G V O Ž Đ E

1. Opšte karakteristike i podela

Gvožđe se ne nalazi u prirodi kao hemijski čist element, već se dobija raznim postupcima iz ruda gvožđa. U praksi se uglavnom koristi tehničko gvožđe koje u sebi ima određen procenat primesa. Hemijsko čisto gvožđe (Fe) nema važnosti u tehnici zbog svoje male tvrdoće i čvrstoće. Tehničko gvožđe je legura gvožđa sa ugljenikom, manganom, silicujumom, fosforom i sumporom, a takođe može sadržati i dodatne sastojke (hrom, nikl, molibden, volfram i dr.) u naročite svrhe. Ovi sastojci, koji su delom poželjni a delom nepoželjni, imaju vrlo veliki uticaj na osobine tehničkog gvožđa. Ugljenik je najvažniji legirajući element gvožđa koji i u vrlo malim količinama znatno utiče na svojstva legure. Sa povećanjem procenta ugljenika u gvožđu opada temperatura topljenja i gustina. Do 0,1%C zateznačvrstoća se povećava, a zatim opada. Povećanjem procenta ugljenika povećava se i tvrdoća, ali opada sposobnost zavarivanja. Ugljenik utiče i na druge tehničke osobine: povećava granicu razvlačenja, otpornost na habanje, krtost, a smanjuje istezanje, kontrakciju, sposobnost izvlačenja, sposobnost deformisanja u toplom i hjadnom stanju, hemijsku otpornost itd. Na osnovu sadržaja ugljenika i drugih dodatnih elemenata tehničko gvožđe obuhvata:a) Čelik, sa sadržajem ugljenika praktično do 1,78%C, a teorijski do 2,14%C.b) Sivi liv, sa sadržajem ugljenika preko 2,6%C.c) Temperovani liv.U legurama gvožđa ugljenik se pojavljuje u obliku čvrstih rastvora (zavisno od moguće rastvorljivosti), u obliku hemijskog jedinjenja Fe3C i u elementarnom stanju u obliku grafita. U čelicima ugljenik se pojavljuje u najvećem broju slučajeva u obliku cementita Fe3C, s obzirom na malu rastvorljivost ugljenika u čvrstom rastvoru na normalnim temperaturama.

1

2. Struktura tehničkog gvožđa

Struktura tehničkog gvožđa i dijagram stanja legure Fe-C. Tehničko gvožđe je dvojna legura Fe-C sa dva legirajuća sastojka potpuno rastvorljiva u tečnomstanju, ali samo delimično u čvrstom stanju. Sposobnost alotropskog modifikovanja gvožđa omogućuje pri kristalizaciji stvaranje hemijskih jedinjenja ili čvrstih rastvora (mešanih kristala). Pojavljivanje pojedinih faznih sastojaka je zavisno od sadržaja ugljenika i temperature kristalizacije. Strukturni sastojci tehničkog gvožđa grade: ferit, cementit, austenit, perlit, ledeburit i grafit. Svaka faza odlikuju se određenim fizičko-mehaničkim osobinamaOd tehničkog značaja je α (alfa) modifikacija pri temperaturi od 7700C sa prostorno centrisanom kubnom rešetkom i γ (gama) modifikacija pri temperaturi preko 9060C sa površinski centrisanom kubnom rešetkom. Strukturni sastojci tehničkog gvožđa najbolje se mogu objasniti preko dijagrama stalja legure Fe-C. Dijagram stanja gvožđe-ugljenik konstruiše se na osnovu krivih hlađenja za niz sastava legure gvožđeugljenik. Zavisno od toga da li se ugljenik javlja u obliku hemijskog jedinjenja ili u elementarnom obliku razlikuju se metastabilan i stabilan dijagram stanja. Metastabilan dijagram stanja je dijagram Fe-Fe3C (gvožđe-cementit) kod koga je ugljenik u potpunosti vezan u hemijsko jedinjenje Fe3C, koje je nestabilno i teži da se raspadne tokom vremena, što pospešuje visoka temperatura. Stabilan dijagram stanja je dijagram Fe-CGR (gvožđe-ugljenik) u kome se ugljenik nalazi izdvojen u elementarnom stanju. Metastabilni dijagram stanja je tehnički mnogo važniji, jer obuhvata sve vrste ugljeničnih čelika, dok stabilni sistem obuhvata samo livena gvožđa. Čelik legura gvožđa i ugljenika sa procentom ugljenika teorijski od 0,008-2,14%C. Liveno gvožđe je legura gvožđa i ugljenika sa procentom ugljenika teorijski od 2,14-6,67%C. Likvidus linija ABCD je višestruko izlomljena linija koja razdvaja tečno stanje od početka očvršćavanja. Iznad likvidus linije legura je u tečnom stanju - rastop. Solidus linijaAHJECF je višestruko izlomljena linija koja razdvaja čvrsto stanje od testastog stanja I predstavlja kraj očvršćavanja legure. Između likvidus i solidus linije legura je u testastom stanju, tj. Heterogena smeša tečnog stanja i kristala δ-Fe, γ-Fe ili Fe3C (zavisno od procenta ugljenika). Kod legure gvožđe-ugljenik odigravaju se u procesu očvršćavanja tri izotermalne transformacije i to: peritektička, eutektoidna i eutektička. Peritektička transformacijha nastupa u tački J na temperaturi 14930C, pri sadržaju od najmanje 0,16%C. U tački J vrši se transformacija δ-ferita u γMEŠANE KRISTALE. Jednačina peritektičke transformacije je: δKRISTALI + R = γMEŠANI KRISTALI

