Vasilije Dedović - Nerđajući čelik

Nerđajući čelici

Visoka tehnička škola strukovnih studija

Nerđajući čelici

Vasilije Dedović

NERĐAJUĆI ČELICI

Vasilije Dedović Strana 1

Nerđajući čelici

Rezime: Opis nerđajućih čelika, njihove otpornosti prema koroziji, podele po sastvu i strukturi, njihova svojstva, sastav i njihova raznolika primena

Sadržaj

1. Uvod ..........................................................................................................................................................4

1.1 Podela čelika .......................................................................................................................................5

2. Nerđajući čelici..........................................................................................................................................6

2.1 Hrom - nerđajući čelici........................................................................................................................8

2.1.1 Martezitni čelici................................................................................................................................9

2.1.2 Poluferitni čelici ........................................................................................................................ 10

2.1.3 Feritni čelici ............................................................................................................................... 10

2.2 Hrom - nikl - nerđajući čellci ........................................................................................................... 11

2.2.1 Austenitni nerđajući čelici............................................................................................................. 12

2.2.2 Austenitno - feritni nerđajući čelici ............................................................................................... 15

2.2.3 Austenitno - martenzitni - nerđajući čelici .................................................................................... 16

2.3 Nerđajući austenitni čelici sa manganom i azotom .......................................................................... 17


Nerđajući čelici

1. Uvod

Čelici predstavljaju danas najbrojniju i najčešće korišćenu grupu metala. Razne vrste čelika najviše se upotrebljavaju u mašinskoj industriji, građevinarstvu, poljoprivrednoj mehanizaciji, rudarstvu, hemiji i energetici. Danas je u svetu poznato nekoliko hiljada raznih vrsta čelika dobijenih odgovarajućom kombinacijom sadržaja ugljenika i legirajućih elemenata najrazličitijih osobina.

Primena gvožđa i čelika kroz istoriju našeg društva eksponencijalno je porasla od dana njegovog pronalaska pa sve do sada. Njen razvoj obeležila je industrijska revolucija u XIX veku (s razvojem tekstilne industrije i industrije uglja). Od antičkog doba do srednjeg veka, gvožđe je imalo samo nekoliko namena i to za potrebe vojske i zemljoradnje. Nakon industrijske revolucije primena čelika doživljava bum i postaje svakodnevni element u izgradnji i primeni. Prva visoka peć potiče iz XV veka, ali prva fabrika čelika – Krupova u Esenu, izgrađena je 1815.godine. Postupak prerade čelika u velikoj meri utiče na količinu pratećih elemenata. Najvažniji postupci proizvodnje čelika su: Simens-Martinov, Besemerov, Tomasov i postupak dobijanja u elektro- pećima.

Geografska raspoređenost proizvodnje gvožđa, znatno se promenila od početka XX veka. Iako je 1929.godine bilo 29 država koje su proizvodile čelik, 90% svetskog čelika proizvodio se u Severnoj Americi i Evropi. Šest država gorostasa (SAD, Japan, Francuska, Velika Britanija, Nemačka i SSSR) proizvode 1974.godine – 62,5% svetske proizvodnje čelika, a već 1997.godine (bez Ukrajne) – 52,5% svetske proizvodnje čelika. U XXI veku crna metalurgija postaje mnogo rasprostranjenija industrija (pojavili su se novi proizvođači, koji ponekad prevazilaze i bivše gorostase u sektoru). Kina, kao novi džin crne metalurgije, danas je najveći svetski proizvođač čelika (123 Mt), ispred SAD (97 Mt), i Japana (94 Mt). Brazil, Južna Koreja i Indija, danas zajedno daju 10% svetske proizvodnje čelika. Najveća fabrika n e rđa j u če g če li k a je u Južnoj Africi (130 km od Pretorije).


Nerđajući čelici

1.1 Podela čelika

Podela čelika može se vršiti prema:

• sadržaju legirajućih elemenata

• načinu proizvodnje,

• čistoći,

• strukturi,

• stanju isporuke,

• obliku poluproizvoda i

• nameni.

