Repetitorij 2

Uredila: Vera Rede

Korozijski postojani čelici

Na brzinu i vrstu mehanizama korozijskih procesa utječu:

unutrašnji faktori:

– sastav čelika i ujednačenost sastava po presjeku, – čistoća i udjel uključaka u čeliku, – mikrostruktura – stanje i strukturna anizotropija, – raspodjela naprezanja.

vanjski faktori:

– vrsta medija i njegov sastav, – promjena sastava u radnim uvjetima, – temperatura okolnog medija, – tlak okolnog medija, – brzina strujanja medija, – mehanička i tribološka naprezanja, – djelovanja elektromagnetskog polja i radioaktivnog zračenja i sl.

Korozijski postojani čelici

Uvjeti korozijske postojanosti čelika barem 12 %Cr i to u čvrstoj otopini - homogena monofazna mikrostruktura Na intenzivnost pasivacije čelika utječu maseni udjeli i drugih legirnih elemenata – Ni, Mo, W, Ti i Al, koji moraju biti otopljeni u kristalu mješancu željeza.

Maseni udio

ugljika

također djeluje na korozijsku postojanost.

Korozijski postojani čelici

LEGIRNI ELEMENTI

maseni udio željeza je između 50 i 88 % najvažniji legirni element za sve nehrđajuće čelike je

krom

za austenitne i dupleks čelike jednako važan je i

nikal

svi nehrđajući čelici također sadrže

Mn

i

Si

- ostali legirni elementi koji se po potrebi dodaju su:

Mo, Ni, Ti, Al, Cu, W, V, N

i dr. poboljšavaju obradljivost, korozijsku postojanost ili neko mehaničko svojstvo i utječu na mikrostrukturnu ravnotežu.

Legirni elementi karbidotvorci:

Cr, Mo, Nb, Ti, W, Ta

i

V

Legirni elementi u precipitatima:

Al, Ti, Cu

i

Mo

Legirni elementi austenotvorci:

Ni, Mn, N, Cu, Co

Legirni elementi feritotvorci:

Cr, Mo, Nb, Ti, V, Si, Al Intersticijski elementi: C i N

Korozijski postojani čelici

Prema mikrostrukturi nehrđajući čelici se dijele na: - austenitne (fcc) - feritne (bcc) - martenzitne (bct) - dupleks (fcc+bcc) precipitacijski očvrsnute - PH

Cr ekv

=%Cr+2(%Si)+1,5(%Mo)+5(%V)+5,5(%Al)+1,75(%Nb)+1,5(%Ti)+0,75(%W)

Ni ekv

= %Ni +%Co +30(%C) +25(%N) +0,5(%Mn) +0,3(%Cu)

Korozijski postojani čelici

SUSTAV ŽELJEZO-KROM Ravnotežni fazni dijagram sustava Fe-Cr Utjecaj ugljika na širenje austenitnog područja u sustavu Fe-Cr

Korozijski postojani čelici

Pojavni oblici korozije

Korozijski postojani čelici Opća (jednolična) korozija

stupanj opis postojanosti 0 1 2 3 potpuna praktički postojano slabo postojano nepostojano gubitak mase, g/m 2 h < 0,1 0,1...1,0 1,0...10

> 10 smanjenje debljine lima, mm/god.

< 0,11 0,11...1,1 1,1...11

> 11

Korozijski postojani čelici Točkasta – jamičasta ("pitting") korozija DS = %Cr + 3,3·(%Mo) + 30·(%N)

Prema iskustvu, umjerenu otpornost na jamičastu koroziju čelik ima uz DS preko 25, a veliku uz DS > 35.

Točkasta korozija nastupa ponajprije u otopinama halogenida (Cl -1 , Br -1 , I -1 ioni) i često zajedno s napetosnom korozijom.

Otpornost čelika povisuje se legiranjem s Mo i uz povišen %Cr (oko 30 %) kod feritnih čelika, povišenjem pH-vrijednosti na 10 i sniženjem temperature medija.

Korozijski postojani čelici Interkristalna korozija

-

Duljim zadržavanjem između 425 i 870°C formiraju se po granicama zrna karbidi tipa M

23

C

6

. Količina karbida ovisi o temperaturi i vremenu.

-

Formiranje karbida smanjuje sadržaj kroma u području oko granice zrna. Ako udio Cr padne ispod 12% može doći do interkristalne korozije.

Ovom tipu korozije su podložni i austenitni Cr-Ni čelici i feritni Cr-čelici, koje inače smatramo potpuno korozijski postojanim. Martenzitni čelici nisu podložni ovom tipu korozije.

Korozijski postojani čelici Napetosna korozija

Nastupa kada je dio istovremeno izložen djelovanju agresivnog medija i vlačnog naprezanja. Ovaj tip korozije nastupit će najčešće na hladno deformiranim lokalitetima (npr. hladno deformirana koljena cjevovoda), ili u okolini zavarenih mjesta gdje su povećana zaostala naprezanja.

Pukotine napreduju okomito na smjer vlačnog opterećenja, a šire se intrakristalno ili transkristalno, a ne po granicama zrna.

Korozijski postojani čelici

Pukotina izazvana napetosnom korozijom u mediju s kloridnim ionima (SCC) u čeliku 316

Jedna od najopasnijih vrsta napetosne korozije je sulfidna (SSC –

Sulphide Stress Cracking

) koja može nastupiti ako je vlačno napregnut dio u dodiru sa sumporovodikom (H 2 S). Čelici su to osjetljiviji na SSC što im je više čvrstoća (tvrdoća).

Prihvatljive su vrijednosti

R

p 0,2 < 660 N/mm 2 , odnosno tvrdoće HRC < 22.

Na povećanje otpornosti na SSC legiranje čelika ne djeluje. Austenitni Cr Ni čelici pokazuju dobru otpornost na SSC.

