Znanje - Sanxin

ugljen

Atomski broj: 6

Gustoća (20°C): 2.3 g/cm³

Atomska težina: 12.01

Talište: > 3550°C (6422°F)

Vrelište: 4827°C (8721°F)

SAŽETAK

Ugljik je najvažniji legirajući element u čeliku i lijevanom željezu, koji uglavnom određuje širok raspon mehaničkih svojstava koja se mogu postići u kovovima i odljevcima. Kada sadržaj ugljika u legurama na bazi željeza prelazi 2.0% (osim legura željeza), klasificiraju se kao lijevano željezo. Prema metalurškoj klasifikaciji, uobičajeni ugljični čelik dijeli se na hipoeutektoidni i hipereutektoidni čelik na temelju toga je li sadržaj ugljika ispod ili iznad 0.80%. Dodavanje drugih legirajućih elemenata (kao što su mangan, silicij, nikal, itd.) može promijeniti sadržaj ugljika u eutektoidnoj točki, a može čak i eliminirati ovu točku. Ograničenja ugljika dovela su do razvoja mikrolegiranog čelika s niskim udjelom ugljika. Međutim, ovo poglavlje govori samo o čeliku i lijevanom željezu s ugljikom kao glavnim legirajućim elementom, zanemarujući prisutnost drugih elemenata koji ostaju nakon deoksidacije ili su potrebni za kontrolu sumpora.

Ugljik je gotovo prisutan u svim čelicima od samog početka procesa proizvodnje čelika. Sirovine za proizvodnju čelika (taljeno željezo, sirovo željezo, otpadni čelik, legure željeza, itd.) obično sadrže veći sadržaj ugljika od onog koji je potreban u konačnom proizvodu. Tijekom procesa proizvodnje čelika, ugljik se uklanja reakcijama oksidacije, a čelik se može ispuštati kada se postigne ciljni sadržaj ugljika (malo niži od ciljne vrijednosti ako se u lonac dodaju legure željeza s visokim udjelom ugljika). U BOF procesu uobičajeno je "napuhati" sadržaj ugljika na ispod 0.10%, a zatim ga povećati u loncu. U procesu proizvodnje elektrolučne peći, ugljik se dodaje raspršivanjem kako bi se stvorila pjenasta troska, dok se u stanici za pročišćavanje lonca sadržaj ugljika precizno kontrolira pomoću karbonskih žica za jezgru.

Kada se koriste legure željeza s visokim udjelom ugljika, same te legure postaju "adicijski medij" za ugljik. Ako je sadržaj ugljika prenizak i ne može se nadopuniti legurama željeza, ugljik se može dodati pomoću sljedećih materijala: grafita, koksa, kalciniranog petrol koksa, antracita i u rijetkim slučajevima, otpadnog čelika s visokim sadržajem ugljika kao što je lijevano željezo ili hladno sirovo željezo. Treba obratiti posebnu pozornost: dodavanje lijevanog željeza za ugljik može dovesti do prekomjernog fosfora, a za dodavanje ugljika treba odabrati koks s niskim sadržajem sumpora i nisko hlapivim koksom.

U proizvodnji lijevanog željeza u elektrolučnim pećima često je potreban korak dodavanja ugljika jer su sirovine uglavnom otpadni čelik s niskim udjelom ugljika. Iako se kao izvori ugljika mogu koristiti otpadni čelik s visokim udjelom ugljika, legure željeza s visokim udjelom ugljika ili čak sirovo željezo, u skladu sa zahtjevima procesa ili troškovima, obično se koriste posebni dodaci ugljiku - grafit ili koks. Prirodni grafit (uglavnom proizveden u Meksiku) široko se koristi u Sjevernoj Americi, s udjelom ugljika od 70-85% i visokim udjelom nečistoća, što ograničava njegovu primjenu; sintetski grafit (uglavnom iz otpadnih elektroda elektrolučnih peći) ima veću čistoću, a njegova kristalna struktura može utjecati na mikrostrukturu lijevanog željeza. Metalurški koks ima nisku cijenu, ali ima visok sadržaj pepela do 9%, što ograničava njegovu primjenu; kalcinirani petrol koks ima čistoću do 99%, ali njegov sadržaj sumpora može premašiti 1%.

Praktične operacije dodavanja ugljika

Kada se ugljik dodaje u obliku visokougljičnih ferolegura, to se može učiniti u peći, prije točenja ili u loncu. Konvencionalna praksa je malo prekomjerna dekarbonizacija u peći i zatim dopuna ferolegurama kako bi se postigao ciljani raspon sadržaja ugljika. Ravnoteža ugljik-kisik-temperatura pri točenju ključni je čimbenik kontrole, ali specifična operacija obično se oslanja na iskustvo na licu mjesta. Zbog visokih troškova obrade u peći, uobičajena praksa je "otvoriti" točenje (tj. dopustiti rastaljenom čeliku da dođe u kontakt sa zrakom), a zatim dovršiti potrebnu deoksidaciju i podešavanje sastava u loncu. Treba obratiti posebnu pozornost: korištenje lijevanog željeza za podešavanje sadržaja ugljika može dovesti do prekomjernog sumpora i fosfora. Osim ako su pozadinske vrijednosti ovih elemenata u rastaljenom čeliku izuzetno niske ili konačni sastav dopušta njihovo povećanje, sirova željezna voda treba imati što je moguće niži sadržaj fosfora i sumpora.