Najznačajnija podela čelika je prema nameni, na konstruktivne, alatne i čelike za posebne svrhe. Oštra granica između njih se ne može povući, jer se navedeni čelici mogu primeniti za različite svrhe.


Nerđajući čelici

1.1 slika Podela čelika prema nameni


Nerđajući čelici

2. Nerđajući čelici

Koroziono razaranje metala i legura, koje se odvija pod dejstvom spoljašnje sredine (atmosfere, vode, i dr.) je naročito izraženo kod čistog željeza i niskolegiranih čelika. Oksidna skrama, koja se stvara na njihovoj površini, nije dovoljno kompaktna i ne štiti metal od daljeg korozionog razaranja. Dodatkom nekih hemijskih elemenata se mogu dobiti legure otporne na koroziju.Visoka koroziona postojanost nerđajućih ćelika određuje se njihovim svojstvom da se lako pasiviziraju u običnim atmosferskim uslovima koristeći kiseonik iz vazduha. To svojstvo zavisi od hroma (Cr), osnovnog legirajućeg elementa nerđajućeg čelika. Najmanji sadržaj hroma mora biti 12, 5 % Cr. Sa povećanjem sadržaja hroma raste koroziona postojanost čelika.Nikl takođe omogućuje pasivizaciju, ali u znatno manjem stepenu.

Koroziona postojanost nerđajućih čelika jako zavisi od sadržaja ugljenika, što se vidi iz slike 10.01. Za povećanje korozione postojanosti nerđajućih čelika, dopunski se legiraju sa: Mo, Cu, Ti, Nb. Nerđajući čelici su visokolegirane i to višekomponentne legure željeza, sa: Cr (više od 12,5 %); Al (više od 11 %); Si (više od 5 %), koji grade:

- kompaktne okside (Cr2O3; SiO2; Al2O3) na površini metalnog elementa, kojim se metal štiti od dalje korozije;

- grade dodatne okside sa željezom ili

- se kao nikl (Ni) ugrađuju u čvrst rastvor.

Slika 10.01. Uticaj ugljenika na brzinu korozije nerđajućeg čelika.

Koroziona postojanost nerđajućih čelika zavisi od strukturnog sastava. Najbolju korozionu postojanost imaju čvrsti rastvori legirani hromom i niklom. Svi faktori koji uvećavaju nejednorodnost strukture nerđajućih čelika sa obrazovanjem karbida, nitrida


Nerđajući čelici

i intermetalida hroma, dovode do sniženje sadržaja hroma u čvrstom rastvoru, a time snižavaju korozionu postojanost nerđaućih čelika.


Nerđajući čelici

Koroziona postojanost nerđajućih ćelika se određuje postojanošću oksidne prevlake na površini metala i zavisi od agresivnosti sredine.

Količina dodatog legirajućeg elementa ima veliki uticaj na korozionu postojanost. Na pr. ako se čeliku doda manje od 12,5 % hroma, ne dobija se nikakva otpornost na koroziju. Sa dodatkom od 12,5 % hroma, čelik ima visoku korozionu postojanost u atmosverskim uslovima - dobija nerđajuća svojstva.

Sa dodatkom od 14 - 17% Cr, dobijaju se legure koje ne oksidišu na vazduhu, vodi, u nizu kiselina, baza i soli, približavajući se skoro plemenitim metalima.

U zavisnosti od sastava, nerđajući čelici se dele na:

- hrom - nerđajući čelici;

- hrom - nikl - nerđajući čelici;

- hrom - mangan - nerđajući čelici i

- hrom - mangan - nikl - nerđajući čelici.

Slika 10.02. Podela hromnih čelika i gvožđa po strukturi.


Nerđajući čelici

Slika 10.03. Strukturni dijagram Cr-Ni-čelika sa 0,1 % C, 0,35 % Mn i 0,3 %Si.


Nerđajući čelici

Po strukturi se dele na:

- martenzitne;- poluferitne;- feritne;- feritno - austenitne;- austenitne;- austenitno - feritne i- ledeburitne (gvožđa).

