LUKA UGRIN_Zavrsni rad_rujan_2016Ugrin, Luka
Degree Grantor / Ustanova koja je dodijelila akademski / struni stupanj: University of Split, Faculty of Chemistry and Technology / Sveuilište u Splitu, Kemijsko-tehnološki fakultet
Permanent link / Trajna poveznica: https://urn.nsk.hr/urn:nbn:hr:167:960655
Rights / Prava: In copyright
Repository / Repozitorij:
Repository of the Faculty of chemistry and technology - University of Split
ZAVRŠNI RAD
LUKA UGRIN
ZAVRŠNI RAD
LUKA UGRIN
CHEMICAL ENGINEERING
BACHELOR THESIS
LUKA UGRIN
Parent number:1046
Split,September 2016.
DOBIVANJE SVOJSTVA I UPOTREBA ELIKA
Luka Ugrin, 1046 Saetak
elik ima iznimnu vanost za svako nacionalno gospodarstvo. Jedno od mjerila industrijskog razvoja drave je proizvodnja odnosno potrošnja elika.1Proizvodnja i potrošnja betona i materijala na bazi eljeza (elika i eljeznih ljevova) dominiraju u odnosu na druge grupe tehnikih materijala. Smatra se da e materijali na bazi eljeza koliinski i u bliskoj budunosti zauzimati najvei udio meu metalnim materijalima.2 elici pokrivanju gotovo sva podruja primjene u kojima se postavljaju zahtjevi vrstoe i ilavost. Spektar svojstava rasprostire se od mekih i oblikovanih nelegiranim i niskolegiranih jeftinih elika. Preko visokovrstih i ilavih pa do tvrdih i na trošenje otpornih elika.3 U radu je dan pregled postupaka dobivanja elika, utjecaj legirnih elemenata na svojstva elika, obraene su razliite vrste elika s obzirom na njihove karakteristike i podruja primjena, naini spajanja elinih konstrukcija, ponašanje razliitih vrsta elika u korozijskim sredinama kao i mogunost zaštite elinih konstrukcija od korozije, te mogunost recikliranja elika u cilju smanjenja troškova proizvodnje elika, smanjenja koliine otpada te ouvanja okoliša. Klju ne rijei:elik, legirni elementi, spajanje metala, korozija, recikliranje Rad sadri: 58 stranica, 30 slika, 4 tablice, 76 literaturnih referenci Jezik izvornika: hrvatski Sastav Povjerenstva za obranu: 1. izv. prof. dr. sc. Sandra Svilovi predsjednik 2. doc. dr. sc. Ivana Smoljko lan 3.izv. prof. dr. sc. Ladislav Vrsalovi lan-mentor Datum obrane: 02. rujna 2016.
Rad je u tiskanom i elektronikom (pdf format) obliku pohranjen u Knjinici Kemijsko- tehnološkog fakulteta Split, Ruera Boškovia 35.
BASIC DOCUMENTATION CARD
University of Split Faculty of Chemistry and Technology Split Study: Undergraduate study of chemical technology Scientific area: Technical sciences Scientific field: Chemical engineering Thesis subjectwas approved by Faculty of Chemistry and technology session no. IV. Mentor: Ph. D.Ladislav Vrsalovi, Associate Professor Technical assistance:
PRODUCTION, PROPERTIES AND USES OF STEEL
Luka Ugrin, 1046
Abstract
Steel is of utmost importance for each national economy. One of the benchmarks of industrial development of the country is production and consumption of steel.1 Production and consumption of concrete and ferrous materials (steel and cast iron) dominate over other groups of technical materials. It is believed that the iron materials well hold the largest share among metal materials.2 Steels overlap almost all areas of application in where requirements of strength and toughness are essential. The spectrum of properties stretches from soft and shaped non-alloy steel and low alloy cheap steel, through high-strength and tough to the hard and wear resistant steel.3 This paper presents an overview of methods for producing steel, the influence of alloying elements on the properties of steel, different types of steel with respect to their characteristics and fields of application, methods of joining of steel structures, the behavior of different types of steel in corrosive environments and the ability to protect steel structures against corrosion and finally recyclability of steel in order to reduce costs of steel production, waste reduction and environmental protection. Keywords: steel, alloy elements, metal joining, corrosion, recycling Thesis contains: 58pages, 30figures, 4 tables and 76references Origin in: Croatian Defence committee: 1. Ph. D. Sandra Svilovi, Associate Professor chair person 2. Ph. D. Ivana Smoljko, Assistant Professor member 3. Ph. D. Ladislav Vrsalovi, Associate Professor supervisor Defence date: September 02, 2016.
Printed and electronic (pdf format) version of thesis is deposed in Library of Faculty of Chemical and Technology Split, Ruera Boškovia 35.
Završni rad je izraen u Zavodu za elektrokemiju i zaštitu materijala, Kemijsko-
tehnološkog fakulteta u Splitu pod mentorstvom izv. prof. dr. sc. Ladislava
Vrsalovia u razdoblju od srpnja do rujna 2016. godine.
Zahvaljujem se svom mentoru izv. prof. dr. sc. Ladislavu Vrsaloviu na ukazanoj
pomoi i strunom vodstvu, te savjetima tijekom izrade ovog Završnog rada.
Zahvaljujem svojoj obitelji i prijateljima na razumijevanju i velikoj podršci koju su
mi pruili tijekom studiranja.
Na temelju dostupne literature (strunih asopisa, publikacija, baza podataka na
Internetu) napisati pregledni rad o proizvodnji, svojstvima i upotrebi elika.
U radu istaknuti utjecaj legirnih elemenata na svojstva elika, obraditi razliite vrste
elika s obzirom na njihove karakteristike i podruja primjena, prikazati
najznaajnije naine spajanja elinih konstrukcija, ponašanje razliitih vrsta elika u
korozijskim sredinama kao i mogunost zaštite elinih konstrukcija od korozije. Na
kraju obraditi mogunost recikliranja elika u cilju smanjenja troškova proizvodnje
elika, smanjenja koliine otpada te ouvanja okoliša.
SAETAK
elik ima iznimnu vanost za svako nacionalno gospodarstvo. Jedno od mjerila
industrijskog razvoja drave je proizvodnja odnosno potrošnja elika.1Proizvodnja i
potrošnja betona i materijala na bazi eljeza (elika i eljeznih ljevova) dominiraju u
odnosu na druge grupe tehnikih materijala. Smatra se da e materijali na bazi
eljeza koliinski i u bliskoj budunosti zauzimati najvei udio meu metalnim
materijalima.2 elici prekrivanju gotovo sva podruja primjene u kojima se
postavljaju zahtjevi vrstoe i ilavost. Spektar svojstava rasprostire se od mekih i
oblikovanih nelegiranim i niskolegiranih jeftinih elika. Preko visokovrstih i ilavih
pa do tvrdih i na trošenje otpornih elika.3
U radu je dan pregled postupaka dobivanja elika, utjecaj legirnih elemenata na
svojstva elika, obraene su razliite vrste elika s obzirom na njihove karakteristike
i podruja primjena, naini spajanja elinih konstrukcija, ponašanje razliitih vrsta
elika u korozijskim sredinama kao i mogunost zaštite elinih konstrukcija od
korozije, te mogunost recikliranja elika u cilju smanjenja troškova proizvodnje
elika, smanjenja koliine otpada te ouvanja okoliša.
Klju ne rijei: elik, legirni elementi, spajanje metala, korozija, recikliranje
ABSTRACT
Steel is of utmost importance for each national economy. One of the benchmarks of
industrial development of the country is production and consumption of steel.1 Production
and consumption of concrete and ferrous materials (steel and cast iron) dominate over
other groups of technical materials. It is believed that the iron materials well hold the
largest share among metal materials.2 Steels overlap almost all areas of application in
where requirements of strength and toughness are essential. The spectrum of properties
stretches from soft and shaped non-alloy steel and low alloy cheap steel, through high-
strength and tough to the hard and wear resistant steel.3 This paper presents an overview of
methods for producing steel, the influence of alloying elements on the properties of steel,
different types of steel with respect to their characteristics and fields of application,
methods of joining of steel structures, the behavior of different types of steel in corrosive
environments and the ability to protect steel structures against corrosion and finally
recyclability of steel in order to reduce costs of steel production, waste reduction and
environmental protection.
SADRAJ
1. UVOD 1 2. METALI 2 2.1. eljezni materijali - elici 3 2.1.1 Podjela elika 3 2.1.2. Dobivanje elika 5 2.2. Mikrostruktura elika 9 2.2.1. Fazne transformacije elika 9 2.2.2 Kemijski sastav elika 12 2.2.3. Utjecaj legiranih elemenata u eliku 13 2.4. Upotreba elika 18 2.4.1. Konstrukcijski elik 19 2.4.1.1. Ugljini (nelegirani) konstrukcijski elik 20 2.4.1.2. Ugljini legirani konstrukcijski elici 22 2.4.2. Alatni elik 26 2.4.3. Posebni elici 28 2.4.3.1. Korozijski postojani (nehrajui) elici 28 2.4.3.2. Feritni nehrajui elici 30 2.4.3.3. Austenitni nehrajui elici 31 2.4.3.4. Austenitno-feritni (dupleks) nehrajui elici 33 2.4.3.5. Superdupleks elici 34 2.4.3.6. Martenzitni nehrajui elici 34 2.4.3.7. elici otporni na trošenje 35 2.4.3.8. elici za rad pri povišenim i visokim temperaturama 35 2.4.3.9. elici za rad pri niskim temperaturama 35 2.4.3.10. Visokovrsti elici 36 2.5. Korozija metala 37 2.5.1. Korozija elika 37 2.5.2. Metode zaštite od korozije elinih konstrukcija 41 2.6. Spajanje elinih konstrukcija 45 2.6.1. Spajanje elika zavarivanjem 45 2.6.2. Spajanje zakovicama 49 2.6.3. Spajanje vijcima 50 2.7. Recikliranje i mogunosti ponovne upotrebe elika 51 3. ZAKLJUAK 53 4. LITERATURA 54
1
otkrivanjem, proizvodnjom, preradom i primjenom razliitih materijala.2 U poetku je
ovjek uzimao materijale iz prirode kao što su: drvo, kamen, glina, koa dlaka, kosti i
oblikovao ih primitivnim postupcima (brušenjem, bušenjem, rezanjem, lomljenjem)u orue
i oruje, te ostale predmete koje je mogao upotrijebiti u svakodnevnici. Pri tome su bile
odluujue vještine pojedinaca. Kasnije su na osnovi iskustva proizvedeni prvi tehniki
materijali poput bronce, eljeznih ljevova i nelegiranih elika, cementa. Tek se u novijoj
povijesti, koristei kvantitativna znanja iz matematike, fizike (mehanike, termodinamike,
hidromehanike) i kemije, otkrivaju postupci dobivanja suvremenijih materijala npr.
legiranih elika, aluminijskih legura, polimernih materijala.2 Suvremeni razvoj materijala
obiljeen je primjenom znanstvenih postupaka iz razliitih disciplina, kvantitativnih
metoda i raunala. Tako su npr. pojedini elici razvijeni pomou znanstvenih istraivanja.
elici su u današnjici najvaniji tehniki materijal u proizvodnji i primjeni. elici se,
nakon lijevanja taline odreenog sastava u kalupe oblikuju postupcima deformiranja
(prešanjem, valjanjem, kovanjem i sl.) u eljeni oblik proizvoda (limovi, trake, šipke, cijevi
itd.). Vanost elika u razvoju civilizacije oituje se u injenici da je trenutna godišnja
koliina proizvedenog elika u svijetu oko deset puta vea od ukupne proizvedene koliine
svih ostalih metala i legura. Godišnje se u svijetu proizvede više od milijardu tona elika.2
Osnova za veliku upotrebu elika je mogunost djelovanja na njegova svojstva
interesantna za upotrebu kao i mogunost njihovog prilagoavanja specijalnim zahtjevima.
Zbog ekonominog naina proizvodnje (u odnosu na druge metalne materijale) i povoljnih
svojstava elik moe posluiti za raznovrsnu primjenu. elik se kao materijal koristi u
svim granama industrije, prometu, graevinarstvu, poljoprivredi, obrtništvu kao i svim
drugim djelatnostima.
