Document

Repetitorij - 1

ČELICI

Izbor materijala 2013./2014.

DEFINICIJA

Čelik je metastabilno kristalizirana legura željeza i ugljika (≤ 2 %C), uz prisutne pratioce (Si, Mn) i nečistoće (P, S i ostali) i uz eventualni dodatak jednog ili više legirnih elemenata. Čelici se nakon lijevanja taljevine u kalupe (kokile) oblikuju postupcima deformiranja u željeni oblik poluproizvoda. • postupci deformiranja: valjanje, prešanje, kovanje, … • oblici poluproizvoda: limovi, trake, šipke, cijevi, profili, …

Čelici su najvažniji tehnički materijali u proizvodnji i primjeni.

Proizvodnja čelika u 2011. Europska unija (27) Ostatak Europe Zajednica neovisnih država Sjeverna Amerika Južna Amerika Afrika Bliski istok Azija Kina

t x 103 177 431 37 181 112 434 118 972 48 357 13 989 20 325 954 190 683 265

Indija Oceanija

72 200 7 248

Ukupno

1 490 060

Tehnički materijali ~20%

Udio tehničkih materijala u ukupno prerađenim sirovinama

- više od 50 % od ukupne proizvodnje svih tehničkih materijala - deset puta više od mase svih proizvedenih metala i njihovih legura

SISTEMATIZACIJA ČELIKA Karakterizacija čelika može se provesti prema: 1. kemijskom sastavu 2. mikrostrukturi 3. načinu proizvodnje 4. obliku i stanju 5. području primjene 6. svojstvima

Prema kemijskom sastavu čelici mogu biti: a) zajamčenog sastava ili nezajamčenog sastava;

b) ugljični (nelegirani) ili legirani – jednostruko ili višestruko, niskolegirani ili visokolegirani; c) prema vrsti legirnih elemenata: Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V - čelici Cr-Ni, Cr-Mn, Cr-Mo, Si-Mn čelici ili Cr-Ni-Mo, W-Cr-V čelici;

d) prema kvaliteti (maseni udjeli P i S): masovni, kvalitetni (ujednačena kvaliteta), plemeniti (visoka kvaliteta).

Prema tipu mikrostrukture čelici mogu biti: feritni, feritno-perlitni, perlitni, martenzitni, bainitni, austenitni, ledeburitni...

Prema postupku proizvodnje čelici mogu biti: • • • •

konverterski – Bessemer, Thomas postupcima; proizvedeni elektropretaljivanjem; dobiveni u kisikovim konvertorima (upuhivanjem zraka ili kisika); sekundarnom metalurškom obradom (tzv. lončanom metalurgijom): vakuumskim pročišćavanjem (VOD – Vacuum Oxigen Degasation); otplinjavanjem pod argonom (AOD – Argon Oxigen Degasation); • proizvedeni pretaljivanjem pod troskom (EPT);

Prema načinu dezoksidacije i lijevanja čelici mogu biti: • • • •

nesmireni, polusmireni, smireni posebno smireni.

Osnovni oblici čeličnih poluproizvoda jesu: šipke, limovi, trake, cijevi, specijalni profili itd.

Čelični poluproizvodi pojavljuju se u sljedećim osnovnim stanjima: lijevani, toplovaljani, hladnovaljani, hladnovučeni, ljušteni, brušeni i polirani,kovani, toplinski obrađeni i sl.

Prema području primjene čelici mogu biti: Konstrukcijski čelici za opću namjenu – za nosive zavarene konstrukcije, za strojne elemente (osovine, zupčanici, vijci, opruge itd.) Konstrukcijski čelici posebnih svojstava i primjene (korozijski otporni, otporni na trošenje, toplinski čvrsti, hladnožilavi i sl.). Alatni čelici od kojih se izrađuju alati za toplo i hladno oblikovanje metala i nemetala, rezni i mjerni alati.

Prema nekom istaknutom svojstvu čelici mogu biti: Čelici povišene čvrstoće,

Čelici dobre žilavosti pri niskim temperaturama, Čelici poboljšane oblikovljivosti, Čelici poboljšane rezljivost, Čelici otporni na trošenje

DEZOKSIDACIJA - otklanjanje kisika tijekom proizvodnje čelika Tijekom proizvodnje čelik dolazi u dodir s kisikom i dušikom i pri višim temperaturama može otopiti znatne količine plinova. Prema načinu pretaljivanja i stupnju dezoksidacije razlikuju se: Nesmireni čelici - jako razvijanje plinova dovodi do "kuhanja" rastaljenog metala, a tijekom skrućivanja u kokili se pojavljuju plinski mjehurići. - imaju veću sklonost starenju i višu prijelaznu temperaturu i lošije su zavarljivosti.