Žarenje za smanjenje zaostalih naprezanja na 850 do 900 °C smanjuje predispoziciju za pojavu napetosne korozije.

Korozija u rasporu Korozijski postojani čelici

Nastaje ako spoj dva dijela ima zračnost dovoljno veliku da u nju uđe elektrolit, ali istovremeno premalu da dođe do obnavljanja dotoka elektrolita i kisika. To su npr.: nedovoljno pritegnuta matica na vijku, spoj zakovice i lima, preklop dva lima, nakupine metalnih i nemetalnih spojeva (oksida) i slično.

Ovaj oblik korozije je intenzivniji u kloridnim otopinama (morska voda).

FERITNI ČELICI

Korozijski postojani čelici

-

osnovni legirni element: Cr (12 ...30%)

-

ostali legirni lementi: Mo, Si, Al, Ti, N, Nb, S, Se

-

sadržaj C: (0,01 ...0,2 %)

-

omjer Cr/C treba biti što veći R

m

= 415-585 N/mm

2

R

e

= 240-380 N/mm

2

ε = 20-30 %

Tip 444 XM-27 25-4-4 29-4 29-4C 29-4-2 405 430 434 442 446 409 409 409 409 436 439 468 C Mn P 0,08 0,12 0,12 0,20 0,20 1,00 1,00 1,00 1,00 1,50 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,08 0,030 0,030 1,00 1,00 1,00 0,045 0,040 0,040 0,030 0,12 0,030 1,00 1,00 1,00 0,040 0,040 0,040 0,030 1,00 0,040 0,025 1,00 0,040 0,010 0,025 0,40 1,00 0,020 0,040 0,010 0,030 0,30 1,00 0,025 0,040 0,010 0,30 0,025 S

Korozijski postojani čelici

0,030 0,030 0,030 0,040 0,030 0,030 0,020

Maseni udio elemenata, %

1,00 Si Cr Ni Mo

FERITNI ČELICI

N 11,5-14,5 0,60 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 16,0-18,0 16,0-18,0 10,5-11,7 0,75 0,50 0,75-1,25 18,0-23,0 10,5-11,7 0,60 0,50 23,0-27,0 0,75 0,25

Druga generacija (dodatak jakih karbidotvoraca)

10,5-11,75 0,50 0,030 0,030 1,00 Cu Al 0,10-0,30 0,020 0,020 0,030 0,030 0,030 0,030 0,020 0,030 0,020 0,030 0,020 1,00 1,00 1,00 1,00 18,0-20,0 0,50 0,030 1,00

Treća generacija (vrlo malo ugljika i/ili jaki karbidotvorci)

17,5-19,5 1,00 1,75-2,00 0,035 0,04 0,75 25,0-27,5 24,5-26,0 0,50 3,5-4,5 0,75-1,50 3,5-4,5 0,015 0,035 0,20 0,20 1,00 10,5-11,7 16,0-18,0 17,0-19,0 28,0-30,0 28,0-30,0 0,50 0,50 0,15 1,00 0.75-1,25 3,5-4,2 3,6-4,2 0,030 0,030 0,020 0,045 0,15 0,20 28,0-30,0 2,0-2,5 3,5-4,2 0,020 0,15 Ti 6xC-0,75 6xC-0,50 8x(C+N)min.

0,15-0,50 0,05 min 0,15[0,20+ 4(C+N)]-1,10 0,07-0,3 Ti+Nb=[0,20+ 4(C+N)]-0,80 Ti+Nb=[0,20+ 4(C+N)]-0,80 Ti+Nb=0,20-1,00 Ti+Nb=6(C+N)min Nb 0,17 0,10 5xC-0,80 0,10-0,60 0,05-0,20 -

Korozijski postojani čelici

•relativno su mekani, •magnetični su, •slabo su oblikovljivi deformiranjem, •bolje obradljivi odvajanjem čestica od austenitnih čelika, •relativno slabo zavarljivi zbog sklonosti pogrubljenju zrna grijanjem iznad 900 °C, •postojani su prema oksidirajućim kiselinama (HNO3) i neosjetljivi na plinove koji sadrže sumpor, za razliku od Cr-Ni austenitnih čelika, •nisu osjetljivi na pojavu napetosne korozije čak i u kloridnim otopinama, •umjereno su postojani na pojavu rupičastu koroziju ako sadrže Mo, •nisu otporni na rastaljene metale – Al, Sb i Pb, soli i reducirajuće medije, •niže su cijene od ostalih nehrđajućih čelika, •

ne mogu se očvrsnuti toplinskom obradom

•skloni su lomljivosti pri niskim temperaturama.

- ne primjenjuju se iznad 400 °C

-

senzibilizacija nastupa na temperaturi višoj od 925°C

-

od 650 do 815 °C izlučuju se intermetalne faze - σ i χ

-

α’ faza izlučuje se između 400 i 550°C → “krhkost 475°C”

Korozijski postojani čelici

Superferitni čelici (ELA –

Extra Low Additions)

MARTENZITNO FERITNI ČELICI

sadrže do 0,20 %C i 13...17 %Cr optimalna svojstva postižu u kaljenom i visokopopuštenom stanju njihova je čvrstoća, tvrdoća i otpornost na trošenje viša od feritnih čelika korozijska postojanost im je lošija postojani su na djelovanje vode, vodene pare i vlažnog zraka X10Cr13 (Č4170), X15Cr13 (Č4171), X7CrAl13, X12CrS13, X15CrMo13 Primjena: pribor za jelo, dijelovi vodnih turbina, kirurški instrumente, strojni dijelove u proizvodnji nitratne (dušične) kiseline itd.

Korozijski postojani čelici

MARTENZITNI ČELICI

-

osnovni legirni element: Cr (12 ...18 %) sadržaj C: do 1,2 % (Cr i C imaju najveći utjecaj na svojstva)

-

ostali legirni elementi: Ni, Nb, Si, W, V, Se, S, N, Cu, Mn

U odnosu na feritne i austenitne čelike imaju višu tvrdoću i čvrstoću te otpornost na trošenje.

