Wat is koolstof in staal? Gids voor inhoud, kwaliteiten en smeden

Koolstof is het enige element dat gewoon ijzer van staal scheidt, en de aanwezige hoeveelheid daartussenin 0,05% en 2,0% op gewichtsbasis , beslist vrijwel alles over hoe een stuk staal zich gedraagt onder belasting, hitte en een smeedhamer. Verhoog het koolstofpercentage en het metaal wint aan hardheid en treksterkte, maar verliest ductiliteit en lasbaarheid; laat het zakken en het staal blijft zacht, vormbaar en gemakkelijk te lassen, maar kan geen harde rand of hoge sterkte behouden zonder hulp van legeringselementen. Elk molencertificaat, elke smeedtekening en elke soortaanduiding zoals 1045 of 4140 is terug te voeren op deze ene verhouding.

Wat koolstof eigenlijk in staal doet

IJzer is op zichzelf een zacht, relatief zwak metaal. Wanneer koolstofatomen tijdens het smelten worden geïntroduceerd, nestelen ze zich tussen de ijzeratomen in het kristalrooster en vormen ze een verbinding genaamd cementiet (ijzercarbide, Fe3C) naast een vaste oplossing die ferriet wordt genoemd. Het evenwicht tussen deze twee microstructuren, en later tussen perliet, martensiet en bainiet na warmtebehandeling, geeft staal zijn mechanische persoonlijkheid.

Een handige manier om het voor te stellen: ferriet is het zachte, magnetische, gemakkelijk buigbare deel van de structuur, terwijl cementiet hard en bros is. Naarmate het koolstofgehalte stijgt, vormt zich meer cementiet en stijgt de hardheid van het staal in een redelijk voorspelbare curve. Metallurgen hebben deze relatie sinds het begin van de twintigste eeuw gevolgd, en het blijft de basis van het ijzer-koolstoffasediagram dat tegenwoordig in elk metallurgielokaal wordt gebruikt.

Waarom het koolstofgehalte wordt gemeten in fracties van een procent

Omdat de werking van koolstof zo sterk is, zijn de verschillen zo klein als 0,10% de classificatie van een staal en de geschikte toepassing ervan veranderen. Een 1020-staal (0,20% koolstof) gedraagt ​​zich in niets als een 1095-staal (0,95% koolstof), ook al zijn beide technisch gezien gewone koolstofstaalsoorten. Dit is de reden dat staalproducenten op de testrapporten van de fabrieken het koolstofgehalte tot op de honderdste procent vermelden, in plaats van af te ronden op het dichtstbijzijnde gehele getal.

Koolstofstaalclassificaties per percentage

Gewoon koolstofstaal is gegroepeerd in vier brede families op basis van het koolstofgehalte. Elke familie heeft een specifieke reeks typische toepassingen, en vervalsers selecteren deze op basis van de balans tussen sterkte, taaiheid en bewerkbaarheid die het voltooide onderdeel vereist.

Boven ongeveer 2,0% koolstof , het materiaal wordt helemaal niet langer als staal geclassificeerd; het wordt gietijzer, dat veel brozer is en gevormd wordt door gieten in plaats van smeden of rollen.

Hoe het koolstofgehalte de mechanische eigenschappen verandert

De relatie tussen koolstof en mechanische prestaties is een van de meest consistente trends in de materiaalkunde. Naarmate het koolstofpercentage toeneemt, bewegen vier eigenschappen in een voorspelbare richting:

• De hardheid neemt toe — meer cementiet in de microstructuur is bestand tegen indeuking en slijtage.
• De treksterkte neemt toe – tot op zekere hoogte zorgt extra koolstof ervoor dat het staal meer belasting kan dragen voordat het bezwijkt.
• De ductiliteit neemt af — het staal buigt en rekt minder voordat het barst, waardoor koudvervormen moeilijker wordt.
• Lasbaarheid neemt af — Staalsoorten met een hoger koolstofgehalte zijn gevoeliger voor scheuren in de door hitte beïnvloede zone, tenzij ze worden voorverwarmd en zorgvuldig gecontroleerd.

