Transcript ŽELJEZNI LJEVOVI
Repetitorij 3
Uredila: Vera Rede
ŽELJEZNI LJEVOVI
- Kada se primjenjuje lijevanje?
- Odljevak
Lijevana mikrostruktura u odnosu na gnječenu Kod primjene lijevanih materijala treba voditi računa o:
• primjeni legura sa moguće približnim eutektičkim sastavom (najniže talište), • skupljanju – promjeni mjera i volumena, • izboru pogodnog tehnološkog postupka lijevanja, • izbjegavanju nakupina velikih masa (nagle promjene dimenzija odljevka).
U željezne ljevove spadaju:
ČELIČNI LIJEV (ČL) BIJELI TVRDI LIJEV (BTL) SIVI LIJEV (SL) NODULARNI (ŽILAVI) LIJEV (NL) TEMPER (KOVKASTI) LIJEV (CTEL – crni feritni, PTEL – crni perlitni, BTEL – bijeli).
ŽELJEZNI LJEVOVI
Ljevovi se mogu sistematizirati glede:
1. MEHANIČKIH SVOJSTAVA: ljevovi relativno dobre istezljivosti i žilavosti (čelični, temper i nodularni); - krhki ljevovi (sivi i bijeli tvrdi lijev).
2. KEMIJSKOG SASTAVA: - skupina ljevova s niskim masenim udjelom ugljika (do 0,5 %C) – čelični lijev; - skupina s visokim masenim udjelom ugljika (2,2...4,5 %C) – temper, bijeli tvrdi, sivi i nodularni lijev.
CE = C + 1 3
temper lijev 2,4...3,0 % tvrdi lijev 3,0...3,8 % sivi lijev 3,5...4,5 % nodularni lijev 4,5...5,1 %
Ekvivalent ugljika govori gdje se lijev određenog kemijskog sastava nalazi u odnosu prema eutektičkom sastavu u Fe-C dijagramu
ŽELJEZNI LJEVOVI
3. TEHNOLOŠKOG POSTUPKA DOBIVANJA 4. MIKROSTRUKTURE – vrste kristalizacije
- metastabilna kristalizacija
(čelični i bijeli tvrdi) – ugljik vezan u cementitu ili karbidu;
mješovita kristalizacija - stabilna kristalizacija
(stabilno/metastabilno) – ugljik u grafitu i cementitu; – ugljik samo u obliku grafita.
ŽELJEZNI LJEVOVI
U mikrostrukturi ljevova s više od 2 %C koji su metastabilno kristalizirani ugljik je izlučen u obliku cementita (karbida).
Takvi odljevci su: tvrdi, krhki i teško obradivi.
Mikrostruktura
stabilno ili mješovito kristaliziranih ljevova je dvojna – sastoji se od željezne osnove (matice) i grafitnih nakupina.
Osnova
kod nelegiranih vrsta ljevova može biti:
Feritna, feritno-perlitna
ili
perlitna
uz eventualno prisutni
slobodni cementit
.
Grafit
se pojavljuje u tri osnovna oblika: LISTIĆAV ILI LAMELARAN – kod sivog lijeva KUGLAST – kod žilavog lijeva ČVORAST – kod temper lijeva Na svojstva lijeva utječe kako vrsta osnove tako i:
udio
,
oblik
,
veličina
i
raspodjela
grafitnih nakupina.
ŽELJEZNI LJEVOVI
Stabilno ili mješovito kristalizirani odljevci (s grafitom) imaju posebna svojstva: - p rednosti u odnosu na čelik ili čelični lijev veliku sposobnost prigušenja vibracija, - dobra klizna svojstva, dobru tlačna čvrstoća, dobru obradljivost odvajanjem čestica, nisko talište (vidjeti Fe-C dijagram), - dobru livljivost, mogućnost lijevanja složenih oblika male mase i dimenzija, dobru korozijsku postojanost (bolja nego u nelegiranih čelika).
ČELIČNI LIJEV
ŽELJEZNI LJEVOVI
Sastav 0...2 %C (0,5 %C) Mikrostruktura - gruba lijevana feritno-perlitna -
Widmannstättenova
Toplinska obrada - normalizacija usitnjenje grube mikrostrukture i izjednačenje zrna po veličini
Čelični lijev se primjenjuje:
ako nije dovoljna čvrstoća sivog i temper lijeva;
R
m do 700 N/mm2, a kod legiranih vrsta za poboljšavanje i do 1300 N/mm2, visoka granica razvlačenja i dovoljna istezljivost (8...25 %) kod promjenjivih i udarnih opterećenja; za najveće dimenzije i mase (npr. postolja valjaka i preša mase nekoliko stotina t); ako je nužno primijeniti vrste otporne na trošenje koje se zbog slabe oblikovljivosti deformiranjem moraju lijevati.
ŽELJEZNI LJEVOVI
Dijelovi iz čeličnog lijeva su skupi zbog:
• visokih zahtjeva na čistoću i točnost sastava litine; • visokog tališta (oko 1500 °C) • potrebne naknadne toplinske obrade.
Specifična svojstva koja otežavaju proces lijevanja:
• slabo ispunjavanje kalupa pa je potrebno visoko pregrijavanje taljevine.
- minimalna debljina stjenke iznosi 5 mm; • vrlo veliko toplinsko stezanje (skupljanje) linearno: 2...2,5 % kod nelegiranih vrsta i do 3 % kod legiranih, volumenski: 10...12 % što uzrokuje velika zaostala naprezanja i povećava opasnost od stvaranja šupljina ("lunkera") i pukotina.