Na slikama 10.02. data je podela Cr - nerđajućih čelika, a na slici 10.03. podela Cr - Ni - nerđajućih čelika po strukturi.

2.1 Hrom - nerđajući čelici

Hrom je najvažnijl legirajući element u nerđajućim čelicima. Nerđajuća svojstva čelika zavise od odnosa hroma i ugljenika koji su prisutni u njemu. Prema sadržaju hroma, postoje tri vrste hrom - nerđućih čelika, i to sa: 13% Cr, 17% Cr i 27% Cr.

Čelici sa 13% Cr imaju različit sadržaj ugljenika (od 0,1 - 0,4% C). Čelici sa 17 - 18% Cr i sa 27 – 28% Cr, imaju po nekad i manje dodatke titanijuma (Ti), koji dovodi do usitnjavanja zrna i nikla (Ni), koji poboljšava njihova mehanička svojstva.

Nerđajući hrom - čelici (više od 12,5 % Cr) se po strukturi dele na:

- martenzitne (13 - 17% Cr)- poluferitne i (15-17% Cr)- feritne ( > 18% Cr)


Nerđajući čelici

2.1.1 Martezitni čelici

Ovi čelici se mogu poboljšati u zavisnosti od sadržaja ugljenika ( 0,12 – 0,45% C), koji se podešava prema sadržaju hroma. Jer sa njima obrazuju carbide. Na slici 10,04 dat je uticaj ugljenika i hroma na korozionu postojanost ovih čelika u atmosferskim uslovima.

Slika 10.04. Uticaj C i Cr na korozionu postojanost Cr - čelika u atrnosferskim uslovima

Za poboljšanje svojstava i promenu korozione postojanosti u atmosferskim uslovima,često se dodaje nikl (0.3 % Ni).

Koroziona postojanost ovih čelika se povećava kaljenjem sa temperaturi od

850 - 920o C. Radi otklanjanja unutrašniih napona vrši se otpuštanje na 250 -400°C. Da bi se izbeglo sniženje korozione postojanosti, ne vrši se otpuštanje u

temperaturskom intervalu od 450 – 550o C. Na slici 10.05. dat je uticaj temperature otpuštanja na korozionu postojanost Cr - čelika sa 12 % Cr u 5 %-tnoj azotnoj kiselini (HNO3).

Slika 10.05. Uticaj temperature na korozionu postojanost Cr - čelika (12 % Cr) u azotnoj kiselini (5 %).


Nerđajući čelici

Ovi čelici se koriste za izradu lopatica turbina, klipova hidrauličnih presa i drugih sličnih elemenata.


Strana 1010

Nerđajući čelici

2.1.2 Poluferitni čelici

Ovi nerđajući čelici imaju:

- do 0,08% C i 13 – 15% Cr i- 0,1% C i od 15 – 17% Cr.

Mogu se oplemeniti - poboljšati. Manje su krti od feritnih i dolaze u grupu kvalitetnih koroziono postojanih materala. Najbolju korozionu postojanost imaju

poluferitni čelici posle zagrevanja od 760 – 800o C, čime se povećava rastvorljivost hroma u željezu. Zagrevanjem na višim temperaturama, materijal postaje krupnozrnast, krt i smanjuje mu se otpornost na koroziju. Krtost im se smanjujedodatkom manjih količina titana i niobijuma.

Koriste se za delove od kojih se zahteva otpornost na habanje i koroziju, kao što su: ventili, cevni provodnici, aparati za proizvodnju azotne kiseline, itd.

2.1.3 Feritni čelici

Ovi nerđajući čelici sadrže 0,12 % C i više od 18 % Cr. Imaju i ne baš izražena vatrootporna svojstva. Skloni su rastu zrna pri zagrevanju i zavarivanju

iznad 800oC. Pri dugotrajnom zagrevanju ili sporom hlađeniu sa visoke temperature (iznad800oC) čelik postaje krupnozrnast i krt pri sobnoj temperaturi. Može se pojaviti praghladnolomkosti iznad 20oC.

