8. LEGIRANJE ELIKA

I. Duplani, N. Krni: MATERIJALI 3 247

8. LEGIRANJE ELIKA

U kolegijima Materijali 1 i 2 studenti su se upoznali sa osnovnim legirnim elementima koji se dodaju eliku kako bi im se poboljala odreena svojstva. Tim se postupcima dobivaju legirani elici koji se u razliitim oblicima i namjenama koriste u strojarskoj praksi. . Za razliku od nelegiranih elika, legirani elici, uz eljezo i ugljik, sadre u izvjesnim koliinama jedan ili vie legirnih elemenata:

Si, Mn, Cr, Ni, W, Mo, V, Co, Ti, Cu, Al itd Svi navedeni elementi su metali, a izuzetak je Silicij koji je metaloid. Dodatak

nekog ili vie legirnih elemenata izaziva odreene promjene u eliku, a one se uglavnom uoavaju kroz:

promjene oblika Fe-Fe3C i TTT dijagrama te pojavu novih strukturnih faza, esto vrlo komplicirane grae.

Ovi se elementi naelno mogu mogu podijeliti u dvije skupine a to su:

gamageni, koji stabiliziraju fazu (Mn, Ni, Co i Cu) alfageni, koji stabiliziraju fazu (Si, Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Ta, Zr i B)

Dodatak legirnih elemenata utjee na visinu temperaturne pretvorbe austenita u ferit A1 pri hlaenju, kako je to pokazano na slici 8.1. Naelno, smatra se da gamageni elementi snizuju, a alfageni elementi podiu tu temperaturu. To znai da Gamageni elementi stabiliziraju austenit , to znai da proiruju njegovo podruje po ordinati, a time sputaju A3 i A1 linije. Ove su promjene vie izraene to je koliina legirnog elementa vea, slika 8.2. Izoblieni dijagram ukazuje kako koliina legirnih elemenata u sprezi sa ugljikom utjee na mogunost kaljenja elika.

Tako bi se npr. elik sa x% legirnih elemenata mogao potpuno zakaliti jer ima

mogunost potpune pretvorbe ferita u austenit pri grijanju i austenita u ferit pri hlaenju.

elik sa y% legirnog elementa bi se samo djelomino mogao zakaliti, jer pri

sobnoj temperaturi ima austenita, a feritna faza omoguava spomenute pretvorbe. elik sa z% legirnog elementa nije mogue zakaliti, jer na sobnoj temperaturi

ima samo austenit i prema tome nema mogunosti nikakvih pretvorbi. Takav elik u praksi se naziva austenitni elik i nije zakaljiv, a time ni prokaljiv.

Slika 8.1 Utjecaj legirnih elemenata na

temperaturu A1 |1|

8. LEGIRANJE ELIKA

I. Duplani, N. Krni: MATERIJALI 3 248

Slika 8.2 Utjecaj gamagenih elemenata na dijagram Fe-l.e. |1|

Slika 8.3 Utjecaj alfagenih elemenata na dijagram Fe-l.e. |1|

Alfageni elementi stabiliziraju ferit , to znai da suavaju podruje austenita i

proiruju podruje ferita po ordinati. To rezultira podizanjem linija A1 i A3. Kakva je mogunost kaljenja elika legiranih ovom vrstom legirnih elemenata,

uz pretpostavku da u njima ima ugljika, vidljivo je iz slike 8.3. Tako bi se npr. elik sa x% -genih legirnih elemenata mogao potpuno zakaliti jer ima mogunost potpune pretvorbe ferita u austenit pri grijanju i austenita u ferit pri hlaenju.

elik sa y% legirnog elementa bi se samo djelomino mogao zakaliti, jer je

mogua djelomina pretvorba ferita u austenit pri grijanju i austenita u ferit pri hlaenju.

elik sa z% legirnog elementa nije mogue zakaliti, jer na sobnoj i svim

temperaturama do solidus linije ima samo ferit i, prema tome, nema mogunosti nikakvih pretvorbi. Takav elik u praksi se naziva feritni elik i nije zakaljiv, a time ni prokaljiv.