Primjeri primjene čeličnog lijeva
• dijelovi preša (stolovi i okviri), • kućišta ventila, kućišta diferencijala kamiona, • veliki zupčanici i veći lančanici, • rotori toplinskih strojeva (radna temp. < 400 °C), • križne glave...
odljevci velikih dimenzija i mase koji su mehanički opterećeni
ŽELJEZNI LJEVOVI
Zajamčena svojstva nelegiranih i niskolegiranih vrsta čeličnog lijeva
Oznaka lijeva prema EN
GS185N GS185KRN
stara HRN
ČL0300 ČL0301
R m , N/mm 2
370
R p0,2 , N/mm 2
185
A 5, min, %
25
Z, min, %
35
KU, min, J
– 35
R e /R m
0,5
% C
<0,25 GS225N GS225JRN ČL0400 ČL0401 440 225 22 30 – 28 0,5
0,25 GS255N GS255JRN GS295N GS295JRN GS345J0N GS345J2N GS410N ČL0500 ČL0501 ČL0600 ČL0601 ČL0602 ČL0603 ČL0700 510 590 610 690 255 295 345 410 18 15 15 12 25 – – – – 21 – 14 – 14 – 0,5 0,5 0,55 0,6
0,30
0,40
0,40
0,50
Krit. deblj. stijenke, mm
13,5 18,5 27 39
Vrste nelegiranog i niskolegiranog čeličnog lijeva klasificiraju se na temelju vrijednosti vlačne čvrstoće i ostalih mehaničkih svojstava. Kemijski sastav nije zajamčen. Za
legirane
vrste ne postoje norme nego samo preporuke proizvođača G34CrMo4 (ČL4730) G15Mo3 (ČL7100) GX120Mn12 (ČL3160) GX20Cr14 (ČL4171) GX5CrNiNb18 ─ 9 (ČL4572) GX35CrNiSi25 12 (ČL4577)
ŽELJEZNI LJEVOVI
-
BIJELI TVRDI LIJEV
- odljevci su tvrdi (> 400 HV) i krhki, - imaju nisku istezljivost - osjetljivi su na udarna opterećenja
kemijski sastav taljevine
2,5...3,5 %C < 0,6 %Si
3,0...4,0 %Mn
< 0,9 %P < 0,25 %S - imaju veliku otpornost na pritiske i na trošenje, teško obradljivi odvajanjem čestica
cementator
Primjeri primjene:
valjci u metalnoj, papirnoj ili pekarskoj industriji, kotači i papuče kočnica tračnih vozila, dijelovi drobilica za kamen, ugljen i sl., žigovi i alati za izvlačenje žice, matrice za briketiranje ugljena, cigle i keramike, oklopi bubnjeva u industriji cementa, kugle u bubnjevima za drobljenje ugljena, cementa i sl.
za odljevke jednostavnijeg oblika koji trebaju biti tvrdi i otporni na abrazijsko trošenje
ŽELJEZNI LJEVOVI
SIVI LIJEV
grafitizator
Kemijski sastav se može izraziti preko:
- ekvivalenta ugljika CE = C + 1/3 (Si + P) - stupnja zasićenja S z koji se izračunava pomoću izraza:
kemijski sastav taljevine
2,5...4,5 %C 0,3...1,2 %Mn
1...4 %Si
0,4...1,5 %P < 0,1 %S
S
z
%C %C
e
4,26
%C 1 (%Si+%P) 3
podeutektičke vrste SL: Sz < 1 eutektičke vrste SL: Sz = 1 nadeutektičke vrste SL: Sz > 1
Veza stupnja zasićenja i mehaničkih svojstava:
R
m = 1045 – 785 Sz – 2,5
d
, N/mm 2 HB = 100 + 0,45
R
m uz jednaki sastav lijeva vlačna čvrstoća biti to viša što je debljina stijenke manja služi za procjenu obradljivosti odvajanjem čestica Optimalna vrijednost vlačne čvrstoće odljevka iznosi 250 N/mm 2 Vrste s tvrdoćom višom od 220 HB teže se obrađuju (perlitna osnova)
ŽELJEZNI LJEVOVI Kristalizacija i mikrostruktura sivog lijeva
- divarijantan, jer kristalizira i stabilno i metastabilno Mikrostruktura sivog lijeva je dvojna i sastoji se od: nakupina listića
grafita
i
željezne osnove
koja je
F, P
ili
F-P
(+
K’’
)
Mikrostruktura perlito-feritnog sivog lijeva Tipovi listića grafita prema ASTM normi
Maseni udjeli C, Si i P kao i debljina stijenke (brzina hlađenja) pomažu u određivanju moguće mikrostrukture odljevka
ŽELJEZNI LJEVOVI
Sippov (a) i Klingensteinov strukturni dijagram (b)
Osnovni postupci toplinske obrade sivog lijeva:
žarenje za smanjenje zaostalih naprezanja: meko žarenje (feritizacija): 650...825 °C normalizacija: poboljšavanje: 350...650 °C 800...950 °C 800... 900/ulje/popuštanje pri 200...600 °C (uvjeti kaljivosti:
Cukupni + Si
4,5 % i %Cvezani
0,5 %
)
ŽELJEZNI LJEVOVI
Tehnološka svojstva:
• mogu se lijevati odljevci svih masivnosti, • proizvodnja je jednostavna i jeftinija nego u drugih ljevova, • vrlo dobra je livljivost – linearno skupljanje iznosi oko 1 %, • nisko talište (s obzirom na ~ eutektički sastav) i uzak interval skrućivanja, • dobra je rezljivost (obradljivost odvajanjem čestica), • slaba je zavarljivost radi niske istezljivosti i visokog %C.
Mehanička svojstva:
• relativno niska vlačna čvrstoća, • visoka tlačna čvrstoća – oko 3 do 4 puta veća od
R
m, • vrlo niska istezljivost
A
• slaba žilavost, • promjenjiv modul elastičnosti < 1 %,
E
= 60 000...155 000 N/mm2, što je viša
R
m to je viši
E
. Što je
E
viši, to je lijev kvalitetniji.
Ostala svojstva:
• dobra ležišna (antifrikcijska) svojstva, • vrlo dobra sposobnost prigušenja vibracija, • bubrenje (porast obujma) pri povišenim temperaturama (> 400 °C), • otporan na atmosferilije zbog povišenog udjela Si.