U kemiji se pod metalima podrazumijevaju kemijski elementi lijevog dijela periodnog
sustava, koji lako otpuštaju elektrone te formiraju metalne kristalne rešetke i katione u
spojevima ionskog tipa. Pod metalima se podrazumijevaju: 1. jednokomponentni metali, s
prisutnim prateim elementima i neistoama, te 2. višekomponentne legure – smjese s
dominantnim udjelima dva ili više metala.
Slika 1. Primjeri istih metala i njihovih legura4
Metali se dobivaju iz ruda (kemijski spojevi s nemetalima) metalurškim postupcima. U
pravilu se dobivanje metala iz ruda odvija u sljedeim koracima:5
Slika 2. Dobivanje metala iz ruda
Metali imaju visoka tališta i vrelišta. Dobri su vodii elektrine struje i topline. vrsti su,
plastini, tvrdi i ilavi. Metalni komadi se lako oblikuju u proizvode razliitim tehnološkim
postupcima kao što su lijevanje, plastina deformacija i spajanje. Uglavnom su postojani u
organskim sredinama (ulja, alkoholi), ali ne i u anorganskim sredinama (voda, vodene
otopine). Lako se dobavljaju u obliku razliitih poluproizvoda (limovi, trake, šipke, cijevi,
specijalni profili), jeftini su i lako se recikliraju.5 Pogodnim izmjenama sastava i strukture,
metali se mogu u širokom opsegu prilagoditi potrebama, npr. granica plastine deformacije
kemijski istog eljeza je oko Re = 10 N/mm2 , a legiranjem sa samo 0,8 % ugljika i
pogodnom toplinskom obradom ona se pomie sve do oko Re = 2.000 N/mm2.5 Prema
osnovnom metalu (komponenta s najveim udjelom), razlikuju se eljezni i neeljezni
materijali. eljezni materijali posjeduju brojna pogodna svojstva kao što su: visoka
temperatura vrelišta, velika vrstoa, toplinska i elektrina vodljivost, lako legiranje
mjed
aluminij
3
(s elementima kao što su Cu, Co, Ni, Cr), lako lijevanje i zavarivanje, dok su im krhkost
pri niskim temperaturama, velika gustoa nepogodna svojstva.
2.1. eljezni materijali – elici
Prema Europskoj normi EN 10 027-1 nelegirani eljezni metali dijele se na ugljine elike
s < 2 % ugljika i na eljezne lijevove s 2 % ugljika.6 Radi poboljšanja svojstava
ugljinog elika i eljeznih lijevova provodi se legiranje s kromom, niklom, manganom,
molibdenom, silicijem, aluminijem itd.
Pojam elik se tokom vremena znatno transformirao, pa je zato korisno spomenuti
današnju definiciju prema europskoj normi EN 10020:20007 „elik je materijal iji je
maseni udio eljeza vei od pojedinanih masenih udjela ostalih elemenata, pri emu je
sadraj ugljika manji od 2 %, te sadri i druge elemente“. Svojstva elika u znatnoj mjeri
odreuje ugljik kao njegov glavni sastojak. Stoga se elik moe definirati kao eljezna
slitina s najviše 2 % masenog udjela ugljika i nizom drugih elemenata
(mangan,krom,silicij, itd.). Primjese u eliku mogu biti korisne (npr.
krom,nikal,molibiden) i štetne (npr. sumpor,fosfor). elik sadri oligoelemente
(bakar,kositar,arsen itd.) i plinove (dušik,kisik,vodik) koji uglavnom pogoršavaju njegova
svojstva. elici su u današnjici najvaniji tehniki materijal u proizvodnji i primjeni. elici
se, nakon lijevanja taline odreenog sastava u kalupe oblikuju postupcima deformiranja
(prešanjem, valjanjem, kovanjem i sl.) u eljeni oblik proizvoda (limovi,trake,šipke,cijevi,
itd.). Osnova za veliku upotrebu elika je mogunost djelovanja na njegova svojstva
zanimljiva za upotrebu i mogunost njihovog prilagoavanja specijalnim zahtjevima.
2.1.2. Podjela elika
Podjela elika u grupe mogue je izvesti na više naina. To su:8
a) prema nainu proizvodnje
b) prema kemijskom sastavu
o Bessemerov elik
o Thomasov elik
o Siemens-Martinov elik
o Elektro elik
o elik dobiven sekundarnom metalurškom obradom(vakumiranje,AOD,CLU
itd.).
o zajamenog ili nezajamenog izgleda
o ugljini(nelegirani) ili legirani – jednostruko ili višestruko, niskolegirani ili
visokolegirani
o prema vrsti legirnih elemenata razlikujemo Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V-elike ili
Cr-Ni, Cr-No, Cr-Mn, Si-Mn elike i sl.
c) Prema mikrostrukturi elici mogu biti:
o feritni
o feritno-perlitni
o martenzitni
o austenitni
o ledeburitni
o bainitni
o austenitno-feritni.
o osnovne
o kvalitetne
o plemenite.
o konstrukcijske
o alatne
3).
5
2.1.3. Dobivanje elika
Najvanije rudae eljeza su magnetit (Fe3O4), hematit (Fe2O3), limonit (FeO(OH)) i
siderit (FeCO3). 10 Ali, rudae eljeza nisu isti oksidi eljeza (kako je prikazano kemijskim
oznakama), ve su pomiješani s oksidima i sulfidima drugih elemenata (Mn, Ti, P, V, Cu,
Cr, As, Sb, S) i s jalovinom (SiO2, Al2O3, CaO, MgO, BaO). Prema tome, rudae eljeza se
moraju pripremiti za metaluršku preradu, kemijski ili fizikalno, što je zadatak postupaka
pripreme rudae.
Redukcijom oksida eljeza s koksom, odnosno ugljik(II) oksidom dobiva se sirovo
eljezo.10 Postupak dobivanja sirovog eljeza odvija se u visokoj pei, koja je prikazana na
slici 4:
6
Slika 4. Shematski prikaz poprenog presjeka i temperaturni profil visoke pei.1
Na vrhu pei (tzv. grotlu) nalazi se dvostruko zvono koje omoguuje ubacivanje materijala
u pe bez izlaska plinova. Promjer pei proširuje se prema dole kako bi se kompenzirao
porast volumena materijala porastom temperature. Na dnu pei skuplja se rastaljeno
eljezo i troska. Pe se naizmjenino puni slojevima koksa i rude s dodacima. Pri dnu pei
izgara koks sa zrakom pri emu nastaje ugljik(IV) oksid, koji u reakciji s koksom daje
ugljik(II) oksid:
2(g)2(g)(s) COOC →+ (1)
( )g(s)2(g) 2COCCO →+ (2)
Ugljik(II) oksid je glavno redukcijsko sredstvo, a oksidi eljeza reduciraju se,
najvjerojatnije postupno, ovisno o temperaturi pojedinih zona pei. Pri vrhu pei redukcija
najvjerojatnije ide do Fe3O4:
2(g)(s)(g)4(s)3 CO3FeOCOOFe +→+ (4)
2(g)(s)(g)(s) COFeCOFeO +→+ (5)
Reducirano eljezo otapa odreene koliine ugljika, što je zapravo višak redukcijskog rada
kojim mu se u ovisnosti o sadraju ugljika, sniava talište, otapa dio prateih elemenata
(Mn i Si) i neistoa (P i S).
Sekundarne reakcije kod proizvodnje sirovog eljeza su raspad karbonata i nastajanje
troske. Izluivanje CO2 iz FeCO3 i MgCO3 odvija se kod temperatura oko 800 ºC. Kod
temperatura 1500 – 1600 ºC apsorpcijom spojeva eljeza, mangana, magnezija, aluminija i
drugih metala nastaje tekua troska.1
Proizvod visoke pei je „sirovo eljezo“ koje sadri 92-95% Fe, a ostatak su pratei
elementi (Si, Mn, P, S i C). Prema sadraju silicija u sirovom eljezu, razlikujemo bijelo i
sivo sirovo eljezo. Sivo sirovo eljezo sadri dosta silicija (više od 2%) i vrlo malo
mangana (manje od 1%), dok bijelo sirovo eljezo sadri manje od 1% silicija i više od 2%
mangana.1
Sirovo eljezo se ne moe oblikovati (kovati ili lijevati) i predstavlja poluproizvod koji se
daljnjim postupcima dovodi do eljenog produkta (lijevanog eljeza ili elika), a uzrok
tome je visok udio ugljika (3-4%).
Od ukupne proizvodnje sirovog eljeza oko 90% se prerauje u elik, a ostalih 10 % u
ljevove.
Bijelo sirovo eljezo se dalje prerauje oksidacijskim proišavanjem u elik koji se
daljnjim postupcima moe oblikovati u finalne poluproizvode. Oksidacijsko proišavanje
je uklanjanje ugljika iz sirovog eljeza do sadraja ispod 2 % C, a vrši se tako da ugljik,
koji je otopljen u eljezu, reagira s kisikom koji se tokom procesa dovodi u eljezo. Stvara
se plin CO koji napušta rastaljeni metal uzrokujui vrlo vaan fizikalni proces, kuhanje
taline, koje ukljuuje prijenos tvari i energije. Istodobno se uklanjaju i nepoeljni elementi
fosfor i sumpor, a odvija se odplinjavanje (uklanjanje N2 i H2 što je posljedica izlaganja
8
visokim temperaturama). Na kraju se provodi proces kojim se uklanja višak otopljenog
kisika, koji je sluio za oksidaciju ugljika u tekuem eljezu (dezoksidacija elika).
Agregati za proizvodnju elika imaju razliit oblik prilagoen prirodi tehnološkog procesa.
Najprije su to konvertori u koje se tehniki isti kisik (99,5%) dovodi odozgo kroz vodom
hlaenu cijev u rastaljeno eljezo (LD/LDAC-postupci) ili odozdo kroz sapnice dna,
zajedno s plinom za hlaenje sapnica (metan, propan) – (OBM/LWS postupci) (slika 5 a) i
b)). Kombinirano propuhivanje (slika 5 c)) vrši se propuhivanjem odozgo i odozdo u
kisikovom konverteru. Ovaj se postupak, uz ekonomske prednosti, odlikuje još i višom
metalurškom fleksibilnošu i brim pribliavanjem fizikalno – kemijskim ravnoteama.
a) b) c)
Slika 5. Konvertori za proizvodnju elika s propuhivanjem kisika odozgo a), odozdo b)
i kombinirano c)1
Postoji i obrada u plamenoj pei u kojoj oksidirajua atmosfera preko troske oksidacijski
proišava talinu te elektro pei namijenjene uglavnom za preradu vrstog uloška (elini
otpad, ferolegure) u elik.
Proizvedeni elik se prerauje u finalni proizvod. Ako propisi kvalitete to zahtijevaju,
tekui elik se moe podvri drugostupanjskoj obradi, koju nazivamo još i sekundarna
metalurgija (vakuumska obrada, propuhivanje inertnim plinovima itd). Time se postie
homogeniziranje taline, odstranjivanje vodika, visoki stupanj dezoksidacije, uklanjanje
ugljika do ekstremno niskih vrijednosti ugljika manjih od 0,02% itd. Posljednji korak u
dobivanju elika je njegovo skruivanje u kristalizatorima odnosno kokilama (ingoti), što
ima velik utjecaj na svojstva elika.
9
Fazne transformacije i stabilnost faza nehrajuih elika opisuju se ravnotenim faznim
dijagramima (Fe-Cr dijagramom, Fe- C dijagramom i Fe-Cr-Ni dijagramom). Informacije
dobivene iz faznih dijagrama pomau pri odreivanju mikrostrukture ali ih treba uzeti s
odreenom rezervom zbog prisutnih razlika u kemijskom sastavu i uvjetima ohlaivanja.
