Hiili on yksittäinen elementti, joka erottaa tavallisen raudan teräksestä ja sen sisältämän määrän, tyypillisesti välillä 0,05 ja 2,0 painoprosenttia , päättää melkein kaiken siitä, kuinka teräspala käyttäytyy kuormituksen, lämmön ja taontavasaran alaisena. Nosta hiiliprosenttia ja metalli saa kovuutta ja vetolujuutta, mutta menettää sitkeyden ja hitsattavuuden; Laske se alas, jolloin teräs pysyy pehmeänä, muovautuvana ja helposti hitsattavana, mutta se ei kestä kovaa reunaa tai suurta lujuutta ilman seosaineiden apua. Jokainen myllysertifikaatti, jokainen taontapiirustus ja jokainen laatumerkintä, kuten 1045 tai 4140, viittaa tähän yhteen suhteeseen.
Mitä hiili todella tekee teräksen sisällä
Rauta itsessään on pehmeä, suhteellisen heikko metalli. Kun hiiliatomeja lisätään sulatuksen aikana, ne asettuvat kidehilan rautaatomien väliin ja muodostavat sementiitiksi kutsutun yhdisteen (rautakarbidi, Fe3C) kiinteän ferriittiliuoksen rinnalle. Näiden kahden mikrorakenteen ja myöhemmin lämpökäsittelyn jälkeisen perliitin, martensiitin ja bainiitin välinen tasapaino antaa teräkselle sen mekaanisen persoonallisuuden.
Hyödyllinen tapa kuvata se: ferriitti on rakenteen pehmeä, magneettinen, helposti taipuva osa, kun taas sementiitti on kovaa ja hauras. Hiilipitoisuuden noustessa sementiittiä muodostuu lisää ja teräksen kovuus nousee melko ennustettavasti. Metallurgit ovat seuranneet tätä suhdetta 1900-luvun alusta lähtien, ja se on edelleen perustana rauta-hiilifaasikaaviolle, jota käytetään nykyään jokaisessa metallurgialuokkahuoneessa.
Miksi hiilipitoisuus mitataan prosentin murto-osissa
Koska hiilen vaikutus on niin voimakas, erot niin pienet kuin 0,10 % muuttaa teräksen luokitusta ja sen sopivaa sovellusta. 1020-teräs (0,20 % hiiltä) ei käyttäyty yhtään kuten 1095-teräs (0,95 % hiiltä), vaikka molemmat ovat teknisesti tavallisia hiiliteräksiä. Tästä syystä teräksentuottajat ilmoittavat tehtaiden testiraporteissa hiilipitoisuuden prosentin sadasosaan sen sijaan, että ne pyöristävät lähimpään kokonaislukuun.
Hiiliteräsluokitukset prosentteina
Tavalliset hiiliteräkset ryhmitellään neljään laajaan perheeseen hiilipitoisuuden perusteella. Jokaisella perheellä on omat tyypilliset käyttötarkoitukset, ja väärentäjät valitsevat niiden joukosta valmiin osan vaatiman lujuuden, sitkeyden ja työstettävyyden tasapainon perusteella.
Yleiset hiiliteräksen luokitusalueet SAE/AISI-laatunumeron mukaan. | Luokittelu | Hiilipitoisuus | Tyypilliset arvosanat | Yhteinen käyttö |
| Vähähiilinen (mieto teräs) | 0,05 % - 0,30 % | 1006, 1018, 1020 | Rakennemuodot, levyt, lanka |
| Keskikokoinen hiili | 0,31 % - 0,60 % | 1035, 1045, 1050 | Akselit, vaihteet, taotut kampiakselit |
| Korkea hiilipitoisuus | 0,61 % - 1,00 % | 1065, 1080, 1095 | Jouset, leikkuutyökalut, terät |
| Erittäin korkea hiilipitoisuus | 1,01 % - 2,00 % | Erikoistyökaluteräkset | Käytä levyjä, meistiä, lyöntejä |
Suunnilleen yläpuolella 2,0 % hiiltä , materiaalia ei enää luokitella teräkseksi ollenkaan; siitä tulee valurautaa, joka on paljon hauraampaa ja muotoillaan valamalla takomisen tai valssaamisen sijaan.
Kuinka hiilipitoisuus muuttaa mekaanisia ominaisuuksia
Hiilen ja mekaanisen suorituskyvyn välinen suhde on yksi johdonmukaisimmista materiaalitekniikan trendeistä. Hiiliprosentin kasvaessa neljä ominaisuutta liikkuu ennustettavaan suuntaan:
- Kovuus nousee — enemmän sementiittiä mikrorakenteessa vastustaa painumista ja hankausta.
- Vetolujuus kasvaa — Tiettyyn pisteeseen asti lisähiilen ansiosta teräs kantaa enemmän kuormaa ennen vikaa.
- Mukavuus laskee — teräs taipuu ja venyy vähemmän ennen halkeilua, jolloin kylmämuovauksesta tulee kovempaa.