Dit is de reden waarom een ​​gesmede auto-as, die zowel kracht nodig heeft als het vermogen om schokken te absorberen zonder te verbrijzelen, doorgaans een medium koolstofkwaliteit zoals 1045 gebruikt in plaats van te streven naar een hoog koolstofstaal dat sterker zou zijn in een laboratoriumtest, maar te broos voor een botsing op de weg.

Koolstofgehalte en de Stalen smeden Proces

Bij het smeden van staal wordt metaal gevormd door plastische vervorming onder druk, waarbij gebruik wordt gemaakt van hamers, persen of rollen om verwarmd staal in een matrijs of gewenste vorm te dwingen. Het koolstofgehalte bepaalt bijna elke beslissing die een smederij neemt voordat de eerste hamerslag landt.

Smeden van temperatuurramen

Staalsoorten met een laag en middelmatig koolstofgehalte worden doorgaans tussen gesmeed 1150°C en 1250°C (ongeveer 2100°F tot 2280°F), waarbij het materiaal zich in zijn austenitische fase bevindt en gemakkelijk onder druk stroomt. Staalsoorten met een hoog koolstofgehalte worden meestal aan de onderkant van dat bereik gesmeed, omdat overmatige hitte in combinatie met een hoog koolstofgehalte de korrelgroei en ontkoling van het oppervlak bevordert, die beide het voltooide onderdeel verzwakken.

Waarom vervalsers de voorkeur geven aan medium koolstofkwaliteiten

Staalsoorten met middelmatig koolstofgehalte, zoals 1040, 1045 en 4140, domineren de smeedindustrie omdat ze een werkbaar evenwicht bieden: voldoende koolstof om goed te reageren op warmtebehandelingen na het smeden, zoals blussen en temperen, maar niet zozeer dat de knuppel onder de matrijs scheurt. Componenten zoals krukassen, drijfstangen, tandwielen, flenzen en handgereedschappen worden bijna altijd uit deze middelste band gesmeed in plaats van uit de uitersten.

Graanstroom en krachtwinst

Smeden doet meer dan staal vormen; het lijnt de interne korrelstructuur uit langs de contouren van het onderdeel. Een gesmeed onderdeel volgt continue graanstroomlijnen, terwijl een machinaal bewerkt of gegoten onderdeel dwars door de korrel snijdt of er helemaal geen heeft. Uit industriële tests is herhaaldelijk gebleken dat gesmede stalen onderdelen een aanzienlijk hogere weerstand tegen vermoeidheid kunnen hebben dan gegoten of machinaal bewerkte onderdelen met dezelfde chemische samenstelling. Daarom blijft gesmeed koolstofstaal de standaard voor veiligheidskritische componenten zoals fusees en krukassen.

Koolstofstaal vergeleken met gelegeerd staal en roestvrij staal

Het koolstofgehalte alleen vertelt niet het hele verhaal als er andere elementen in de mix komen. Als u begrijpt waar gewoon koolstofstaal zich bevindt ten opzichte van zijn gelegeerde neven, kan dit verklaren waarom een ​​smeedtekening de ene familie boven de andere zou kunnen vergen.

In de praktijk kiest een inkoopingenieur voor gewoon koolstofstaal wanneer het onderdeel wordt gecoat, geverfd of binnenshuis wordt bewaard, en kiest hij voor legerings- of roestvrij staalsoorten wanneer de toepassing corrosiebestendigheid of een hogere hardbaarheid door dikkere doorsneden vereist.

Een koolstofstaalkwaliteit kiezen voor een gesmeed onderdeel

Het selecteren van het juiste koolstofpercentage is een evenwichtsoefening tussen drie vragen: hoe sterk moet het onderdeel zijn, hoeveel schokken of vermoeidheid zal het absorberen, en hoe zal het daarna worden bewerkt of samengevoegd.

1. Identificeer het belastingstype. Statische belastingen tolereren een hoger koolstofgehalte; herhaalde impactbelastingen geven de voorkeur aan medium koolstof met goede taaiheid.
2. Controleer de handelingen na het smeden. Als het onderdeel stroomafwaarts wordt gelast, moet het koolstofgehalte onder ongeveer 0,30% worden gehouden, tenzij voorverwarmen en gecontroleerde koeling deel uitmaken van het procesplan.
3. Bevestig het warmtebehandelingstraject. Staalsoorten met gemiddeld en hoog koolstofgehalte reageren goed op afschrik- en tempercycli; staalsoorten met een laag koolstofgehalte zijn in plaats daarvan afhankelijk van harding of carbonering.
4. Weeg de bewerkbaarheid af tegen de hardheid. Een hoger koolstofgehalte betekent doorgaans lagere snijsnelheden en snellere gereedschapsslijtage tijdens secundaire bewerking.

