Čelik

Izvor: Wikipedia
Glavni materijal za gradnju brodova je čelik.
Čelik-čelo
Sardinija radio teleskop ima ugrađeno oko 3 000 tona čelika.

Čelik (nȁdo ili ocal)[1] je slitina željeza s ugljikom (2,06%). Pri većem udjelu dodanih kemijskih elemenata za legiranje može udio ugljika biti i nešto veći od 2,06% ugljika. Gotovo sva količina proizvedenog sirovog željeza iz visoke peći prerađuje se u čelik, jer su njegova mehanička svojstva mnogo bolja od svojstava željeza. Primjena željeza je prvenstveno u obliku čelika, a manje kao sirovog ili lijevanog željeza. Odlikuju se velikom čvrstoćom, tvrdoćom, žilavošću, mogućnošću lijevanja i mehaničke obrade, te velikom elastičnošću. Rabi se za izradu mostova, automobila, brodova, željezničkih vozila i pruga, golemih građevina, ali i za sitnice nužne u svakodnevnom životu poput igle ili spajalice. Čelik proizveden recikliranjem (olupina automobila, starih željezničkih tračnica i neupotrebljivih lokomotiva), čelik je za sutra – za budućnost. U čeličnim spremnicima može se skladištiti koncentrirana sumporna kiselina jer pasivira željezo, što je dokazano pokusom.

Proces prerade željeza u čelik je završen kada je postignut odgovarajući sastav taljevine. Tim postupkom nastaju takozvani ugljični čelici, neotporni na koroziju i visoke temperature. Najmoderniji način dobivanja čelika je u elektropećima (elektrolučna peć i elektroindukcijska peć). U njima se prerađuje i čelični otpad, kao i isluženi (izrabljeni) proizvodi od čelik i željeza. Dok se u posljednjih 30 godina proizvodnja „klasičnog“ čelika stalno smanjivala, rasla je proizvodnja elektročelika. Stručnjaci pretpostavljaju da će udio elektročelika u ukupnoj proizvodnji kroz sljedećih 10 godina biti iznad 50%.

Za razliku od fosilnih izvora energije koji su se prije rabili i zagađivali okoliš, elektropeći imaju ekološki izvor energije (električnu struju), a i manje su i praktičnije od prijašnjih. Ova tehnologija omogućena je uporabom grafitnih elektroda budući da grafit može podnijeti ekstremno visoke temperature u pećima. Kroz elektrode protječe struja jakosti 120 000 A. Pri temperaturi iznad 3 600 °C grafit sublimira, pri čemu ne nastaje ni pepeo, ni troska. Elektroda jednostavno ispari. Vrlo male količine ugljika oksidiraju se zrakom u ugljikov dioksid. Grafitne elektrode se nakon 24 sata istroše. Za jednu tonu čelika potrebno je 2,8 kg grafita.

Na taj se način dobivaju legirani čelici u kojima je maseni udio drugih metala veći od 5%. Visoke temperature u elektropećima omogućavaju legiranje čelika s teško taljivim metalima, poput volframa (za vatrostalnost), molibdena (povećava tvrdoću i otpornost na koroziju), vanadija i kobalta.

Postoje različiti načini prerade željeza u čelik. Jedan od njih je postupak s čistim kisikom, w(O2) = 99,99% (LD postupak). Kisik se upuhava kroz vodom hlađenu kopljastu cijev pod visokim tlakom, što dovodi do snažnog miješanja taljevine. U burnoj reakciji oksidiraju se primjese. Plinoviti ugljikov(IV) oksid i sumporov(IV) oksid izlaze iz taljevine, a teško hlapljivi fosforov(V) oksid i silicijev dioksid se dodatkom kalcijeva oksida izdvoje u obliku troske.

6 CaO + P4O10 --> 2 Ca3(PO4)2
CaO + SiO2 --> CaSiO3

Osobine[uredi - уреди]

Most u Ujedinjenom Kraljevstvu (engl. The Iron Bridge, Ironbridge, UK); sagrađen od livenog gvožđa 1779. godine

Neverovatan raspon i fleksibilnost osobina (uz pomoć legiranja, termičke obrade i plastične prerade) kao i relativno niska cena proizvodnje čine ga i dalje najrasprostranjenije korišćenim metalnim materijalom.

Čelik, na primer, može biti vrlo mek i kao takav izuzetno pogodan za duboko izvlačenje (pravljenje limenki, konzervi i sl.). Nasuprot tome čelik može biti vrlo tvrd i krt, kao na primer kod martenzitnih čelika koji se koriste za sečiva. Pred modernu proizvodnju čelika postavljaju se vrlo visoki zahtevi, koji najčešće uključuju optimalnu kombinaciju osobina, kao što su zatezna čvrstoća sa jedne i duktilnost, odnosno deformabilitet sa druge strane. Pored toga mora se stalno voditi računa o isplativosti proizvodnje što je posledica neprestane promene cena legirajućih elemenata (npr. nikl).

