ما هو الكربون في الفولاذ؟ المحتوى والدرجات ودليل تزوير

الكربون هو العنصر الوحيد الذي يفصل الحديد العادي عن الفولاذ، والكمية الموجودة بينهما عادة 0.05% و 2.0% بالوزن ، يقرر تقريبًا كل شيء يتعلق بكيفية تصرف قطعة الفولاذ تحت الحمل والحرارة ومطرقة الحدادة. عند رفع نسبة الكربون يكتسب المعدن الصلابة وقوة الشد ولكنه يفقد الليونة وقابلية اللحام؛ قم بخفضه وسيظل الفولاذ ناعمًا وقابلاً للتشكيل وسهل اللحام ولكن لا يمكنه الاحتفاظ بحافة صلبة أو قوة عالية دون مساعدة من عناصر صناعة السبائك. كل شهادة مطحنة، وكل رسم تزوير، وكل تسمية درجة مثل 1045 أو 4140 تعود إلى هذه النسبة الواحدة.

ما يفعله الكربون بالفعل داخل الفولاذ

الحديد في حد ذاته معدن ناعم وضعيف نسبيًا. عندما يتم إدخال ذرات الكربون أثناء الصهر، فإنها تستقر بين ذرات الحديد في الشبكة البلورية وتشكل مركبًا يسمى السمنتيت (كربيد الحديد، Fe3C) إلى جانب محلول صلب يسمى الفريت. التوازن بين هاتين البنيتين المجهريتين، وبعد ذلك بين البرليت والمارتنسيت والبينيت بعد المعالجة الحرارية، هو ما يعطي الفولاذ شخصيته الميكانيكية.

هناك طريقة مفيدة لتصوير ذلك: الفريت هو الجزء الناعم والمغناطيسي وسهل الانحناء من الهيكل، في حين أن السمنتيت صلب وهش. ومع ارتفاع محتوى الكربون، يتشكل المزيد من الأسمنتيت، وترتفع صلابة الفولاذ في منحنى يمكن التنبؤ به إلى حد ما. لقد تتبع علماء المعادن هذه العلاقة منذ أوائل القرن العشرين، وهي تظل أساس مخطط طور الحديد والكربون المستخدم في كل فصول علم المعادن اليوم.

لماذا يتم قياس محتوى الكربون بأجزاء من النسبة المئوية؟

نظرًا لأن تأثير الكربون قوي جدًا، فإن الاختلافات صغيرة جدًا 0.10% تغيير تصنيف الفولاذ وتطبيقه المناسب. لا يتصرف الفولاذ 1020 (0.20% كربون) مثل الفولاذ 1095 (0.95% كربون) على الرغم من أن كلاهما عبارة عن فولاذ كربوني عادي من الناحية الفنية. وهذا هو السبب وراء قيام منتجي الصلب بالإبلاغ عن محتوى الكربون بنسبة مائة بالمائة في تقارير اختبار المصنع بدلاً من التقريب إلى أقرب رقم صحيح.

تصنيفات الصلب الكربوني حسب النسبة المئوية

يتم تجميع الفولاذ الكربوني العادي في أربع عائلات واسعة بناءً على محتوى الكربون. تمتلك كل عائلة مجموعة مميزة من الاستخدامات النموذجية، ويقوم المزورون بالاختيار من بينها بناءً على توازن القوة والمتانة وقابلية التصنيع التي يتطلبها الجزء النهائي.

فوق تقريبًا 2.0% كربون ، فلم تعد المادة مصنفة على أنها فولاذ على الإطلاق؛ يصبح من الحديد الزهر، وهو أكثر هشاشة بكثير ويتم تشكيله عن طريق الصب بدلاً من الطرق أو الدرفلة.

كيف يغير محتوى الكربون الخواص الميكانيكية

تعد العلاقة بين الكربون والأداء الميكانيكي واحدة من أكثر الاتجاهات اتساقًا في هندسة المواد. مع زيادة نسبة الكربون، تتحرك أربع خصائص في اتجاه يمكن التنبؤ به:

• ترتفع الصلابة - المزيد من السمنتيت في البنية المجهرية يقاوم المسافة البادئة والتآكل.
• ترتفع قوة الشد - إلى حد ما، يسمح الكربون الإضافي للفولاذ بحمل المزيد من الحمولة قبل الفشل.
• ليونة تقع - ينحني الفولاذ ويتمدد بشكل أقل قبل التشقق، لذلك يصبح التشكيل على البارد أكثر صعوبة.
• تقع قابلية اللحام - يكون الفولاذ عالي الكربون أكثر عرضة للتشقق في المنطقة المتأثرة بالحرارة ما لم يتم تسخينه مسبقًا والتحكم فيه بعناية.