Een smederij die fabrikanten van auto- of landbouwapparatuur levert, zal vaak standaardiseren op een handvol kwaliteiten, meestal 1045 voor algemene schachten en 4140 waar een hogere sterkte-gewichtsverhouding vereist is, juist omdat deze kwaliteiten zich op de goede plek bevinden tussen smeedbaarheid en de prestaties van het eindproduct.

Warmtebehandeling na smeden

Alleen smeden levert zelden de uiteindelijke mechanische eigenschappen van een onderdeel op. Het koolstofgehalte bepaalt welke warmtebehandelingen daarna nog mogelijk zijn.

Normaliseren

Bijna alle smeedstukken van koolstofstaal worden na het smeden genormaliseerd, verwarmd boven de kritische temperatuur en luchtgekoeld, om de korrelstructuur te verfijnen en de ongelijkmatige spanningen die door het smeedproces achterblijven te verlichten.

Afschrikken en temperen

Staalsoorten met middelhoog en hoog koolstofgehalte kunnen in olie of water worden geblust om martensiet te vormen en vervolgens worden getemperd om wat hardheid terug te ruilen voor taaiheid. Het koolstofpercentage stelt een plafond aan de haalbare hardheid; een staal met minder dan ongeveer 0,30% koolstof kan eenvoudigweg niet dezelfde hardheid na afschrikking bereiken als een staalsoort van 1060 of 1080, ongeacht de ernst van de afschrikking.

Harding van de behuizing voor onderdelen met een laag koolstofgehalte

Staalsoorten met een laag koolstofgehalte die een hard slijtoppervlak maar een taaie kern nodig hebben, zoals tandwielen, worden in plaats daarvan gecarbureerd: koolstof wordt bij hoge temperatuur in het buitenoppervlak verspreid, waarna alleen die oppervlaktelaag hard wordt afgeschrikt terwijl de kern met laag koolstofgehalte taai blijft.

Veelgestelde vragen

Welk koolstofpercentage maakt staal hard genoeg voor gereedschap?

Gereedschapstoepassingen beginnen over het algemeen rond 0,60% koolstof en oplopen tot ongeveer 1,0%, aangezien dit bereik goed uithardt door afschrikken en een scherpe rand behoudt.

Betekent een hoger koolstofgehalte altijd sterker staal?

Slechts tot op zekere hoogte. Treksterkte en vloeigrens stijgen met het koolstofgehalte, maar boven ongeveer 0,80-0,90% vlakt de winst af terwijl de brosheid blijft toenemen, dus meer koolstof is niet automatisch beter voor elke toepassing.

Waarom is medium koolstofstaal het meest voorkomende smeedmateriaal?

Het biedt het breedste praktische venster: genoeg koolstof om uit te harden door middel van een warmtebehandeling, maar toch taai genoeg om de drukkrachten van het smeden te weerstaan ​​zonder dat de knuppel barst.

Kan koolstofarm staal worden gesmeed?

Ja. Staal met een laag koolstofgehalte smeedt gemakkelijk vanwege de hoge taaiheid, en wordt vaak gekozen voor onderdelen die moeten worden gelast of die een stevige, schokbestendige kern nodig hebben in plaats van oppervlaktehardheid.

Hoe wordt het koolstofgehalte gemeten in een afgewerkt stalen onderdeel?

Producenten gebruiken verbrandingsanalyse of optische emissiespectroscopie om het koolstofpercentage rechtstreeks uit een monster te meten, en het resultaat wordt gerapporteerd op het fabriekstestcertificaat dat bij het materiaal hoort.

Wat gebeurt er als het koolstofgehalte te hoog is voor smeden?

Een teveel aan koolstof vermindert de ductiliteit tot het punt waarop de knuppel kan barsten tijdens compressie, vooral bij de hoeken en dunne secties van de matrijs. Daarom specificeren smederijen het bereik van het koolstofgehalte in plaats van brede walstoleranties te accepteren.