Prohrom Kao Tehnicki Materijal

Tehnički materijali

1. Klasifikacija tehničkih materijala

Tehničkim materijalima, u širem smislu, nazivaju se krute, tekuće i plinovite stvari, koje se koriste u izradi delova, za izgradnju, u pogonu i održavanju sredstava. Tehički materijali korišteni pri izradi delova i izgradnji mašina, po pravilu kruti, nazivaju se tehnički ili konstrukcijski materijali (građevinski, mašinski, elektrotehnički...).

U literaturi se često koristi i termin materijali u užem smislu, pri čemu se podrazumevaju samo tehnički materijali. Kruti, tekući i plinoviti materijali koji se koriste u pogonu i održavanju delova mašina nazivaju se "pogonski materijali".

Tehnički materijali se mogu podeliti u pet grupa:• Metali• Nemetali• Poluprovodnici• Kompozitni materijali

Materijali u svakoj od ovih grupa imaju različite strukture i svojstva.

Selekcija materijala se bazira na njihovim osobinama, koja prave razliku između materijala. Materijali imaju više različitih osobina. Najvažnije kategorije osobina materijala koja se moraju uzeti u obzir kod selekcije materijala su:

Hemijske osobine, su karakteristike materijala koje se odnose na njegovu strukturu i njegovo formiranje iz osnovnih elemenata. Ova svojstva se ispituju u laboratorijima i vizuelno se ne mogu odrediti. Često je nužno promeniti ili uništiti materijal da bi se odredile njegove hemijske osobine.

Fizičke osobine, su karakteristike materijala koje se odnose na interakcije ovih materijala sa različitim formama energije i drugim formama materije. Fizičke osobine se obično mere bez uništavanja ili menjanja materijala. Na primer: boja je fizička osobina, koja se može odrediti jednostavno gledanjem. Gustoća materijala se određuje merenjem težine i volumena predmeta.

Mehaničke osobine, opisuju kako se materijal ponaša kad je izložen delovanju sila. Najvažnija su čvrstoća i tvrdoća. Čvrstoća prema načinu, kako sile deluju imamo čvrstoću na istezanje, pritisak, savijanje, uvijanje i smicanje. Ispitivanja mehaničkih osobina se izvode sa destrukcijom (uništavanjem) materijala. Na primer: tvrdoća se ispituje utiskivanjem tvrđeg predmeta (šiljka ili kugle) u materijal.

Tehnološka svojstva, su svojstva koja se odnose na oblik materijala i njegove površinske karakteristike. Moguće dimenzije, oblik, hrapavost površine i tolerancije materijala su često najvažniji faktori pri selekciji.

1


2. Struktura tehničkih materijala

Struktura materijala se može promatrati na nekoliko nivoa.

Atomska struktura i raspored elektrona, utiču na vezivanje atoma, ona nam pomaže pri kategorizaciji materijala u metale, poluprovodnike, keramičke materijale i polimere. Iz atomske strukture mogu se izvući glavni zaključci o mehaničkim i fizičkim osobinama materijala. Raspored elektrona, koji okružuju jezgro atoma, utiču na električna, magnetska, toplotna i optička svojstva materijala. Raspored elektrona takođe utiče na veze između samih atoma.

Raspored atoma, na sledećem nivou, se posmatra raspored atoma. Metali, poluprovodnici, mnogi keramički materijali i neki polimeri imaju sređen raspored atoma. Ovi materijali se nazivaju kristalni materijali. Kristali se definišu kao delovi krute materije u kojima su atomi pravilno raspoređeni. Neki keramički materijali i polimeri kao i rastvori nemaju sređen raspored atoma. Ovi materijali se nazivaju amorfni materijali ili staklasti materijali (glassy) i ponašaju se potpuno različito od kristalnih materijala. Na primer: staklasti amorfni polietilen je proziran, a kristalni polietilen je neproziran materijal koji propušta svetlo.

Mikrostruktura, je struktura poliranih i nagriženih materijala, koju dobijemo uz pomoć mikroskopa uz povećanja većim od 10x. Mikrostruktura pokazuje: prisutne faze, njihov volumeni deo u materijalu, primese, veličinu zrna i toplotnu obradu materijala. Zrnastu strukturu imaju mnogi metali, poluprovodnici i keramički materijali. Veličina zrna i njihov oblik utiču na ponašanje materijala. U nekim specifičnim slučajevima, kao što je, na primer: u silikonskim čipovima želi se proizvesti materijal koji sadrži samo jedno zrno ili materijal koji ima samo jedan kristal. Međutim, kod mnogih metala je prisutno više faza. Faza materijala ima jedinstven raspored atoma i svojstva. Kontrolom vrste, veličine, rasporeda i količine faza u materijalu kontrolišu se osobine materijala.

a) Atomska struktura b) Kristalna struktura c) Mikrostruktura (100x) d) Mikrostruktura (200x)

Slika 1 -Struktura materiala-1

1 Struktura materijala, www.orkos.com, Internet stranica, 05. febuar 2010. god. (09:13).

2

http://www.orkos.com/


2.1 Mikrostruktura tehničkog materijala

Sadržaj ugljenika (C), vrsta i količina legirajućih elemenata takođe utiču na mikrostrukturu legirajućih čelika. Na slici 2, prikazana je ova zavisnost.

Čelici se prama mikrostrukturi dele na:• podeutektoidne• eutektoidne• nadeutektoidne• ledeburitne• feritne ( )βα,

• austenitne ( )γ

Slika 2 -Mikrostruktura legiranih čelika u ravnotežnom stanju-2

Slika 3 -Količinski udeo faza u dijagramu stanja-3

2 Stojadinović S., Poznavanje materijala, Tehički fakultet „M. Pupin“, Zrenjanin, 2007.3 Dragan Adamović, Termička obrada metala (predavanja), Mašinski fakultet Kragujevac, Kragujevac, 2010. god.