هذا هو السبب في أن عمود محور السيارة المطروق، والذي يحتاج إلى القوة والقدرة على امتصاص الصدمات دون أن يتحطم، يستخدم عادة درجة كربون متوسطة مثل 1045 بدلاً من الوصول إلى الفولاذ عالي الكربون الذي سيكون أقوى في الاختبار المعملي ولكنه هش للغاية بحيث لا يتحمل تأثير الطريق.

محتوى الكربون و تزوير الصلب عملية

يقوم تشكيل الفولاذ بتشكيل المعدن عن طريق التشوه البلاستيكي المضغوط، باستخدام المطارق أو المكابس أو اللفات لإجبار الفولاذ الساخن على القالب أو الشكل المطلوب. يحكم محتوى الكربون تقريبًا كل قرار يتخذه متجر الحدادة قبل أن تهبط المطرقة الأولى.

تزوير درجة حرارة النوافذ

عادةً ما يتم تصنيع الفولاذ منخفض الكربون ومتوسطه بين 1150 درجة مئوية و 1250 درجة مئوية (حوالي 2100 درجة فهرنهايت إلى 2280 درجة فهرنهايت)، حيث تكون المادة في مرحلتها الأوستنيتي وتتدفق بسهولة تحت الضغط. عادة ما يتم تشكيل الفولاذ عالي الكربون باتجاه الطرف الأدنى من هذا النطاق، حيث أن الحرارة المفرطة مع المحتوى العالي من الكربون تشجع نمو الحبوب وإزالة الكربنة من السطح، وكلاهما يضعف الجزء النهائي.

لماذا يفضل المزورون درجات الكربون المتوسطة؟

يهيمن الفولاذ الكربوني المتوسط مثل 1040، و1045، و4140 على صناعة الحدادة لأنها تحقق توازنًا عمليًا: ما يكفي من الكربون للاستجابة بشكل جيد للمعالجة الحرارية بعد الحدادة مثل التبريد والتلطيف، ولكن ليس بالقدر الذي يؤدي إلى تشقق الخام تحت القالب. يتم دائمًا تشكيل المكونات مثل أعمدة الكرنك، وقضبان التوصيل، والتروس، والفلنجات، والأدوات اليدوية من هذا النطاق الأوسط وليس من الأطراف المتطرفة.

تدفق الحبوب ومكاسب القوة

إن الحدادة تفعل أكثر من مجرد تشكيل الفولاذ؛ فهو يقوم بمحاذاة بنية الحبوب الداخلية على طول محيط الجزء. يتبع المكون المطروق خطوط تدفق الحبوب المستمرة، في حين أن الجزء المشكل أو المصبوب يقطع الحبوب أو لا يحتوي على أي شيء على الإطلاق. لقد أظهرت اختبارات الصناعة مرارًا وتكرارًا أن الأجزاء الفولاذية المطروقة يمكن أن تتحمل مقاومة إجهاد أعلى بكثير من الأجزاء المصبوبة أو المصنعة آليًا ذات التركيب الكيميائي المتطابق، ولهذا السبب يظل الفولاذ الكربوني المطروق هو المعيار للمكونات الحيوية للسلامة مثل مفاصل التوجيه وأعمدة الكرنك.

الفولاذ الكربوني مقارنة بسبائك الفولاذ والفولاذ المقاوم للصدأ

إن محتوى الكربون وحده لا يروي القصة بأكملها بمجرد دخول عناصر أخرى إلى المزيج. إن فهم مكان تواجد الفولاذ الكربوني العادي بالنسبة إلى أبناء عمومته من السبائك يساعد في تفسير سبب استدعاء رسم الحدادة لعائلة واحدة على أخرى.

من الناحية العملية، يختار مهندس المشتريات الفولاذ الكربوني العادي عندما يتم طلاء الجزء أو طلاءه أو الاحتفاظ به في الداخل، ويصل إلى درجات السبائك أو الفولاذ المقاوم للصدأ عندما يتطلب التطبيق مقاومة للتآكل أو صلابة أعلى من خلال المقاطع العرضية الأكثر سمكًا.

اختيار درجة الفولاذ الكربوني للجزء المطروق

إن اختيار نسبة الكربون الصحيحة هو عملية موازنة بين ثلاثة أسئلة: ما مدى القوة التي يجب أن تكون عليها القطعة، وما مقدار الصدمات أو التعب الذي ستمتصه، وكيف سيتم تشكيلها أو ضمها بعد ذلك.

1. تحديد نوع التحميل. تتحمل الأحمال الثابتة محتوى الكربون العالي؛ أحمال الصدمات المتكررة تفضل الكربون المتوسط ​​ذو الصلابة الجيدة.
2. التحقق من عمليات ما بعد تزوير. إذا كان سيتم لحام الجزء في اتجاه مجرى النهر، فاحتفظ بمحتوى الكربون أقل من 0.30% تقريبًا ما لم يكن التسخين المسبق والتبريد المتحكم فيه جزءًا من خطة العملية.
3. تأكيد مسار المعالجة الحرارية. يستجيب الفولاذ الكربوني المتوسط ​​والعالي بشكل جيد لدورات التبريد والتلطيف؛ يعتمد الفولاذ منخفض الكربون على تصلب العلبة أو الكربنة بدلاً من ذلك.
4. وزن الآلات ضد الصلابة. المحتوى العالي من الكربون يعني عمومًا سرعات قطع أبطأ وتآكل أسرع للأداة أثناء المعالجة الثانوية.

