Знание - Sanxin

Въглероден

Атомен номер: 6

Плътност (20°C): 2.3 g/cm³

Атомно тегло: 12.01

Точка на топене: > 3550°C (6422°F)

Точка на кипене: 4827°C (8721°F)

Overview

Въглеродът е най-важният легиращ елемент в стоманата и чугуна, като основно определя широката гама от механични свойства, които могат да бъдат постигнати в изковките и отливките. Когато съдържанието на въглерод в сплавите на основата на желязо надвишава 2.0% (с изключение на железните сплави), те се класифицират като чугун. Според металургичната класификация обикновената въглеродна стомана се разделя на хипоевтектоидна стомана и хиперевтектоидна стомана въз основа на това дали съдържанието на въглерод е под или над 0.80%. Добавянето на други легиращи елементи (като манган, силиций, никел и др.) може да промени съдържанието на въглерод в евтектоидната точка и може дори да елиминира тази точка. Ограниченията на въглерода доведоха до разработването на нисковъглеродна микролегирана стомана. Въпреки това, тази глава обсъжда само стомана и чугун с въглерод като основен легиращ елемент, пренебрегвайки присъствието на други елементи, които остават след дезоксидация или са необходими за контролиране на сярата.

Въглеродът почти присъства във всички стомани от самото начало на процеса на производство на стомана. Суровините за производство на стомана (разтопено желязо, чугун, скрап от стомана, железни сплави и др.) обикновено съдържат по-високо съдържание на въглерод от това, което се изисква в крайния продукт. По време на процеса на производство на стомана въглеродът се отстранява чрез окислителни реакции и стоманата може да бъде източена, когато се достигне целевото съдържание на въглерод (малко по-ниско от целевата стойност, ако в кофата трябва да се добавят високовъглеродни железни сплави). В BOF процеса е обичайно съдържанието на въглерод да се "издуха" до под 0.10% и след това да се увеличи в кофата. В процеса на производство на електродъгова пещ въглеродът се добавя чрез пръскане, за да се образува пенеща се шлака, докато в станцията за рафиниране на кофа съдържанието на въглерод се контролира прецизно с помощта на въглеродни сърцевини.

Когато се използват високовъглеродни железни сплави, самите тези сплави се превръщат в "добавъчна среда" за въглерод. Ако съдържанието на въглерод е твърде ниско и не може да бъде допълнено с железни сплави, може да се добави въглерод, като се използват следните материали: графит, кокс, калциниран нефтен кокс, антрацит и в редки случаи високовъглероден скрап от стомана като чугун или студен чугун. Трябва да се обърне специално внимание: добавянето на чугун за въглерод може да доведе до прекомерен фосфор и коксът с ниско съдържание на сяра и с ниско летлив кокс трябва да бъде избран за добавяне на въглерод.

При производството на чугун в електродъгови пещи често се изисква стъпка на добавяне на въглерод, тъй като суровините са предимно нисковъглеродни стоманени скрап. Въпреки че високовъглеродният скрап от стомана, високовъглеродните железни сплави или дори чугунът могат да се използват като източници на въглерод, според изискванията на процеса или съображенията за разходите обикновено се използват специални въглеродни добавки - графит или кокс. Естественият графит (основно произведен в Мексико) се използва широко в Северна Америка, със съдържание на въглерод от 70-85% и високо съдържание на примеси, което ограничава приложението му; синтетичният графит (предимно от отпадъци от електроди на електродъгови пещи) има по-висока чистота и кристалната му структура може да повлияе на микроструктурата на чугуна. Металургичният кокс е с ниска цена, но с високо пепелно съдържание до 9%, което ограничава приложението му; калцинираният петролен кокс има чистота до 99%, но съдържанието на сяра може да надвишава 1%.

Практически операции за добавяне на въглерод

Когато въглеродът се добавя под формата на високовъглеродни феросплави, това може да се направи в пещта, преди източване или в черпака. Конвенционалната практика е леко свръхдекарбонизиране в пещта и след това добавяне на феросплави, за да се достигне целевият диапазон на въглеродно съдържание. Балансът въглерод-кислород-температура при потупване е ключов контролен фактор, но конкретната операция обикновено разчита на опита на място. Поради високата цена на обработката в пещта, обичайната практика е да се "отвори" изпускането (т.е. да се позволи на разтопената стомана да влезе в контакт с въздуха) и след това да се завърши необходимото дезоксидиране и регулиране на състава в кофата. Трябва да се обърне специално внимание: използването на чугун за регулиране на въглеродното съдържание може да доведе до прекомерно съдържание на сяра и фосфор. Освен ако фоновите стойности на тези елементи в разтопената стомана не са изключително ниски или крайният състав позволява тяхното повишаване, водата със сурово желязо трябва да има възможно най-ниско съдържание на фосфор и сяра.

