnjenjem zrna 5. Očvrsnuće izlučivanjem i disperzijom faza PODIJELA: 1. Normalizirani sitnozrnati povišene čvrstoće 2. Poboljšani sitnozrnati Normalizirani sitnozrnati povišene čvrstoće Današnji čelici povišene čvrstoće su u pravilu sitnozrnati mikrolegiranu – HSLA ( High Strength Low Alloyed ). Dodavanjem malih količina disperznih elemenata Ti, Vi Nb, stvaraju se fino raspoređeni karbidi, nitridi i karbonitridi koji koče porast austenitiziranog zrna. MEHANIČKA SVOJSTVA: Nisu osjetljivi na krhki lom, a imaju nisku prijelaznu temperaturu, te dobru zavarljivost. VRSTE: 1. Za normalne temperature 2. Za povišene temperature 3. Za snižene temperature PRIMJENA: - spremnici za plin - mostovi, hangari i vijadukti - postolja vagona i vozila - dijelvi građevinskim strojeva Poboljšani sitnozrnati čelici -
Kaljeni u vodi s temperature oblikovanja te visoko popušteni pri 680....710 0C ( u čeličani ) Niskougljični martenzit = izvanredna čvrstoća i žilavost Zgob potrebe dobre zavarljivosti safrže < 0,2 % C Legirani: Cr-Mn-Ni-Mo-Co + mikrokoličine V, Ti, Zr iB
PRIMJENA: - kuglasti spremnici za plinove - mostovi - Dijelovi buldožera, istovarivača i dizalica - Šasije vozila - Cjevovodi - Korita kamiona - Kučišta i rotori vodenih turbina
Čelici za cementiranje Niskougljični ( < 0,35 %C ), nelegirani ili niskolegirani čelici zajamčenog sastava Cementiranje = pougljičavnje + kaljenje + nisko popuštanje Pougljičavanjem u granulatu, plinu ili solnoj kupki pri Ta, obogaćuju se rubni slojevi ugljikom na oko 0,8 do 0,9 %C , te tako postaje zakaljivi na maksimalnoj mogućoj tvrdoći.U praksi je to 61....64 HRc. Nakon cementrianja površinski slojevi su tvrdi ( visokougljični martenzit ) i otporni na trošenje dok sredina presjeka ostaje feritno-perlitna, kod nepotpunog prokaljivanja, ili niskougljična – martenzitna kod poptunog prokaljivanja presjeka koja je otporna na dinamička i udarna opterećenja , tj. žilava. SVOJSTVA: Primjenjuju za one dijelove koji u radu moraju istovremeno biti otporni na trošenje ( površina ) i podnositi dinamička opterećenja ( jezgra dijela ) Kako je otpornost na trošenje cementiranog sloja približno jednaka za sve čelike ( maksimalna tvrdoća ), to su za izbor čelika odlučujuća mehanička svojstva jezgre. Za veće dimenzije radi potrebe za što potpunijim prokaljivanjem dolaze u obzir jače legirani čelici ( bolje prokaljivi ).
Čelici za poboljšavanje Ova skupina čelika sadrži 0,2....0,6 %C, = niskolegirani i nelegirani čelici zajamčenog sastava. Poboljšavanje = kaljenje + visokotemperaturno popuštanje Kao što im ime govori čelici se podvrgavaju posupku poboljšavanja ( kaljenje i visokotemperaturno popuštanje ) u cilju postizanja visokih granica razvlačenja i vlačne čvrstoće, uz visoku žilavost i dinamičku izdržljivost Osnovni preduvjet za postizanje željenih svojstava je prokaljenost. Na dubinu prokaljivanja – prokaljenost utječu tri skupine svojstav: A) PROKALJIVOST primjenjene vrste čelika B) DIMENZIJE dijela C) UVJETI GAŠENJA pri kaljenju Prokaljenost je svojstvo čelika, a prokaljivost je svojstvo izradka. Mjera prokaljenosti je stupanj zakaljenosti, ( stupanj prokaljenosti ) – Sk, koji je definiran kako omjer tvrdoće kaljenja na nekom mjestu presjeka i maksimalno postizive tvrdoće za dotični čelik. Sk = Hkalj / H max = 0,72...1,0 Sk je približno 0,72 i to odgovara 50 % martenzitnoj mikrostrukturi.