Slika 3. Ajfelova kula (fr. La Tour Eiffel), spoj estetike, elegancije i izdržljivosti; sagrađena od „pudlovanog” čelika 1889. godine

Najvažniji legirajući element u čeliku je ugljenik. On se u čeliku nalazi u obliku jedinjenja pod imenom cementit, Fe3C. Povišeni maseni udeo ugljenika čini čelik čvršćim, ali u isto vreme krtijim materijaliom. U zavisnosti od udela ugljenika i temperature na kojoj se uzorak čelika nalazi, na faznom dijagramu mogu se uočiti sledeći mikrokonstituenti: austenit, ferit, primarni cementit, sekundarni cementit, kao i mikrostrukture (mešavine faza): perlit i ledeburit. Ako se čelik naglo ohladi tako da se difuzioni procesi (na prvom mestu difuzija ugljenika) ne odviju do kraja, onda se u strukturi čelika pojavljuju nove mikrostrukture koje su većinom presićene ugljenikom. Ako se ubrzano hlađene odvija iz austenitne oblasti mogu se javiti finolamelirane mikrostrukture sorbit ili trosit), kao i igličati/zrnasti beinit ili igličasti martenzit.

Specifična težina čelika je skoro ista kao specifična težina čistog gvožđa i iznosi oko 7.850 kg/m³.

Legirajući elementi i njihov uticaj na osobine čelika (poređani po abecednom redu)[uredi - уреди]

Legirajući elementi u čeliku se rezlikuju po tome da li stabilizuju stvaranje karbida, austenita ili ferita, odnosno sa kojim ciljem su legirani. Svaki element daje čeliku određeni niz karakteristika specfičnih samo njemu. Postoje vrste čelika gde samo karakteristična kombinacija „suprotstavljeno” delujućih legirajućih elemenata daje željenu mikrostrukturu. Legiranje čelika daje samo osnovu za postizanje željenih osobina u toku termičke obrade i plastične prerade.

Legirajući elementi u čeliku se dele u principu u dve grupe:

Aluminijum (Al)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 660 °C
  • snažno sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C i favorizuje stvaranje ferita

Aluminijum je najjače i najčešće primenjivano dozoksidativno sredstvo. Pored toga aluminijum snažno utiče na koncentraciju rastvorenog azota u čeliku i kao takav utiče na osetljivost legure na proces starenja. Već u malim koncetnracijama favorizuje usitnjavanje zrna što kasnije značajno utiče na mehaničke osobine. Kako aluminijum zajedno sa azotom gradi nitride visoke trvdoće, veoma je široko korišćen kao legirajući element u čelicima za nitriranje. Aluminijum povećava vatrostalnost (vatrootpornost) čelika i kao takav je često korišćen kod legiranja feritskih vatrostalnih čelika. Kroz proces „aliranja” (nanošenje aluminijuma u površinskom sloju), može čak i kod visoko ugljeničnih čelika poboljšati vatrostalnost. Zbog vrlo snažnog uticaja na povećanje koercitivne sile aluminijum se koristi u gvožđe-kobalt-aluminijum čeliku od koga se prave permanentni (stalni) magneti.

Arsen (As)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 817 °C (pod pritiskom)
  • sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C
  • sklonost ka stvaranju segregacija (izuzetno štetna pojava pri livenju čelika)
  • nepoželjan legirajući element

Difuziono žarenje, inače jedini način uklanjanja segregacija u čeliku, još je teže u slučaju arsena nego što je to slučaj kod — primera radi — fosfora. Pored toga povećava krtost materijala posle procesa otpuštanja i drastično snižava zateznu čvrstoću i sposobnost zavarivanja.

Bor (B)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 2.300 °C

Bor ima vrlo izražen uticaj na apsorpciju neutrona što ga čini veoma pogodnim za legiranje čelika koji se koristi pri izgradnji nuklearnih reaktora. Austenitni 18/8 CrNi-čelici legirani borom u procesu taložnog ojačavanja postižu povećanu granicu tečenja i zateznu čvtstoću, s tim što istovremeno slabi njihova koroziona postojanost. Mikrokonstituenti izdvojeni u procesu taložnog ojačavanja povećavaju zateznu čvrstoću visoko vatrostalnih čelika u području izuzetno visokih temperatura. Kod čelika negarantovanog sastava i kod ugljeničnih čelika bor kao legirajući element poboljšava prokaljivost a samim tim i zateznu čvrstoću. Bor kao legirajući element generalno smanjuje sposobnost zavarivanja čelika.

Berilijum (Be)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 1.287 °C
  • snažno širi γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C

Bakar-berilijum-legure se koriste za izradu visokokvalitetnih opruga za časovnike, koje ne pokazuju skoro nikakvu sposobnost magnetizacije, kao i veću dinamičku čvrstoću nego odgovarajuće opruge napravljene od čelika. Nikl-berilijum-legure su veoma koroziono postojane i koriste se za izradu hiruških instrumenata. U čeliku, pored toga što snažno širi γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C, berilijum može onemogućiti taložno ojačavanje što u pomenutom slučaju vodi padu zatezne čvrstoće. Pored toga poseduje veliki afinitet prema kiseoniku (dezoksidirajuće svojstvo) i prema sumporu.

Ugljenik (C)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 3.500 °C
  • snažno širi γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C

Ugljenik je najvažniji i najuticajniji legirajući element u čeliku. Pored ugljenika svaki nelegirani čelik sadrži silicijum, mangan, fosfor i sumpor, čije je prisustvo posledica samog procesa proizvodnje čelika. Dodavanje drugih legirajućih elemenata u cilju postizanja određenih osobina čelika, kao i dolegiranje silicijuma i mangana vodi ka dobijanju legiranog čelika. Sa povećanjem masenog udela ugljenika raste zatezna čvrstoća i tvrdoća čelika, dok se sposobnost izvlačenja, kovnost, zavarljivost i mašinska obradljivost smanjuju. Koroziona otpornost u odnosu na vodu, kiseline i vrele gasove skoro i da ne zavisi od masenog udela ugljenika.