Smireni čelici - u procesu dezoksidacije dodaje manja količina silicija, mangana i drugih elemenata koji vežu kisik i stvaraju okside koji se izdvajaju u trosku. U smirenim ingotima nema plinskih mjehurića i nije izražena segregacija. Mn veže sumpor i kisik u MnS i MnO. Posebno smireni čelici - osim Mn, Si dodaje se i silikokalcij (CaSi) kao i Al koji veže preostali kisik u Al2O3 i dušik u AlN. - vrlo niski maseni udjeli nečistoća, velika žilavost i mala osjetljivost na krhki lom, - sitne čestice AlN usitnjuju zrno, povisuju čvrstoću i žilavost.

Djelovanje primjesa u čelicima Primjese u čeliku mogu biti elementi pratioci, skriveni i slučajni elementi. U većini slučajeva imaju odlučujući utjecaj na kvalitetu čelika. Pratioci i nečistoće: Si, Mn, N, P, S, te nemetalni uključci sulfidnog, oksidnog ili silikatnog tipa. Male količine Cu, Cr, Ni, As, Sn dolaze u čelik iz otpada i iz rude. Osim vrste pratioca, na svojstva čelika utječe raspodjela primjesa.

Prateće primjese su prisutne u svakom čeliku, a njihove masene udjele treba svesti na što je moguće manju mjeru.

Mangan je prateći element čiji je maseni udio obično od 0,2 do 0,8 %. Potječe iz rude ili iz dezoksidatora - feromangana. Vrlo je dobar dezoksidans. Veže na sebe sumpor tvoreći kemijski spoj MnS koji se u najvećoj mjeri odstranjuje šljakom, koja pliva po površini rastaljenog čelika.

Silicij je prateći element čiji je maseni udio kod nelegiranih čelika od 0,2 do 0,5 %, potječe iz rude ili dezoksidatora – ferosilicija. Vrlo slično utječe na proces dobivanja čelika kao i mangan.

Aluminij se dodaje radi dezoksidacije čelika. Povećava krhkost i smanjuje prokaljivost čelika Sumpor predstavlja nepoželjnu primjesu, a dolazi iz rude i produkata izgaranja. Dopušteni maseni udio sumpora je do 0,05 %. Sa željezom tvori nepoželjni sulfid FeS koji se formira po granicama zrna. Pri vrućoj preradi (iznad 1000 °C), dolazi do rastaljivanja ovog sulfida što dovodi do tzv. "crvenog loma" i osjetnog smanjenja žilavosti.

Fosfor je nepoželjna primjesa (< 0,06 %). Sa željezom čini supstitucijski kristal mješanac. Zbog vrlo male brzine difuzije fosfor izvanredno jako segregira. Veći sadržaj fosfora uzrokuje pojavu krhkosti u hladnom stanju. Dušik je uglavnom nepoželjna primjesa, (0,01 do 0,03 %). Povisuje granicu razvlačenja i čvrstoću, ali jako smanjuje deformabilnost i naročito udarni rad loma.

Vodik sa željezom čini intersticijske mješance. Uzrokuje pad žilavosti. Ta pojava naziva se "vodikova krhkost". Prisutnost vodika u mikrostrukturi teško se dokazuje.

Kisik nije pri normalnoj temperaturi topiv u željezu. Slično djelovanju dušika i vodika, prisutnost kisika povisuje krhkost čelika. Dezoksidacijom čelika uklanja se veći dio kisika.

DJELOVANJE NEMETALNIH UKLJUČAKA Količina, vrsta i raspodjela nemetalnih uključaka

određuju daljnja svojstva

Prema vrsti uključci mogu biti: oksidni sulfidni silikatni

oblikovljivost, prijelaznu temperaturu, otpornost na propagaciju pukotine

Prema obliku dijele se na: okrugle poligonalne (često tvrde) izdužene (često oblikovljive).

• Osim MnS koji se može razvaljati, ostali uključci su više ili manje tvrdi i krhki. Smanjuju žilavost i dovode do izrazite anizotropnosti svojstava čvrstoće i duktilnosti čelika. • Anizotropija se otklanja dodavanjem Zr, Ce ili Ti.

MnS u čeliku P265GH

nagriženo stanje

polirano stanje

DJELOVANJE LEGIRNIH ELEMENATA Čelik se legira određenom količinom nekog elementa da bi se dobilo traženo svojstvo ili kombinacija svojstava. Legirani čelici se primjenjuju u onim slučajevima gdje se traže neka istaknuta svojstva koje se ne mogu postići nelegiranim čelicima – npr. mehanička, prokaljivost, otpornost na koroziju, otpornost na trošenje, vatrootpornost i sl.

