Co to jest węgiel w stali? Przewodnik po treści, gatunkach i kuciu

Węgiel jest pojedynczym pierwiastkiem, który oddziela zwykłe żelazo od stali, a jego obecna ilość zazwyczaj mieści się pomiędzy 0,05% i 2,0% wagowych , decyduje prawie o wszystkim o tym, jak kawałek stali zachowuje się pod obciążeniem, ciepłem i młotem kuźniczym. Zwiększ zawartość węgla, a metal zyska twardość i wytrzymałość na rozciąganie, ale straci plastyczność i spawalność; opuść go, a stal pozostanie miękka, podatna na formowanie i łatwa do spawania, ale nie będzie w stanie utrzymać twardej krawędzi ani wysokiej wytrzymałości bez pomocy pierwiastków stopowych. Każdy certyfikat huty, każdy rysunek odkuwki i każde oznaczenie gatunku, takie jak 1045 lub 4140, opiera się na tym jednym stosunku.

Co właściwie węgiel robi w stali

Żelazo samo w sobie jest miękkim, stosunkowo słabym metalem. Kiedy podczas wytapiania wprowadzane są atomy węgla, osadzają się pomiędzy atomami żelaza w sieci krystalicznej i tworzą związek zwany cementytem (węglik żelaza, Fe3C) wraz ze stałym roztworem zwanym ferrytem. Równowaga między tymi dwiema mikrostrukturami, a później między perlitem, martenzytem i bainitem po obróbce cieplnej nadaje stali jej mechaniczną osobowość.

Przydatny sposób, aby to zobrazować: ferryt jest miękką, magnetyczną i łatwo wyginającą się częścią struktury, podczas gdy cementyt jest twardy i kruchy. Wraz ze wzrostem zawartości węgla tworzy się więcej cementytu, a twardość stali rośnie po dość przewidywalnej krzywej. Metalurdzy śledzą tę zależność od początku XX wieku i pozostaje ona podstawą diagramu fazowego żelazo-węgiel używanego obecnie w każdej klasie metalurgii.

Dlaczego zawartość węgla mierzy się w ułamkach procenta

Ponieważ wpływ węgla jest tak silny, różnice są tak małe, jak 0,10% zmienić klasyfikację stali i jej odpowiednie zastosowanie. Stal 1020 (0,20% węgla) nie zachowuje się jak stal 1095 (0,95% węgla), mimo że technicznie obie są stalami węglowymi. Z tego powodu producenci stali podają zawartość węgla w raportach z testów walcowni z dokładnością do setnych procenta, zamiast zaokrąglać ją do najbliższej liczby całkowitej.

Klasyfikacje stali węglowej według procentu

Zwykłe stale węglowe dzieli się na cztery szerokie rodziny w oparciu o zawartość węgla. Każda rodzina ma odrębny zestaw typowych zastosowań, a fałszerze wybierają spośród nich w oparciu o równowagę wytrzymałości, wytrzymałości i obrabialności wymaganej przez gotową część.

Powyżej mniej więcej 2,0% węgla , materiał ten w ogóle nie jest już klasyfikowany jako stal; staje się żeliwem, które jest znacznie bardziej kruche i jest kształtowane w procesie odlewania, a nie kucia lub walcowania.

Jak zawartość węgla zmienia właściwości mechaniczne

Związek pomiędzy węglem i wydajnością mechaniczną jest jednym z najbardziej stałych trendów w inżynierii materiałowej. Wraz ze wzrostem zawartości węgla cztery właściwości poruszają się w przewidywalnym kierunku:

• Twardość wzrasta — większa ilość cementytu w mikrostrukturze jest odporna na wgniecenia i ścieranie.
• Wzrasta wytrzymałość na rozciąganie — do pewnego stopnia dodatkowy węgiel pozwala stali przenosić większe obciążenia przed uszkodzeniem.
• Spada plastyczność — stal wygina się i rozciąga mniej przed pęknięciem, przez co formowanie na zimno staje się trudniejsze.
• Spawalność spada — stale wysokowęglowe są bardziej podatne na pękanie w strefie wpływu ciepła, chyba że zostaną wstępnie podgrzane i dokładnie kontrolowane.