ŽELJEZNI LJEVOVI
Primjena sivog lijeva:
• postolja alatnih strojeva, • kućišta motora i reduktora, • košuljice cilindara, stapovi i prstenovi stapova, • klizni ležaji, • radijatorski članci, • bubnjevi kočnica, papuče vagonskih kočnica, • kalupi za staklo, • dijelovi poljoprivrednih strojeva...
Oznaka lijeva
EN-GJL100S (SL 10) EN-GJL150S (SL 15) EN-GJL200S (SL 20) EN-GJL250S (SL 25) EN-GJL290S (SL 30) EN-GJL340S (SL 35) EN-GJL390S (SL 40)
R m , N/mm 2 za šipku
30 mm
100...150
150...200
200...250
250...290
290...340
340...390
> 390
R ms , min N/mm 2
310 380 450 470 530 590
Raspon oslonaca pri savijanju L, mm
400,
d
= 20 mm 400,
d
= 20 mm 400,
d
= 20 mm 400,
d
= 20 mm 400,
d
= 20 mm 600,
d
= 30 mm 600,
d
= 30 mm
ŽELJEZNI LJEVOVI
NODULARNI (ŽILAVI) LIJEV
Sz > 1 … lijev nadeutektičkog sastava
kemijski sastav
3,2...3,8 %C 2,4...2,8 %Si < 0,5 %Mn < 0,045 %P < 0,01 %S
0,5 % Mg ili Ce
globulatori
Mikrostruktura feritnog (a) i perlitnog (b) nodularnog lijeva
Mikrostruktura željezne osnove je:
• potpuno feritna – vrste ljevova niže čvrstoće, ali više istezljivosti, • feritno - perlitna, • perlitna – vrste ljevova više čvrstoće, a niže istezljivosti, • austenitna.
ŽELJEZNI LJEVOVI
Svojstva nodularnog lijeva:
mehanička su svojstva bolja od sivog lijeva, a slabija od svojstava čeličnog lijeva (dinamička izdržljivost je visoka, posebno u poboljšanom stanju kao i vlačna čvrstoća, i to radi kuglastog oblika grafita); izotermičkim poboljšavanjem dobiva se povećana žilavost; modul elastičnosti je visok – oko 180000 N/mm 2 ; sposobnost prigušenja vibracija niža nego kod sivog lijeva, a veća nego kod čelika; dobro se obrađuje odvajanjem čestica; može se zavarivati; otpornost na trošenje, koroziju i oksidaciju je bolja nego kod sivog lijeva; dobra ležišna svojstva; legiranjem se postižu posebna svojstva – npr. otpornost na djelovanje agresivnih medija i vatrootpornost kod austenitnih vrsta.
ŽELJEZNI LJEVOVI
Primjena:
• koljenaste i bregaste osovine motora, • košuljice cilindara motora i kompresora, • stapajice, • zupčanici, • poklopci kliznih ležaja, • rotori pumpa...
Izotermički poboljšan nodularni lijev
(ovisno o svojstvima koja se žele postići)
Austenitiziranje odljevaka pri 900
C + brzo hlađenje do temperature između 200 i 400
C + držanje na toj temperaturi dok ne dođe do pretvorbe u donji ili gornji bainit
Tipični primjeri primjene ovog lijeva jesu: koljenaste osovine, zupčanici i stapajice motora.
ŽELJEZNI LJEVOVI
TEMPER (KOVKASTI) LIJEV
-
decementacijski m žarenjem bijelog tvrdog lijeva dobije se temper lijev
tvrdi i krhki odljevci niža tvrdoća, veća žilavost i kovkost, bolja obradljivost ( id + Fe 3 C id ) + Fe 3 C" + Fe 3 C e dugotrajnim žarenjem pri 900 do 1000 °C + Fe 3 C Ovisno o atmosferi u kojoj se provodi žarenje dobiva se: -
crni bijeli
temper lijev – žarenjem u
neutralnoj
atmosferi, sivi prijelom od grafita; temper lijev – žarenjem u slabo oksidacijskoj atmosferi, svjetliji prijelom od ferita i perlita (tzv. europski lijev).
Vrsta lijeva Crni temper lijev Bijeli temper lijev Kemijski sastav u masenim % C Si Mn 2,8...3,4 2,0...2,8 0,5...0,8 1,4...1,8 0,2...0,4 0,2...0,5 P < 0,1 < 0,1 S 0,1...0,29 < 0,15
ŽELJEZNI LJEVOVI
feritni
crni temper lijev
perlitni
crni temper lijev Dijagram postupka dobivanja crnog temper lijeva
Svojstva crnog temper lijeva:
zbog visokog udjela ugljika teško se zavaruje, ali dobro lemi, perlitni se može površinski zakaliti čime se povisuje tvrdoća i otpornost na trošenje, bolje je obradljiv odvajanjem čestica od bijelog.
ŽELJEZNI LJEVOVI
Crni temper lijev
primjenjuje
se za odljevke male mase kompliciranih oblika: bubnjevi kočnica vozila, držači kočionih čeljusti, vilice i držači vilica u vozilima i strojevima, - cijevne spojnice, - dijelovi poljoprivrednih strojeva, dijelovi šivaćih pisaćih, tiskarskih strojeva, dijelovi vaga, dijelovi tkalačkih stanova, - ventili i zasuni u brodogradnji, ventili za plin i vodu itd.
