METALI I LEGUREM e t a l i se sastoje od čistog hemijskog elementa sa neznatnom

količinom primesa drugih elemenata

Odlikuju se karakterističnim metalnim sjajem, povećanom elektro i toplotnom

provodljivošću, dobrim mehaničkim osobinama, otpornošću prema

elektrohemijskim uticajima i povišenoj temperaturi, mogućnošću obrade na

različite načine u hladnom i zagrejanom stanju

Sve nabrojane osobine uslovljene su osobinama unutrašnje građe atoma i

njihovim međusobnim vezama

Gustina metala se kreće između 0,59g/cm3 (litijum) i 22,4g/cm3 (osmijum).

Metal sa najvišom t topljenja je volfram (34000C), a sa najnižom živa (-390C)

L e g u r e su složeni materijali koji predstavljaju smešu nekog osnovnog

elementa sa drugim metalima i nemetalima

Elementi koji čine legure - komponente legure

U sastav legura ulazi najmanje jedan metal (npr. bronza: legura bakra i

kalaja, čelik: legura gvožđa i ugljenika, itd.)

Legure dobijaju sasvim nove osobine, koje se razlikuju od osobina

sastavnih komponenti: povoljnije mehaničke osobine, povećana otpornost

prema koroziji, promena boje, povećana mogućnost obrade, itd

Najveći broj legura se dobija topljenjem komponenti, ali postoje i drugi načini

dobijanja legura, npr. metalokeramičke legure dobijaju se putem sinterovanja

PODELA METALA I LEGURA

Crni metali: fero metali, teško topljivi metali, uranovi metali, retki (zemni) metali

Obojeni metali: laki metali, plemeniti metali, lako topljivi metali, alkalni metali

Podela

metala

prema

periodnom

sistemu

elemenata

PODELA METALA I LEGURA Jedna od osnovnih podela metala je na

- crne i

- obojene metale

• Crni metaliimaju tamno sivu boju, visoku temperaturu topljenja, relativno visoku tvrdoću

Tu spadaju: fero metali, teško topljivi metali, uranovi metali, retki - zemni metali

Fero metali su: gvožđe, kobalt, nikal i mangan. Co, Ni i Mn su često dodatni

elementi legurama gvožđa, ili su osnovni element kod visoko legiranih čelika

Teško topljivi metali imaju temperaturu topljenja veću od temperature

topljenja gvožđa (15390C). Upotrebljavaju se kao legirajući elementi čelika ili

kao osnovni elementi kod nekih čelika

Uranovi metali - aktinidi upotrebljavaju se uglavnom za legure namenjene

za atomska postrojenja

Retki - zemni metali kao što su: lantanijum, neodijum, prazeodijum i dr,

nazvani su zajedničkim imenom lantanidi

Ovi metali imaju vrlo slična hemijska svojstva, ali različita fizička svojstva, npr

temperature topljenja

U prirodi se nalaze zajedno, teško ih je razdvojiti, te se legurama dodaju kao

smeša metala

Obojeni metali

• Obojeni metaliimaju karakterističnu crvenu, žutu ili belu boju, odlikuju se malom

tvrdoćom, visokom plastičnošću, niskom temperaturom topljenja

Mogu se podeliti na:

lake metale

plemenite metale i

lako topljive metale

Laki metali su: aluminijum, magnezijum i berilijum

Odlikuju se malom gustinom, što ih sa drugim dobrim svojstvima čini

najperspektivnijim metalima

Plemeniti metali su: srebro, zlato i metali platinske grupe

U ovu grupu svrstan je i poluplemeniti metal bakar

Odlikuju se visokom postojanošću prema koroziji

Lako topljivi metali su: cink, olovo, bizmut i dr

Predstavljaju veoma značajne metale s obzirom na njihovu veoma

dobru otpornost prema koroziji

GRAĐA METALAMetali spadaju u grupu kristalnih materija - pri prelazu iz tečnog u čvrsto

stanje, atomi se raspoređuju u prostoru po određenom pravilu, stvarajući

kristalne rešetke

Rastojanja između atoma u kristalnoj rešetki mogu biti različita u raznim

smerovima, te su i svojstva kristalnih tela u raznim pravcima takođe različita

Ova pojava se naziva anizotropija

• Od načina raspoređivanja atoma u prostoru zavise svojstva metala

• Način međusobnog povezivanja atoma u prostoru zavisi od prirode

hemijskih elemenata i nije uvek isti

Kod metala atomi se u prostoru grupišu po zakonima simetrije u

kristalne rešetke koje imaju karakterističan oblik i dimenzije

Najčešći kristalni sistemi kod metala su: kubna površinski centrisana rešetka,

kubna zapreminski centrisana rešetka i heksagonalna rešetka

Kristalografski sistem Parametar rešetke Ugao između osa

Kubni a=b=c α=β=γ=90⁰

Tetragonalni a=b≠c α=β=γ=90⁰

Ortorombični a≠b≠c α=β=γ=90⁰

Romboedarski a=b=c α=β=γ≠90⁰

Heksagonalni a=b≠c α=β=90⁰; γ=120⁰

Monoklinski a≠b≠c α=β=90⁰; γ≠120⁰

Triklinski a≠b≠c α≠β≠γ≠90⁰

Građa metala - kristalizacija

Pod kristalizacijom se podrazumeva prelaz rastopljenog metala ili legure u

čvrsto stanje

Pri rastapanju i hlađenju, započeće očvršćavanje rastopa na određenoj

temperaturi, i to najpre na pojedinim mestima, dok celokupni rastop ne

očvrsne u obliku međusobno uklještenih "kristala„

Pojedinačna mesta u kojima pri određenoj temperaturi hlađenja započinje

kristalizacija nazivaju se centri kristalizacije – u njima se javljaju jezgra tj

nukleusi prvih kristala

Nastali kristalići produžavaju da se razvijaju kao tela pravilne građe i pravilnog

