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 – 3,0tvrdi lijev 3,0 – 3,8sivi lijev 3,5 – 4,5nodularni 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 LIJEVMetastabilno 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 %Si3,0...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 lijevSVOJSTVA:

- 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 %Si0,3...1,2 %Mn1,4 %Si0,4...1,5 %P< 0,1 %S

Si – jak grafitizator koji omogućuje stvaranje grafitaP – grafitizator koji poboljšava livljivost. Štetan jer smanjuje žilavostMn , 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 Interdentritični TIP A TIP B TIP C TIP D TIP E

STRUKTURA:- sastav ( ugljik, grafitizator )- brzina skrućivanja

manja brzina = manje grafitaveća 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

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 %C2.4...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) austenitnad) 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 CO2. 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 slMože 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 grafitaSISTEMATIZACIJA ČELIKA PREMA:

a) kemijski sastavb) mikrostrukturac) način proizvodnjed) oblik i stanje e) područje primjenef) 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 mikrostruktureMogu biti: feritni, perlitni, feritno-perlitni, martenzitni, bainitni, austenitni , ....

c) Prema načinu proizvodnje - brojniPrema načinu dezoksidacije i lijevanja čelici mogu biti: nesmireni, polusmireni ili posebno smirenid) Prema obliku i stanjuOBLICI: šipke, limovi, trake, cijeviSTANJA: 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: %CPorast %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

- visoka žilavost i čvrstoća- dovoljna dinamička izdržljivost2. Otpornost na trošenje- što manji gubitak mase3. Otpornost na koroziju- korozijska postojanost- otpornost na oksidaciju4. 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 strojogradnjuKemijski 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 mješancima2. Očvrsnuće martenzitnom transformacijom3. Očvrsnuće hladnom deformacijom4. Očvrsnuće usitnjenjem zrna5. Očvrsnuće izlučivanjem i disperzijom faza

PODIJELA:1. Normalizirani sitnozrnati povišene čvrstoće2. 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 temperature2. Za povišene temperature3. 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 popuštanjeKao 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 izdržljivostOsnovni preduvjet za postizanje željenih svojstava je prokaljenost.Na dubinu prokaljivanja – prokaljenost utječu tri skupine svojstav:

A) PROKALJIVOST primjenjene vrste čelikaB) DIMENZIJE dijelaC) 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 povratZahtjevi – 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. R p1/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 temperaturi3.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 MEHANIČKE OTPORNOSTI PRI POVIŠENIM TEMPERATURAMA

- 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 cijeviTr ≤ 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 postrojenjaTr = 450 – 580 = 0C

- dobra zavarljivost ( < 0,25 % )- dobra otpornost puzanju ( karbidi Mo2C, Cr7C3 )- dobra prokaljivost ( Cr, Mo )- dobra otpornost na popuštanjeC) 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 čeliciTr = 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 – ljuskanjuKod 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 kapacitetRast => 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 medijiKorodirani 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 sklopa4. Primjena materijala otpornog na koroziju5. Primjena zaštitnih prevlaka i platiranja – polimerne prevlake, metalne

prevlake6. 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 elekrolitInterkristalna 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 ) korozijaPosljedica 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 mikrostrukturiAustenitniAustenitno-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