Carbonul este singurul element care separă fierul simplu de oțel și cantitatea prezentă, de obicei, între 0,05% și 2,0% în greutate , decide aproape totul despre modul în care o bucată de oțel se comportă sub sarcină, căldură și un ciocan de forjare. Ridicați procentul de carbon și metalul câștigă duritate și rezistență la tracțiune, dar pierde ductilitate și sudabilitate; coborâți-l și oțelul rămâne moale, modelabil și ușor de sudat, dar nu poate menține o margine tare sau o rezistență ridicată fără ajutorul elementelor de aliere. Fiecare certificat de moară, fiecare desen de forjare și fiecare desemnare a calității, cum ar fi 1045 sau 4140, urmărește acest raport.
Ce face de fapt carbonul în interiorul oțelului
Fierul în sine este un metal moale, relativ slab. Când atomii de carbon sunt introduși în timpul topirii, aceștia se găsesc între atomii de fier din rețeaua cristalină și formează un compus numit cementită (carbură de fier, Fe3C) alături de o soluție solidă numită ferită. Echilibrul dintre aceste două microstructuri și, mai târziu, între perlită, martensită și bainită după tratamentul termic, este ceea ce conferă oțelului personalitatea sa mecanică.
O modalitate utilă de a o imagine: ferita este partea moale, magnetică, ușor îndoită a structurii, în timp ce cementita este tare și fragilă. Pe măsură ce conținutul de carbon crește, se formează mai multă cementită, iar duritatea oțelului crește într-o curbă destul de previzibilă. Metalurgiștii au urmărit această relație încă de la începutul secolului al XX-lea și rămâne baza diagramei de fază fier-carbon folosită în fiecare clasă de metalurgie astăzi.
De ce conținutul de carbon este măsurat în fracțiuni de procent
Deoarece efectul carbonului este atât de puternic, diferențele la fel de mici ca 0,10% modificarea clasificării unui oțel și a aplicației sale potrivite. Un oțel 1020 (0,20% carbon) nu se comportă nimic ca un oțel 1095 (0,95% carbon), chiar dacă ambele sunt oțeluri carbon simple din punct de vedere tehnic. Acesta este motivul pentru care producătorii de oțel raportează conținutul de carbon la o sutime de procent în rapoartele de testare a fabricii, mai degrabă decât rotunjirea la cel mai apropiat număr întreg.
Clasificări de oțel carbon în procente
Oțelurile carbon simple sunt grupate în patru familii largi, pe baza conținutului de carbon. Fiecare familie are un set distinct de utilizări tipice, iar forjatorii selectează dintre ele pe baza echilibrului de rezistență, tenacitate și prelucrabilitate pe care o cere piesa finită.
Intervalele generale de clasificare a oțelului carbon, așa cum sunt definite de numerotarea clasei SAE/AISI. | Clasificare | Conținut de carbon | Clase tipice | Utilizare comună |
| Cu conținut scăzut de carbon (oțel moale) | 0,05% - 0,30% | 1006, 1018, 1020 | Forme structurale, tablă, sârmă |
| Carbon mediu | 0,31% - 0,60% | 1035, 1045, 1050 | Arbori, angrenaje, arbori cotiți forjați |
| Înalt carbon | 0,61% - 1,00% | 1065, 1080, 1095 | Arcuri, scule de tăiere, lame |
| Carbon ultra-înalt | 1,01% - 2,00% | Oțeluri de scule de specialitate | Purtați plăci, matrițe, pumni |
Mai sus aproximativ 2,0% carbon , materialul nu mai este clasificat deloc ca oțel; devine fontă, care este mult mai fragilă și este modelată mai degrabă prin turnare decât prin forjare sau rulare.
Modul în care conținutul de carbon modifică proprietățile mecanice
Relația dintre carbon și performanța mecanică este una dintre cele mai consistente tendințe în ingineria materialelor. Pe măsură ce procentul de carbon crește, patru proprietăți se mișcă într-o direcție previzibilă:
- Duritatea crește — mai multă cementită din microstructură rezistă la indentare și abraziune.
- Rezistența la tracțiune crește — până la un punct, carbonul suplimentar permite oțelului să suporte mai multă sarcină înainte de defectare.
- Ductilitatea scade — oțelul se îndoaie și se întinde mai puțin înainte de crăpare, astfel încât formarea la rece devine mai grea.
