Ano ang Carbon sa Bakal? Nilalaman, Mga Grado at Gabay sa Pagpapanday

Ang carbon ay ang nag-iisang elemento na naghihiwalay sa payak na bakal mula sa bakal, at ang halagang naroroon, karaniwang nasa pagitan 0.05% at 2.0% ayon sa timbang , nagpapasya halos lahat tungkol sa kung paano kumikilos ang isang piraso ng bakal sa ilalim ng karga, init, at isang forging martilyo. Itaas ang porsyento ng carbon at ang metal ay nakakakuha ng katigasan at lakas ng makunat ngunit nawawala ang ductility at weldability; ibaba ito at ang bakal ay mananatiling malambot, mabubuo, at madaling magwelding ngunit hindi maaaring humawak ng matigas na gilid o mataas na lakas nang walang tulong mula sa mga elemento ng alloying. Bawat mill certificate, bawat forging drawing, at bawat grade designation gaya ng 1045 o 4140 ay bumabalik sa isang ratio na ito.

Ano ba talaga ang Carbon sa Loob ng Bakal

Ang bakal sa sarili nito ay isang malambot, medyo mahinang metal. Kapag ang mga carbon atom ay ipinakilala sa panahon ng smelting, sila ay lumulutang sa pagitan ng mga iron atoms sa kristal na sala-sala at bumubuo ng isang tambalang tinatawag na cementite (iron carbide, Fe3C) sa tabi ng isang solidong solusyon na tinatawag na ferrite. Ang balanse sa pagitan ng dalawang microstructure na ito, at kalaunan sa pagitan ng pearlite, martensite, at bainite pagkatapos ng heat treatment, ang siyang nagbibigay ng mekanikal na personalidad sa bakal.

Isang kapaki-pakinabang na paraan upang mailarawan ito: ang ferrite ay ang malambot, magnetic, madaling baluktot na bahagi ng istraktura, habang ang cementite ay matigas at malutong. Habang tumataas ang carbon content, mas maraming cementite ang nabubuo, at ang tigas ng bakal ay tumataas sa medyo predictable na curve. Sinusubaybayan ng mga metallurgist ang relasyon na ito mula noong unang bahagi ng ikadalawampu siglo, at nananatili itong batayan ng diagram ng iron-carbon phase na ginagamit sa bawat silid-aralan ng metalurhiya ngayon.

Bakit Ang Nilalaman ng Carbon ay Sinusukat sa Mga Fraction ng isang Porsiyento

Dahil ang epekto ng carbon ay napakalakas, ang mga pagkakaiba ay kasing liit 0.10% baguhin ang klasipikasyon ng bakal at ang angkop na aplikasyon nito. Ang isang 1020 na bakal (0.20% carbon) ay hindi kumikilos tulad ng isang 1095 na bakal (0.95% na carbon) kahit na pareho ang mga teknikal na plain carbon steel. Ito ang dahilan kung bakit ang mga producer ng bakal ay nag-uulat ng nilalaman ng carbon sa ika-sandaang porsyento sa mga ulat ng pagsubok ng mill kaysa sa pag-round sa pinakamalapit na buong numero.

Mga Pag-uuri ng Carbon Steel ayon sa Porsyento

Ang mga plain carbon steel ay pinagsama-sama sa apat na malawak na pamilya batay sa nilalaman ng carbon. Ang bawat pamilya ay may natatanging hanay ng mga tipikal na gamit, at ang mga palsipikado ay pumipili sa kanila batay sa balanse ng lakas, tibay, at kakayahang makinang na kailangan ng natapos na bahagi.

Sa itaas halos 2.0% carbon , ang materyal ay hindi na inuri bilang bakal; ito ay nagiging cast iron, na mas malutong at hinuhubog sa pamamagitan ng paghahagis sa halip na pag-forging o rolling.

Paano Binabago ng Nilalaman ng Carbon ang Mga Mekanikal na Katangian

Ang relasyon sa pagitan ng carbon at mekanikal na pagganap ay isa sa mga pinaka-pare-parehong uso sa engineering ng mga materyales. Habang tumataas ang porsyento ng carbon, apat na katangian ang gumagalaw sa isang predictable na direksyon:

• Tumataas ang tigas — mas maraming cementite sa microstructure ang lumalaban sa indentation at abrasion.
• Tumataas ang tensile strength — hanggang sa isang punto, hinahayaan ng karagdagang carbon ang bakal na magdala ng mas maraming karga bago mabigo.
• Bumagsak ang ductility — ang bakal ay yumuyuko at nababawasan ang pag-uunat bago pumutok, kaya ang malamig na pagbuo ay nagiging mas mahirap.
• Bumagsak ang weldability — ang mga mas mataas na carbon steel ay mas madaling mag-crack sa lugar na apektado ng init maliban kung pinainit at kinokontrol nang mabuti.

