Što je ugljik u čeliku? Vodič za sadržaj, ocjene i kovanje

Ugljik je jedini element koji odvaja obično željezo od čelika, a količina prisutna, obično između 0,05% i 2,0% težinski , odlučuje gotovo sve o tome kako se komad čelika ponaša pod opterećenjem, toplinom i čekićem za kovanje. Povećajte postotak ugljika i metal dobiva tvrdoću i vlačnu čvrstoću, ali gubi duktilnost i zavarljivost; spustite ga i čelik ostaje mekan, podložan oblikovanju i lak za zavarivanje, ali ne može držati tvrdi rub ili visoku čvrstoću bez pomoći legirajućih elemenata. Svaki certifikat tvornice, svaki crtež kovanja i svaka oznaka stupnja kao što je 1045 ili 4140 vodi tragove do ovog jednog omjera.

Što ugljik zapravo radi unutar čelika

Željezo je samo po sebi mekan, relativno slab metal. Kada se atomi ugljika uvedu tijekom taljenja, oni se nalaze između atoma željeza u kristalnoj rešetki i tvore spoj koji se naziva cementit (željezni karbid, Fe3C) uz čvrstu otopinu koja se naziva ferit. Ravnoteža između ove dvije mikrostrukture, a kasnije i između perlita, martenzita i bainita nakon toplinske obrade, ono je što daje čeliku njegovu mehaničku osobnost.

Koristan način da to zamislite: ferit je mekan, magnetski dio strukture koji se lako savija, dok je cementit tvrd i krt. Kako sadržaj ugljika raste, stvara se više cementita, a tvrdoća čelika raste u prilično predvidljivoj krivulji. Metalurzi su pratili ovaj odnos od ranog dvadesetog stoljeća, i on ostaje temelj faznog dijagrama željezo-ugljik koji se danas koristi u svakoj metalurškoj učionici.

Zašto se sadržaj ugljika mjeri u dijelovima postotka

Budući da je učinak ugljika tako jak, razlike su male kao 0,10% promijeniti klasifikaciju čelika i njegovu prikladnu primjenu. Čelik 1020 (0,20% ugljika) ne ponaša se nimalo kao čelik 1095 (0,95% ugljika) iako su oba tehnički obični ugljični čelici. To je razlog zašto proizvođači čelika iskazuju sadržaj ugljika na stoti dio postotka u izvješćima o ispitivanju mlina, umjesto da zaokružuju na najbliži cijeli broj.

Klasifikacija ugljičnog čelika prema postotku

Obični ugljični čelici grupirani su u četiri široke obitelji na temelju sadržaja ugljika. Svaka obitelj ima različit skup tipičnih namjena, a krivotvorci odabiru među njima na temelju ravnoteže snage, žilavosti i obradivosti koju zahtijeva gotov dio.

Gore otprilike 2,0% ugljika , materijal se više uopće ne klasificira kao čelik; postaje lijevano željezo, koje je daleko lomljivije i oblikuje se lijevanjem, a ne kovanjem ili valjanjem.

Kako sadržaj ugljika mijenja mehanička svojstva

Odnos između ugljika i mehaničkih svojstava jedan je od najdosljednijih trendova u inženjerstvu materijala. Kako se postotak ugljika povećava, četiri se svojstva kreću u predvidljivom smjeru:

• Tvrdoća raste — više cementita u mikrostrukturi otporno je na udubljenje i abraziju.
• Raste vlačna čvrstoća — do neke točke, dodatni ugljik omogućuje čeliku da podnese više opterećenja prije kvara.
• Duktilnost pada — čelik se manje savija i isteže prije pucanja, pa hladno oblikovanje postaje teže.
• Zavarljivost pada — čelici s visokim udjelom ugljika skloniji su pucanju u zoni utjecaja topline osim ako se prethodno ne zagriju i pažljivo kontroliraju.