- Sudabilitatea scade — oțelurile cu carbon mai mare sunt mai predispuse la fisurare în zona afectată de căldură, dacă nu sunt preîncălzite și controlate cu atenție.
Acesta este motivul pentru care un arbore de osie auto forjat, care are nevoie atât de rezistență, cât și de capacitatea de a absorbi șocurile fără a se sparge, folosește de obicei un grad mediu de carbon, cum ar fi 1045, în loc să atingă un oțel cu conținut ridicat de carbon, care ar fi mai rezistent la un test de laborator, dar prea fragil pentru un impact pe drum.
Forjarea oțelului modelează metalul prin deformare plastică prin compresie, folosind ciocane, prese sau role pentru a forța oțelul încălzit într-o matriță sau forma dorită. Conținutul de carbon guvernează aproape fiecare decizie pe care o ia un atelier de forjări înainte de prima lovitură de ciocan.
Temperatură de forjare ferestre
Oțelurile cu carbon scăzut și mediu sunt de obicei forjate între 1150°C și 1250°C (aproximativ 2100°F până la 2280°F), unde materialul se află în faza sa austenitică și curge ușor sub presiune. Oțelurile cu conținut ridicat de carbon sunt de obicei forjate la capătul inferior al acestui interval, deoarece căldura excesivă combinată cu conținutul ridicat de carbon încurajează creșterea cerealelor și decarburarea suprafeței, ambele slăbesc piesa finită.
De ce falsificatorii preferă gradele medii de carbon
Oțelurile cu carbon mediu, cum ar fi 1040, 1045 și 4140, domină industria de forjare, deoarece ating un echilibru funcțional: suficient carbon pentru a răspunde bine la tratamentele termice post-forjare, cum ar fi călirea și revenirea, dar nu atât de mult încât țaglele să crape sub matriță. Componentele precum arborii cotiți, bielele, angrenajele, flanșele și uneltele de mână sunt aproape întotdeauna forjate din această bandă de mijloc, mai degrabă decât din extreme.
Fluxul cerealelor și câștiguri de rezistență
Forjarea face mai mult decât modelarea oțelului; aliniază structura granulară internă de-a lungul contururilor piesei. O componentă forjată urmează liniile de curgere continuă a cerealelor, în timp ce o piesă prelucrată sau turnată taie peste bob sau nu are deloc. Testele din industrie au arătat în mod repetat că piesele din oțel forjat pot avea o rezistență semnificativ mai mare la oboseală decât piesele turnate sau prelucrate cu compoziție chimică identică, motiv pentru care oțelul carbon forjat rămâne standardul pentru componentele esențiale pentru siguranță, cum ar fi articulațiile de direcție și arborii cotit.
Oțel carbon în comparație cu oțel aliat și oțel inoxidabil
Numai conținutul de carbon nu spune întreaga poveste odată ce alte elemente intră în amestec. Înțelegerea locului în care se află oțelul carbon simplu în raport cu verii săi aliați ajută la explicarea de ce un desen de forjare ar putea necesita o familie față de alta.
Comparația oțelului carbon simplu cu familiile de aliaje și oțel inoxidabil. | Familia oțelului | Adăugiri cheie | Avantajul principal | Schimbul |
| Oțel carbon simplu | Numai carbon, urme de mangan | Cost redus, ușor de falsificat | Fără rezistență la coroziune |
| Oțel aliat (de ex. 4140) | Crom, molibden, nichel | Întărire mai profundă, rezistență mai mare | Cost material mai mare |
| Oțel inoxidabil (de exemplu, 304, 17-4PH) | Crom 10,5%, uneori nichel | Rezistenta la coroziune | Mai greu de falsificat, mai costisitor |
În practică, un inginer achizitor alege oțel carbon simplu atunci când piesa va fi acoperită, vopsită sau păstrată în interior și ajunge la tipuri de aliaje sau inoxidabile atunci când aplicația necesită rezistență la coroziune sau întăribilitate mai mare prin secțiuni transversale mai groase.
Alegerea unui grad de oțel carbon pentru o piesă forjată
Selectarea procentului potrivit de carbon este un act de echilibru între trei întrebări: cât de puternică trebuie să fie piesa, cât de mult șoc sau oboseală va absorbi și cum va fi prelucrată sau îmbinată ulterior.
- Identificați tipul de încărcare. Sarcinile statice tolerează un conținut mai mare de carbon; încărcările repetate de impact favorizează carbonul mediu cu duritate bună.