Mikrostruktura: martenzit ili martenzit +karbidi

Korozijski postojani čelici

AUSTENITNI ČELICI

visokolegirani čelici s Cr i Ni (Mn) koji proširuju austenitno područje sve do normalnih temperatura

≤ 2%

-

osnovni legirni elementi: Cr (16 ... 26%), Ni (8 ... 35%), i Mn

-

dodatni legirni elementi: Mo, N, Al, Cu, Ti, Nb, Ta, Se, S

• •

poboljšavaju otpornost na neku specifičnu koroziju

•

poboljšavaju mehanička svojstva (N) poboljšavaju obradivost (Se,S) 4…15,5% + N do 0,4% Može se smanjiti Ni ≤ 7% %C treba biti što niži (≤ 0,02%) Mikrostruktura: austenit austenit + delta ferit

Korozijski postojani čelici

AUSTENITNI NEHRĐAJUĆI ČELICI

≤ 2%

-

osnovni legirni elementi: Cr (16 ... 26%), Ni (8 ... 20%), i Mn

-

dodatni legirni elementi: Mo, N, Al, Cu, Ti, Nb, Ta, Se, S

• •

poboljšavaju otpornost na neku specifičnu koroziju

•

poboljšavaju mehanička svojstva (N) poboljšavaju obradivost (Se,S) 4…15,5% + N do 0,4% Može se smanjiti Ni ≤ 7% %C treba biti što niži (0,03 … 0,08%) Mikrostruktura: austenit austenit+delta ferit

Korozijski postojani čelici

Svojstva austenitnih čelika:

Tvrdoća: do 100 HRB R

m

: 520-760 N/mm

2

(>1200 N/mm 2 R

p0,2

: 205-275 N/mm

2

A = 40-60 % hladno vučena žica) (R

p0,2

: 345-480 N/mm

2

) Za čelike s povećanim udjelom Mn i N -

Neke karakteristike austenitnih čelika

nisu magnetični

-

dobro oblikovljivi u hladnom stanju

-

mogu očvrsnuti samo hladnom deformacijom

-

vrlo dobra žilavost na vrlo niskim temperaturama

-

visoka otpornost na puzanje na visokim temperaturama

-

osjetljivi su na senzibilizaciju, skloni precipitaciji intermetalnih faza između 540 i 900°C , osjetljivi na formiranje martenzita,

-

mogu sadržavati δ-ferit što smanjuje otpornost na rupičastu i koroziju u procjepu, smanjuje istezljivost i žilavost, otežava toplu preradu, povećava opasnost od nastanka sigma faze na povišenoj temperaturi, pogoduje senzibilizaciji ako je “umrežen”.

Korozijski postojani čelici

DUPLEKS ČELICI

-

struktura sastavljena od ferita (bcc) i austenita (fcc)

-

omjer faza ovisi o sastavu i toplinskoj obradi – većinom 50:50

-

osnovni legirni elementi: Cr i Ni ; ostali: N, Mo, Cu, Si, W

-

otpornost na koroziju je slična otpornosti austenitnih čelika

-

R

m

i R

p0,2

viša nego kod austenitnih čelika

-

žilavost je između feritnih i austenitnih

Tvrdoća: 250 do 350 HV R

m

: 700-1100 N/mm

2

R

p0,2

: 500-800 N/mm

2

URL, KV: <170 J

Korozijski postojani čelici

PRECIPITACIJSKI OČVRSNUTI ČELICI

• •

Osnovni legirni elementi: Cr, Ni Dodatni legirni elementi: Cu, Al, Ti, Nb, Mo i N Osnovne karakteristike: Visoka vlačna čvrstoća (860 do 1520 N/mm

2

) Visoka granica razvlačenja (515 do 1415 N/mm

2

) -

postiže se precipitacijskim očvrsnućem tj. izlučivanjem sitnih, tvrdih čestica (precipitata) u matrici.

Precipitati:

intermetalni spojevi - nitridi, Lavesova faza (Fe, Nb i Mo), bakrom bogate faze, i sl.

Matrica:

austenitna ili martenzitna

Korozijski postojani čelici

Podjela korozijski postojanih PH čelika:

- austenitni

Ms << To ... nema transformacije A → M

- martenzitni

Ms i Mf > To ... potpuna transformacija A → M

- semiaustenitni

Ms < To

Čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama

Radne temperature od 180...450 °C za čelik su povišene, a one iznad 450 °C visoke Zadovoljavajuća mehanička svojstva kod metalnih materijala postižu se do temperatura od 2/3 

T

t termoenergetska postrojenja – generatori pare (parni kotlovi), plinske i parne turbine, kemijska i procesna postrojenja, metalurški pogoni, motori s unutarnjim izgaranjem, rakete i svemirski brodovi i sl.

Većina tih uređaja i postrojenja mora raditi i nekoliko godina bez prekida, a ukupni radni vijek za ugrađene materijale iznosi i preko 20 godina. Tipične pojave vezane uz mehanička svojstva pri povišenim i visokim temperaturama:

1.

Sniženje granice razvlačenja, vlačne čvrstoće i modula elastičnosti te povišenje istezljivosti, suženja poprečnog presjeka i žilavosti 2. Pojava puzanja 3.