To je razlog zašto kovana automobilska osovina, kojoj je potrebna i snaga i sposobnost da apsorbira udar bez pucanja, obično koristi srednji stupanj ugljika kao što je 1045, umjesto da posegne za čelikom s visokim udjelom ugljika koji bi bio jači u laboratorijskom ispitivanju, ali previše krt za udar na cestu.

Sadržaj ugljika i Kovanje čelika Proces

Čeličnim kovanjem oblikuje se metal kompresijskom plastičnom deformacijom, upotrebom čekića, preša ili valjaka za prisiljavanje zagrijanog čelika u kalup ili željeni oblik. Sadržaj ugljika određuje gotovo svaku odluku koju kovačnica donese prije prvog udarca čekića.

Temperaturni prozori kovanja

Nisko i srednje ugljični čelici obično se kovaju između 1150°C i 1250°C (otprilike 2100°F do 2280°F), gdje se materijal nalazi u svojoj austenitnoj fazi i lako teče pod pritiskom. Čelici s visokim udjelom ugljika obično se kuju prema donjem kraju tog raspona, budući da prekomjerna toplina u kombinaciji s visokim udjelom ugljika potiče rast zrna i površinsko odugljičenje, a oboje slabi završni dio.

Zašto krivotvoritelji preferiraju srednje ugljične stupnjeve

Čelici srednjeg ugljika kao što su 1040, 1045 i 4140 dominiraju industrijom kovanja jer postižu izvedivu ravnotežu: dovoljno ugljika da dobro odgovori na toplinsku obradu nakon kovanja kao što je kaljenje i popuštanje, ali ne toliko da gredica pukne ispod matrice. Komponente kao što su radilice, klipnjače, zupčanici, prirubnice i ručni alati gotovo su uvijek kovani iz ove srednje trake, a ne iz krajnje.

Protok zrna i dobici na snazi

Kovanje čini više od oblikovanja čelika; poravnava unutarnju strukturu zrna duž obrisa dijela. Kovana komponenta slijedi kontinuirane linije toka zrna, dok strojno obrađeni ili lijevani dio reže poprečno zrno ili ga uopće nema. Industrijska ispitivanja opetovano su pokazala da kovani čelični dijelovi mogu imati znatno veću otpornost na zamor od lijevanih ili strojno obrađenih dijelova identičnog kemijskog sastava, zbog čega kovani ugljični čelik ostaje standard za sigurnosno kritične komponente kao što su zglobovi upravljača i koljenasta vratila.

Ugljični čelik u usporedbi s legiranim čelikom i nehrđajućim čelikom

Sadržaj ugljika sam po sebi ne govori cijelu priču kada u mješavinu uđu i drugi elementi. Razumijevanje gdje se nalazi obični ugljični čelik u odnosu na njegove legirane rođake pomaže objasniti zašto crtež kovanja može zahtijevati jednu obitelj umjesto druge.

U praksi, inženjer nabave odabire obični ugljični čelik kada će dio biti presvučen, obojan ili držan u zatvorenom prostoru, a poseže za legiranim ili nehrđajućim čelikom kada primjena zahtijeva otpornost na koroziju ili veću kaljivost kroz deblje poprečne presjeke.

Odabir vrste ugljičnog čelika za kovani dio

Odabir pravog postotka ugljika balansira između tri pitanja: koliko čvrst dio treba biti, koliko će udarca ili zamora apsorbirati i kako će se kasnije strojno obrađivati ili spajati.

1. Odredite vrstu opterećenja. Statička opterećenja toleriraju veći sadržaj ugljika; opetovana udarna opterećenja favoriziraju srednji ugljik s dobrom žilavošću.
2. Provjerite operacije naknadnog kovanja. Ako će se dio zavarivati ​​nizvodno, zadržite sadržaj ugljika ispod otprilike 0,30% osim ako prethodno zagrijavanje i kontrolirano hlađenje nisu dio plana procesa.
3. Potvrdite put toplinske obrade. Čelici sa srednjim i visokim udjelom ugljika dobro reagiraju na cikluse kaljenja i popuštanja; čelici s niskim udjelom ugljika umjesto toga se oslanjaju na kaljenje ili karburizaciju.
4. Odvažite obradivost prema tvrdoći. Veći sadržaj ugljika općenito znači sporije brzine rezanja i brže trošenje alata tijekom sekundarne obrade.