Ito ang dahilan kung bakit ang isang forged na automotive axle shaft, na nangangailangan ng parehong lakas at kakayahang sumipsip ng shock nang hindi nababasag, ay karaniwang gumagamit ng medium carbon grade gaya ng 1045 sa halip na abutin ang isang mataas na carbon steel na magiging mas malakas sa isang lab test ngunit masyadong malutong para sa epekto sa kalsada.

Nilalaman ng Carbon at ang Steel Forging Proseso

Ang pag-forging ng bakal ay hinuhubog ang metal sa pamamagitan ng compressive plastic deformation, gamit ang mga martilyo, mga pagpindot, o mga rolyo upang pilitin ang pinainit na bakal sa isang die o ninanais na anyo. Ang nilalaman ng carbon ay namamahala sa halos bawat desisyon na ginagawa ng isang forge shop bago dumapo ang unang hammer blow.

Forging Temperatura Windows

Ang mga mababang at katamtamang carbon steel ay karaniwang pineke sa pagitan 1150°C at 1250°C (humigit-kumulang 2100°F hanggang 2280°F), kung saan ang materyal ay nasa austenitic phase nito at madaling dumadaloy sa ilalim ng pressure. Ang mga high carbon steel ay karaniwang pineke patungo sa ibabang dulo ng hanay na iyon, dahil ang sobrang init na sinamahan ng mataas na carbon content ay naghihikayat sa paglaki ng butil at surface decarburization, na parehong nagpapahina sa natapos na bahagi.

Bakit Pinipili ng mga Forger ang Medium Carbon Grade

Ang mga medium na carbon steel gaya ng 1040, 1045, at 4140 ay nangingibabaw sa industriya ng forging dahil nakakakuha sila ng balanse: sapat na carbon upang tumugon nang maayos sa post-forging heat treatment tulad ng quenching at tempering, ngunit hindi gaanong nabibitak ang billet sa ilalim ng mamatay. Ang mga bahagi tulad ng crankshafts, connecting rods, gears, flanges, at hand tools ay halos palaging pineke mula sa gitnang banda na ito sa halip na mula sa extremes.

Daloy ng Butil at Mga Nadagdag sa Lakas

Ang pagpapanday ay higit pa sa paghubog ng bakal; inaayos nito ang panloob na istraktura ng butil kasama ang mga contour ng bahagi. Ang isang huwad na bahagi ay sumusunod sa tuluy-tuloy na mga linya ng daloy ng butil, habang ang isang makina o cast na bahagi ay tumatawid sa butil o wala man lang. Paulit-ulit na ipinakita ng pagsubok sa industriya na ang mga forged steel na bahagi ay maaaring magdala ng makabuluhang mas mataas na paglaban sa pagkapagod kaysa sa cast o machined na mga bahagi ng magkatulad na komposisyon ng kemikal, kaya naman nananatiling pamantayan ang forged carbon steel para sa mga bahaging kritikal sa kaligtasan tulad ng steering knuckle at crankshafts.

Carbon Steel Kumpara Sa Alloy Steel at Stainless Steel

Ang nilalaman ng carbon lamang ay hindi nagsasabi ng buong kuwento kapag ang ibang mga elemento ay pumasok sa halo. Ang pag-unawa sa kung saan nakaupo ang plain carbon steel kaugnay ng mga pinsan nitong alloyed ay nakakatulong na ipaliwanag kung bakit maaaring tawagin ng isang forging drawing ang isang pamilya kaysa sa isa pa.

Sa pagsasagawa, pinipili ng isang purchasing engineer ang plain carbon steel kapag ang bahagi ay papahiran, pipinturahan, o pananatilihin sa loob ng bahay, at umabot sa alloy o hindi kinakalawang na mga marka kapag ang application ay nangangailangan ng corrosion resistance o mas mataas na hardenability sa pamamagitan ng mas makapal na mga cross-section.

Pagpili ng Carbon Steel Grade para sa Forged Part

Ang pagpili ng tamang porsyento ng carbon ay isang pagbabalanse sa pagitan ng tatlong tanong: kung gaano kalakas ang bahaging kailangan, kung gaano kalaki ang pagkabigla o pagkahapo nito, at paano ito gagawing makina o pagsasamahin pagkatapos.

1. Tukuyin ang uri ng pagkarga. Ang mga static na pag-load ay pinahihintulutan ang mas mataas na nilalaman ng carbon; Ang paulit-ulit na pag-load ng epekto ay pinapaboran ang katamtamang carbon na may mahusay na katigasan.
2. Suriin ang post-forging operations. Kung ang bahagi ay hinangin sa ibaba ng agos, panatilihin ang carbon content sa ilalim ng humigit-kumulang 0.30% maliban kung ang preheat at kinokontrol na paglamig ay bahagi ng plano ng proseso.
3. Kumpirmahin ang landas ng paggamot sa init. Ang mga medium at mataas na carbon steel ay tumutugon nang maayos sa mga siklo ng pawi at init ng ulo; ang mababang carbon steels ay umaasa sa case hardening o carburizing sa halip.
4. Timbangin ang machinability laban sa tigas. Ang mas mataas na nilalaman ng carbon sa pangkalahatan ay nangangahulugan ng mas mabagal na bilis ng pagputol at mas mabilis na pagkasuot ng tool sa panahon ng pangalawang machining.