EN Oznaka lijeva stara HRN EN
GJMB
300
6S CTEL30-06 EN
GJMB
350
10S EN
GJMB
450
6S CTEL35-10 PTEL45-06 EN
GJMB
550
4S EN
GJMB
650
2S EN
GJMB
700
2S PTEL 55-04 PTEL 65-02 PTEL 70-02
R
m min N/mm 2 300 350 450 550 650 700
R
p0,2 min N/mm 2 200 300 360 430 550
A
5 , min % 6 12 7 5 3 2 HB < 170 < 150 160...200
perlit + ferit + grafit 180...250
perlit + (ferit) + grafit 210...250
Mikrostruktura ferit + grafit ferit + grafit perlit + grafit 240...270
perlit+ grafit
ŽELJEZNI LJEVOVI
Mikrostruktura bijelog temper lijev
Oznaka lijeva EN EN
GJMW
350
4S EN
GJMW
380
12S EN
GJMW
400
5S EN
GJMW
450
7S stara HRN BTEL 35-04 BTEL 38-12 BTEL 40-05 BTEL 45-07
R
m , min N/mm 2 * 340...360* 320...400
360...420
400...480
R
p0,2 , min N/mm 2 * 170...210
200...230
230...280
A
5 min, % * 3...6* 8...15
3...10
5...12
HB, max Mikrostruktura
jezgre debljih odljevaka
220 200 220 200 zrnati perlit + grafit
primjenjuje se za: ručni alat (okasti ključevi), cijevne spojnice, lance i dr. jer se može pocinčavati i cementirati
BAKAR I NJEGOVE LEGURE
Osnovna svojstva bakra su:
električna vodljivost čistog bakra bolja je od svih metala izuzev srebra na volumnoj osnovi i aluminija na masenoj osnovi, - velika toplinska vodljivost, svojstva čistog bakra kao: čvrstoća, otpornost na oksidaciju, otpornost na puzanje, otpornost na umor, otpornost na koroziju i livljivost mogu se poboljšati legiranjem, ali se pri tome snizuju električna i toplinska vodljivost, većina legura ima izvrsnu duktilnost u žarenom stanju i posebno su pogodne za proizvodnju cijevi, duboko vučenje, kovanje, oblikovanje u toplom stanju itd., -dobra otpornost na koroziju u atmosferskim uvjetima i u morskoj sredini stvaranjem "patine“, -
kemijski je postojan
u neutralnim i lužnatim vodenim otopinama dok ga nagrizaju kiseline, naročito oksidirajuće.
BAKAR I NJEGOVE LEGURE
Klasifikacija bakrovih legura
1. Legure bakra s cinkom:
• legure bakra s cinkom (> 50 %Cu i < 44 %Zn) – • posebne mjedi (54...62 %Cu, oko 7 % drugih elemenata, ostatak Zn) • legure bakra s niklom i cinkom (10...30 %Ni) –
mjedi novo srebro.
2. Legure bakra bez cinka:
• legure bakra s kositrom (< 15 %Sn) –
kositrene bronce
• legure bakra s aluminijem (< 14 %Al)
– aluminijeve bronce
• legure bakra s kositrom i/ili olovom (< 10 %Sn i/ili < 25 %Pb) • legure bakra s berilijem (< 2 %Be) –
berilijeve bronce
• legure bakra s manganom te silicijem i manganom –
Mg
i
Pb-Sn i Pb bronce silicijeve bronce
BAKAR I NJEGOVE LEGURE
Mjedi
najrasprostranjenije legure bakra dobre električne i toplinske vodljivosti, dobrih mehaničkih svojstava, mogućnosti prerade u hladnom i toplom stanju i visoke antikorozivnosti M jedi se mogu razvrstati na hladno i toplo gnječene (oblikovljive) legure.
Dijagram stanja Cu Zn (a) i prikaz utjecaja cinka na mehanička svojstva (b)
faza čvrsta otopina (kristali mješanci bakra s otopljenim cinkom) faza - intermetalna faza (Cu-Zn)
BAKAR I NJEGOVE LEGURE
Mikrostruktura
-mjedi: a) CuZn30, hladnognječeno stanje, b) CuZn20Pb, lijevano i žareno stanje
Hladno oblikovane -mjedi osjetljive su na
napetosnu koroziju
(
season cracking
).
Mikrostruktura (
+
)-mjedi (K.CuZn40Pb) u lijevanom stanju
Kod ( + ) mjedi može nastupiti još jedna vrsta korozije koja se pogrešno naziva
"korozija cinka" ili "otcinkavanje
. Može se spriječiti uporabom posebnih mjedi.
BAKAR I NJEGOVE LEGURE
Posebne mjedi
se sastoje od 54...62 %Cu i do oko 7 % drugih elemenata, dok je ostatak cink. Legirni elementi poboljšavaju korozijsku postojanost ili druga svojstva.
To su toplo oblikovljive legure, a mogu se primijeniti i u lijevanom stanju
Aluminij
znatno povećava čvrstoću, a istezljivost pri tome ostaje nepromijenjena.
Na površini mjedi aluminij stvara oksidni sloj koji štiti mjed od oksidacije.
Dodatak 2 %Al štiti mjed od oksidacije na povišenim temperaturama.
Nikal
povećava čvrstoću, otpornost na koroziju i djeluje na usitnjenje zrna pri žarenju.
Željezo
usitnjuje zrno i tako povećava čvrstoću.
Mangan
znatno povećava otpornost mjedi na koroziju u morskoj vodi i vodenoj pari, solima i kiselinama. Čvrstoća mjedi raste bez smanjenja žilavosti uz udio mangana do 4 %. Pri udjelu iznad 4 % smanjuju se žilavost i istezljivost.
Silicij
smanjuje napetosti, povećava žitkost kod zavarivanja stvaranjem topljive troske.
Kositar
povećava otpornost na koroziju u morskoj vodi. Povećava i čvrstoću, ali se udio kositra ograničava na oko 1 %, jer u većem udjelu smanjuje istezljivost.
BAKAR I NJEGOVE LEGURE
Lijevane mjedi
imaju u pravilu 36 % do 43 %Zn i 1 % do 3 %Pb, a posebne mjedi još i nikla, aluminija, željeza, kositra ili mangana.