Najčešći legirni elementi u čelicima su: krom, nikal, mangan, silicij, volfram, vanadij i molibden. U posebnim slučajevima to su: kobalt, titan, aluminij, niobij i dr. Legirni elementi se u čelicima mogu pojaviti u različitim oblicima: • rastvoreni u BCC rešetki (-željezo) ili u FCC rešetki (-željezo); • kao spojevi sa željezom ili međusobno (karbidi i intermetalni spojevi) i • kao nemetalni uključci – oksidi, nitridi, sulfidi i fosfidi.

Legirni element

Granični maseni udio. %

aluminij

0,10

bor

0,0008

krom

0,30

kobalt

0,10

bakar

0,40

rijetke zemlje – lantanidi (npr. cer, neodim, erbij)

0,05

mangan

1,60

molibden

0,08

nikal

0,30

niobij

0,05

olovo

0,40

selen, telur

0,10

silicij

0,50

titan

0,05

volfram, vanadij

0,10

cirkonij

0,05

ostali (izuzevši C, P, S, N i O)

0,05

Granični maseni udjeli elemenata koji odjeljuju nelegirane od legiranih čelika (EN 10020)

MANGAN (Mn)

- gamageni element, djeluje dezoksidirajuće, a na sebe veže i sumpor. Povisuje granicu razvlačenja, a povoljno djeluje i na žilavost. Znatno poboljšava prokaljivost čelika. Povećava sklonost brzom porastu zrna pri visokim temperaturama i krhkosti nakon popuštanja. SILICIJ (Si)

- dobar dezoksidator, povisuje čvrstoću i otpornost na trošenje. Naročito jako djeluje na povišenje granice elastičnosti, a povisuje i dinamičku izdržljivost te se zbog toga pojavljuje kao legirni element kod čelika za opruge. Blago povećava prokaljivost čelika. KROM (Cr)

-jak karbidotvorac, alfageni element, povisuje prokaljivost. > 12 %Cr u čvrstoj otopini čelika daje potpunu korozijsku postojanost. Udarni rad loma čelika legiranih s Cr je manji nego kod ostalih čelika jednake razine čvrstoće. Krom povisuje sklonost krhkosti nakon popuštanja i na smanjenje toplinske vodljivosti i toplinske rastezljivosti.

NIKAL (Ni) - izraziti gamageni element, ne tvori karbide nego se otapa u rešetki Fe.. Povisuje žilavost i pri niskim temperaturama. Smanjuje toplinsku vodljivost i toplinsku rastezljivost čelika. Nikal se najviše koristi kao legirni element kod čelika posebnih svojstava – nehrđajući i kemijski postojani, čelici za povišene i za niske temperature, vatrootporni, nemagnetični čelici. Zbog visoke cijene legira se gotovo uvijek u kombinaciji s nekim drugim elementom. VOLFRAM (W) Volfram je jak karbidotvorac, a karbidi su mu vrlo tvrdi i toplinski postojani. Legiranje volframom omogućuje povišenje granice razvlačenja i vlačne čvrstoće, a u manjoj mjeri i žilavosti. Djeluje povoljno na čvrstoću i otpornost na trošenje u toplom stanju te sprječava porast zrna pri povišenim temperaturama. MOLIBDEN (Mo) - jak karbidotvorac, utječe na povišenje granice razvlačenja i vlačne čvrstoće, kao i granice puzanja. Smanjuje opasnost od pojave krhkosti nakon popuštanja. Povoljno djeluje na formiranje sitnozrnate mikrostrukture i na povećanje prokaljivosti.

VANADIJ (V) - jak karbidotvorac, povisuje tvrdoću i otpornost na trošenje pri normalnim i povišenim temperaturama, skup. Usporava rast zrna pri povišenim temperaturama. Povisuje Re pa je prisutan i kod čelika za opruge. KOBALT (Co)

- gamageni element, otapa se u rešetki željeza. Usporava rast zrna pri povišenim temperaturama, omogućuje postojanost mikrostrukture, i svojstava (čvrstoće). Zato su alatni čelici za topli rad i naročito brzorezni čelici legirani s kobaltom. TITAN (Ti)

- najjači karbidotvorac, a njegovi se karbidi teško raspadaju pri povišenim temperaturama. Ima jak afinitet prema kisiku, ugljiku, dušiku i sumporu. Usitnjuje zrno i smanjuje opasnost od pregrijavanja. Sužava austenitno područje. ALUMINIJ (Al) - dezoksidator, veže na sebe i dušik i time smanjuje opasnost od pojave starenja. Jako sužava austenitno područje. Ne doprinosi poboljšavanju mehaničkih svojstava.