Sk je približno 1,0 i to odgovara 100 % martenzitnoj mikrostrukturi. Prokaljivost čelika je funkcija %C i stupnja legiranosti == što je viši % C, i veći stupanj legiranosti to je veća prokaljivost. Prokaljivost čelika se standardno određuje čeonim gašenjem prema Jominy metodi. Što su veće dimenzije i blaži uvjeti hlađenja za jedan te isti čelik to možemo očekivati slabiju prokaljenost. Radi toga za velike dimenzije treba birati više legirane čelike, čija je prokaljivost bolja ( krivulje pretvorbi u TTT- dijagramu pomaknute su u desno ) , kako bi se postigla što jednoličnija svojstva po presjeku dijela. Vrsta poboljšanog čelika bira se na temelju zadanih dimenzija i visine opterećenja, odnosno na temelju traženih vrijednosti mehaničkih svojstava na kritičnom mjestu presjeka.
Čelici za opruge Za visokonapregnute dijelove ----nakon rasterećenja elastični povrat Zahtjevi – tražena svojstva - visoka granica tečenja ili granica elastičnosti Re, Rp 0,1 i RE - visoka Rm – sigurnost od loma - sigurnost od krhkog loma - A > 6 % otpornost na udarno opterećenje – dovoljan udarni rad loma – K - dovoljnu rezervu plastičnosti ( povoljan omjer Rp0,2 / Rm ) , kako bi kod preopterećenja došlo najprije do plastične deformacije, a tek zatim do loma. - Visoku dinamičku izdržljivost Rd – otpornost na lom od umora. Radi toga se traži visoka kvaliteta površine i mikrostruktura čelika bez uključina, što znači da se trebaju izbjegavati oštećenja pri oblikovanju i montaži opruga , pukotine pri kaljenju i razugljičavanje površinskih slojeva - Otpornost na udarno opterećenje – dovoljnu žilavost ( udarni rad loma KU ) POSTIZAVANJE MEHANIČKIH SVOJSTAVA OPRUGA -
poboljšavanje = kaljenje + srednje temperaturno popuštanje ili izotermičko poboljšavanje ( manjui presjeci ) hladno deformiranje – niže vrijednosti mehaničkih svojstava patentiranje = kombinacija izotermičkog poboljšavanja i hladne deformacije
TIPIČNI PRIMJERI PRIMJENE -
lisnato i zavojne opruge za vagone za najjače napregnute opruge
Čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama -
niske temperature < 180 0C povišene temperature 180 0C.......450 0C visoke > 450 0C
MEHANIČKA SVOJSTVA PRI RADNOJ TEMPERATURI - Rpo,2/θ – vrijednost konvencionalne granice razvlačenja - Rm/θ – vrijednost vlačne čvrstoće - Eθ – vrijednost modula elastičnosti - Aθ – vrijednost istezljivosti SVOJSTVA OTPORNOSTI NA PUZANJE 1. Rp1/t/θ – granica puzanja pri nekoj temperaturi za definirano vijeme ispitivanja 1000, 10000, 100000 sati. To je ono naprezanje koje nakon dijelovanja u definiranom trajanju pri definiranoj temperaturi izaziva trajnu deformaciju od 1% 2. RDVM/θ – granica puzanja po DVM pri definiranoj temperaturi 3.Rm/t/θ – statička izdržljivost pri definiranoj temperaturi za određeno vrijeme djelovanja opterećenja – 10000 , 100000 ili 200000 sati. To je ono naprezanje koje nakon definiranog vremena djelovanja na nekoj temperaturi izaziva lom. SMJERNICE ZA POBOLJŠAVANJE POVIŠENIM TEMPERATURAMA -
