Конструкцијски челик

Различити профили израђени од конструкцијског челика.

Копија револвера *Цолт 1873*, на којој се виде боје од отврдњавања површине челика.

Лиснате савојне опруге у слоју на возилу или **гибањ**.

Конструкцијски челик је угљични челик (обични или племенити) с удјелом угљика мањем од 0,6% (масени удио) или легирани челик (углавном с манганом, силицијем, кромом, никлом, волфрамом). Користе се за израду челичних конструкција, саставних дијелова стројева, апарата и различитих уређаја. Разликују се обични (угљични или нисколегирани) челици за опћу масовну употребу и племенити (рафинирани) угљични или легирани челици за дијелове с већим захтјевима (дијелови стројева итд.).

Конструкцијски челици се користе код израде карактеристичних конструкцијских дијелова стројева и уређаја. Најчешће служе за израду вратила, осовина, зупчаника, носача опруга, вијака, поклопаца, вентила, кућишта итд. С обзиром на механичка својства, конструкцијски челици морају имати високу границу развлачења, довољну пластичну деформабилност (ради избјегавања појаве крхког лома), високу границу пузања и чврстоћу при повишеним температурама, те задовољавајућу жилавост и динамичку издржљивост. Поред тога, конструкцијски челици морају бити отпорни на трошење и корозију, те обрадиви одвајањем честица (резање), заварљиви, склони хладном обликовању (савијање, штанцање, дубоко вучење) итд.

Врсте конструкцијских челика

Опћенито се конструкцијски челици могу подијелити на угљичне (нелегирани) и легиране. Конструкцијски челици (нелегирани и легирани који садрже угљика мање од 0,60%) често се примјењују за израду стројева и уређаја који раде у неагресивним срединама и при температурама од -25 до 300 °Ц, као и за носиве и грађевинске конструкције.

Угљични конструкцијски челици

Угљични или нелегирани челици обичног квалитета сврставају се претежно према механичким својствима, те се користе за слабије оптерећене дијелове стројева, уређаја, возила или за шипке и решетке (нпр. челик С185). Сви нелегирани челици обичног квалитета примјењују се у сировом стању (без топлинске обраде). ^[1]

Опћи конструкцијски челици

Опћи конструкцијски челици обухваћају најширу групу конструкцијских челика, а најчешће се примјењују код носивих заварених конструкција велике масе. Ова скупина челика најчешће се користи за израду мостова, дизалица, носача, бродских конструкција, дијелова возила, опреме у индустрији нафте и плина и др. Опћи конструкцијски челици дијеле се на:

угљичне челике за носиве конструкције и
челике за стројоградњу.

Угљични челици за носиве конструкције

Челици за носиве конструкције требају испунити одређене захтјеве у погледу носивости и сигурности. Наведени захтјеви могу се остварити уколико челик има довољно високу границу развлачења, влачну и тлачну чврстоћу, савојну чврстоћу, смичну чврстоћу и жилавост. Заварљивост спада међу главна технолошка својства које требају посједовати челици за носиве конструкције. Предувјет за добру заварљивост је што нижа вриједност еквивалента угљика (C_Е):

C_Е = %C + %Мн/4 + (%Цр + %Мо + %V)/5 + (%Ни + %Цу)/10

Вриједност еквивалента угљика прихватљива за челике за носиве конструкције износи C_Е < 0,4.

Будући да код ове скупине челика кемијски састав није зајамчен, те због веће присутности нечистоћа у односу на остале челике, опћи конструкцијски челици нису предвиђени за топлинску обраду. Челици за носиве конструкције углавном се дијеле на основи вриједности границе развлачења и ударне радње лома. Означавања конструкцијских челика је уобичајено према норми ЕН 10027-1.