Osim navedenih promjena temperatura A1, A3 i Acm dodavanje legirnih

elemenata nekom eliku uzrokuje i pomicanje koncentracija ulijevo tako da se legirani elik sa oko 0,8% C moe nai u podeutektoidnom podruju pa ga se zato i zove Ledeburitni elik. Tipini takav elik je Brzorezni elik.

Dodavanje legirnih elemenata leguri eljeza i ugljika, osim spomenutih promjena dijagrama slijevanja, izaziva i promjene oblika i poloaja TTT dijagrama. Ove promjene iskljuivo su posljedica oteane difuzije, pa sporije nastaju pretvorbe koje se odvijaju difuzijom ugljikovih atoma. Sporija difuzija, zapravo, znai due vrijeme za ostvarenje pretvorbe ime se mijenja poloaj nosa TTT dijagrama, slika 8.4. To ustvari znai da su vremena inkubacije ti kod legiranih elika dua (nos TTT dijagrama pomaknut udesno), ime im se smanjuje kritina brzina vkr. Uz to, Ms temperatura kod legiranih elika je nia, pa postoji mogunost da se sav austenit ne pretvori u martenzit, ve da ostane i dio ostatnog austenita. Kod legiranih elika postoji i mogunost stvaranja bainita.

8. LEGIRANJE ELIKA

I. Duplani, N. Krni: MATERIJALI 3 249

a b

Slika 8.4 TTT dijagrami razliitih elika istog sadraja ugljika |1| a - ugljini; b - legirani

Legirni elementi u Fe-C leguri mogu se pojaviti u vie oblika:

supstituiraju atome eljeza u , ili martenzitnoj reetki, to izaziva njenu distorziju i oteava difuziju. To rezultira povienju mehanikih svojstava i olakava pretvorbu austenita u martenzit

spajaju se s ugljikom u karbide (Nb, B, Ti, V, Mo, W, Cr, Mn) i nazivaju se karbidotvorni elementi. Oni koji to izrazito nisu su: Ni, Co, Cu.

spajaju se sa eljezom u intermetalne spojeve, to je sluaj kod visokolegiranih elika

Zakljuno smatra se da pri ubrzanim promjenama temperature legirni elementi

u eliku, prema |1,2| uzrokuju: Usporavanje modifikacija pri austenitiziranju, naroito otapanje karbida u

austenitu Koenje, pa ak i usporavanje, modifikacije austenita u perlit. Uz jednaki

sadraj legirnih elemenata utjecaj na kritinu brzinu hlaenja pada sljedeim redom: V, Mn, Mo, Cr, W, Si, Ni, uz pretpostavku da se ovi elementi potpuno otope pri austenitiziranju. To ide teko kod karbidotvornih elemenata i zagrijavanja koja se provode u praksi.

Promjenu temperature modifikacije austenita, a katkada i vrstu metalnih faza. Spreavanje rasta zrna. Karbidotvorni elementi (Cr, Mo, W, V i dr) spreavaju

rast zrna austenita zbog svog sporog otapanja. Time ostanu sitne estice neotopljenih karbida ime se ometa koagulacija, pa su takvi elici osjetljivi na pregrijavanja. Poveanje austenitnog zrna smanjuje kritinu brzinu kaljenja, ali pogorava ilavost i deformaciju zakaljenog obratka.

Iz iznesenog moe se zakljuiti kako pri austenitiziranju legirane elike treba

due zagrijavati nego ugljine, esto i na vie temperature, ali je kaljenje olakano zbog izrazitog smanjivanja kritine brzine.

Meutim, utjecaj jednog te istog elementa moe se mijenjati ovisno o temperaturi zagrijavanja. Na visokoj temperaturi zagrijavanja gdje se otopila dovoljna koliina legirnog elementa u austenitu, kritina brzina se smanjuje. Ako je temperatura zagrijavanja manja bolje e se pokazati ugljini elik, jer ako se karbid

8. LEGIRANJE ELIKA

I. Duplani, N. Krni: MATERIJALI 3 250

legirnog elementa nije otopio, austenit je siromaniji na ugljiku, a njegovo je zrno sitnije to sve skupa utjee na poveanje kritine brzine.