Gustoća aditiva ugljika (grafita, koksa, antracita) je relativno niska i oni teže plutati na površini sloja troske, uzrokujući neučinkovite gubitke pri gorenju. Stoga ih treba dodati na početku točenja ili prethodno staviti na dno prazne kutlače. Tijekom točenja treba održavati dovoljnu turbulenciju kako bi se ubrzalo otapanje ugljika. U proizvodnji odljevaka dodaju se i aditivi ugljika u lonac prema gore navedenim radnim normama.

 

Valjanje/Kovanje

 

Sadržaj ugljika u čeliku na različite načine utječe na obradu deformacijom. Općenito govoreći, kako se sadržaj ugljika povećava, povećava se i težina obrade. Utjecaj ugljika najprije se očituje u peći za natapanje ili peći za dogrijavanje. Čelik s visokim udjelom ugljika osjetljiviji je na toplinski udar i mora se polagano zagrijavati kako bi se izbjeglo pucanje. Postupno zagrijavanje (tj. dopuštanje da čelična gredica ostane na više temperaturnih platformi prije nego što dosegne temperaturu valjanja ili kovanja kako bi se postigla ujednačenost temperature) može biti potrebno, posebno za čelike velikog poprečnog presjeka. Čelik s udjelom ugljika većim od 0.30% također je skloniji "pregorjevanju" (dubokoj površinskoj oksidaciji), što može dovesti do pukotina ili nestandardnih površinskih uvjeta konačnog proizvoda, a pregorene gredice se gotovo uvijek odbacuju. Stoga čelik s visokim udjelom ugljika treba zagrijavati polagano i ravnomjerno kako bi se izbjeglo lokalno pregrijavanje uzrokovano izravnim udarom plamena.

Sila valjanja kod vrućeg i hladnog valjanja povećava se s povećanjem sadržaja ugljika. Kod vrućeg valjanja ovaj učinak je značajniji što se približava konačna temperatura valjanja. Na primjer, dodatnih 0.15% ugljika u običnom ugljičnom čeliku može povećati potrošnju energije do 20% na 870°C (1600°F). Energija potrebna za hladnu obradu uvelike ovisi o sadržaju ugljika, koji je povezan s udjelom perlita u njegovoj mikrostrukturi. Pod istim uvjetima, potreba za međužarenjem raste s povećanjem sadržaja ugljika.

Vrijedno je napomenuti da ugljik ima snažnu tendenciju izdvajanja u debelim dijelovima (kao što su čelične gredice) i nakupit će se u posljednjem očvrsnutom metalu (zajedno s manganom, fosforom i sumporom). To može dovesti do neravnomjerne distribucije ugljika u konačnom proizvodu, poput "traka" koje se često vide kod vruće valjanih ploča (uzrokovano odvajanjem fosfora: područja s visokim sadržajem fosfora odbijaju ugljik). Međutim, to nije nužno štetno. Za čelike koji sadrže mikrolegirajuće elemente, omjer atomskog postotka mikrolegirajućih elemenata (MAE) i sadržaja ugljika određuje količinu MAE precipitata nastalih na niskim temperaturama. U ovom trenutku, hladno valjani i žareni čelični limovi zahtijevaju sadržaj ugljika ispod 0.01%.

 

Toplinska obrada

Ugljik povećava čvrstoću vruće valjanog čelika, ali smanjuje njegovu žilavost, duktilnost i zavarljivost. Za pojedinosti o primjeni ugljika u kontinuiranom lijevanju i vruće valjanom čeliku, pogledajte odgovarajući sadržaj o vanadiju, niobiju i titanu.

Maksimalna topljivost ugljika u feritu je približno 0.025% (na 723°C/1333°F). Topljivost ugljika u feritu na sobnoj temperaturi manja je od 0.008%. Dijagram ravnoteže željezo-ugljik (Slika 1) prikazuje tri reakcije i pokazuje da se cementit (Fe3C) formira pri sadržaju ugljika od 6.67%. Na 1492°C (2718°F), δ-ferit s udjelom ugljika većim od 0.10% prolazi peritektičku reakciju s tekućim metalom da nastane austenit. Željezo s udjelom ugljika većim od 2.0% prolazi eutektičku reakciju na 1130°C (2066°F), tvoreći ledeburit - strukturu cementitnih štapića raspoređenih u austenitu. Na 723°C (1333°F), austenit se razgrađuje peritektoidnom reakcijom da bi nastao lamelarni kompozitni perlit.

