vědomosti

Uhlík

Atomové číslo: 6

Hustota (20 °C): 2.3 g/cm³

Atomová hmotnost: 12.01

Bod tání: > 3550 °C (6422 °F)

Bod varu: 4827 °C (8721 °F)

Přehled

Uhlík je nejdůležitější legující prvek v oceli a litině, hlavně určuje široké spektrum mechanických vlastností, kterých lze u výkovků a odlitků dosáhnout. Pokud obsah uhlíku ve slitinách na bázi železa překročí 2.0 % (s výjimkou slitin železa), jsou klasifikovány jako litina. Podle metalurgické klasifikace se běžná uhlíková ocel dělí na hypoeutektoidní ocel a hypereutektoidní ocel podle toho, zda je obsah uhlíku nižší nebo vyšší než 0.80 %. Přidání dalších legujících prvků (jako je mangan, křemík, nikl atd.) může změnit obsah uhlíku v eutektoidním bodě a může tento bod dokonce eliminovat. Omezení uhlíku vedla k vývoji nízkouhlíkové mikrolegované oceli. Tato kapitola však pojednává pouze o oceli a litině s uhlíkem jako hlavním legujícím prvkem, přičemž ignoruje přítomnost dalších prvků, které zůstávají po dezoxidaci nebo jsou nezbytné pro kontrolu síry.

Uhlík je téměř přítomen ve všech ocelích od samého počátku procesu výroby oceli. Suroviny pro výrobu oceli (tavené železo, surové železo, ocelový šrot, slitiny železa atd.) obvykle obsahují vyšší obsah uhlíku, než jaký je požadován v konečném produktu. Během procesu výroby oceli se uhlík odstraňuje oxidačními reakcemi a ocel může být odpichována, když je dosaženo cílového obsahu uhlíku (o něco nižší než cílová hodnota, pokud mají být do pánve přidány slitiny železa s vysokým obsahem uhlíku). V procesu BOF je běžné „nafouknout“ obsah uhlíku pod 0.10 % a poté jej zvýšit v pánvi. V procesu výroby elektrické obloukové pece se uhlík přidává rozprašováním za vzniku pěnivé strusky, zatímco v rafinační stanici v pánvi je obsah uhlíku přesně řízen pomocí drátů s uhlíkovým jádrem.

Při použití slitin železa s vysokým obsahem uhlíku se tyto slitiny samy stávají „přídavným médiem“ pro uhlík. Je-li obsah uhlíku příliš nízký a nelze jej doplnit slitinami železa, lze uhlík přidat pomocí následujících materiálů: grafit, koks, kalcinovaný ropný koks, antracit a ve vzácných případech i šrot s vysokým obsahem uhlíku, jako je litina nebo studené surové železo. Zvláštní pozornost by měla být věnována: přidání litiny jako uhlík může vést k nadměrnému obsahu fosforu a pro přidávání uhlíku by měl být zvolen nízkosirný a nízkotěkavý koks.

Při výrobě litiny v elektrických obloukových pecích je často vyžadován krok přidání uhlíku, protože surovinou je většinou šrot z nízkouhlíkové oceli. Ačkoli lze jako zdroje uhlíku použít ocelový odpad s vysokým obsahem uhlíku, slitiny železa s vysokým obsahem uhlíku nebo dokonce surové železo, podle požadavků na proces nebo z hlediska nákladů se obvykle používají speciální uhlíkové přísady - grafit nebo koks. Přírodní grafit (vyráběný hlavně v Mexiku) je široce používán v Severní Americe s obsahem uhlíku 70-85 % a vysokým obsahem nečistot, což omezuje jeho použití; syntetický grafit (většinou z odpadu elektrod elektrické obloukové pece) má vyšší čistotu a jeho krystalová struktura může ovlivnit mikrostrukturu litiny. Metalurgický koks má nízkou cenu, ale má vysoký obsah popela až 9 %, což omezuje jeho použití; kalcinovaný ropný koks má čistotu až 99 %, ale jeho obsah síry může překročit 1 %.

Praktické operace přidávání uhlíku

Když se uhlík přidává ve formě feroslitin s vysokým obsahem uhlíku, lze to provádět v peci, před odpichem nebo v pánvi. Běžnou praxí je mírně nadměrně dekarbonizovat v peci a poté doplnit feroslitinami, aby se dosáhlo cílového rozmezí obsahu uhlíku. Rovnováha uhlík-kyslík-teplota při odběru je klíčovým kontrolním faktorem, ale konkrétní provoz obvykle závisí na zkušenostech na místě. Vzhledem k vysokým nákladům na zpracování v peci je běžnou praxí "otevření" odpichu (tj. umožnění kontaktu roztavené oceli se vzduchem) a poté dokončení nezbytné dezoxidace a úpravy složení v pánvi. Je třeba věnovat zvláštní pozornost: použití litiny k úpravě obsahu uhlíku může vést k nadměrnému obsahu síry a fosforu. Pokud nejsou hodnoty pozadí těchto prvků v roztavené oceli extrémně nízké nebo konečné složení neumožňuje jejich zvýšení, měla by mít surová železná voda co nejnižší obsah fosforu a síry.