3


Podeutektoidni čelici, sadrže u svojoj mikrostrukturi ferit i perlit. Ovi čelici su tzv. konstrukcioni čelici i mogu se svrstati u grupu nisko ili srednje legiranih čelika.

Slika 4 -Šematski prikaz mikrostruktura podeutektoidnog čelika sa 0.5% C-4

Slika 5 -Mikrostruktura podeutektoidnog čelika-5

4 Dragan Adamović, Termička obrada metala (predavanja), Mašinski fakultet Kragujevac, Kragujevac, 2010. god.5 Dragan Adamović, Op.cit.

4


Eutektoidni čelici, imaju perlitnu strukturu, a nadeutektoidni sadrže pored perlita i

"3CF e . Ovi čelici se uglavnom koriste za izradu alata jer se lako obrađuju na strugovima,

dobo kale u ulju, a nakon dobrog otpuštanja imaju izuzetno dobre osobine.

Slika 6 -Šematski prikaz mikrostruktura eutektoidnog čelika sa 0.77% C i izgled mikrostrukture perlita koji se sastoji iz lamela ferita (bela faza) i cementita (tamna faza)

(600×i 1000×)-6

Slika 7 -Mikrostruktura eutektoidnog čelika-7

6 Dragan Adamović, Termička obrada metala (predavanja AS), Mašinski fakultet Kragujevac, Kragujevac, 2010. god.7 Dragan Adamović, Op.cit.

5


Ledeburitni ( a) čelici, spadaju u grupu visokolegiranih i visokougljeničnih čelika.

Mikrostruktura ovih čelika sastoji se od "

3CF e , perlita i legirajućih elemenata ledeburitnih

karbida. Ovi čelici imaju visoku tvrdoću, otpornost na habanje i veoma dobre rezne osobine.

Slika 8 -Mikrostruktura ledeburitnog čelika-8

U ovu grupu ledeburitnih čelika spadaju: alatni čelici za rad na hladno i svi tzv. brzorezni čelici.

Feritni ( b) čelici, takođe imaju visok sadržaj legirajućih elemenata koji sužavaju γpodručje i (Cr, Si, Mo, V) i sadrže oko 0,1 do 0,2% ugljenika (C). Ovi čelici su maki i jako plastični, ne mogu se kaliti niti poboljšavati jer izostje γα ↔ transformacija.

Osobine feritnih čalika se mogu poboljšati usitnjavanjem zrna plastičnim deformisanjem na hladno i naknadnom rekristalizacijom, obično imaju primenu kao čelici za magnete.

Slika 9 -Mikrostruktura feritnog čelika-9

(a) Ledeburit je fina mehanička smeša austenita (perlita) i primarnog cementita.8 Dragan Adamović, Op.cit., str. 5.(b) Ferit predstavlja intersticiski čvrsti rastvor ugljenika u α -željezu; maksimalna rastvorljivost u prostorno centriranoj kubnoj rešetci željeza iznosi 0,22% pri 727ºC. 9 Dragan Adamović, Op.cit.

6


Austenitni ( c) čelici, mogi da imaju različit sadržaj ugljenika (C), ali takođe moraju da imaju visok sadržaj legirajućih elemenata, koji ostvaruju γ područje (Mn, Ni). Kao i feritni čelici ovi čelici se ne mogu kaliti, poboljšavati niti normalizovati, jer nemaju γα ↔ transformaciju.

Međutim, kod austenitnih čelika u poređenju sa feritnim čelicima, pošto je temperatura rekristakizacije viša neko kod feritnih čelika, javlja se veća opasnost od stvaranja krupnog zrna. Plastičnim deformisanjem na hladno i naknadnom rekristalizacijom može se usitniti zrno.

Austenitni čelici su otporni na koroziju i postojani su na oksidaciju. Tvrdoća austenita je od 160 do 200HB, jačina od 200 do 800Mpa i izduženje od 40 do 50%, sve u funkciji količine rastvorenog austenita u γ području.

Slika 10 -Mikrostruktura austenitnog čelika-10

Mikrostruktura ovih čelika sastoji se od legiranih austenitnih zrna sa dvojnicima žarenja. Na slici 2, možemo uočiti da postoji i poluferitni, odnosno poluaustenitni čelici.

Kod ovih čelika, sadržaj legirajućih elemenata manji je nogo kod austenitnih, a veći nego kod perlitnih, pa je γα ↔ transformacija ne potpuno izvršena.

(c) Austenit je intersticiski čvrsti rastvor ugljenika u površinski centriranoj kubnoj rešetci željeza; maksimalna rastvorljivost ugljenika u γ -željezu iznosi 2,11% pri temperaturi od 1148ºC.10 Dragan Adamović, Termička obrada metala (predavanja), Mašinski fakultet Kragujevac, Kragujevac, 2010. god.

7


2.2 Podela prema mikrostrukturi tehničkog materijala

Mikrostruktura nekih manjih delova, preseka posle hlađenja na vazduhu može biti:• perlitna• martenzitna• austenitna

Što prestavlja i podelu čelika, na slici 11, prikazan je termodinamički dijagram transformacije austenita (IR dijagram) sa ucrtanom brzinom hlađenja. Čelici koji u sebi sadrže legirajuće elemente, linija transformacije pomera se udesno.

Slika 11 -IR dijagram prelitnog (a), martenzitnog (b) i austenitnog (v) čelika-11

Perlitni ( d) čelici , kod ovih čelika pomeranje je najmanje, pa kriva brzine hlađenja sa hlađenjem na vazduhu seče linije u perlitnom području.

Slika 12 -Mikrostruktura perlitnog čelika-12

U mikrostrukturi ovih čelika se pojavljuje perlit, sorbit ili trustit. Zavisno od sadržaja ugljenika (C), ovi čelici mogu u višku imati slobodni legirani ferit ili legirani cementit.

