METALNI MATERIJALI Inenjerski materijali ELICI I ELINI LIVOVI

METALNI MATERIJALI Inženjerski materijali

ČELICI I ČELIČNI LIVOVI • Današnji život i proizvodnja nezamislivi su bez materijala na bazi željeza, posebno čelika, jer je njegova proizvodnja i upotreba peterostruka prema ostalim tehničkim materijalima. • Očekuje se da će barem prve trećine 21. veka čelici dominirati u proizvodnji i primeni • Tendencije sadašnjeg razvoja čelika: • Poboljšanje kvaliteta u svim fazama dobijanja i prerade; • Raste udeo postupaka sekundarne metalurgije; • Razvoj i uvođenje metalurgije praha i mehaničkog legiranja u proizvodnji čelika i legura;

ČELICI I ČELIČNI LIVOVI • Vakuumskim pročišćavanjem dobijaju se ultra niskougljični (< 0, 005 % C) i visokočisti čelici; • kontrolisano dodavanje elemenata za povišenje obradljivosti; • Povišenje točnosti sastava i stanja površine (uže tolerancije); čelici namijenjeni toplotnoj obradi imaju sve uže granice sastava i garantovane prokaljivosti; • Termomehanička obrada kontinuiranim valjanjem doprinosi povišenju čvrstoće i žilavosti uz zadržanu dobru zavarljivost čelika;

ČELICI I ČELIČNI LIVOVI • Uvođenje statističkog praćenja i računarskog upravljanja procesom smanjenje energije, potrošnje ferolegura i povišenje kvaliteta; • Čelični limovi i trake zaštićuju se od korozije različitim prevlakama Zn, Zn-Ni, • Zn-Al, Zn-Co, Cr, Mn i duplex slojevima. • Na Zn slojeve nanose se i organske prevlake kod čelika za primjenu u građevinarstvu _ npr. rezervoari. • Laserskim rezanjem i zavarivanjem tzv. Tailored Blanks dobijaju se elementi ukupne konstrukcije, poglavito za automobilsku industriju, sastavljeni od limova čak i različite debljine.

HSLA (HIGH STRENGTH LOW ALLOY STEEL) • već oko 30 -tak godina u primenii dalje se istražuju mogućnosti povišenja žilavosti i optimizacija parametara zavarivanja. • Kod toga se teži što čišćim čelicima. • Razvoj obuhvata postupke kontrolisanog hlađenja uz optimizaciju hemijskog sastava. • Čelici s Cu s granicom razvlačenja od 550 do 900 N/mm 2 nalaze primjenu za vozila, cisterne i platforme za eksploataciju nafte i plina. • Proizvode se čelici tipa: Mn-Nb-V ili Mn-Nb-Ti-Mo-B.

ULTRAČVRSTI ČELICI • Kombinacijama poznatih mehanizama očvrsnuća usitnjenjem zrna, martenzitnom transformacijom, precipitacijom, povezano s deformacijom austenita postižu se najviše vrednostigranice razvlačenja i čvrstoće ultračvrsti čelici. Današnji postupci termomehaničke i mehanotermičke obrade jesu: ausforming plastična deformacija na izotermi izaziva pretvorbu austenita u martenzit, marforming deformiše se martenzitna struktura između dva popuštanja zakaljenog čelika ili tokom popuštanja odnosno starenja, isoforming deformisanje se izvodi pri izotermi prei za vrijeme pretvaranja austenita u perlit, perlitforming deformiaenje perlita se odvija nakon kontinuirane ili nakon izotermičkog pretvaranja iz austenita TRIP (Transformation Induced Plasticity). Postupak sličan ausformingu ali za austenitne čelike regulisanog sastava (tzv. TRIP čelici) kod kojih je moguća pretvaranje prethodno precipitacijski otvrdnutog austenita u deformacijski martenzit.

NERĐAJUĆI ČELICI • Smanjenjem udela ugljenika i nečistoća, kontrolom legiranja da ne dođe do izlučivanja nepoželjnih precipitata, dobijaju se čelici bolje otpornosti točkastoj i interkristalnoj koroziji. • Posebno se istražuju mogućnosti povišenja korozijske postojanosti u okolini H 2 S i to u industriji nafte i plina. • Smanjenje segregacija S, P, C i Mn kao i tretman s Ca i rijetkim zemljama smanjuju opasnost od korozije zbog djelovanja H 2 i H 2 S. • U skupini koroziono i hemijski postojanih čelika sve je veća upotreba visokolegiranih čelika s hromom i sa sniženim %C, tzv. superferitnih, koji su bolje hladne oblikovljivosti i jeftiniji od austenitnih Cr-Ni čelika. • Udeo nečistoća i intersticijskih legirajućih elemenata je vrlo nizak.

