Көміртекті шойын: қасиеттері мен қолданылуы

Кіріспе

Көміртегі негізгі интерстициалдық қорытпа құрауышы болып табылатын болат.

Көміртекті болат – салмағы бойынша 0,05-тен 2,1 процентке дейін көміртегі мөлшері бар болат. Америка темір және болат институтының (AISI) көміртекті болатқа берген анықтамасында мыналар көрсетілген:

хром, кобальт, молибден, никель, ниобий, титан, вольфрам, ванадий, цирконий немесе қажетті қорытпа әсерін алу үшін қосылатын кез келген басқа элемент үшін ең төменгі мөлшер белгіленбеген немесе талап етілмейді; мыс үшін белгіленген ең төменгі мөлшер 0,40% аспайды; немесе келесі элементтердің кез келгені үшін белгіленген ең жоғары мөлшер көрсетілген пайыздық көрсеткіштен аспайды: марганец 1,65%; кремний 0,60%; мыс 0,60%.

Қасиеттері

Көміртекті болат көбінесе екі негізгі санатқа бөлінеді: төмен көміртекті болат және жоғары көміртекті болат. Оның құрамында марганец, фосфор, күкірт және кремний сияқты басқа элементтер де болуы мүмкін, олар оның қасиеттеріне әсер етеді. Көміртекті болатты өңдеу және дәнекерлеу оңай, бұл оны түрлі қолданулар үшін әмбебап етеді. Оның беріктігін, қаттылығын және төзімділігін арттыру үшін оны жылумен өңдеуге болады. Көміртекті болат тотығу мен коррозияға осал, әсіресе жоғары ылғалдылық деңгейі және/немесе тұзды ортада. Оны бояумен, лакпен немесе басқа қорғаушы материалмен жабу арқылы коррозиядан қорғауға болады. Балама ретінде, оны хром қосылған, коррозияға өте жақсы төзімділікті қамтамасыз ететін тот баспайтын болат қорытпасынан жасауға болады. Көміртекті болаттың қасиеттерін жақсарту үшін оны басқа элементтермен қорытып жасауға болады, мысалы, коррозияға және тотығуға төзімділігін арттыру үшін хром және/немесе никель қосуға немесе жоғары температурада беріктігі мен иілгіштігін арттыру үшін молибден қосуға болады. Ол экологиялық таза материал, себебі оны қайта өңдеу оңай және түрлі қолдануларда қайта пайдалануға болады. Оны өндіру энергияны тиімді пайдалануға мүмкіндік береді, өйткені алюминий және мыс сияқты басқа металдарға қарағанда оны өндіру үшін аз энергия қажет.

Қара немесе аз көміртекті болат

Жұмсақ болат (көміртектің аз пайызын қамтитын, мықты және берік, бірақ қатайтуға оңай келмейтін темір), қарапайым көміртекті болат және төмен көміртекті болат деп те аталады. Қазіргі кезде бұл болаттың ең көп таралған түрі, себебі оның бағасы салыстырмалы түрде төмен, сонымен қатар көптеген қолданулар үшін қабылданатын материалдық қасиеттерге ие. Жұмсақ болаттың құрамында шамамен 0,05–0,30% көміртек болады, бұл оны соғылуға және серпімділікке икемді етеді. Жұмсақ болаттың тартылу беріктігі салыстырмалы түрде төмен, бірақ ол арзан және оңай пішімделеді. Беттік қатаңдықты карбуризация арқылы арттыруға болады. Жұмсақ болаттың тығыздығы шамамен және Юнг модулі . Төмен көміртекті болаттар беріктік шегінің жоғалып кетуін көрсетеді, яғни материалдың екі беріктік шегі болады. Бірінші беріктік шегі (немесе жоғарғы беріктік шегі) екіншісінен жоғары, ал жоғарғы беріктік шегінен кейін беріктік күрт төмендейді. Егер төмен көміртекті болатты жоғарғы және төменгі беріктік шегі арасындағы бір нүктеге дейін ғана жүктелсе, онда бетінде Людер жолақтары пайда болады. Төмен көміртекті болаттардың құрамында басқа болаттарға қарағанда көміртек аз болады және оларды суықтап пішімдеу оңай, сондықтан оларды өңдеу де жеңіл.