Posjeduju uski interval legure nisu skrućivanja i zbog toga ne dolazi do segregacija u zrnu. Ove predviđene za hladno oblikovanje zbog heterogene ( + ) mikrostrukture, pa se primjenjuju u lijevanom stanju zbog određene namjene lijevaju se i -mjedi povišene čvrstoće. Za
Legure bakra s cinkom i niklom
10 do 30 % Ni, 55 % do 63 % Cu, ostatak Zn
novo srebro, alpaka, argentan, bijeli bakar
poboljšava livljivost i pojeftinjuje leguru Po mikrostrukturi to su u potpunosti čvrste otopine.
Vrlo su duktilne i mogu se hladno oblikovati.
Primjenjuju se za izradu relejnih opruga i posrebrenog pribora, u finoj mehanici, optici, graditeljstvu itd.
Kositrena bronca
BAKAR I NJEGOVE LEGURE
BRONCE
Dijagram stanja Cu Sn: a) ravnotežno stanje, b) žareno stanje, c) lijevano stanje
-faza je čvrsta otopina (kristal mješanac), žilava i duktilna -faza, intermetalni spoj sastava Cu 31 Sn 8 , prisutna u leguri s više od 8 %Sn - bronca s mikrostrukturom može uspješno hladno oblikovati deformiranjem; - ( + ) bronce su prilično krhke i ne mogu se hladno oblikovati.
- u industrijskoj praksi hladno se oblikuju samo legure sa do 7 %Sn, dok se legure sa do oko 15 %Sn lijevaju.
BAKAR I NJEGOVE LEGURE Lijevane kositrene bronce
koriste se za izradu kliznih ležaja budući da im mikrostruktura potpuno ispunjava uvjete za tu namjenu,
tvrde čestice
-faze otporne na trošenje uložene su u matricu koju čini
-faza otporna na udarce
.
Mikrostruktura kositrene bronce P.CuSn14
Fosforne bronce
s adrže namjerno dodan fosfor u masenom udjelu od 0,1 % do 1 %.
Fosfor povećava čvrstoću, poboljšava otpornost na koroziju i smanjuje faktor trenja -
Gnječenjem oblikovljive fosforne bronce Lijevane fosforne bronce
- (do 8 %Sn i do 0,3 %P) – (13 %Sn i do 1 %P) koriste se uglavnom za ležaje zahtijeva se nizak faktor trenja uz visoku čvrstoću i žilavost
BAKAR I NJEGOVE LEGURE
Crveni lijev
bronca u kojoj je skupi kositar djelomično zamijenjen jeftinijim cinkom (2 %Zn ima jednako djelovanje kao i 1 %Sn) - Zn pospješuje žitkost taljevine čime doprinosi livljivosti - osim cinka dodaje se 4 do 6 % olova Crveni lijev sve više zamijenjuje lijevanu broncu.
Odljevci od crvenog lijeva koriste se za izradu dijelova strojeva i aparata kad se traži otpornost na koroziju, za ležaje i dijelove otporne na djelovanje morske vode.
Višekomponentne kositrene bronce s manjim dodatkom legirnih elemenata mogu se i gnječiti kao npr. CuSn 4 Zn 4 Pb 4 , a primijenjuju se za izradu valjanih košuljica kliznih ležaja
Aluminijeva bronca
BAKAR I NJEGOVE LEGURE
(hladno i toplo) oblikovljive (I) i livljive legure(II)
Dijagram stanja Cu-Al s prikazom mikrostrukturnih promjena legure s 10 %Al
2 faza čvrsta otopina dobre oblikovljivosti (do 9,4 %Al faza - intermetalni spoj sastava Cu 9 Al 4
) -
P rimjena aluminijeve bronce slijedi iz ovih značajki:
sposobnost zadržavanja čvrstoće pri povišenim temperaturama, velika otpornost na oksidaciju pri povišenim temperaturama, dobra otpornost na koroziju pri uobičajenim temperaturama uporabe, dobra otpornost na trošenje, dopadljiva boja čini neke od ovih legura uporabivim u dekorativne svrhe, osobito kao zamjena za zlato u izradi umjetnog nakita.
BAKAR I NJEGOVE LEGURE
Hladno gnječene
-legure
imaju 4 % do 8 %Al i obično do 4 %Ni, koji jača korozijsku postojanost još i više. Pogodne su za proizvodnju kondenzatorskih cijevi i izmjenjivača topline kada se traži visoka čvrstoća i korozijska postojanost do oko 300 °C.
Sastav im se može prilagoditi tako da se dobije boja slična boji 18-karatnog zlata.
Toplo gnječene i lijevane legure
sadrže 8 % do 12 %Al, a mikrostruktura im je + 2 . Uz to se obično dodaju i drugi elementi kao što su nikal, željezo i mangan.
Toplo oblikovljive
su legure sa 8 % do 10 %Al, a oblikuju se kovanjem ili valjanjem, ovisno o njihovoj daljnjoj primjeni.
Uz aluminij dodaju se nikal i željezo, svakog do 5 %.
Legure se koriste za potrebe u kemijskoj industriji (komponente izložene visokim temperaturama) te za druge potrebe, posebno otkovke otporne na koroziju.
Lijevane legure
primjenjuju se u pomorskoj tehnici, npr. za osovine pumpi, dijelove ventila, brodske vijke (propelere), osovine za vijke itd.
Koriste se također za sjedišta ventila, za nosače četkica u generatorima, za ležaje pri radu u teškim uvjetima, za zupčanike, za izradu neiskrećeg alata (čekići, dlijeta, kliješta) u potencijalno "opasnim" industrijama plina, boja, benzina i eksploziva
BAKAR I NJEGOVE LEGURE
Olovna i olovno-kositrena bronca
Legure bakra s olovom (do oko 25 %Pb) i kositrom Koriste se za klizne ležaje.
P odnose veća opterećenja od "bijelih kovina" na bazi olova ili kositra.
Toplinska vodljivost im je veća, tako da ih se može koristiti pri većim brzinama.
