LEGURE ŽELEZO
-železo je čist element
-Čisto železo u u Periodnom sistemu elemenata pripada
grupi prelaznih metala
-temperatura topljenja 1539 oC (1536 oC), a
gustina 7,8 g/cm3
-železo ima svojstvo polimorfije
(alotropije) – u čvrstom stanju se javlja u dve alotropske modifikacije:
prostorno (α, δ) i površinski (γ) centrirane kubne rešetke.
-čisto železo se legira
-veoma mali sadržaj ugljenika mu
drastično menja osobine
Ferit,
koji predstavlja intersticijski čvrsti rastvor ugljenika u α-Fe i obeležava se
sa α. Rastvorljivost ugljenika u α-Fe zavisi od tempera-ture: najmanja je na
sobnoj temperaturi i iznosi 0,006 %C, a najveća na sobnoj na 727 oC i
iznosi 0,025 %C.(Z.C.K)Ferit je mek i plastičan (tvrdoća 80 HB, zatezna
čvrstoća Rm=250
MPa, izduženje A=50%). Dobar je provodnik toplote i električne struje.
Magnetičan je do približno 770 oC.
Austenit je intersticijski čvrsti rastvor ugljenika u
γ-železu, obeležava se sa γ i postojan je na temperaturama iznad 727 oC.(P:C:K)Najmanja
rastvorljivost ugljenika u površinski centriranoj kubnoj re-šetki železa iznosi
0,8% na 727 oC
a najveća 2,0% C na 1148 oC. Austenit je plastičan, ima veću zateznu
čvrstoću i tvrdoću od ferita.
δ-ferit
je intersticijski čvrsti rastvor u δ-železu(Z.K.R). Maksimalna rastvorljivost
je ugljenika 0.009%C na temperaturi 1475 oC.
Ugljenik u strukturi čelika i gvožđa može da bude: vezan sa železom
u vidu hemijskog jedinjenja – karbida železa, Fe3C,
koji se naziva cementit; u slobodnom obliku kao grafit;
intersticijski rastvoren u α-Fe i γ-Fe obrazujući čvrste rastvore.
CEMENTIT ima složenu rombičnu kristalnu rešetku,
sl. 5.2a, koja se obrazuje pri sadržaju ugljenika od 6,67% C.Cementit nije
stabilna faza nego metastabina,pa njegovim žarenjem pri visokim temperaturama u
dužem vremenskom periodu dolazi do razlaganja prema jednačini: Fe3C → 3Fe
+ C (grafit)
GRAFIT je jedna od alotropskih modifikacija
ugljenika i ima prostu heksagonalnu rešetku, koja se odlikuje slojevitim
rasporedom atoma. Zbog različitih parametara rešetke i slojevitog rasporeda
atoma ugljenika, grafit ima malu tvrdoću i malu žilavost.
Imajući u vidu da su moguća dva oblika
postojanja ugljenika (grafit i cementit) neophodno je razmotriti i dva sistema legura
železa sa ugljenikom Fe- Fe3C-metastabilni
dijagram stanja i Fe-C- stabilni
dijagram stanja.
Karakteristične linije na
dijagramu stanja Fe-Fe3C
Linija koja
nastaje spajanjem tačaka A, B, C i D se naziva likvidus linija iznad
koje su sve legure ovog sistema u tečnom stanju - rastopu (R).
Linija koja se
dobija spajanjem tačaka A, H, J, E, C i F se naziva solidus linija i
predstavlja završetak procesa kristali-zacije.Ispod nje sve legure ovog sistema
su u čvrstom stanju.
Između likvidus
i solidus linije legure se sastoje iz rastopa i čvrste faze koja se izdvaja.
Količina čvrste faze se povećava sa sniženjem temperature, tj. napredovanja
procesa kristalizacije. Po liniji AB se
izdvaja δ-ferit, po liniji BC austenit (γ), a po liniji CD primarni cementit
(Fe3C′).
Kristalizacija čvrste faze iz rastopa je označena kao primarna
kristalizacija. Linije SE i PQ predstavljaju solvus linije –
linije rastvorljivosti ugljenika u austenitu (SE linija),odnosno
rastvorljivosti ugljenika u feritu (PQ linija). Cementit koji se izdvaja iz
austenita po SE liniji se naziva sekundarni cementit (Fe3C″),da
bi se razlikovao od primarnog cementita,koji nastaje iz rastopa.Cementit koji
nastaje iz ferita po PQ liniji se označava kao tercijarni cementit (Fe3C″′).Po
liniji ECF se odvija eutektička reakcija na eutektičkoj
temperaturi (1148 oC).Eutektičkom reakcijom se obrazuje mehanička smeša koja se sastoji od austenita sa
2,0% C i primarnog cementita sa 6,67% C. Eutek-tička smeša se naziva ledeburit
I (sa oznakom LI). Eutektička reakcija se prikazuje na
sledeći način:
%C → LI (γ2,0%C +
Fe3C′6,67%C)
Ova
reakcija se odvija kod svih legura sistema Fe-Fe3C koji sadrže više od
2,0% C.
