čelik

C/Fe fázni dijagram, s uvjetima za stvaranje pojedinačnih faza. Za neograničeno sporu promjenu temperature.

 

Željezo i ugljik

Ugljik je najvažniji legirajući element. Kvaliteta ocele ne ovisi samo o sadržaju ugljika, već i o načinu toplinske obrade.

Na slici su pojedinačne faze:

1. α - čisto željezo - alfa željezo
2. γ - austenit
3. * - ledeburit
4. po † - ferit
5. nad † - perlit
6. I - tekućina

Na grafu se vidi tzv. V-oblik karakteristika, koja se pojavljuje kod sustava koji su potpuno rastvorljivi samo u tekućem stanju i slabo rastvorljivi u čvrstom stanju (vidi eutektikum).

U biti se ovaj dijagram može razbiti na dijelove:

• Eutektička - ispod tekućine, s eutektikom na 1150 °C, sadržaj ugljika 4,3 %
• Eutektoidna - čvrsta promjena faza, ispod γ-oblasti, s eutektoidom na 723 °C, sadržaj ugljika 0,8 %
• Peritektička - prilično mala oblast gore lijevo (delta kristali) s peritektoidom oko 1430 °C.

Te faze se međutim pojavljuju samo pri neograničeno sporom hlajenju/ogrevanju. Pri brzom hlajenju (kovanje) nastaje npr. martenzit, koji povećava tvrdoću. Pri sporom hlajenju kod austenitskih oceli obično se povećava duktilnost.

Za dinamičke tokove koriste se TTT dijagrami. Položaj TTT dijagrama se može predstaviti tako da okomito na binarni dijagram stavimo još i vremensku os ("izlazi" iz slike). Oni se jako promijene prema sadržaju ugljika i legira. U njima se pojavljuju i međustupnjevi kao npr. bainit.

Iznimno utjecaj ima mangan, koji čini ocel austenitskom i pri većem sadržaju ugljika i potiče stvaranje martenzita čak i pri sporom hlajenju.

Previše ugljika uopće povećava krhkost, t.j. smanjuje vrubnu duktilnost, ovaj problem ne zahvaća tvorna litina.

Dodaje se ili u obliku karbidnih dodataka u tekućinu ili se pusti da površina upije u austenitiziranu ocel (npr. kod karbidacije).

Legirajući elementi

Više informacija u glavnom članku: Legiranje

Pri proizvodnji raznih vrsta oceli (prema svrhu) koriste se različiti legirajući elementi (legiri), koje se dodaju u tekućinu u svrhu prilagodbe svojstava ocele. Legiri se dodaju većinom direktnim ubacivanjem u željeznu tekućinu. Ponekad se legirajte teže topli od željeza ili obrnuto. Tamo se ili koriste trikovi, kao eutektizacija, pri kojoj se ne dobije čista zlijevka. U slučaju nedostatka rastvorljivosti legira u tekućini ocele nužno je koristiti prašnu metalurgiju. Govori se i sinter.

• Tvrdoća

Tvrdoća se povećava legiranjem: vanadij - zbog karbidacije, volfram - ekstremno tvrde karbide, mogu i dalje rezati i na crveno

• Čvrstoća

Čvrstoća se povećava legiranjem mangan, hrom, nikel, kao i dodatnim mehaničkim obradama npr. hladno valjanje i toplinskim obradama npr. kovanje. Teorijska čvrstoća željeza pri idealnoj kristalnoj rešetki (izračunata vrijednost) je oko 40000 N.mm^-2. Najčvršća ocel na tržištu ima 1500 N.mm^-2.

• Otpornost na trošenje

Ova svojstva je potrebno za komponente opterećene trošenjem (npr. štapićni spojevi) ili kod obradnih alata gdje se troši vrh. Za poboljšanje ove svojstva koristimo legire: Ugljik - martenzit, kao i cementit, kobalt, vanadij, volfram

• Toplinska otpornost, topljiva čvrstoća

Obična ocel gubi svojstva pri toplinskom opterećenju (već pri 300 °C) - glavno tvrdoća i čvrstoća (motori, turbine ...). Topljiva čvrstoća se poboljšava dodavanjem legira: nikel, volfram, hrom, molibden, vanadij. Nominalna radna temperatura za takve ocele je od 300 °C do 550 °C. Ocele iznad 550 °C su već visokotoplene ocele. Nad 800 °C je već većina oceli nepouživljiva. U laboratorijskim uvjetima se može proizvesti ocel koja još pri 1000 °C ima oko 500 N.mm^-2, ali se proizvodi ekstremno teško (na više proizvodnih koraka i nakon tvrdog izbacivanja).