2

Struktura δ - ferit je alotropska modifikacija gvožđa postojana na temperaturama iznad 14010C i bitno se ne razlikuje od α -ferita. Javlja se kod čelika legiranih

hromom i niklom. Po delu likvidus linije AC iz rastopa se počinju izdvajati prvi kristali čvrstog rastvora ugljenika u γ - gvožđu, koje nazivamo γMEŠANI KRISTALI ili austenit. Tako će mo u području ispod linije AC imati mešavinu dveju faza, tj. rastopa i γMEŠANIH KRISTALA (R + γMK). Po delu likvidus linije CD iz rastopa počinju se izdvajati kristali karbida gvožđa, tzv. Primarnog cementita (Fe3C '), te ćemo u području ispod linije CD imati mešavinu dveju faza: rastopa i primarnog cementita (R + Fe3C '). U tački C (eutektička tačka) pri sadržaju od 4,3%C i temperaturi 11450C iz rastopa se direktno izdvajaju istovremeno austenit (γ) i primarni cementit (Fe3C '), tj. nastaje eutektikum koji predstavlja finu mehaničku mešavinu austenita i primarnog cementita i naziva se ledeburit. Eutektička transformacija prestavljena je jednačinom:R → γMK + Fe3C ' = Ledeburit (L)Iz dijagrama stanja Fe-Fe3C se vidi da najniža temperatura na kojoj se javlja rastop je eutektička tačka C (11450 i 4,3%C). Ova legura se ponaša kao čist metal, s obzirom da se temperatura u toku očvršćavanja ne menja.Ledeburit se odlikuje veoma visokom tvrdoćom i krtošću i to je karakteristična struktura svih livenih gvožđa sa sadržajem ugljenika od 2,1 do 6,67%.Na osnovu eutektičke tačke C, liveno gvožđe se deli na:- eutektičko liveno gvožđe sa 4,3%C,- podeutektičko liveno gvožđe sa 2,1 - 4,3%C, i- nadeutektičko liveno gvožđe sa 4,3 - 6,67%C.Ispod granične solidus linije AHJECF sve promene u strukturi su u čvrstom stanju. Preobražaji čvrstog stanja proističu usled prelaza gvožđa iz jedne modifikacije u drugu, što je u vezi sa promenom rastvorljivosti ugljenika u gvožđu.