Jaki karbidotvorci

OPĆA SVOJSTVA ČELIKA određena su 1. Kemijskim sastavom maseni udio ugljika - osnovni i najutjecajniji element u čelicima je ugljik maseni udio pratilaca i nečistoća: Mn, Si, P, S, Al, N, O, H itd. vrsta i udio legirnih elemenata - omogućuju postizanje posebnih svojstava

2. Mikrostrukturom i stanjem sastav, prethodni postupci oblikovanja i toplinske obrade

3. Oblikom i dimenzijama poluproizvoda

Porastom udjela ugljika kod nelegiranih čelika do eutektoidnog udjela raste tvrdoća, granica razvlačenja i vlačna čvrstoća, ali se smanjuje istezljivost, suženje poprečnog presjeka i udarni rad loma. Kod nadeutektoidnih čelika čvrstoća opada jer je povišen udio sekundarnog cementita koji se obično mrežasto izlučuje po granicama zrna. Porastom masenog udjela ugljika opada sposobnost čelika za plastičnu deformaciju i zavarljivost, a raste zakaljivost. Zbog navedenih razloga većina konstrukcijskih čelika sadrže manje od 0,6 %C.

Feritno-perlitna mikrostruktura čelika ima bitno drugačija svojstva od martenzitne ili austenitne, ili npr. hladnovučeno stanje daje drugačija mehanička svojstva od toplovaljanog, ili čelik u poboljšanom stanju ima drugačija svojstva od svojstava u normaliziranom stanju.

Kod nekih su čelika mehanička svojstva za veće dimenzije presjeka manja nego kod manjih dimenzija – npr. kod čelika za cementiranje i poboljšavanje.

KONSTRUKCIJSKI ČELICI

Primjenjuju za tipične konstrukcijske dijelove strojeva i uređaja koji obavljaju neku funkciju – prenose gibanja preuzimanjem sila i momenata, – spremaju i transportiraju tekućine ili plinove, – zatvaraju, spajaju elemente konstrukcije, itd. osovine, vratila, zupčanici, nosači, opruge, vijci, zatici, poklopci, kućišta, ventili...

Od konstrukcijskih čelika traže se sljedeća svojstva: MEHANIČKA SVOJSTVA: Visoka granica razvlačenja, dobra plastična deformabilnost (istezljivost), što veća sigurnost od pojave krhkog loma. Dovoljno visoka granica puzanja i čvrstoća pri povišenim temperaturama. Dobra žilavost i čvrstoća pri normalnoj, sniženoj i niskoj temperaturi. Otpornost na umor u uvjetima promjenjivog opterećenja – dovoljna dinamička izdržljivost.

OTPORNOST NA TROŠENJE: što manji gubitak mase, odnosno promjena stanja površine zbog međusobnog djelovanja dijelova u dodiru;

OTPORNOST NA KOROZIJU: korozijska postojanost u atmosferi ili u agresivnim tekućinama, otpornost na oksidaciju pri visokim temperaturama uz prisutnost različitih plinova;

TEHNOLOŠKA SVOJSTVA: rezljivost (obradljivost odvajanjem čestica), zavarljivost, hladna oblikovljivost (postupcima savijanja, štancanja, dubokog vučenja i sl.)

Opći konstrukcijski čelici

a) Opći konstrukcijski čelici za nosive konstrukcije b) Čelici za strojogradnju

Od svih čelika najzastupljeniji su u proizvodnji (i primjeni) - 65...80 % mase. Primjenjuju se za nosive, uglavnom zavarene konstrukcije velike mase: mostovi, dizalice, nosači, brodske konstrukcije, dijelovi vozila, oprema u industriji nafte i plina, i za tipične strojne elemente.

a) Opći konstrukcijski čelici za nosive konstrukcije Kemijski sastav nije propisan, ali su zajamčena mehanička svojstva. Zbog toga nisu predviđeni za toplinsku obradu. Temperature uporabe su od –40 do +50 °C

Od ovih čelika traži se: - dovoljna nosivost i sigurnost granica razvlačenja (Re), vlačna čvrstoća (Rm), tlačna čvrstoća (Rmt), savojna čvrstoća (Rms), smična čvrstoća (Rmu), žilavost (udarni rad loma) naročito pri nižim okolišnim temperaturama. - dobra zavarljivost - što manja vrijednost ugljičnog ekvivalenta - Ce < 0,4.

Ce = %C +

%Mn %Cr + %Mo + %V %Ni + %Cu + + 4 5 10

-dobra hladnu oblikovljivost – prikladnost za savijanje, duboko vučenje, kovanje - rezljivost.

