A szén az egyetlen elem, amely elválasztja a sima vasat az acéltól, és a jelenlévő mennyiség, általában között 0,05 és 2,0 tömeg%. , szinte mindent eldönt egy acéldarab terhelés, hő és kovácsoló kalapács hatására. Növelje a szén százalékos arányát, és a fém keményebbé és szakítószilárdabbá válik, de elveszíti rugalmasságát és hegeszthetőségét; Engedje le, és az acél puha, alakítható és könnyen hegeszthető marad, de nem bírja a kemény élt vagy a nagy szilárdságot az ötvözőelemek segítsége nélkül. Minden malomtanúsítvány, minden kovácsolási rajz és minden fokozatjelzés, például 1045 vagy 4140 erre az egy arányra vezet vissza.
Mit csinál valójában a szén az acél belsejében
A vas önmagában puha, viszonylag gyenge fém. Amikor az olvasztás során szénatomokat vezetnek be, azok a kristályrácsban lévő vasatomok közé kerülnek, és cementitnek (vaskarbidnak, Fe3C-nek) nevezett vegyületet képeznek a ferrit nevű szilárd oldat mellett. A két mikrostruktúra, majd később a hőkezelés után a perlit, a martenzit és a bainit közötti egyensúly adja az acél mechanikai személyiségét.
Hasznos módja annak ábrázolására: a ferrit a szerkezet puha, mágneses, könnyen hajlítható része, míg a cementit kemény és törékeny. A széntartalom növekedésével több cementit képződik, és az acél keménysége meglehetősen kiszámítható görbében emelkedik. A kohászok a huszadik század eleje óta nyomon követik ezt a kapcsolatot, és továbbra is ez az alapja a vas-szén fázisdiagramnak, amelyet ma minden kohászati tanteremben használnak.
Miért történik a széntartalom mérése a százalék töredékében?
Mivel a szén hatása olyan erős, a különbségek olyan kicsik, mint 0,10% módosítsa az acél besorolását és annak megfelelő alkalmazását. Az 1020-as acél (0,20% szén) nem viselkedik úgy, mint egy 1095-ös acél (0,95% szén), annak ellenére, hogy műszakilag mindkettő sima szénacél. Ez az oka annak, hogy az acélgyártók a szén-dioxid-tartalmat a századszázalékos pontossággal jelentik a malomvizsgálati jelentésekben, nem pedig a legközelebbi egész számra kerekítve.
A szénacélok osztályozása százalék szerint
Az egyszerű szénacélokat széntartalom alapján négy nagy családba sorolják. Minden családnak megvannak a jellegzetes felhasználási területei, és a hamisítók a kész alkatrész szilárdságának, szívósságának és megmunkálhatóságának egyensúlya alapján választanak ki ezek közül.
Általános szénacél osztályozási tartományok a SAE/AISI osztályszámozás szerint. | Osztályozás | Széntartalom | Tipikus fokozatok | Közös használat |
| Alacsony széntartalmú (enyhe acél) | 0,05% - 0,30% | 1006, 1018, 1020 | Szerkezeti formák, lemez, drót |
| Közepes szén | 0,31% - 0,60% | 1035, 1045, 1050 | Tengelyek, fogaskerekek, kovácsolt főtengelyek |
| Magas széntartalmú | 0,61% - 1,00% | 1065, 1080, 1095 | Rugók, vágószerszámok, kések |
| Ultra magas széntartalmú | 1,01% - 2,00% | Speciális szerszámacélok | Viseljen lemezeket, matricákat, ütéseket |
Körülbelül fent 2,0% szén , az anyag már egyáltalán nem minősül acélnak; öntöttvas lesz, amely sokkal törékenyebb, és öntéssel formálják, nem pedig kovácsolással vagy hengerléssel.
Hogyan változtatja meg a széntartalom a mechanikai tulajdonságokat
A szén és a mechanikai teljesítmény közötti kapcsolat az egyik legkövetkezetesebb irányzat az anyaggyártásban. A szén-dioxid-százalék növekedésével négy tulajdonság előrelátható irányban mozog:
- A keménység emelkedik — több cementit a mikroszerkezetben ellenáll a benyomódásnak és a kopásnak.
- A szakítószilárdság nő - egy bizonyos pontig a további szén lehetővé teszi az acélnak nagyobb terhelést a meghibásodás előtt.
- A hajlékonyság csökken — az acél kevésbé hajlik és nyúlik repedés előtt, így a hidegalakítás keményebbé válik.
- A hegeszthetőség csökken — a magasabb széntartalmú acélok hajlamosabbak a repedésre a hőhatászónában, hacsak nem előmelegítik és gondosan ellenőrzik őket.