oblika sve dok se ne počnu doticati i zalaziti jedni u druge u ograničenom

prostoru rastopa

Na kraju se razvijaju samo zrna nepravilnog spoljašnjeg oblika mada

pravilne unutrašnje građe, pa zato nose naziv kristaliti za razliku od

pravilno razvijenih kristala

Kristalizacija je prirodni proces preobražaja meterije iz energetski

bogatijeg tečnog stanja u energ. siromašnije čvrsto ali stabilno stanje

Pri kristalizaciji oslobađa se izvesna količina toplotne energije - tzv latentna

toplota kristalizacije

KRIVE HLAĐENJA METALA I LEGURAPromene pri hlađenju čistog metala ili legure se prate termijskom analizom -

merenje temperature u toku vremena

Rezultati ispitivanja se unose u dijagram temperatura - vreme

Krive

hlađenja

a) čist metal

b) podhlađen

čist metal

antimon

c) legura

Temperatura tk na kojoj počinje i završava se proces kristalizacije

naziva se stvarnom-kritičnom temperaturom kristalizacije

Stvarna temperatura kristalizacije tk je nešto niža od temperature

topljenja tt što ukazuje na pojavu podhlađivanja metala

Razlika ovih dveju temperatura (tt-tk) naziva se stepen pothlađivanja

To znači da se rastopljeni metal obično pothladi ispod svoje teorijske

temperature topljenja, pre nego što započne kristalizacija

DIJAGRAMI STANJA DVOJNIH LEGURA

Dijagrami stanja se konstruišu pomoću krivih hlađenja, pri čemu se koristi

niz krivih hlađenja iste legure sa različitim odnosima komponenti

Na početku i na kraju dijagrama nalaze se krive hlađenja čistih metala koji

ulaze u sastav legure

Na apcisnoj osi dijagrama nanosi se koncentracija osnovnog i legirajućeg

elementa u %,

Na ordinatnoj osi nanosi se temperatura u oC

Dijagrami stanja prema broju komponenata mogu biti: dvojni, trojni i

četvorni.

Razlikuju se tri tipa dijagrama stanja dvojnih legura

a) Dijagram stanja dvojnih legura sa potpunom nerastvorljivošću

komponenata u čvrstom stanju (npr Pb-Sb; Sn-Zn; Ag-Pb i dr)

b) Dijagrami stanja dvojnih legura sa potpunom rastvorljivošću

komponenata u čvrstom stanju (npr Cu-Ni; Co-Ni; Fe-Ni i dr)

c) Dijagrami stanja dvojnih legura sa delimičnom rastvorljivošću

komponenata u čvrstom stanju (npr Pb-Sn; Al-Si; Cu-Cd i dr)

a) Dijagrami stanja dvojnih legura sa potpunom

nerastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju

Dijagram stanja legure Pb-Sb

a) Dijagrami stanja dvojnih legura sa potpunom

nerastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju

Obuhvataju legure kod kojih su legirajući elementi potpuno rastvorljivi u

tečnom stanju, dok su u čvrstom stanju potpuno nerastvorljivi

Ove legure poznate su u praksi kao e u t e k t i č k e l e g u r e

Dijagram

stanja

legure

Pb – Sb

olovo

antimon

Tačka A t topljenja čistog Pb 3270C, a tačka B t topljenja čistog Sb 6310C

Linija ACB - likvidus linija; Linija DCE - solidus linija

Tačka C (legura sastava 13% Sb i 87% Pb) na t=2450C iz rastopa se

istovremeno izdvajaju kristali obe komponente, pa tako nastaje fina

mehanička mešavina kristala olova i antimona, koja se naziva eutektička

legura (eutektika=Pb+Sb)

b) Dijagrami stanja dvojnih legura sa potpunom

rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanjuObuhvataju legure kod kojih su legirajući elementi potpuno rastvaraju

kako u tečnom tako i u čvrstom stanju, gradeći jedinstvene kristale

Čvrsti rasvori ovih legura poznati kao mešani kristali

Legure ovog sistema nastaju dvojako

1. Zamenom - supstitucijom atoma jednog legirajućeg elementa atomima

drugog legirajućeg elementa, pri čemu zamena može biti bez reda i sa

određenim redom

2. Međuprostornim ubacivanjem - intersticijom atoma jednog legirajućeg

elementa, najčešće nemetala, u međuprostore kristalne rešetke drugog

legirajućeg elementa, metalaNastanak čvrstih

rasvora (mešanih

kristala)