Tipična feritno-perlitna mikrostruktura općeg konstrukcijskog čelika a) čelik s 0,1 %C; b) čelik s 0,25 %C (povećanje 200:1) Isporučuju se u toplovaljanom ili u normaliziranom stanju, a iznimno i u hladnodeformiranom stanju. Vrijednosti mehaničkih svojstava: Re = 190...370 N/mm2 Rm = 330...700 N/mm2 A5 = 10...28 % Za primjenu odlučujuće su vrijednosti mehaničkih svojstava i zavarljivost.

• Primjena : • konstrukcije u građevinarstvu: dizalice, mostovi, platforme, stupovi dalekovoda, • spremnici tekućina i plinova, • dijelovi vozila – npr. šasija, • kostur i oplata brodova te oprema na brodovima...

S185 (Č0000) S235JRG1 (Č0270) S235JRG1 (Č0370) S275JRG2 (Č0460) S235JRG2 (Č0261) S235JRG2 (Č0361) S275JRG2 (Č0461) S355JRG2 (Č0561) S235J0G3 (Č0362) S275J0G3 (Č0462) S355J0G3 (Č0562) S235J2G3 (Č0363), S275J2G3 (Č0463) S355J2G3 (Č0563) S355JRG3 (Č0561)

b) Čelici za strojogradnju Primjenjuju za strojne dijelove koji se gibaju u odnosu na druge dijelove - osovine u kliznim ležajima, vretena, manje opterećeni zupčanici ili prenose sile i momente - klinovi, zatici, vijci, ručice, poluge i sl. Prema normama nema zahtjeva na zavarljivost i žilavost.

Zbog višeg masenog udjela ugljika slabije zavarljivi, više su čvrstoće (500...700 N/mm2), ali niže istezljivosti (10...20 %) od općih konstrukcijskih čelika. Unatoč višeg %C, ova podskupina čelika nije namijenjena kaljenju. E295 (Č0545) E335 (Č0645) E360 (Č0745)

Zahtjevi na brodograđevne konstrukcijske čelike

Zahtjevi se primjenjuju pri izradi i primjeni toplovaljanih limova, širokih traka i profila čija debljina ne prelazi 50 mm, a služe za konstrukciju brodskog trupa. Propisan je traženi kemijski sastav taljevine, postupak dezoksidacije, stanje isporuke i mehanička svojstva za zavarljive konstrukcijske brodograđevne čelike: - normalne čvrstoće (Rm = 400...490 N/mm2) i - povišene čvrstoće (Rm = 440...620 N/mm2)..

Čelici povišene čvrstoće - više granice razvlačenja i vlačne čvrstoće → više dopušteno naprezanje u radu; - smanjuju se nosivi presjeci kod jednakih opterećenja, odnosno smanjuje se masa i volumen konstrukcije, što dovodi do sniženja ukupnih troškova materijala; - manja masa znači i manji utrošak pogonske energije i smanjenje gubitaka zbog inercijskih sila kod pokretanja i zaustavljanja itd.;

- zadržati povoljan omjer Re/Rm (0,70...0,85), tzv. "plastična rezerva“; - zadržavanjem što nižeg %C i eventualno niskim udjelima legirnih elemenata zavarljivost ostaje zadovoljavajuća; - kod tlačno opterećenih konstrukcija tankih presjeka može se pojaviti povećano izvijanje, a kod savijanja velik progib → problem krutosti; - korozija dodatno smanjuje debljinu stijenke pa se vremenom smanjuje nosivost presjeka; - dinamička izdržljivost i otpornost na naglo širenje pukotina nisu proporcionalno povećani s granicom razvlačenja. Čelici su osjetljiviji na urezno djelovanje pa je potreban oprez kod primjene u uvjetima promjenjivog dinamičkog opterećenja; - povišenjem granice razvlačenja opada deformabilnost, a raste i osjetljivost prema pojavi krhkog loma.

Osnovni mehanizmi očvrsnuća – povišenja granice razvlačenja: 1. Očvrsnuće kristalima mješancima 2. Očvrsnuće martenzitnom transformacijom 3. Očvrsnuće hladnom deformacijom 4. Očvrsnuće granicama zrna, odnosno usitnjenjem zrna 5. Očvrsnuće izlučivanjem (precipitacijom) i disperzijom faza

Čelici povišene i visoke čvrstoće dijele se u sljedeće skupine: - sitnozrnati normalizirani s feritno-perlitnom mikrostrukturom; 360 < Rp0,2  500 N/mm2; - poboljšani s mikrostrukturom popuštenog martenzita; Rp0,2  500 N/mm2; - termomehanički obrađeni, Rp0,2  500 N/mm2.