- Hitsattavuus heikkenee — korkeahiiliset teräkset ovat alttiimpia halkeilemaan lämmön vaikutuksen alaisuudessa, ellei niitä esilämmitetä ja valvota huolellisesti.
Tästä syystä taottu autojen akselin akseli, joka tarvitsee sekä lujuutta että kykyä vaimentaa iskuja rikkoutumatta, käyttää tyypillisesti keskihiilistä laatua, kuten 1045, sen sijaan, että tavoittaisi korkeahiilisen teräksen, joka olisi laboratoriotestissä vahvempi mutta liian hauras tietörmäykseen.
Terästakona muotoilee metallia puristamalla muovista muodonmuutosta käyttämällä vasaroita, puristimia tai rullia kuumennetun teräksen pakottamiseksi suuttimeen tai haluttuun muotoon. Hiilipitoisuus ohjaa lähes kaikkia päätöksiä, jotka takomo tekee ennen ensimmäistä vasaran iskua.
Lämpötilaikkunoiden takominen
Vähä- ja keskihiiliset teräkset takotaan tyypillisesti väliin 1150°C ja 1250°C (noin 2100–2280 °F), jossa materiaali on austeniittisessa faasissaan ja virtaa helposti paineen alaisena. Hiilipitoisia teräksiä takotaan yleensä tämän alueen alarajaa kohti, koska liiallinen lämpö yhdistettynä korkeaan hiilipitoisuuteen edistää rakeiden kasvua ja pinnan hiilenpoistoa, jotka molemmat heikentävät viimeisteltyä osaa.
Miksi väärentäjät suosivat keskikokoisia hiililaatuja?
Keskikokoiset hiiliteräkset, kuten 1040, 1045 ja 4140, hallitsevat taontateollisuutta, koska ne saavuttavat toimivan tasapainon: tarpeeksi hiiltä reagoimaan hyvin takomisen jälkeiseen lämpökäsittelyyn, kuten karkaisuun ja karkaisuun, mutta ei niin paljon, että aihio halkeilee muotin alla. Komponentit, kuten kampiakselit, kiertokanget, vaihteet, laipat ja käsityökalut, on lähes aina taottu tästä keskinauhasta äärimmäisistä osista.
Viljan virtaus ja vahvuus lisääntyy
Takominen tekee muutakin kuin muotoilee terästä; se kohdistaa sisäisen raerakenteen osan ääriviivoja pitkin. Taottu komponentti seuraa jatkuvia viljan virtauslinjoja, kun taas koneistettu tai valettu osa leikkaa viljan poikki tai sitä ei ole ollenkaan. Teollisuustestit ovat toistuvasti osoittaneet, että taotut teräsosat voivat kestää merkittävästi korkeampaa väsymiskestävyyttä kuin valetut tai koneistetut osat, joilla on sama kemiallinen koostumus, minkä vuoksi taottu hiiliteräs on edelleen standardi turvallisuuden kannalta kriittisille komponenteille, kuten ohjausnivelille ja kampiakselille.
Hiiliteräs verrattuna seosteräkseen ja ruostumattomaan teräkseen
Hiilipitoisuus ei yksin kerro koko tarinaa, kun sekoitukseen tulee muita elementtejä. Ymmärtäminen, missä tavallinen hiiliteräs sijaitsee suhteessa seostettuihin serkkuihinsa, auttaa selittämään, miksi taontapiirros saattaa vaatia yhtä perhettä kuin toista.
Tavallisen hiiliteräksen vertailu seos- ja ruostumattoman teräksen perheisiin. | Teräs perhe | Tärkeimmät lisäykset | Pääasiallinen etu | Vaihtokauppa |
| Tavallinen hiiliteräs | Vain hiiltä, jäännös mangaania | Edullinen, helppo takoa | Ei korroosionkestävyyttä |
| Seostettu teräs (esim. 4140) | Kromi, molybdeeni, nikkeli | Syvempi karkaistuvuus, suurempi lujuus | Korkeammat materiaalikustannukset |
| Ruostumaton teräs (esim. 304, 17-4PH) | Kromi 10,5 %, joskus nikkeliä | Korroosionkestävyys | Vaikea takoa, kalliimpaa |
Käytännössä ostoinsinööri valitsee tavallisen hiiliteräksen, kun osa pinnoitetaan, maalataan tai säilytetään sisätiloissa, ja tavoittelee seos- tai ruostumatonta terästä, kun sovellus vaatii korroosionkestävyyttä tai parempaa karkenevuutta paksumpien poikkileikkausten kautta.
Hiiliteräslaadun valitseminen taotulle osalle
Oikean hiiliprosentin valinta tasapainottaa kolmen kysymyksen välillä: kuinka vahva osan tulee olla, kuinka paljon iskua tai väsymystä se vaimentaa ja miten se koneistetaan tai liitetään jälkeenpäin.
- Tunnista kuorman tyyppi. Staattiset kuormat sietävät korkeampaa hiilipitoisuutta; toistuvat iskukuormitukset suosivat keskipitkästä hiiltä, jolla on hyvä sitkeys.