Hustota uhlíkových přísad (grafit, koks, antracit) je relativně nízká a mají tendenci plavat na povrchu vrstvy strusky, což způsobuje neúčinné ztráty hořením. Proto by měly být přidány na začátku čepování nebo předem umístěny na dno prázdné naběračky. Během odpichu by měla být udržována dostatečná turbulence, aby se urychlilo rozpouštění uhlíku. Při výrobě odlitků se do pánve přidávají také uhlíkové přísady podle výše uvedených provozních norem.

 

Válcování/kování

 

Obsah uhlíku v oceli ovlivňuje deformační zpracování různými způsoby. Obecně řečeno, jak se zvyšuje obsah uhlíku, zvyšuje se také obtížnost zpracování. Vliv uhlíku se nejprve projevuje v máčecí peci nebo přihřívací peci. Ocel s vysokým obsahem uhlíku je citlivější na teplotní šok a musí se zahřívat pomalu, aby nedošlo k prasknutí. Stupňový ohřev (tj. umožnění, aby ocelový předvalek zůstal na více teplotních platformách před dosažením teploty válcování nebo kování, aby se dosáhlo stejnoměrnosti teploty), může být nezbytné, zejména u ocelí s velkým průřezem. Ocel s obsahem uhlíku vyšším než 0.30 % je také náchylnější k „přepalování“ (hluboké povrchové oxidaci), což může vést k prasklinám nebo nestandardním povrchovým stavům konečného výrobku a přepálené sochory jsou téměř vždy sešrotovány. Proto by měla být ocel s vysokým obsahem uhlíku zahřívána pomalu a rovnoměrně, aby se zabránilo místnímu přehřátí způsobenému přímým dopadem plamene.

Válcovací síla jak při válcování za tepla, tak při válcování za studena se zvyšuje s rostoucím obsahem uhlíku. Při válcování za tepla je tento efekt významnější, když se blíží konečná teplota válcování. Například dalších 0.15 % uhlíku v běžné uhlíkové oceli může zvýšit spotřebu energie až o 20 % při 870 °C (1600 °F). Energie potřebná pro tváření za studena je velmi závislá na obsahu uhlíku, který souvisí s podílem perlitu v jeho mikrostruktuře. Za stejných podmínek se s rostoucím obsahem uhlíku zvyšuje potřeba mezižíhání.

Stojí za zmínku, že uhlík má silnou tendenci k segregaci v tlustých částech (jako jsou ocelové bloky) a bude se hromadit v posledním ztuhlém kovu (spolu s manganem, fosforem a sírou). To může vést k nerovnoměrné distribuci uhlíku v konečném produktu, jako je „páskování“ často pozorované u plechů válcovaných za tepla (způsobené segregací fosforu: oblasti s vysokým obsahem fosforu odpuzují uhlík). To však nemusí být nutně škodlivé. U ocelí obsahujících mikrolegující prvky určuje poměr atomového procenta mikrolegujících prvků (MAE) k obsahu uhlíku množství MAE precipitátů vznikajících při nízkých teplotách. V tomto okamžiku za studena válcované a žíhané tenké plechy vyžadují obsah uhlíku pod 0.01 %.

 

Tepelné zpracování

Uhlík zvyšuje pevnost oceli válcované za tepla, ale snižuje její vrubovou houževnatost, tažnost a svařitelnost. Podrobnosti o použití uhlíku v kontinuálním lití a oceli válcované za tepla najdete v příslušném obsahu vanadu, niobu a titanu.

Maximální rozpustnost uhlíku ve feritu je přibližně 0.025 % (při 723 °C/1333 °F). Rozpustnost feritu v uhlíku při pokojové teplotě je menší než 0.008 %. Rovnovážný diagram železo-uhlík (obrázek 1) ukazuje tři reakce a ukazuje, že cementit (Fe3C) vzniká při obsahu uhlíku 6.67 %. Při 1492 °C (2718 °F) podléhá 0.10-ferit s obsahem uhlíku vyšším než 2.0 % peritektické reakci s tekutým kovem za vzniku austenitu. Železo s obsahem uhlíku vyšším než 1130 % podléhá eutektické reakci při 2066°C (723°F) za vzniku ledeburitu - struktury cementitových tyčí rozmístěných v austenitu. Při 1333 °C (XNUMX °F) se austenit rozkládá peritektoidní reakcí za vzniku lamelárního kompozitního perlitu.