Челици за носиве конструкције посједују границу развлачења од 190 до 370 Н/мм², влачну чврстоћу од 330 до 700 Н/мм², те истезање од 10 до 28%. Износ границе развлачења је виши уколико је виши садржај угљика и удио перлита у микроструктури. Чврстоћа се може повисити додатком мангана и силиција (манган мора бити < 1,65% јер повисује прокаљивост). Порастом омјера Мн/C расте и ударна радња лома. Челици за носиве конструкције углавном се примјењују у температурном подручју од -40 °Ц до +50 °Ц. Уобичајени челици ове скупине према ЕН 10027 су: С235 (Ч. 0270), С355Ј2Г3 (Ч. 0563).

Челици за стројоградњу

Челици за стројоградњу се примјењују за стројне дијелове који се гибају у односу на друге дијелове строја или преносе силе и моменте. Најчешће се користе за израду осовина у клизним лежајевима, вретена, слабије оптерећених зупчаника, те разних клинова, вијака, ручица, полуга и сл. У погледу заварљивости и жилавости према челицима за стројоградњу нема никаквих захтјева. Ова скупина конструкцијских челика слабије је заварљива због виших удјела угљика, али исказује вишу влачну чврстоћу (500 - 700 Н/мм²) и нижу истезљивост (10 - 20%) од челика за носиве конструкције. Иако имају виши садржај угљика нису намијењени за каљење. Уобичајени челици ове скупине према ЕН 10027 су: Е295 (Ч. 0545) с око 0,3% C, Е335 (Ч. 0645) с око 0,4% C, те Е360 (Ч. 0745) с око 0,5% C. ^[2]

Ситнозрнати микролегирани челици повишене чврстоће

Главни чланак: Микролегирани челик

Повећање чврстоће челика, уз истовремену уштеду легирајућих елемената, остварује се примјеном поступка микролегирања. Микролегирање се користи првенствено код израде конструкцијских челика које карактеризира висока граница развлачења, задовољавајућа пластичност, незнатна склоност крхком лому, те добра заварљивост. Развој заварљивих конструкцијских челика започиње крајем 20-их година 20. стољећа. У почетку производње таквих челика основни циљ био је повећање чврстоће, односно границе развлачења. Међутим, полазећи од све наглашенијих потреба за уштедом материјала и енергије у посљедње вријеме све се већи значај усмјерава према жилавости, заварљивости и способности обликовања.

За све модерне високочврсте заварљиве челике карактеристично је да су микролегирани с ниобијем, ванадијем, титанијем или неким другим микролегирајућим елементом. Разлика у односу на уобичајен састав конструкцијских челика је у релативно ниском садржају угљика и додатку микролегирајућег елемента. Садржај микролегирајућег елемента у микролегираним челицима износи од 0,01 до 0,1%, а садржај угљика је врло низак (0,02 - 0,20%). Микролегирајући елементи не мијењају основну врсту челика тј. нелегирани челик остаје нелегиран, нисколегирани челик остаје нисколегиран.

Микролегирани нормализирани ситнозрнати челици

Ситнозрнати челици су развијени првенствено из челика за носиве конструкције, као што су С355Ј0Г3 (Ч. 0562) и С355Ј2Г3 (Ч. 0563). Будући да су умирени алуминијем и силицијем, имају ситнију феритно-перлитну микроструктуру, те задовољавајућу заварљивост. Повишењем удјела перлита (виши удио угљика) може се постићи висока чврстоћа, али тада опада заварљивост и жилавост. Даљним развојем ове скупине челика додавани су манган, никал и кром као легирајући елементи ради повишења чврстоће механизмом очвршћивања помоћу кристала мјешанаца (ферита). Међутим, посљедица таквог начина повишења чврстоће су погоршана технолошка својства (расте склоност закаљивању при заваривању).