11 Stojadinović S., Poznavanje materijala, Tehički fakultet „M. Pupin“, Zrenjanin, 2007.(d) Perlit je eutektoidna smeša α -čvrstog rastvora (ferita) i karbida, a predstavlja strukturu koja se sastoji od feritne osnove u kojoj su raspoređene pločice cementita.12 Dragan Adamović, Termička obrada metala (predavanja), Mašinski fakultet Kragujevac, Kragujevac, 2010. god.

8


Martenzitni čelici, sadrže veću količinu legiranih elemenata. Linije transformacije su pomerene nešto više udesno, pa se mogu kaliti na vazduhu. Ovi čelici se standardnim metodama ne mogu obrađivati rezanjem, pa se zato retko koriste i primenjuju.

Austenitni čelici, su visoko legirani sa hromom (Cr), niklom (Ni) ili manganim (Mn). Linija transformacije austenita su sasvim pomerene udesno. Na sobnoj temperaturi austenit je veoma stabilan, jer je linija početka martenzitne transformacije (Ms) pomerena ispod nule.

9


3. Uticaj pojedinih legirajućih elemenata

Od tehničkog interesa su samo oblasti podeutektoidnih i feritnih čelika.

Silicijum (Si) sa manganom (Mn), najviše utiče na povećanje granica tečenja i zatezne čvrstoće čelika (svaki 1% Si povećava osobine za oko 100 MPa). Silicijum takođe poboljšava otpornost na habanje, povećava prokaljivost, a pošto sprečava izlučijanje cementita, povećava i postojanost pri otpuštanju.

Uglavnom se koriste za izradu opružnih čelika (Č2130, Č2135), a čelici koji sadrže od 2,5 do 4% silicijuma (Si) i malim sadržajem ugljnika (C, ispod 0,5%) imaju dobru elektrootpornost i smanjuju magnetičnost, pa se kao takvi često koriste u elektrotehnici.

Slika 13 -Mikrostrukturni dijagram silicijumovih čelika-13

Slicijum je legirajući element ako je njegov sadržaj u čeliku veći od 0,6%.

13 Stojadinović S., Poznavanje materijala, Tehički fakultet „M. Pupin“, Zrenjanin, 2007.

10


3.1 Uticaj mangana (Mg)

Mangan je legirajući element ako mu je sadržaj veći od 0,8%. Kod čelika se mangan nalazi u čvrstom rastvoru, a delom u cementitu, stvarajući mešoviti karbid ( ) CMnFe 3, . Mangan u čelicima ne stvara posebne karbide.

Od tehničkog su značaja samo niskolegirani feritno-perlitni, odnosno perlitni čelici, kod kojih je sadržaj mangan do 2%, i visokolegirani austenitni čelici kod kojih je odnos C:Mn=1:10.

Mangan u niskolegiranim čelicima poboljšava prokaljivost i značajno smanjuje kritičnu brzinu hlađenja. Ovi čelici su takođe osetljivi na pregrevanje, jer se mešoviti karbid ( ) CMnFe 3, , u odnosu na CFe 3 brže rastvara u austenitu.

Mikrostruktura za manganske čelike je tipično trakasta, čime je uslovljena raspoređivanjem nemetalnih uključaka MnS, MnO ili kompleksnih jedinjenja 2SiOMn ⋅ u redove.

Slika 14 -Mikrostrukture koje se javljaju kod martenzitnih čelika-14

Ovakva mikrostruktura utiče na smanjenje žilavosti u poprečnom preseku i do 4x. Manganski čelici, se sadrže do 2%, koriste se kao čelici za poboljšanje (Č3130) i cementaciju (Č4320), čelici koji su otporni na habanje (Č3134), čelici za automate (Č3190, 3990 podešen je za cementaciju), kao i alatni čelici.

Jedan od najvažnijih manganskih čelika iz grupe austenitnih čelika je Hatfildov (Hatfield) čelik sa 1,2 do 1,4% C i 12 do 14% Mn (Č3160). Ovaj čelik ima visoku otpornost na habanje, uglavnom se koristi za izradu delova koji su izloženi intenzivnom abrazivnom habanju. Na primer: drobilice, traktorske gusenice itd., može se oblikovati livenjem.


11


3.2 Uticaj nikla (Ni)

Nikl se potpuno rastvara u feritu i povećava njegovu čvrstoću i tvrdoću, pri čemu ne utiče na smanjenje žilavosti. Ovo predstavlja posebni značaj kod čelika koji se koriste za rad pri niskim temperaturama.

Nikl povećava prokaljivost i snižava kritičnu brzinu hlađenja, niklu se takođe dodaje 2% konstrukcionog čelika za cementaciju (Č5420) i poboljšanje (Č5430). Žilavost čelika sa 3% Ni i 0,3% C na C060− je oko 3x veća od žilavosti ugljeničnog čelika, sa istim sadržajem ugljenika na istoj temperaturi.

Zbog svoje cene, nikl se često legira sa drugim elementima, najčešće sa hromom (Cr). U kličinu od 8 do 20% nikl se dodaje visokolegiranim hromnim čelicima za ventile. Čelicima otpornim na koroziju i kiseline, kao i čelicima otpornim na povšenim temperaturama.

Slika 15 -Mikrostruktura dijagram čelika legiranih niklom-15

15 Stojadinović S.,Op.cit.

12


3.3 Uticaj hroma (Cr)

Hrom je element kojim se čelik najčešće legira, hromni čelici sadrže od 0,3 do 30 hroma (Cr). Hrom se rastvara u feritu, povećavajući mu čvrstoću i tvrdoću. Legure sa više od 13% hroma (Cr) potpuno su feritne u području od sobne temperature pa do tačke topljenja.

Pošto postoji kontinuitet između δ iα faze, legirani ferit sa hromom se nazivaju δ -ferit. Hrom se rastvara i u cementitu, a gradi i složene karbide: ( ) CCrFe 3, , ( ) 37, CCrFe , ( ) CCrFe 4, i krto jedunjenje ( )σFeCr . Karbidi povećavanju tvrdoću i hromnim čelicima povećavaju otpornost na habanje.