Kalcijum (Ca)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 842 °C

Zajedno sa silicijumom, u formi siliko-kalcijuma upotrebljava se u procesu proizvodnje pri dezoksidaciji čelika. U principu, kalcijum povećava vatrostalnost.

Cerijum (Ce)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 795 °C

Sam, ali najčešće u kombinaciji sa lantanom, neodijumom, prazeodijumom i ostalim elementima koji pripadaju grupi metala retke zemlje, deluje kao snažan dezoksidans. Zbog svog izuzetno velikog aktiviteta prema kiseoniku i sumporu služi kao sredstvo za postizanje visoke čistoće čelika. Kod visokolegiranih čelika poboljšava sposobnost obrade na povišenim temparaturama dok kod vatrostalnih čelika potpomaže vatrostalnost. Gvožđe-cerijum-legura sa oko 70% cera naziva se pirofor (veštački kremen). Dodaje se i kao legirajući element u nodularnom livu.

Kobalt (Co)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 1.495 °C
  • ne stavra karbide i Favorizuje izdvajanje grafita

Otežava rast zrna, poboljšava otpornost u odnosu na krtost pri procesu otpuštanja, kao i zateznu čvrstoću na povišenim temparaturama. Zbog toga se koristi kao legirajući element kod brzoreznih čelika i alatnih čelika za rad u toplom, kao i za proizvodnju drugih vatrostalnih i visoko vatrostalnih legura. Povećava remanenciju, koercitivnu silu i toplotnu provodnost, a zato se često primenjuje kao osnovni legirajući element za visokokvalitetene stalne magnete (čelične ili od drugih legura). Pod uticajem neutronskog zračenja intenzivno se stvara izotop 60Co. zbog čega je kobalt nepoželjan kao legurajući element u matrijalima koji služe za izradu nuklearnih reaktora.

Hrom (Cr)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 1.907 °C
  • izražena težnja ka stvaranju karbida
  • snažno sužava γ-oblast, a širi α-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C

Hrom kao legirajući element daje čeliku sposobnost kaljenja u ulju, odnosno na vazduhu, preko uticaja na kritičnu brzinu kaljenja, što povećava prokaljivost čelika i sposobnost poboljšanja. Sklonost ka krtom lomu se smanjuje dodatkom hroma, mada je uticaj na sposobnost izvlačenja relativno slab. Sposobnost zavarivanja (zavarljivost) raste sa povećanjem masenog udela hroma u leguri. Zatezna čvrstoća čelika raste od 80 N/mm² do 100 N/mm² po masenom procentu hroma. Hrom ima izuzetnu sklonost ka stvaranju karbida, koji dalje pozitivno utiču na mehaničke karakteristika čelika (npr. otpornost na habanje), ali negativno utiče na korozionu postojanost. Iako snažno sužava γ-oblast, a širi α-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C, hrom stabilizuje austenit (γ-oblast) u hrom-mangan-, od. hrom-nikl-nerđajućim čelicima. Hrom kao legirajući element snižava toplotnu i električnu provodnost čelika. Ako imamo visok sadržaj ugljenika u čeliku i istovremeno sadržaj hroma do 3% (masena %) povećavaju se istovremeno remanencija i koercitivna sila. Kod nerđajućih čelika sadržaj hroma preko 12% daje materijalu pozitivni elektrohemijski potencijal, materijal postaje „plemenitiji”, što ga čini otpornim na delovanje elektrolita, a istovremeno se stvara površinski sloj Cr-oksida, koji dodatno štiti materijal od korozivne sredine.

Bakar (Cu)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 1.085 °C
  • nepoželjan (štetan) legirajući element

Bakar se vrlo retko ciljno legira (samo kod nekih posebnih vrsta čelika); inače je u principu vrlo nepoželjan u čeliku. Poseban problem predstavlja u čeličanama koje proizvode čelik u elektrolučnim pećima gde se njegov udeo u leguri može vrlo teško kontrolistai, s obzirom na to da metalni otpad ima vrlo širok spektar udela bakra. Kada je u pitanju „staro gvožđe”, što je često sinonim za čelični otpad, u Evropskoj uniji postoji 9 klasa čeličnog otpada podeljenih prema „čistoći” čelika. Zbog visoke cene čelika koji pripadaju višim klasama čistoće, čeličane su primorane da prave tzv. „čelični meni” sastavljen od optimalne kombinacije čeličnog otpada i optimalne cene tone čelika. Štetno dejstvo bakra ispoljava se naročito pri visokim temperaturama. Najštetnije dejstvo bakra ispoljava se tokom plastične prerade čelika na povišenim temparaturama (kovanje, valjanje, izvlačenje i sl.), i posledica je izdvajanja bakra po granicama zrna. Izdvajanje bakra po granicama zrna povećava površinsku osetljivost materijala u toku svih vrsta plastične prerade na povišenim temparaturama. Granica tečenja i odnos granica tečenja / zatezna čvrstoća poboljšavaju se sa porastom masenog udela bakra u čeliku. Maseni udeo preko 0,3% bakra vodi povećanju tvrdoće, odnosno povećane sposobnosti kaljenja. Uticaj na sposobnost zavarivanja nije primećen. Kod nelegiranih i nisko legiranih čelika bakar povećava njihovu otpornost na štetene atmosferke uticaje. Kod visoko legiranih čelika maseni udeo bakra iznad 1% povećava njihovu otpornost na dejstvo kiselina (pogotovo hlorovodonične i sumporne kiseline).