NERĐAJUĆI ČELICI Austenitni čelici sniženog sadržaja ugljenika<0, 03 %C (Extra Low Carbon _ ELC) imaju bolju otpornost interkristalnoj koroziji, zavarljivost i oblikovljivost od klasičnih austenitnih čelika. Povišenje čvrstoće i otpornosti jamičastom obliku korozije kod austenitnih čelika postiže se dodacima azota. Novi duplex čelici i čelični odlivci, s mikrostrukturom od oko 50 % austenita i oko 50 % ferita, pokazuju dobru otpornost koroziji, pittingu i morskoj vodi. Primena za off shore platforme, petrokemijsku i procesnu industriju. Duplex čelici s feritnom strukturom i ostrvima martenzita odnosno bainita pokazuju uz korozijsku postojanost i dobru hladnu oblikovljivost. Kod martenzitnih nerđajućih čelika nastoji se smanjiti sadržaj ugljenika (tzv. Mekomartenzitni čelici) i uz to podesiti vrste i udele legirajućih elemenata tako, da se zadrži dovoljna čvrstoća, snizi prelazna temperatura žilavosti, povisi korozijska postojanost te poboljša zavarljivost. Precipitacijski očvrsnuti (Precipitation Hardened PH) niskougljični nerđajućihčelici odlikuju se vrlo visokom čvrstoćom (Rp 0, 2 > 1000 N/mm 2) uz dobru korozijsku postojanost.

ALATNI ČELICI • Kvalitetni alatni čelici sve se više proizvode metalurgijom praha (PM-čelici). • Ovi su čelici veće homogenosti sastava i strukture, ponajpre u veličini i raspodeli karbida. • Pri jednakom iznosu tvrdoće ovi čelici imaju veću žilavost kao i otpornost toplotnom zamoru.

TEHNOLOGIJA LIVENJE • Protivgravitaciono livenje rešava problem formiranja oksida i rašireno je za livenje Al -legura za automobilsku industriju. • Napredak tehnologija livenja velikim delom je podstaknut razvojem računarskihprograma za simulaciju procesa očvršćavanja. • Komercijalnim programima moguće je pratiti ispunjavanje kalupne šupljine, predvideti mikrostrukturu, mikro i makroporoznost, makrosegregacije, vruće pukotine, deformacije i svojstva odlivaka. • S obzirom da livačkiprocesi štetno deluju na okolinu ti se uticaji nastoje više smanjiti. • Jedan od primera koji u tom smislu obećava je upotreba jezgra od smola na bazi proteina, topivih u vodi.

TEHNOLOGIJA LIVENJE • Pritisno inekcijski liven postupkom squeeze casting i nakon toga izotermički poboljšan nodularni liev _ ADI (Austempered Ductile Iron) vrlo uspešno zamjenjuje odlivke čeličnog liva za zupčanike, lančanike, kolenaste osovine, a širi se primena i za druge dinamički i tribološki opterećene mašinske delove.

OSTALI METALNI MATERIJALI • primena aluminijuma i njegovih legura širi se u graditeljstvu, proizvodnji vozila i za pakovanje, radi manje gustine od čelika, dobre korozijske postojanosti, sve boljih mehaničkih i proizvodnih svojstava i dobre recikličnosti. • Od povećane primene aluminijskih legura u automobilu očekuje se smanjenje mase za oko 40 % što bi omogućilo sniženje emisije CO 2 za oko 20 %. • Kod vozila karakteristični delovi od Al-legura jesu: nosivi okvir, oplata karoserije, blok motora, kućišta mjenjača i diferencijala itd. • Od legura najzastupljenije su toplinski očvrstljive Al-Mg-Si i zavarljiva Al-Zn-Mg, te hladno oblikovani limovi od Al. Mg i Al-Mg-Mn.