Slika 16 -Mikrostruktura hromnih čelika-16

Za inženjersku praksu značajni su niskolegirani, martenzitni, feritni i ledeburitni hromni čelici. Čelici za cementaciju mogu da budu jednostruku legirani (Č4120, Č4130) ili višestruko legirani, gde se pored hroma dodaju do 1% Mn, 1,5% Ni i 0,3% Mo (Č5420, Č4732).

Jedan od najznačajnijih hromnih niskolegiranih čelika je čelik za ležajeve (Č4146), koji sadrži 1% ugljenika (C) i 1,5% hroma (Cr).


13

( ) [ ]MPaNCRp %2%7707102.0 +⋅+=


4. Podela hromnih čelika

4.1 Martenzitni hromni čelici

Martenziti hromni čelici su visokolegirani hromni čelici koji sadrže od 12 do 17% hroma (Cr) i od 0,1 do 1% ugljenika (C). Najviše se koriste čelici koji sadrže od 11,5 do 13,5% Cr i do 0,15% C.

Ovi čelici se pri kaljenju hlade na vazduhu, posle čega se vrši otpuštanje. U temperaturnom intervalu od 450 do 550ºC, otpuštanje se ne preporučuje jer se u tom intervalu izlučuju karbidi 623 CCr po granicama zrna, što utiče na pojavu otpusne krtosti i samim tim povećava sklonost prema koroziji.

Ovi čelici spadaju u grupu nadeutektoidnih čelika, pa se samim tim i mikrostruktura

sastoji iz perlita i "

3CF e . Ovi čelici karakterišu se visokom čvrstoćom, koriste se za delove

koji su u dodiru sa vodom i vodenom parom (lopatice turbina, parni kotlovi, itd.), primer: (Č4171).

Ako se ovim čelicima dodaje azot i ugljenik, povećava se čvrstoća, atehnička granica može se približno odrediti prema izrazu:

Jednačina predstavlja približno određivanje tehničke granice tečenja.

14


4.2 Feritni hromni čelici

Feritni hromni čelici su takođe visokolegirani čelici koji sadrže do 11 do 27% hroma (Cr) uz sadržej ugljenika od 0,1% (C). Najčešće se koriste čelici sa sadržajem od 17 do 26% Cr. Ovi čelici mogu da sadrže mangan (Mn) i silicijum (Si) (najviše do 2%), radi povećenja ravnomernog izduženja.

Zbog povećanog sadržajem hroma stvaraju se karbidi tipa: CM 3 , 37CM i 623CM , a uz dodatak malog sadržaja molbdena može doći do stvaranja FeCr (σ -faza) ili FeCrMo( χ -faza).

Pri zagrevanju ovih čelika iznad temperature od 600ºC, feritna zrna su sklona rastu. Usitnjavanje zrna se može podstići dodavanjem titana (Ti) ili nobijuma (Nb). Tada i male količine TiC ili NbC sprečavaju rast feritnih zrna.

Feritni hromni čelici su u odnosu na austenitne čelike hemijski manje postojani ali su zato otporniji na oksidaciju, a naručito na temperaturama višim od 900ºC.

4.3 Ledeburitni hromni čelici

Ledeburitni hromni čelici su čelici koji sadrže 12% Cr i 2,1% C (Č4150), spadaju u visokolegirane i visoko-ugljenične čelike. Ledeburitna mreža koja nastaje u procesu livenja, može se razbiti toplim kovanjem ili valjanjem.

Mikrostruktura meko žarenog čelika sastoji se iz ferita, finih karbida tipa ( ) CCrFe 3,

(uglavnom potiču od razloženih kristala γ čvrstog rastvora) i posebno grubo izlučenih ledeburitnih karbida ( ) 37, CFeCr .

Ledeburitni čelici pored hroma mogu da sadrže molibden (Mo) i vanadijum (V). Takvi čelici su visoko i višestruko legirani čelici (Č4850). Zbog prisustva posebnih karbida ledeburitni čelici imaju dobru otpornost na habanje.

Ovi čelici se uglavnom koriste za izradu alata za plastično deformisanje na hladno, kao i za rezne alate i alate za sečenje.

15


4.4 Visokolegirani nerđajući austenitni čelici

Čelici legirani sa hromom (Cr) i niklom (Ni) čine posebnu grupu visokolegiranih nerđajućih austenitnih čelika. Ovi čelici sadrže od 18 do 25% Cr, od 8 do 20% Ni i od 0,03 do 0,15% C. Ovi čelici takođe mogu i da sadrže male količine molibdena, nobijuma i titana (stabilizacioni i karbidoobrazujući elementi).

Mikrostruktura ovih čelika u žarenom stanju sastoji se iz poligonalnih zrna austenita sa dvojnicima žarenja, takođe u strukturi može biti i prisutnan δ ferit, zavisno od sadržaja hroma i nikla. Stabilnost austenita zavisi od povećanog sadržaja nikla, pa se mogu dobiti austenitni čelici u kojima je austenit stabilan i do -196ºC.

Ako se čelik sa sadržajem od 17% Cr i 7% Ni plastično deformiše na hladno,onda dolazi do transformacije austenita u martenzit, čime se dobijaju čelici visoke tvrdoće.

Hrom-nikl nerđajući čelici, imaju visoku postojanots prema uticaju vazduha, vode kao i prema mnogim drugim hemijskim sredinama: imaju visoku žilavost, čvrstoću i otpornost na udare na vrlo niskim temperaturama, imaju visoki stepen deformacionog ojačavanja, postojanost na visokim temperaturama, nemagnetični su i dobro se zavaruju.