- Tarkista jälkitaontatoimenpiteet. Jos osa hitsataan myötävirtaan, pidä hiilipitoisuus alle 0,30 %, ellei esilämmitys ja kontrolloitu jäähdytys ole osa prosessisuunnitelmaa.
- Vahvista lämpökäsittelypolku. Keski- ja korkeahiiliset teräkset reagoivat hyvin sammutus- ja karkaisujaksoihin; vähähiiliset teräkset luottavat sen sijaan kotelon karkaisuun tai hiiletykseen.
- Punnitse koneistettavuus kovuutta vastaan. Suurempi hiilipitoisuus tarkoittaa yleensä hitaampaa leikkausnopeutta ja nopeampaa työkalun kulumista toissijaisessa työstyksessä.
Auto- tai maatalouskoneiden valmistajia toimittava takomo standardoi usein kourallisen laatuja, yleisimmin 1045 yleiseen akseliin ja 4140 joissa vaaditaan suurempaa lujuus-painosuhdetta juuri siksi, että nämä laatulajit ovat muokattavuuden ja valmiiden osien suorituskyvyn välissä.
Lämpökäsittely takomisen jälkeen
Pelkästään takominen tuottaa harvoin osan lopulliset mekaaniset ominaisuudet. Hiilipitoisuus määrää, mitkä lämpökäsittelyt ovat mahdollisia myöhemminkin.
Normalisoidaan
Lähes kaikki hiiliterästakomot normalisoidaan takomisen jälkeen, kuumennetaan kriittisen lämpötilan yläpuolelle ja ilmajäähdytetään raerakenteen hienostuttamiseksi ja taontaprosessin jättämien epätasaisten jännitysten lievittämiseksi.
Karkaisu ja karkaisu
Keski- ja korkeahiiliset teräkset voidaan sammuttaa öljyssä tai vedessä martensiitin muodostamiseksi, minkä jälkeen ne karkaistaan osan kovuuden korvaamiseksi sitkeydellä. Hiiliprosentti asettaa katon saavutettavalle kovuudelle; teräs, jonka hiilipitoisuus on alle noin 0,30 %, ei yksinkertaisesti voi saavuttaa samaa karkaisun kovuutta kuin 1060- tai 1080-laatu, jäähdytyksen vakavuudesta riippumatta.
Kotelon karkaisu vähähiilisille osille
Vähähiiliset teräkset, jotka tarvitsevat kovaa kulutuspintaa, mutta sitkeää ydintä, kuten hammaspyörät, hiiletään sen sijaan: hiili diffundoituu ulkopinnalle korkeassa lämpötilassa, jolloin pelkkä pintakerros jäähtyy kovaksi, kun taas vähähiilinen ydin pysyy sitkeänä.
Usein kysytyt kysymykset
Mikä hiiliprosentti tekee teräksestä riittävän kovan työkaluille?
Työkalusovellukset alkavat yleensä noin 0,60 % hiiltä ja nousta noin 1,0 %:iin, koska tämä alue kovettuu hyvin karkaisun aikana ja pitää terävän reunan.
Tarkoittaako korkeampi hiili aina vahvempaa terästä?
Vain tiettyyn pisteeseen asti. Vetolujuus ja myötölujuus nousevat hiilipitoisuuden myötä, mutta noin 0,80-0,90 %:n jälkeen lisäykset tasoittuvat samalla kun hauraus kasvaa edelleen, joten hiilen lisääminen ei ole automaattisesti parempi jokaisessa käyttökohteessa.
Miksi keskihiiliteräs on yleisin taontamateriaali?
Se tarjoaa leveimmän käytännöllisen ikkunan: tarpeeksi hiiltä kovettumaan lämpökäsittelyn kautta, mutta silti tarpeeksi taipuisa kestämään takomisen puristusvoimat murtamatta aihiota.
Voidaanko vähähiilistä terästä takoa?
Kyllä. Vähähiilinen teräs takoutuu helposti korkean taipuisuuden ansiosta, ja se valitaan yleensä osiin, jotka hitsataan tai jotka tarvitsevat kovaa, iskunkestävää ydintä pinnan kovuuden sijaan.
Miten valmiin teräsosan hiilipitoisuus mitataan?
Valmistajat mittaavat hiiliprosentin suoraan näytteestä polttoanalyysin tai optisen emissiospektroskopian avulla, ja tulos raportoidaan materiaalin mukana tulevaan tehtaan testitodistukseen.
Mitä tapahtuu, jos hiilipitoisuus on liian korkea taontasovellukseen?
Liiallinen hiili vähentää taipuisuutta siihen pisteeseen, jossa aihio voi halkeilla puristuksen aikana, erityisesti muotin kulmissa ja ohuissa osissa, minkä vuoksi takomajat määrittelevät hiilipitoisuuden vaihteluvälit sen sijaan, että hyväksyisivät leveät myllyn toleranssit.