a) supstitucijom atoma

bez reda

b) supstitucijom atoma

određenim redom

c) intersticijom atoma

b) Dijagrami stanja dvojnih legura sa potpunom

rastvorljivošću komponenata u čvrstom stanju

Dijagram mešanih kristala legure Cu-Ni• Legure koje grade čvrst

rastvor - mešane kristale

putem zamene - supstitucije

su žilave i rastegljive ako je

zamena bez reda

• i obratno tvrde i krte ako je

zamena određenim redom

• Postanak čvrstih rastvora

intersticijom dešava se samo

kada su atomi elementa koji

se ubacuje vrlo mali u

poređenju sa atomima

osnovnog elementa

Na dijagramu stanja jasno se razdvaja tečno stanje linijom likvidus i čvrsto

stanje linijom solidus

Iz rastopa se istovremeno izdvajaju mešani kristali bakra i nikla gradeći čvrst

rastvor, tako da između likvidus i solidus linije jedan deo mase je u

rastopljenom stanju, a drugi deo mase je očvrsnuo

Ispod solidus linije imamo čvrst rastvor - mešane kristale Cu i Ni - Cu, Ni

ŽELEZO I NJEGOVE LEGURE

Najveću primenu od svih tehničkih legura imaju legure na

bazi železa Fe

Dele se na

• čelike

• gvožđa i

• fero-legure

Široka primena ovih legura - 90% ukupne svetske

proizvodnje metalnih materijala

- rude železa se u velikim količinama nalaze u Zemljinoj kori

- legure železa se proizvode relativno jeftinim postupcima i

- postiže se dobra kombinacija različitih svojstava

Osnovni elementi u svim vrstama čelika i gvožđa su

• železo - osnovna komponenta i

• ugljenik - legirajuća komponenta

ŽELEZO Fe

Temperatura topljenja mu je 1539°C, a gustina 7,8g/cm3

Prema čistoći se razlikuju:

- hemijski čisto železo - 99,999%Fe, koje se dobija u laboratorijskim uslovima

i nema praktičnu primenu zbog svoje male tvrdoće i čvrstoće; i

- tehnički čisto železo - 99,8-99,9%Fe, koje sadrži i primese: C, Mn, Si, S i P,

a takođe može sadržati i dodatne sastojke (Cr, Ni, Mo, W i dr) u naročite svrhe

U čvrstom stanju železo se javlja u dve alotropske modifikacije

• prostorno (, ) centrirane kubne rešetke i

• površinski () centrirane kubne rešetke

-modifikacija železa -Fe stabilna je od sobne temperature do 906°C. U

ovom temperaturnom intervalu menjaju se samo fizičke osobine: feromagnetno

-Fe postaje na temperaturi ~770°C.

-modifikacija -Fe sa površinski centriranom kubnom rešetkom postojana je

u temperaturnom intervalu od 906-1401°C.

Od 1401°C do temperature topljenja Fe 1539°C ponovo je stabilna prostorno

centrirana kubna rešetka označena kao -Fe, koja nema veliki tehnički značaj

-Fe i -Fe imaju istu kristalnu rešetku, nisu označeni istim simbolima zato

što imaju različite parametre rešetke i zato što su postojani na različitim

temperaturama

UGLJENIK C

Najvažniji legirajući element Fe - znatno utiče na svojstva

legure

• Sa povećanjem procenta C u leguri opada temperatura topljenja i

gustina

• Do 0,1%C zatezna čvrstoća se povećava, a zatim opada

• Povećanjem % C povećava se i tvrdoća, ali opada sposobnost

zavarivanja

C utiče i na druge tehničke osobine

• povećava granicu razvlačenja, otpornost na habanje, krtost, a

• smanjuje istezanje, kontrakciju, sposobnost izvlačenja, sposobnost

deformisanja u toplom i hladnom stanju, hemijsku otpornost itd

Ugljenik u strukturi čelika i gvožđa može da bude:

- vezan sa železom u vidu jedinjenja - karbida železa Fe3C - cementit

- u slobodnom obliku kao grafit

- intersticijski rastvoren u -Fe i -Fe obrazujući čvrste rastvore

UGLJENIK – cementit, grafit, čvrsti rastvori

Cementitima složenu rombičnu kristalnu rešetku, koja se obrazuje pri sadržaju C od

6,67%C (ostatak do 100% Fe)

Veze između atoma Fe i C su metalnog karaktera, zbog čega se cementit

odlikuje i metalnim svojstvima kao što su električna provodljivost i metalni sjaj.