Көміртектілігі жоғары болаттар

Жылумен өңдеуден сәтті өтуге болатын көміртекті болаттардың көміртектік құрамы салмағы бойынша 0,30–1,70% аралығында болады. Басқа түрлі элементтердің шамалы қоспалары дайын болаттың сапасына елеулі әсер етуі мүмкін. Әсіресе күкірттің аздаған мөлшері болатты қызылдыққа (яғни, жоғары температурада сынғыш және ұсақталатын) айналдырады. А36 сияқты төмен қорытпалы көміртекті болаттың құрамында шамамен 0,05% күкірт болады, ал төмен көміртекті болаттардың қатаюын жақсарту үшін көбінесе марганец қосылады. Бұл қосымшалар материалды кейбір анықтамалар бойынша төмен қорытпалы болатқа айналдырады, бірақ AISI-нің көміртекті болат туралы анықтамасы салмағы бойынша 1,65% дейін марганец болуына рұқсат береді. Жоғары көміртекті болаттардың екі түрі бар: жоғары көміртекті болат және өте жоғары көміртекті болат. Жоғары көміртекті болатты шектеулі қолдану себебі – оның өте нашар соғылу қабілеті мен дәнекерлеуге келмейтіндігі, сондай-ақ өндіріс құнының жоғары болуы. Жоғары көміртекті болаттарды қолдануға ең қолайлы салалар – серіппе жасау өнеркәсібі, ауыл шаруашылығы және жоғары беріктікті сымдарды өндіру.

Жоғары көміртекті болат

Жоғары көміртекті болаттың құрамында шамамен 0,6-ден 1,0%-ға дейін көміртегі болады.