Побољшани ситнозрнати челици

Побољшани ситнозрнати челици развијени су у трећем стадију развоја челика за носиве конструкције. Главна карактеристика ових челика је да су каљени у води с температуре обликовања, те додатно попуштени при температури 680 - 710 °Ц. Захтјеви у погледу могућности доброг заваривања ове скупине челика увјетовали су да сви челици из ове скупине конструкцијских челика садрже испод 0,2% угљика. Нискоугљични мартензит је најпогоднији за постизање задовољавајуће комбинације чврстоће и жилавости. У односу на феритно-перлитну и баинитну микроструктуру, мартензит је изразито неосјетљив на крхки лом.

Конструкцијски челици с ниским садржајем перлита или без перлита

Осим класичних поступака производње конструкцијских челика у другој половици 20. стољећа, развијена је нова технологија која је обухваћала и топлинску обраду, па је такав поступак назван термомеханичка обрада. Таквим начином произведени челици већ у ваљаном стању, посједују повољну границу развлачења и отпорност према крхком лому. Међутим, термомеханичка обрадба је дјелотворна само уколико је садржај угљика врло низак, па не утјече на повишење чврстоће. Такви челици представљају трећу скупину заварљивих конструкцијских челика повишене чврстоће, која се од прве двије групе (нормализирани, побољшани) разликује по кемијском саставу, начину производње и механизму повишења чврстоће.

Конструкцијски челици намијењени примјени при ≈ 20 °Ц

Челични производи израђени од челика из ове скупине конструкцијских челика(зајамчен састав и својства) прије примјене подвргавају се поступку каљења, тј. претворби аустенита у угљични мартензит. Уколико се закаљени производ попушта ниско (<250 °Ц) његово стање се назива каљеним, а уколико се попушта високо (>500 °Ц) стање му се назива побољшаним. Учинак каљења процјењује се помоћу закаљивости и прокаљивости челика. Закаљивост представља способност челика да гашењем поприми што вишу тврдоћу, а прокаљивост представља способност што једноличније тврдоће.

Челици за цементацију

Челици за цементацију представљају конструкцијске челике којима се након обраде одвајањем честица поугљичава рубни слој. Након поугљичавања рубног слоја проводи се каљење како би се постигла висока отпорност на трошење рубних слојева, те повишена жилавост непоугљичене језгре. Челици за цементацију углавном садрже 0,1 - 0,2% угљика прије поугљичавања, а могу бити или нелегирани или нисколегирани. Након поугљичења рубни слој садржи 0,8 - 0,9% угљика, те се закаљивањем постиже тврдоћа 61 - 64 ХРЦ.

Челици за побољшавање

Челици за побољшавање припадају скупини нелегираних или нисколегираних конструкцијских челика који каљењем и високим попуштањем (> 500 °Ц) постижу одговарајућу границу развлачења, влачну чврстоћу и жилавост. Каљењем се настоји постићи што потпунија мартензитна микроструктура по пресјеку, тј. што виша прокаљеност. Ова скупина челика садржи 0,25 - 0,60% угљика који утјече на њихову закаљивост. У челике за побољшање убрајају се и челици за цементацију који нису поугљичени, али су каљени с температуре аустенитизације језгре, те попуштени при температури око 200 °Ц или изнад 500 °Ц.

Челици за опруге

Главни чланак: Челик за опруге

Главни захтјев који се поставља пред челике за опруге је да под дјеловањем радног оптерећења постигну тражену еластичну деформацију. У погледу еластичних деформација сви челици остварују једнако опружно дјеловање које је посљедица истог модула еластичности и модула смичности у случају торзијски (увијање) оптерећених опруга. Из тога слиједи да ће сваки челик имати исто опружно дјеловање док му је напрезање ниже од границе развлачења. Повећање оптерећења које опруга може издржати постиже се проширењем подручја еластичности, тј. што вишом границом развлачења и границом еластичности. Повишење границе развлачења може се постићи повишењем масеног удјела угљика, те легирањем са силицијем, манганом, кромом и ванадијем.

