کربن در فولاد چیست؟ محتوا، نمرات و راهنمای جعل

کربن تنها عنصری است که آهن ساده را از فولاد جدا می کند و مقدار موجود را معمولاً بین آن جدا می کند 0.05٪ و 2.0٪ وزنی ، تقریباً همه چیز را در مورد نحوه رفتار یک قطعه فولاد تحت بار، گرما و چکش آهنگری تعیین می کند. درصد کربن را افزایش دهید و فلز سختی و استحکام کششی پیدا می کند اما شکل پذیری و جوش پذیری را از دست می دهد. آن را پایین بیاورید و فولاد نرم، شکل پذیر و به راحتی جوش می شود اما نمی تواند لبه سخت یا استحکام بالایی را بدون کمک عناصر آلیاژی نگه دارد. هر گواهی آسیاب، هر نقشه آهنگری، و هر تعیین درجه مانند 1045 یا 4140 به این نسبت بازمی گردد.

کربن در واقع در داخل فولاد چه می کند

آهن به خودی خود فلزی نرم و نسبتا ضعیف است. هنگامی که اتم‌های کربن در طی ذوب وارد می‌شوند، بین اتم‌های آهن در شبکه کریستالی قرار می‌گیرند و ترکیبی به نام سمنتیت (کاربید آهن، Fe3C) در کنار محلول جامدی به نام فریت تشکیل می‌دهند. تعادل بین این دو ریزساختار، و بعداً بین پرلیت، مارتنزیت و بینیت پس از عملیات حرارتی، چیزی است که به فولاد شخصیت مکانیکی می‌دهد.

یک راه مفید برای تصویر کردن آن: فریت بخش نرم، مغناطیسی و به راحتی خم شده ساختار است، در حالی که سمنتیت سخت و شکننده است. با بالا رفتن محتوای کربن، سمنتیت بیشتری تشکیل می‌شود و سختی فولاد در یک منحنی نسبتاً قابل پیش‌بینی افزایش می‌یابد. متالورژی ها این رابطه را از اوایل قرن بیستم دنبال کرده اند و اساس نمودار فاز آهن-کربن است که امروزه در هر کلاس درس متالورژی استفاده می شود.

چرا محتوای کربن در کسری از درصد اندازه گیری می شود؟

از آنجایی که اثر کربن بسیار قوی است، تفاوت ها به کوچکی است 0.10٪ تغییر طبقه بندی فولاد و کاربرد مناسب آن فولاد 1020 (0.20٪ کربن) هیچ رفتاری مانند فولاد 1095 (0.95٪ کربن) ندارد، حتی اگر هر دو از نظر فنی فولادهای کربنی ساده هستند. به همین دلیل است که تولیدکنندگان فولاد، محتوای کربن را به جای گرد کردن به نزدیکترین عدد کامل، به صدم درصد در گزارش‌های آزمایش کارخانه گزارش می‌دهند.

طبقه بندی فولاد کربن بر اساس درصد

فولادهای کربنی ساده بر اساس محتوای کربن به چهار خانواده بزرگ دسته بندی می شوند. هر خانواده مجموعه ای متمایز از کاربردهای معمولی دارد و جاعلان بر اساس توازن قدرت، چقرمگی و ماشین کاری مورد نیاز قطعه تمام شده، از بین آنها انتخاب می کنند.

بالا تقریبا 2.0 درصد کربن ، این ماده دیگر به هیچ وجه به عنوان فولاد طبقه بندی نمی شود. تبدیل به چدن می شود که بسیار شکننده تر است و با ریخته گری به جای آهنگری یا نورد شدن شکل می گیرد.

چگونه محتوای کربن خواص مکانیکی را تغییر می دهد

رابطه بین کربن و عملکرد مکانیکی یکی از سازگارترین روندها در مهندسی مواد است. با افزایش درصد کربن، چهار ویژگی در جهت قابل پیش بینی حرکت می کنند:

• سختی بالا می رود - سمنتیت بیشتر در ریزساختار در برابر فرورفتگی و سایش مقاوم است.
• استحکام کششی افزایش می یابد - تا حدی، کربن اضافی به فولاد اجازه می دهد تا قبل از شکست بار بیشتری را حمل کند.
• شکل پذیری سقوط می کند - فولاد قبل از ترک خوردن خم می شود و کمتر کشیده می شود، بنابراین شکل گیری سرد سخت تر می شود.
• جوش پذیری سقوط می کند - فولادهای با کربن بالاتر بیشتر مستعد ترک خوردن در ناحیه متاثر از گرما هستند مگر اینکه از قبل گرم شده و با دقت کنترل شوند.

به همین دلیل است که یک شفت محور خودروی آهنگری که هم به استحکام و هم به توانایی جذب ضربه بدون شکستگی نیاز دارد، معمولاً از یک درجه کربن متوسط ​​مانند 1045 استفاده می‌کند تا اینکه از فولادی با کربن بالا استفاده کند که در آزمایش آزمایشگاهی قوی‌تر اما برای برخورد جاده بسیار شکننده است.