Vodonik (H)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = −259 °C
  • nepoželjan (štetan) legirajući element

Vodonik izaziva povećanje krtosti i smanjenje sposobnosti izvlačenja čelika, a da pritom ne poboljšava vrednost granice tečenja i zatezne čvrstoće. Kod većine legirajućih elemenata, sposobnost izvlačenja i zatezna čvrstoća su obrnuto korelirani. Vodonik je — pored ostalog — „krivac” za takozvani „plavi lom” čeličnog materijala. Unutar čelika vodonik se okuplja u blizini grešaka u materijalu (dislokacija, nemetalni uključci i sl.). U zavisnosti od količine vodonika u čeliku, te nakupine mogu dostići takve razmere da postanu koncetrator naprezanja dovoljno velik da na njemu krene rast prskotine, koja će kasnije dovesti do loma materijala.

Magnezijum (Mg)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 650 °C

Magnezijum se koristi kao dezoksidans i kao sredstvo za uklanjanje neželjenog sumpora iz čelika. Kao legirajući element u dobijanju legure gvožđa pospešuje stvaranje globularnog (sfernog) grafita.

Mangan (Mn)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 1.246 °C
  • snažno širi γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C

Mangan u čeliku na prvom mestu služi kao dezoksidaciono sredstvo. Kao sredstvo za redukovanje količine slobodnog sumpora, mangan deluje tako što stvara mangan sulfid (MnS), ali i štetni gvožđe sulfid (FeS). Dugo je vremena problem stvaranja gvožđe sulfida (što uzrokuje takozvanu pojavu „loma u crvenom” (crveni lom)) bio nerešiv. Problem je bio u tome što gvožđe sulfid ima veoma nisku tačku topljenja, tako da ostaje u tečnoj fazi pri očvršćavanju čelika. To dovodi do toga da kao poslednja tečna faza gvožđe sulfid očvrsne po granicama zrna. Kako je gvožđe sulfid vrlo krt to dovodi do loma materijala već pri plastičnoj preradi u oblasti temparatura crvenog usijanja. Odatle vodi naziv — „crveni lom” ili „lom u crvenom”. Suprotno gvožđe sulfidu, mangan sulfid je teško topivo jedinjenje, tako da se u vidu nemetalnih uključaka izdvaha unutar zrna, što povoljno utiče na mehaničke osobine materijala. Ta osobina je posebno veoma korisna kod čelika za automate, koji inače imaju povećan sadržaj sumpora. Povećan sadržaj sumpora kod čelika za automate koristan je sa aspekta poboljšanja sposobnosti mašinske obrade materijala. Mangan snažno snižava kritičnu brzinu hlađenja što povećava sposobnost kaljenja čelika. Granica tečenja i zatezna čvrstoća se povećavaju sa povišenjem masenog udela mangana. Mangan takođe povoljno utiče na kovnost, sposobnost zavarivanja kao i povećanje dubine prokaljivosti. Maseni udeli preko 4% vode — pri sporijem hlađenju — stvaranju krte martenzitne strukture, tako da se ta oblast legiranja izbegava. Čelici sa preko 12% masenih udela mangana ostaju austenitni i pri istovremeno visokom sadržaju ugljenika, jer mangan snažno deluje na širenje γ-oblasti u faznom dijagramu Fe-Fe3C. Takvi čelici se mogu deformaciono plastično površinski ojačati uz istovremeno očuvanje duktilne centralne zone profila, što ovu sortu čelika čini izuzetno otpornom na habanje. Takav raspored, meka (duktilna) centralna zona i tvrd površinski sloj, daju ovom materijalu izuzetne eksploatacione mehaničke osobine. Čelici sa preko 18% masenih udela mangana ostaju čak i posle relativno visokog stepena plastične deformacije nemagnetični. Ova sorta čelika se često pod nazivom specijalni čelici koristi za izradu odgovornih delova koji rade u uslovima niskih temparatura. Mangan povećava toplotni koeficijent širenja, a pritom smanjuje toplotnu i električnu provodnost čelika.

Molibden (Mo)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 2.623 °C
  • izražena težnja ka stvaranju karbida
  • snažno sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C

Molibden se većinom legira u kombinaciji sa drugim legirajućim elementima. Molibden snažno snižava kritičnu brzinu hlađenja, što povećava sposobnost kaljenja čelika. U kombinaciji sa hromom niklom i manganom, molibden smanjuje sklonost ka krtosti posle otpuštanja, pospešuje stvaranje finijeg (sitnijeg) zrna, pozitivno deluje na sposobnost zavarivanja. Granica tečenja i zatezna čvrstoća se povećavaju sa povišenjem masenog udela molibdena. Pri većim masenim udelima molibdena dolazi do smanjenja sposobnosti mašinske obrade. Zbog izražene težnje ka stvaranju karbida, poboljšava osobine brzoreznih alatnih čelika. Primenjen kod visokolegiranih čelika legiranih hromom ili kod hrom-nikl-austenitnih čelika (molibden pomaže daljem povećanju korozione postojanosti). Dodatak molibdena kao legirajućeg elementa negativno deluje na vatrostalnost čelika.