3

3. Dobijanje gvožđa

Gvožđe se dobija iz svojih ruda: magnetit (Fe3O4), hematit (Fe2O3), limonit (2Fe2O3 . 3H2O) i siderite (FeCO3). Ruda siderit se mora prethodno žari da bi se preveo u oksid. Najčešće se različite rude mešaju da bi se dobilo gvožđe odgovarajućeg sastava. Sitna ruda se prethodno presuje (briketira) ili speče (aglomerira) u krupnije komade, koji su podesnija za preradu. Za dobijanje gvožđa mogu se koristi i oksidni ostaci prženog pirita pri dobijanju sumporne kiseline.

4. Dobijanje sirovog gvožđa u visokim pećima

Sirovo gvožđe se dobija u visokim pećima u kojima se oksidna gvozdena ruda prerađuje redukcijom. Redukcija se može obaviti direktno pomoću ugljenika iz koksa upotrebljenog kao gorivo ili indirektno pomoću ugljen monoksida nastalog sagorevanjem koksa. Postrojenje visoke peći obuhvata: visoku peć, predgrevače vazduha, uređaj za dizanje šarže I punjenje peći, prečistač gasova, turboduvaljke za vazduh i dr. Visoka peć se sastoji od dve zarubljene kupe spojene osnovicama i donjeg cilindričnog dela. Peć je ozidana vatrostalnim opekama. Oko najšireg dela peći nalaze se cevi za dovod zagrejanog vazduha, koji se kroz duvaljke pušta u peć. Zavisno od konstrukcije visoka peć je ojačana čeličnim skeletom ili omotačem od čeličnih ploča. Zbog visoke temperature donji kraj peći spolja se stalno hladi vodom kroz ugrađene kanale. Ždrelo peći zatvara se dvostrukim zvonastim zatvaračem i na njega se sa strane nadovezuje uređaj za odvod dimnih gasova.

4

Otvori za ispuštanje zgure i sirovog gvožđa, smešteni u cilindričnom delu peći, zatvaraju se privremenim čepovima od vatrostalnog materijala. Prethodno

zagrevanje vazduha za visoku peć vrši se u tzv. zagrevačima (Kauper aparatima), po najmanje dva uz svaku peć, koji se naizmenično upotrebljavaju. Dok se jedan aparat zagreva sagorevanjem gasa visoke peći, kroz drugi već zagrejani aparat (700-10000C) propušta se hladan vazduh, koji se uteruje posebnim kompresorima. Šarža za visoku peć sastoji se iz mešavine rude, topitelja i koksa. Odnos ovih komponenata u šarži zavisi od sastava rude i to prvenstveno od sadržaja gvožđa u njoj. Ruda izmešana sa topiteljem dostavlja se u visoku peć u naizmeničnim naslagama sa koksom kao gorivom, a za sagorevanje koksa uduvava se zagrejani vazduh pod slabim pritiskom. Rudi se dodaju topitelji, čija je dužnost da teško topljive i štetne sastojke rude kao i pepeo pretvore u lako topljive. Topitelji mogu biti kiseli i bazični. Kiseli topitelji (glinasti škriljci itd.) dodaju se onim rudama koje imaju bazične primese, a bazični topitelji (kreč, dolomit itd.) dodaju se rudama koje sadrže kiseleprimese (SiO2-kvarc, Al2O3-glina). U cilju povećanja kapaciteta visoke peći i smanjenje potrošnje koksa kod savremenih peći vrši se predgrejavanje vazduha do 12000C i povećava njegov pritisak tako da na ždrelu iznosi do 2 bara. U istomsmislu deluje obogaćenje vazduha kiseonikom, kao i dodavanje vazduhu ugljene prašine, mazuta, gasnog goriva i vodene pare.U visokoj peći imamo tri osnovna hemijska procesa:a) redukcija;b) ugljenisanje;c) hemijske reakcije u vezi sa topiteljem.