Właśnie dlatego kuty wał osi samochodowej, który wymaga zarówno wytrzymałości, jak i zdolności do pochłaniania wstrząsów bez rozbicia, zwykle wykorzystuje stal o średniej zawartości węgla, taką jak 1045, zamiast sięgać po stal wysokowęglową, która byłaby mocniejsza w teście laboratoryjnym, ale zbyt krucha w przypadku uderzenia w drogę.

Zawartość węgla i Kucie stali Proces

Kucie stali kształtuje metal poprzez ściskające odkształcenie plastyczne przy użyciu młotków, pras lub walców w celu wtłoczenia podgrzanej stali w matrycę lub żądaną formę. Zawartość węgla wpływa na niemal każdą decyzję podejmowaną przez kuźnię przed pierwszym uderzeniem młotka.

Kucie okien temperaturowych

Stale o niskiej i średniej zawartości węgla są zwykle kute pomiędzy 1150°C i 1250°C (około 2100°F do 2280°F), gdzie materiał znajduje się w fazie austenitycznej i łatwo płynie pod ciśnieniem. Stale wysokowęglowe są zwykle kute w dolnej części tego zakresu, ponieważ nadmierne ciepło w połączeniu z dużą zawartością węgla sprzyja wzrostowi ziaren i odwęgleniu powierzchni, co osłabia gotową część.

Dlaczego fałszerze preferują gatunki o średniej zawartości węgla

W przemyśle kuźniczym dominują stale średniowęglowe, takie jak 1040, 1045 i 4140, ponieważ zapewniają praktyczną równowagę: wystarczającą ilość węgla, aby dobrze reagować na obróbkę cieplną po kuciu, taką jak hartowanie i odpuszczanie, ale nie na tyle, aby kęs pękał pod matrycą. Komponenty takie jak wały korbowe, korbowody, koła zębate, kołnierze i narzędzia ręczne są prawie zawsze kute z tego środkowego pasma, a nie z skrajności.

Przepływ ziarna i przyrost siły

Kucie to coś więcej niż tylko kształtowanie stali; wyrównuje wewnętrzną strukturę ziaren wzdłuż konturów części. Kuty element podąża za ciągłymi liniami przepływu ziaren, podczas gdy część obrobiona lub odlewana przecina włókna lub nie ma ich wcale. Testy branżowe wielokrotnie wykazały, że kute części stalowe mogą wykazywać znacznie wyższą odporność na zmęczenie niż części odlewane lub obrabiane maszynowo o identycznym składzie chemicznym, dlatego też kuta stal węglowa pozostaje standardem w przypadku elementów kluczowych dla bezpieczeństwa, takich jak zwrotnice i wały korbowe.

Stal węglowa w porównaniu ze stalą stopową i stalą nierdzewną

Sama zawartość węgla nie mówi wszystkiego, gdy do mieszanki dołączą się inne elementy. Zrozumienie, gdzie znajduje się zwykła stal węglowa w stosunku do jej kuzynów stopowych, pomaga wyjaśnić, dlaczego rysunek odkuwki może wymagać jednej rodziny zamiast drugiej.

W praktyce inżynier zakupów wybiera zwykłą stal węglową, gdy część będzie powlekana, malowana lub przechowywana w pomieszczeniu, i sięga po gatunki stopowe lub nierdzewne, gdy zastosowanie wymaga odporności na korozję lub wyższej hartowności dzięki grubszym przekrojom.

Wybór gatunku stali węglowej na część kutą

Wybór odpowiedniej zawartości węgla to wybór pomiędzy trzema kwestiami: jak wytrzymała musi być dana część, ile wstrząsów lub zmęczenia pochłonie oraz w jaki sposób będzie później obrobiona lub złączona.

1. Zidentyfikuj rodzaj obciążenia. Obciążenia statyczne tolerują wyższą zawartość węgla; powtarzające się obciążenia udarowe preferują węgiel średniowęglowy o dobrej wytrzymałości.
2. Sprawdź operacje po kuciu. Jeśli część będzie spawana w dalszej części procesu, zawartość węgla powinna być poniżej około 0,30%, chyba że częścią planu procesu jest wstępne podgrzewanie i kontrolowane chłodzenie.
3. Potwierdź ścieżkę obróbki cieplnej. Stale średnio- i wysokowęglowe dobrze reagują na cykle hartowania i odpuszczania; stale niskowęglowe polegają zamiast tego na utwardzaniu dyfuzyjnym lub nawęglaniu.
4. Porównaj skrawalność z twardością. Wyższa zawartość węgla oznacza ogólnie mniejszą prędkość skrawania i szybsze zużycie narzędzia podczas obróbki wtórnej.