Neka ogranienja klasinih faznih dijagrama mogue je otkloniti primjenom monih
raunalnih paketa (ThermoCalc) koji uz pomo termodinamikih informacija konstruiraju
fazne dijagrame za tono definirane legirne sustave. Dijagram eljezo-ugljik jedan je od
najvanijih dijagrama u tehnikoj praksi. Legure Fe-C kristaliziraju prema dijagramu
stanja koji ima peritektiki, eutektiki i eutektoidni dio, (slika 6).11 eljezo je magnetino,
sivo-bijele boje, duktilno, mekano i srednje vrstoe. Stabilna kristalizacija istih Fe-C
legura moe nastupiti samo kod ekstremno sporog hlaenja. Ovisno o temperaturi i
sastavu, atomi ugljika u tom sluaju ulaze u rešetku eljeza tvorei tako intersticijske
kristale mješance (alfa,gama, ...) ili kristale grafita.
U mikrostrukturi elika mogu se javiti sljedee faze i konstituenti (slika 6):
- ferit
- austenit
- cementit
- perlit
- ledeburit
- bainit
- martenzit.
10
δ-Ferit ( -Fe )
-Fe predstavlja krutu otopinu ugljika u prostorno centriranoj kubinoj rešetci (BCC)
eljeza, nemagnetian je, te se javlja odmah nakon skruivanja. Njegova maksimalna
topljivost ugljika iznosi 0,09% C pri ~1456oC.9
Austenit ( -Fe)
predstavlja intersticijsku krutu otopinu ugljika u površinski centriranoj kubinoj
rešetci (FCC) eljeza. Maksimalna topljivost ugljika u gama-Fe iznosi 2,06% pri 1147 oC.
Nestabilan je na sobnoj temperaturi, ali se moe pod odreenim uvjetima dobiti i na sobnoj
temperaturi. Tvrdoa austenita je 170-220 HB te je vrlo ilav. Austenit ima najmanji
specifini volumen u odnosu na sve mikrostrukturne faze elika.9
11
-Fe predstavlja intersticijsku krutu otopinu ugljika u prostorno centriranoj kubinoj
rešetci (BCC) eljeza. Maksimalna topljivost ugljika u α-Fe iznosi 0,025% pri 723 oC i
samo 0,008% na sobnoj temperaturi. To je najmekša faza gdje je tvrdoa svega 60 HB.9
Cementit (Fe3C)
Cementit je meta stabilan intersticijski spoj koji sadri 6,67 mas.% ugljika, tvrd i krhak
eljezni karbid tvrdoe oko 800 HV koji ako je pravilno rasprostranjen doprinosi porastu
vrstoe elika.9
Perlit
Perlit je eutektoidna smjesa ferita i cementita koja sadri 0,8% ugljika, te nastaje pri 723 oC vrlo polaganim hlaenjem. Lamelarna struktura perlita sastoji se od bijele feritne
osnove ili matrice (koja ini veinu eutektoidne mješavine) i tankih ploica cementita.9
Ledeburit
Ledeburit je eutektina mješavina austenita i cementita koja sadi 4,3 % ugljika te nastaje
kod 1147 oC.
Bainit
Kada se elik hladi brzinom izmeu gornje i donje kritine brzine hlaenja na niim
temperaturama (izmeu temperature stvaranja perlita i martenzita) tada se dobiva struktura
sastavljena od ferita i cementita, ali razliita od perlita. Ta je meustruktura nazvana bainit.
Brzina difuzije atoma ugljika na ovoj temperaturi je jako mala da se atomi ugljika ne mogu
pomicati na vee udaljenosti i stvoriti lamele cementita. Zbog toga se umjesto lamela ferita
i cementita stvaraju samo lamele ferita na ijim se granicama izdvaja cementit u obliku
sitnih, kuglastih estica.
(BCT). Nastaje kada se elik austenitne mikrostrukture ohladi na odreenu, dovoljno nisku
temperaturu (Ms- temperatura poetka stvaranja martenzita; Mr- temperatura završetka
stvaranja martenzita) donjom kritinom brzinom hlaenja. U mikrostrukturi takvog tzv.
12
kaljenog elika, martenzit se javlja u obliku nakupina igliastih kristala, koji se sijeku pod
odreenim kutovima. Pretvorba je bez difuzije, zavisna samo o temperaturi, a ne i o
vremenu (atermika reakcija). Nestabilan je, tvrd (728 HB) i krhak, te je odgovoran za
veliku tvrdou kaljenih elika. Martenzit ima najvei specifini volumen u odnosu na sve
mikrostrukturne faze elika.9
Prema kemijskom sastavu elici se mogu podijeliti na:8
o UGLJINI ELIK: to je vrsta elika u kojima odluujui utjecaj na njegova
svojstva ima ugljik, a drugih elemenata ima samo u koliinama koje nemaju bitnog
utjecaja i to: mangan < 0,8% (maseni udio), silicij < 0,6%, nikal < 0,3%, bakar <
0,3%, krom < 0,2%, volfram < 0,1%, molibden < 0,05 %, kobalt < 0,05 %, titan<
0,05% i aluminij < 0,05%.
o LEGIRANI ELIK: to je vrsta elika u kojima odluujui utjecaj na njegova
svojstva imaju legirni elementi, tj. oni kemijski elementi koji se namjerno dodaju
da bi se postigla odreena svojstva. Niskolegirani elici imaju do 5% dodanih
elemenata, a visokolegirani više od 5%.
Slika 7. Ostali elementi u eliku11
0,1 %
2.2.3. Utjecaj legirnih elemenata na svojstva elika
Legirani elementi u eliku se nalaze u malom postotku (3%) i dijele se na poeljne i
nepoeljne pratee legirane elemente. Legirni elementi se dodaju iz slijedeih razloga:12
o poboljšanje vlane vrstoe, bez znatnog snienja duktilnosti
o poveanje vrstoe
o poboljšanje korozijske otpornosti
o poveanje otpornosti na habanje.
Poeljni pratei elementi u eliku su:12,13,14
Ugljik
Budui da je ugljik sastavni dio elika (maksimalno 2%) ne smatra se
legirajuim elementom iako ima najvei utjecaj na svojstva elika. Porastom udjela
ugljika u eliku raste vrstoa i granica razvlaenja, a smanjuje se duktilnost i
ilavost.
Aluminij
Aluminij se zbog visokog kemijskog privlaenja s kisikom koristi kao dezoksidacijsko
sredstvo. Dodatkom aluminija elik postaje manje osjetljiv prema starenju, te se
potpomae stvaranje sitnijeg zrna. Sposobnošu stvaranja nitrida aluminij predstavlja
veoma vaan legirajui element za nitriranje (stvara spoj AlN). Takoer, reakcijom
aluminija s niklom ili titanom mogu nastati intermetalni spojevi Ni3Al i Ni 3Ti.
Bakar
Bakar se rjee koristi kao legirajui element jer se pri visokim temperaturama
nakuplja ispod površinskog sloja ogorine te uzrokuje površinsku osjetljivost tijekom
kovanja ili valjanja (tzv. crveni lom). Dodatkom bakra moe se povisiti omjer granica
razvlaenja/vlana vrstoa, a ukoliko ga ima iznad 0,4% tada omoguava
precipitacijsko ovršivanje. U kotlovskim limovima iz nelegiranih elika bakar u sadraju
do ≈0,35% povisuje postojanost prema atmosferskoj koroziji. Bakar moe pozitivno
djelovati napostojanost prema djelovanju razliitih kiselina ukoliko mu sadraj ne prelazi
1% (npr. viskolegirani elici otporni na kiseline).
14
Bor
(povišenje granice razvlaenja i vlane vrstoe), ali sniava otpornost prema opoj
koroziji. Dodatkom bora se s jedne strane poboljšava prokaljivost nisko i srednje ugljinih
elika, ali s druge strane pogoršava se njihova zavarljivost.
Kobalt
Kobalt ne stvara karbide ali utjee na sprjeavanje rasta zrna pri visokim
temperaturama. Zbog poboljšavanja vlane vrstoe i postojanosti na popuštanje pri
povišenim temperaturama kobalt se dodaje brzoreznim, alatnim i konstrukcijskim
elicima koji su namijenjeni za rad pri povišenim temperaturama. Nepoeljan je uelicima
zadijelove nuklearnih energetskih postrojenja jer stvara radioaktivan izotopCo-60.
Krom
Ovo je jedan od najvanijih legirnih elemenata elika koji nehrajuim elicima daje
visoku korozijsku otpornost. Sve vrste nehrajuih elika sadre minimalno 10,5 % kroma,
a korozijska otpornost raste poveanjem sadraja kroma. Krom takoer poveava otpornost
prema oksidaciji elika na visokim temperaturama i promovira feritnu mikrostrukturu.
Krom poveava prokaljivost elika. Zbog kemijskog privlaenja s ugljikom ima
sposobnost stvaranja karbida, te se koristi kod izrade reznih alata. Karbidi kroma
poveavaju otpornost na trošenje ime se poveava izdrljivost i trajnost oštrice
proizvedenog alata. Legiranje kromom utjee na sklonost pojavi krhkosti nakon
popuštanja, ali se to moe izbjei dodatnim legiranjem s molibdenom.
Mangan
proizvodnje elika. Zbog velikog afiniteta prema sumporu mangan stvara sulfid MnS
ime se sprjeava negativno djelovanje sulfida FeS. Legiranjem s manganom poveava se
prokaljivost elika, a u nezakaljenim elicima poboljšava se vrstoa i ilavost. Dodatak
svakih 1%mangana moe dovesti do povišenja granice razvlaenja konstrukcijskih elika
zaoko 100 N/mm2. elici poprimaju austenitnu mikrostrukturu, neovisno o sadraju
ugljika, ukoliko je sadraj mangana vei od 12%.
15
Molibden
poveava se prokaljivost i vrstoa elika, a sprjeava pojava visoko temperaturne krhkosti
popuštanja. Iz tog razloga, konstrukcijski elici sadreod 0,2 do 5% molibdena. Molibden
je karbidotvorac pa utjee na sitno zrnatost elika ina otpornost na trošenje (npr. brzorezni
elici). U kombinaciji s kromom molibden poveava otpornost elika prema opoj i
jamiastoj koroziji.
Nikal
Nikal kao legirajui element proširuje podruje austenita, te zbog vrlo slabog
afiniteta prema ugljiku ne stvara karbide. Legiranjem s niklom moe se povisiti
ilavost konstrukcijskih elika kao i korozijska postojanost (uz minimalni dodatak 12%
kroma). U precipitacijski ovrsnutim (PH) elicima nikal stvara intermetalne spojeve
Ni3Ti i/ili Ni 3Al. Zbog ekonomskih razloga (visoka cijena) nikal se gotovo uvijek legira
u kombinaciji s drugim legirajuim elementima.
Niobij i Tantal
Niobij i Tantal zbog identinog djelovanja na svojstva dolaze skoro uvijek
zajedno kao legirajui elementi u eliku. Budui su izrazito jaki karbidotvorci
uglavnom se primjenjuju za stabilizaciju elika postojanih na djelovanje kiselina.
Niobij pored karbida moe stvarati nitride i karbonitride, potpomagati nastanak
sitnijeg zrna u eliku i olakšavati precipitacijsko ovršivanje. Kao legirajui element
niobij se dodaje sili bez dodatka vanadija u zavarljive sitnozrnate elike povišene
granice razvlaenja i vrstoe (HSLA elici) te u neke ultra-vrste PH-elike.
Olovo
Olovo se koristi kao legirajui element kod elika za obradu odvajanjem
estica na automatima jer pozitivno utjee na lomljenje strugotine i postizanje iste
obraene površine. Ispitivanja Tehovnika i suradnika su pokazala da se olovo segregira na
granicama zrna prilikom skruivanja taline i na tim se mjestima mogu pojaviti pukotine za
vrijeme tople deformacije elika.15
Silicij
Silicij se esto koristi kao sredstvo za dezoksidaciju, te kao legirajui element
koji povisuje vrstou, otpornost prema trošenju i granicu razvlaenja (npr. elici za
16
izradu opruga). Budui da silicij izrazito povisuje otpornost prema djelovanju topline
neizbjean je legirajui element koji se dodaje vatrootpornim elicima (do 2,5%).
Titan
Titan zbog svog izraenog afiniteta prema kisiku, dušiku, sumporu i ugljiku
djeluje izrazito dezoksidirajue, denitrirajue i desulfurirajue. Vezanjem s ugljikom
titan stvara vrlo stabilan karbid TiC pa se zajedno s niobijem i tantalom primjenjuje za
stabilizaciju nehrajuih elika. Ukoliko se nalazi u veim udjelima moe djelovati na
precipitacijsko ovršivanje stvaranjem intermetalnih spojeva Ni3Ti ili Ni 3(Ti,Al).