Uz normalno podmazivanje imaju izvanrednu otpornost na trošenje, ali, jednako važno, i otpornost na zaribavanje
Berilijeva bronca
Legure bakra s 1,5% do 2 %Be (uz manji dodatak Co ili Ni) Primjenjuje se u hladno gnječenom i toplinski očvrsnutom stanju.
P ostiže najvišu čvrstoću među bakrovim legurama (do oko 1350 N/mm 2 ).
Otporna na trošenje, dobre električne vodljivosti, kemijski postojana i nemagnetična.
Primjenu za izradu opruga kod preciznih aparata, alata za lijevanje polimernih materijala i posebno za izradu neiskrećeg alata.
BAKAR I NJEGOVE LEGURE
Manganova i silicijeva bronca
Manganova bronca
je otporna na koroziju u morskoj vodi i ima veliku sposobnost prigušenja vibracija.
Namijenjena je za lijevanje, ali se može i toplo i hladno oblikovati.
Nedostatak joj je loša rezljivost (zbog žilavosti) i visoka cijena.
Silicijeva bronca
Posjeduje izvanrednu podobnost za hladnu i toplu preradu, dobru korozijsku postojanost, osrednju čvrstoću i veliku žilavost.
BAKAR I NJEGOVE LEGURE
LEGURE BAKRA S NIKLOM
- vrlo dobra oblikovljivost - velika korozijska postojanost, visoka čvrstoća (osobito pri povišenim temp.), - prilagodljive u odnosu na tehniku obrade može ih se toplo ili hladno oblikovati, Dodatkom 1,5 %Fe i 2 %Mn može se korozijska postojanost i povećati. Zaštita od korozije postiže se stvaranjem pasivnog sloja u prisutnosti kisika.
Posebno su korozijski postojane u boćatnim vodama i morskoj vodi pa se koriste za izradu dijelova kondenzatora na brodovima i postrojenjima za demineralizaciju morske vode. Posebna namjena legure CuNi25 je za izradu kovanog novca.
BAKAR I NJEGOVE LEGURE
Elektrootporna
legura CuNi44 ("konstantan“) ima veliki električni otpor i malu toplinsku rastezljivost pa se koristi kao materijal za grijaće elemente.
U sustavu bakar nikal kontinuirano se mijenja i termoelektrični napon koji maksimalnu vrijednost prema bakru ili željezu postiže kod 45 %Ni. Na toj osnovi upotrebljava se legura CuNi44 kao materijal za
termoelemente (termopar, termočlanak)
.
Promjena električnog otpora Cu-Ni legura pri 0 °C (a) i termonapon Cu i legura u odnosu na željezo pri 816 °C (b)
NIKAL I NJEGOVE LEGURE
Otpornost na koroziju je gospodarstveno najvažnije svojstvo čistog nikla. T ehnički je zanimljiv i zbog njegovih fizikalnih, mehaničkih i tehnoloških svojstava te zbog utjecaja na svojstva drugih metala.
Otporan je na atmosferske utjecaje, postojan u morskoj vodi, neoksidirajućim hladnim kiselinama, lužnatim otopinama i rastaljenim jakim lužinama.
Nikal je metal s feromagnetičnim svojstvima.
Glavno obilježje legura na osnovi nikla je
FCC
kristalna struktura, a to znači da kod njih nema prijelaza žilavog u krhak prijelom sa sniženjem temperature, pa se mogu nazvati žilavim materijalima.
Niklove legure su ponajprije razvijene radi njihove otpornosti na koroziju i otpornosti pri visokim temperaturama ( zadržavaju dobru vlačnu čvrstoću i otpornost na puzanje do temperatura 0,7
T
t ).
Druga posebna svojstva niklovih legura su magnetska i kontrolirana rastezljivost.
električna svojstva kao i U novije vrijeme razvijene su "pametne" Ni-Ti legure s prisjetljivosti oblika (eng.
shape memory alloys
).
izraženim efektom
NIKAL I NJEGOVE LEGURE
Legure otporne na koroziju i visoke temperature podijeljene su prema legirnim elementima u skupine s odgovarajućim trgovačkim oznakama: Skupina
Trgovačko ime
1. Nikal-bakar Nikal-krom 2. Nikal-molibden-krom 3. Nikal-krom željezo Nikal željezo-krom 4. Nikal-krom + (A) aluminij-titan
Hastelloy Monel Nimonic
( (
Nicorros
)
Nimofer
( )
Nicrofer Inconel (Nicrofer) Incoloy
(
Nicrofer
) Različite vrste legura pod ) + (B) kobalt-volfram-molibden skupnim imenom "
SUPERLEGURE
" + (C) ugljik A - precipitacijski o čvrstljive B - o čvrstljive kristalima mješancima C - o čvrstljive karbidima
NIKAL I NJEGOVE LEGURE
Superlegure" su višekomponentni sustavi na osnovi nikla i kobalta s visokim udjelima kroma i manjim udjelima visokotaljivih elemenata molibdena i volframa, te titana i aluminija. Njihova se mehanička svojstva postižu
otapanjem legirnih elemenata u kristalima mješancima matrice i precipitacijom intermetalnih spojeva i/ili karbida
raspoređenih u
austenitnoj
matrici.
Smiju se trajno opteretiti do 1100 °C, a kratko vrijeme smiju raditi i na 1400 °C.
Služe za izradu dijelova: • zrakoplovnih plinskih turbina, • brodskih turbina, • lokomotivskih turbina, • uređaja u energanama, • postrojenja za proizvodnju nafte i sl.
Visoka cijena superlegura je posljedica cijene legirnih elemenata i složene tehnologije proizvodnje
KOBALT I NJEGOVE LEGURE
Čisti kobalt je beznačajan kao konstrukcijski materijal.
Zbog svoje strukturne građe (HCP koja grijanjem na 417°C prijeđe u FCC) dobro je toplo oblikovljiv, ali ograničeno hladno oblikovljiv.