Ovi čelici su osetljivi na izdvajanje karbida 623CCr što je posebno opasno pri zavarivanju. Ovi karbidi se izdvajaju po granicama zrna, povaećavajući krutost i osetljivost ovih čelika na interkristalnu i naponsku koroziju. Zbog izlučenih karbida po granicama zrna, metalna osnova u blizini granica zrna gubi svoju hemijsku postojanost i dolazi do interkristalne korozije.

16


5. Osobine homnih čelika

Hromni čelici otporni na kiseline koji se odupiru, pre svega elektrohemijskoj koroziji (organskim i neorganskim kiselinama, jedinjenjima azota, rastvorima soli-elektrolitima, agresivnim životnim namirnicama) i vatrootporni čelici koji se ne oksidišu na vazduhu i sagorelim gasovima na temperaturi preko 600ºC.

Prohromski čelici otporni na kiseline moraju sadržati više od 12% Cr, a vatrootporni čelici više od 6% Cr i dodatke silicijuma (Si) i aluminijuma (Al) radi sprečavanja dubinske korozije.

Pri dugotrajnom držanju na temperaturi iznad 500ºC kod prohromskih čelika otpornih na kiseline dolazi do izdvajanja hroma (Cr) po granicama zrna i time osiromašenja čvrstog rastvora u hromu. Ako procenat hroma (Cr) u čvrstom rastvoru opadne ispod 12% nastaće selektivna međukristalna korozija .

Slika 17 -Selektivna međukristalna korozija-17

Dupleks nerđajući čelici sadrže: Cr: 18-30% Ni: 3-9%. Nalaze se između austenitnih i feritnih čelika (α + γ faze aproksimativno 50%-50%). Imaju bolju korozionu otpornost od konvencionalnih feritnih čelika i bolju čvrstoću od austenitnih.

Slika 18 -Dupleks prohromskog nerđajući člika-18

17 Selektivna međukristalna korozija, www.general-steel.com, Internet stranica, 10. maj 2010. god. (15:32).18 Dragan Adamović, Mašinski materijali (predavanja AS), Mašinski fakultet, Kragujevac, 2010. god.

17

http://www.general-steel.com/


5.1 Mehaničke osobine prohromskih (nerđajućih) čelika

Tablica 1 -Mehaničke osobine (nerđajućih) prohromskih čelika-19

Prohromski (nerđajući) čelik Rp, Mpa Rm, Mpa Izduženje, A, %

Feritni 275÷ 600 450÷ 700 20÷ 30

Austenitni 200÷ 380 500÷ 800 45÷ 60

Martenzitni 275÷ 1900 520÷ 2000 15÷ 30

Dupleks 315÷ 565 590÷ 740 20÷ 40

Precipitaciono ojačan 1200÷ 1800 1380÷ 1900 5÷ 15

Slika 19 –Krive zatezanja za različite nerđajuće čelike-20

19 Dragan Adamović, Mašinski materijali (predavanja AS), Mašinski fakultet, Kragujevac, 2010. god.20 Kriva zatezanja za različite nerđajuće čelike, www.general-steel.com, Internet stranica, 10. maj 2010. god. (15:59).

18



6. Šta predstavlja nerđajući čelik?

Nerđajući čelici poseduju niz izuzetnih osobina koje ih razlikuju od ostalih klasa čelika. Kao prvo, koroziono su otporni zahvaljujući prvenstveno uticaju legirajućih elemenata hroma, u širokom spektru koroziono agresivnih sredina. Ništa manje neobična osobina je nemagnetičnost austenitnih nerđajućih čelika koju duguju u prvom redu niklu kao legirajućem elementu koji stabilizuje visokotemperaturnu nemagnetičnu, površinski centriranu kubnu rešetku željezo-austenit.

Sve one vrste čelika koje se opisuju kao nerđajući čelik su topljene u posebnoj proceduri, poseduju visoki stepen čistoće i ravnomerno reaguju na tretmane toplotom. Sledeći ovu definiciju nerđajući čelici, ne moraju isključivo da budu legirani posebno visokim legiranim čelicima. Ipak, u daljem razmatranju ograničićemo se na visoko legirane nerđajuće čelike sa sadržajem hroma od najmanje 11%.

6.1 Klasifikacija visokolegiranog nerđajućeg čelika

Visoko legirani nerđajući čelik može se podeliti u sledeće grupe u zavisnosti od svoje strukture:

• feritni nerđajući čelik• martenzitni nerđajući čelik• austenitni nerđajući čelik• feritni-austenitni nerđajući čelik (dupleks čelik)

Feritni nerđajući čelik, su redom podeljeni u dve grupe:• sa približno od 11 do 13% hroma (Cr )• sa približno 17% hroma (Cr)

Zahvaljujući niskom sadržaju hroma 10.5 do 13% hromirani čelik se ukratko opisuje kao „sporo korozivni”. Oni su našli primenu u oblastima gde radni vek, sigurnost i malo održavanje su od najveće važnosti i gde ne postoje posebni zahtevi o izgledu. Ovo je na primer slučaj kod kontejnera, vagona i konstrukcije vozila.

Martenzitni nerđajući čelik , sa 12-18% Cr i sa sadržajem C preko 0.1% su austenitni na temperaturama preko 950-1050°C. Brzo hlađenje (suzbijanje), vodi do formiranja martenzitnih struktura. Ova struktura poseduje visoku tvrdoću posebno u kaljenom stanju kada se dodatno povećava sa povećanjem sadržaja ugljenika (C). Ovakvi čelici se koriste na primer: u proizvodnji oštrica, noževa ili makaza.

Preduslov za dovoljnu korozionu otpornost je odgovarajuća površinska obrada koja se može postići na primer: pomoću brušenja.

19


Austenitski nerđajući čelik , koji se takođe navodi kao CrNi čelik, sa sadržajem Ni od preko 8%, je najbolja kombinacija u odnosu na mogućnost obrade, korozionu otpornost i mehaničke karakteristike. Zbog tog razloga, austenitski nerđajući čelik se upotrebljavaju u agresivnim sredinama, kao na primer: u slučaju kontakta sa morskom vodom koja sadrži hlor, hemijskoj ili prehrambenoj industriji.