El-Faramawy i suradnici su utvrdili da dodatak malih koliina titana u tijeku proizvodnje
ugljinih elika dovodi do smanjenja veliine zrna, poveanja odnosa ferit/perlit a takoer i
do snienja završne temperature taljenja, što ima povoljan utjecaj na vrstou elika.16
Vanadij
primarnog austenitnog zrna. Budui je vanadij jaki karbidotvorac i nitridotvorac u
udjelima iznad 0,4 povisuje otpornost na trošenje stvaranjem stabilnog karbida VC
ili V 4C3. Sposobnost stvaranja karbida VC ili V4C3 iskorištena je pri proizvodnji
brzoreznih elika, te alatnih i konstrukcijskih elika namijenjenih za rad pri povišenim
temperaturama.
Volfram
Volfram kao legirajui element pripada skupini karbidotvoraca. Legiranjem
elika volframom sprjeava se rast zrna, a time se posredno utjee i na povišenje
ilavosti elika. Budui da stvara karbide izrazito otporne na trošenje volfram
predstavlja nuni legirajui element za brzorezne elike.
Nepoeljni elementi u eliku su:
Kisik
Kod niskougljinih elika esto je povišen maseni udio kisika što dovodi do
pojave oksida eljeza (FeO). Prisutnost oksida FeO, kao i sulfida FeS, dovodi do
pojave „crvenog loma“. Kisik poveava sklonost starenju elika. Ovisno o raspodjeli i
sadraju kisik moe utjecati i na smanjenje ilavosti elika. Kisik se iz taline moe
ukloniti dezoksidacijom elika pri emu nastaje Al2O3 i SiO2.
17
Sumpor
U ovisnosti od naina proizvodnje u elicima uvijek ostaje 0,005 do 0,006%.
Sumpor je glavni element odgovoran za pojavu segregacija (sulfida) u eliku. Sulfid
eljeza (FeS) uzrokuje pojavu „crvenog“ i „bijelog loma“ (nastaje pri poetnim
temperaturama valjanja ili kovanja). Budui da talište sulfida FeS iznosi 985 °C, a
topla prerada se provodi na temperaturi iznad 1000 °C, rastaljivanjem FeS dolazi do
pojave „crvenog loma“ i smanjenja ilavosti. Zbog toga se elici s višim sadrajem
sumpora ne mogu deformirati u toplom stanju. Štetan utjecaj FeS uklanja se
dodatkom mangana i stvaranjem sulfida MnS koji ima znatno višu temperaturu
taljenja (1610 °C) od temperature tople prerade elika. Sumpor se namjerno dodaje u
sluaju elika namijenjenih obradi odvajanjem estica na automatima. Razlog
dodavanja sumpora takvim elicima je taj što on sniava trenje izmeu predmeta i
alatne oštrice te omoguava lakše lomljenje strugotine.
Vodik
Vodik predstavlja nepoeljan (štetan) element u eliku. Vodik pripada skupini
elemenata s najmanjim promjerom atoma pa je brzina difuzije vodika u eljezu vrlo
visoka, tj. viša od brzine difuzije ugljika. Štetnost vodika se oituje u tome što on
sniava ilavost, a da pri tome ne raste vrstoa i granica razvlaenja. Ukoliko prodre
u elik vodik dovodi do razugljienja površine elinog proizvoda, te razara stabilne
karbide (npr. Fe3C stvarajui metan CH4) i metalnu vezu izmeu kristalnih zrna.
Fosfor
Fosfor je nepoeljna primjesa u eliku, te njegov maseni udio treba biti što je
mogue nii (ispod 0,06%). Fosfor u eliku tijekom skruivanja dovodi do pojave
primarnih segregacija. Izrazito spora difuzija fosfora u eljezu uzrokuje nemogunost
njegove jednolike raspodjele. Nakon prolaska fronte skruivanja primarni dendritni
kristali siromašni su fosforom i legirajuim elementima, dok ostatak taline sadri
fosfor i veinu nemetalnih ukljuaka. Toplim oblikovanjem se dendritna lijevana
mikrostruktura trakasto izduuje. Poznato je da je fosfor uzronik krhkosti elika. Krhkost
elika je izraenija im je prisutan viši sadraj ugljika, te što je viša temperatura
austenitizacije. U iznimnim sluajevima neki elici mogu imati povišen sadraj fosfora radi
poboljšanja rezljivosti (npr. elici za obradu na automatima). Takoer, ponekad se
korozijski postojanim austenitnim elicima moe dodati odreena koliina fosfora (do
18
nepoeljne u elicima jer predstavljaju štetnu nehomogenost strukture.
2.4. UPOTREBA ELIKA
Na slici 8 prikazana je upotreba elika u razliitim podrujima ljudske djelatnosti.17 Podaci
koji se odnose na 2014. godinu pokazuju da se najvei udio proizvedenog elika troši na
sektor graevinarstva i infrastrukture koji „konzumira“ oko 50 % proizvedenog elika. Na
industriju strojeva i automobilsku industriju otpada oko 30 % godišnje proizvodnje elika,
a zatim slijedi proizvodnja razliitih elinih proizvoda, ostalih prijevoznih sredstava, te
elektrine opreme i kuanskih aparata.
Slika 8. Upotreba elika17
o konstrukcijske elike
o alatne elike
-dug vijek trajanja
-srednji vijek trajanja
-kratki vijek trajanja
graevinarstvo i infrastruktura
ostala prijevozna sredstva
kuanski aparati automobilska industrija Industrija strojeva
Industrija strojeva metalni proizvodi
19
dijelova strojeva i ureaja. Naješe slue za izradu vratila, osovina, zupanika,
nosaa opruga, vijaka, poklopaca, ventila, kuišta itd.18Kako su strojni i konstrukcijski
dijelovi u radu izloeni djelovanju sila, visokih ili niskih temperatura, razliitih kemijskih
agensa, potrebno je da imaju dobra mehanika ali i fizikalno-kemijska svojstva. Kako
strojni i konstrukcijski dijelovi imaju odgovarajui oblik, od konstrukcijskih elika se trai
visoka granica razvlaenja, dobra plastina deformabilnost (radi izbjegavanja pojave
krhkog loma), visoka granica puzanja i vrstoa pri povišenim temperaturama te
zadovoljavajuu ilavost.9 S obzirom na mehanika svojstva konstrukcijski elici moraju
imati i dinamiku izdrljivost. Pored toga, konstrukcijski elici moraju biti obradivi
odvajanjem estica (rezanjem), zavarljivi, skloni hladnom oblikovanju (savijanje,
štancanje, duboko vuenje) itd. Openito se konstrukcijski elici mogu podijeliti na
ugljine (nelegirani) i legirane (Tablica 1). Konstrukcijski elici (nelegirani i legirani koji
sadre C < 0,60%)esto se primjenjuju za izradu strojeva i ureaja koji rade u
neagresivnim sredinama ipri temperaturama od -25 do 300 °C, kao i za nosive i
graevinske konstrukcije.
Uglji ni nelegirani elici
Ope namjene Posebne namjene
• obina kvaliteta • kvalitetni elici
• za graevinarstvo • za brodogradnju i eljeznice • za kotlove i posude pod tlakom • za karoserijske limove • za cijevi, ice, zakivke • za zavarene lance • elici za automate • za elektrotehniku
Legirani elici
• za poboljšanje • za površinsko kaljenje • za cementaciju • za nitriranje
• za opruge • za kotrljajue leajeve • za rad pri niskim temperaturama • za ventile • elici povišene vrstoe (Rp 0,2> 360 MPa) (mikrolegirani)
20
Prema preporuci MIZ-a (Meunarodni institut za zavarivanje), ovi se elici dijele u
skupine osjetljivosti prema krtom lomu. Skupine se oznaavaju slovima A, B, C, D i E uz
postojanje podgrupa ovih skupina.19
Preporuke za izbor pojedinog elika za ove skupine su:
o skupina 0 (bez oznake) - za dijelove izloene slabom statikom optereenju.
o skupina A - za tanje, statiki optereene metalne konstrukcije koje nisu izloene
velikim temperaturnim razlikama i temperaturama niim od -10°C.
o skupina B - za odgovorne konstrukcije gdje ne postoji opasnost od krtog loma, a u
sluaju manje odgovornih konstrukcija za sva optereenja.
o skupina C - za odgovorne komplicirane konstrukcije izloene statikim ili
dinamikim optereenjima, ali ne i niskim temperaturama. Zbog oblika moe biti i
zaostalih naprezanja, koncentracije naprezanja i s tim u vezi opasnosti od krtog loma.
o skupina D - za odgovorne zavarene konstrukcije koje moraju biti sigurne od krtog
loma, npr. konstrukcije s debelim i ukliještenim dijelovima, dijelova s diskontinuitetima,
konstrukcije s jako izraenim prethodnim hladnim deformacijama (iznad 5%), sve
konstrukcije izloene niskim temperaturama (do -30°C), dinamiki optereene konstrukcije
s velikim stupnjem iskorištenja dopuštenog naprezanja, za dijelove iji bilom doveo u
pitanje sigurnost i funkciju cijelog objekta.
o skupina E - za razne odgovorne oblike i druge elemente u strojarstvo kao osovine,
vratila,klipove, zupanike i sl.
Ugljini elici obinog kvaliteta svrstavaju se preteno prema mehanikim
svojstvima te se koriste za slabije optereene dijelove strojeva, ureaja, vozila ili za
šipke i rešetke (npr. elik S185). Svi nelegirani elici obinog kvaliteta primjenjuju
se u sirovom stanju (bez toplinske obradbe).Srednje ugljini elici (0,25-0,60% C) koriste
se uglavnom u normaliziranom stanju, a u poboljšanom stanju slue za dijelove manjih
presjeka.
elici sa 0,5-0,60% ugljika primjenjuju se za dijelove otporne na trošenje, kao npr.
zupanici, puni transporteri, ekscentri, klinovi. Sitni strojni dijelovi izrauju se takoer od
srednje ugljinih elika isporuenih u obliku limova, traka, ica, vuenih ili hladno
valjanih šipki.
21
elici za graevinarstvo uglavnom su meki (niskougljini C <0,25%) elici u
obliku profila, limova, šipki, ica za armirani beton.
Slika 9. Konstrukcija od graevinskog elika20
elici za brodogradnju su u obliku limova i profila od mekog elika (zavarljivog), a za
eljeznicu u obliku posebnih valjanih proizvoda i otkivaka od nisko i srednje ugljinih
elika (kotai, tranice, osovine vagona).
Slika 10. Brodograevni elik ugraen u sekciju broda21
Karoserijski limovi su elici s priblino 0,1% ugljika, visoke istoe (P i S <0,035%),
dobro se izvlae i imaju glatku površinu (npr. elik DC04). elici za ice (0,3-1,0% C)
slue za eline sajle, ice kotaa (npr. kod bicikla), ice kišobrana, iane mree i opruge
najvišeg kvaliteta.
elici za automate (valjane ili vuene šipke – npr. elici 10S20, 45S20) koriste se za izradu
sitnih dijelova poput matica i vijaka na automatskim strojevima. To su ugljini elici s
poveanim sadrajem fosfora (do 0,11%), sumpora (do 0,3%) ili olova (0,35%), što im
daje lako lomljivu isprekidanu strugotinu. Zahvaljujui olovu postie se vea brzina
rezanja i bolja kvaliteta rezane površine.9
22
2.4.1.2. Ugljini legirani konstrukcijski elici Legirani elici za poboljšanje (0,25-0,60% C) mogu biti:
o manganski (1,20-1,60% Mn) – za osovine vratila, Mn-Si za vee zupanike;
o kromovi (1-1,5% Cr-Si) - za jako optereena koljenasta vratila, zupanike;
o krom-molibdenski (1% Cr; 0,2% Mo) - za sitnije ilave dijelove,
o krom-niklovi (0,6-1,5% Cr i 1-3,5% Ni) - zupanici mjenjaa, dijelovi turbina koji
rade na temperaturama do 500 °C.