Veoma je tvrd (800 HV) i krt

Temperatura topljenja cementita nije definitivno utvrđena ~ 1250°C

Razlaže se pre topljenja na Fe i C, prema jednačini Fe3C 3Fe + C (grafit)

Pojedini atomi železa u rešetki cementita mogu da budu zamenjeni

atomima nekih drugih metala (Mn, Cr, Mo, W), pri čemu nastaje legirani

cementit, npr (FeMn)3C, ili (FeMnMo)3C, koji ima veću tvrdoću od običnog

cementita (do 1000 HV)

Grafitje jedna od alotropskih modifikacija ugljenika i ima prostu heksagonalnu

rešetku, koja se odlikuje slojevitim rasporedom atoma

Zbog različitih parametara rešetke (0,142 i 0,342 nm) i slojevitog rasporeda

atoma ugljenika, grafit ima malu tvrdoću i malu žilavost

UGLJENIK – čvrsti rastvoriAtomi ugljenika su dovoljno mali i mogu intersticijski da se smeste u

međuprostore -Fe i -Fe i na tako obrazuju čvrste rastvore – ferit i austenit

Ferit - - intersticijski čvrsti rastvor ugljenika u -železu

Rastvorljivost ugljenika u -Fe zavisi od t: najmanja je na sobnoj t 0,006%C, a

najveća na 727°C 0,025%C

Na osobine ferita presudno utiče sadržaj ugljenika

Ako su u feritu pored ugljenika rastvoreni i atomi drugih legirajućih elemenata,

onda se takav ferit naziva legirani ferit

Ferit je mek i plastičan (tvrdoća 80 HV, zatezna čvrstoća Rm=250 MPa,

izduženje A = 50%). Dobar je provodnik toplote i električne struje

Magnetičan je do ~ 770°C

Austenit - - intersticijski čvrsti rastvor ugljenika u -železu

Postojan je na temperaturama iznad 727°C

Najmanja rastvorljivost C u -Fe iznosi 0,8% na 727°C a najveća 2,0% na

1148°C

Austenit je plastičan, ima veću zateznu čvrstoću i tvrdoću nego ferit (od 170-

200 HV, zavisno od sadržaja ugljenika)

Kada se na mestu pojedinih atoma železa u površinski centriranoj kubnoj

rešetki austenita nalaze atomi drugih legirajućih elemenata (npr. Cr, Ni), takav

se austenit naziva legirani austenit (stabilan i na t nižim od 727°C)

DIJAGRAM STANJA Fe - Fe3C metastabilni dijagram

U zavisnosti od toga da li se C sa Fe javlja u obliku hemijskog

jedinjenja kao cementit ili u elementarnom obliku kao grafit,

postoje dva dijagrama stanja:

- metastabilni dijagram stanja sistema železo-cementit (Fe -

Fe3C)

- stabilni dijagram stanja sistema železo-grafit (Fe – CGr)

• Metastabilni dijagram stanja je značajan za izučavanje

čelika i livenih gvožđa kod kojih je C izdvojen u vidu

cementita

• Stabilni dijagram stanja je bitan za livena gvožđa kod kojih

je C izdvojen u vidu grafita

Metastabilni dijagram stanja je tehnički mnogo važniji, jer

obuhvata sve vrste ugljeničnih čelika

Stabilni dijagram stanja obuhvata samo liveno gvožđe

METASTABILNI DIJAGRAM STANJA Fe - Fe3C

Metastabilni dijagram stanja Fe - Fe3C

Čelik legura Fe i C sa procentom C teorijski od 0,008-2,14%C

Liveno gvožđe je legura Fe i C sa procentom C teorijski od 2,14-6,67%C

Strukturni sastojci legura železo-ugljenik

Naziv Sastav Osobine

1. FeritSkoro čisto -železo

(-mešani kristali)

Mek, rastegljiv, HV=80MPa, Rm=250MPa.

Magnetičan.

2. Cementit Karbid železa, Fe3C

Vrlo tvrd i krt. HV=700800MPa.

Nemagnetičan preko 210°C.

Zagrevanjem prelazi u ferit i amorfni C.

3. Austenit

Čvrst rastvor C

u -železu

(-mešani kristali)

Znatne čvrstoće i rastegljivosti, umereno

tvrd. HV=170220MPa, Rm=1000MPa,

=50%. Brzim hlađenjem prelazi u

martensit, trustit i sorbit.

4. PerlitEutektoidna mešavina

ferita i cementita

Karakterističnog bisernog sjaja, umereno

tvrd, HV200MPa, Rm=850MPa, =10%.

5. LedeburitEutektična mešavina

cementita i austenita

Umereno krt, ulazi u sastav samo sirovog i

livenog gvožđa.

6. GrafitKristalisani C

Vrlo mek, ulazi u sastav samo sivog livenog

gvožđa.

Likvidus linija, solidus linija

• Likvidus linija ABCD je višestruko izlomljena linija koja

razdvaja tečno stanje od početka očvršćavanja

Iznad likvidus linije legura je u tečnom stanju – rastop

• Solidus linija AHJECF je višestruko izlomljena linija koja

razdvaja čvrsto stanje od testastog stanja

Predstavlja kraj očvršćavanja legure

• Između likvidus i solidus linije legura je u testastom stanju,

tj. heterogena smeša tečnog stanja i kristala -Fe, -Fe ili Fe3C

(zavisno od procenta ugljenika)

Kod legura Fe - C odigravaju se u procesu očvršćavanja

tri izotermalne transformacije

- peritektička

- eutektoidna i

- eutektička

Dijagram Fe-Fe3C strukture čelika i livenih gvožđa

Peritektička transformacija u tački J na temperaturi 14930C, pri sadržaju od

najmanje 0,16%C

U tački J vrši se transformacija -ferita u MEŠANE KRISTALE

Jednačina peritektičke transformacije je:

KRISTALI + R = MEŠANI KRISTALI

Eutektička trnsformacija u tački C pri sadržaju od 4,3%C na temperaturi

11450C iz rastopa se direktno izdvajaju istovremeno austenit () i primarni

cementit (Fe3C '), tj nastaje eutektikum koji predstavlja finu mehaničku

mešavinu austenita i primarnog cementita i naziva se ledeburit

Jednačina eutektičke transformacije je:

R MK + Fe3C’ = Ledeburit (L)

Eutektoidna transformacija u tački S pri sadržaju ugljenika od 0,8% i na

temperaturi od 7210C kristali austenita se razlažu na kristale ferita - MK i

sekundarnog cementita Fe3C '', formirajući eutektoid koji nazivamo perlit

Jednačina eutektoiedne transformacije je:

MK MK + Fe3C’’ = perlit

Na osnovu eutektičke tačke C, livena gvožđa se dele 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

DOBIJANJE GVOŽĐA U VISOKIM PEĆIMAGvožđe se dobija iz svojih ruda:

• magnetit Fe3O4

• hematit Fe2O3,

• limonit 2Fe2O3. 3H2O i

• siderit FeCO3 - mora da se 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, podesnije za preradu

Sirovo gvožđe se dobija u visokim pećima, u kojima se oksidna

gvozdena ruda se 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

• 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

• 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

• 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.

Postrojenje visoke peći

Punjenje – šaržiranje visoke peći

Punjenje - 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

• Ruda izmešana sa topiteljem dostavlja se u visoku peć u naizmeničnim

naslagama sa koksom kao gorivom. Za sagorevanje koksa uduvava se

zagrejani vazduh pod slabim pritiskom

• Kao gorivo u visokoj peći koristi se metalurški koks dobre čvrstoće sa

što manje sumpora max do 1,25%S i pepela max 10%

• 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 ...) dodaju se onim rudama koje imaju

bazične primese

Bazični topitelji (kreč, dolomit ...) dodaju se rudama koje sadrže

kisele primese (SiO2-kvarc, Al2O3-glina).

Dobijanje sirovog gvožđa u visokoj peći

I - zona oksidacije

II - zona redukcije

III - zona topljenja

IV - zona ugljenisanja redukovanog gvožđa

1-sirovina, 2-zagrejani vazduh, 3-gasovi visoke peći, 4-sirovo gvožđe, 5-zgura,

6-zagrejani vazduh, 7 i 8-zagrevači vazduha, 9-zagrevne komore, 10-dimnjak

Hemijski procesi u visokoj peći – redukcija1. Redukcija (700-1000°C)

2. Ugljenisanje (1000-1200°C)

3. Hemijske reakcije u vezi sa topiteljem (1200-1800°C)

1. Redukcija - proces oduzimanja kiseonika. Može biti u dvojaka:

a) - Indirektna redukcija oksidne rude pomoću CO nastalog

sagorevanjem koksa i

b) - Direktna redukcija ugljenikom C pri dodiru sa užarenim

metalurškim koksom.

a) - Indirektna redukcija

Kiseonik iz vazduha koji se uduvava u visoku peć u dodiru sa užarenim

koksom temperature oko 18000C sagoreva u CO2: C + O2 = CO2

Pri kretanju na više CO2 se u dodiru sa užarenim koksom razlaže na CO:

CO2 + C = 2CO

Ovako dobijeni CO penje se na više nailazeći na slojeve rude gvožđa,

redukujući je u metalno gvožđe - zona redukcije, 700-10000C

Npr hemijska reakcija hematita Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

b) - Direktna redukcija

Šarža se spušta naniže prolazeći kroz sve toplije zone visoke peći

U nižim - toplijim zonama, redukcija se obavlja direktno čistim C iz koksa

Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO

Hemijski procesi u visokoj peći –

zona ugljenisanja i zona topljenja

2. Ugljenisanje

Ovako rastopljeno gvožđe, oslobođeno kiseonika, u donjim delovima peći

sliva se niz užareni koks pri čemu apsorbuje iz koksa jedan deo ugljenika

stvarajući leguru gvožđe-ugljenik - zona ugljenisanja 1000-12000C i prelazi

u karbid gvožđa

3Fe + 2CO = Fe3C + CO2

3. Hemijske reakcije u vezi sa topiteljem

Na još višoj temperaturi, zona topljenja 1200-18000C gvožđe se topi i

dolazi do delovanja topitelja. Najpre kreč, koji je nastao od krečnjačkog

topitelja, spaja se sa kvarcnim primesama iz rude i obrazuje zguru - trosku,

a zatim deo Si, Mn, P i S iz rude i koksa pređe u gvožđe

Ovde se još neredukovani oksidi gvožđa redukuju direktno ugljenikom

Na dnu visoke peći skuplja se tečno sirovo gvožđe i nad njim

specifično lakša zgura. Gvožđe i zgura se povremeno ispuštaju kroz

odgovarajuće otvore, dok preostali proizvodi sagorevanja koksa tzv.