Sniženje dinamičke izdržljivosti

Čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama

Promjena mehaničkih svojstava s povišenjem temperature Pojava puzanja pri visokim temperaturama Promjena savojne dinamičke izdržljivosti austenitnog čelika X10NiCrWTi36 15 povišenjem temperature

Čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama

Za mehanički opterećene dijelove konstrukcija izvrgnutih povišenim temperaturama bitna su sljedeća mehanička svojstva:

R

p 0,2/  vrijednost konvencionalne granice razvlačenja pri radnoj temperaturi;

R

m/  – vrijednost vlačne čvrstoće pri radnoj temperaturi;

E

 – vrijednost modula elastičnosti pri radnoj temperaturi;

A

 – vrijednost istezljivosti pri radnoj temperaturi;

R

p 1/t/  – vrijednost granice puzanja pri nekoj temperaturi za definirano vrijeme ispitivanja 1 000, 10 000, 100 000 sati.

R

DVM/  – granica puzanja po DVM pri definiranoj temperaturi;

R

m /t/  – vrijednost statičke izdržljivosti pri definiranoj temperaturi za određeno vrijeme djelovanja opterećenja – 10 000, 100 000 ili 200 000 sati. To je ono naprezanje koje nakon definiranog vremena djelovanja na nekoj temperaturi izaziva lom.

Čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama

Ovisnost karakteristika mehaničke otpornosti o temperaturi za dvije vrste čelika Do radnih temperatura iznad kojih prema vrijednostima počinje puzanje, dijelovi se proračunavaju mehaničkih svojstava dobivenim statičkim vlačnim kratkotrajnim opterećenjem. Iznad te granične temperature veličine za izbor materijala i proračun su granica puzanja i statička izdržljivost.

Čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama

Smjernice za poboljšavanje mehaničke otpornosti pri povišenim temperaturama: čelici trebaju po mogućnosti sadržavati u kristalu mješancu legirne elemente koji koče pokretljivost atoma – na primjer Mo i Co, čelici se legiraju elementima (Cr, Mo, W, V, Ti) koji tvore teško topive stabilne spojeve – karbide, nitride i intermetalne faze koji u obliku sitno disperziranih čestica otežavaju gibanje dislokacija,

austenitna mikrostruktura

s gusto složenom FCC rešetkom daje manju pokretljivost atoma nego feritna (BCC) pa je veći otpor sklizanju atoma i otežan proces difuzije

bainitna mikrostruktura

oko 500 °C daje optimalnu otpornost na puzanje pri temperaturama poželjno je da toplinski čvrsti čelici imaju

grublje zrno

jer je tada ukupna površina granica zrna manja, što znači i ukupno kraća mjesta niže čvrstoće

Čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama

Čelici mehanički otporni pri povišenim temperaturama

1.

2.

3.

4.

ugljični (nelegirani) čelici, niskolegirani čelici, visokolegirani martenzitni čelici, visokolegirani austenitni čelici.

S obzirom na temperaturno područje primjene

Ad 1 Čelici za kotlovske limove:

Kotlovski čelici isporučuju se u obliku toplovaljanih limova ili ploča, a primjenjuju se za izradu oplate parnih kotlova, a pri okolišnoj temperaturi i za cijevi te spremnike većih promjera.

• dovoljna čvrstoća pri povišenim temperaturama radi djelovanja tlaka, • zadovoljavajuća duktilnost (žilavost) kako bi se plastičnom deformacijom razgradila lokalna koncentracija naprezanja ili iznenadna preopterećenja; • otpornost na starenje radi toga što čelik može biti hladno očvrsnut tijekom oblikovanja čelika, • mjerena postojanost prema vodi, vodenoj pari i lužinama kao i otpornost na interkristalnu koroziju, • vrlo dobra zavarljivost

Čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama

Nelegirani čelici za kotlovske limove (izvod iz DIN-a 17175

Oznaka čelika EN stara HRN Kemijski sastav, % 1) C maks Mn min R m , N/mm 2

20

R p0,2 min, N/mm 2 pri



C

200 400

P235GH P265GH Č1202 Č1204 Č1206 0,16 0,20 0,22 0,40 0,50 0,55 350...450

410...500

440...530

210 240 260 160 180 210 100 120 140

- istezljivost

A

5 min = 9810/

R

m, %,

400

90 100 120

R DVM , N/mm 2 pri



C

450

50 60 80

475

(30) (40) (50)

- udarni rad loma KU = 58 J nakon starenja pri 250 °C/1...2 sata.

Ad 2 Niskolegirani čelici s Mo ili Mo i Cr, a kod nekih vrsta i V :

- maseni udio ugljika < 0,25 %C karbidi (Mo 2 C, Cr 7 C 3 ) usporavaju puzanje, povećavaju prokaljivost i otpornost na popuštanje feritno-perlitna mikrostruktura ako su normalizirani, ili bainitna ako su poboljšani Mo sprječava pojavu krhkosti popuštanja i povisuje temperaturu rekristalizacije. Krom povisuje mehaničku otpornost, istezljivost i oksidacijsku postojanost. PRIMJENA: u termoenergetskim postrojenjima od 450 do 580 °C 15Mo3 13CrMo4-5 10CrMo9-10 22CrMo4-4 24CrMoV5-5

Čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama

Ad 3 Visokolegirani čelici – super 12 %Cr martenzitni čelici

(do 600 °C) Mo (oko 1 %) i do 12 %Cr nisu podložni "krhkosti 475" - skupina je razvijena iz martenzitne vrste X20Cr13 sastav je modificiran kako bi se ostvarila veća mehanička otpornost pri

T pov

istovremeno veliku postojanost na opću koroziju. uz martenzitna mikrostruktura + karbidi Mo, Cr, V + precipitati intermetalnih faza povećanje otpornosti na puzanje U čvrstoj otopini ima < 12 %Cr –> nisu potpuno korozijski postojani.