Жоғары көміртекті болат

Өте жоғары көміртекті болат шамамен 1,25–2,0% көміртек құрамына ие. Толық оттану Көміртекті болат шамамен 1 сағатқа дейін қыздырылады; бұл барлық ферриттің аустенитке айналуын қамтамасыз етеді (көміртек мөлшері эутектоидтан жоғары болса, цементит әлі де қалуы мүмкін). Содан кейін болатты сағатына 20 °C (36 °F) шамасында баяу салқындату керек. Әдетте, пешпен салқындату қолданылады, яғни пеш болат ішінде тұрғанда өшіріледі. Бұл ірі перлиттік құрылымға әкеледі, яғни перлиттің "жолақтары" жуан болады. Толық оттаудан өткен болат жұмсақ және икемді, ішкі кернеулерден бос болады, бұл тиімді пішіндендіру үшін жиі қажет. Тек сфералық болат ғана одан да жұмсақ және икемді болады. Процестік оттану 0,3% C-ден кем көміртегі бар және суық өңделген көміртекті болаттағы кернеуді азайтуға арналған процесс. Болат әдетте 1 сағатқа дейін қыздырылады, бірақ кейде одан да жоғары температураларда қыздырылады. Суретте процестік оттау аймағы көрсетілген. Изотермиялық оттану Гипоэутектоидты болатты жоғарғы сын температурасынан жоғары қыздыру процесі. Бұл температура белгілі бір уақытқа сақталады, содан кейін төменгі сын температурасынан төмендетіліп, қайтадан сақталады. Содан кейін болат бөлме температурасына дейін салқындатылады. Бұл әдіс температура градиентін жояды. Нормалдау Көміртекті болат шамамен 1 сағатқа дейін қыздырылады; бұл болаттың толық аустенитке айналуын қамтамасыз етеді. Содан кейін болат ауада салқындатылады, бұл шамамен минутына 38 °C (100 °F) салқындату жылдамдығын құрайды. Нәтижесінде ұсақ перлиттік құрылым және біркелкі құрылым пайда болады. Нормалдаудан өткен болат оттаудан өткен болатқа қарағанда жоғары беріктікке ие; оның беріктігі мен қаттылығы салыстырмалы түрде жоғары. Сөндіру Кем дегенде 0,4 массалық % C көміртегі бар көміртекті болат нормалдау температурасына дейін қыздырылып, содан кейін сумен, тұзды сумен немесе маймен жылдам салқындатылады (сөндіріледі) сын температурасына дейін. Сын температура көміртек мазмұнына байланысты, бірақ көміртек мазмұнының артуымен әдетте төмендейді. Бұл мартенситтік құрылымға әкеледі; деформацияланған денеге орталықтандырылған кубтық (BCC) кристалдық құрылымда, дұрыс денеге орталықтандырылған тетрагональ (BCT) деп аталатын, аса қаныққан көміртек мазмұнына ие болаттың түрі, ішкі кернеулер жоғары. Сөндірілген болат өте қатты, бірақ хруптты, әдетте практикалық мақсаттар үшін тым хруптты. Бұл ішкі кернеулер бетінде жарықтардың пайда болуына себеп болуы мүмкін. Сөндірілген болат нормалдаудан өткен болатқа қарағанда үш есе қатты (көміртегі көбірек болса, төрт есе). Мартемперлеу (маркенштеу) Мартемперлеу іс жүзінде сөндіру процедурасы емес, сондықтан маркенштеу термині қолданылады. Бұл бастапқы сөндіруден кейін, әдетте балқыған тұз ваннасында, "мартензит басталу температурасынан" жоғары температурада қолданылатын изотермиялық жылумен өңдеу түрі. Бұл температурада материалдағы қалдық кернеулер азаяды және аустениттен басқа нәрсеге айналуға уақыт болмаған бәйнит пайда болуы мүмкін. Өндірісте бұл материалдың иілгіштігі мен қаттылығын бақылау үшін қолданылады. Ұзақ маркенштеу кезінде иілгіштік артады, ал беріктік минималды түрде төмендейді; болат бөлшектің ішкі және сыртқы температурасы теңелгенге дейін осы ерітіндіде ұсталады. Содан кейін температура градиентін барынша азайту үшін болат орташа жылдамдықпен салқындатылады. Бұл процесс ішкі кернеулер мен жарықтарды азайтуға ғана емес, соққыға төзімділікті де арттырады. Темперлеу Бұл ең көп кездесетін жылумен өңдеу, өйткені соңғы қасиеттерді температура мен уақыт арқылы дәл анықтауға болады. Темперлеу сөндірілген болатты эутектоид температурасынан төмен температураға дейін қайта қыздыруды және содан кейін салқындатуды қамтиды. Жоғары температурада өте аз мөлшерде сфераит пайда болады, бұл иілгіштікті қалпына келтіреді, бірақ қаттылығын төмендетеді. Әрбір құрамы үшін нақты температура мен уақыт мұқият таңдалады. Аустемперлеу Аустемперлеу процесі мартемперлеумен бірдей, бірақ сөндіру тоқтатылады және болат балқыған тұз ваннасында температурада ұсталады. Пайда болған болат банит деп аталады. Бұл болаттың микроқұрылымы өте мықты (бірақ мартенситтен кем), иілгіштігі жоғары, соққыға төзімділігі жоғары және мартенситті болатқа қарағанда бұрмалануы аз. Аустемперлеудің кемшілігі - оны тек бірнеше болат парақтарында қолдануға болады және арнайы тұз ваннасын қажет етеді.