Kobalt je važan kao legirni element za proizvodnju trajnih magnetnih materijala, sinteriranih tvrdih metala, materijala za navarivanje otpornih na trošenje, brzoreznih čelika, zubarskih legura i legura za implantate u kirurgiji.
Od legura najvažnije su toplinski otporan lijev, kovane i sinterirane legure koje se ubrajaju u grupu superlegura.
Sastav kobaltovih superlegura: 30...65 %Co, 15...30 %Cr, 0...20 %Fe, 0...32 %Ni i do 1,1 %C.
Ostali legirni elementi: W, Mo, V, Ti, Nb, Ta, Zr i B.
Po višenje čvrstoće pri visokim temperaturama postiže se izlučivanjem karbida i karbonitrida.
Disperzijsko očvrsnuće kobaltove matrice moguće je stvaranjem stabilne sekundarne faze (visokotaljivi oksidi).
ALUMINIJ I NJEGOVE LEGURE
Tri glavna svojstva aluminija kao inženjerskog materijala:
1. Povoljan omjer čvrstoće i gustoće (
R
m/ -
specifi čna čvrstoća
),
osobito kod legura.
2.
Omjer električne vodljivosti i gustoće
najpovoljniji je među svim metalima.
3. Aluminij ima velik afinitet prema kisiku, a korozijska postojanost
mu je ipak velika.
Antikorozivnost aluminija temelji se na postojanju gustog nepropusnog
sloja
koji se stvara na
oksidnog
površini metala na zraku i vodenim otopinama. Ukoliko se, odmah se oksidacijom nadomješta novim.
Što je jače oksidiran, to je nastali sloj otporniji, tako da je aluminij otporan i na koncentriranu dušičnu kiselinu.
Neotporan je na lužine koje ga otapaju.
Prirodni oksidni sloj je debeo tek oko 0,01 µm i pun sitnih pora.
Kvaliteta mu se može se poboljšati postupcima fosfatiranja i kromatiranja. Važnija i poznatija je elektrokemijska oksidacija −
anodizacija
(
eloksiranje
) Aluminij s kubičnom plošno centriranom strukturom (
FCC
) je metal
izvanredno toplo i hladno oblikovljiv deformiranjem.
Dade se vrlo dobro polirati.
ALUMINIJ I NJEGOVE LEGURE
Aluminijeve legure
Najvažniji legirni elementi su:
bakar, magnezij, silicij, cink i mangan
. Legiranje ima za cilj poboljšanje mehaničkih svojstava (vlačne čvrstoće i tvrdoće, krutosti, žilavosti), rezljivosti i livljivosti. Aluminijeve legure upotrebljavaju se i u lijevanom i u gnječenom stanju.
Nekim legurama mogu se mehanička svojstva poboljšati precipitacijskim očvrsnućem.
Precipitacijsko očvrsnuće aluminijevih legura
Prikaz precipitacijskog očvršćivanja Al-Cu legure s 4 %Cu u dijagramu stanja O pći postupak precipitacijskog očvršćivanja
ALUMINIJ I NJEGOVE LEGURE
Lijevane legure
Lijevane legure mogu se svrstati u tri osnovne grupe:
Al-Si, Al-Mg
i
Al-Cu
Al-Si legure
- silicij je osnovni element koji doprinosi dobroj livljivosti aluminijevih legura - to su najrasprostranjenije legure u grupi lijevanih legura ("silumini"), posebno one s 10 % do 13 %Si (~ eutektički sastav) koriste se za tlačni lijev i druge vrste ljevova gdje se zahtijevaju zamršeni presjeci budući da posjeduju veliku žitkost, malo skupljanje i uski interval skrućivanja.
Dobra kemijska postojanost čini ih uporabljivim u pomorstvu, a činjenica da su nešto manje gustoće od Al Cu legura čini ih pogodnim za primjenu u zrakoplovnoj i automobilskoj industriji.
Postupkom cijepljenja ili modifikacije može se usitniti gruba eutektička mikrostruktura koja nastaje kod pješčanog lijeva. Cijepljenje povisuje vlačnu čvrstoću i istezljivost.
ALUMINIJ I NJEGOVE LEGURE
Al-Mg legure
─ Osnovno svojstvo je dobra korozijska postojanost zbog čega se kod ovih legura mo že postići visoki sjaj. Neke od njih su i otporne na udarce pa se mogu uporabiti za umjereno kombinaciju opterećene dijelove u pomorstvu. Najbolju čvrstoće i žilavosti ima legura s 10 %Mg. Nažalost, ona je jedna od najteže livljivih legura zbog pojava poroznosti, stvaranja troske i loše žitkosti. Zbog toga su u uporabi najviše legure s 3 % i 5 %Mg.
Al-Cu legure
Toplinski očvrstljive legure s osrednje visokom čvrstoćom, srednjom ili slabom udarnom otpornošću, dobro otporne na višim temperaturama i dobro rezljive.
Slabe su livljivosti, a korozijska postojanost im je najslabija među svim aluminijevim legurama.
Al-Si-Mg legure
Precipitacijski su očvrstljive uz dodatak od 0,2 % do 0,5 %Mg. Odlikuju se dobrom livljivošću, imaju uzak temperaturni interval skrućivanja (do 30 °C) i malo linearno skupljanje (1 %). Kod lijevanja u pijesak moraju se obvezatno cijepiti.
Al-Si-Cu legure
To su legure Al Si kojima je dodan bakar radi poboljšanja čvrstoće i rezljivosti.
ALUMINIJ I NJEGOVE LEGURE
Gnječene legure
Vrsta legure 1. Al-Mn 2. Al-Mg 3. Al-Mg-Mn 4. Al-Mg-Si ("antikorodal") 5. Al-Cu-Mg ("dural") 6. Al-Zn-Mg 7. Al-Zn-Mg-Cu ("konstruktal") 8. Al-Li-Cu-Mg Način očvrsnuća deformiranjem u hladnom stanju precipitacijom
R
m , N/mm 2 200...350
~ 330 ~ 450 ~ 400 ~ 550 ~ 500
Od legura koje očvršćuju
hladnim deformiranjem
zahtijeva se dovoljna čvrstoća i krutost u hladnom stanju, kao i dobra korozijska postojanost. Većina ovih legura ima mikrostrukturu koja se potpuno sastoji od čvrste otopine.