MEHANIČKE
OTPORNOSTI
PRI
čelici trebaju po mogućnosti sadržavati u kristalu mješancu elemente koji koče pokretljivost atoma – npr. Mo i Co čelici se legiraju elementima ( Cr, Mo, W, V, Ti ) koji tvore teško topive stabilne spojeve – karbide, nitride i intermetalne faze ( „ mješavina faza „ ) koji u obliku sitno disperziranih čestica otežavaju gibanje dislokacija austenitna mikrostruktura s gusto složenom FCC rešetkom daje manju pokretljivost atoma nego fertina ( BCC ) pa je veći otpor sklizanja atoma i otežan proces difuzije krupnije zrno ( manje graničnih površina )
Vrste čelika mehaničkih otpornih pri povišenim temperaturama A) Ugljični ( nelegirani ) čelici – čelici za kotlovske limove i cijevi Tr ≤ 450 0C - povišena čvrstoća podnošenja tlaka - zadovoljavajuća žilavost i istezljivost - otpornost starenju: > 0,40 ( 0,55 ) % Mn - umjerena postojanost prema vodi, vodenoj pari i lužinama i interkristalnoj koroziji - zavarljivost ( ≤ 0,2 %C )
B) Niskolegirani čelici – čelici za dijelove termoenergetskih postrojenja Tr = 450 – 580 = 0C - dobra zavarljivost ( < 0,25 % ) - dobra otpornost puzanju ( karbidi Mo2C, Cr7C3 ) - dobra prokaljivost ( Cr, Mo ) - dobra otpornost na popuštanje C) Visokolegirani čelici – super 12% Cr martenzitni čelici ( + Mo, V ) Tr = 550 – 600 0C - povišena mehanička otpornost pri povišenim temperaturama ( karbidi u martenzitu ) - visoka postojanost na opću koroziju - otpornost djelovanja vodika i na sulfidnu napetosnu koroziju - nisu podložni krhkosti Primjenjuju se za: lopatice rotora, kučišta parnih turbina , itd D) Austenitni čelici Tr = 600 – 750 0C - povišena mehanička otpornost - visoka mehanička otpornost pri visokim temperaturama i otpornost puzanju - vrlo dobra kemijska postojanost - vrlo dobra vatrootpornost
Vatrootporni čelici Tražena svojstva: - visoka otpornost oksidsaciji ( temp.> 550 0C ) , u okolini vručeg zraka , vodene pare , agresivnih plinova, plamena i sl. , uvjeti kemijske ( plinske ) korozije izazvane intezivnom oksidacijom - otpornost puzanju Rp1 za 1000 h Otpornost intezivnoj oksidaciji – ljuskanju Kod nelegiranih čelika: FeO, Fe3O4, Fe2O3 Čelici legirani s Cr, Si, Al, Mo: veći afinitet prema kisiku nego Fe kompaktni oksidi Cr2O3, Al2O3, SiO2 ili MoO2 PRIMJENA: - dijelovi ložišta generatora pare koji nisu u dodiru s vatrom i vrućim plinovima – cijevi, rešetke ložišta, pregrijači zraka - dijelovi metalurških peći – žarne komore, lonci za žarenje, rešetke - košare i stalci za šaržiranje dijelova u pećima za toplinsku obradu Feritni i austenitni čelici nemaju mikrostrukturnih pretvorbi.