Плътността на въглеродните добавки (графит, кокс, антрацит) е относително ниска и те са склонни да плуват по повърхността на слоя шлака, причинявайки неефективни загуби при изгаряне. Затова те трябва да се добавят в началото на разточването или предварително поставени на дъното на празния черпак. Трябва да се поддържа достатъчна турбуленция по време на потупване, за да се ускори разтварянето на въглерода. При производството на отливки въглеродните добавки също се добавят в кофата, като се спазват горните работни норми.

 

Валцоване/Коване

 

Съдържанието на въглерод в стоманата влияе върху обработката на деформация по различни начини. Най-общо казано, с увеличаване на съдържанието на въглерод трудността на обработката също се увеличава. Влиянието на въглерода се проявява първо в пещта за накисване или пещта за повторно нагряване. Високовъглеродната стомана е по-чувствителна към термичен шок и трябва да се нагрява бавно, за да се избегне напукване. Може да е необходимо стъпаловидно нагряване (т.е. позволяване на стоманената заготовка да остане при множество температурни платформи, преди да достигне температурата на валцуване или коване, за да се постигне равномерност на температурата), особено за стомани с голямо напречно сечение. Стоманата със съдържание на въглерод над 0.30% също е по-склонна към "прегаряне" (дълбоко повърхностно окисляване), което може да доведе до пукнатини или нестандартни повърхностни условия на крайния продукт, а прегорелите заготовки почти винаги се бракуват. Следователно високовъглеродната стомана трябва да се нагрява бавно и равномерно, за да се избегне локално прегряване, причинено от пряко въздействие на пламък.

Силата на валцуване както при горещото, така и при студеното валцуване се увеличава с увеличаването на съдържанието на въглерод. При горещо валцуване този ефект е по-значим, когато се приближи крайната температура на валцуване. Например допълнителни 0.15% въглерод в обикновената въглеродна стомана може да увеличи консумацията на енергия с до 20% при 870°C (1600°F). Енергията, необходима за студена обработка, силно зависи от съдържанието на въглерод, което е свързано с дела на перлита в неговата микроструктура. При същите условия необходимостта от междинно отгряване се увеличава с увеличаването на въглеродното съдържание.

Струва си да се отбележи, че въглеродът има силна тенденция на сегрегация в дебели секции (като стоманени заготовки) и ще се натрупа в последния втвърден метал (заедно с манган, фосфор и сяра). Това може да доведе до неравномерно разпределение на въглерода в крайния продукт, като например "лентите", често наблюдавани при горещо валцуваните плочи (причинени от сегрегация на фосфор: областите с високо съдържание на фосфор отблъскват въглерода). Това обаче не е непременно вредно. За стомани, съдържащи микролегиращи елементи, съотношението на атомния процент на микролегиращите елементи (MAE) към съдържанието на въглерод определя количеството MAE утайки, образувани при ниски температури. В този момент студено валцуваните и отгрятите тънколистови стомани изискват въглеродно съдържание под 0.01%.

 

Топлинната обработка

Въглеродът увеличава якостта на горещовалцуваната стомана, но намалява нейната якост, пластичност и заваряемост. За подробности относно приложението на въглерод при непрекъснато леене и горещо валцована стомана вижте съответното съдържание за ванадий, ниобий и титан.

Максималната разтворимост на въглерод във ферит е приблизително 0.025% (при 723°C/1333°F). Въглеродната разтворимост на ферита при стайна температура е по-малка от 0.008%. Диаграмата на равновесието желязо-въглерод (Фигура 1) показва три реакции и показва, че циментитът (Fe3C) се образува при въглеродно съдържание от 6.67%. При 1492°C (2718°F), δ-ферит със съдържание на въглерод над 0.10% претърпява перитектична реакция с течен метал, за да образува аустенит. Желязото със съдържание на въглерод над 2.0% претърпява евтектична реакция при 1130°C (2066°F), образувайки ледебурит - структура от цементитни пръчки, разпределени в аустенит. При 723°C (1333°F) аустенитът се разлага чрез перитектоидна реакция, за да образува ламеларен композитен перлит.

