Viden

Carbon

Atomnummer: 6

Massefylde (20°C): 2.3 g/cm³

Atomvægt: 12.01

Smeltepunkt: > 3550°C (6422°F)

Kogepunkt: 4827°C (8721°F)

Oversigt

Kulstof er det vigtigste legeringselement i stål og støbejern, hvilket hovedsageligt bestemmer den brede vifte af mekaniske egenskaber, der kan opnås i smede- og støbegods. Når kulstofindholdet i jernbaserede legeringer overstiger 2.0 % (undtagen for jernlegeringer), klassificeres de som støbejern. I henhold til metallurgisk klassificering er almindeligt kulstofstål opdelt i hypo-eutektoid stålkvalitet og hypereutektoid stålkvalitet baseret på, om kulstofindholdet er under eller over 0.80%. Tilsætning af andre legeringselementer (såsom mangan, silicium, nikkel osv.) kan ændre kulstofindholdet ved eutektoidpunktet og kan endda eliminere dette punkt. Begrænsningerne af kulstof har ført til udviklingen af ​​mikrolegeret stål med lavt kulstofindhold. Dette kapitel diskuterer dog kun stål og støbejern med kulstof som det vigtigste legeringselement, idet man ignorerer tilstedeværelsen af ​​andre grundstoffer, der forbliver efter deoxidation eller er nødvendige for at kontrollere svovl.

Kulstof er næsten til stede i alt stål lige fra begyndelsen af ​​stålfremstillingsprocessen. Råvarerne til stålfremstilling (smeltet jern, råjern, stålskrot, jernlegeringer osv.) indeholder normalt et højere kulstofindhold end det, der kræves i slutproduktet. Under stålfremstillingsprocessen fjernes kulstof gennem oxidationsreaktioner, og stål kan tappes, når målkulstofindholdet er nået (lidt lavere end målværdien, hvis der skal tilsættes jernlegeringer med højt kulstofindhold i øsen). I BOF-processen er det almindeligt at "blæse" kulstofindholdet til under 0.10 % og derefter øge det i øsen. I produktionsprocessen for lysbueovne tilsættes kulstof ved sprøjtning for at danne en skummende slagge, mens kulstofindholdet i øskeraffineringsstationen styres præcist ved hjælp af kulkernetråde.

Når der anvendes jernlegeringer med højt kulstofindhold, bliver disse legeringer selv "tilsætningsmediet" for kulstof. Hvis kulstofindholdet er for lavt og ikke kan suppleres med jernlegeringer, kan kulstof tilsættes ved hjælp af følgende materialer: grafit, koks, brændt petroleumskoks, antracit og i sjældne tilfælde kulstofskrotstål såsom støbejern eller koldt råjern. Der skal lægges særlig vægt på: Tilsætning af støbejern til kulstof kan føre til for meget fosfor, og lavsvovl og lavtflygtig koks bør vælges til kulstoftilsætning.

Ved fremstilling af støbejern i lysbueovne kræves der ofte et kulstoftilsætningstrin, fordi råmaterialerne for det meste er lavkulstofskrot. Selvom stålskrot med højt kulstofindhold, jernlegeringer med højt kulstofindhold eller endda råjern kan bruges som kulstofkilder, anvendes der sædvanligvis specielle kultilsætningsstoffer - grafit eller koks - i henhold til proceskrav eller omkostningsbetragtninger. Naturlig grafit (hovedsageligt produceret i Mexico) er meget udbredt i Nordamerika med et kulstofindhold på 70-85% og et højt urenhedsindhold, hvilket begrænser dets anvendelse; syntetisk grafit (for det meste fra elektrisk lysbueovns elektrodeaffald) har højere renhed, og dens krystalstruktur kan påvirke mikrostrukturen af ​​støbejern. Metallurgisk koks er lav i omkostninger, men har et højt askeindhold på op til 9%, hvilket begrænser dets anvendelse; brændt petroleumskoks har en renhed på op til 99 %, men dets svovlindhold kan overstige 1 %.

Praktiske kulstoftilsætningsoperationer

Når kulstof tilsættes i form af ferrolegeringer med højt kulstofindhold, kan det gøres i ovnen, før tapning eller i øsen. Den konventionelle praksis er at dekarbonisere en smule i ovnen og derefter supplere med ferrolegeringer for at nå målet for kulstofindhold. Kulstof-ilt-temperaturbalancen ved tapning er en vigtig kontrolfaktor, men den specifikke operation er normalt afhængig af erfaring på stedet. På grund af de høje omkostninger ved behandling i ovnen er den almindelige praksis at "åbne" tapning (dvs. at tillade det smeltede stål at komme i kontakt med luft) og derefter fuldføre den nødvendige deoxidation og sammensætningsjustering i øsen. Særlig opmærksomhed skal udvises: Brug af støbejern til at justere kulstofindholdet kan føre til for meget svovl og fosfor. Medmindre baggrundsværdierne for disse grundstoffer i det smeltede stål er ekstremt lave, eller den endelige sammensætning tillader deres stigning, bør det rå jernvand have så lavt indhold af fosfor og svovl som muligt.