Primjenjuju

se za dugotrajni rad pri temperaturama od 550 do 600 °C za sljedeće dijelove: lopatice, rotore i kućišta parnih turbina, brodske propelere, cijevi pregrijača pare, dijelove otporne na djelovanje morske vode, komprimirani vodik i slabije organske kiseline, dijelove uređaja u industriji papira, umjetnih vlakana, celuloze, nafte i plina itd

Čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama

Ad 4 - Austenitni Cr-

Ni čelici od 600 do 750 °C

Mehanička otpornost pri visokim temperaturama ostvarena je: FCC rešetkom - legiranjem s Mo, W, V, Ti i Nb ( karbidi, precipitati toplinski postojanih intermetalnih faza ) - kombinacijom postupaka toplo/hladnog valjanja i dozrijevanja ("starenja") većina se austenitnih čelika primjenjuje u gašenom stanju, neki nakon gašenja dozrijevaju pri temperaturama koje su više od radnih, - neki se toplo/hladno valjaju i stare, neki su višestruko visokolegirani te dozrijevanjem vrlo jako očvršćavaju. Uz veliku otpornost na puzanje austenitni postojanost, odnosno vatrootpornost.

čelici imaju i vrlo dobru kemijsku

Čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama

Vatrootporni čelici

Pri temperaturama višim od 550 °C dolazi kod čelika do kemijske (plinske) korozije izazvane intenzivnom

oksidacijom

.

Na površini nelegiranih čelika stvaraju se slojevi oksida željeza FeO, Fe 3 O 4 i Fe 2 O 3 ovi slojevi se ljušte, stvaraju se novi oksidi Legiranjem čelika s

Cr

,

Si

i

Al

, stvaraju se u površinskom sloju oksidi Cr 2 O 3 , Al 2 O 3 , SiO 2 ili MoO 2 Čelik postaje

otporan ljuskanju

ili

vatrootporan

kompaktni, štite čelik od stvaranja ogorine u obliku ljuski

Za potpunu vatrootpornost gubitak mase ne smije biti viši od 1 g/m 2 h (pri definiranoj temperaturi) ili najviše 2 g/m 2 h (pri 50 °C višoj temperaturi) uz 120 sati izloženosti struji plinova koji sadrže kisik. Svaka 24 sata ispitni uzorak se hladi i s njega skida ogorina

Čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama

Od vatrootpornih čelika u praksi se često traži još i dovoljna na puzanje izražena preko vrijednosti granice puzanja

R

p1

mehanička otpornost

tj. dovoljna granica razvlačenja pri povišenim temperaturama i dovoljna otpornost za 1000 sati. Vatrootporni čelici su ili

feritne

ili

austenitne

strukture. imaju manju otpornost na puzanje, ali su zato otporniji na plinove koji sadrže sumpor otporni na puzanje i plinove s mnogo dušika

Primjeri primjene

vatrootpornih čelika: - dijelovi lo žišta generatora pare koji su u dodiru s vatrom i vrućim plinovima cijevi, re šetke ložišta, pregrijači zraka, dijelovi metalurških peći – žarne komore, lonci za žarenje, rešetke i košare za šaržiranje dijelova u pećima za toplinsku obradu

Čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama U radu su izloženi:

Čelici za ventile motora

- vrlo visokim temperaturama (ispušni do 700 °C, a ponekad i preko 900 °C, a usisni do 500 °C) promjenama temperatura (toplinski šokovi) - djelovanju agresivnih plinova mehaničkom opterećenju

Zato moraju imati:

- dovoljnu čvrstoću i dinamičku izdržljivost pri povišenim temperaturama, - dobru otpornost na oksidaciju i koroziju, - malu toplinsku rastezljivost i veliku toplinsku vodljivost, - veliku otpornost na trošenje.

Čelici za rad pri povišenim i visokim temperaturama

- usisni ventili

slabije opterećeni izrađuju se od čelika za poboljšavanje: C45, C60 i 60Si7 za jače opterećene usisne ventile koriste se

martenzitni Cr-Si

nadeutektoidni čelici s <13 %Cr i 2...3 % Si koji se kale i visoko popuštaju.

Ispušni ventili

izrađuju se od visokougljičnih visokolegiranih

martenzitnih

Si-Mo-W, Cr-Si V čelika. Za najjače napregnute ispušne ventile:

austenitni

Cr-Ni-W ili

austenitni

Cr-Ni-Mn N čelici s povišenim masenim udjelom ugljika koji očvršćuju precipitacijom krhke  -faze Cr Relativno mala otpornost na trošenje povisuje se navarivanjem rubova tanjura ventila tvrdim legurama Co-Cr-W (

Stellit

) ili Ni-Cr-Fe Visokolegirani čelici imaju malu toplinsku vodljivost pa se odvođenje topline rješava primjenom nelegiranih čelika za stablo ventila ili unutarnjim hlađenjem stabla

Čelici za rad pri niskim temperaturama

Sniženjem temperature padaju vrijednosti: duktilnosti – istezljivosti, kontrakcije presjeka, udarnog rada loma (žilavosti), toplinske rastezljivosti i toplinske vodljivosti, specifičnog toplinskog kapaciteta Rastu: tvrdoća, vlačna čvrstoća i granica razvlačenja te osjetljivost na urezno djelovanje

Osnovni zahtjev u primjeni čelika pri niskim temperaturama je dovoljna žilavost, odnosno traži se neosjetljivost na krhki lom.

Vrijednost udarnog rada loma pri radnoj temperaturi i visina prijelazne temperature gotovo su jedini kriteriji za izbor čelika

"

hladno žilav

" čelik je onaj koji pri temperaturi od  40 °C postiže vrijednost udarnog rada loma (ISO-V ispitno tijelo) od 27 J ili ima prijelaznu temperaturu žilavosti nižu od  40 °C.