Slika 20 -Kristalna rešetka austenita-21

Austenitski feritni nerđajući čelik , koje se često navodi kao dupleks čelik zahvaljujući svojoj dvokomponentnoj strukturi. Visoka rastegljivost sa istovremenim poboljšanjima korozione otpornosti omogućavaju ovim čelicima da se koriste posebno u oblasti tehnologije podupirača.

Slika 21 -Kristalna rešetka ferita-22

21 Dragan Adamović, Mašinski materijali (predavanja AS), Mašinski fakultet, Kragujevac, 2010. god.22 Dragan Adamović, Op.cit.

20


7. Dobijanje prohroma

Nerđajući čelici su porodica materijala sa nizom jedinstvenih karakteristika. Zaštićeni su tankim slojem hrom-oksida po površini, koja se formira reakcijom hroma iz čelika i kiseonika iz vazduha, tako da prohrom ne zahteva nikakvu dodatnu površinsku zaštitu protiv korozije.

Kaže se da prohrom ima jednu stvarno jedinstvenu karakteristiku: “da se sam zaleči”. U slučaju da površina pretrpi oštećenje sloj se momentalno sam obnavlja u prisustvu kiseonika. Ovaj transparentni pasivni sloj ima debljinu svega nekoliko atoma i obnavlja se pod uticajem kiseonika i to bez obzira da li kiseonik potiče iz vazduha ili iz vode.

Slika 22 -Obnavljanje prohroma pod uticajem kiseonika (O)-23

Najčešće korišćteni prohrom u svakodnevnom životu je svakako 10183 −CrNiX (DIN oznaka 1.4301, 18/10). Radi se još od 1912. godine, patentiranom V2A (nem. Versuchsschmelze 2 Austenit = probini rastop broj 2), relativnom mekom, niklom i hromom legiranom, nemagnetičnom po mikrostrukturi austenitnom čeliku, koji se danas upotrebljava za izradu posuđa i sl.

Za alate i sečiva koriste se tvrđi martenzitno-feritni čelici koji pored hroma (Cr) sadrže, vanadijum (V) i molibden (Mo) i za razliku od austenitnih nerđajućih čelika, magnetični su.

Tipične legure ovog tipa su: 1330 CrX i 1550 CrMoVX .

Sirovine se prvo rastope zajedno u električnim pećima(f). Ovakav korak zahteva od 8 do 12 sati intenzivne toplote, ovako rastopljen čelik se može oblikovati u polu gotove proizvode, tu spadaju pravougaone ploče, poluge (okruglog ili kvadratnog oblika), šipke, cevi i dr.

Slika 23 -Sematski ilustracija različitih tipova električnih peći ((a)-direktan luk; (b)-indirektan luk; (c)-indukcija)-24

23 Obnavljanje prohroma pod uticajem kiseonika (O), www.general-steel.com, Internet stranica, 16. april 2010. god. (13:46).(f) Električne peći za topljenje mogu biti elektrolučne i indukcione. Elektrolučne uglavnom služe za nodularni liv, a niskofrekventne indukcione (f = 50 Hz) za ostale vrste livenog gvoždja, mada to od livnice do livnice može biti različito.24 Dragan Adamović, Mašinski materijali (predavanja AS), Mašinski fakultet, Kragujevac, 2010. god.

21



Poluproizvod od prohroma prolazi kroz operaciju “formiranje”, počevši od vrućeg valjanja u kojoj prolazi kroz valjke. Poluge se formiraju u žice, a ploče se formiraju u ploče,

trake, listove i dr.

Slika 24 -Postupak toplog i hladnog valjanja-25

Nakon što se prohrom formira u željani oblik, on mora da prođe kroz korak žarenja(e) i kaljenja(f). Neke vrste prohroma se termički obrađuju zbog većih snage.

Međutim, takva termička obrada zahteva pažljivu kontrolu, čak i male izmene u odnosu na preporučene temperature, vreme hlađenja mogu znatno uticti na mehanička svojstva prohroma.

25 Postupak toplog i hladnog valjanja, www.general-steel.com, Internet stranica, 10. maj 2010. god. (14:29).(e) Žarenje je vid termičke obrade u toku koje se čelični delovi zagrevaju do odredjenih povišenih temperatura, drže izvesno vreme na tim temperaturama i zatim lagano hlade.(f) Kaljenje je termička obrada koja se izvodi zagrevanjem radnog predmeta iznad temperature Ac3, za podeutektoidne i A1,3 za nadeutektoidne čelike, progrevanjem na toj temperaturi i hladjenjem brzinom većom od kritične.

22



Kaljenje je neophodno da se u površinskim slojevima dobije martenzit i da se gruba zrna (površine i jezgra) nastala dugotrajnim žarenjem delova na 950ºC, transformišu u sitnija zrna.

Prema traženim osobinama delova mogu se načini kaljenja, posle naugljenisavanja, podeliti na tri grupe:

• direktno kaljenje• jednostruko kaljenje• dvostruko kaljenje

Slika 25 -Površinsko kaljenje plamenom-26

Slika 26 -Mikroskopski izgled sloja pre i posle termičke obrade kaljenja-27

Sečenje , je operacija obično za dobijanje željenog oblika ili veličine. Mašinsko sečenje se vrši pomoću raznih metoda, uključujući makaze, giljotinu, noževe, sečenje pomoću testerastih alata.

Najčešće korišten metod sečenja prohroma je palmenim mlazom. Još jedan način za rezanje je poznat kao plazma sečenje mlazom u kojoj jonizovani gas u vezi sa električnim lukom kroz mali otpor čini rez. Gas čini ekstremno visoke temperature do tačke topljenja.

