Čelični materijali je legirani materijal sa željezom i ugljikom kao glavnim komponentama. To je jedan od najraširenijih i najvažnijih osnovnih materijala u modernoj industriji i infrastrukturi. Njegova se svojstva mogu široko kontrolirati podešavanjem sadržaja ugljika i dodavanjem legirajućih elemenata.

I. Osnovna definicija i temeljna klasifikacija

Čelik je u osnovi materijal na bazi željeza (Fe) s ugljikom (C) kao primarnim legirajućim elementom. Suptilne varijacije u sadržaju ugljika daju vrlo različite karakteristike:

1. Čelik s niskim udjelom ugljika (C ≤ 0,25%):

   • Svojstva: Izvrsna plastičnost, žilavost i zavarljivost; lako se oblikuje (npr. utiskivanje, savijanje); relativno niske čvrstoće.

   • Prijave: Paneli karoserije automobila, konstrukcijske armature (npr. Q235), žice, zakovice, limovi i strukturni dijelovi.

2. Srednje ugljični čelik (0,25% < C ≤ 0,60%):

   • Svojstva: Veća čvrstoća i tvrdoća od niskougljičnog čelika, uz zadržanu plastičnost i žilavost. Učinkovitost se može poboljšati toplinskom obradom (npr. kaljenjem i popuštanjem).

   • Prijave: Dijelovi strojeva (zupčanici, vratila, klipnjače), pričvrsni elementi visoke čvrstoće, tračnice, kotači, otkivci.

3. Čelik s visokim udjelom ugljika (C > 0,60%):

   • Svojstva: Visoka tvrdoća, čvrstoća i otpornost na habanje; ograničena plastičnost i žilavost; slaba zavarljivost.

   • Prijave: Alati za rezanje (turpije, svrdla), opruge, žice visoke čvrstoće, matrice, valjci.

II. Legirani čelik: proširenje i podizanje performansi

Dodavanje specifičnih legirajućih elemenata (npr. kroma (Cr), nikla (Ni), molibdena (Mo), vanadija (V), mangana (Mn), silicija (Si)) ugljičnom čeliku značajno poboljšava ili daje posebna svojstva:

• Povećana snaga i otpornost: Mo, V, Mn pročišćavaju strukturu zrna ili formiraju faze ojačanja.

• Poboljšana otpornost na trošenje: Visoki ugljik u kombinaciji s Cr, Mo.

• Poboljšana otpornost na koroziju: Cr je ključan za nehrđajući čelik (obično ≥10,5%); Ni povećava otpornost na koroziju i žilavost.

• Vrhunska izvedba na visokim temperaturama: Mo, V, W održavaju čvrstoću i otpornost na oksidaciju na povišenim temperaturama.

• Optimizirana očvrsljivost: Cr, Mn, Mo, B utječu na dubinu kaljenja tijekom kaljenja.

III. Ključne domene specijalnih čelika

1. Nehrđajući čelik: Kritični sadržaj Cr (≥10,5%) čini sloj pasivnog krom oksida. Klasificirano prema mikrostrukturi:

   • Austenitni (npr. 304/316: nemagnetski, izvrsna otpornost na koroziju).

   • martenzitni (npr. 410/420: može se toplinski obraditi radi tvrdoće).

   • Feritni (npr. 430: magnetski).

   • Duplex (mješovita struktura).
     Prijave: Pribor za jelo, medicinski uređaji, kemijska oprema, arhitektonske obloge.

2. Alatni čelik: Visok sadržaj ugljika/legure za ekstremnu tvrdoću, otpornost na habanje, tvrdoću na vruće (zadržava tvrdoću na visokim temperaturama) i uravnoteženu žilavost.
   Prijave: Alati za rezanje, kalupi (štancanje, brizganje), mjerači.

3. Konstrukcijski čelik visoke čvrstoće: Optimizirani sastav i napredni procesi (npr. Termo-mehanička kontrolirana obrada - TMCP) daju visoku čvrstoću (granica razvlačenja ≥550MPa) dok osiguravaju zavarljivost i žilavost.
   Prijave: Mostovi, neboderi, teški strojevi, brodovi, posude pod pritiskom.

IV. Rođenje čelika: od rude do materijala

Proizvodnja čelika je složen industrijski proces:

1. Proizvodnja željeza: Željezna rudača (željezni oksidi) reducira se koksom u visokoj peći, dajući rastaljeno sirovo željezo (visoki ugljik: ~3-4%, plus nečistoće poput Si, Mn, P, S).

2. Proizvodnja čelika: Ključni zadaci: smanjenje ugljika i uklanjanje nečistoća. Primarne metode:

   • Osnovna peć za kisik (BOF): Kisik upuhan u rastaljeno željezo oksidira ugljik/nečistoće; visoka učinkovitost.

   • Električna lučna peć (EAF): Topi čelični otpad pomoću električne energije; fleksibilan, idealan za recikliranje.

   • Sekundarna rafinacija: Daljnje otplinjavanje, uklanjanje inkluzija, podešavanje sastava izvan peći za vrhunsku čistoću.

3. Casting: Stvrdnuti u poluge ili kontinuirano lijevati u ploče, gredice ili cvjetove.

4. Formiranje: Lijevani oblici podvrgavaju se toplom/hladnom valjanju (ploče, limovi, profili, žice), kovanju itd., kako bi se postigle konačne dimenzije i svojstva.

V. Sveprisutne primjene: Svijet izgrađen na čeliku

Čelik prožima svaki aspekt modernog života:

• Izgradnja i infrastruktura: Kosturi nebodera, konstrukcije mostova, betonske armature (armatura), nosači tunela, cjevovodi (voda, plin, nafta).

• Prijevoz: Automobilske karoserije, šasije, dijelovi motora; brodski trupovi, palube; vagoni, tračnice; stajni trap zrakoplova, komponente motora (legirani čelik).

• Energetska industrija: Naftne/plinske platforme, cjevovodi; oprema za elektrane (kotlovi, turbine, posude pod pritiskom); tornjevi vjetroturbina, mjenjači; prijenosni tornjevi.

• Proizvodnja strojeva: Alatni strojevi, zupčanici, ležajevi, osovine, klipnjače, spojnice, opruge.

• svakodnevni život: Okviri aparata, posuđe (nehrđajući čelik), okovi za namještaj, medicinski instrumenti/implantati.

• Alati i kalupi: Alati za rezanje, mjerači, matrice.

VI. Osnovne prednosti izvedbe

Trajna dominacija čelika proizlazi iz njegove jedinstvene kombinacije svojstava:

• Visoka čvrstoća: Podnosi velika opterećenja; omogućuje robusne strukture.

• Dobra plastičnost i žilavost: Može se oblikovati u složene oblike; odolijeva udaru.

• Izvrsna obradivost: Lako se lijeva, kuje, valja, vari, strojno obrađuje.

• Trajnost i dugovječnost: Produženi životni vijek uz pravilnu upotrebu/održavanje.

• Različite ocjene i podesiva svojstva: Prilagodbe sastava i procesa daju širok raspon učinka.

• Zrela proizvodnja i ekonomija razmjera: Uhodana tehnologija, isplativa, bogata ponuda.

• Mogućnost recikliranja: Lako se magnetski odvajaju; 100% beskonačno recikliranje – održivi materijal.

Čelik je postao ključni osnovni materijal koji podržava moderno industrijsko društvo zbog svojih izvrsnih sveobuhvatnih performansi i široke prilagodljivosti. Kroz stalnu optimizaciju sastava i inovaciju procesa, čelik nastavlja zadovoljavati nove inženjerske potrebe i ima značajne prednosti u pogledu održivosti.