Azot (N)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = −210 °C
  • snažno širi γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C

U zavisnosti od vrste i namene čelika azot se može posmatrati i kao štetan i kao koristan legirajući element. Štetne su pojave taloženja koje vode do sniženja sposobnosti izvlačenja, a u procesu starenja izazivaju takozvani „lom u plavom” (pri preradi u oblasti temperatura plavog usijanja — od 300 °C do 350 °C), ako ne i mogućnost pojave interkristalne naponske korozije kod nelegiranih ili niskolegiranih čelika. Kao legirajući element azot proširuje γ-oblast i stabilizuje austenitnu strukturu, povećava granicu tečenja kod austenitnih čelika, a posebno zateznu čvrstoću kao i ostale mehaničke osobine na povišenim temperaturama. U procesu nitriranja azot se može naneti u tankom površinskom sloju, čime se dobija veoma čvrst i tvrd površinski sloj, dok unutrašnjost ostaje originalno meka i žilava, čime se postižu optimalne karakteristike za delove koji su izloženi snažnom dinamičkom opterćenju.

Niobijum (Nb) i tantal (Ta)[uredi - уреди]

  • ttopljenja (Nb) = 2.477 °C, ttopljenja (Ta) = 3.017 °C
  • izražena težnja ka stvaranju karbida
  • snažno sužavaju γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C i Favorizuju stvaranje ferita

Zbog toga što u prirodi obično idu zajedno i uz to se veoma teško razdvajaju, ova dva elementa se primenjuju u legiranju čelika kao legura niobijuma i tantala. Zbog osobine da povećavaju vatrostalnost kao i otpornost na puzanje veoma često se koriste kao legirajući elementi za čelike koji rade u uslovima visokog pritiska i visoke temperature. Tantal ima veoma visok stepen apsorpcije neutrona tako da za čelike koji se primenjuju za izradu nuklearnih reaktora dolazi u obzir samo tantal-niobijum-legura sa veoma niskim masenim udelom tantala.

Nikl (Ni)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 1.455 °C
  • snažno širi γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C

Nikl povećava granicu tečenja i smanjuje krtost kod čelika negarantovanog sastava. U cilju povećanja žilavosti, nikl se dodaje kao legirajući element kod čelika za cementaciju i čelika za poboljšanje. Zbog toga što snažno širi γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C, nikl služi kao stabilizator austenitne strukture kod nerđajućih hrom-nikl-čelika. Legura gvožđa i nikla sa 36% masenog udela nikla, pod komercijalnim nazivom Invar, poseduje najmanji koeficijent termičkog širenja i — kao takva — nezamenljiv je matrijal u izradi mnogih mernih instrumentata.

Kiseonik (O)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = −219 °C
  • nepoželjan legirajući element

Kiseonik pogoršava tehničko-mehaničke osobine čelika, kao što su žilavost i sposobnost starenja. Kao i sumpor, kiseonik dovodi do „loma u crvenom” (lom u oblasti temparatura crvenog usijanja).

Fosfor (P)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 44 °C
  • nepoželjan (štetan) legirajući element izuzetno snažnog legirajućeg uticaja
  • snažno sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C

Postoji samo jedna sorta čelika kod koje je dozvoljen relativno visok sadržaj fosfora. To su čelici za automate. Fosfor iskazuje jaku tendenciju posebno ka primarnoj segregaciji, čije se štetno prisustvo usled relativno nikog koeficijenta difuzije fosfora — kako u austenitu tako i u feritu — veoma teško uklanja. Segregacije deluju kao slaba mesta u strukturi materijala na kojima po pravilu kreće propagacija prskotine, što za posledicu ima lom materijala. Pošto je skoro nemoguće sprečiti segregaciju fosfora odnosno pospešiti njegovu ravnomernu raspodelu unutar čvrstog rastvora, kao jedino rešenje ostaje maksimalno smanjenje masenog udela (od 0,03% do 0,05%). Fosfor već u malim količinama povećava osetljivost na pojavu krtosti materijala prilikom otpuštanja. Taj uticaj se povećava sa povećanjem masenog udela ugljenika. Takođe raste temperatura kaljenja, veličina zrna, kao i smanjenje sposobnosti plastične deformacije. Posledica svega toga može da bude „lom u hladnom”, kao posledica porasta krtosti materijala. U niskolegiranim čelicima negarantovanog kvaliteta koji imaju maseni udeo ugljenika oko 0,1%, povećan sadržaj fosfora povećava korozionu postojanost u odnosu na atmosferske uticaje. Sličan uticaj ima još jedan tzv. nepoželjni legirajući element — bakar. Dodatak fosfora kod austenitnih čelika (CrNi-čelici) — pored uticaja na procese taložnog ojačavanja — može povećati i granicu tečenja.

Olovo (Pb)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 327 °C

Olovo u principu nije istinski legirajući element u čeliku, jer njegov uticaj na mehaničke osobine skoro i da ne postoji. Dodaje se u količini između 0,2 i 0,5 masenih procenata, u cilju poboljšanja sposobnosti mašinske obrade. Jedna od primena olova je u izradi ležajeva, gde dolazi do izražaja nizak koeficijent trenja (frikcije) olova.