Čelici za ventile motora Tražena svojstva: - dovoljna čvrstoća i dinamička izdržljivost pri povišenim temperaturama - dobra otpornost na oksidaciju i koroziju - mala toplinska rastezljivost i velika toplinska vodljivost - visoka otpornost na trošenje
Čelici za rad pri niskim temperaturama Sniženjem temperature: Pad=> istezljivost ( duktilnost ) , konrakcija presjek, žilavosti, toplinska rastezljivost, toplinska vodljivost, specifični toplinski kapacitet Rast => tvrdoća , vlačna čvrstoća, granica razvlačenja, osjetljivost na urezno djelovanje Osnovni zahtjev: Dovoljna žilavost, tj. neosjetljivost na krhki lom „ Hladno žilav čelik „ ( -40 0C = 27 J ) A) Niskolegirani ( mikrolegirani ) sitnozranti čelici Normalizirano stanje - 50 0C Poboljšano stanje - 80 0C B) čelici legirani s Ni ( 1,5...9 % ) za poboljšavanje ( od - 85 ... -200 0C ) C) Cr-Ni i Cr-Ni-N ( Nb, Ti ), Cr-Ni-Mo-N i Cr-Mn-Ni-N austenitni čelici ( do – 270 0C ) Neke primjene: - spremnici tekućik plinova pod tlakom - cjevovodi za tekuće plinove - uređaji u tehnici hlađenja
Korozijski postojani čelici ( nehrđajući čelici ) KOROZIJA : - spontano razaranje materijala pod djelovanjem okolnog medija - promjene na površini ili unutrini koje izazivaju gubitak materijala i promjenu svojstava 1. Kemijska korozija: Kemijske reakcije na površini – npr oksidacija
2. Elekrokemijska korozija: Elekrolit – elekrički vodljivi mediji Korodirani metal se ponaša kao ANODA Na brzinu i vrstu korozijskih procesa utječu: A) UNUTRAŠNJI FAKTORI - stanje materijala i naprezanja - stanje površine – hrapavost, talozi i sl - sastav čelika i ujednačenost sastava po presjeku - čistoća i udio uključaka u materijalu - mikrostruktura – stanje i struktura anizotropije - rasdpodjela naprezanja B) VANJSKI FAKTORI - vrsta medija i njegov sastav - promjena sastava u radnim uvjetima - brzina strujanja medija - mehanička i tribološka naprezanja Načini zaštite od korozije 1. Isključivanje uzroka korozije: elektrolita, kondenzacije vode, naprezanja, dodir različitih materijala i sl. 2. Utjecanje na medij dodatkom stabilizatora, inhibitora, i sl. 3. Drugačije konstrukcijsko oblikovanje dijela ili sklopa 4. Primjena materijala otpornog na koroziju 5. Primjena zaštitnih prevlaka i platiranja – polimerne prevlake, metalne prevlake 6. primjena katodne ili anodne zaštite POJAVNI OBLICI KOROZIJE KOD METALNIH MATERIJALA a) opća b) mjestimična • • • • • •
točkasta ili jamičasta ( „ pitting „ ) kontaktna razlegiravanje interkristalna napetosna ( transkristalna ) korozija u procjepu i sl.
OPĆA KOROZIJA - najčešći i najrašireniji oblik korozije, ali i najmanje opasan, koji nastupa jednolično po cijeloj površini nekoga dijela.