Kuźnia zaopatrująca producentów samochodów lub sprzętu rolniczego często standaryzuje, najczęściej w oparciu o kilka gatunków 1045 do ogólnego wałowania i 4140 tam, gdzie wymagany jest wyższy stosunek wytrzymałości do masy, właśnie dlatego, że te gatunki znajdują się w idealnym punkcie pomiędzy podatnością na kucie a wydajnością gotowej części.

Obróbka cieplna po kuciu

Samo kucie rzadko zapewnia ostateczne właściwości mechaniczne części. Zawartość węgla określa, która obróbka cieplna jest w ogóle możliwa później.

Normalizowanie

Prawie wszystkie odkuwki ze stali węglowej są normalizowane po kuciu, podgrzewane powyżej temperatury krytycznej i chłodzone powietrzem, aby udoskonalić strukturę ziaren i złagodzić nierówne naprężenia powstałe w procesie kucia.

Hartowanie i odpuszczanie

Stale średnio- i wysokowęglowe można hartować w oleju lub wodzie w celu wytworzenia martenzytu, a następnie odpuszczać w celu zamiany pewnej twardości na wytrzymałość. Procent węgla wyznacza pułap osiągalnej twardości; stal o zawartości węgla poniżej około 0,30% po prostu nie może osiągnąć tej samej twardości po hartowaniu, co gatunek 1060 lub 1080, niezależnie od stopnia hartowania.

Hartowanie powierzchniowe części niskowęglowych

Stale niskowęglowe, które wymagają powierzchni odpornej na ścieranie, ale z wytrzymałym rdzeniem, takim jak koła zębate, są zamiast tego nawęglane: węgiel jest dyfundowany na powierzchnię zewnętrzną w wysokiej temperaturze, następnie sama warstwa powierzchniowa jest mocno hartowana, podczas gdy rdzeń niskowęglowy pozostaje plastyczny.

Często zadawane pytania

Jaki procent węgla sprawia, że stal jest wystarczająco twarda dla narzędzi?

Aplikacje narzędziowe zazwyczaj zaczynają się od ok 0,60% węgla i wzrasta do około 1,0%, ponieważ ten zakres dobrze utwardza się po hartowaniu i utrzymuje ostrą krawędź.

Czy wyższy poziom węgla zawsze oznacza mocniejszą stal?

Tylko do pewnego momentu. Wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności rosną wraz z zawartością węgla, ale powyżej około 0,80-0,90% zyski wyrównują się, podczas gdy kruchość nadal rośnie, więc więcej węgla nie jest automatycznie lepsze dla każdego zastosowania.

Dlaczego stal średniowęglowa jest najpopularniejszym materiałem do kucia?

Oferuje najszersze praktyczne okno: wystarczającą ilość węgla do utwardzenia poprzez obróbkę cieplną, a jednocześnie wystarczająco ciągliwy, aby wytrzymać siły ściskające powstające podczas kucia bez pękania kęsa.

Czy stal niskowęglową można kuć?

Tak. Stal niskowęglowa łatwo poddaje się kuciu ze względu na wysoką ciągliwość i jest powszechnie wybierana na części, które będą spawane lub które wymagają wytrzymałego, odpornego na uderzenia rdzenia, a nie twardości powierzchni.

W jaki sposób mierzy się zawartość węgla w gotowej części stalowej?

Producenci stosują analizę spalania lub optyczną spektroskopię emisyjną do pomiaru zawartości węgla bezpośrednio w próbce, a wynik jest podawany w certyfikacie testu młyna dołączonym do materiału.

Co się stanie, jeśli zawartość węgla będzie zbyt wysoka dla zastosowania w kuciu?

Nadmiar węgla zmniejsza ciągliwość do punktu, w którym kęs może pęknąć podczas ściskania, szczególnie w rogach matrycy i cienkich przekrojach, dlatego też kuźnie określają zakresy zawartości węgla, zamiast akceptować szerokie tolerancje walcowania.