Okvir automobila od Al legure

Naročito se radi na primeni novih postupaka livenja pod pritiskom i preciznog livenja te postupaka oblikovanja injekcijskim kalupljenjem metala (Metal Injection Moulding. MIM) ili istiskivanjem praha u testastom stanju (semi-solid). npr. Thixomoulding postupak. Ovi posljednji postupci su naročito prikladni i prilagođeni za oblikovanje metala niže tačke topljenja kao što su Mg, Al i Zn-legure, vrlo složenih oblika tankih debljine s velikom točnošću dimenzija i uz neznatan otpad materijala.

Neki liveni delovi složenog oblika od Allegura

• Za potrebe vazduhoplovne industrije posebno se intenzivno istražuju Al-Li legure. • Al-Cu-Li i Al-Cu-Li-Mg konkuriraju najčvršćim legurama Al-Zn-Mg-Cu, s time da im je manja gustina i veći modul elastičnosti. • Vrlo su obećavajuće legure Al-Mg-Li. • Dalja poboljšanja svojstava postižu se disperzijskim očvrsnućem česticama Ti. B 2 ili Zr. O 2 u procentualnom udelu preko 8 %. • Radi problema pri livevanju, legure se dobijaju vrlo brzim hlađenjem i metalurgijom praha, a konačan oblik dobijaju ekstruzijom ili kovanjem. Potrebna svojstva postižu se završnim toplotnim obradama homogenizacijskog žarenja.

• Savremeni postupci livenja i oblikovanja na gotovo konačan oblik proširuju područja primjene Mg-legura za delove vozila (volan, naslon sedišta i dr. ), motocikla, bicikla, tankozidnih kućišta kamera, mobilnih telefona, prenosnih računara i sl. , zamenjujući polimerne materijale, Al-legure i čelike. • Uz malu masu Mg-legure pružaju i druge prednosti: dobru livkost, visoku duktilnost, veću žilavost.

Neki primjeri primjene Mg-legura

SUPERLEGURE Za rad pri visokim temperaturama Ni i Ni-Cr superlegure se očvršćavaju jednoličnom disperzijom vrlo sitnih čestica oksida (Th. O 2) u matrici, postupcima metalurgije praha. Usmerenom kristalizacijom postiže se veća žilavost i trajnost lopatica turbina od Ni-superlegura. Rastom zrna u jednom smeru snižen je modul elastičnosti, a time se smanjuju toplotna naprezanja. Dalji razvoj usmerene kristalizacije rezultirao je postupcima dobijanja monokristala bolje čvrstoće i više tačke topljenja. Radi visoke sklonosti ka upijanju kiseonika i azota pri visokim temperaturama Ti-legure se zaštićuju fizičkim nanošenjem (snopom elektrona) iz parne faze submikrometarski tankih slojeva Al i Si. O 2 koji pri visokim temperaturama reaguju s Ti čime nastaju toplotno postojani spojevi silicida i aluminida. Istražuju se legure i postupci oblikovanja praha toplotno visokopostojanih metala Nb, Ta, Mo i W. Vanadijeva legura V 4 Cr 4 Ti obećava kao konstrukcioni materijal za delove fuzijskog reaktora, umesto 12% Cr feritno/martenzitnog i Cr-Ni austenitnog čelika.

METALNE PENE • Metalne pene sa ćelijastom strukturom imaju visoku poroznost (40. . . 90% vol. ), nisku specifičnu masu, visoku krutost, dobro prigušenje mehaničkih vibracija i zvuka, negorivost, toplotno izolaciona svojstva i dr. • Tipični postupci dobijanja pena su: livenje, presovanje i ekstruzija praha, taloženje metala. • Proces se sastoji od mešanja penastog agensa i praha, zatim oblikovanja u poluproizvode presovanjem ili ekstruzijom i na kraju grejanja blizu tačke topljenja metala čime se raspada penasti agens i oslobađa vodonik koji ekspandira i stvara poroznu strukturu. • Ekspandiranje u kalupu omogućava dobijanje vrlo složenih oblika. • Metalne pene su naročito prikladne za izradu sendvič konstrukcija vozila , letelica i građevinskih elemenata, filtera, izmjenjivača toplote.

METALNE PENE • Razvoj je započeo s aluminijumom i njegovim legurama (naročito siluminom), a širi se na cink, olovo, bronzu, čelik, nikl (baterije), titan, zlato i srebro (nakit).