Čelici za rad pri niskim temperaturama

U primjeni razlikujemo tri osnovne skupine čelika:

-

niskolegirani

(mikrolegirani)

sitnozrnati čelici

u normaliziranom stanju primjenjuju se do  50 °C u poboljšanom stanju primjenjuju se do  80 °C -

čelici legirani s Ni (1,5...9 %) za poboljšavanje

primjenjuju se u temperaturnom području od  85 do  200 °C -

Cr-Ni i Cr-Ni-N(Nb,Ti), Cr-Ni-Mo-N i Cr-Mn-Ni N austenitni čelici

i blizu apsolutne nule imaju dovoljnu žilavost %C treba biti što manji jer se na taj način ostvaruje niža prijelazna temperatura

Neki primjeri primjene:

spremnici tekućih plinova pod tlakom, cjevovodi za tekuće plinove, uređaji u tehnici hlađenja

Visokočvrsti čelici

Osim visoke granice razvlačenja i čvrstoće, od čelika se traži:

- dovoljna duktilnost i otpornost na krhki lom, niska prijelazna temperatura, - dovoljna lomna žilavost, otpornost na umor i mala urezna osjetljivost, zadovoljavajuća korozijska postojanost, čvrstoća pri povišenim i visokim radnim temperaturama, laka obradljivost odvajanjem čestica, zadovoljavajuća zavarljivost, visoka čistoća čelika i niski udjeli neželjenih primjesa i uključaka, - homogena sitnozrnata mikrostruktura.

Ultračvrsti čelici mogu se svrstati u sljedeće skupine:

1.

Niskolegirani niskopopušteni čelici; 2. Visokolegirani Cr-Mo V visokopopušteni čelici; 3.

4.

Termomehanički obrađeni čelici; Korozijski postojani precipitacijski očvrsnuti čelici; 5.

6.

Čelici "maraging"; Hladnom deformacijom očvrsnuti nelegirani i niskolegirani čelici

Visokočvrsti čelici

Niskolegirani niskopopušteni čelici

legirani su Si ili Ni te kombinacijama Cr-Mo-V pomiče područje niskotemperaturne krhkosti k višim temperaturama (> 400 °C) te omogućuje povišenje

R

p 0,2 srednjim popuštanjem (300 °C) Povoljna mehanička svojstva mogu se postići i izotermičkim poboljšavanjem pri 250...350 °C na bainitnu mikrostrukturu Vrijednosti granice razvlačenja i čvrstoće iznose i do 2000 N/mm 2

Visokolegirani Cr-Mo V visokopopušteni čelici

(alatni čelici za topli rad) oko 0,4 %C; oko 1 %Si; oko 5 %Cr; 1,3...2 %Mo i 0,4...1,0 %V Najpoznatija vrsta je X37CrMoV5 1 (Č4751) Popuštanjem pri 500...550  C raspada se A Z i izlučuju K P "sekundarna tvrdoća").

vlačna čvrstoća do 2000 N/mm 2 -

Visokočvrsti čelici

Termomehanički obrađeni čelici

Kombinacijom postupaka oblikovanja deformiranjem i toplinskih obradi kaljenja i izotermičkog poboljšavanja

postojećih sastava čelika

, moguće je dobiti istovremeno visoku granicu razvlačenja i čvrstoću uz relativno dobru plastičnost (duktilnost), odnosno visoku sigurnost od krhkog loma Termomehaničkom obradom kaljivih čelika dolazi do očvrsnuća i to zbog: 1.

povišenja gustoće dislokacija pri oblikovanju austenita i pri njegovoj pretvorbi u martenzit, 2. promjene sastava i morfologije martenzita, 3.

stvaranja razgranate mreže granica podzrna u toplo deformiranom austenitu, 4.

izlučivanja sitnih jednolično raspoređenih karbida tijekom popuštanja

Visokočvrsti čelici

"Ausforming" postupak predočen u TTT dijagramu

Danas se primjenjuju sljedeće termomehaničke ili mehanotermičke obrade: "Ausforming" postupak; TRIP postupak "Perliforming"; "Isoforming"; "Marforming

Visokočvrsti čelici

Korozijski postojani precipitacijski očvrsnuti čelici

- austenitni - martenzitni - semiaustenitni

Ms << To ... nema transformacije A → M Ms i Mf > To ... potpuna transformacija A → M Ms < To

Martenztni PH čelici

H: ~1035 °C / 0,5 ... 1h // voda, ulje, zrak D: 480 ... 620 °C / 1 ... 4h // zrak Precipitirane čestice: čisti bakar 17-4PH 1.4542 X5CrNiCuNb16 4 (17Cr-4Ni-3Cu) R

eH

R

eD

R

mD

= 480 N/mm

2

≥ 1200 N/mm

2

≥ 1310 N/mm

2

Visokočvrsti čelici

Čelici "maraging"

Čelici maraging su po sastavu niskougljični (< 0,03 %C), visokolegirani u ternarnom sustavu: Fe-Ni-Co ili podsustavima Fe-Ni-Cr i Fe-Co-Cr s dodacima Mo, Ti, Al i Co i eventualno B i Zr. Uobičajeno čelici maraging sadrže: oko 18 %Ni, 7...14 %Co, 3...6 %Mo, 0,15...2 %Ti, 0,05...0,2 %Al fino disperzirani intermetalni spojevi: Ni3Al i Ni3Ti, Ni3(Ti,Al), Ni3Mo Fe2Mo, (Fe,Co)2Mo (LAVES-ove faze).

FeCr, Fe7Mo6 (σ-faze) i druge vrste.

Opći dijagram postupka toplinske obrade čelika maraging

Visokočvrsti čelici

Hladnom deformacijom očvrsnuti nelegirani i niskolegirani čelici

hladna deformacija povisuje granicu razvlačenja i čvrstoću zbog povišenja gustoće dislokacija, ali snizuje duktilnost i povisuje prijelaznu temperaturu U praksi se na taj način očršćuju tanke žice za transportnu užad i užad žičara, žice za opruge, tanki limovi i trake, betonski čelik i sl

Postupak patentiranja

uključuje žarenje žice u austenitnom području i izotermičko držanje pri 460...520

 C čime se postiže tankolistićava feritno-karbidna mikrostruktura (sorbit) koja ima vrlo dobru hladnu oblikovljivost. Daljnjim hladnim oblikovanjem s visokim stupnjevima deformacije (  = 98...99 %) postižu se najviše vrijednosti čvrstoće i tražene dimenzije.