- Verificați operațiunile de postforjare. Dacă piesa va fi sudată în aval, mențineți conținutul de carbon sub aproximativ 0,30%, cu excepția cazului în care preîncălzirea și răcirea controlată fac parte din planul procesului.
- Confirmați calea tratamentului termic. Oțelurile cu carbon mediu și ridicat răspund bine la ciclurile de călire și revenire; oțelurile cu conținut scăzut de carbon se bazează în schimb pe cementare sau cementare.
- Cântăriți prelucrabilitatea față de duritate. Conținut mai mare de carbon înseamnă, în general, viteze de tăiere mai mici și uzură mai rapidă a sculei în timpul prelucrării secundare.
Un atelier de forjă care furnizează producătorilor de automobile sau de echipamente agricole va standardiza frecvent câteva grade, cel mai frecvent 1045 pentru arborele generală și 4140 unde este necesar un raport mai mare rezistență-greutate, tocmai pentru că aceste grade se află în punctul favorabil dintre forjabilitate și performanța piesei finite.
Tratament termic după forjare
Forjarea singură oferă rareori proprietățile mecanice finale ale unei piese. Conținutul de carbon determină ce tratamente termice sunt chiar posibile ulterior.
Normalizarea
Aproape toate piesele forjate din oțel carbon sunt normalizate după forjare, încălzite peste temperatura critică și răcite cu aer, pentru a rafina structura granulelor și a atenua solicitările inegale lăsate în urmă de procesul de forjare.
Călire și călire
Oțelurile cu carbon mediu și ridicat pot fi stinse în ulei sau apă pentru a forma martensită, apoi revenite pentru a schimba o anumită duritate cu duritate. Procentul de carbon stabilește un plafon pentru duritatea realizabilă; un oțel sub aproximativ 0,30% carbon pur și simplu nu poate atinge aceeași duritate ca la stingere ca un grad 1060 sau 1080, indiferent de severitatea călirii.
Întărirea carcasei pentru piese cu conținut scăzut de carbon
Oțelurile cu conținut scăzut de carbon care au nevoie de o suprafață dură de uzură, dar un miez dur, cum ar fi angrenajele, sunt în schimb carburate: carbonul este difuzat în suprafața exterioară la temperatură ridicată, apoi doar acel strat de suprafață este stins puternic, în timp ce miezul cu conținut scăzut de carbon rămâne ductil.
Întrebări frecvente
Ce procent de carbon face oțelul suficient de dur pentru unelte?
Aplicațiile pentru instrumente încep în general în jurul valorii de 0,60% carbon și crește până la aproximativ 1,0%, deoarece acest interval se întărește bine prin călire și păstrează o margine ascuțită.
Carbon mai mare înseamnă întotdeauna oțel mai puternic?
Doar până la un punct. Rezistenta la tracțiune și curgerea crește odată cu conținutul de carbon, dar după aproximativ 0,80-0,90% câștigurile se aplatizează în timp ce fragilitatea continuă să crească, astfel încât mai mult carbon nu este automat mai bun pentru fiecare aplicație.
De ce este oțelul cu carbon mediu cel mai comun material de forjare?
Oferă cea mai largă fereastră practică: suficient carbon pentru a se întări prin tratament termic, dar suficient de ductil pentru a rezista forțelor de compresie ale forjarii fără a crăpa țagla.
Oțelul cu conținut scăzut de carbon poate fi forjat?
Da. Oțelul cu conținut scăzut de carbon se forjează cu ușurință datorită ductilității sale ridicate și este de obicei ales pentru piesele care vor fi sudate sau care au nevoie de un miez dur, rezistent la șocuri, mai degrabă decât duritatea suprafeței.
Cum se măsoară conținutul de carbon într-o piesă de oțel finită?
Producătorii folosesc analiza de ardere sau spectroscopia de emisie optică pentru a măsura procentul de carbon direct dintr-o probă, iar rezultatul este raportat pe certificatul de testare al morii care însoțește materialul.
Ce se întâmplă dacă conținutul de carbon este prea mare pentru o aplicație de forjare?
Excesul de carbon reduce ductilitatea până la punctul în care țagla se poate crăpa în timpul comprimării, în special la colțurile matriței și la secțiunile subțiri, motiv pentru care atelierele de forjă specifică intervale de conținut de carbon, mai degrabă decât să accepte toleranțe largi ale morii.