غالبًا ما يقوم متجر الحدادة الذي يزود مصنعي السيارات أو المعدات الزراعية بتوحيد معايير مجموعة من الدرجات، الأكثر شيوعًا 1045 للعمود العام و 4140 حيث تكون هناك حاجة إلى نسبة أعلى من القوة إلى الوزن، وذلك على وجه التحديد لأن هذه الدرجات تقع في مكان جيد بين قابلية التشكيل وأداء الجزء النهائي.

المعالجة الحرارية بعد تزوير

نادرًا ما يوفر التشكيل وحده الخواص الميكانيكية النهائية للجزء. يحدد محتوى الكربون المعالجات الحرارية الممكنة بعد ذلك.

التطبيع

يتم تقريبًا تسوية جميع المطروقات المصنوعة من الفولاذ الكربوني بعد الحدادة، وتسخينها فوق درجة الحرارة الحرجة وتبريدها بالهواء، لتحسين بنية الحبوب وتخفيف الضغوط غير المتساوية التي خلفتها عملية الحدادة.

التبريد والتلطيف

يمكن تسقية الفولاذ ذو الكربون المتوسط والعالي في الزيت أو الماء لتكوين المارتينسيت، ثم تلطيفه لاستبدال بعض الصلابة بالصلابة. تحدد نسبة الكربون سقفًا للصلابة التي يمكن تحقيقها؛ لا يمكن للفولاذ الذي يحتوي على نسبة أقل من 0.30% من الكربون أن يصل إلى نفس صلابة المسقى مثل درجة 1060 أو 1080، بغض النظر عن شدة التسقية.

تصلب حالة الأجزاء منخفضة الكربون

الفولاذ منخفض الكربون الذي يحتاج إلى سطح شديد التآكل ولكن نواة صلبة، مثل التروس، يتم كربنة بدلاً من ذلك: ينتشر الكربون في السطح الخارجي عند درجة حرارة عالية، ثم يتم إخماد تلك الطبقة السطحية وحدها بقوة بينما يظل القلب منخفض الكربون قابلاً للسحب.

الأسئلة المتداولة

ما هي نسبة الكربون التي تجعل الفولاذ صلبًا بدرجة كافية لصنع الأدوات؟

تبدأ تطبيقات الأدوات بشكل عام 0.60% كربون وترتفع إلى 1.0% تقريبًا، نظرًا لأن هذا النطاق يتصلب جيدًا من خلال التبريد ويحمل حافة حادة.

هل يعني ارتفاع الكربون دائمًا فولاذًا أقوى؟

فقط إلى حد ما. ترتفع قوة الشد والإنتاج مع محتوى الكربون، ولكن بعد ما يقرب من 0.80-0.90% تتسطح المكاسب بينما تستمر الهشاشة في الزيادة، لذا فإن المزيد من الكربون ليس أفضل تلقائيًا لكل تطبيق.

لماذا يعتبر الفولاذ الكربوني المتوسط ​​أكثر مواد الحدادة شيوعًا؟

إنه يوفر أوسع نافذة عملية: ما يكفي من الكربون للتصلب من خلال المعالجة الحرارية، ولكنه مرن بدرجة كافية لتحمل قوى الضغط الناتجة عن الحدادة دون تكسير قطعة الخام.

هل يمكن تصنيع الفولاذ منخفض الكربون؟

نعم. يتم تشكيل الفولاذ منخفض الكربون بسهولة بسبب ليونته العالية، ويتم اختياره عادة للأجزاء التي سيتم لحامها أو التي تحتاج إلى قلب قوي مقاوم للصدمات بدلاً من صلابة السطح.

كيف يتم قياس محتوى الكربون في الجزء الفولاذي النهائي؟

يستخدم المنتجون تحليل الاحتراق أو التحليل الطيفي للانبعاث البصري لقياس نسبة الكربون مباشرة من العينة، ويتم الإبلاغ عن النتيجة على شهادة اختبار المطحنة المصاحبة للمادة.

ماذا يحدث إذا كان محتوى الكربون مرتفعًا جدًا بالنسبة لتطبيق الحدادة؟

يؤدي الكربون الزائد إلى تقليل الليونة إلى النقطة التي يمكن أن تتشقق فيها قطعة الخام أثناء الضغط، خاصة عند زوايا القالب والأقسام الرقيقة، ولهذا السبب تحدد محلات الحدادة نطاقات محتوى الكربون بدلاً من قبول تفاوتات المطحنة الواسعة.