Feritni čelici su meki zbog malog sadržaja ugljenika i isporučuju se u žarenom stanju. Ne mogu se kaliti niti oplemenjavati. Imaju veliku otpornost na oksidirajuće kiselihe i baze, kao i u rečnoj i u morskoj vodi. Ne korodiraju u dodiru sa hranom. Otporni su prema gasovima

u kojima ima sumpora do 1100O C. Otporni su na atmosfersku koroziju, a neotporni u razblaženim rastvorima sone i sumporne kiseline, kao i zagrejane fosforne kiseline.

Najčešće se upotrebljavaju za oblaganje predmeta u građevinarstvu.

Na slici 10.06. prikazana je tipična struktura feritnog nerđajućeg čelika.

Strana 1111

Nerđajući čelici

Slika 10.06. Tipična mikrostruktura feritnog nerđajućeg čelika, x400.

Strana 1212

Nerđajući čelici

2.2 Hrom - nikl - nerđajući čellci

Hrom - nikl - nerđajući čelici, koji imaju dobra koroziona svojstva, dobijaju se unošenjem u Cr – nerđajuće čelike određene količine nikla (Ni). Za poboljšanje korozionih, ali i drugih svojstava, Cr – Ni čilicima se dodaju i drugi legirajući elementi kao što su : Mn, Ti, Mo, Al. Pri uvođenju u Cr – nerđajuće čelik nikla ili mangana, feritni čelici dobijaju austenitnu strukturu.

Ukoliko u čeliku nedostaje Ni ili Mn, da bi se obrazovala potpuna austenitna struktura, obrazuju se prelazne strukture: austenit + ferit, austenit + martenzit i dr .

Uvođenjem u sastav Cr - Ni čelika različitih elemenata, dolazi do izmene položaja

faza: γ, γ + α i α u dijagramu stanja. Porast sadržaja hroma uvođenje Ti, Nb, Si, Al i Mo potpomažu obrazovanje feritne faze. Povećanjem sadržaja nikla i unošenjem N, C i Mn proširuje se oblast austemta i čine ovi čelici austenitno postojanim.

Na slici 10.07. je prikazan trojni dijagram stanja sistema Fe - Cr- Ni, a na slici 10.08. trojni dijagram sistema Fe - Cr - Mn. Poređenjem ova dva dijagrama se vidi, da usled manje efikasnosti Mn u obrazovanju austenitne strukture, više su zastupljene oblasti:

austenit + ferit ili austenit + martenzit.

Slika 10.07. Trojni dijagram sistema Fe - Cr - Ni.

Slika 10.08. Trojni dijagram sistema Fe - Cr - Mn.

Strana 1313

Nerđajući čelici

Prema strukturi, Cr - Ni - nerđajući čelici se dela na:

- austenitne;

- austenitno - feritne;

- austenitno - martenzitno - feritne;

- martenzitno - feritne i dr.

2.2.1 Austenitni nerđajući čelici

Najvažnija grupa po strukturi su austenitni Cr - Ni - nerđajući čelici. Razlikuju se od feritnih po sledećim svojstvima: nemagnetični su, imaju dobru tvrdoću i čvrstoću, malu granicu razvlačenja, visoka plastična svojstva, malu toplotnu provodljivost, visoku korozionu postojanost i postojanost na dejstvo H2SO4.

Struktura austenitnih čelika sastoji se iz austenitne osnove po kojoj su razbacana zrna karbida, što je prikazano na slici 10.09. Otgonost na koroziju je utoliko veća ukoliko su oni ravnomernije raspoređeni po osnovnoj masi. Ovo se poštiže kaljenjem. Ovi čelici se zagrevaju do austenitnog područja (1050 - 11500C) i brzo hlade, da bi veća količina ugljenika i karbida ostala rastvorena u rešetci austenita, što se vidi na slici 10.10.

Slika 10.09. Tipične mikrostrukture nerđaućih čelika: a - austenitni čelik x200 i b. - prelazna klasa austenit +martenzit, x500.