Linija PSK (727 oC) je eutektoidna
linija po kojoj se odvija eutektoidni preobražaj austenita sa
0,8% C u mehaničku smešu ferita sa 0,025% C i sekundarnog cementita (Fe3C″) sa
6,67% C. Eutektoidna smeša se naziva perlit (oznake P), a
reakcija njegovog dobijanja se prikazuje kao:
γ0,8% C →
P (α0,025%
C + Fe3C″6,67% C)
Legura sastava 0,8% C se naziva eutektoidni
čelik, a eutektoidna reakcija predstavlja reakciju u čvrstom stanju.
U odnosu na eutektoidnu tačku, čelici se dele na:
- podeutektoidne čelike sa sadržajem ugljenika od 0,025 do 0,8%, čija se
struktura sastoji iz ferita i perlita;
- eutektoidni čelik sa sadržajem ugljenika od 0,8%, čija se struktura
sastoji od 100% perlita;
- nadeutektoidne čelike sa sadržajem ugljenika od 0,8 do 2,0%, čija se
struktura sastoji od perlita i sekundarnog cementita.
Čelici su legure železa i
ugljenika do 2,11%.Gvoždja su legure železa i ugljenika preko 2,11% do 6,67%C
ČELICI
Čelici su legure gvoždja i
ugljenika,dobijaju se od belog livenog gvožđa, u čelicima pored ugljenika nalaze
se i stalne primese mangan(Mn),silicijum(Si),fosfor(P) i sumpor(S).
Mangan(Mn) i silicijum (Si) su
povoljne primese dok fosfor(P) i sumpor(S) su štetne primese.
U čeliku mogu jos da budu
prisutni i gasovi vodonik,ayot i kiseonik i oni su štetne primese.
Rastopljeno gvožđe se prerađuje
u čelike sa jednim od sledećih načina:
-u
KONVENTORIMA
-u
S.M. pecima
-ELEKTRO
PEĆIMA (legirani čelici)
Bitna razlika između
Simens-Martenovog postupka i pretapanja u elek-tropećima, konvertorskog
postupka ogleda se u načinu dobijanja toplote potrebne za dobijanje čelika.
KONVENTORIMA
Kod konvertorskog postupka
gvožđe se ubacuje u konvertor bačvastog oblika, koji je iznutra obložen
odgovarajućom vatrostalnom oblogom.Neposredno pre početka reakcije sa
kiseonikom dodaje se topitelj, koji pomaže izdvajanje troske na površini
rastopljenog čelika. U konvertor se spušta cev sa kiseonikom (vazduhom), koja
je označena strelicom na slici.
VISOKA PEĆ
U visokim pećima se dobija gvoždje.Kroz
gornji otvor peći (grotlo) u određenim količinama i po određenom redosledu
ubacuju se koks, ruda i topitelji (krečnjak). U dnu peći (pećica)
se nalaze otvori za ispuštanje rastoplje-nog gvožđa i troske. U donjem delu
peći smeštene su duvnice kroz koje se uduvava pregrejani vazduh,
potreban za sagorevanje koksa. Višak gasova, koji nastaju u procesu dobijanja
gvožđa, napušta peć kroz gornji otvor. Proizvodi visoke peći su: rastopljeno
gvožđe, tečna troska i visoko-pećni gas. Oni nisu finalni proizvodi, već se
koriste kao sirovine za dalju preradu.
Naredna faza u
dobijanju čelika je oblikovanje prilikom prelaza iz tečnog u čvrsto stanje.
Tečni čelik se lije u metalne kalupe – kokile, sl. 6.1e, gde očvršćava u
tzv. ingote.
Tradicionalni način livenja ingota sve više se zamenjuje
kontinualnim livenjem. Rastopljeni čelik se izliva u pomoćnu posudu, gde se sa
površine uklanjaju nečistoće, a zatim se ravnomerno i neprekidno propušta kroz
bakarni kristalizator u kome počinje očvršćavanje i komoru za hlađenje, gde se
očvršćavanje završava .