Normalizirani sitnozrnati čelici povišene čvrstoće Ovi su se čelici prvotno razvili iz čelika S355J0G3 (Č0562) i S355J2G3 (Č0563) koji su smireni aluminijem i silicijem i imaju sitniju feritno-perlitnu mikrostrukturu te dovoljnu zavarljivost. Kemijski sastav ovih čelika nije propisan. Dodavanjem malih količina pojedinih disperzoidnih elemenata (< 0,1 %) kao što su npr.: Nb, V i Ti uz već spomenuto dodavanje Al, stvaraju se fino raspoređeni nitridi (AlN, VN, TiN), karbidi (VC, NbC) karbonitridi (VCN) koji koče porast austenitnog zrna. Dodaci navedenih elemenata snizuju završnu temperaturu valjanja čime se otežava rekristalizacija austenita te se takav sitnozrnat pretvara u sitnu feritno-perlitnu strukturu. Povišenje vrijednosti granice razvlačenja ostvareno je otežavanjem gibanja dislokacija putem prepreka (granice zrna i disperzirane sitne čestice). Sitnozrnati mikrolegirani čelici nisu osjetljivi na krhki lom, a imaju nisku prijelaznu temperaturu. Dobra zavarljivost osigurana je i niskim masenim udjelom ugljika (< 0,2 %C) i Ce < 0,4

Normirani sitnozrnati normalizirani čelici Kemijski sastav ovih čelika nije propisan. Mehanička svojstva postižu se specifičnim kombinacijama elemenata. Čelici uz Mn i Ni sadrže još Cr, Mo, Cu te Nb, V, (Ti) kao mikrolegirne elemente. Klasifikacija vrsta čelika provodi se na osnovi vrijednosti granice razvlačenja, područja radnih temperatura – normalne, snižene (do –60 °C), povišene (do 400 °C) i na osnovi vrijednosti udarnog rada loma pri sniženim temperaturama. U normama se jamče vrijednosti za sljedeća mehaničkih svojstava: Rpo,2, Rm, A5, KV

Primjena normaliziranih sitnozrnatih čelika: •kuglasti i valjkasti spremnici za gradski plin, propan, propilen, •rezervoari za transport tekućih plinova, •potpornji "off shore" platformi za eksploataciju nafte i plina, •mostovi, hangari i vijadukti, •postolja vagona i vozila, •dijelovi građevinskih strojeva ...

Poboljšani sitnozrnati čelici

Ugljični čelici za tanke limove

Niskougljični čelici za trake

Čelici za žicu Čelici za izradu žica dijele se prema svojstvima i primjeni u tri skupine, i to za: Obične žice Specijalne žice Vučene žice

Obične žice, od čelika DC01 (Č0146) i DC04 (Č0147) u stanjima: meko i svjetlotvrdo, a u stanjima površine: obična svijetla, modrožarena i pocinčana; Specijalne žice, od čelika DC01 (Č0146) i DC04 (Č0147), s različitim stupnjevima tvrdoće: meko, 1/8 tvrda, 1/4 tvrda, 1/2 tvrda, 3/4 tvrda i tvrda. Što je viši stupanj tvrdoće, to je viša vlačna čvrstoća (od 300 pa do više od 600 N/mm2), a manja istezljivost (A10 – više od 25 % pa do 2 %). Vučene žice za toplinsku obradu i posebne primjene izrađene od čelika poboljšane rezljivosti, konstrukcijskih i alatnih čelika.

Čelici za vijke, matice i zakovice skupina niskougljičnih čelika (0,1...0,2 %C) koji se primjenjuju za izradu vijaka, matica i zakovica hladnim ili toplim postupcima deformiranja. Čelici se, ovisno o postupku izrade, dijele u tri skupine:

Čelici za hladni i topli postupak izrade vijaka, matica i zakovica Čelici namijenjeni za izradu matica na toplo Čelici namijenjeni za izradu matica na hladno

Navedeni čelici za vijke i matice ne mogu u potpunosti zadovoljiti sva tražena svojstva čvrstoće pa se zbog toga rabe i druge vrste čelika: - čelici za poboljšavanje - čelici poboljšane rezljivosti

Oznaka klase čvrstoće vijaka: npr. 10.9 Oznaka klase čvrstoće za matice: npr. 6

Čelici za cementiranje - kvalitetni i plemeniti, niskougljični, nelegirani ili niskolegirani čelici < 0,045 %S i P

< 0,035 %S i P

< 0,25 %C

Cementiranje: pougljičavanje površinskih slojeva + kaljenje + niskotemperaturno popuštanje obogaćuju se rubni slojevi ugljikom na oko 0,8 do 0,9 %C te tako postaju zakaljivi na maksimalno moguću tvrdoću – 61...64 HRC visokougljični martenzit

feritno-perlitna

Nakon cementiranja površinski slojevi su tvrdi i otporni na trošenje dok sredina presjeka ostaje otporna na dinamička i udarna opterećenja – tj. žilava niskougljična-martenzitna Ovi se čelici primjenjuju za one dijelove koji u radu moraju istovremeno biti otporni na trošenje i podnositi dinamička opterećenja.