S lika 10 .10 . Mikro struktu ra Cr - Ni - n erd ia ju ćeg čelika u zakaljenom stanju, a ustenit x500.

Strana 1414

Nerđajući čelici

Stablnost austenita je povezana sa promenom rastvorljivosti ugljenika (karbida) u γ – čvrstom rastvoru sa temperaturom, što se vidi iz dijarama prikazanog na slici 10.11. Pri deformaciji u hladnom stanju i pri zagrevanju na 460 – 800OC, dolazi do izlučivanja karbida i povećanja temperature martenzitne transformacije, koja dovodi do mestimičnog strukturnog preobtažaja, što sve pogoduje pojavi međukristalne korozije. Na slici 10.12 prikazana jemikrostruktura Cr – Ni nerđajućeg čelika sa karbidima po granici zrna.

Sklonost ka međukristalnoj koroziji se povećava dugortajnim zagrevanjem na 500 –700oC, čak i kada su ovi čelici sa vrlo niskim sadržajem ugijenika (0,017 - 0,030 % C). Da bi se to sprečilo, dodaju se čeliku karbidizirajući elementi Ti i Nb, čiji je sadržaj u zavisnosti od sadržaja ugljenika u njemu, tako da vežu ukupni sadržaj ugljenika u obliku karbida TiC i NbC.

Slika 10.11. Rastvorljivost ugljenika (karbida) u austenitu.

Njihov sadržaj se određuje prema empirijskim zavisnostima:

% Ti = 5 • (% C - 0,03) (10.01)

% Nb = (8 - 10) % C (10.02)

Slika 10.12. Mikrostruktura Cr - Ni - nerđajućeg ćelika sa karbidima po granici zrna austenita, x500.

Strana 1515

Nerđajući čelici

Za povećanje korozivne postojanosti na sonu kiselinu, čelicima se dodaje 2 – 4% Mo.

Pri naglom kaljenju austenitnih nerđajućih čelika javljaju se rekristalizacioni procesi koji odstranjuju posledice plastičnog deformisanja, kome se podvrgavaju ovi čelici. Kao rezultat kaljenja ne povećava se tvrdoća, jer u njima je kaljenje proces omekšavarnja, tako da se mehanička svojstva ovih čelika posle kaljenja karakterišu niskom granicom tečenja, malom čvrstoćom i visokom plastičnošću. Austenitni Cr – Ni – čelici su skloni opštoj koroziji, po celoj površini, tačkasto koroziji po dubini, što se vidi na slici 10.13

Slika 10.13. Tačkasta korozija nerđajućeg čelika: a. - u 0,5 n rastvora NaBr i b. - u rastvoru 0,5 nNaCl + 0,001 n HCl.

Takođe, su skloni i naponskoj koroziji, koja može biti kristalna i međukristalna. Da bi se to izbeglo, podvrgavaju se termičkoj obradi, pri kojoj se uklanjaju unutrašnji naponi uneti plastičnim deformisanjem.

Austenitni nerđajući čelici se veoma mnogo koriste. kako zbog njihovih visokih aritikorozionih svojstava, tako i zbog visokih tehnoloških i mehaničkih svojstava.

Austenitni čelik 18 % Cr i (8 – 10 % Ni) nema postojanu strukturu. Hlađenjem ili plastičnim deformisanjem, može se dobiti martenzit u strukturi, što je ilustrovano na slici10.14. Ima veliku primenu u izradi proizvoda široke potrošnje, u arhikteturi i izradi skulptura.

Slika 10.14. Mikrostruktura legure 18 % Cr i 8 % Ni posle dugog starenja na 800 °C: delovi ferita, austenit i zrna 0 - faze, x600.

Postojanu austenitnu strukturu ima čelik 18 % Cr sa više od 14 % N. što se vidi na slici

Strana 1616

Nerđajući čelici

10.15.

Strana 1717

Nerđajući čelici

Slika 10.15. Mikrostruktura legure 18 % Cr i 14 % Ni posle dugog starenja na 700 °C:austenit, x300.