Optimalni maseni udio ugljika je oko eutektoidnog udjela tako da ne izaziva izlučivanje sekundarnog cementita.

Čelici moraju biti visoke čistoće, bez nemetalnih uključaka i plinova, pa se radi toga obično pretaljuju u vakuumu.

Alatni čelici

Podjela alata: alati za obradu odvajanjem čestica:

tokarski i blanja čki noževi, glodala, svrdla, razvrtala, turpije, dlijeta, pile, ...

alati za rezanje i hladno oblikovanje metala:

štance (rezanje), škare (rezanje), sjekači, kalupi za duboko vučenje, kalupi i naprave za savijanje , čekići, kliješta,...

alati za toplo oblikovanje metala:

ukovnji, kokile za lijevanje obojenih metala, kalupi za pre šanje metala, kalupi za toplo vu čenje metala,...

alati za oblikovanje nemetala:

kalupi za pre šanje keramike, kalupi za prešanje polimera, kalupi za injekcijsko pre šanje polimera,...

mjerni alati:

kalibri, granične pločice, pomična mjerila, mikrometarski vijci, kutnici,.

Alatni čelici Prema radnoj temperaturi i uvjetima primjene alatni čelici se dijele na: alatni čelici za hladni rad (  r

alatni čelici za topli rad ( brzorezni čelici.

 r 

200 °C); > 200 °C);

S obzirom na kemijski sastav alatni čelici mogu biti: Nelegirani (ugljični) Niskolegirani visokolegirani

Alatni čelici

Primarni (temeljni) zahtjevi i svojstva:

otpornost na trošenje žilavost otpornost na popuštanje (samo za rad preko 200 °C)

Proizvodni i ekonomski (sekundarni) zahtjevi i svojstva

mogućnost obrade alata – obradljivost odvajanjem čestica (rezljivost), što veća zakaljivost, što veća prokaljivost, što manja sklonost pogrubljenju zrna prilikom austenitiziranja, što manja promjena mjera u radu, što manje deformacije pri kaljenju, - sigurnost protiv pojave pukotina i lomova tijekom toplinske obrade, što manja sklonost razugljičenju prilikom toplinske obrade, mogućnost prebrušavanja u radu, - prikladnost za poliranje, - dovoljna otpornost na koroziju, mogućnost nabave, što manja cijena.

Alatni čelici

Otpornost na trošenje

oko 90 % alata dotrajava zbog trošenja, pretežno abrazivnim mehanizmom, trošenje izaziva zatupljivanje oštrice reznog alata, odnosno oštećenje glatkih radnih površina, npr. kalupa, ukovnja i sl. Otpornost na

abrazijsko

Traži se: trošenje primarno je funkcija mikrostrukturnog stanja.

-

martenzitna mikrostruktura

sa što višom tvrdoćom, što viši udio kvalitetnih

karbida

Skoro svi alatni čelici

nadeutektoidnog

ili čak

podeutektičkog

sastava.

Na otpornost na abrazijsko trošenje osim udjela utječe i vrsta karbida, njihova veličina i oblik te prostorna raspodjela. Čelici legirani s jakim karbidotvorcima – Cr, W, V, Mo pokazuju u pravilu vrlo veliku otpornost na trošenje. Kod

adhezijskog

trošenja dolazi do naljepljivanja (navarivanja) obrađivanog metala na radnu plohu alata Termokemijskom obradom ili oksidiranjem radne površine alata smanjuje se opasnost od adhezijskog trošenja.

Alatni čelici

Žilavost

osim zbog prekomjernog trošenja, alati stradavaju i zbog pojave pukotina ili loma.

velika žilavost traži se posebno od udarno opterećenih alata – čekići, dlijeta, dijelovi štanci, ukovnji i sl optimalna žilavost (duktilnost) pojedinog čelika postiže se pravilnim popuštanjem.

čelici visoke žilavosti ne mogu istovremeno imati i veliku otpornost na trošenje, jer viši udio krhkih faza u mikrostrukturi (karbida) nepovoljno djeluje na deformabilnost

Otpornost na popuštanje

otpornost na popuštanje iskazuje se preko

dekrementa tvrdoće

∆HRC = HRC 20 – HRC Tx , ∆HRC = HRC 200 – HRC Tx .

Osnovne krivulje popuštanja različitih alatnih čelika

Alatni čelici U širem smislu otpornost na popuštanje uključuje: promjenu granice razvlačenja, čvrstoće i žilavosti, - sklonost oksidaciji, - otpornost na promjenu mjera, - otpornost na toplinski umor.

Otpornost na toplinski umor

mrežastih pukotina. je vrlo važna kod kalupa za topli rad kao posljedica promjena toplinskih naprezanja uslijed cikličkih ugrijavanja i ohlađivanja alata.

Prekomjerna vlačna naprezanja u površinskim slojevima izazivaju pojavu Otpornost na toplinski umor povisuje se unošenjem tlačnih naprezanja u površinske slojeve radne plohe kalupa, postupcima termokemijske obrade (npr.

nitriranjem), parne faze površinskim prevlačenjem (npr. nanošenjem karbida i nitrida iz – PVD postupak) ili mehaničkim putem (npr. sačmarenjem).