Za površinsko kaljenje koriste se Cr-Mn i Mn-Si elici sa 0,3-0,5% ugljika. Za
cementaciju upotrebljavaju se elici sa C < 0,25% i legirani sa Cr, Cr-Mn, Cr-Mo i CrNi.
Tako se kromovi elici (npr. elik 15Cr3) koriste za bregaste osovine, osovine
klipova, vretena i drugih dijelova izloenih trošenju. Slino ovome i krom-niklovi i
krom-manganski elici za cementaciju upotrebljavaju se za izradu zupanika
mjenjaa i diferencijala (npr. elici 15CrNi6, 16MnCr5), a krom-molibdenski elici za
bregaste osovine, zupanike, kardanske zglobove (npr. elik 25CrMo4). elici za
nitriranje (npr. 34CrAlNi7, 34CrAlMo5) postiu traenu površinsku tvrdou (900-950
HV) sitno dispergiranim nitridima aluminija, kroma i molibdena, bez naknadne
toplinske obradbe (neophodno je prethodno poboljšanje). Ugljik se ograniava na
0,45% radi sprjeavanja stvaranja karbida kroma i molibdena koji imaju manju
tvrdou nego nitridi. Nitriranju se podvrgavaju cilindri motora i pumpi, zupanici,
kalupi za lijevanje pod pritiskom, alati za prešanje, probijai i sl.
elik za opruge je vrsta konstrukcijskog elika koji ima glavni zahtjev da pod djelovanjem
radnog optereenja postigne traenu elastinu deformaciju.21Poveanje optereenja koje
opruga moe izdrati postie se proširenjem podruja elastinosti, tj. što višom granicom
razvlaenja i granicom elastinosti. Povišenje granice razvlaenja moe se postii
povišenjem masenog udjela ugljika, te legiranjem sa silicijem, manganom, kromom i
vanadijem.
Slika 11. a) Spiralna opruga na nemirnici sata, b) tlana zavojna torzijska opruga22
a) b)
istezljivost te odgovarajuu dinamiku izdrljivost (npr. opruge automobila, odbojnici
vagona, oslonci temelja strojeva). Posebno se za neke primjene trai otpornost na
koroziju i povišene temperature. Traena svojstva postiu se hladnom deformacijom
(valjanje, vuenje) ili toplinskom obradbom. Svojstva elastinosti poboljšava dodatak
0,15-1,8% silicija, a prokaljivost se kod veih presjeka poveava dodacima 1%
mangana ili 1% kroma. Tako se npr. elik 38Si7 primjenjuje za podloške i opruge,
51Si7 za konine vagonske opruge, spiralne vagonske opruge, 67SiCr5 za spiralne
opruge za udarna optereenja, torzione opruge, opruge ventila, 50CrV4 za
najoptereenije opruge vozila.9
elici za kotrljajue leajeve trebaju imati veliku tvrdou i otpornost na
trošenje, sposobnost obradljivosti rezanjem i deformiranjem, dobru prokaljivost uz
minimalnu deformaciju. To su uglavnom kromovi elici s visokim sadrajem ugljika i
najviše istoe (sastava 1% C i 0,50-1,50% Cr). Toplinska obradba se sastoji od
kaljenja sa 850 °C u ulju i niskog popuštanja (160 °C).9 Na slici 12 shematski su prikazane
razliite vrste elinih leajeva.
Slika 12. Leaj a) i b) radijalni klizni, c) kuglini, d) valjkasti; 1. kuište, 2. blazinica, 3. mazivo, 4. prsten za podmazivanje23
elici za rad pri niskim temperaturama sadre nikal ili mangan i nizak sadraj
ugljika (0,10-0,15%). Pri 3 – 5% nikla temperatura prelaska u krhko stanje je oko
-100 °C, a pri 8 – 10% nikla oko -200 °C. Uglavnom slue za izradu transportnih i
stacionarnih rezervoara za suhi led (CO2) ili tekui metan (CH4). Za rad na još niim
temperaturama (npr. za skladištenje i transport tekuih tehnikih plinova) koriste se
austenitni Cr-Ni elici s niskim sadrajem ugljika ili Cr-Mn-Ni-N-elici.
elici za ventile motora spadaju u grupu elika od kojih se zahtjeva dovoljna vrstoa na
visokim temperaturama, otpornost na stvaranje oksidnog sloja, otpornost na koroziju
(posebno prema spojevima olova) i eroziju.24 Od elika za ventile motora takoer se
zahtjeva jednolikost tehnoloških i fizikalnih osobina, otpornost na habanje - posebno na
24
stablu ventila - dobra sposobnost klizanja, dobra vodljivost topline i stabilnost strukture, da
ne bi došlo do promjena dimenzija i smanjenja ilavosti.
Slika 13. Ventil automobilskog motora25
Izlazni ventil je jedan od najoptereenijih djelova motora, kod kojeg temperatura dostie
vrijednosti i do 900°C. Kod ulaznih ventila temperature su nie, do 500°C, optereenje je
manje, pa se oni mogu izraivati od niskolegiranih elika. Meutim, da ne bi došlo do
zamjene ulaznih i izlaznih ventila, u veini sluajeva izrauju se od istog elika, tj. od
elika za izlazne ventile.
o nelegirani i niskolegirani elici za poboljšanje (Mn-Si i Si-elici),
o Cr-Si elik za poboljšanje sa dodatkom elemenata koji grade tvrde karbide (W, Mo,
V),
o feritno-karbidni Cr-Si elik i
o austenitno-karbidni Cr-Ni elik sa dodatkom elemenata koji grade tvrde karbide
(W, Mo, V).
Za manje optereene, ulazne ventile mogu se koristiti i obini elici za poboljšanje, zatezne
vrstoe od 1000 do 1200 MPa (1530, 1730, 3230 i 2331).
Za izlazne ventile se naješe koristi Cr-Si elik 4270.
Ventili koji su jako optereeni, izrauju se šuplji, kako bi se mogli hladiti. U cilju
poveanja otpornosti na koroziju dno ventila se ponekad prevue tankim slojem legure,
koja sadri 20% Cr i 60-80% Ni. Kromiranje ventila poveava otpornost na koroziju.
Standard EN 10090 obuhvaa karakterizaciju elika i legura za ventile motora s
unutarnjim sagorjevanjem.24
elici povišene vrstoe (mikrolegirani elici) razvijeni su posljednjih tridesetak
godina s ciljem da se smanji masa konstrukcije: mostova, brodova, rezervoara,
cisterni, cijevi pod pritiskom i sl.
25
Prva generacija mikrolegiranih konstrukcijskih elika temeljena je na C-Mn
konstrukcijskim elicima sa visokim sadrajem C i Mn, kojima su se dodavali elementi V i
Nb u stotim dijelovima postotka za smanjenje kristalnog zrna i poveanje napona teenja i
vrstoe, ali se pogoršavala ilavost i zavarljivost elika.26 Kod zavarivanja su potrebne
prilino visoke temperature pregrijavanja. Ispitivanja svojstva absorbiranog vodika na tim
elicima u agresivnim medijima, pokazala su lošu otpornost na vodikovu krtost i zbog ega
dolazi do krtih lomova i na inae vrlo ilavim konstrukcijama. Druga generacija
mikrolegiranih konstrukcijskih elika je projektirana tako da se izbjegnu nedostaci prve
generacije. Sadraj ugljika je smanjen sa 0,20% na manje od 0,10%, a u nekim termo
mehaniki valjanim i kontrolirano hlaenim elicima ak ispod 0,05%. Glavni legirajui
elementi su Nb, Mo, Cr, Ni i Ti u minimalnim koliinama. Ponekad se dodaje i B u
tisuitim dijelovima postotka. S intenzivnim usitnjavanjem kristalnog zrna postupkom
termo mehanikog valjanja i ubrzanog kontroliranog hlaenja odmah poslije završetka
valjanja, ili ponekad s konanim poboljšanjem, ovi elici pored visokih vrijednosti granice
razvlaenja i vrstoe, imaju odlinu zavarivost i sposobnost deformacije na hladno.
Ispitivanja utjecaja absorbiranog vodika na tim elicima u agresivnim medijima potvrdila
su dobru otpornost na vodikovu krtost.26
Tehnologija mikrolegiranja omoguila je proizvodnju nove kategorije elika, koji
predstavljaju konvencionalne ugljine elike s minimalnim dodacima legirajuih elemenata
(manje od 0,50%), radi poveanjagranice razvlaenja, vrstoe i tvrdoe. Prvi put je ova
tehnika bila primijenjena na elinim limovima. Znatno kasnije mikrolegiranje je
iskorišteno za proizvodnju šipki da bi se izbjegla toplinska obradba poslije kovanja.
Posebno je vana primjena ovih elika za transportna sredstva gdje smanjenje mase
direktno utjee na mogue optereenje. Trenutno se elici povišene vrstoe isporuuju u
svim standardnim valjanim oblicima kao što su: limovi, trake, ploe, nosai, šipke i
specijalni profili. Zaove elike karakteristina je anizotropija mehanikih svojstava, jer se
obradljivost deformiranjem i vrstoa znatno mijenjaju u odnosu na smjer valjanja.9
26
Alat predstavlja svako sredstvo kojim ovjek olakšava ili omoguava izvršenje eljene
radnje bilo neposredno, snagom ruke, bilo posredno snagom nekog stroja. Upotreba raznih
alata potjee od samih poetaka ljudske civilizacije. Prvi korišteni alati bili su kamena
sjekira, kameni no te svi ostali predmeti koje je ovjek koristio u svakodnevnom ivotu.
Prije 5000 godina zapoinje upotreba alata izraenog od meteoritskog eljeza. Kasnijim
kontaktom u vatri takvog eljeza sa sredstvom za pougljiavanje nastaju prvi alati od
elika. Razvoj modernih industrijskih alata doivljava tehnološku revoluciju u drugoj
polovici 19. stoljea. U tom razvoju najvanije je istaknuti slijedee godine:9
- 1868 g. MUSHET-ov elik (2% C, 7% W, 2,5% Mo),
- 1898 g. TAYLOR-WHITE-ovbrzorezni elik (1,85% C, 3,8% Cr, 8% W),
- 1904 g. J. A. MATHEWS - brzorezni elik s vanadijem,
- 1910 g. razvoj volframovih elika za topli rad,
- 1912 g. dodatak kobalta u alatne elike,
- 1930 g. zapoinje razvoj brzoreznih elika legiranih molibdenom.
Alatni elik je plemeniti ugljini ili legirani elik, s udjelom ugljika od 0,6 % do 2,06 % ili
legirani (uglavnom s kromom, volframom, vanadijem, molibdenom, kobaltom), a koristi se
za izradu alata. Osnovna svojstva koja alatni elici moraju posjedovati su otpornost na
trošenje (martenzitna mikrostruktura s visokim udjelom karbida) i udarna izdrljivost
(ilavost, visoka udarna radnja loma).27 Struna literatura esto navodi i otpornost na
popuštanje kao osnovno svojstvo, ali prema nekim autorima to ipak pripada posebnim
zahtjevima prema alatnim elicima za rad pri povišenim temperaturama (> 200 °C).28
Slika 14. Razliita vrsta alata izraenog od alatnog elika27
Proizvodni (ekonomski) zahtjevi i svojstva prema alatnim elicima su: mogunost obrade
alata odvajanjem estica, visoka zakaljivost, visoka prokaljivost, zanemariva sklonost
pogrubljenju kristalnih zrna prilikom austenitizacije, neznatna promjena dimenzija tijekom
27
rada, sigurnost s obzirom na pojavu pukotina i lomova tijekom toplinske obrade, neznatna
sklonost razugljienju tijekom toplinske obrade, otpornost na koroziju, mogunost
poliranja, ekonominost itd.
Alatni elici se primjenjuju u toplinski obraenom stanju (kaljenje i popuštanje).Zbog
traenih svojstava i potrebe zakaljivanja i prokaljivanja alatni elici u
pravilu imaju vei udio ugljika (>0,6%) nego konstrukcijski elici. Uglavnom se
isporuuju u toplovaljanom, hladnovuenom, kovanom ili lijevanom stanju u obliku
šipki, traka ili ploa. S obzirom na kemijski sastav alatni elici mogu biti:9
- nelegirani,
- niskolegirani,
- visokolegirani.