Uhlík snižuje alotropní transformační teplotu γ→α z 910 °C (1670 °F) pro čisté železo na eutektoidní teplotu (0.80 % uhlíku). Pod eutektoidní teplotou (723°C/1333°F) má uhlík významný vliv na kinetiku (rychlost) tvorby perlitu a reaguje se železem za vzniku nerovnovážných fází bainitu a martenzitu. Pearlit se tvoří ve vysokoteplotním rozsahu od přibližně 550 °C (1020 °F) do eutektoidní teploty a jeho struktura se postupně zjemňuje, jak se transformační teplota snižuje. Mezi přibližně 220 °C (425 °F) a spodní hranicí rozsahu tvorby perlitu se austenit přeměňuje na bainit. Bainite má především dva typy:

Horní bainit: Tvoří se při vyšších teplotách, s jehlicovitou strukturou a částice cementitu jsou orientovány podél hranic feritových oblastí.

Spodní bainit: Také jehličkovitý, ale jemnější, s karbidovými částicemi rozmístěnými laterálně ve feritových oblastech. Tato orientace mu dává vyšší houževnatost. Teplotní hranice mezi horním a spodním bainitem závisí především na složení (zejména obsahu uhlíku). Rychlosti růstu obou typů bainitu jsou dány především difúzí uhlíku v železe.

Transformace austenitu na martenzit bezdifúzním smykovým mechanismem pod asi 220 °C (425 °F) je nejdůležitější fázovou transformací v komerčním tepelném zpracování. Jak se složení blíží eutektoidní, startovací teplota martenzitu (Ms) klesá. Pokud součást vyžaduje tvrdý povrch odolný proti opotřebení a tužší jádro, lze použít nauhličování: uhlík je rozptýlen do povrchu nízkouhlíkové oceli (obvykle ne více než několik tisícin palce do hloubky). Teplota nauhličování je asi 925 °C (1700 °F) a složení oceli musí být takové, aby se při této teplotě udržela jemná zrna. Po nauhličení je nutné konvenční tepelné zpracování. Aplikace

Uhlíková ocel v současnosti představuje největší tonáž ze všech prodejů oceli a její široká škála aplikací je zjevně příliš rozsáhlá na to, abychom ji mohli vyjmenovat jednu po druhé. Uhlíková ocel se používá jako odlitky a výkovky, trubky a trubky, plechy a desky, dráty, tyče, kolejnice a konstrukční profily. Uhlíková ocel je samozřejmě nejlevnější slitinou na bázi železa a konstruktéři jí budou dávat přednost, pokud zvláštní požadavky na výkon nevyžadují použití dražších jakostí legované oceli.

Uhlíkovou ocel lze klasifikovat různými způsoby a klasifikace podle složení je nejintuitivnější metodou, obvykle se řídí normami vydanými institucemi, jako je Společnost automobilových inženýrů (SAE) a Americký institut železa a oceli (AISI). American Society for Testing and Materials (ASTM) a American Society of Mechanical Engineers (ASME) stanovují především výkonnostní ukazatele oceli, přičemž složení má pouze doplňkovou informaci. Mnoho norem identifikuje stejnou třídu oceli prostřednictvím svých příslušných specifikací a uživatelé mohou přidat specifické požadavky na základě obecných norem podle svých potřeb. Někteří velcí uživatelé (jako jsou výrobci automobilů a stavebních strojů) mají tendenci formulovat své vlastní normy, které jsou přísnější než národní normy.

Třídy oceli s různým obsahem uhlíku mají různá použití: tenký ocelový plech má obvykle nejnižší obsah uhlíku (méně než 0.10 %), ultranízko uhlíková ocel (s obsahem uhlíku pod 0.02 %) zahrnuje tenké plechy s vysokou tvařitelností; nízkouhlíková ocel (s obsahem uhlíku v rozmezí od 0.05 % do 0.20 %) zahrnuje pásovou ocel válcovanou za tepla, tlusté plechy a trubky; středně uhlíková ocel (s obsahem uhlíku v rozmezí od 0.25 % do 0.55 %) se používá především pro kování; ocel s vysokým obsahem uhlíku (s obsahem uhlíku nad 0.6 %) zahrnuje ocel pro kolejnice atd. Ve specifických průmyslových aplikacích, například při výběru materiálů pro třecí páry čerpadel na extrakci oleje, je uhlíková ocel (jako ocel č. 45) často vylepšena v odolnosti proti opotřebení chromováním nebo laserovým ošetřením, zatímco technologie kontroly oxidů na kvalitní nízkouhlíkové oceli válcované za tepla (jako je SPLHC) přímo ovlivňuje.510, XNUMX

Vigor má více než 18 let zkušeností v oblasti odlévání a kování. Máte-li jakékoli dotazy a požadavky na vývoj produktů nebo zlepšení vašeho dodavatelského řetězce, neváhejte nás kontaktovat na info@castings-forging.com