5

5. Električne peći za dobijanje sirovog gvožđa

Topljenje gvozdene rude u pećima sa električnim zagrevanjem našlo je primenu u zemljama koje nemaju koksujući ugalj, a raspolažu sa velikim hidroenergetskim izvorima jeftine električne energije. Dobijanje sirovog gvožđa u električnoj peći vrši se korišćenjem električne energije za topljenje oksidne gvozdene rude uz dodatak koksa, koji se samo koristi kao redukujuće sredstvo i za naugljenisanje gvožđa (oko 1/3 količine potrebne u visokoj peći). Kako je za dobijanje 1t sirovog gvožđa potrebno oko 2500-3000kWh električne enrgije, to je upotreba električnih peći ograničena. S obzirom da se u električnu peć ne uduvava vazduh, nastrali gas u peći sastoji se uglavnom od ugljen monoksida, koji se po prečišćavanju od prašine uduvava natrag u donji deo peći. Regulisanjem napona električne struje moguće je dobiti odgovarajuću vrstu sirovog gvožđa vrlo dobrog kvaliteta

6

6. Vrste sirovog gvožđa

Zavisno od sastava sirovine, temperature u peći i brzine hlađenja ispuštenog sirovog gvožđa iz visoke peći može se dobiti belo sirovo gvožđe i sivo sirovo gvožđe. Za dobijanje belog sirovog gvožđa potrebno je da sirovina sadrži dovoljno mangana, koji utiče da se ugljenik zadrži u obliku karbida gvožđa. Za dobijanje sivog sirovog gvožđa potrebno je da sirovina sadrži dovoljno silicijuma (2-3%Si) i da u peći vlada povišena temperatura, da bi se ugljenik izdvojio u obliku grafita, što se olakšava sporim hlađenjem ispuštenog sirovog gvožđa u peščanim kalupima.Posebne vrste sirovog gvožđa su ferosilicijum sa povećanim sadržajem silicijuma (8-10%Si), sjajno sirovo gvožđe sa povećanim sadržajem mangana (6-22%Mn) i feromangan sa znatnim sadržajem mangana (60-80%Mn). Sivo sirovo gvožđe dobijeno u visokoj peći koristi se za dalju preradu u liveno gvožđe, dok se belo sirovo gvožđe (oko 7/8 ukupne proizvodnje visokih peći) uglavnom koristi za dalju preradu u čelik. Postrojenje za dobijanje sirovog gvožđa u našoj zemlji nalaze se u železari Smederev

7

Rudnik gvožđa !

Predmeti od gvožđa

7. Livena gvožđa

Osobine i primena livenih gvožđa zavise od oblika ugljenika koji se nalazi u strukturi gvožđa.Ugljenik u livenom gvožđu može se nalaziti u dva oblika i to: kao slobodan ugljenik–grafit i kao karbid gvožđa Fe3C. U vezi sa načinom dobijanja i oblikom pojavljivanja ugljenika u gvožđu razlikujemo više vrsta livenih gvožđa i to:

8

− Bela livena gvožđa,− Siva livena gvožđa,− Legirana livena gvožđa,− Modificirana siva livena gvožđa,− Temper livena gvožđa.

Ruda gvožđa !

Kod belih livenih gvožđa ugljenik se većinom nalazi u vezanom obliku kao karbid gvožđa Fe3C (cementit) ili karbid ugljenika sa drugim elementima(Cr, Mo, W, V itd). Bela livena gvožđa su vrlo tvrda (HB=3000÷6000MPa), otporna na habanje, visoke temperature I koroziju. Zbog velike tvrdoće se ne mogu obrađivati rezanjem i plastičnom deformacijom, radi čega se najčešće obrađuju brušenjem. Koriste se u livenom stanju. Bela livena gvožđa mogu biti legirana i ne legirana. Legirana bela livena gvožđa odlikuju se izuzetno velikom tvrdoćom (HB=8000MPa), otpornošću na koroziju, toplotu i kiseline. Bela livena gvožđa manje se koriste od sivih livenih gvožđa. Najčešće se upotrebljavaju kao material za preradu u čelik i temper livena gvožđa. U rudarstvu se belo liveno gvožđe koristi za izradu: kugli za mlinove, čeljusti drobilica i dr. Sivo liveno gvožđe je pretopljeno sivo sirovo gvožđe uz dodatak starog liva. Odlikuje se karakterističnom sivom bojom, znatnom čvrstoćom pri pritisku i srazmerno malom zateznom čvrstoćom, kao I umerenom tvrdoćom. Nije kovno, ali se odlikuje vrlo dobrom livkošću. Topi se na 1200-13000C, gustina mu je oko 7,25g/cm3. Veliki nedostatak sivog livenog gvožđa je vrlo niska udarna žilavost