Prema radnoj temperaturi i uvjetima primjene alatni elici se dijele na:
a) alatne elike za hladni rad (<200 °C),
b) alatne elike za topli rad (>200 °C),
c) brzorezne elike.
Na slici 15 dana je podjela alata i alatnih elika kao i osnovni zahtjevi koje moraju ispuniti:
Slika 15. Osnovna podjela alatnih elika9
28
2.4.3. Posebni elici
Posebni elici se prema svojim svojstvima i primjeni mogu podijeliti na:9
o korozijski postojane (nehrajue) elike o feritne nehrajue elike o austenitne nehrajue elike o austenitno-feritne (dupleks) nehrajue elike o martenzitne nehrajue elike o elike otporne na trošenje o elike za rad pri povišenim i visokim temperaturama o elike za rad pri niskim temperaturama o visokovrste elike.
2.4.3.1. Korozijski postojani (nehrajui) elici
Nehrajui elici su razvijeni poetkom 20. stoljea. Nehrajui elik je visokolegirani
elik kod kojeg je krom glavni legirajui element. Nehrajui elici sadravaju minimalno
11,7 % kroma, a njegov udio u nehrajuem eliku moe biti i do 30 %, dok sadraj
ugljika u eliku mora biti manji od 0,2 %.29 Poveanje njegova udjela poveava vrstou i
granicu razvlaenja elika, a smanjuje duktilnost, meutim negativna karakteristika
poveanja udjela ugljika je nastajanje karbida kroma, uslijed ega se u okolnom podruju
smanjuje udio kroma u eliku i time narušava pasivacija i poveava osjetljivost na
lokaliziranu koroziju.30 Razliiti dodaci legirajuih elemenata utjeu na mikrostrukturu,
mehanika i korozijska svojstva nehrajuih elika. Utjecaj legirajuih elemenata na
strukturu nehrajuih elika moe se vidjeti iz Schaefflerovog dijagrama koji je prikazan
na slici 16.
29
Anton Schaffler je 1949. godine objavio istraivanje pod naslovom „Constitution diagram
for stainless steel weld metal“, u kojem je povezao udio feritne odnosno austenitne faze s
kemijskim sastavom. Osnovna podjela podruja Schaefflerovog dijagrama napravljena je
ovisno o karakteristinim strukturama pojedinih skupina visokolegiranih nehrajuih
elika, odnosno austenitu, feritnu i martenzitnu strukturu i njihove meusobne
kombinacije. Ucrtane su još i linije koje oznaavaju postotak ferita u eliku odnosno
metalu zavara.
Dijagram je temeljen na spoznaji da se legirajui elementi mogu podijeliti na one koji
proširuju podruje ferita (ili austenita, pa tako dodatak pojedinih elemenata favorizira
nastajanje ferita (Cr, Si, Al, Mo, Ni, Ti, V) ili austenita (Ni, Mn, Cu, N) u strukturi.
Schaffler je pri tome odredio ekvivalente kroma i nikla (CrE i NiE) pomou kojih se
prikazuje djelovanje feritotvornih odnosno austenitotvornih elemenata(30,32)
CrE = %Cr + 1,5× %Si + %Mo + 0,5× (% Ta+%Nb) + 2×%Ti + %W + %V + %Al (6)
NiE = %Ni + 30×(%C+%N) + 0,5% Mn + 0,5% Co + 0,5% Cu (7)
Na ovaj nain mogue je uzeti u obzir kombinirani utjecaj razliitih elemenata na
mikrostrukturu nehrajuih elika.
Legiranjem eljeza s kromom i s drugim elementima kao što su nikal, mangan, molibden,
titan, te sa drugim manje zastupljenim elementima otpornost prema koroziji i mehanikom
naprezanju raste.33
Glavne karakteristike kojima se istiu nehrajui elici su visoka korozijska i toplinska
otpornost, povoljan odnos vrstoa/masa, dobrih svojstava kod niskih temperatura, niska
magnetna permeabilnost itd.2Korozijska postojanost nehrajuih elika postignuta je
prirodnim procesom pasivacije – nastajanjem pasivnog oksidnog filma s visokim
sadrajem kromovog oksida, koji se formira na zraku, vodi koja sadri otopljeni kisik i
brojnim drugim oksidirajuim sredinama. Nastala zaštitna prevlaka je gusta, kompaktna ali
i vrlo tanka i njena je debljina od 1-10 nm. Stupanj zaštite koju prua pasivni film ovisi o
njegovoj debljini, kontinuitetu, prionjivosti, kao i o difuziji kisika i metalnih iona u oksidu.
Ako se metalna površina izgrebe ili se na bilo koji drugi nain ošteti zaštitni sloj, više
kisika e se na tom mjestu vrlo brzo nakupiti i formirati oksid, odnosno oporaviti izloenu
površinu, štitei je tako od daljnje korozije.34
30
U literaturi se za nehrajue elike koriste razliiti nazivi ili skraenice, pa su tako
naješe:
- NIROSTA® (od njemakog Nicht Rostender Stahl – „nehrajui elik“)
- SS (od engleskog stainless - „bez korozijskih mrlja“).35
Korozijski postojani elici dijele se prema nastaloj mikrostrukturi na: feritne,
austenitne, austenitno-feritne (dupleks), martenzitne te precipitacijski ovrsnute
elike koji pripadaju posebnoj skupini visokovrstih elika.
Na slici 17 prikazana su karakteristine mikrostrukture pojedinih grupa nehrajuih elika
Slika 17. Karakteristine mikrostrukture pojedinih grupa nehrajuih elika36
2.4.3.2. Feritni nehrajui elici
Feritni nehrajui elici sadre 12 - 30% Cr i nizak sadraj ugljika .Odreena mehanika
svojstva su im nešto bolja u odnosu na austenitne elike (vea vrstoa, manja istezljivost).
Koriste se tamo gdje austenitni elici ne mogu zadovoljiti zahtjevima. Cijena im je
razmjerno niska jer ne sadre nikal koji je inae u sastavu svih ostalih vrsta nehrajuih
elika.29Feritni elici su korozijski otporni na djelovanje oksidirajuih medija a takoer su
otporni i na djelovanje dimnih plinova koji sadre sumpor. Nasuprot tome, nisu otporni na
djelovanje rastaljenih metala (Al, Sb, Pb), amonijevog biflourida, barijevog klorida, broma,
octene kiseline itd.
o magnetinost
o slaba zavarljivost zbog sklonosti pogrubljenju zrna (>900 °C), skloni pojavi
tzv. „krhkosti 475“ pri izloenosti temperaturi 350-520 °C,
o sklonost stvaranju krhke sigma faze (520-850 °C),
o slaba deformabilnost
o neosjetljivost na pojavu napetosne korozije,
o poveana otpornost na jamiastu koroziju dodatkom molibdena,
o ekonomski prihvatljiviji od ostalih nehrajuih elika,
o sklonost lomu pri niskim temperaturama.
Feritni elici koriste se za izradu dijelova kuanskih aparata, pribora za jelo, dijelova
pogona za proizvodnju dušine kiseline, u petrokemijskoj industriji, za izradu autodjelova,
okvira prozora, ureaja u mljekarama, pivovarama, itd.29
2.4.3.3. Austenitni nehrajui elici
zavarljivosti, dobrih mehanikih svojstava te estetskih karakteristika, naješe su korištena
vrsta nehrajuih elika, te ine preko 70% svjetske proizvodnje elika.36 Sadre
maksimalno 0,15% C, minimalno 16% Crte ostale elemente kojima se postiu bolja
svojstva. Najpoznatiju vrstu ovih elika ini serija elika numerike oznake
300.37Upotrebljavaju se u svim granama industrije, graevinarstvu, za izradu razliitih
upotrebnih i ukrasnih predmeta. Osnovni austenitni nehrajui elik je UNS S30400 (AISI
304) ili 18-8. To je legura na osnovi eljeza koja sadri 18% kroma i 8,5% nikla,
ukljuujui manje koliine ugljika, dušika, mangana i silicija. Od osnovnog 18-8
austenitnog elika razvijeno je desetak novih legura, koje se temelje na dodavanju
razliitih postotaka drugih elemenata npr. molibdena i dušika radi bolje otpornosti na
koroziju. Njihovu upotrebu donekle oteava mogunost pojave senzibilizacije prilikom
postupka zavarivanja, što moe imati za posljedicu pojavu interkristalne korozije,
fenomena koji se na zavarenim konstrukcijama javljao esto u poetnom razdoblju
korištenja ovih materijala i ograniavao njegovu širu primjenu. Senzibilizacija se moe
izbjei odabirom stabiliziranih elika niskog sadraja ugljika. Takoer su ovi materijali
nerijetko podloni i ostalim lokalnim korozijskim fenomenima (rupiasta, napetosna,
32
korozija u procjepu), pa odabir pojedine vrste, tj. kvalitete austenitnog nehrajueg elika
treba paljivo izvršiti.9
Osnovni zahtjevi prema kemijskom sastavu potrebnom da se postigne austenitna
mikrostruktura (slika 17) nehrajuih elika su:
o maseni udio ugljika treba biti što nii (<0,15%) jer je tada manja opasnost od
nastanka karbida Cr23C6 (odgovoran za pojavu interkristalne korozije),
o maseni udio kroma što viši (>18%) radi poveanja otpornosti na koroziju,
o maseni udio nikla što viši (>8%) kako bi nikal, kao gamageni element, prevladao
alfageno djelovanje kroma i doveo do nastanka austenitne
mikrostrukture,
o dodatno legiranje s molibdenom, titanom, niobijem i/ili tantalom koji pospješuju
nastanak 5 – 10% delta ferita te djeluju stabilizirajue na otpornost prema
interkristalnoj koroziji,
o povišeni udio dušika (0,2-0,4%) radi povišenja vrstoe i otpornosti na
napetosnu i jamiastu koroziju.
o nemogunost usitnjavanja zrna,
o nemagnetinost,
o tijekom zavarivanja u njima se javljaju vee napetosti i deformacije nego kod
feritnih elika,
o odlina plastinost,
o legiranjem s molibdenom, volframom i vanadijem postie se dobra otpornost
prema puzanju pri temperaturama iznad 600 °C,
o visoka ilavost, oksidacijska i korozijska otpornost,
o visok odnos vrstoa/masa,
o postojana austenitna struktura od „solidus“ temperature do ispod sobne
temperature,
o kubino plošno centrirana (FCC) rešetka osigurava visoku deformabilnost,
o nisu skloni poveanju zrna u zoni utjecaja topline tijekom zavarivanja.
Austenitni elici upotrebljavaju se u kemijskoj i prehrambenoj industriji, brodograevnoj
industriji, graevinarstvu, za izradu medicinskog pribora, spremnika i sl. Na slici 18 dani
su primjeri upotrebe austenitnog nehrajueg elika:
33
Dupleks elici posjeduju dvofaznu austenitno-feritnu mikrostrukturu s 40 – 60%
ferita. elik s 22 – 24% kroma i 6 – 8% nikla pri temperaturi 20 °C, tj. zagrijan do
≈1000°C sastojat e se od ferita i austenita. Ukoliko su prisutni ostali legirajui elementi
tada vrijedi da dodatak molibdena, silicija, titana i niobija djeluje slino kao porast
sadraja kroma, a mangana, bakra, dušika i ugljika kao povišenje sadraja nikla.
Povišenjem temperature iznad 1000°C poraste udio ferita, a smanjuje se udio
austenita tako da elik s 22% kroma i 8% nikla pri 1350°C posjeduje jednofaznu
feritnu mikrostrukturu. Primjena dupleks elika pri povišenim temperaturama je mogua,
ali zbog ogranienja primjene na maksimalno 250-350 °C primjena je znatno suena.
Razlog tog ogranienja primjene je pojava „krhkosti 475“ koja se javlja u dupleks elicima
u feritnoj fazi po istom principu kao i kod feritnih elika. Posljedice izluivanja pri
475±100 °C koje izazivaju „krhkost 475“ mogu se ukloniti gašenjem s 900-950 °C.