2.2.2 Austenitno - feritni nerđajući čelici

Ovi čelici imaju strukturu α + γ. Austenit u ovim čelicima može biti postojan i nepostojan. Oblasti prostiranja sve tri vrste Cr - Ni - čelika se vide na dijagramu, prikazanom na slici 10.16.

Ekvivalent hroma = % Cr + % Mo + 1,5 • % Si + 0,5 • % Nb

* Ekvivalent nikla = % Ni + 30 • % C + 0,5 • % Mn

Slika 10.16. Strukturni dijagram nerđajućih čelika

U ovu grupu dolaze čelici sa (17 - 25% Cr), 0,1 % C i dodatkom Ni ( 4 - 6 % ) ili Mn u količini da obrazuju datu dvofaznu strukturu. Postojanost na atmosfersku koroziju zavisi od atmosferskih uslova. Mogu se koristiti kao nerđajući imaju veliki sadržaj Cr i po svojstvima su bliski Cr - Ni - čelicima sa 18 % Cr i 9 % Ni, ali su podložniji koroziji u odnosu na austenitne. Ne mogu se kaliti i više spadaju u vatrootporne čelike za radne temperature do 1050° C.

Strana 1818

Nerđajući čelici

2.2.3 Austenitno - martenzitni - nerđajući čelici

Hrom - nikl - nerđajući čelici (15 - 17 % Cr), koji sadrže aluminijum i molibden, su čelici austenitno - martenzitne grupe. Posle kaljenja imaju najveću plastičnost, jer se pri preobražaju austenita može vršiti duboko izvlačenje i presovanje u zakaljenom stanju.

Visoka čvrstoća austenitno martenzitnih nerđajućih čelika, čija je tipična struktura prikazana na slici 10.17., se dobija bez naknadnog kaljenja, samo obradom plastičnim deformisanjem u hladnom stanju. Ovim se izbegava krivljenje elemenata do koga može doći pri termičkoj obradi.

Slika 10.17. Tipična struktura austenitno - martenzitnog nerđajućeg čelika.

Na slici 10.18. prikazan je uticaj stepena deformcije na mehanička svojstva nerđajućeg čelika.

Slika 10.18. Uticaj stepena deformacije na mehanička svojstva nerđajućeg čelika.

Pri obradi u hladnom stanju dolazi do preobražaja austenita u martenzit, zbog čega se i povećava čvrstoča. Pri naknadnom starenju dolaži do daIjeg povećanja čvrstoće kao posledice izdvajanja metalnih jedinjenja u disperznom stanju.

Strana 1919

Nerđajući čelici

2.3 Nerđajući austenitni čelici sa manganom i azotom

Zbog deficitarnosti nikla, on se delimično ili u potpunosti zamenjuje drugim hemijskim elementom koji potpomažu obrazovanje austenita (Mn, N i sl.). Najvažniji su čelici legirni sa Mn i N. Najviše se koristi čelik sa 13% Cr, 4% Ni i 9% Mn sa malim sadržajem ugljenika. Ovi čelici su po svojim svojstvima bliski Cr – Ni čelicima po nizu hemijskih i fizičkih svojstva. Smanjenje međukristalne korozije se postiže dodavanjem Ti i Nb.

Uvođenje azota kao z amene z a nikl je veoma uspešno. Tako je čelik sa 25% Cr,13% Ni i 0,20 - 0,25% N analogan po svojim svojstvima čeliku sa 25% Cr i 20% Ni, ačelik 18% Cr, 5% Ni i 0,20 - 0,25% N analogan čeliku sa 18% Cr i 9% Ni.

Čelik koji je objedinio uticaj Mn i N je: 20 - 25% Cr, 3,5% Ni, 3,5% Mn i 0,2% N. Ovajčelik je blizak hrom - nikl čelicima sa povećanim sadržajem hroma.

Nedostatak čelika koji sadrže azot je nemogućnost uvođenja Ti, radi ublažavanja međukristalne korozije (titan se vezuje u TiN).

Nerđajući čelici


Documents

Vasilije Dedović - Nerđajući čelik