Челици побољшане резљивости

Челици побољшане резљивости намијењени су за израду дијелова на високопродуктивним аутоматским стројевима, па се често називају и челицима за аутомате. Најважније својство челика за аутомате је боља обрадивост одвајањем честица (резљивост) у односу на друге челике. Боља резљивост је карактеризирана споријим трошењем оштрице алата, те добивањем високе квалитете површине. Способност обраде ови челици постижу помоћу измјењеног кемијског састава којим се поспјешује стварање укључака. Укључци омогућују стварање ломљиве и кратке струготине. Међутим, због присутности укључака ови челици су склонији појави крхког лома, пукотина тијеком топлинске обраде, лому услијед замора и сл.

Челици за нитрирање

Нитрирање је један од најважнијих поступака површинске термокемијске обраде, који је у комерцијалној примјени од 20-их година 20. стољећа. Поступак нитрирања се темељи на дифузији душика у површински слој обрађиваног предмета. Нитрирање се проводи ради постизања високе површинске тврдоће, побољшања отпорности на трошење и замор, боље корозијске отпорности с незнатним промјенама у димензијама и својствима обрађиваних предмета.

Добивена тврдоћа се темељи на промјени кемијског састава површинског слоја и присутности нитрида, а не на промјени микроструктуре наглим хлађењем. Поступак се проводи тако да се припремљени предмети (без оксида, масти и других нечистоћа) улажу у пећ и излажу дјеловању средства за нитрирање на температури испод А₁ точке, како не би дошло до трансформације ферита у аустенит. У правилу нитрирају се сви челици, сиви лијев, челични лијев (у температурном подручју 500 - 590 °Ц) и Ти-легуре (750 - 900 °Ц). Плинско нитрирање се не препоруча за угљичне челике, јер се добива крхка површина с малим порастом тврдоће у дифузијској зони. Легирани челици, због излучивања нитрида у дифузијском слоју, пружају већу отпорност на трошење и омогућују примјену већих површинских тлакова.

Посебни конструкцијски челици

Нехрђајући челици

Главни чланак: Нехрђајући челик

Корозија представља разарање метала или легура због њиховог дјеловања с вањским медијем. Увјети међудјеловања и својства медија одређују врсту корозије па тако постоји плинска, атмосферска, подводна, биолошка корозија итд. Према начину разарања метала постоје слиједећи облици корозије: опћа (једнолично одношење површине), јамичаста (точкаста, рупичаста, “питтинг“), интеркристална, напетосна итд. Корозијска постојаност представља способност материјала да се супротстави негативном дјеловању корозијског медија помоћу успоравања његовог дјеловања. ^[3]

Да би челик био корозијски постојан (пасиван) морају бити испуњена два главна увјета:

легирање с барем 12% крома (модерни нехрђајући челици садрже и до 30% крома),
постојање хомогене монофазне феритне, аустенитне или мартензитне микроструктуре, ради избјегавања опасности од настанка подручја с различитим електропотенцијалом од потенцијала основне масе.

Челици отпорни на трошење

Први аустенитни мангански челик отпоран на трошење који садржи око 1,2% C и 12% Мн (C:Мн=1:10) изумио је Сир Роберт Хадфиелд 1882. Хадфиелдов челик је јединствен по томе што посједује комбинацију високе жилавости и истезања, с високим капацитетом очвршћивања, те добром отпорности на трошење. Због тога је такав челик врло брзо прихваћен као врло користан инжењерски метални материјал првенствено у подручју грађевинарства (механизација), рударства, индустрије нафте и плина, у производњи цемента, за израду дијелова дробилица, млинова, багера, пумпи за транспорт шљунка и камена, војној индустрији итд.

У међувремену, предложене су бројне варијације оригиналног манганског аустенитног челика, али само неколико њих је усвојено као значајно побољшање. Побољшање састава манганских челика обично укључује промјену садржаја угљика и мангана, са или без додатних легирајућих елемената (као што су нпр. кром, никал, молибден, ванадиј, титаниј и бизмут).