8.1 UTJECAJ LEGIRNIH ELEMENATA NA SVOJSTVA ELIKA

Da bi se dobile neke smjernice za izbor legiranih elika prema vrsti sadranog legirnog lementa dat je u nastavku kratak pregled osnovnih utjecaja karakteristika glavnih legirnih elemenata na faze i promjene svojstva elika, to ih oni uzrokuju.

Ugijik - Do 1% poveava tvrdou poslije kaljenja. Iznad toga raste otpornost

troenju zbog vee koliine karbida (Knoop-ova tvrdoa martenzita je 700, a cementita 1100).

Nikal Sa porastom sadraja nikla pada kritina brzina hlaenja, tako da se od

perlitinih prelazi na martenzitine, te dalje na austenitine elike. Ovi posljednji nastaju zbog toga, jer nikal sputa i temperaturu pretvorbe ' . Legure eljezo-nikal sa 24 -26% nikla su nemagnetine na sobnoj temperaturi, (Curijeva toka je ispod sobne temperature) ali s porastom sadraja nikla Curijeva toka se podie zbog magnetinosti nikla. elici za poboljavanje spadaju iskljuivo u perlitine. Nikal im od mehanikih svojstava naroito poboljava ilavost to ga ini prikladnim za upotrebu u dinamiki napregnutim dijelovima.

Krom je alfegeni i karbitotvorni element. Njegovo prisustvo utjee na promjenu sljedeih svojstava elika: Podie A1, a sputa A3 temperaturu. Znatno poveava prokaljivost. Stvara tvrde i temperaturno postojanije karbide nego to je cementit (npr. tvrdoa

po Vickersu karbida Cr23O6 je 1800). Time poboljava tvrdou i vrstou ne smanjujui ilavost, te poveava otpornost habanju i poputanju.

Poveava otpornost vatri i koroziji. Krom-nikal elici - Kombiniranim djelovanjem ovih elemenata poboljava se

njihov utjecaj na svojstva to ih oni pojedinano mijenjaju. Time oni postaju visokovrijedni ilavi konstrukcijski elici.

Mangan u mnogo emu djeluje slino kao i nikal. To znai da sniava temperaturu modifikacije, ali snanije nego nikal, te znatno smanjuje kritinu brzinu hlaenja. To je element to najvie poveava prokaljivost elika. Nedostatak mu je to poveava osjetljivost pregrijavanju, pa austenitino zrno brzo poraste, a time pada ilavost. To se tumai njegovom velikom sklonou otapanju u austenitu, pa se time njegovi karbidi (tvori kompleksne karbide sa eljezom) brzo raspadaju i ne koe vie porast austenita. Pri kaljenju manganovi elici naginju prskanju, jer zbog niske Ms i Mf temperature martenzitina pretvorba nastaje na temperaturama smanjene rastezljivosti. Tako usprkos njegovoj niskoj cijeni ne koristi ga se ba previe.

8. LEGIRANJE ELIKA

I. Duplani, N. Krni: MATERIJALI 3 251

Silicij podie temperature modifikacije i slabo poveava prokaljivost. Budui da je poznati grafitizator mogue je dobiti u eliku sa dosta ugljika jedan dio ugljika u obliku grafita. Poradi svog temperaturno postojanog i nepropusnog oksida koristi se u elicima za rad na povienim temperaturama. Poveava granicu elastinosti a ujedno pospjeuje razugljiavanje. Veliki sadraj poveava elektriki otpor, istiskuje ugljik iz reetke, te daje veliki magnetski permeabilitet, a smanjuje gubitke histereze. Tvrdoa silicijevog karbida iznosi 2200 HV.

Volfram je alfageni i karbidotvorni element. U nadeutektoidnim i

ledeburitinim elicima nalazi se prvenstveno u obliku vrlo tvrdih (WC do 2700 HV) i naroito temperaturno postojanih karbida. Otopljen u austenitu poslije kaljenja ini martenzit vrlo otpornim poputanju. Usitnjuje zrno, pa je elik manje osjetljiv na pregrijanost. Nedostatak mu je to smanjuje toplinsku vodljivost, pa trai oprez pri grijanju (zagrijavanje u vie stupnjeva).