Načini zaštite čelika od opće korozije jesu: - dodatak više 0,2 % Cu u niskougljičnim čelicima - izbor korozijski postoijanog čelika - lakiranje ili plastificiranje površina - galvansko prevlačenje – cinčanje, kositrenje, kadminiziranje, kromiranje Uvjeti opće korozijske postojanosti: a) da sadrži barem 12 % Cr i to u čvrstoj otopini ( kristalu ,mješancu ) b) da ima homogenu monofaznu mikrostrukturu : fertnu ( F ), austenitnu ( A ) ili martenzitnu ( M ) , bez karbida , oksida ili drugih intermetalnih faza da bi se izbjegla opasnot nastanka lokaliteta čiji je eletropotencijal različit od potencijala osnovne mase. B) MJESTIMIČNA KOROZIJA Točkasta ili jamičasta ( pitting korozija ) Uzrok su lokalne nehomogenosti i diskontinuiteti u strukturi ili kemijskom sastavu. Uz postojanje elekrolita ( vodene otopine , vlažni plinovi i sl. ) doći će do mikroelektrolize zbog razlike potencijala pojedinih područja u strukturi ili materijala u spoju. Kontaktna ( galvanska ili bimetala ) korozija Dodor metala ili legure s drugim metalom ili legurom u prisutnosti elektrolita. Korozijski manje otporan metal postaje anoda galvansko članka i biva napadnut, dok korozijski otporniji ( plemenitiji ) metal ostaje zaštićen. Stupanj plemenitosti se mijenja u ovisnosti o karakteristikama medija: u uvjetima vlažne atmosfere u spoju Cu ili Ni i čelika , korodirati će čelik, a u spoju sa Zn, korodirati će Zn. Mogućnosti zaštite od kontaktne korozije: - katodna zaštita - izbjegavanje spojeva metala različitih potencijala - izbjegavanje nepovoljnig odnosa veličina površina u dodiru - dodavanje inhibitora u elekrolit Interkristalna korozija Napreduje nevidljivo duž granica kristalita ( zrna ) , čime se izaziva razaranje metalne veze među kristalitima u mikrostrukturi čelika i konačno raspad cijeloga tijela. Sprečavanje interkristalne korozije: - ako je već došlo do izlučivanja Cr- karbida po granicama austenitnih zrna , dio treba ugrijati na 1050....1150 0C i gasiti u vodi - ako treba sprječiti nastanak predispozicije za ovaj tio korozije, ili ako se zob veličine konstrukcije ona ne može gasiti, bira se tkz. stabilizirani čelik A- čelik s dodatkom Ti, Nb ili Ta ( jači karbidotvorci od Cr ), pa nastaju njihovi karbidi, ane opasni Cr23C6, koji bi osiromašio područje uz granice zrna na Cr. - Izbor čelika sa što nižim % C
Napetosna ( transkristalna ) korozija Posljedica statičkog ili dinamičkog vlačnog naprezanja u korozijsko agresivnoj sredini. Na hladno deformiranim lokalitetima, ili oko zavarenih mjesta gdje su veća zaostala naprezanja. Podložni A i M čelici, dok F nisu.Opasne su otopine koje sadrže halogenide, kloroidi alkalijskih i zemno-alkalijskih metala
Vrste čelika 1. Cr – čelici ( neki s dodacima Mo, Al i Ti ) Feritni ( < 0,10 % C, 15...18 % Cr ) Martenzitni i martenzitno-karbidni ( 0,15....1,0 % C, 13....18 % Cr ) Fertino martenzitni 2. Cr-Ni, Cr-Ni-Mo i Cr-Mn čelici su prema mikrostrukturi Austenitni Austenitno-feritni čelici sa ≤ 10 δ ferita
Fertini čelici Sadrže < 0,1 % C i 13 ... 17 % Cr -
relativno su mekani magnetični su relativni slabo zavarljivi slabo su oblikovljivi deformiranje bolje obradljivi odvajanjem čestica od austenitnih čelika skloni su lomljivosti pri niskoh temperaturama
Austenitni čelici < 0,15 % C ( moguće 0,2 %C ) 18 % Cr 8 % Ni ( Mn ) Moguće Mo, Ti, Nb, Ta -
nemagnetični su dobri oblikovljivi u hladnom stanju otporni na organske i anorganske kiseline, lužine i soli
Martenzitni čelici Povišeni %C ( 0,15...1,0 %C ) , te > 13 % Cr - niži %C konstrukcijski čelici ( viša korozijska otpornost ) - viši %C alatni čelici ( viša otpornost na trošenje ) - toplinska obrada poboljšavanja: = kaljenje + visoko popuštanje
-
viša tvrdoća i čvrstoca , te otpornost na trošenje u odnosu na F i A čelike