U procesu
dobijanja i izlivanja čelik veoma lako rastvara gasove (O2, N2, H2, CO2 i CO)
koji izazivaju poroznost i nehomogenost strukture, što se loše odražava pre
svega na mehaničke osobine. Prema
količini zaostalih gasova u toku očvršćavanja čelici se dele na neumirene,
poluumirene i umirene.
Neumireni
čelici sadrže do 0,3% C i
oko 0,02% Si, i nepotpuno su dezoksidisani sa Mn i Al (dezoksidatori).
Odlikuju se prisustvom gasnih pora duž spoljašnje strane ingota, sl. 6.4a, što
obezbeđuje mekši površinski sloj, a time i lakšu obradu deformacijom na hladno.
Koriste se za izradu limova i šipki. Pore prisutne u neumirenim čelicima utiču
na smanjenje žilavosti, dinamičke čvrstoće i sposobnosti za zavarivanje.
Umireni čelici sadrže više od 0,3% C i od 0,15-0,6% Si. Oksidi se dezok-sidacijom
ne udaljavaju, već stvaraju suspenziju u rastopu i ostaju u očvrs-lom čeliku. U
umirenim čelicima nema gasnih mehurova, ali se na vrhu ingota formira
lunker-šupljina, sl. 6.4b, koja se otklanja odsecanjem. Umi-reni čelici imaju
homogenu strukturu bez šupljina i pogodni su za rad na niskim temperaturama.
Poluumireni
čelici sadrže od 0,3-0,9%
C i oko 0,15% Si, a dezoksidisani su u većoj meri nego neumireni. Osim Mn i Al,
kao dezoksidator deluje i Si. Pore su koncentrisane na gornjem delu odlivka sl.
6.4c. Primenjuju se za izradu profila i debljih limova. Dobijanje im je
ekonomično.
PODELA ČELIKA
Čelici mogu da se podele prema:
- hemijskom
sastavu,
- nameni,
- strukturi,
- načinu
dobijanja,
- kvalitetu,
- obliku
i stanju poluproizvoda.
Prema hemijskom sastavu čelici se dele na:
- ugljenične
čelike,
- legirane
čelike.
Prema nameni čelici se dele na:
- konstrukcione
čelike,
- alatne
čelike,
- čelike sa
posebnim svojstvima.
Prema strukturi čelici mogu da budu feritni,
podeutektoidni, eutek-toidni, nadeutektoidni, ledeburitni, austenitni i
martenzitni1.
Prema načinu dobijanja razlikuju se Tomasov, Besemerov,
Simens-Martenov i elektročelik.
Prema
kvalitetu, tj. sadržaju
sumpora i fosfora, čelici se dele na:
-
čelike običnog kvaliteta (ugljenične) sa sadržajem sumpora do 0,06% i fosfora
do 0,07%,
-
kvalitetne čelike (ugljenični i legirani) sa sadržajem sumpora 0,035-0,04% i
fosfora 0,035-0,04%,
-
visoko kvalitetne čelike (legirani) sa sadržajem sumpora do 0,025% i fosfora do
0,025%,
-
plemenite čelike (legirani) sa sadržajem sumpora do 0,015% i fosfora do 0,015%.
Prema obliku i stanju
poluproizvoda čelici se dele na: valjane,
vuče-ne, kovane, livene, brušene, presovane i ljuštene.
UGLJENIČNI
ČELICI
Ugljenični
čelici su legure železa i
ugljenika (sa sadržajem C do 2,0%), u kojima su prisutne primese.
Prema sadržaju
ugljenika, ovi čelici se dele na:
- niskougljenične
do 0,25% C,
- srednjeugljenične
od 0,25% do 0,6% C,
- viskokougljenične
preko 0,6% C.
Prema nameni,
ugljenični čelici se dele na:
- konstrukcione,
do 0,6% C i
- alatne,
preko 0,6% C.
Uticaj ugljenika na strukturu i svojstva ugljeničnih čelika
Kod nadeutektoidnih čelika sa porastom sadržaja ugljenika i
dalje rastu napon tečenja i tvrdoća. Zatezna čvrstoća raste do približno 1,2%
C, kada dostiže maksimum, a potom opada. Ovo može da se objasni povećanjem
količine sekundarnog cementita koji se izdvaja na granicama perlitnih zrna, pri
porastu sadržaja ugljenika. To dovodi do smanjenja zatezne čvrstoće, a nema
uticaja na tvrdoću i napon tečenja.
Uticaj primesa na strukturu i svojstva ugljeničnih čelika
Osim ugljenika, u
sastav čelika ulaze i drugi elementi koji se smatraju pratećim. Prateće primese, Si,
Mn, Al, S i P u čeliku posledica su procesa dobijanja gvožđa i čelika.