محتوای کربن و آهنگری فولاد فرآیند

آهنگری فولاد با تغییر شکل پلاستیک فشاری، با استفاده از چکش، پرس یا رول برای وادار کردن فولاد گرم شده به قالب یا شکل دلخواه، فلز را شکل می‌دهد. محتوای کربن تقریباً بر هر تصمیمی که یک مغازه فورج قبل از فرود اولین ضربه چکش می گیرد، حاکم است.

پنجره های حرارتی آهنگری

فولادهای کم کربن و متوسط معمولاً بین آنها آهنگری می شوند 1150 درجه سانتی گراد و 1250 درجه سانتی گراد (تقریباً 2100 درجه فارنهایت تا 2280 درجه فارنهایت)، جایی که ماده در فاز آستنیتی خود قرار می گیرد و به راحتی تحت فشار جریان می یابد. فولادهای پرکربن معمولاً به سمت انتهای پایینی این محدوده ساخته می‌شوند، زیرا گرمای بیش از حد همراه با محتوای کربن بالا باعث رشد دانه‌ها و کربن‌زدایی سطح می‌شود که هر دو باعث ضعیف شدن قسمت نهایی می‌شوند.

چرا جاعلان گریدهای کربن متوسط را ترجیح می دهند؟

فولادهای کربن متوسط مانند 1040، 1045 و 4140 بر صنعت آهنگری تسلط دارند، زیرا تعادل قابل اجرا را ایجاد می کنند: کربن کافی برای پاسخ به عملیات حرارتی پس از آهنگری مانند خاموش کردن و تمپر کردن، اما نه آنقدر که شمش در زیر قالب ترک بخورد. قطعاتی مانند میل لنگ، میله‌های اتصال، چرخ دنده‌ها، فلنج‌ها و ابزارهای دستی تقریباً همیشه از این باند میانی ساخته می‌شوند تا از قسمت‌های افراطی.

افزایش جریان و قدرت دانه

آهنگری بیشتر از شکل دادن به فولاد انجام می دهد. ساختار دانه داخلی را در امتداد خطوط قطعه تراز می کند. یک جزء آهنگری از خطوط جریان پیوسته دانه پیروی می کند، در حالی که یک قطعه ماشینکاری شده یا ریخته گری شده دانه را برش می دهد یا اصلاً ندارد. آزمایش‌های صنعتی بارها نشان داده است که قطعات فولادی آهنگری می‌توانند به طور معنی‌داری مقاومت خستگی بالاتری نسبت به قطعات ریخته‌شده یا ماشین‌کاری شده با ترکیب شیمیایی یکسان داشته باشند، به همین دلیل است که فولاد کربنی آهنگری استاندارد برای اجزای حیاتی ایمنی مانند بند فرمان و میل لنگ است.

فولاد کربنی در مقایسه با فولاد آلیاژی و فولاد ضد زنگ

هنگامی که عناصر دیگر وارد ترکیب شوند، محتوای کربن به تنهایی کل داستان را بیان نمی کند. درک محل قرارگیری فولاد کربنی ساده نسبت به پسرعموهای آلیاژی خود به توضیح اینکه چرا یک نقشه آهنگری ممکن است یک خانواده را نسبت به خانواده دیگر فرا بخواند کمک می کند.

در عمل، یک مهندس خریدار، فولاد کربنی ساده را زمانی که قطعه پوشش داده می‌شود، رنگ می‌شود یا در داخل خانه نگهداری می‌شود، انتخاب می‌کند و زمانی که کاربرد مقاومت در برابر خوردگی یا سخت‌شدگی بالاتر از طریق مقاطع ضخیم‌تر را می‌طلبد، به گریدهای آلیاژی یا ضد زنگ می‌رسد.

انتخاب درجه فولاد کربنی برای قطعه آهنگری

انتخاب درصد کربن مناسب یک عمل متعادل کننده بین سه سوال است: قطعه چقدر باید قوی باشد، چقدر ضربه یا خستگی جذب می کند، و چگونه بعد از آن ماشین کاری یا متصل می شود.

1. نوع بار را مشخص کنید بارهای استاتیک محتوای کربن بالاتری را تحمل می کند. بارهای ضربه ای مکرر به نفع کربن متوسط ​​با چقرمگی خوب است.
2. عملیات پس از آهنگری را بررسی کنید. اگر قطعه در پایین دست جوش داده می شود، محتوای کربن را تقریباً کمتر از 0.30٪ نگه دارید، مگر اینکه پیش گرم کردن و خنک سازی کنترل شده بخشی از برنامه فرآیند باشد.
3. مسیر عملیات حرارتی را تایید کنید. فولادهای کربن متوسط ​​و بالا به خوبی به چرخه های خاموشی و تمپر پاسخ می دهند. فولادهای کم کربن به جای آن به سخت شدن یا کربورسازی متکی هستند.
4. قابلیت ماشینکاری را در مقابل سختی وزن کنید. محتوای کربن بیشتر به طور کلی به معنای سرعت برش آهسته تر و سایش سریع ابزار در حین ماشینکاری ثانویه است.