Челици за рад при повишеним и високим температурама

Према температурном подручју примјене челици намијењени за рад при повишеним температурама дијеле се на:

угљичне (челици за котловски лим),
нисколегиране (најчешће додају само молибден или комбинација молибдена и крома, те код неких врста и мање количине ванадија),
високолегиране мартензитне (садрже око 1% молибдена и до 12% крома) и
високолегиране аустенитне челике (аустенитни Цр-Ни челици имају врло високу температуру рекристализације (900-1000 °Ц), па се могу дуготрајно примјењивати при температурама 600 - 750 °Ц). ^[4]

Челици за рад при ниским температурама

Познато је да снижењем температуре којој је челик изложен може доћи до смањења дуктилности, ударне радње лома, топлинске истезљивости и водљивости, те специфичног топлинског капацитета. При ниским температурама примјене челика може доћи до пораста тврдоће, влачне чврстоће и границе развлачења. Најопаснију појава која се јавља тијеком изложености челика ниским температурама представља снижење жилавости.

У примјени се разликују три основне скупине челика за рад при ниским температурама:

нисколегирани (микролегирани) ситнозрнати челици, чија је нижа пријелазна температура жилавости посљедица ситног кристалног зрна, дезоксидације алуминијем и силицијем, те више чистоће од класичних конструкцијских челика,
челици за побољшање, легирани с 1,5 - 9% никла, који поспјешује стварање ситнијег зрна и врло жилавог Фе-Ни мартензита након каљења,
аустенитни челици Цр-Ни, Цр-Ни-Н (Нб, Ти), Цр-Ни-Мо-Н и Цр-Мн-Ни-Н, који и близу апсолутне нуле имају задовољавајућу жилавост.

Високочврсти челици

Поред постизања високе влачне чврстоће и границе развлачења, високочврсти челици морају посједовати и високу жилавост, високу динамичку издржљивост, отпорност на корозију, чврстоћу при повишеним и високим температурама, потпуну прокаљивост (95% мартензита у језгри), лаку обрадљивост одвајањем честица, способност заварљивости и топлинске обраде. У погледу микроструктурних захтјева настоји се добити ситнозрнату хомогену микроструктуру, уз избјегавање локалних хетерогености (макросегрегације, кристалне сегрегације, укључци). Хетерогеност у атомарном и субмикроскопском подручју је пожељна ради једноличног успоравања гибања дислокација.

Високочврсти челици се могу подијелити у слиједеће скупине:

нисколегирани нископопуштени челици,
високолегирани (Цр-Мо-V) високопопуштени челици,
корозијски постојани преципитацијски очврснути челици,
термомеханички обрађени челици,
хладно обликовани нелегирани или нисколегирани челици,
марагинг челици.

Извори

↑ "Стројарски приручник", Бојан Краут, Техничка књига Загреб 2009.
↑ "Техничка енциклопедија", главни уредник Хрвоје Пожар, Графички завод Хрватске, 1987.
↑ "Специјални челици", скрипта - Свеучилиште у Загребу, www.симет.унизг.хр, 2011.
↑ [1] “Испитивање материјала”, доц. др. сц. Стоја Решковић, Металуршки факултет Свеучилишта у Загребу, www.сцрибд.цом/доц, 2011.

[1] "Стројарски приручник", Бојан Краут, Техничка књига Загреб 2009.

[2] "Техничка енциклопедија", главни уредник Хрвоје Пожар, Графички завод Хрватске, 1987.

[3] "Специјални челици", скрипта - Свеучилиште у Загребу, www.симет.унизг.хр, 2011.

[4] [1] “Испитивање материјала”, доц. др. сц. Стоја Решковић, Металуршки факултет Свеучилишта у Загребу, www.сцрибд.цом/доц, 2011.

[1]

[2]

[3]

[4]