Pritom, ferit ima višu granicu razvlaenja, niu vlanu vrstou i niu plastinost nego
austenit. U dupleks elicima ferit predstavlja anodu austenitu, tj.austenit je katodno
zaštien. Kod izrazito visokih naprezanja ferit moe biti trajno deformiran tako da napukne
austenitno zrno, ali se napuklina ipak zaustavlja nagraninoj površini ferit/austenit te tek na
kraju puca ferit. Dupleks elici pokazuju izrazito povoljnije ponašanje od austenitnih
34
ukoliko su izloeni djelovanju klorida i sumporovodika. Dupleks elici se naješe
primjenjuju u industriji nafte i plina (crpke, desulfurizatori, destilatori, desalinizatori,
ventili, cjevovodi, pumpe), petrokemijskoj industriji (alati za ekstruziju PVC filma,
apsorberi, separatori, izmjenjivai topline), kemijsko-procesnoj industriji (u proizvodnji
kiselina, rad s otopinama HF u HNO3, ureaji za H2SO4, sapnice), brodogradnji (osovine
propelera, kormila, crpke, grijai, leajevi), industriji papira (ventili, cijevi regeneracijskih
pei, osovine miješala, proišavanje vode), transportu (cisterne).
2.4.3.5. Superdupleks elici
Superdupleks elici razvijeni su kako bi ispravili nedostatke dupleks elika. U njima je
povean sadraj kroma, molibdena i dušik, ime su osigurana izvrsna mehanika svojstva,
kao i visoka korozijska otpornost. Posjeduju boju strukturnu stabilnost koja se posebice
odnosi na zonu utjecaja topline. Granica razvlaenja im je vea do 550 N/mm2. Ova grupa
nehrajuih elika ima veliku primjenu kao konstrukcijski materijal.29
2.4.3.6. Martenzitni nehrajui elici
Martenzitni nehrajui elici imaju povišeni udio ugljika (0,20-1,0%), iznad
13% kroma (do 18%) te mogu sadravati i do 1,3% molibdena i 2,5% nikla.
Optimalna mehanika svojstva i korozijska postojanost ove skupine elika postie se
kaljenjem na zraku ili u ulju i naknadnim popuštanjem. Martenzitni nehrajui elici
mogu se podijeliti u dvije podskupine: konstrukcijski (sadre do ≈0,25% C,
poboljšavaju se) i alatni elici (>0,3% C, nakon kaljenja se nisko popuštaju). Kod
konstrukcijskih elika posebna panja se usmjerava prema korozijskoj postojanosti, a
kod alatnih postoji dodatni zahtjev prema otpornosti na abrazijsko trošenje. Radi toga
alatni elici imaju dvofaznu mikrostrukturu (martenzit + karbidi) ija je korozijska
postojanost nia od jednofazne martenzitne mikrostrukture.
Koriste se za izradu lopatica turbina, valjke za proizvodnju papira, dijelove pumpi, mjerne
alate, kotrljajue leajeve, itd.29
2.4.3.7. elici otporni na trošenje
Prvi austenitni manganski elik otporan na trošenje koji sadri oko 1,2% C i 12% Mn
(C:Mn=1:10) izumio je Sir Robert Hadfield 1882. godine. Hadfieldov elik je jedinstven
po tome što posjeduje kombinaciju visoke ilavosti i istezanja, s visokim kapacitetom
ovršivanja te dobrom otpornosti na trošenje. Zbog toga je takav elik vrlo brzo prihvaen
kao vrlo koristan inenjerski metalni materijal ponajprije u podruju graevinarstva
(mehanizacija), rudarstva, industrije nafte i plina, u proizvodnji cementa, za izradu dijelova
drobilica, mlinova, bagera, pumpi za transport šljunka i kamena, vojnoj industriji itd. U
meuvremenu, predloene su brojne varijacije originalnog manganskog austenitnog elika,
ali samo nekoliko njih je usvojeno kao znaajno poboljšanje. Poboljšanje sastava
manganskih elika obino ukljuuje promjenu sadraja ugljika i mangana, sili bez dodatnih
legirajuih elemenata (kao što su npr. krom, nikal, molibden, vanadij, titanij i bizmut).
2.4.3.8. elici za rad pri povišenim i visokim temperaturama
Prema temperaturnom podruju primjene elici namijenjeni za rad pri povišenim
temperaturama dijele se na:9
• niskolegirane (naješe dodaju samo molibden ili kombinacija molibdena i kroma
te kod nekih vrsta i manje koliine vanadija),
• visokolegiranemartenzitne (sadre oko 1% molibdena i do 12% kroma) i
• visokolegiraneaustenitne elike (austenitniCr-Ni elici imaju vrlo visoku
temperaturu rekristalizacije (900-1000 °C), pa se mogu dugotrajno primjenjivati pri
temperaturama 600 - 750 °C).
2.4.3.9. elici za rad pri niskim temperaturama
Poznato je da snienjem temperature kojoj je elik izloen moe doi do smanjenja
duktilnosti, udarne radnje loma, toplinske istezljivosti i vodljivosti, te specifinog
toplinskog kapaciteta. Pri niskim temperaturama primjene elika moe doi do porasta
tvrdoe, vlane vrstoe i granice razvlaenja. Najopasniju pojava koja se javlja tijekom
izloenosti elika niskim temperaturama predstavlja snienje ilavosti.
36
U primjeni se razlikuju tri osnovne skupine elika za rad pri niskim temperaturama:9
• niskolegirani (mikrolegirani) sitnozrnati elici, ija je nia prijelazna temperatura
ilavosti posljedica sitnog kristalnog zrna, dezoksidacije aluminijem i silicijem te
više istoe od klasinih konstrukcijskih elika,
• elici za poboljšanje, legirani s 1,5 – 9% nikla, koji pospješuje stvaranje sitnijeg
zrna i vrlo ilavog Fe-Ni martenzita nakon kaljenja,
• austenitni elici Cr-Ni, Cr-Ni-N (Nb, Ti), Cr-Ni-Mo-N i Cr-Mn-Ni-N, koji i blizu
apsolutne nule imaju zadovoljavajuu ilavost.
2.4.3.10. Visokovrsti elici
jezgri), laku obradljivost odvajanjem estica, sposobnost zavarljivosti i toplinske obrade. U
pogledu mikrostrukturnih zahtjeva nastoji se dobiti sitnozrnatu homogenu mikrostrukturu,
uz izbjegavanje lokalnih heterogenosti (makrosegregacije, kristalne segregacije, ukljuci).
Heterogenost u atomarnom i submikroskopskom podruju je poeljna radi jednolinog
usporavanja gibanja dislokacija.
• niskolegiraniniskopopušteni elici,
• termomehaniki obraeni elici,
• maraging elici.
fizikalnim, kemijskim i biološkim agensima.6,38 S termodinamikog stajališta korozija je
prijelaz materijala u stabilnije stanje. Najzastupljeniji metalni konstrukcijski materijal je
elik. eline konstrukcije izloene su tijekom radnog vijeka razliitim korozijskim
sredinama kao što su atmosfera, morska i slatka voda, industrijske vode, razliitim
kemikalijama i plinovima. Prema statistici Švedskog instituta za koroziju, od korozije je u
33 godine propalo 44 % ukupno proizvedenog eljeza.6
Na pojavu i intenzitet korozijskih procesa mogu utjecati razliiti imbenici koji se mogu
podijeliti na kemijske, fizikalne, biološke i elektrine imbenike. Kemijski imbenici koji
uvjetuju koroziju mogu biti: otopljeni plinovi(O2, SO2), ravnotea karbonata, sadraj
otopljenih soli, pH vrijednost. U skupinu bioloških imbenika spadaju: obraštanje,
potrošnja kisika i ugljinog dioksida. Temperatura takoer utjee na brzinu korozije.
Zagrijavanjem se, zbog povišenja energetske razine i ubrzanja difuzije sniavaju prenapon,
odnosno koncentracijska polarizacija, a uz to raste i vodljivost elektrolita što ubrzava
koroziju.
Znatan utjecaj na brzinu korozije ima i relativna brzina strujanja elektrolita u odnosu
prema metalima. Poveanje ove brzine naelno ubrzava koroziju smanjujui
koncentracijsku polarizaciju. Pri vrlo velikim brzinama pojavljuje se erozija ili ak
kavitacija. Ove pojave dodatno razaraju metal i eventualno prisutne pasivne filmove ili
slojeve korozijskih produkata na površini metala.38
2.5.1. Korozija elika
Ugljini elici sadre do priblino 1,0% C, a sadraj ostalih legirnih elemenata je openito
manji od 2%. Unato relativno ogranienoj otpornost na koroziju, vrlo velike koliine
ugljinog elika se koriste za razliite namjene. U pravilu, niskougljini elici (od 0,08 do
0,28% C) su otporniji na koroziju u odnosu na ugljine elike s veim sadrajem ugljika.
Dva faktora su potrebna za poetak korozije niskougljinog elika u prirodnim sredinama:
voda i kisik. Takoer brojne varijable mogu utjecati na proces korozije ugljinih elika. Na
primjer, uzorci ugljinog elika koje su u potpunosti uronjeni korodiraju bre ako
kapljevina struji oko njih u odnosu na mirujuu otopinu. Takoer korozija ugljinog elika
je sporija ukoliko su elini dijelovi potpuno uronjeni u kapljevinu u odnosu na nepotpuno
uronjene eline dijelove ili dijelove koji su periodino izloeni ciklusima sušenja i
vlaenja.39
38
U atmosferi, vodi i vodenim otopinama soli te u tlu ugljini elici korodiraju i pri tome na
njima nastaje rahla vlana smjesa oksida, hidroksida i oksihidrata dvovalentnog i
trovalentnog eljeza (hra) koja nema zaštitna svojstva.38Njena boja varira od ute preko
crvene i smee do crne, pri emu svjetlija nijansa odgovara veem sadraju vlage. Ranje
obino tee kao neravnomjerna opa korozija uz kisikovu depolarizaciju, a takoer u
poetnom stupnju nastaju i lokalna arišta korozije ispunjena elektrolitom i prekrivena
nakupinama hre (tzv. korozijski vorii ili tuberkuli).
Do korozije elika dolazi uslijed odvijanja anodne oksidacije eljeza prema reakciji:
−+ +→ 2eaq)(Fe(s) Fe 2 (6)
Uz odvijanje odgovarajue katodne reakcije prikazane jednadbama (7) i (8).
a) bez kisika: (g)H2e(aq)2H 2→+ −+ (7)
b) s kisikom: O2H4e(g)O(aq)4H 22 →++ −+ (8)
Uz ove primarne elektrodne reakcije esto teku i sekundarne reakcije koje takoer utjeu
na brzinu i tok cjelokupnog procesa. Tako e, pri koroziji elika u prisutnosti kisika, pri pH
> 2, tei sekundarna reakcija:38
2 (9)
Ovaj proces stimulira koroziju jer sprjeava gomilanje Fe2+ iona uz anodu umanjujui time
njenu koncentracijsku polarizaciju.
Pri koroziji elika u prisutnosti kisika pri 2 < pH > 5,5 taloe se oksid-hidroksidi,
hidratizirani oksidi i hidroksidi dvovalentnog i trovalentnog eljeza razliitim procesima
od kojih jedan odgovara jednadbi:
++ +→++ 8H4FeO(OH)O6HO4Fe 22 2 (10)
2 2 Fe(OH)2OHFe →+ −+ (11)
O2H4FeO(OH)O4Fe(OH) 222 +→+ (12)
O)xHO2(FeO6)H(2xO6Fe(OH) 243222 ×→−++ (13)
Smjesa oksid-hidroksida, hidratiziranih oksida i hidroksida eljeza nastala ovim i srodnim
reakcijama naziva se hrom, iji sastav se moe izraziti formulom xFe2O3×yFeO×zH2O.38
U deioniziranoj vodi, dolazi do ope korozije elika u relativno kratkom vremenu, što se
moe vidjeti na sljedeoj slici:40
39
a) b) c)
d) e) f)
Slika 19.elini uzorak uronjen u deioniziranu vodu nakon a) 48 h, b) 72 h, c) 144 h, d) 216 h, e) 312 h i f) 480 h.40
Vidljivo je da je ve nakon 48 sati po uranjanju površina elika u potpunosti prekrivena
ukasto-naranastim slojem korozijskih produkata koji su labavo vezani uz površinu.