• Elastičnost

Elastičnost je svojstvo koje pokazuje, koliko se ocel može deformirati da bi se vratila u svoj početni stanje. Ovo svojstvo koristimo npr. kod pružina. Za poboljšanje elastičnosti ocel se legira silicijem.

• Specijalni legiri

Horčik - potiče stvaranje kuglastog grafita kod tvornih litina (litina svojstvima sličnih oceli), berilij - Cu-Be- zlijevke ocele, usporava umor materijala (pri ponavljajućoj promjeni opterećenja), npr. kod pružina

 

Razdvajanje ocele

Prema sadržaju ugljika

• Pod-eutektoidne - s sadržajem ugljika ispod 0,8 %
• Eutektoidne - 0,8 % ugljika
• Nad-eutektoidne - između 0,8 % i 2,06 %

Prema legiranju

• Nisko-legirane
• Visoko-legirane - više od 5% legirajućih elemenata

Prema upokojenju

• Upokojene - kiseonik je uklonjen
• Neupokojene

Prema upotrebi

1. Automatske ocele - ocele namijenjene za dodatno obradu struganjem
2. Ocele za zušljehćenje - ocele namijenjene za dodatnu toplinsku obradu
3. Cementne ocele - ocele namijenjene za jačanje trošenih dijelova. Malo legirane ili nelegirane ocele s manje od 0,25% ugljika, na površini se cementiraju (ugljikovane) i kovaju. I nakon kovanja imaju dobre plastične svojstva.
4. Konstrukcijske ocele - ocele za građevinske konstrukcije i strojeve, za upotrebu je odlučujuća i ekonomičnost
5. Nitridne ocele - ekstremno tvrde i otporne na trošenje. Tvrdoća 750 HV do 1200 HV.
6. Pružinske ocele - visoka granica elastičnosti.
7. Nekrhotne ocele (krio ocele) - ocele koje pri niskim temperaturama ne krhot. Nelegirane do -60 °C, nisko-legirane do -120 °C i visoko-legirane do -250 °C.
8. Ložiskove ocele
9. Narodne ocele - ocele za proizvodnju alata, bilo da je za obradu struganjem ili ručni alat
10. Hrana ocele - specijalno sušćene ocele s nultim sadržajem teških metala i štetnih nečistoća
11. Duboko tažene ocele - ocele za lisane ploče, npr. za proizvodnju karoserije automobila. Većinom nisko-ugljikove ocele.

 

Sada

Proizvodnja

Osnov

Sada se ocel proizvodi na dva načina - ili se kao osnovna ocel (samo njen osnov) proizvodi u visokim pećima. U biti samo surov željezo - to se zatim skuje i upokoji i zatim se dodaju legiri. Tu se koristi LD-Konvertor ili u posljednje vrijeme Corex.

Siemens-Martinove peći su danas već beznađe zastarele.

Ili se ocel točno miješa u električnim pećima. Ova metoda je malo- i srednje serijalne proizvodnje dovoljno često korištena zbog svoje ekonomske fleksibilnosti.

Donawitzova metoda (LD-Konvertor)

U tekućinu konvertora se dugom tankom cijevi - kopijom - puše 98% kiseonik. Još se dodaje šrot i ruda, da bi se smanjio udio surovog željeza. Kiseonik reaguje sa željezom i nastaje željezni oksid FeO, koji spaljuje neželjene nečistoće i to u ovom redoslijedu:

• Silicij - 2FeO + Si → SiO₂ +2Fe
• Mangan - FeO + Mn → MnO + Fe
• Ugljik - FeO + C → CO + Fe
• Fosfor - 5 FeO + 2P → P₂O₅ + 5Fe
• Sumpor - 2 FeO + S → SO₂ + 2 Fe

Pri ovoj metodi mora biti dodana tekućina, da bi dozacija nije hladila. Gotova ocel se zatim izlije iz konvertora u posudu za dalju obradu. Maks. kapacitet konvertora je oko 250t.

Cijeno skoro najpovoljniji način proizvodnje ocele za velike količine.