9

oko 1J/cm2, što znači da je vrlo krt materijal. Ugljenik je u sivim livenim gvožđima izdvojen u vidu tri alotropske modifikacije: u obliku lamela, rozeta ikuglica (nodula). Razlikuje se više vrasta sivog livenog gvožđa: obični sivi liv, sivi liv srednje čvrstoće i sivi liv velike čvrstoće. Sivo liveno gvožđe ima vrlo široku primenu u praksi usled jednostavnog načina livenja, dobre obradivisti rezanjem, visoke otpornosti na habanje i koroziju itd. Koristi se za izradu: postolja, blokova motora, cilindara lokomotiva i dizel motora, menjačkih kutija, kućišta pumpi,

doboša kočnica, kanalizacionih cevi, slivnika, grejnih tela itd. Nodularni sivi liv (Sfero liv) je vrsta sivog liva velike čvrstoće, kod koga se ugljenik ne nalazi o obliku ljuspica, već u obliku nodula (loptica). Noduliranjem se povećava zatezna čvrstoća za oko 4 puta (do 600MPa), liv dobija znatnu žilavost i postaje kovan. Legirana livena gvožđa u svom sastavu imaju i manju količinu legirajući elementi: Cr, Ni, Ni-Cr, Ti, Mo, Cu i Al. Legirajući elementi omogućuju stvaranje sitnozrnastijeg i ravnomernije raspoređenog grafita. Prema sadržaju legirajućih elemenata livena gvožđa delimo na: nisko legirana sa sadržajem legirajućih elemenata do 5%, srednje legirana sa sadržajem legirajućih elemenata od 5 do10% i visoko legirana sa sadržajem legirajućih elemenata preko 10%. Modificirana siva livena gvožđa dobijaju se dodavanjem specijalnih materija-modifikatora livenom gvožđu pred izlivanje. Kao modifikator najčešće se koristi Si koji se dodaje rastopljenom sivom livenom gvožđu u obliku ferosilicijuma ili silikokalcijuma. Količina modifikatora iznosi 0,2 do 0,3% mase rastopljenog gvožđa za izlivanje. Od modificiranih livova izrađuju se odgovorni mašinski delovi kao što su: kolenasta vratila, valjaonička vratila i dr.

10

Temper liveno gvožđe spada u kvalitetna livena gvožđa. Dobija se od belog sirovog gvožđa dugotrajnim žarenjem (60-100 časova) na povišenim temperaturama (900-10000C) radi razlaganja cementita. Prema hemijskom sastavu, načinu dobijanja, strukturi i osobinama razlikujemo: beli (evropski) temper liv i crni (američki) temper liv. Kod belog temper liva procesom temperovanja ugljenik je najvećim delom ostranjen iz perifernog dela odlivka do izvesne dubine. Zato izgled preseka belog temper liva perlitne osnove i oksidiranog ugljenika ima svetliju boju usled manje količine grafita. Kod crnog temper liva višak ugljenika, nastao raspadanjem cementita, ostaje u perifernoj zoni u obliku zrnaca amorfnog ugljenika. Presek odlivka crnog temper liva ima tamnu boju, jer na feritnoj osnovi imamo veliku količinu uključaka temper ugljenika.

11

12