26 Dragan Adamović, Mašinski materijali (predavanja AS), Mašinski fakultet, Kragujevac, 2010. god.27 Dragan Adamović, Op.cit.

23


Završna obrada , je veoma važna specifikacija za proizvode od prohroma, takođe je i od ključnog značaja u aplikacijama koja se često odnosi na sanitarne aplikacije. Glatka površina koja se najčešće daboija poliranjem, takođe pruža bolje otpornosti na koroziju.

Grubo završna obrada se često koristi na metsima ge je potrebno dodatno podmazivanje elemenata

Postoje razne vrste metoda za obradu, visoko reflektujuća završna obrada je proizvod hladnog valjanja sa žarenjem na kontrolisanoj temperaturi, od brušenja sa abrazivnim sredstvima ili glačanja.

Svetlo završna obrada se dobija tako što se pre vrućeg valjanja i pritom hladnog valjanja ne vrši glačanje, već samo brušenje abrazivima.

Slika 27 -Izgled prohromskog materijala nakon jedne od završnih obrada-28

28 Izgled prohromskog materijala nakon jedne od završnih obrada, www.inox.rs, Internet stranica, 16. april 2010. God. (11:47).

24

http://www.inox.rs/


8. Mašinska obrada prohroma (bušenje)

Površinsko finalna obrada izvršena u fabrici, tj. valjanje, kaljenje i/ili još jednom toplotno tretirani materijal, potrebno je izabrati kako bi orginalna površina odgovarala kasnije željenoj površini, što je bliže moguće karjnjem gotovom proizvodu.

Vezano za korozionu otpornost potrebno je pratiti u napred, da je materijal skladišten i transportovan na odgovarajući način. Ovo u osnovi znači:

izbegavati kontakt sa drugim čelikom (čeličnim četkama, žičanim sajlama). (međusobnu kontaminaciju), izbegavati oštećenja površine i ivica, kao i abraziju, ne skladištiti materijal u radnoj oblasti.

Postoji mnoštvo parametara koji utiču na hrapavost i pojave na proizvedenim površinama:

mašina za brušenje sa odgovarajućim kontaktnim elementima i radnim parametrima (brzina sečenja, brzina pomeranja), upotreba dodatnih sredstava (ulja i emulzija), kvalitet abrazivnog sredstva.

Zbog ovih graničnih uslova prisutnih kod procesa brušenja nije moguće doneti generalni zaključak o međusobnoj vezi između površine dobijene obradom i korišćenog abrazivnog sredstva. Kako bi se izbeglo nerazumevanje, pre postupka obrade su dogovoreni referentni uzorci tražene površine i vrednost hrapavosti (Ra).

Prema otpornosti radnog komada, navede mere nadzora date u nastavku, potrebno je da budu sadržane tokom postupka brušenja prohroma:

ne koristiti brusne alate na standardnom čeliku i zatim na prohromu, uvek temeljno uklonite ostatke brušenja sa svih površina, nikada ne dozvoliti da površina prohroma dođe u kontakt sa gorućim vrelom varnica, radna temperatura je potrebno da bude dovoljno niska kako se ne bi formirali karbidi hroma i tako došlo do korozije unutar kristala.

Samo na ovaj način je osigurano da pasivni sloj u oblasti obrade ranije razvije i da ostale površine ne budu oštećene preko korozije u pukotinima ili među kristala.

25


9. Obrada oblikovanjem prohroma (zavarivanje)

Zavarivanje prohroma obično se vrši TIG(g) postupkom zavarivanja, aparatima iz UltraSonic TIG Precision serije koja omogućava spajanje metala tankih i do 0.25mm.

TIG postupak se koristi za proizvodo zavarivanje, navarivanje i reparaturno zavarivanje nerđajućih i vatrostalnih čelika, kao i legura aluminijuma (Al), bakra (Cu),Titanijuma (Ti), nikla (Ni), hroma (Cr) itd.

Slika 28 -Zavarivanje prohroma TIG postupkom-29

Nakon zavarivanja materijal ide dalje na obradu usled čega se postiže željeni izgled i završna željena obrada materijala.

Slika 29 -Prohromski materijal pre i posle zavarivanja-30

(g) Kod TIG zavarivanja električni luk se uspostavlja pomoću visoko frekventnog generatora, koji se uključuje samo u deliću skunde, neposredno pred zavarivanje.29 Zavarivanje prohroma TIG postupkom, www.general-steel.com, Iternet stranica, 24. april 2010. god. (13:45).30 Prohromski materijal pre i posle zavarivanja, www.peskarenje.com, Internet stranica, 13. april 2010. god. (12:15)

26

http://www.peskarenje.com/



10. Primena prohromskih materijala

Materijal budućnosti kakav je prohrom pruža velike mogućnosti primene u raznim sferama života. Savremena arhitektonska rešenja gotovo se ne mogu zamisliti bez primene ovog materijala. Višegodišnje iskustvo u opremanju kuća, stanova, stambenih zgrada, ugostiteljskih objekata, industrijskih objekata, hotela, gradskih trgova i dr. omogućava nam širok dijapazon načina obrade i primene prohroma

Najčešća primena prohromskih materijala jeste u hemijskoj i farmaceutskoj industriji, gde se javlja potreba za visoko kvalitetnim materijalima koji su otporni, kako na habanje i koroziju tako i na čvrstoću i izdržljivost.

Slika 30 -Prohromskih materijali-31

Zbog svog načina dobijanja i izrade prohromski materijali imaju dobre osobine koje ih karakterišu:

nerđajući čelik (prohrom) je legura čelika, hroma i grafita, nosi stil i ekskluzivnost, prohrom garantuje trajnost oblika, postoji u srebrnoj, zlatnoj i bronzanoj varijanti, mogućnost izbora mat i visokog

sjaja (efekat ogledala), nije potrebno redovno održavanje radi produžene trajnosti.