Sumpor (S)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 115 °C
  • u principu nepoželjan legirajući element veoma snažnog legirajućeg dejstva

Sumpor pogoršava tehničko-mehaničke osobine čelika, u prvom redu granicu tečenja. Zasebno ili u kombinaciji sa kiseonikom (pojačano dejstvo) dovodi do „loma u crvenom” (lom u oblasti temparatura crvenog usijanja). Sumpor se ipak dodaje kod čelika za automate u masenom udelu do maksimalno 0,3%, u cilju poboljšanja sposobnosti mašinske obrade rezanjem.

Antimon (Sb)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 631 °C
  • sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C
  • sklonost ka stvaranju segregacija (izuzetno štetna pojava pri livenju čelika)
  • nepoželjan legirajući element

Slično arsenu povećava krtost odnosno smanjuje žilavost materijala.

Silicijum (Si)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 1.414 °C
  • snažno sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C i Favorizuje stvaranje ferita

Silicijum je jako i veoma često primenjivano dezoksidativno sredstvo u proizvodnji čelika. Kao legirajući element silicijum povećava čvrstoću, granicu elastičnosti i otpornost na habanje. Sposobnost da poveća granicu elastičnosti dovodi do veoma česte primene silicijuma kao legirajućeg elementa u proizvodnji čelika za opruge. Legiran u većim masenim udelima, silicijum vodi poboljšanju vatrostalnosti i otpornosti na uticaj kiselina. Međutim visok sadržaj silicijuma utiče na smanjenje električne provodnosti i koercitivne sile.

Kalaj (Sn)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 232 °C
  • nepoželjan legirajući element veoma snažnog legirajućeg dejstva

Titanijum (Ti)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 1.668 °C
  • izražena težnja ka stvaranju karbida

Kao snažno dezoksidativno sredstvo sa izuzetnom težnjom ka stavranju karbida, titanijum se legira kao stabilizator u koroziono-rezistentnim čelicima (nerđajući čelici).

Vanadijum (V)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 1910 °C
  • izražena težnja ka stvaranju karbida

Kao i titan poseduje izuzetnu težnju ka stavranju karbida i nitrida. Vanadijum snažno deluje na vezivanje azota u čeliku. Dodatakom vanadijuma postiže se fina „sitnozrna” mikrostruktura, koja za posledicu ima poboljšanje mehaničkih osobina čeličnih odlivaka. Dodatak vanadijuma pozitivno deluje na otpornost na habanje (znog prisustava tvrdih karbida), dobre mehaničke osobine u radu na povišenim temparaturama, kao i povoljan uticaj na proces otpuštanja. Vanadijum se zbog ovoga legira kod brzoreznih alatnih čelika, alatnih čelika za rad u toplom, kao i kod alatnih čelika za rad na visokim temperaturama. Dolegiran u čelike za opruge, vanadijum vodi povećanju granice elastičnosti.

Volfram (W)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 3422 °C
  • izražena težnja ka stvaranju karbida

Volfram deluje veoma pozitivno na zateznu čvrstoću, granicu tečenja, kao i na žilavost čelika. Zbog toga što utiče na povećanje čvrstoće čelika na povišenim temparaturama — a uz to povećava i otpornost na habanje — volfram se legira kod brzoreznih alatnih čelika, kao i kod alatnih čelika za rad u toplom.

Cirkonijum (Zr)[uredi - уреди]

  • ttopljenja = 1855 °C
  • izražena težnja ka stvaranju karbida
  • sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C

Cirkonijum se ponaša kao snažno dezoksidativno, denitrifikaciono i desulfuraciono sredstvo. Kod čelika za automate, koji inače imaju poželjno uvećan sadržaj sumpora, cirkonijum deluje pozitivno na profil i sastav istaloženih sulfida, što smanjuje opasnost od pojave „loma u crvenom”.

Podjela vrsta čelika[uredi - уреди]

Krivulja hlađenja čistog željeza.
Dijagram stanja (fazni dijagram) željezo – ugljik prikazuje uvjete pod kojima su razne faze čelika stabilne.
Prikaz izbrušenog perlita pod povećanjem od 2000 puta.
Izljev čelika iz elektrolučne peći.

Čelik se može podijeliti prema mnogim osnovama: prema postupku proizvodnje, prema kemijskom sastavu, mikrostrukturi, svojstvima, namjeni i dr.

Podjela čelika prema postupku proizvodnje[uredi - уреди]

Masovna proizvodnja čelika je započela u 19. stoljeću otkrićem Bessemerovog i Thomasovog postupka. Čelik se danas proizvodi postupkom u konverterima s kisikom (LD postupak) ili u električnim pećima (elektrolučna peć, elektroindukcijska peć). U industrijski manje razvijenim državama još se koriste Siemens-Martinove peći. Osnovna sirovina za proizvodnju čelika u konverterima s kisikom je sirovo željezo. U električnim pećima pretaljuje se uglavnom stari otpadni čelik. Konvertor s kisikom i električna peć su uređaji za taljenje, a rafinacija taline (rafinacijski procesi) obavlja se u raznim reaktorima sekundarne metalurgije ili metalurgije u loncima, već prema svojstvu i kakvoći čelika. [2]

Prema kemijskom sastavu[uredi - уреди]

Prema kemijskom sastavu čelici se mogu podijeliti na:

  • Ugljični čelik: to je vrsta čelika u kojima odlučujući utjecaj na njegova svojstva ima ugljik, a drugih elemenata ima samo u količinama 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%, titanij < 0,05% i aluminij < 0,05%.
  • Legirani čelik: to je vrsta čelika u kojima odlučujući utjecaj na njegova svojstva imaju legirni elementi, tj. oni kemijski elementi koji se namjerno dodaju da bi se postigla određena svojstva. Niskolegirani čelici imaju do 5% dodanih elemenata, a visokolegirani više od 5%.

