Čelik i njegove legure

UVOD

Čelik je metastabilno kristalizovana Fe-C (Fe-Fe3C) legura sa sadržajem ugljenika manjim od 2,06%. Dodavanjem volframa, hroma, molibdena, vanadijuma, mangana, nikla, kobalta i drugih metala, pojedinačno ili u kombinacijama, dobijaju se legirani čelici za specijalne svrhe, izuzetno mehanički, hemijski ili toplotno postojani. Ako je maseni udeo legirajućih elemenata veći od masenog udela gvožđa, ili se gvožđe nalazi samo u tragovima, onda ne govorimo o čeliku već o novim tipovima legura. Neverovatan raspon i fleksibilnost osobina (uz pomoć legiranja, termičke obrade i plastične prerade) kao i relativno niska cena proizvodnje čine ga i dalje najrasprostranjenije korišćenim metalnim materijalom.

Osobine čelika

Kao što smo već rekli, čelik ima neverovatan raspon i fleksibilnost osobina. Može biti vrlo mek i kao takav izuzetno pogodan za duboko izvlačenje (pravljenje limenki, konzervi i td.). Nasuprot tome čelik može biti vrlo tvrd i krt kao na primer kod martenzitnih čelika koji se koriste za sečiva. Pred modernu proizvodnju čelika postavljaju se vrlo visoki zahtevi, koji najčešće uključuju optimalnu kombinaciju osobina kao što su zatezna čvrstoća sa jedne i duktilnost odnosno deformabilitet sa druge. Pored toga mora se stalno voditi računa o isplativosti proizvodnje što je posledica neprestane promene cena legirajućih elemenata.
Najvažniji legirajući element u čeliku je ugljenik. On se u čeliku nalazi u obliku jedinjenja pod imenom cementit, Fe3C. Povišeni maseni udeo ugljenika čini čelik čvršćim, ali u isto vreme krtim materijaliom. U zavisnosti od udela ugljenika i temperature na kojoj se uzorak čelika nalazi na faznom dijagramu se mogu uočiti sledeći mikrokonstituenti: Austenit, Ferit, Primarni-, Sekundarni-, cementit kao i mikrostrukture (mešavine faza): Perlit, Ledeburit. Ako se čelik naglo ohladi, tako da se difuzioni procesi (na prvom mestu difuzija ugljenika) ne odviju do kraja, onda se u strukturi čelika pojavljuju nove mikrostrukture koje su većinom presićene ugljenikom. Ako se ubrzano hlađene odvija iz austenitne oblasti mogu se javiti finolamelirane mikrostrukture Sorbit ili Trosit) kao i igličati/zrnasti Beinit ili igličasti Martenzit.
Specifična težina čelika je skoro ista kao specifična težina čistog gvožđa i iznosi oko 7.850 kg/m³.
Osobine čelika kao što su tvrdoća, duktilnost, zatezna čvrstoća… mogu se kreirati i kontrolisati u veoma širokom spektru, što čelik čini osnovnim metalnim konstrukcionim materijalom. Tri osnovne metode, koje se naravno mogu međusobno kombinovati, u cilju postizanja željenih osobina čelika su:

• legiranje
• termička obrada (žarenje, kaljenje, poboljšanje, Tempcore-metoda, itd.)
• plastična prerada (valjanje, izvačenje, itd.)

Proizvodnja čelika

Proizvodnja čelika ima za cilj dobijanje legure (gvožđa i ugljenika) željenog hemijskog sastava i mehaničkih osobina. Postizanje željenih mehaničkih osobina zavisi od tri međusobno povezana faktora:

• hemijskog sastava (kombinacija legirajućih elementata),
• plastične prerade i
• termičke obrade.

Proizvodnja čelika se odvija u čeličanama, koje su deo šireg postrojenja pod imenom železara. To postrojenje se najčešće sastoji od: pogona visoke peći, čeličane i valjaonice (tople i hladne). Pogon visoke peći nije neophodan u slučaju ako se čelik dobija iz čeličnog otpada pomoću elektro lučnih peći. Postoje generalno dva tipa železara:

• integralna železara, ona koja poseduje postrojenje visoke peći, konvertorske čeličane i tople i hladne valjaonice,
• ostali tipovi železara koje nemaju proizvodnju gvožđa (nemaju visoku peć).

Vrste čelika

Po DIN EN 10020 postoje samo dve Glavne klase čelika:

• Kvalitetni čelici (QS)
• Specijalni (plemeniti) čelici (SS)

Danas je registrovano negde oko 2500 različitih vrsta čelika.
Dalje grupiranje na podgrupe vrši se prema legurajućim elementima, mikrostrukturi, ili mehaničkim osobinama.
Prema sadržaju legirajućih elemenate čelici se dele na:

• Nelegirani čelici – Nelegirani čelici se dele na one koji su predviđeni za termičku obradu i one koji to nisu.
• Niskolegirani čelici – Kao niskolegirani čelici tretiraju se oni čelici sa ukupnim masenim udelom legirajućih elemenata ne manjim od 1%, ali ne većim od 5%. Ovi čelici posduju poboljšane mehaničke osobine u odnosu na nelegirane čelike.
• Visokolegirani čelici – Kao visoko legirani čelik tretira se čelik koji sadrži više od 5% legirajućih elemenata. Ovi čelici poseduju izuzetne osobine u zavisnosti koja kombinacija legirajućih elemenata je primenjena. Tipičan primer je nerđajići čelik, koji svoju optpornost na koroziju duguje u prvom redu Hromu.