Alatni čelici Postupci poboljšavanja svojstava alata površinskim toplinskim obradama postupci modificiranja mikrostrukture ili postupci nanošenja novih slojeva 1 Površinsko kaljenje 2 - Termokemijski postupci

Cementiranj

e

Nitriranje i karbonitriranje Boriranje Oksidacija Difuzija metalnih elemenata

(V, Cr, Al, Si) 3 - Tvrdo elektrokemijsko kromiranje 4 Postupci nanošenja karbida

, nitrida, karbonitrida i oksida iz parne faze kemijskim putem – CVD i fizikalnim putem – PVD 5 - Postupci

nanošenja dijamantnih slojeva

Alatni čelici

Alatni čelici za hladni rad

nelegirani i niskolegirani čelici za rad do 200 °C

Nelegirani alatni čelici za hladni rad

0,5 do 1,3 %C Što je viši %C u čeliku, to je viša tvrdoća (viši udio sekundarnog cementita), a manja žilavost i obratno.

Kod nadeutektoidnih čelika javlja se mreža sekundarnog cementita po granicama zrna koja smanjuje žilavost čelika. Zbog toga se prije kaljenja mora provesti sferoidizacijsko žarenje. C45U (Č1540), C80U (Č1840), C105U (Č1940), 100V2 (Č1941),C110U (Č1946), C125U (Č1943), C135U (Č1948).

Dijagram popuštanja nelegiranog čelika 100V2 (Č1941)za rad u hladnom stanju dlijeta, čekići, svrdla za drvo, kliješta, ručne škare, sjekire, mesarski noževi, noževi za kožu, srpovi, kose, nareznice, razvrtala, probijači, sjekači, pile za drvo, turpije.

Alatni čelici

Niskolegirani alatni čelici za hladni rad

Osnovni cilj legiranja kod ovih čelika je: povećanje prokaljivosti, - dobivanje kvalitetnijih i toplinski postojanijih karbida u odnosu na Fe3C koji daju višu tvrdoću i otpornost na trošenje Ciljanim legiranjem kod nekih vrsta čelika postižu se ipak neka bolja svojstva: povećanje žilavosti, održavanje visoke tvrdoće pri povišenim radnim temperaturama, povećanje postojanosti dimenzija itd.

Visokougljični W-V čelici

100WV4 120WV4 110WCrV5 142WV13

Nisko i srednjeugljični W-Cr-(Si)-V čelici

45WCrV7 60WCrV7 80WCrV8

Niskolegirani Cr čelici

100Cr6 115CrV3 140Cr3

Niskolegirani Mn-Cr-V i Mn-Cr W čelici

90MnCrV8 105WCr6

Alatni čelici

Visokolegirani alatni čelici za hladni rad

Glavni legirni element je Cr (> 5 %), a pojedini čelici sadrže i V, Mo i/ili W.

Legiranje kromom dovodi do stvaranja karbida (Fe,Cr) o tome koliki je udio ugljika i kroma 3 C, Cr 7 C 3 ili Cr 23 C 6 , ovisno S obzirom na sastav, mikrostrukturu i istaknuta svojstva karakteristične su tri podgrupe čelika: Čelici s oko 5 %Cr; primjer vrste je X100CrMoV5-1 (Č4756); Visokougljični ledeburitni čelici s 12 %Cr; primjeri vrsta: X210Cr12 (Č4150), X210CrW12 (Č4650); X65CrMoV12 (Č4750), X55CrVMo12-1 (Č4850); Martenzitni nehrđajući čelici; primjeri vrsta: X20Cr13 (Č4172), X42Cr13 (Č4173), X45CrMoV15 (Č4770), X5CrMo14, X1CrMoV18 (Č4772).

Alatni čelici

Alatni čelici za topli rad

- vrlo dobra

otpornost na popuštanje

primarni zahtjev Kod nekih alata za topli rad postavljaju se i sljedeći dodatni zahtjevi: otpornost na trošenje, - otpornost na visokotemperaturnu koroziju (intenzivnu oksidaciju), otpornost na pojavu plastičnih deformacija – dovoljna granica tečenja, otpornost na udarno opterećenje – žilavost.

Otpornost na popuštanje i ostala bitna svojstva postižu se prikladnim legiranjem.

Niskim sadržajem C postiže se dobra žilavost i dobra otpornost na toplinski umor.

- Legiranje karbidotvorcima – W, Mo, Cr i V omogućuje pri popuštanju stvaranje karbida popuštanja pa se povisuje otpornost na trošenje i na popuštanje.

Alati za topli rad popuštaju se više puta u cilju transformacije zaostalog austenita.

Alatni čelici Alatni čelici za topli rad svrstavaju se prema sastavu i području primjene u tri skupine: 1. Niskolegirani čelici za ukovnje: 56NiCrMoV 7 (Č5742), 55NiCrMoV6 (Č5741); 2. Visokolegirani čelici s oko 5 %Cr i 1...3 % Mo za kalupe za tlačni lijev: X32CrMoV3 3 (Č7450), X38CrMoV5-1 (Č4751), X40CrMoV5-1 (Č4753), X50CrMoV5 1 (Č4757); 3. Visokolegirani W-Cr-V čelici za kalupe za tlačni lijev: X30WCrV4 1 (Č6450), X30WCrV9-3 (Č6451).

Pojava "sekundarne tvrdoće" kod alatnih čelika za topli rad X30WCrV9 3 (Č6451)

Alatni čelici

Brzorezni čelici

Ovi su čelici legirani s jakim karbidotvorcima (Cr, W, V, Mo) koji s povišenim udjelom ugljika (0,7...1,3 %) stvaraju slobodne karbide postojane i pri višim temperaturama, te s Co.

Zbog takvog sastava i mikrostrukture odlikuju se izvrsnom

trošenje

(ocjena 7...9) i temperaturama 500...600

otpornošću na popuštanje otpornošću na

(ocjene 8...9) pri radnim °C, ali radi toga im je mala žilavost (ocjene 1...3). Ta im svojstva omogućuju primjenu za rezne alate koji rade velikim brzinama rezanja.

Mikrostruktura nakon kaljenja je: M + Az + K" + Ke 20...40 % Nakon popuštanja: M + M" + K" + Ke + Kp

Hvala na pažnji!