Densiteten af ​​carbonadditiver (grafit, koks, antracit) er relativt lav, og de har en tendens til at flyde på overfladen af ​​slaggelaget, hvilket forårsager ineffektivt forbrændingstab. Derfor skal de tilføjes i begyndelsen af ​​tapningen eller forudplaceres i bunden af ​​den tomme slev. Der bør opretholdes tilstrækkelig turbulens under tapning for at fremskynde opløsningen af ​​kulstof. Ved støbeproduktion tilsættes også kultilsætningsstoffer i støbeskeen efter ovenstående driftsnormer.

 

Valsning/smedning

 

Kulstofindholdet i stål påvirker deformationsprocessen på forskellige måder. Generelt, når kulstofindholdet stiger, øges bearbejdningsvanskeligheden også. Påvirkningen af ​​carbon kommer først til udtryk i iblødsætningsovnen eller genopvarmningsovnen. Højkulstofstål er mere følsomt over for termisk stød og skal opvarmes langsomt for at undgå revner. Trinopvarmning (dvs. at lade stålstykket forblive ved flere temperaturplatforme, før det når rulle- eller smedningstemperaturen for at opnå ensartet temperatur) kan være nødvendigt, især for stål med stort tværsnit. Stål med et kulstofindhold på over 0.30 % er også mere tilbøjelige til at "overbrænde" (dyb overfladeoxidation), hvilket kan føre til revner eller substandard overfladeforhold for det endelige produkt, og de overbrændte barrer kasseres næsten altid. Derfor bør stål med højt kulstofindhold opvarmes langsomt og ensartet for at undgå lokal overophedning forårsaget af direkte flammepåvirkning.

Valsekraften ved både varmvalsning og koldvalsning stiger med stigningen i kulstofindhold. Ved varmvalsning er denne effekt mere signifikant, når den endelige valsetemperatur nærmer sig. For eksempel kan yderligere 0.15 % kulstof i almindeligt kulstofstål øge energiforbruget med op til 20 % ved 870°C (1600°F). Den energi, der kræves til koldbearbejdning, er meget afhængig af kulstofindholdet, som er relateret til andelen af ​​perlit i dens mikrostruktur. Under de samme forhold stiger behovet for mellemudglødning med stigningen i kulstofindhold.

Det er værd at bemærke, at kulstof har en stærk udskillelsestendens i tykke sektioner (såsom stålblokke) og vil akkumulere i det sidste størknede metal (sammen med mangan, fosfor og svovl). Dette kan føre til ujævn kulstoffordeling i slutproduktet, såsom "bånddannelsen", der ofte ses i varmvalsede plader (forårsaget af fosforudskillelse: områder med højt fosforindhold afviser kulstof). Dette er dog ikke nødvendigvis skadeligt. For stål, der indeholder mikrolegeringselementer, bestemmer forholdet mellem atomprocenten af ​​mikrolegeringselementer (MAE) og kulstofindholdet mængden af ​​MAE-udfældninger dannet ved lave temperaturer. På dette tidspunkt kræver koldvalsede og udglødede tyndpladestål et kulstofindhold på under 0.01 %.

 

varmebehandling

Kulstof øger styrken af ​​varmtvalset stål, men reducerer dets kærvsejhed, duktilitet og svejsbarhed. For detaljer om anvendelse af kulstof i strengstøbning og varmvalset stål henvises til det relevante indhold på vanadium, niobium og titanium.

Den maksimale opløselighed af kulstof i ferrit er ca. 0.025% (ved 723°C/1333°F). Kulstofopløseligheden af ​​ferrit ved stuetemperatur er mindre end 0.008%. Jern-carbon ligevægtsdiagrammet (figur 1) viser tre reaktioner og indikerer, at cementit (Fe3C) dannes ved et kulstofindhold på 6.67 %. Ved 1492°C (2718°F) gennemgår δ-ferrit med et kulstofindhold på mere end 0.10% en peritetisk reaktion med flydende metal til dannelse af austenit. Jern med et kulstofindhold på over 2.0 % gennemgår en eutektisk reaktion ved 1130°C (2066°F), og danner ledeburit - en struktur af cementitstænger fordelt i austenit. Ved 723°C (1333°F) nedbrydes austenit gennem en peritectoid reaktion til dannelse af lamelformet kompositperlit.