Prema normama (DIN 50190) EDC je definirana kao udaljenost od površine na kojoj se postiže tvrdoća od 550 HV (oko 52 HRC). Uobičajene efektivne dubine cementiranja iznose od 0,2 do 3 mm. Zahtijevana EDC postiže se kraćim ili duljim trajanjem pougljičavanja.

Normirane vrste čelika za cementiranje Nelegirani čelici: npr. C10 (Č1120), C10E (Č1121) ili C15 (Č1220) Cr-čelici: npr. 15Cr2 (Č4120) Mn-Cr čelici: npr. 16MnCr5 (Č4320) ili 20MnCr5 (Č4321) Cr-Mo i Mo-Cr čelici: npr. 20CrMo5 (Č4721) ili 20MoCr4 (Č7420) Ni-Cr čelici: npr. 14CrNi6 (Č5420) ili 18CrNi8 (Č5421)

Čelici za poboljšavanje - 0,2...0,6 %C. - pripadaju kvalitetnim i plemenitim čelicima - maseni udio nečistoća (P i S) je nizak (za plemenite < 0,035 %) postupak poboljšavanja: kaljenje + visokotemperaturno popuštanje

cilj: visoka granica razvlačenja, vlačna čvrstoća, žilavost i dinamička izdržljivost Primjena: za mehanički, naročito dinamički visoko opterećene dijelove strojeva i uređaja kao što su npr. osovine, vratila, zupčanici, poluge, vijci, zatici i sl., koji nisu izvrgnuti jačem trošenju. Kaljenjem se teži postići što potpunija martenzitna mikrostruktura po presjeku (što većoj prokaljenosti), kako bi se naknadnim popuštanjem ostvarila što veća žilavost. Sk 

Mikrostruktura poboljšanog čelika visokopopušteni martenzit

H kalj = 0,72...1,0 H maks

Na dubinu prokaljivanja – prokaljenost utječu tri skupine faktora: PROKALJIVOST primijenjene vrste čelika, DIMENZIJE dijela i UVJETI GAŠENJA pri kaljenju

Pojasevi zajamčene prokaljivosti dva čelika Na prokaljivost čelika primarno utječe maseni udio ugljika i legirnih elemenata

Ovisnost mehaničkih svojstava o dimenzijama za dva čelika Što su veće dimenzije, prokaljenost je slabija

Potrebna temperatura popuštanja određuje se prema traženim vrijednostima mehaničkih svojstava nakon poboljšavanja, iz dijagrama koji postoje za svaki čelik

Uz kemijski sastav zajamčene su minimalne vrijednosti mehaničkih svojstava u poboljšanom stanju Rp0,2, Rm, A5, Z i KU za različite dimenzije okruglih šipki

Ovisnost mehaničkih svojstava o Tpop. Prema normama razlikujemo sljedeće podskupine čelika: - nelegirani, npr. C22 (Č1330), C45 (Č1530), - legirani s Mn, Mn-Si i Mn-V, npr. 40Mn4 (Č3130), - legirani s Cr, npr. 34Cr4 (Č4130), - legirani s Cr-Mo, npr. 25CrMo4 (Č4730) ili 42CrMo4 (Č4732), - legirani s Cr-V, npr. 50CrV4 (Č4830), - legirani s Ni-Cr, npr. 36CrNiMo4 (Č5430) ili 34CrNiMo6 (Č5432).

Čelici za površinsko kaljenje Površinski se kale nelegirani i niskolegirani čelici s oko 0,35 do oko 0,60 %C. Površinsko kaljenje je prikladno ako se želi postići i velika otpornost na trošenje i dinamička izdržljivost površinskih slojeva. Vrste čelika za površinsko kaljenje: C35G (Č1431), C45G (Č1531), C53G (Č1633), 46Cr2 (Č4133), 42CrMo4 (Č4732). U primjeni površinski se lokalno kale koljenaste osovine (mjesta za klizne ležaje), bregaste osovine (brijeg i provrt za ležaj), zupčanici, lančanici, vretena, svornjaci lanaca, noževi kosilica za travu itd.