Nehrđajući čelik[uredi - уреди]

Nehrđajući čelik je slitina željeza i najmanje 10,5 % kroma, i ne oksidira na zraku za razliku od običnog čelika (oksid je crvene boje), ako nije na neki zaštićen od korozije.

Prema namjeni[uredi - уреди]

Prema namjeni čelici se mogu podijeliti na: [3]

  • Konstrukcijski čelik: to je ugljični čelik (obični ili plemeniti) s udjelom ugljika manjem od 0,6% ili legirani (uglavnom s manganom, silicijem, kromom, niklom, volframom). Koriste se za izradu čeličnih konstrukcija, sastavnih dijelova strojeva, aparata i različitih uređaja. Razlikuju se obični (ugljični ili niskolegirani) čelici za opću masovnu upotrebu i plemeniti (rafinirani) ugljični ili legirani čelici za dijelove s većim zahtjevima (dijelovi strojeva itd.);
  • Alatni čelik: to je plemeniti ugljični ili legirani čelik s udjelom ugljika od 0,6% do 2,06% ili legirani (uglavnom s kromom, volframom, vanadijem, molibdenom, kobaltom), a koriste se za izradu alata;
  • Specijalni čelik.

Prema mikrostrukturi[uredi - уреди]

Prema mikrostrukturi čelici se mogu podijeliti na:

Željena se mikrostruktura postiže sadržajem ugljika i procesom direktne ili naknadne toplinske obrade.

Eutektoidni čelik[uredi - уреди]

Eutektoidni čelik je čelik s 0,8% ugljika (masenih udjela), a naziva se i perlit. Perlit se sastoji od 88% ferita i 12% cementita (Fe3C). Eutektoidni čelik ili perlit ima u uvjetima polaganog hlađenja perlitnu mikrostrukturu, koja se sastoji od naizmjenično raspoređenih lamela ferita i cementita. Lamele ferita su oko sedam puta deblje od lamela cementita i mogu se vidjeti samo kod većeg povećanja optičkog mikroskopa. [4]

Podeutektoidni čelik[uredi - уреди]

Polagano hlađenje podeutektoidnog čelika s 0,4% C (masenih udjela) karakterizira slijedeće:

  • na temperaturi iznad 800 ºC čelik ima austenitnu mikrostrukturu.
  • na temperaturi malo iznad 723 ºC mikrostruktura čelika sastoji se od ferita s 0,025 % C i austenita eutektoidnog sastava s 0,8 % C. Ferita ima 51,6% i austenita ima 48,4%.
  • na temperaturi ispod 723 ºC austenit eutektoidnog sastava raspada se u perlit , pa se mikrostruktura sastoji od 51,6 % ferita (proeutektoidnog) i 48,4 % perlita. Ferita ima 94,4% i cementita ima 5,6%. Na osnovi ovih podataka može se zaključiti slijedeće: 94,4 % ferita sastoji se od 51,6 % proeutektoidnog ferita i 42,8 % eutektoidnog ferita, a 48,4 % perlita sastoji se od 42,8 % eutektoidnog ferita i 5,6 % cementita (Fe3C).

Kada se podeutektoidni čelik hladi polako ispod 911 ºC dolazi do precipitacije ferita na granicama austenitnog zrna. Ukoliko je hlađenje brže ili su zrna austenita veoma velika, ferit koji je kristalografski orijentiran kao i austenit, više neće precipitirati na granicama austenitnog zrna kao ekviaksijalna zrnca, već u obliku iglica ili pločica, pa nastaje tzv. Widmanstattenova struktura ili Widmanstättenove figure.

Nadeutektoidni čelik[uredi - уреди]

Polagano hlađenje nadeutektoidnog čelika s 1,2% C (masenih udjela) karakterizira slijedeće:

  • na temperaturi iznad 840 ºC čelik ima austenitnu mikrostrukturu.
  • na temperaturi malo iznad 723 ºC mikrostruktura se sastoji od austenita i sekundarnog cementita, koji se izlučuje na granicama austenitnog zrna. Austenita ima 93,2% i cementita ima 6,8%.
  • na temperaturi malo ispod 723 ºC austenit eutektoidnog sastava raspada se u perlit, pa se mikrostruktura čelika sastoji od 93,2 % perlita i 6,8 % proeutektoidnog cementita. Ferita ima 82,3% i cementita ima 17,7%. Na osnovi toga može se zaključiti slijedeće: 93,2 % perlita sastoji se od 82,3 % ferita i 10,9 % cementita (Fe3C), a 17,7 % cementita sastoji se od 10,9 % eutektoidnog cementita i 6,8 % proeutektoidnog cementita.

Prema načinu prerade[uredi - уреди]

Prema načinu prerade čelici se mogu podijeliti na:

Vrste čelika[uredi - уреди]

Po DIN EN 10020 postoje samo dve glavne klase čelika (naš JUS je ustvari srećom samo bio preveden DIN):

Danas je registrovano negde oko 2.500 različitih vrsta čelika.

Dalje deljenje na podgrupe vrši se prema legurajućim elementima, mikrostrukturi i mehaničkim osobinama.