Ez az oka annak, hogy a kovácsolt autóipari tengelytengelyek, amelyeknek szilárdságra és rázkódásmentes ütéselnyelő képességre is szükségük van, általában közepes széntartalmú, például 1045-ös osztályt használnak ahelyett, hogy egy magas széntartalmú acélhoz nyúlnának, amely erősebb lenne egy laboratóriumi tesztben, de túl törékeny az úton történő ütközéshez.
Az acélkovácsolással fémet formálnak préseléssel, plasztikus deformációval, kalapácsok, prések vagy hengerek segítségével, hogy a felhevített acélt sajtolószerszámba vagy kívánt formába kényszerítsék. A széntartalom meghatározza szinte minden döntést, amelyet egy kovácsműhely az első kalapácsütés előtt meghoz.
Hőmérsékletű ablakok kovácsolása
Az alacsony és közepes széntartalmú acélokat jellemzően között kovácsolják 1150 °C és 1250 °C (körülbelül 2100 °F és 2280 °F között), ahol az anyag ausztenites fázisban van, és nyomás alatt könnyen áramlik. A magas széntartalmú acélokat általában ennek a tartománynak az alsó határa felé kovácsolják, mivel a túlzott hő és a magas széntartalom együttesen serkenti a szemcsék növekedését és a felületi szénmentesítést, ami mindkettő gyengíti a kész részt.
Miért részesítik előnyben a hamisítók a közepes széntartalmú minőséget?
A közepes széntartalmú acélok, mint például az 1040, 1045 és 4140 dominálják a kovácsolási ipart, mert működőképes egyensúlyt biztosítanak: elegendő szén ahhoz, hogy jól reagáljon a kovácsolás utáni hőkezelésre, például az edzésre és az edzésre, de nem annyira, hogy a tuskó megrepedjen a szerszám alatt. Az olyan alkatrészeket, mint a főtengelyek, hajtókarok, fogaskerekek, karimák és kéziszerszámok, szinte mindig ebből a középső szalagból kovácsolják, nem pedig a szélsőségekből.
Gabonaáramlás és erőnövekedés
A kovácsolás többet tesz az acél formázásánál; a belső szemcseszerkezetet az alkatrész kontúrjai mentén igazítja. A kovácsolt alkatrész folyamatos szemcseáramlási vonalakat követ, míg a megmunkált vagy öntött alkatrész átvágja a szemcsét, vagy egyáltalán nincs. Az ipari tesztelések ismételten kimutatták, hogy a kovácsolt acél alkatrészek lényegesen nagyobb fáradtságállóságot mutatnak, mint az azonos kémiai összetételű öntött vagy megmunkált alkatrészek, ezért a kovácsolt szénacél továbbra is a szabvány a biztonság szempontjából kritikus alkatrészek, például a kormánycsuklók és a főtengelyek esetében.
Szénacél az ötvözött acélhoz és a rozsdamentes acélhoz képest
A széntartalom önmagában nem árulja el a teljes történetet, ha más elemek is bekerülnek a keverékbe. Ha megértjük, hogy a sima szénacél hol helyezkedik el ötvözött rokonaihoz képest, az segít megmagyarázni, hogy egy kovácsolt rajz miért kívánja az egyik családot a másik helyett.
Sima szénacél összehasonlítása ötvözött és rozsdamentes acél családokkal. | Acél család | Kulcsfontosságú kiegészítések | Fő előny | Trade-off |
| Sima szénacél | Csak szén, nyomokban mangán | Alacsony költség, könnyen hamisítható | Nincs korrózióállóság |
| Ötvözött acél (pl. 4140) | Króm, molibdén, nikkel | Mélyebb edzhetőség, nagyobb szilárdság | Magasabb anyagköltség |
| Rozsdamentes acél (pl. 304, 17-4PH) | Króm 10,5%, néha nikkel | Korrózióállóság | Nehezebben hamisítható, drágább |
A gyakorlatban a beszerzési mérnök a sima szénacélt választja, ha az alkatrészt bevonják, festik vagy beltérben tartják, és ötvözött vagy rozsdamentes minőséget választ, ha az alkalmazás korrózióállóságot vagy nagyobb edzhetőséget kíván a vastagabb keresztmetszetek révén.
A kovácsolt alkatrész szénacél minőségének kiválasztása
A megfelelő széntartalom kiválasztása három kérdés közötti egyensúlyozást jelenti: milyen erősnek kell lennie az alkatrésznek, mennyi ütést vagy fáradtságot nyel el, és hogyan lesz megmunkálva vagy összeillesztve.
- Határozza meg a terhelés típusát. A statikus terhelés nagyobb széntartalmat tolerál; Az ismétlődő ütési terhelések a közepesen jó szívósságú szénnek kedveznek.