Ugljik snižava temperaturu γ→α alotropske transformacije s 910°C (1670°F) za čisto željezo na eutektoidnu temperaturu (0.80% ugljika). Ispod eutektoidne temperature (723°C/1333°F), ugljik ima značajan učinak na kinetiku (brzinu) formiranja perlita i reagira sa željezom da bi stvorio neravnotežne faze bainit i martenzit. Perlit se formira u rasponu visokih temperatura od približno 550°C (1020°F) do eutektoidne temperature, a njegova se struktura postupno pročišćava kako se smanjuje temperatura transformacije. Između približno 220°C (425°F) i donje granice raspona stvaranja perlita, austenit se pretvara u bainit. Bainit uglavnom ima dvije vrste:

Gornji bainit: nastaje na višim temperaturama, s igličastom strukturom, a čestice cementita su orijentirane duž granica feritnih područja.

Donji bainit: Također igličast, ali sitniji, s česticama karbida bočno raspoređenim unutar feritnih područja. Ova orijentacija mu daje veću žilavost. Temperaturna granica između gornjeg i donjeg bainita uglavnom ovisi o sastavu (osobito o sadržaju ugljika). Stope rasta obje vrste bainita uglavnom su određene difuzijom ugljika u željezu.

Transformacija austenita u martenzit mehanizmom smicanja bez difuzije ispod oko 220°C (425°F) je najvažnija fazna transformacija u komercijalnoj toplinskoj obradi. Kako se sastav približava eutektoidu, početna temperatura martenzita (Ms) se smanjuje. Ako dio zahtijeva tvrdu površinu otpornu na habanje i čvršću jezgru, može se koristiti pougljičenje: ugljik se raspršuje na površinu čelika s niskim udjelom ugljika (obično ne više od nekoliko tisućinki inča dubine). Temperatura pougljičavanja je oko 925°C (1700°F), a sastav čelika mora biti takav da se sitna zrna zadrže na ovoj temperaturi. Nakon naugljičavanja potrebna je konvencionalna toplinska obrada. Primjena

Ugljični čelik trenutačno čini najveću tonažu u cjelokupnoj prodaji čelika, a njegov širok raspon primjena očito je preširok da bi se nabrajao jedan po jedan. Ugljični čelik koristi se kao odljevci i otkovci, cijevi, listovi i ploče, žičane šipke, šipke, tračnice i konstrukcijski dijelovi. Naravno, ugljični čelik je najjeftinija legura na bazi željeza i dizajneri će ga preferirati osim ako posebni zahtjevi za performansama ne zahtijevaju upotrebu skupljih vrsta legiranih čelika.

Ugljični čelik može se klasificirati na različite načine, a klasifikacija prema sastavu je najintuitivnija metoda, obično slijedeći standarde koje izdaju institucije kao što su Društvo automobilskih inženjera (SAE) i Američki institut za željezo i čelik (AISI). Američko društvo za ispitivanje i materijale (ASTM) i Američko društvo inženjera strojarstva (ASME) uglavnom određuju pokazatelje učinka čelika, a sastav je samo dodatna informacija. Mnogi standardi identificiraju istu vrstu čelika kroz svoje odgovarajuće specifikacije, a korisnici mogu dodati specifične zahtjeve na temelju općih standarda prema svojim potrebama. Neki veliki korisnici (kao što su proizvođači automobilskih i građevinskih strojeva) skloni su formulirati vlastite standarde koji su stroži od nacionalnih standarda.

Vrste čelika s različitim sadržajem ugljika imaju različite primjene: tanki čelični lim obično ima najniži sadržaj ugljika (manje od 0.10%), čelik s ultra niskim udjelom ugljika (s sadržajem ugljika ispod 0.02%) uključuje tanki čelični lim visoke mogućnosti oblikovanja; čelik s niskim udjelom ugljika (s udjelom ugljika u rasponu od 0.05% do 0.20%) obuhvaća toplo valjane čelične trake, debele ploče i cijevi; srednje ugljični čelik (s udjelom ugljika u rasponu od 0.25% do 0.55%) uglavnom se koristi za kovanje; čelik s visokim udjelom ugljika (s udjelom ugljika preko 0.6%) uključuje čelik za tračnice, itd. U specifičnim industrijskim primjenama, na primjer, pri odabiru materijala za tarne parove pumpi za ekstrakciju ulja, ugljični čelik (kao što je čelik br. 45) često je poboljšan u otpornosti na trošenje kromiranjem ili laserskom obradom, dok tehnologija kontrole oksidnog kamenca na toplo valjanom niskougljičnom čeliku (kao što je SPHC, 510L) izravno utječe na kvalitetu površine.

Vigor ima više od 18 godina iskustva u lijevanju i kovanju. Ako imate bilo kakvih pitanja i zahtjeva za razvojem proizvoda ili poboljšanjem vašeg opskrbnog lanca, slobodno nas kontaktirajte na info@castings-forging.com