gasovi visoke peći - CO, CO2, N2 ..., stalno izlaze na gornjem delu peći

Materijalni bilans procesa u visokoj peći po 1t sirovog Fe

za rudu sa sadržajem 50-55% gvožđa

Ulaz u peć Izlaz iz peći

ruda 2,0 t sirovo gvožđe 1,0 t

krečnjak 0,4 t troska-zgura 0,6 t

koks 0,9 t prašina iz gasa 0,1 t

vazduh 3,5 t=2700m3 gas 5,1 t=4000m3

• U zavinosti od rude i samog vođenja procesa sirovo gvožđe će sadržati

u većoj ili manjoj meri prateće elemente : Si, Mn, P, S

• Kao nuzprodukti procesa u visokoj peći mogu se dobiti u manjim

količinama Zn, Ag, Pb

• Gasovi visoke peći oslobođeni prašine koriste se za predgrevanje

vazduha za uduvavanje u Kauper aparatima, kao i za druge energetske

svrhe na licu mesta – tako se smanjuje potrošnja energenata

• Zgura se koristiti za izradu šljako blokova, za dobijanje cementa ...

ELEKTRIČNE PEĆI ZA DOBIJANJE SIROVOG Fe

• Topljenje gvozdene rude u pećima sa električnim zagrevanjem se retko

koristi u svetu jer je nerentabilno – za dobijanje 1t sirovog Fe potrebno je

oko 2500-3000kWh el. energije. 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.

• Koks se koristi samo kao redukujuće sredstvo i za naugljenisanje gvožđa

- oko 1/3 količine potrebne u visokoj peći

Shema

električne peći

za dobijanje

sirovog

gvožđa:

1)Ognjište

2)Jama

3)Elektrode

Pošto se u električnu peć ne

uduvava vazduh, nastrali gas u

peći sastoji se uglavnom od CO,

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

VRSTE SIROVOG GVOŽĐA• Iz visoke peći može se dobiti

- belo sirovo gvožđe i

- sivo sirovo gvožđe

u zavisnosti od sastava sirovine, temperature u peći i brzine hlađenja

ispuštenog sirovog gvožđa

• Za dobijanje belog sirovog gvožđa potrebno je da sirovina sadrži

dovoljno Mn, koji pospešuje sjedinjavanje C sa Fe, stvarajući Fe3C

• 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 silcijuma (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 koristi se za dalju preradu u liveno gvožđe

Belo sirovo gvožđe uglavnom se koristi za dalju preradu u čelik

Postrojenja za dobijanje sirovog gvožđa kod nas u železari Smederevo

LIVENA GVOŽĐA

• Osobine i primena livenih gvožđa zavise od oblika C u strukturi Fe

U livenom gvožđu ugljenik se može nalaziti u dva oblika:

- kao slobodan ugljenik–grafit i

- kao karbid gvožđa Fe3C

• Razlikujemo više vrsta livenih gvožđa :

- Bela livena gvožđa

- Siva livena gvožđa

- Legirana livena gvožđa

- Modificirana siva livena gvožđa

- Temper livena gvožđa

Bela livena gvožđa - Sivo liveno gvožđe

• Kod belih livenih gvožđa ugljenik se uglavnom nalazi u vezanom obliku

kao karbid gvožđa Fe3C - cementit ili karbid ugljenika sa drugim

elementima - Cr, Mo, W, V itd

• BLG su vrlo tvrda (HB=30006000MPa), otporna na habanje, visoke

temperature i koroziju. Ne mogu se obrađivati rezanjem i plastičnom

deformacijom, najčešće se obrađuju brušenjem. Koriste se u livenom

stanju.

• BLG mogu biti

- legirana i

- nelegirana

Legirana bela livena gvožđa odlikuju se izuzetno velikom tvrdoćom

(HB=8000MPa), otpornošću na koroziju, toplotu i kiseline.

• BLG se manje koriste od SLG. Najčešće se upotrebljavaju kao

materijal za preradu u čelik i temper livena gvožđa

• U rudarstvu se belo liveno gvožđe koristi za izradu: kugli za

mlinove, za mlevenje rude u PMSu, čeljusti drobilica i dr

Sivo liveno gvožđe

je pretopljeno sivo sirovo gvožđe uz dodatak starog liva

• Sive je boje

• Odlikuje se 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 SLG je vrlo niska žilavost - vrlo krt materijal

• Ugljenik je u sivim livenim gvožđima izdvojen u vidu tri alotropske

modifikacije: u obliku lamela, rozeta i kuglica (nodula).

• Nodularni sivi liv - Sfero liv je vrsta sivog liva velike čvrstoće

Noduliranjem se povećava zatezna čvrstoća za oko 4 puta (do 600MPa),

liv dobija znatnu žilavost i postaje kovan

• Razlikuje se više vrsta sivog livenog gvožđa: obični sivi liv, sivi liv

srednje čvrstoće i sivi liv velike čvrstoće.

• Primena: Koristi se za izradu postolja, blokova motora, cilindara

lokomotiva i dizel motora, menjačkih kutija, kućišta pumpi, doboša

kočnica, kanalizacionih cevi, slivnika, grejnih tela itd

Legirana livena gvožđa - Modificirana siva livena gvožđa

Legirana livena gvožđa u svom sastavu imaju i manju količinu 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.