Kovačnica koja opskrbljuje proizvođače automobilske ili poljoprivredne opreme često će standardizirati nekoliko razreda, najčešće 1045 za opće osovine i 4140 gdje je potreban veći omjer čvrstoće i težine, upravo zato što su ove kvalitete u najboljem redu između sposobnosti kovanja i performansi gotovog dijela.

Toplinska obrada nakon kovanja

Samo kovanje rijetko daje konačna mehanička svojstva dijela. Sadržaj ugljika određuje koji su toplinski tretmani uopće mogući naknadno.

Normaliziranje

Gotovo svi otkovci od ugljičnog čelika normaliziraju se nakon kovanja, zagrijavaju iznad kritične temperature i hlade zrakom, kako bi se pročistila struktura zrna i smanjila nejednaka naprezanja koja su nastala nakon procesa kovanja.

Kaljenje i kaljenje

Čelici sa srednjim i visokim udjelom ugljika mogu se kaliti u ulju ili vodi kako bi se formirao martenzit, zatim kaliti kako bi se dio tvrdoće zamijenio žilavošću. Postotak ugljika postavlja gornju granicu dostižne tvrdoće; čelik ispod oko 0,30% ugljika jednostavno ne može postići istu tvrdoću nakon kaljenja kao klasa 1060 ili 1080, bez obzira na ozbiljnost kaljenja.

Kaljenje za dijelove s niskim udjelom ugljika

Čelici s niskim udjelom ugljika koji trebaju otpornu površinu, ali čvrstu jezgru, kao što su zupčanici, umjesto toga se naugljičuju: ugljik se raspršuje u vanjsku površinu na visokoj temperaturi, zatim se sam površinski sloj kali, dok jezgra s niskim udjelom ugljika ostaje duktilna.

Često postavljana pitanja

Koliki postotak ugljika čini čelik dovoljno čvrstim za alate?

Primjene alata općenito počinju okolo 0,60% ugljika i idite do otprilike 1,0%, budući da se ovaj raspon dobro stvrdnjava kaljenjem i zadržava oštar rub.

Znači li više ugljika uvijek jači čelik?

Samo do određene točke. Vlačna čvrstoća i granica razvlačenja rastu s udjelom ugljika, ali nakon otprilike 0,80-0,90% dobici se izravnavaju dok krtost nastavlja rasti, tako da više ugljika nije automatski bolje za svaku primjenu.

Zašto je srednje ugljični čelik najčešći materijal za kovanje?

Nudi najširi praktični prozor: dovoljno ugljika za otvrdnjavanje toplinskom obradom, a opet dovoljno duktilan da izdrži tlačne sile kovanja bez pucanja gredice.

Može li se kovati niskougljični čelik?

Da. Čelik s niskim udjelom ugljika lako se kuje zbog svoje visoke duktilnosti, a obično se odabire za dijelove koji će biti zavareni ili kojima je potrebna čvrsta jezgra otporna na udarce, a ne površinska tvrdoća.

Kako se mjeri sadržaj ugljika u gotovom čeličnom dijelu?

Proizvođači koriste analizu izgaranja ili optičku emisijsku spektroskopiju za mjerenje postotka ugljika izravno iz uzorka, a rezultat se navodi u potvrdi o ispitivanju mlina koja prati materijal.

Što se događa ako je sadržaj ugljika previsok za primjenu u kovanju?

Višak ugljika smanjuje rastezljivost do točke u kojoj gredica može puknuti tijekom kompresije, osobito na uglovima matrice i tankim dijelovima, zbog čega kovačnice određuju raspon sadržaja ugljika umjesto prihvaćanja širokih tolerancija mlina.