Sumpor je štetna primesa. Rastvorljivost sumpora u železu je
toliko mala da i najmanji sadržaj sumpora dovodi do obrazovanja sulfida železa FeS. Između FeS i železa obrazuje se eutektoid koji se
izdvaja na granicama zrna i topi na 985ºC. Sumpor je često uzrok pojave krtog
loma, poznatog pod nazivom crveni lom. Štetan uticaj FeS
se smanjuje ako se doda mangan (FeS + Mn → Fe
+ MnS). Nastalo hemijsko jednjenje MnS topi se na ~ 1620ºC, pa se time otklanja
opasnost od crvenog loma. Sumpor u čelicima za automate može da bude koristan
jer pomaže stvaranje krte i lomljive strugotine, čime se ubrzava obrada
rezanjem. Kod ovih čelika dozvoljen sadržaj sumpora je do 0,3%.
Fosfor je
takođe štetan jer sa železom gradi fosfide koji utiču na smanjenje
sposobnosti deformacije u hladnom stanju i izazivaju tzv. plavi lom. Redovni
je pratilac čelika.Potiče iz rude veoma je štetna primesa sadržaj u
čeliku je ograničen 0,025-0.04% u izuzetno retkim slučajevima namerno se dodaje
čeliku do oko 0,03% jer poboljšava sposobnosti čelika.
Mangan povećavaju čvrstoću
čelika, ali smanjuju njegovu plastičnost i žilavost.Namerno se dodaje pri
proizvodnji čelika radi redukcije nepoželjnih oksida železa FeS + Mn → Fe + MnS
takođe se dodaje i radi vezivanja sumpora,jer sprečava nastanak štetnih sulfita
železa.Dozvoljeni sadržaj Mn u ugljeničnim čelicima je 0,8% (preko toga je
legiran Mn).Supsitucisko ojačanje Mn.
Silicijum povećavaju čvrstoću
čelika, ali smanjuju njegovu plastičnost i žilavost.
Kiseonik se u čeliku nalazi u
vidu raznih oksida, koji nepovoljno utiču na svojstva čelika.
Azot obrazuje nitride koji
povećavaju tvrdoću, ali smanjuju žilavost čelika, pa se smatra štetnom
primesom.
Vodonik je u čelicima štetna
primesa jer stvara pore, koje posle valjanja ili kovanja prelaze u prsline, što
smanjuje žilavost.
Da bi se ovi gasovi izbegli najbolje je čelik liti i
topiti u vakumu.
Stabilni sistem stanje FeC
Kod ovog sistema ugljenik se nalazi u obliku
grafita.Sistem FeC ima značaja za legure koje imaju 2,11%C za gvožđa.
Gvožđa koja se dobijaju prema metastbilnom dijagramu
stanja su bela gvožđa jer imaju površinu belu i sjajnu zbog cementita.Kod sivih
gvožđa ugljenik se izdvaja u obliku grafita površina je siva i ima veću
primenu.U kakvom će obliku da se izdvoji ugljenig zavisi od brzine hlađenja.Pri
većim brzinama hlađenja(uobičajnim) ugljenik se izdvaja u obliku cementita.
LIVENA GVOŽĐA
Livena gvožđa su
legure železa sa više od 2,0% ugljenika. Livena gvožđa imaju nisku plastičnost
i relativno malu otpornost prema udaru. Koriste se zbog dobrih svojstava
livenja, širokog opsega čvrstoće i tvr-doće, u većini slučajeva dobre obradivosti
rezanjem, i niske cene. Gvožđima mogu da se dodaju legirani elementi,odlično se
liju imaju nisku temperaturu topljenja i tečljivi su.Kod nekih gvožđa plastična
deformacija ja 0,5%. Upotreba im je ograničena zbog male udarne žilavosti,zbog
male plastičnosti, osetljivosti na dinamičko opterećenje.Zbog niske cene ipak
se našla primena u inženjerskoj praksi.
Prema načinu
sastavu i strukturi livena gvožđa se dela na:
1) Sivo
liveno gvožđe (sivi liv) - ugljenik u obliku lamelarnog grafita.
2)
Belo liveno gvožđe (beli-tvrdi
liv) - ugljenik vezan u obliku cementita.
3) Nodularno
liveno gvožđe (nodularni liv) - ugljenik u obliku kuglastog grafita
(nodule).
4) Temperovani
liv (temper liv) - ugljenik u obliku temper-grafita.