Въглеродът понижава температурата на алотропна трансформация γ→α от 910°C (1670°F) за чисто желязо до евтектоидната температура (0.80% въглерод). Под евтектоидната температура (723°C/1333°F), въглеродът има значителен ефект върху кинетиката (скоростта) на образуване на перлит и реагира с желязото, за да образува неравновесни фази бейнит и мартензит. Перлитът се образува във високотемпературния диапазон от приблизително 550°C (1020°F) до евтектоидната температура и структурата му постепенно се усъвършенства, когато температурата на трансформация намалява. Между приблизително 220°C (425°F) и долната граница на диапазона на образуване на перлит, аустенитът се трансформира в бейнит. Бейнитът има главно два вида:

Горен бейнит: Образува се при по-високи температури, с игловидна структура и циментитните частици са ориентирани по границите на феритните области.

Долен бейнит: Също като игла, но по-фин, с карбидни частици, разпределени странично във феритни области. Тази ориентация му придава по-голяма здравина. Температурната граница между горния и долния бейнит зависи главно от състава (особено съдържанието на въглерод). Темповете на растеж и на двата вида бейнит се определят главно от дифузията на въглерод в желязото.

Трансформацията на аустенит в мартензит чрез механизъм на срязване без дифузия под около 220°C (425°F) е най-важната фазова трансформация в търговската топлинна обработка. Тъй като съставът се доближава до евтектоида, началната температура на мартензита (Ms) намалява. Ако дадена част изисква твърда, устойчива на износване повърхност и по-твърда сърцевина, може да се използва карбуризиране: въглеродът се разпространява в повърхността на нисковъглеродна стомана (обикновено не повече от няколко хилядни от инча дълбочина). Температурата на карбуризиране е около 925°C (1700°F) и съставът на стоманата трябва да бъде такъв, че фините зърна да се поддържат при тази температура. Необходима е конвенционална термична обработка след карбуризиране. Приложение

Понастоящем въглеродната стомана представлява най-големият тонаж във всички продажби на стомана и нейният широк спектър от приложения очевидно е твърде обширен, за да се изброят едно по едно. Въглеродната стомана се използва като отливки и изковки, тръби и тръби, листове и плочи, телени пръти, пръти, релси и структурни секции. Разбира се, въглеродната стомана е най-евтината сплав на основата на желязо и дизайнерите ще я предпочетат, освен ако специалните изисквания за ефективност не налагат използването на по-скъпи легирани стомани.

Въглеродната стомана може да се класифицира по различни начини и класификацията по състав е най-интуитивният метод, обикновено следвайки стандарти, издадени от институции като Обществото на автомобилните инженери (SAE) и Американския институт за желязо и стомана (AISI). Американското дружество за изпитване и материали (ASTM) и Американското дружество на машинните инженери (ASME) определят главно показателите за ефективност на стоманата, като съставът е само като допълнителна информация. Много стандарти идентифицират една и съща марка стомана чрез съответните им спецификации и потребителите могат да добавят специфични изисквания на базата на общи стандарти според нуждите си. Някои големи потребители (като производители на автомобили и строителни машини) са склонни да формулират свои собствени стандарти, които са по-строги от националните стандарти.

Класовете стомана с различно съдържание на въглерод имат различни приложения: тънката листова стомана обикновено има най-ниското съдържание на въглерод (по-малко от 0.10%), стоманата с изключително ниско съдържание на въглерод (със съдържание на въглерод под 0.02%) включва тънка листова стомана с висока форма; нисковъглеродна стомана (със съдържание на въглерод от 0.05% до 0.20%) обхваща горещо валцована лентова стомана, дебели плочи и тръби; средно въглеродна стомана (със съдържание на въглерод от 0.25% до 0.55%) се използва главно за коване; високовъглеродна стомана (със съдържание на въглерод над 0.6%) включва стомана за релси и т.н. В специфични промишлени приложения, например, когато се избират материали за фрикционните двойки на помпи за екстракция на масло, въглеродната стомана (като стомана № 45) често е с повишена устойчивост на износване чрез хромиране или лазерно третиране, докато технологията за контрол на оксидния котлен камък върху горещовалцувана нисковъглеродна стомана (като SPHC, 510L) директно влияе върху качеството на повърхността.

Вигор има повече от 18 години опит в леенето и коването. Ако имате въпроси и изисквания за разработване на продукти или подобряване на веригата за доставки, моля, не се колебайте да се свържете с нас на info@castings-forging.com