Vanadij nema naroito direktno utjecaja na mehanika svojstva, nego indirektno dajui eliku sitnozrnatost zbog svojih teko otopivih karbida. elik time postaje neosjetljiv na pregrijavanje. Dolazi naroito do izraaja pri toplinskoj i toplinsko-mehanikoj obradi debljih presjeka, jer ve mali sadraj (do 0,04%) poveava prokaljivost. Zbog velike tvrdoe svojih karbida (do 3000 HV) i otpornosti troenju, eliku sa velikim sadrajem vanadija je oteano bruenje.

Bor samo poveava prokaljivost i to tim vie im manje je ugljika u eliku. Utjee na poveanje zrna. Dodaje se obino nelegiranim elicima (do 0,003%), pa se njihova prokaljivost poveava na jeftiniji nain, nego dodavanjem drugih legirnih elemenata.

Olovo nije otopivo u eljeznim fazama, nego se u obliku vlastitih kristala rasporeuje po granicama zrna. Na sobnoj temperaturi ne mijenja praktiki mehanika svojstva eliku, ali pri niskom zagrijavanju, blizu talita naroito smanjuje karakteristike deformacije.

Bakar se u eliku nalazi jedino otopljen u mjeancu (do 1%). Osnovno mu je djelovanje poveanje otpornosti atmosferskoj koroziji.

Molibden djeluje poveavajui prokaljivost, udarnu ilavost i vrstou na

povienim temperaturama, zadrava sitnije zrno, te smanjuje krhkost poputanja. Njegovi karbidi zbog velike tvrdoe (do 2700 HV) poveavaju i otpornost troenju, a zbog temperaturne postojanosti poveavaju eliku otpornost poputanju. Molibden proizvodi isti efekt kao i volfram, pa se ovoga moe zamijeniti molibdenom, ali u manjem postotku. Da bi se naime dobili vrlo slini rezultati dovoljno je odreenu koliinu volframa zamijeniti polovinom molibdena. Zakljuuje se da jedan atom molibdena (atomska teina 96) ima isti uin kao jedan atom volframa (atomska teina 184).

Kobalt poveava sposobnost otapanja karbidotvornih elemenata u austenitu, pa time poveava vrstou i tvrdou na povienim temperaturama, postojanost poputanju i toplinsku vodljivost.

8. LEGIRANJE ELIKA

I. Duplani, N. Krni: MATERIJALI 3 252

Titan i niobij su izrazito karbidotvorni, pa se koriste za vezivanje ugljika koji difundira iz mjeanaca. Poradi velike temperaturne postojanosti njihovih karbida (3100, odnosno 3500 HV) pojaavaju sitnozrnatost.

AIuminij i cirkonij u malim sadrajima poveavaju prokaljivost. Neki od ovih elemenata dodaju se eliku u vrlo malim postocima, dok kod drugih ti se postoci nalaze u vrlo irokim granicama to zavisi o namjeni elika. Rijetko se sree elik legiran samo jednim elementom, jer je pri ukupnoj koliini vie legirnih elemenata njihova djelovanje efikasnije. Pogotovo je to potrebno onda, ako prisustvo jednog elementa ima i negativnih posljedica. Tada su svakako potrebni i drugi elementi to e ukloniti te nedostatke.

Preciznije e se o utjecaju pojedinih elemenata i njihovoj koncentraciji na

svojstva nekih elika objasniti u poglavljima koja slijede. Treba napomenuti da se odvojeno djelovanje pojedinog elementa znatno razlikuje od kombiniranog djelovanja vie elemenata. Literatura |1| R. Deeli Metali 2, Sveuilite u Splitu, FESB, Split,1987. |2| M. Stupniek, F. Cajner: Osnove toplinske obradbe materijala, Sveuilite u Zagrebu,

Zagreb,1996.