Slika 31 -Prohromske ograde i gelenderi-32

31 Prohromski materijali, www.migros-kg.co.rs, Internet stranica, 16. april 2010. god. (11:32).32 Prohromske ograde i gelenderi, www.inox.rs, Internet stranica, 16. april 2010. God. (11:43).

27

http://www.inox.rs/

http://www.migros-kg.co.rs/


11. Zaštita životne sredine

Prohromski materijali se mogu, gotovo 100% reciklirati. U stvari, više od 50% novih nerđajućih čelika, napravljeni su od metalnog otpada, čineći eko-frendli (eng. eco-frendly) materijal. U zavisnosti od različitih osobina, prašine (npr. toksičnost, rastvorljivost, zapaljivost), otpadni materijal može biti klasifikovan kao opasan otpad.

Slika 32 -Simbol reciklaže i zaštite životne sredine-33

Materijali proizvedeni od čvrstog proizvoda nisu ekološki opasni, međutim neki materijali koriste u obradi prohroma proizvodne operacije sečenja, zavarivanja, brušenja, struganja i dr., koji mogu predstavljati opasnost, kako okoline tako i samog zdravlja ljudi.

Potrošnja energije na bazi nerđajućih čelika je nedavno smanjena zbog tehnoloških poboljšanja i mera očuvanja energije.

Slika 33 -Visoke peći predstavljaju veliko zagađenje planete Zemlje-34

Danas je opšte prihvaćeno da se društvo mora kretati ka opcijama koje su više okrenute prema očuvanju životne sredine!

Rešenja koje tome doprinose su smanjenje nastanka otpada i povećanje količine materijala koji se može ponovo iskoristi (reciklirati).

33 Simbol reciklaže i zaštite životne sredine, www.bifonline.rs, Internet stranica, 15. april 2010. God. (12:53).34 Dragan Adamović, Mašinski materijali (predavanja AS), Mašinski fakultet, Kragujevac, 2010. god.

28

http://www.bifonline.rs/


Literatura:

1. Stojadinović S., Poznavanje materijala, Tehički fakultet „M. Pupin“, Zrenjanin, 2007.

2. Robert Molnar, Tehnički materijali (praktikum sa sveskom ), Visoka tehnička škola strukovnih studija u Zrenjaninu, Zrenjanin, 2008.

3. Dragan Adamović, Mašinski materijali (predavanja AS), Mašinski fakultet, Kragujevac.

Pomoćna literatura:

1. Dušan Jovanić, Obrada oblikovanjem I (zavarivanje), Visoka tehnička škola strukovnih studiaj u Zrenjaninu, Zrenjanin, 2009.

2. Mandić Lj., Korolija J., Danilović D., Hemija za VII razred osnovne škole, Zavod za udžbenike i nastavna sredstva, Beograd 2003

Ostalo:

Internet stranice:

1. www.bifonline.rs ,2. www.migros-kg.co.rs ,3. www.inox.rs ,4. www.peskarenje.com ,5. www.general-steel.com ,6. www.inox.rs ,7. www.vikipedija.com ,8. www.orkos.com .

29

http://www.orkos.com/

http://www.vikipedija.com/

http://www.inox.rs/


http://www.peskarenje.com/

http://www.inox.rs/

http://www.migros-kg.co.rs/

http://www.bifonline.rs/


Prilozi

Prilog 1 -Periodni sistem elemenata.........................................................................................29Prilog 2 -Prednosti i nedostaci TIG zavarivanja.......................................................................29Prilog 3 -Izgled elektro peći.....................................................................................................30Prilog 4 -Eutektoidna transformacija austenita u perlit............................................................31Prilog 5 -Glavne vrste nerđajućih čelika i njihov hemijski sastav..........................................31

30


Prilog 1 -Periodni sistem elemenata

Slika 34 -Periodni sistem elemenata-35

Prilog 2 -Prednosti i nedostaci TIG zavarivanja

Prednosti TIG zavarivanja su:

kvalitet zavarenog spoja ja vrlo visok, kako u pogledu broja grešaka u zavarenom spoju, tako i sa stajališta estetskog izgleda i mehaničkih osobina zavara,

gubici dodatnog materijala na otpad nisu veći od 2 - %, mogu se variti sučeoni i T spojevi, za limove debljine od 0,4 do 4 mm nije potrebno zakošenje ivica, pogodan je za reparaturno zavarivanje, mogućnost zavarivanja u svim položajima.

35 Mandić Lj., Korolija J., Danilović D., Hemija za VII razred osnovne škole, Zavod za udžbenike i nastavna sredstva, Beograd 2003

31


Nedostaci TIG zavarivanja su:

veća cena uređaja za zavarivanje u poređenju sa drugim postupcija, kvalitet zavara zavisi od veštine zavarivača, nije pogodan za automobilizaciju i robotizaciju, vreme za obuku dobrog zavarivača je dugo, manja produktivnost u odnosu na druge postupke zavarivanja, dolazi do jakok bljeskanja pri zavarivanju i oslobađaju se gasovi, paje potrebna

dobra ventilaciija prostora, dugotrajan rad može ostaviti štetne posledice na zdravlje zavarivača.

Prilog 3 -Izgled elektro peći

Slika 35 -Izgled elektro peći-36

36 Dragan Adamović, Termička obrada metala (predavanja AS), Mašinski fakultet Kragujevac, Kragujevac, 2010. god.

32


Prilog 4 -Eutektoidna transformacija austenita u perlit

Napomena: Austenit se transformiše izotermički u perlit!

Slika 36 -Eutektoidna transformacija austenita u perlit-37

Prilog 5 -Glavne vrste nerđajućih čelika i njihov hemijski sastav

Slika 37 -Glavne vrste nerđajućih čelika i njihov hemijski sastav-38

37 Dragan Adamović, Termička obrada metala (predavanja), Mašinski fakultet Kragujevac, Kragujevac, 2010. god.38 Dragan Adamović, Op.cit.

33

Documents

Prohrom Kao Tehnicki Materijal