Slina zapaanja utvrena su ispitivanjem korozije ugljinog elika u mekoj i vodovodnoj
vodi.41
elik i eljezo otapaju se u kiselinama (pH < 4) uz vodikovu depolarizaciju. U jako
koncentriranim oksidirajuim kiselinama eljezo i elik se pasiviraju uz opadanje brzine
korozije. U HCl otopinama brzina korozije raste s koncentracijom kiseline.7
Glavna je prednost nehrajuih elika u odnosu na ugljine elike mogunost trajnog
pravog pasiviranja u mnogim sredinama, što je uvjetovano visokim sadrajem kroma.39
Pasivno stanje je stanje poveane korozijske otpornosti metala ili legura uzrokovano
usporavanjem anodnog dijela procesa.42 Metal je pri tome naješe prevuen neporoznim
slojem koji onemoguava njegovo daljnje otapanje.
Oksidni film na površini nehrajuih elika nastaje spontano, prirodnim procesima
oksidacije u sredinama koji sadre dovoljno kisika. Iako izuzetno tanak, priblino 1-10
nanometara i oku nevidljiv, ovaj zaštitni film vrsto prianja i kemijski je stabilan u
uvjetima koji osiguravaju dovoljnu koliinu kisika na površini. S obzirom na prirodu i
spontano formiranje, zaštitni oksidni film, ima i vrlo vano svojstvo samo obnavljanja -
40
ak i kada se npr. u postupcima mehanike strojne obrade, ukloni s površine, u sredinama s
dovoljno kisika, gotovo trenutno, sam e se obnoviti.
Slika 20. Prikaz mehanizma samo obnavljanja pasivnog filma kromovih oksida na površini.36
Oksidni film na površini metala djeluje kao barijera izmeu metala i agresivne okoline.34
Stupanj pasivacije ovisi o udjelu kroma i vrsti agresivnog medija. Smatra se da s
poveanjem sadraja kroma u površinskom oksidnom filmu nehrajueg elika raste i
njegova otpornost prema lokaliziranim oblicima korozijskog napada.38,43-45 Molibden u
kombinaciji s kromom vrlo je djelotvoran za stabilizaciju pasivnog filma u prisustvu
kloridnih iona, pa poveava otpornost nehrajuih elika prema jamiastoj koroziji.46
Unato visokoj korozijskoj otpornosti kod nehrajuih elika mogu se javiti slijedei oblici
korozijskog napada:47
o Opa korozija koja se moe javiti u uvjetima koji su pogodni za otapanje
površinskog oksidnog filma, a onemoguuju nastajanje novog oksidnog filma. Primjer je
izlaganje feritnog nehrajueg elika koncentriranoj vruoj sumpornoj kiselini.
o Galvanska korozija se javlja kada su dvije razliite vrste elika u dodiru izloene
utjecaju elektrolita. U sluaju nehrajuih elika, elik vee korozijske otpornosti biti e
katoda dok e manje kvalitetan nehrajui elik biti anoda i doi e do njegovog otapanja.
Slika 21. Primjer galvanske korozije elika48
o Jamiasta (piting) korozija je oblik lokaliziranog korozijskog napada koji dovodi
do prodiranja korozije unutar nehrajueg elika uz beznaajan gubitak mase. Ovaj oblik
korozijskog napada povezan je s nehomogenostima površinskog oksidnog filma, koji moe
biti neko mehaniko površinsko ošteenje, ukljuak ili ošteenje površinskog filma
djelovanjem kemikalija koje ga otapaju. Kloridni ioni su naješi agens koji dovodi do
pojave jamiaste korozije nehrajuih elika. Jednom kada se formira jamica elektrolit
41
unutar jamice je znaajno agresivniji u odnosu na okolni elektrolit što dovodi do daljnjeg
brzog otapanja metala. Stabilnost oksidnog filma prvenstveno je ovisna o udjelu kroma i
molibdena. Male koliine drugih legirnih elemenata takoer mogu imati utjecaja na
jamiastu koroziju ukoliko dovode do nastajanja ukljuaka u površinskom filu
(npr. sulfida), koji mogu djelovati kao centri jamiaste korozije.47
o Korozija u pukotini moe se smatrati intenzivnijim oblikom jamiaste korozije, do
koje dolazi zbog razlike u koncentraciji kisika izvan i unutar pukotine, uslijed ega
unutrašnjost pukotine postaje anoda i otapa se dok je elik oko pukotine katoda. Shematski
prikaz odvijanja korozije u pukotini prikazan je na slici 22.
Slika 22. Shematski prikaz odvijanja korozije u pukotini
Nehrajui elici veeg udjela kroma i mangana otporniji su na koroziju u pukotini.
o Napetosna korozija je oblik korozijskog napada u kojem kombinacija materijala,
prisutnih vlanih naprezanja i znaajke medija dovode do pojave pukotina na materijalu.
Napetosna korozija je vrlo sloena pojava podlona utjecajima brojnih imbenika, a
napreduje transkristalno (izravno se širi kroz kristal) ili interkristalno. Ovaj tip korozije
javlja se naješe na hladno deformiranim djelovima konstrukcija, jer tamo zaostaju
naprezanja, ili u okolini zavarenih spojeva gdje su vea zaostala naprezanja i strukturne
promjene. Austenitni Cr-Ni elici posebno su osjetljivi na ovaj tip korozije.36
2.5.2. Metode zaštite od korozije elinih konstrukcija
S obzirom da je elik danas dominantan konstrukcijski materijal koji se koristi u svim
podrujima ljudske djelatnosti, konstrukcije od elika bivaju izloene razliitim agresivnim
medijima koje mogu dovesti do pojave korozije i do smanjenja vijeka trajanja konstrukcija.
Kako bi se konstrukcije zaštitile od negativnog djelovanja okoline provode se postupci
površinske zaštite, a naješi naini zaštite elinih konstrukcija od korozije su:6
o zaštita prevlakama i premazima
o zaštita obradom korozijske sredine
o elektrokemijska zaštita.
konstrukcijskog materijala i okoline stvaranjem djelotvornog meusloja (prevlaenje,
premazivanje, plastificiranje i sl.), ija debljina i sastav ovise o eksploatacijskim uvjetima i
vrsti elika.
Zaštita metala organskim premazima jedan je od najrasprostranjenijih postupaka zaštite u
tehnici, ak 75 % metalnih površina zaštieno je premazima. Jedan od osnovnih razloga
tome je relativno niska cijena premaza u odnosu na druge metode zaštite od korozije.
Premazi se, osim u zaštitne svrhe, nanose i zbog poboljšanja estetskog izgleda metalne
površine (dekorativni premazi) pa tako postoje bezbojni i razliito obojeni premazi, zatim
mutni, sjajni i mat premazi, a mogue je postii i dojam sjajnog ili kovanog metala. Postoje
i razni specijalni premazi raznolike funkcije, kao na primjer: premazi za elektrinu
izolaciju, kitovi, premazi za oznaavanje, antivegetativni premazi za zaštitu podvodnih
konstrukcija, protupoarni premazi itd.49
Slika 23. Zaštita od korozije primjenom premaza49
Metalne prevlake nanose se na površinu elinih konstrukcija ne samo zbog zaštite metala
od korozije ve i u svrhu promijene nekih fizikalno-mehanikih svojstava površine kao
tvrdoe, vrstoe, dekorativnosti i dr.
Meu postupcima nanošenja metalnih prevlaka tehniko znaenje imaju metode:
o vrueg uranjanja,
o difuzijske metalizacije,
o metalizacije prskanjem,
o metode oblaganja (platiranja, navarivanja),
o galvanotehnike,
o katalitike redukcije.
Ovisno o namjeni, površine elika naješe se prevlae cinkom, kositrom, bakrom, niklom
i kromom. Pocinavanje i kositrene naješe se vrše postupkom vrueg uranjanja, pri emu
se elini predmeti uranjaju u talinu cinka ili kositra, a skruivanjem taline nastaje
odgovarajua prevlaka. Pobakrivanje, niklovanje i kromiranje naješe se vrše
elektroplatiranjem – obradom elinih predmeta u elektrolitu uz primjenu elektrine struje,
pri emu se elini predmeti spajaju s negativnim polom istosmjerne struje, tj. kao katode
dok se s pozitivnim polom izvora istosmjerne struje spaja anoda – naješe metal koji tvori
metalnu prevlaku. Elektrolit sadri jedan od spojeva metala koji daje prevlaku uslijed
redukcije hidratiziranih metala na katodi.
Slika 24. Zaštita elinih predmeta a) vruim pocinavanjem50 b) niklovanjem51
Nemetalne anorganske prevlake nanose se mehaniki i kemijski, a glavne znaajke
prevlaka kao i postupaka nanošenja dane su u tablici 2:
a) b)
Tablica 2. Postupci nanošenja, metode i glavna svojstva anorganskih nemetalnih prevlaka52
postupak prevlake / podloge
emajliranje borosilikatno staklo na
obino dvoslojno; mokro: uranjanje u vodeno- glinenu kašu, prelijevanje i prskanje; sušenje, peenje; suho: puder na vrui sivi lijev (za pokrovni sloj)
skupi ureaji; lijepe, glatke, tvrde, ali krhke prevlake; korozijski otporne (osim u HF); na eliku i Al do 0,2 mm; na sivom lijevu do 2 mm; za procesnu opremu deblje (višeslojno )
bruniranje Fe-oksidi na ugljine elike
izlaganje vruoj luini s oksidansima, vruem zraku, oksidativnim talinama itd.
crna ili tamnosmea prevlaka, naješe debela do 2 µm, porozna, upija svjetlo; bolje štiti impregnirana strojnim uljem; prikladno za optike ureaje i vojnu opremu
fosfatiranje netopljivi metalni fosfati
uranjanjem ili prskanjem pomou fosfatno-kisele otopine topljivih Zn-, Mn- i Fe-fosfata pretvorbom u netopljive
nestabilne otopine; sive prevlake; lako fosfatiranje (<1 µm) izvrsna priprema za bojanje; teško fosfatiranje (> 3 µm) uz maziva protiv korozije i abrazije; prevlake vrsto prianjaju
kromatiranje kromati Zn, Cd, Cr i Mg na
prevlakama Zn i Cd te na Mg
legurama
uranjanje u kiselu otopinu kromata; za Mg-legure i elektrolizom (anodno)
na Zn i Cd bezbojni, uti i zeleni filmovi (0,1-1 µm); na Mg- legurama kemijski do 5 µm, anodno do 20 µm; štiti od atmosferske korozije
Jedan od naina zaštite elinih konstrukcija je i primjena inhibitora korozije. Inhibitori
korozije se definiraju kao tvari anorganskoga ili organskog porijekla koje u vrlo malim
koncentracijama smanjuju brzinu korozije do tehnološki prihvatljivih vrijednosti. Prema
nainu djelovanja, inhibitori se dijele na anodne, katodne i miješane (anodno-katodne),
prema tome djeluju li na ionizaciju metala (anodnu reakciju), redukciju oksidansa (katodnu
reakciju) ili na oba navedena procesa.49 Kao djelotvorni inhibitori korozije razliitih vrsta
elika pokazali su se propargil alkohol53,54 tiazoli,55 benzotriazoli56,57, cerij klorid i natrij
glukonat58 i drugi spojevi. U novije vrijeme intenzivno se istrauju netoksini inhibitori
korozije, osobito ekstrakti i spojevi koji se mogu dobiti iz biljnog materijala.59-62
Hlapivi inhibitori korozije (VCI, engl.volatile corrosion inhibitor) ine posebnu skupinu
inhibitora koji štite metale od atmosferske korozije. To su organske tvari u vrstom stanju
koje imaju dovoljno visok tlak para da bi sublimacijom (izravno isparavanje vrste faze)
uinile nekorozivnim okolni zrak ili neki drugi plin. Koriste se u obliku praha ili se
njihovom alkoholnom otopinom natapaju papiri, odnosno spuvaste tvari (naješe
spuvasti