Čelici za velike otkovke Podvrsta čelika za poboljšavanje, visoke čistoće, jednolične mikrostrukture bez segregacija i jednoličnih svojstava po presjeku (izotropija). Kod velikih presjeka i masa prilikom hlađenja dolazi do znatnih temperaturnih razlika između površine i sredine presjeka. Posljedica su velika zaostala naprezanja (napetosti). Budući da se ta naprezanja ne mogu lako razgraditi, postoji opasnost pojave pukotina pa se posebna pozornost posvećuje pretaljivanju i lijevanju blokova te kovanju. Posebno je opasna pojava otapanje vodika i stvaranje tzv. flokula (šupljina u obliku pahuljica). Na tim mjestima može doći do nastanka pukotina. Da bi se spriječila ova pojava, čelici moraju biti ultračisti i otplinjeni u vakuumu. Drugi način je žarenje za odstranjivanje vodika koje se izvodi u čeličani ili u kovačnici. C22E, C45E, C60E, primjenjuju se u normaliziranom stanju, 22NiMoCr3-7, 28NiCrMoV8-5, 24CrMo5, 33NiCrMo14-5, 34CrNiMo6, 42CrMo4, u poboljšanom stanju. itd Tipični primjeri primjene jesu: dijelovi visokotlačnih spremnika i cjevovoda, koljenaste osovine, osovine parnih turbina i generatora, prirubnice itd

Čelici za opruge Od opruge se očekuje da pod djelovanjem radnog opterećenja ostvari traženu elastičnu deformaciju.

Karakteristična svojstva čelika za opruge u  –  dijagramu, u usporedbi s mekim čelikom Visoka granica razvlačenja ostvaruje se povišenim masenim udjelom ugljika te legiranjem sa silicijem, manganom, kromom i vanadijem. Osim toga traži se: sigurnost protiv krhkog loma  A  6 % i dovoljnu rezervu plastičnosti, visoka dinamička izdržljivost (Rd) – otpornost na lom od umora, otpornost na udarno opterećenje  dovoljnu žilavost (udarni rad loma KU).

Veći dio čelika za opruge toplo se oblikuje u željeni oblik poluproizvoda u čeličani, a nakon završnog formiranja opruge klasično ili izotermički poboljšava, čime se postižu optimalna mehanička svojstva.

Druga skupina čelika isporučuje se u, hladnom deformacijom, očvrsnutom stanju – hladnovaljane trake i hladnovučena žica. To su uglavnom nelegirani čelici s povišenim masenim udjelom ugljika (0,5..1 %C)  C60 (Č1630) i C60E (Č1631). Postupkom patentiranja postižu se još više vrijednosti granice razvlačenja i vlačne čvrstoće. Patentiranje se sastoji od austenitiziranja nelegiranog eutektoidnog čelika te izotermičkog gašenja u olovnoj ili solnoj kupci pri 400 do 550 °C. Dobivena mikrostruktura finolistićavog perlita (sorbita) zatim se hladno valja ili provlači čime se postižu vrlo visoke vrijednosti vlačne čvrstoće (i do 3600 N/mm2). U slučajevima kada se traži korozijska postojanost opruga iste se izrađuju od austenitnih ili martenzitnih nehrđajućih čelika s više od 12 %Cr. Opružna svojstva se kod austenitnih čelika postižu hladnim deformiranjem, a kod martenzitnih kaljenjem i visokim popuštanjem.

Čelici poboljšane rezljivosti Vrste čelika poboljšane rezljivosti prema normama: a) prikladni za cementiranje: 10S20 (Č1190), 17S20 (Č1290), 10S22 (Č3990) b) prikladni za poboljšavanje: 35S20 (Č1490), 45S20 (Č1590). najvažnije svojstvo: bolja obradljivost odvajanjem čestica u odnosu na druge čelike - mogućnost postizanja velikih brzina rezanja uz sporije trošenje oštrice alata - dobivanje visoke kvalitete površine. Modificirani kemijski sastav: maseni udio sumpora je povišen na 0,15...0,45 %S, također je povišen maseni udio fosfora (0,07...0,11 %P), kao i mangana. Sumpor preko stvorenih sulfidnih uključaka smanjuje trenje i otpor rezanju, a oni pomažu i u nastajanju lomljive strugotine. Fosfor doprinosi stvaranju krhke kratke strugotine i glatke obrađene površine. Neotopljeni uključci olova (0,15...0,30% Pb) smanjuju trenje pri obradi. Još bolja rezljivost postiže se dodacima selena (Se), cirkonija (Zr), telura (Te) ili bizmuta (Bi). Primjenjuju se za velikoserijsku proizvodnju ili u slučajevima izrade manjih količina ukoliko bi primjenom drugih čelika troškovi obrade bili previsoki. To su npr. vijci, matice, osovinice, zatici, odstojnici...

Hvala na pažnji !