Ultra high carbon steel has approximately 1.25–2.0% carbon content. Full annealing Carbon steel is heated to approximately for 1 hour; this ensures all the ferrite transforms into austenite (although cementite might still exist if the carbon content is greater than the eutectoid). The steel must then be cooled slowly, in the realm of 20 °C (36 °F) per hour. Usually it is just furnace cooled, where the furnace is turned off with the steel still inside. This results in a coarse pearlitic structure, which means the "bands" of pearlite are thick. Fully annealed steel is soft and ductile, with no internal stresses, which is often necessary for cost effective forming. Only spheroidized steel is softer and more ductile. Process annealing A process used to relieve stress in a cold worked carbon steel with less than 0.3% C. The steel is usually heated to for 1 hour, but sometimes temperatures as high as The image above shows the process annealing area. Isothermal annealing It is a process in which hypoeutectoid steel is heated above the upper critical temperature. This temperature is maintained for a time and then reduced to below the lower critical temperature and is again maintained. It is then cooled to room temperature. This method eliminates any temperature gradient. Normalizing Carbon steel is heated to approximately for 1 hour; this ensures the steel completely transforms to austenite. The steel is then air cooled, which is a cooling rate of approximately 38 °C (100 °F) per minute. This results in a fine pearlitic structure, and a more uniform structure. Normalized steel has a higher strength than annealed steel; it has a relatively high strength and hardness. Quenching Carbon steel with at least 0.4 wt% C is heated to normalizing temperatures and then rapidly cooled (quenched) in water, brine, or oil to the critical temperature. The critical temperature is dependent on the carbon content, but as a general rule is lower as the carbon content increases. This results in a martensitic structure; a form of steel that possesses a super saturated carbon content in a deformed body centered cubic (BCC) crystalline structure, properly termed body centered tetragonal (BCT), with much internal stress. Thus quenched steel is extremely hard but brittle, usually too brittle for practical purposes. These internal stresses may cause stress cracks on the surface. Quenched steel is approximately three times harder (four with more carbon) than normalized steel. Martempering (marquenching) Martempering is not actually a tempering procedure, hence the term marquenching. It is a form of isothermal heat treatment applied after an initial quench, typically in a molten salt bath, at a temperature just above the "martensite start temperature". At this temperature, residual stresses within the material are relieved and some bainite may be formed from the retained austenite which did not have time to transform into anything else. In industry, this is a process used to control the ductility and hardness of a material. With longer marquenching, the ductility increases with a minimal loss in strength; the steel is held in this solution until the inner and outer temperatures of the part equalize. Then the steel is cooled at a moderate speed to keep the temperature gradient minimal. Not only does this process reduce internal stresses and stress cracks, but it also increases impact resistance. Tempering This is the most common heat treatment encountered because the final properties can be precisely determined by the temperature and time of the tempering. Tempering involves reheating quenched steel to a temperature below the eutectoid temperature and then cooling. The elevated temperature allows very small amounts spheroidite to form, which restores ductility but reduces hardness. Actual temperatures and times are carefully chosen for each composition. Austempering The austempering process is the same as martempering, except the quench is interrupted and the steel is held in the molten salt bath at temperatures between , and then cooled at a moderate rate. The resulting steel, called bainite, produces an acicular microstructure in the steel that has great strength (but less than martensite), greater ductility, higher impact resistance, and less distortion than martensite steel. The disadvantage of austempering is it can be used only on a few sheets of steel, and it requires a special salt bath.

Қаптаманың қатаюы

Қатайту процестері тек болат бөлшегінің сыртқы қабатын ғана қаттытады, қатты, тозуға төзімді қабық ("қаптама") құрайды, бірақ берік және серпімді ішкі бөлігін сақтайды. Көміртекті болаттарды толық қатайту қиын, яғни олардың қалың бөліктерін бірқалыпты қатайтуға болмайды. Қосымша болаттардың қатайғыштық қасиеті жақсырақ, сондықтан оларды толық қатайтуға болады және қаптаманы қатайту қажеттілігі туындамайды. Көміртекті болаттың осы қасиеті тиімді болуы мүмкін, себебі ол бетке жақсы тозуға төзімділік қасиеттерін береді, ал өзегін икемді және соққыны жұта алатын етеді.

Болатпен қалау температурасы

Болат түрі Максималды соғу температурасы Жану температурасы (°F) (°C) (°F) (°C) 1,5% көміртек 1,920 1,049 2,080 1,140 1,1% көміртек 1,980 1,082 2,140 1,171 0,9% көміртек 2,050 1,121 2,230 1,221 0,5% көміртек 2,280 1,249 2,460 1,349 0,2% көміртек 2,410 1,321 2,680 1,471 3,0% никельді болат 2,280 1,249 2,500 1,371 3,0% никель-хромды болат 2,280 1,249 2,500 1,371 5,0% никельді (беттік қатайту) болат 2,320 1,271 2,640 1,449 Хром-ванадийлі болат 2,280 1,249 2,460 1,349 Жоғары жылдамдықты болат 2,370 1,299 2,520 1,385 Тот баспайтын болат 2,340 1,282 2,520 1,385 Аустениттік хром-никельді болат 2,370 1,299 2,590 1,420 Кремний-марганец серіппелі болат 2,280 1,249 2,460 1,350