To je dodatni faktor u prilog njihovoj velikoj duktilnosti i velikoj korozijskoj postojanosti.
Precipitacijski očvrstljive
čvrstoće i gustoće legure imaju prednost kada se traži povoljan omjer
TITAN I NJEGOVE LEGURE
gustoća talište modul elastičnosti toplinska rastezljivost vlačna čvrstoća* istezljivost* kg/m 3 ° C N/mm 2 10 -6 /K N/mm 2 % 4500 1670 110000 9 250...700
>10
Fizikalna i mehanička svojstva titana
Na sobnoj temperaturi titan ima heksagonsku (HCP) rešetku, -titan, koja na ~885 °C prelazi u kubičnu prostorno centriranu (BCC) rešetku, -titan.
Titan i njegove legure su zbog povoljnog omjera čvrstoće i gustoće u temperaturnom području od –200 °C do +550 °C u prednosti pred mnogim drugim inženjerskim materijalima.
Također im je značajna otpornost na umor i puzanje, imaju malu toplinsku rastezljivost i veliku postojanost u različitim agresivnim sredinama.
Proizvodni troškovi i naročito troškovi prerade još su uvijek vrlo visoki, pa se opća uporaba titana i njegovih legura znatno ograničuje.
TITAN I NJEGOVE LEGURE
Tehnički titan
S adrži između 98,9 % i 99,5 %Ti. Ostatak čine nečistoće, u prvom redu kisik i željezo, koji imaju znatan utjecaj na mehanička svojstva.
Može se uporabiti za konstrukcijske, ali i za nekonstrukcijske namjene.
Nositelj otpornosti na koroziju je čvrsto prionjena oksidna prevlaka koja nastaje u oksidirajućoj okolini. Zbog toga se primjenjuje gdje se traži otpornost na oksidirajuće kiseline ili smjese takvih kiselina.
Sposobnost hladnog oblikovanja je ograničena radi heksagonske strukture.
Hladnim oblikovanjem povisuje se vlačna čvrstoća.
Dade se dobro zavariti pod zaštitnim plina ili u vakuumu. Titan je teško obradljiv odvajanjem čestica jer je vrlo žilav, a postoji i opasnost od zapaljenja strugotine.
Titanove legure
-,
- i (
+
)-legure
ALUMINIJ I NJEGOVE LEGURE
-legure
Glavni stabilizatori faze su ugljik, kisik, dušik, aluminij i kositar.
Zavarljivost, žilavost, čvrstoća i stabilnost pri povišenim temperaturama glavna su obilježja -legura.
Također imaju dobru žilavost i čvrstoću i pri sniženim temperaturama.
Otpornost na oksidaciju i koroziju je jednaka kao i kod - i ( + )-legura.
T eže se oblikuju deformiranjem i nisu toplinski očvrstljive. U ovu grupu ulaze legure titana s aluminijem kao glavnim legirnim elementom, te kositrom.
Najčešća je legura TiAl5Sn2,5.
Glavna su joj obilježja: oksidacijska i korozijska postojanost i odlična svojstva pri niskim temperaturama.
Koristi se u kovanom i lijevanom stanju, svemirskih letjelica.
među ostalim za dijelove zrakoplova i
ALUMINIJ I NJEGOVE LEGURE
(
+
)-legure
( + )-legure su glavni dio proizvodnje titanovih legura.
Legura TiAl6V4 koristi se u količini jednakoj svim ostalim titanovim materijalima. Mikrostruktura te legure toplinskom se obradom može mijenjati tako da se ostvare željena uporabna svojstva. -primarni kristali -osnova
Mikrostruktura legure TiAl6V4 žarene pri 705 °C/2 h i ohlađene na zraku Toplinsko o čvrsnuće (
+
)-legura titana: 1. rastvorno žarenje, 2. ga šenje radi stabilizacije
, 3. popu štanje, 4. hla đenje (zrak ili voda)
TITAN I NJEGOVE LEGURE
-legure
Jednofazne -legura su metstabilne legure.
legure mogu postići visoku čvrstoću toplinskom obradom, osobito u hladno očvrsnutom stanju. Imaju veliku duktilnost i visoki omjer čvrstoća/gustoća, a također su i zavarljive.
Legura TiV13Cr11Al3 do 300 °C zadržava znatan dio čvrstoće koju je imala pri sobnoj temperaturi. Duljim držanjem pri temperaturama iznad 320 °C postupno gubi stabilnost.
Razvijen je i niz drugih legura s povećanom postojanošću pri višim temperaturama (TiV8Fe5Al1) i povećanom otpornošću na napetosnu koroziju (TiMo12Sn6). Glavna prednost -legura je sposobnost hladnog oblikovanja deformiranjem.
TITAN I NJEGOVE LEGURE
Vrsta legure
TiAl5Sn2,5 TiAl6V4 TiV13Cr11Al 3
Kristalna strukura
(HCP
)
+
Toplinska obrada rekristalizacijski žareno 790 ° C/zrak rekristalizacijski žareno 750 ° C/zrak rastvorno žareno 930 ° C/voda + 540 ° C/zrak rekristal. žareno 790 ° C/zrak
(BCC)
rastvor. žareno 790 ° C/voda + 480 ° C/17h/zrak rastvor. žareno 790 ° C/zrak + hlad. oblikovano + 440 ° C/24h/zrak
R
p0,2 , N/mm 2 850 890 1080
R
m , N/mm 2 950 970 1180
A
, % 14 13 11 900 1220 1700 950 1290 1820 14 7 4