- Ellenőrizze az utókovácsolási műveleteket. Ha az alkatrészt lefelé hegesztik, tartsa a széntartalmat nagyjából 0,30% alatt, kivéve, ha az előmelegítés és a szabályozott hűtés része a folyamattervnek.
- Erősítse meg a hőkezelési utat. A közepes és nagy széntartalmú acélok jól reagálnak a kioltási és temperálási ciklusokra; az alacsony szén-dioxid-kibocsátású acélok helyett keményítésre vagy karburálásra támaszkodnak.
- Mérje meg a megmunkálhatóságot a keménységgel szemben. A magasabb széntartalom általában lassabb vágási sebességet és gyorsabb szerszámkopást jelent a másodlagos megmunkálás során.
Az autóipari vagy mezőgazdasági berendezések gyártóit szállító kovácsműhely gyakran szabványosít néhány minőséget, leggyakrabban 1045 általános tengelyezéshez és 4140 ahol nagyobb szilárdság-tömeg arányra van szükség, pontosan azért, mert ezek a minőségek a kovácsolhatóság és a kész alkatrész teljesítménye közötti édes ponton vannak.
Hőkezelés kovácsolás után
A kovácsolás önmagában ritkán biztosítja az alkatrész végleges mechanikai tulajdonságait. A széntartalom határozza meg, hogy utólag milyen hőkezelések lehetségesek.
Normalizálás
Szinte az összes szénacél kovácsolt anyagot kovácsolás után normalizálják, a kritikus hőmérséklet fölé melegítik és levegővel hűtik, hogy finomítsák a szemcseszerkezetet és enyhítsék a kovácsolási folyamatból eredő egyenetlen feszültségeket.
Edzés és temperálás
A közepes és nagy széntartalmú acélok olajban vagy vízben hűthetők martenzitté, majd temperálhatók, hogy a keménységet szívósságra cseréljék. A szénszázalék plafont szab az elérhető keménységnek; egy körülbelül 0,30% alatti széntartalmú acél egyszerűen nem érheti el ugyanazt a keménységet, mint az 1060 vagy 1080 fokozat, függetlenül a kioltás súlyosságától.
Tokok keményítése alacsony szén-dioxid-kibocsátású alkatrészekhez
Az alacsony széntartalmú acélokat, amelyeknek kemény kopófelületre van szükségük, de kemény magjuk van, például a fogaskerekeket, ehelyett karburizálják: magas hőmérsékleten a szén a külső felületbe diffundál, majd ez a felületi réteg önmagában keményedik, míg az alacsony széntartalmú mag képlékeny marad.
Gyakran Ismételt Kérdések
Hány szénszázalék teszi elég keménysé az acélt a szerszámokhoz?
A szerszámalkalmazások általában kb 0,60% szén és durván 1,0%-ra emelkedik, mivel ez a tartomány jól megkeményedik az edzés során, és éles éleket tart.
A magasabb széntartalom mindig erősebb acélt jelent?
Csak egy pontig. A szakítószilárdság és a folyáshatár emelkedése széntartalommal, de nagyjából 0,80-0,90% felett a növekedés ellaposodik, miközben a ridegség tovább növekszik, így a több szén nem minden alkalmazásnál automatikusan jobb.
Miért a közepes széntartalmú acél a leggyakoribb kovácsolóanyag?
A legszélesebb praktikus ablakot kínálja: elég szén a hőkezelés során megkeményedéshez, ugyanakkor elég rugalmas ahhoz, hogy ellenálljon a kovácsolás nyomóerejének anélkül, hogy a tuskó megrepedne.
Kovácsolható az alacsony széntartalmú acél?
Igen. Az alacsony szén-dioxid-kibocsátású acél könnyen kovácsolódik nagy alakíthatósága miatt, és általában olyan alkatrészekhez választják, amelyeket hegeszteni fognak, vagy amelyekhez szívós, ütésálló magra van szükség, nem pedig felületi keménységre.
Hogyan mérhető a széntartalom egy kész acél alkatrészben?
A gyártók égéselemzést vagy optikai emissziós spektroszkópiát használnak a szénszázalék mérésére közvetlenül a mintából, és az eredményt az anyagot kísérő malomvizsgálati tanúsítványon jelentik.
Mi történik, ha a széntartalom túl magas a kovácsoláshoz?
A széntöbblet annyira csökkenti a hajlékonyságot, hogy a tuskó megrepedhet az összenyomás során, különösen a szerszám sarkainál és vékony szakaszainál, ezért a kovácsműhelyek széntartalom-tartományt határoznak meg, nem pedig széles malomtűréseket.