Povijest i današnja proizvodnja čelika u svijetu[uredi - уреди]

Čelik je bio poznat već u antičko doba. Najstariji otkriveni čelični predmet pronađen je u Anatoliji, starost mu je procijenjena na 4.000 godina. [5] Povijest metalurgije željeza započinje još u prapovijesno doba, ali se ne zna je li prvo željezo proizvedeno slučajno, kad je prapovijesni čovjek naložio vatru na ležištu čiste željezne rude ili je koristeći se već stečenim iskustvom u topljenju bakarne rude primijenio isti postupak na željeznu rudu. Taj postupak je bio prilično jednostavan: u plitkom ognjištu se željezna ruda pokrila drvenim ugljenom, koji se zatim zapalio, pa je ispod vatre nastala gnjecava i spužvasta željezna masa (spužvasto željezo). Da bi se iz spužvastog željeza dobilo tehničko željezo ili čelik ovisilo je prije svega od kvalitete željezne rude.

Plitko ognjište je bilo vrlo jednostavne konstrukcije. Sastojalo se od gnijezda oslonjenog na jedan zid, kroz koji je prolazila mlaznica mijeha za raspirivanje vatre. Gnijezdo se je ispunilo izmjenično slojevima željezne rude i drvenog ugljena, koji su se zatim zapalili. Puhanjem zraka kroz mijeh povisila bi se temperatura, tako da bi iz drvenog ugljena nastajao ugljikov monoksid, koji je vezao kisik iz željezovih oksida (uglavnom hematit), te se dobivalo spužvasto željezo i ugljikov dioksid. Pri tome je dobar dio željeza i dalje ostao vezan s kisikom (željezovi oksidi), te zajedno s nečistoćama kao tekuća troska otjecao iz ognjišta. Spužvasto željezo se skupljalo na dnu ognjišta sve dok ga ne bi potpuno ispunilo, pa bi se izvadilo i kovanjem bi se istiskivali ostaci troske i nečistoća (kovano željezo). Omjer između težine željezne rude i drvenog ugljena je bio otprilike 1 : 4. Ovim postupkom se dobivalo tek oko 12,5% željeza iz željezne rude, a težina spužvastog željeza je iznosila do 70 kilograma. Ovakva plitka ognjišta su se održala u Štajerskoj i Šleziji sve do 18. stoljeća. [6]

Svjetska proizvodnja čelika iznosila je 2011. oko 1490 milijuna tona. Kina je prema podacima iz 2011. najveći svjetski proizvođač čelika (683,3 milijun tona) s oko 45,9% ukupne svj. proizvodnje.

Poveznice[uredi - уреди]

Izvori[uredi - уреди]

  1. http://hjp.srce.hr/index.php?show=search_by_id&id=f1tuWRk%3D
  2. "Tehnička enciklopedija", glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod Hrvatske, 1987.
  3. "Strojarski priručnik", Bojan Kraut, Tehnička knjiga Zagreb 2009.
  4. [1] "Metali", www.ffri.uniri.hr, 2011.
  5. [2] "Povijesni razvitak materijala", www.riteh.uniri.hr, 2011.
  6. [3] "Fizikalna metalurgija I", dr.sc. Tanja Matković, dr.sc. Prosper Matković, www.simet.unizg.hr, 2011.

Literatura[uredi - уреди]

  • "Svojstva i primjena materijala", Filetin, Kovačiček, Indolf, Zagreb 2002.g.,
  • Udžbenik za treći razred gimnazije „Anorganska kemija“, Sandra Habuš – Dubravka Stričević – Vera Tomašić. Izdavač: PROFIL INTERNATIONAL, tisak: tiskara Meić, Uporabu udžbenika odobrilo je Ministarstvo prosvjete i športa Republike Hrvatske rješenjem KLASA: *, od 3. Srpnja 1998.g.
  • Ashby, Michael F.; Jones, David Rayner Hunkin (1992). An introduction to microstructures, processing and design. Butterworth-Heinemann. 
  • Bugayev, K.; Konovalov, Y.; Bychkov, Y.; Tretyakov, E.; Savin, Ivan V. (2001). Iron and Steel Production. The Minerva Group, Inc.. ISBN 978-0-89499-109-7. http://books.google.com/?id=MJdIVtmwuUsC. pristupljeno 2009-07-19. .
  • Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003). Materials and Processes in Manufacturing (9th izd.). Wiley. ISBN 0-471-65653-4. 
  • Gernet, Jacques (1982). A History of Chinese Civilization. Cambridge: Cambridge University Press.
  • Verein Deutscher Eisenhüttenleute (Ed.). Steel - A Handbook for Materials Research and Engineering, Volume 1: Fundamentals. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg and Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1992, 737 p. ISBN 3-540-52968-3, ISBN 3-514-00377-7.
  • Verein Deutscher Eisenhüttenleute (Ed.). Steel - A Handbook for Materials Research and Engineering, Volume 2: Applications. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg and Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1993, 839 p. ISBN 3-540-54075-x, ISBN 3-514-00378-5.
  • Smith, William F.; Hashemi, Javad (2006). Foundations of Materials Science and Engineering (4th izd.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-295358-6. 

Vanjski linkovi[uredi - уреди]

Ostali projekti[uredi - уреди]

Commons-logo.svg U Wikimedijinoj ostavi ima još materijala vezanih za: Čelik