یک مغازه فورج که تولیدکنندگان خودرو یا تجهیزات کشاورزی را تامین می کند، اغلب بر روی تعداد انگشت شماری از گریدها استاندارد می شود. 1045 برای شفتینگ عمومی و 4140 در جایی که نسبت استحکام به وزن بالاتری مورد نیاز است، دقیقاً به این دلیل که این گریدها در نقطه ای شیرین بین جعل پذیری و عملکرد قطعه تمام شده قرار می گیرند.

عملیات حرارتی پس از آهنگری

آهنگری به تنهایی به ندرت خواص مکانیکی نهایی قطعه را ارائه می دهد. محتوای کربن تعیین می کند که کدام عملیات حرارتی حتی پس از آن امکان پذیر است.

عادی سازی

تقریباً تمام آهنگری‌های فولاد کربنی پس از آهنگری نرمال می‌شوند، بالاتر از دمای بحرانی گرم می‌شوند و با هوا خنک می‌شوند تا ساختار دانه‌ها را اصلاح کرده و تنش‌های ناهموار به جا مانده از فرآیند آهنگری را کاهش دهند.

خاموش کردن و معتدل کردن

فولادهای با کربن متوسط و پر کربن را می توان در روغن یا آب فرو برد تا مارتنزیت را تشکیل دهد، سپس آن را خنثی کرد تا مقداری سختی را با چقرمگی بازگرداند. درصد کربن سقفی را برای سختی قابل دستیابی تعیین می کند. یک فولاد کمتر از حدود 0.30 درصد کربن به سادگی نمی تواند به همان سختی کوئنچ شده با درجه 1060 یا 1080 برسد، صرف نظر از شدت خاموشی.

سخت شدن کیس برای قطعات کم کربن

فولادهای کم کربن که به سطح سایش سخت نیاز دارند اما هسته سختی مانند چرخ دنده ها دارند، در عوض کربن دار می شوند: کربن در دمای بالا به سطح بیرونی پخش می شود، سپس آن لایه سطحی به تنهایی به سختی خاموش می شود در حالی که هسته کم کربن انعطاف پذیر می ماند.

سوالات متداول

چند درصد کربن فولاد را به اندازه کافی برای ابزار سخت می کند؟

برنامه های ابزار به طور کلی شروع می شوند 0.60 درصد کربن و تا تقریباً 1.0٪ افزایش می یابد، زیرا این محدوده از طریق کوئنچ به خوبی سفت می شود و لبه تیز را حفظ می کند.

آیا کربن بالاتر همیشه به معنای فولاد قوی تر است؟

فقط تا یک نقطه. استحکام کششی و تسلیم با محتوای کربن افزایش می‌یابد، اما پس از گذشت تقریباً 0.80-0.90٪، سودها صاف می‌شوند در حالی که شکنندگی همچنان افزایش می‌یابد، بنابراین کربن بیشتر به طور خودکار برای هر کاربرد بهتر نیست.

چرا فولاد کربن متوسط ​​رایج ترین ماده آهنگری است؟

گسترده ترین پنجره عملی را ارائه می دهد: کربن کافی برای سخت شدن از طریق عملیات حرارتی، در عین حال به اندازه کافی انعطاف پذیر برای مقاومت در برابر نیروهای فشاری ناشی از آهنگری بدون ترک خوردن شمش.

آیا می توان فولاد کم کربن را جعل کرد؟

بله. فولاد کم کربن به دلیل شکل پذیری بالا به راحتی فورج می شود و معمولاً برای قطعاتی که جوش داده می شوند یا به جای سختی سطحی به یک هسته سخت و مقاوم در برابر ضربه نیاز دارند انتخاب می شود.

چگونه میزان کربن در یک قطعه فولادی ساخته شده اندازه گیری می شود؟

تولیدکنندگان از آنالیز احتراق یا طیف‌سنجی انتشار نوری برای اندازه‌گیری درصد کربن مستقیماً از یک نمونه استفاده می‌کنند و نتیجه در گواهی آزمایش آسیاب همراه با مواد گزارش می‌شود.

اگر محتوای کربن برای کاربرد آهنگری بیش از حد بالا باشد چه اتفاقی می‌افتد؟

کربن اضافی شکل پذیری را تا حدی کاهش می دهد که شمش می تواند در حین فشرده سازی ترک بخورد، به خصوص در گوشه های قالب و مقاطع نازک، به همین دلیل است که مغازه های آهنگری به جای پذیرش تلورانس های وسیع آسیاب، محدوده محتوای کربن را مشخص می کنند.