Temper liveno gvožđe - kvalitetno liveno gvožđe

• Dobija se od belog sirovog gvožđa dugotrajnim žarenjem (60-100 h) 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

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 ugljenikaShematski prikaz

strukture

temperovanog liva:

a) crni temer liv

b) beli temper liv

f-ferit; C-ugljenik;

p-perlit

Primena: Koriste se za

izradu delova mašina za

domaćinstvo, doboše

kočnica, lanaca, malih

točkova, ključeva, raznih

okvira u građevinarstvu ...

DOBIJANJE ČELIKA• Čelik se dobija iz belog sirovog gvožđa oksidacijom suvišnih

primesa: C, Si, Mn, P, S, koje se izdvajaju u obliku zgure i gasova.

• Oksidacija primesa pri dobijanju čelika iz belog sirovog gvožđa

nastaje indirektno preko oksidula gvožđa FeO, koji se najpre

obrazuje i posreduje oksidaciji prvo Si, a zatim Mn, C, P i S

C + FeO = CO + Fe

Si + 2FeO = SiO + 2Fe

Mn + FeO = MnO + Fe

2P + 5FeO = P2O5 + 5Fe

S + 2FeO = SO2 + 2Fe (delimično), i

FeS + Mn = MnS + Fe (većinom)

U savremenoj metalurgiji najrašireniji postupci dobijanja čelika su:

- Konvertorski (Besemerov i Tomasov) postupak

- Simens-Martenov postupak i

- Dobijanje čelika u elektropećima

KONVERTORSKI POSTUPAK

• Potrebna količina toplote za konvertorski postupak obezbeđuje se

hemijskim reakcijama kojima se čelik prečišćava, prvenstveno

oksidacijom pomoću kiseonika pod pritiskom

• Kroz rastopljeno belo sirovo gvožđe uduvava vazduh ili čist kiseonik,

pod nad pritiskom od 1,5 do 2,5bara. Kiseonik služi za oksidaciju, tj

sagorevanje primesa Si, P, Mn i C usled čega se razvija određena

toplota, potrebna za obavljanje procesa konvertovanja

Konvertori za čelik su uređaji u obliku velikog vertikalnog suda sa vatrostalnom

oblogom odgovarajućeg sastava

U zavisnosti od sastava belog sirovog gvožđa koje se prerađuje, razlikuju se dva

osnovna konvertorska postupka:

Besemerov postupak za belo sirovo gvožđe

- sa velikim sadržajem silicijuma (do 2,4% Si) i

- malim sadržajem fosfora (ispod 1%P)

Konvertor Besemera je obložen vatrostalnom kiselom oblogom - kvarcne opeke

Tomasov postupak za belo sirovo gvožđe

- sa velikim sadržajem fosfora (do 2,5%) i

- malim sadržajem silicijuma (ispod 0,5%)

Obloga Tomasovog konvertora je bazična - dolomit

Proces oksidacije - sagorevanja Si, Mn, P i C teče vrlo burno i traje do 20 minuta

Konvertori za čelik

a) Konvertor za čelik – konstrukcija sa rešetkastim dnom

1) vatrostalna obloga; 2) rešetkasto dno; 3) dovod vazduha za produvavanje

4) hidraulični mehanizam za naginjanje suda

b) Konvertor za čelik - konstrukcija sa duvaljkom

1) obloga; 2) duvaljka za kiseonik sa vodenim hlađenjem; 3) voda;

4) kiseonik; 5) kanal za gasove

Na kraju procesa konvertovanja rastopljenom čeliku dodaje se feromangan,

ferosilicijum ili aluminijum u cilju dezoksidacije, degazifikacije i regulisanja sadržaja

ugljenika u čeliku

Kvalitet čelika dobijen konvertovanjem je nešto lošiji od kvaliteta čelika

dobijenog u Simens-Martenovoj peći

SIMENS - MARTENOV POSTUPAK• Mogu se preraditi znatne količine starog gvožđa, tj. čeličnog otpada i

do 80% (staro gvožđe oko 80% + BSG 20-30%)

• Simens-Martenova peć je vrsta plamene peći, koja se sastoji od

- zasvođenog koritastog ognjišta za topljenje sirovine i

- komora - rekuperatora za prethodno predgrevanje

generatorskog gasa i vazduha za loženje peći na 1000 do 12000C

• Time se omogućava povećanje temperature u prostoru za

topljenje na oko 17000C, koja je potrebna za postupak u ovoj peći.