Ang isang forge shop na nagsusuplay ng mga automotive o agricultural equipment manufacturer ay madalas na mag-standardize sa ilang mga grado, kadalasan 1045 para sa pangkalahatang shafting at 4140 kung saan kinakailangan ang mas mataas na ratio ng lakas-sa-timbang, dahil ang mga markang ito ay nasa matamis na lugar sa pagitan ng forgeability at pagganap ng tapos na bahagi.

Heat Treatment Pagkatapos ng Forging

Ang pag-forging nang nag-iisa ay bihirang naghahatid ng mga huling mekanikal na katangian ng isang bahagi. Tinutukoy ng nilalaman ng carbon kung aling mga heat treatment ang posible pagkatapos.

Normalizing

Halos lahat ng carbon steel forging ay na-normalize pagkatapos ng forging, pinainit sa itaas ng kritikal na temperatura at pinalamig ng hangin, upang pinuhin ang istraktura ng butil at mapawi ang hindi pantay na mga stress na naiwan sa proseso ng forging.

Pagsusubo at Tempering

Ang mga daluyan at mataas na carbon steel ay maaaring pawiin sa langis o tubig upang bumuo ng martensite, pagkatapos ay i-temper upang ibalik ang katigasan para sa tigas. Ang porsyento ng carbon ay nagtatakda ng kisame sa matamo na katigasan; ang isang bakal na mas mababa sa humigit-kumulang 0.30% na carbon ay hindi maaaring maabot ang parehong bilang-quenched hardness bilang isang 1060 o 1080 grade, anuman ang pawiin kalubhaan.

Case Hardening para sa Mababang Carbon Parts

Ang mga mababang carbon na bakal na nangangailangan ng matigas na ibabaw ngunit ang matigas na core, gaya ng mga gears, ay sa halip ay naka-carburize: ang carbon ay nakakalat sa panlabas na ibabaw sa mataas na temperatura, pagkatapos ay ang ibabaw na layer na iyon lamang ay pinapatay nang husto habang ang mababang carbon core ay nananatiling ductile.

Mga Madalas Itanong

Anong porsyento ng carbon ang nagpapatigas ng bakal para sa mga kasangkapan?

Ang mga application ng tool ay karaniwang nagsisimula sa paligid 0.60% carbon at umabot sa humigit-kumulang 1.0%, dahil ang hanay na ito ay tumitigas nang mabuti sa pamamagitan ng pagsusubo at may matalim na gilid.

Ang mas mataas na carbon ay palaging nangangahulugan ng mas malakas na bakal?

Hanggang sa isang punto lang. Ang tensile at yield strength ay umakyat na may carbon content, ngunit lumampas sa humigit-kumulang 0.80-0.90% ang mga nadagdag na flatten habang patuloy na tumataas ang brittleness, kaya hindi awtomatikong mas mahusay ang mas maraming carbon para sa bawat application.

Bakit ang medium carbon steel ang pinakakaraniwang forging material?

Nag-aalok ito ng pinakamalawak na praktikal na window: sapat na carbon upang tumigas sa pamamagitan ng heat treatment, ngunit sapat na ductile upang mapaglabanan ang compressive forces ng forging nang hindi nabibitak ang billet.

Maaari bang pekein ang mababang carbon steel?

Oo. Ang mababang carbon steel ay madaling ma-forge dahil sa mataas na ductility nito, at ito ay karaniwang pinipili para sa mga bahagi na hinangin o nangangailangan ng matigas, shock-resistant na core kaysa sa surface hardness.

Paano sinusukat ang nilalaman ng carbon sa isang natapos na bahagi ng bakal?

Gumagamit ang mga producer ng combustion analysis o optical emission spectroscopy upang masukat ang porsyento ng carbon nang direkta mula sa isang sample, at ang resulta ay iniulat sa mill test certificate na kasama ng materyal.

Ano ang mangyayari kung ang nilalaman ng carbon ay masyadong mataas para sa isang forging application?

Ang sobrang carbon ay nagpapababa ng ductility hanggang sa punto kung saan ang billet ay maaaring pumutok sa panahon ng compression, lalo na sa mga sulok ng die at manipis na mga seksyon, kaya naman ang mga forge shop ay tumutukoy sa mga hanay ng nilalaman ng carbon kaysa sa pagtanggap ng malawak na pagpapahintulot sa mill.