5) Vermikularno
liveno gvožđe, kod koga je grafit izdvojen u vermiku-larnom (crvastom)
obliku.
6) Legirano
liveno gvožđe (legirani liv).
Sivo
liveno gvožđe
Sivi liv se dobija iz sivog livničkog gvožđa sporim hlađenjem koje
omogućava da se ugljenik u toku očvršćavanja izdvoji u obliku lamela grafita.
Sivi liv je otporan na habanje i koroziju, dobro se obrađuje rezanjem, dobro
provodi toplotu i prigušuje vibracije. Odlivci od sivog liva su jeftiniji od
ostalih livova. Ovaj liv u poređenju sa sivim livom ima niz prednosti kao što
su veća zatezna čvrstoća, tvrdoća i žilavost. Siva livena gvožđa su
podeutektičke legure koje sadrže 3,1-3,8%C i 1,8-2,8%Si imaju i Mn,S;P.Veći
sadržaj ugljenika utiče na obrazovanje veće količine grafita,pa se dobijaju
lošiija mehanička svojstva. U zavisnosti od brzine hlađenja dobijaju se
različiti oblici i veličine grafitni lamela.Pti umerenim brzinama hlađenja
dobijaju se mlae grafirne lamele po perlitnoj osnovi imaju bolje mehančke
osobine. A pri malim brzinama hlađenjadobija se krupnije grafitne lamele po feritnoj
osnovi. Zatezna čvrstoća ,napon tečenje i izduženje (ispod 1%) su mali. Povećani
sadržaj Si u odnosu na čelike smanjuje rastvorljivost ugljenika u gvožđu pa ga ostaje više slobodnog da se ižzdvoji u
obliku grafita.
Belo liveno gvožđe
Ugljenik
je vezan u obliku cementita pa zbog toga sadržaj C i Si mora da bude niži nego
kod sivog livenog gvožđa 2,5-3%C i 0,5-1,5Si. Dobija se pri većim brzinama
hlađenja, tvrdoća je veća u odnosu na sivo liveno gvoždje zbog izdvajanja
cementita.ima veću krutosti i bolja mehanička svojstva. Zbog ovakvih osobina
upotreba im je ograničena koriste se za izradu valjeka,koriste se kao sirovina
za proizvodnju odlivaka temperovanja.
Odbeljena gvoždja
Odlivci kopji u
površinskom sloju imaju strukturu belog livenog gvoždja, a u sredini strukturu
sivog livenog gvoždja zovu se odbeljena gvoždja. Hladjenje površinemora da bude
brzo (kokila metalni kalup),a a srednji deo mora se hladiti sporo.Dubina
odbeljenog sloja može da bude do 30mm.Odbeljena gvožđa se koriste za
valjke,kugle,mlinove...
Temper liv
Temperovanje je naknadno žarenje.
Temper liv se do dugotrajnom žarenjem belog liva na visokim temperaturama
da bi se ugljenik koji je bio vezan u cementitu, izdvojio u obliku
temper-grafita. Cementit se razlaže u obliku
Fe3C → 3Fe + temper grafit u obliku
rozeta (pahulj). Na osnovu hemijskog sastava, temperature, vremena i atmosfere
u peći pri žarenju, odnosno strukture, razlikuju se dve vrste temper liva - beli
i crni. Beli temper liv se dobija žarenjem u oksidacionoj
atmosferi pri čemu osim razlaganja cementita, dolazi i do razugljeničenja odlivka.
Crni temper liv se dobija žarenjem u neutralnoj atmosferi pri čemu
dolazi samo do razlaganja cementita.
Nodularni
liv
Nodularni liv se dobija na
isti način kao modificirani sivi liv, s tim što se umesto ferosilicijuma dodaju
magnezijum(0,03-0,05%) ili cerijum oko 0,2% u rastopljno liveno gvožđe
neposredno pri izlivanju u kalupe pri tome dolazi do izdvajanja grafita u obliku
nodula.Nodularni liv ima znatno veću čvrstoću i žilavost od sivog liva, što je
posledica izdvojenog grafita u obliku nodula i smanjenog sadržaj sumpora i
fosfora, Struktura metalne osnove nodularnog liva zavisi od sastava i brzine
hlađenja i ista je kao kod sivog liva. Nodularni liv se dobro obrađuje rezanjem, ima sposobnost da
prigušuje vibracije i otporan je na habanje. Zahvaljujući relativno visokoj
zateznoj čvrstoću nodularni liv se upotrebljava se za odgovorne delove presa,
mlinova, hidroturbina, automobila.
Нема коментара:
Постави коментар