Kulstof sænker den allotropiske γ→α-transformationstemperatur fra 910°C (1670°F) for rent jern til den eutektoide temperatur (0.80 % kulstof). Under den eutektoide temperatur (723°C/1333°F) har kulstof en signifikant effekt på kinetikken (hastigheden) af perlitdannelse og reagerer med jern for at danne ikke-ligevægtsfaser bainit og martensit. Pearlit dannes i højtemperaturområdet fra ca. 550°C (1020°F) til den eutektoide temperatur, og dens struktur forfines gradvist, efterhånden som transformationstemperaturen falder. Mellem cirka 220 °C (425 °F) og den nedre grænse for perlitdannelsesområdet omdannes austenit til bainit. Bainit har hovedsageligt to typer:

Øvre bainit: Dannes ved højere temperaturer med en nålelignende struktur, og cementitpartikler er orienteret langs grænserne af ferritregioner.

Nedre bainit: Også nålelignende, men finere, med karbidpartikler fordelt lateralt inden for ferritområder. Denne orientering giver den højere sejhed. Temperaturgrænsen mellem øvre og nedre bainit afhænger hovedsageligt af sammensætningen (især kulstofindholdet). Væksthastighederne for begge typer bainit er hovedsageligt bestemt af diffusionen af ​​kulstof i jern.

Omdannelsen af ​​austenit til martensit ved hjælp af en diffusionsfri forskydningsmekanisme under ca. 220°C (425°F) er den vigtigste fasetransformation i kommerciel varmebehandling. Når sammensætningen nærmer sig eutektoid, falder martensitstarttemperaturen (Ms). Hvis en del kræver en hård, slidstærk overflade og en sejere kerne, kan karburering anvendes: kulstof diffunderes ind i overfladen af ​​lavkulstofstål (normalt ikke mere end et par tusindedele af en tomme dybt). Karbureringstemperaturen er omkring 925°C (1700°F), og stålsammensætningen skal være sådan, at fine korn opretholdes ved denne temperatur. Konventionel varmebehandling er påkrævet efter karburering. Anvendelse

Kulstofstål tegner sig i øjeblikket for den største tonnage i alt stålsalg, og dets brede vifte af applikationer er tydeligvis for omfattende til at nævne én efter én. Kulstofstål bruges som støbegods og smedegods, rør og rør, plader og plader, valsetråde, stænger, skinner og strukturelle sektioner. Kulstofstål er naturligvis den billigste jernbaserede legering, og designere vil foretrække det, medmindre særlige ydeevnekrav nødvendiggør brugen af ​​dyrere legeret stålkvaliteter.

Kulstofstål kan klassificeres på forskellige måder, og klassificering efter sammensætning er den mest intuitive metode, normalt efter standarder udstedt af institutioner som Society of Automotive Engineers (SAE) og American Iron and Steel Institute (AISI). American Society for Testing and Materials (ASTM) og American Society of Mechanical Engineers (ASME) fastsætter hovedsageligt ydeevneindikatorerne for stål, med sammensætning kun som supplerende information. Mange standarder identificerer den samme stålkvalitet gennem deres respektive specifikationer, og brugere kan tilføje specifikke krav på basis af generelle standarder i henhold til deres behov. Nogle store brugere (såsom fabrikanter af bil- og entreprenørmaskiner) har en tendens til at formulere deres egne standarder, der er strengere end nationale standarder.

Stålkvaliteter med forskelligt kulstofindhold har forskellige anvendelser: tyndpladestål har normalt det laveste kulstofindhold (mindre end 0.10%), ultralavt kulstofstål (med kulstofindhold under 0.02%) omfatter tyndpladestål med høj formbarhed; lavt kulstofstål (med kulstofindhold i området fra 0.05% til 0.20%) dækker varmtvalset båndstål, tykke plader og rør; medium kulstofstål (med kulstofindhold fra 0.25% til 0.55%) bruges hovedsageligt til smedning; højt kulstofstål (med kulstofindhold over 0.6%) omfatter stål til skinner osv. I specifikke industrielle anvendelser, f.eks. ved valg af materialer til friktionsparrene af olieudvindingspumper, er kulstofstål (såsom nr. 45 stål) ofte forbedret i slidstyrke gennem forkromning eller laserbehandling, mens styringsteknologien for varmvalset stål, såsom SPHC, lav-kulstofstål 510L) påvirker direkte overfladekvaliteten.

Vigor har mere end 18 års erfaring med støbning og smedning. Hvis du har spørgsmål og behov for produktudvikling eller forbedre din forsyningskæde, er du velkommen til at kontakte os på info@castings-forging.com