Simens-Martenova peć

1) ognjište

2) rekuperatori

3) vrata za sirovinu

4) uređaj za dostavljanje

sirovine

5) otvor za ispuštanje čelika

6) predgrejani generatorski

gas

7) predgrejani vazduh

Simens - Martenov postupak

• Proces prečišćavanja u Simens-Martenovim pećima sastoji se u sagorevanju P,

Mn, C i Si kiseonikom iz plamena generatorskog gasa

• Kod Simens-Martenovog postupka u zavisnosti od sadržaja sirovine koja se

prečišćava razlikuje se kiseli i bazni postupak

Kod baznog - Simensovog postupka obloga peći je magnezitska i služi za

prečišćavanje belog sirovog gvožđa, uklanjanjem uglavnom fosfora (P). Za bazni

proces kao sirovina pored sirovog gvožđa dodaje se 10 do 15% čeličnog otpada uz

dodatak hematita 20 do 30%

Bazičnim postupkom dobijaju se uglavnom meki čelici, pogodni za temičku

obradu i duboko izvlačenje. Imaju veću žilavost. Upotrebljavaju se za dinamički

opterećene delove i bolji su od konvertorskih čelika.

Kod kiselog - Martenovog postupka obloga je od kvarcnih opeka radi sigurnijeg

uklanjanja silicujuma (Si) iz sirovine. Sirovina za kiseli postupak je pored belog

sirovog gvožđa (20-40%) i staro gvožđe (čelični i gvozdeni lom) 60 do 80%

Kiselim postupkom proizvode se tvrđi čelici i čelici za livenje

Bolji su od čelika bazičnog postupka, ali je proces nešto skuplji

Kompletan proces dobijanja čelika traje 4 do 6 sati

U Simens-Martenovim pećima mogu se proizvoditi i legirani čelici,

tako što se u rastop dodaju legirajući elementi Cr, Mo, V, Ni i dr

DOBIJANJE ČELIKA U ELEKTROPEĆIMA

• Postupak je mnogo savršeniji nego konvertorski i Simens-Martenog

postupak, ali je mnogo skuplji zbog velikog utroška električne

energije za topljenje sirovine

• Ovaj postupak primenjuje se kod čelika namenjenih izradi alata i

drugih proizvoda sa većim zahtevom u pogledu čistoće

• Za proizvodnju čelika imamo dve vrste električnih peći

- elektro lučne peći i

- indukcione peći

Elektro lučne peći• Elektro lučne peći se rade u dve varijante

– električni luk se stvara između dveju elektroda i metalne mase

– električni luk se stvara između jedne elektrode, a kao druga

elektroda služi metalno dno peći

• Najpoznatija elektro lučna peć je Erulova (Heroult) peć kod koje se

toplota za pretapanje čelika 25000C proizvodi električnim lukom između

dve elektrode nad ognjištem peći,

Elektro lučna peć za čelik

1)obloga; 2) krov; 3) elektrode; 4) hidraulični

cilindar; 5) dovod struje;6) šema rada peći

U zavisnosti od karaktera sirovina

proces u elektro pećima može biti

kiseli ili bazni

Pri pretapanju čelika dodaju se

razni dodaci (kreč, fluor, kvarcni

pesak) u cilju odstranjivanja primesa

u čeliku, a dezoksidacija se vrši

dodatkom feromangana

Trajanje procesa topljenja zavisi

od kapaciteta peći i elektro opreme i

traje 3 - 4 sata

Indukcione peći

• Rade na principu obrazovanja indukovane električne struje pri

prolazu kroz čelik, usled čega se on zagreva i topi

• Indukcione peći mogu biti nisko frekfentne i visoko frekfentne sa

učestalošću od 500 do 10000Hz

Indukciona

električna peć za

čelik

1)lonac

2)namotaji

3) rukavac

4) kanal za izlivanje

5) dovod struje

Ove peći su podesne za preradu već rastopljenog čelika

Čelik dobijen u elektro pećima ističe se boljim osobinama,

postojanim hemijskim sastavom, većom čistoćom, manjim sadržajem

sumpora, vodonika i azota (za alatne i brzorezne čelike)

Uporedne karakteristike čelika dobijenog

različitim postupcima proizvodnje

Način

proizvodnje

Sadržaj u %,

(ne više)

Odstranjuje se u

toku

procesa

Poredak

kvalitetu ceniS P S P O

S.Martenov baz.0,06 0,05 delimično da ne 3 2

S.Matrenov kis.0,07 0,05 ne ne da 2 3

Besemerov 0,09 0,09 ne ne ne 4 1

Elektropećima 0,03 0,03 da da ne 1 4

UMIRENI I NEUMIRENI ČELICI• U procesu dobijanja i izlivanja čelik veoma lako rastvara gasove - O2,

N2, H2, CO2 i CO, koji izazivaju poroznost i nehomogenost strukture –

loše za mehaničke osobine

• Prema količini i rasporedu 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, što

obezbeđuje mekši površinski sloj, a time i lakšu obradu deformisanjem 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 0,15-0,6%Si

Nastali oksidi se dezoksidacijom ne udaljavaju, već stvaraju suspenziju u

rastopu i ostaju u očvrslom čeliku

U umirenim čelicima nema gasnih mehurova, ali se na vrhu ingota formira

lunker-šupljina, koja se otklanja odsecanjem

Umireni čelici imaju homogenu strukturu bez šupljina i pogodni su za rad na

niskim temperaturama

Umireni i neumireni čelici

• Poluumireni čelici sadrže 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

Primenjuju se za izradu profila i debljih limova

Poprečni presek

ingota

a) neumireni

b) umireni

c) poluumireni

čelik