คาร์บอนในเหล็กกล้าคืออะไร? คู่มือเนื้อหา เกรด และการตีขึ้นรูป

คาร์บอนเป็นองค์ประกอบเดี่ยวที่แยกเหล็กธรรมดาออกจากเหล็กกล้า และปริมาณที่มีอยู่ โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 0.05% และ 2.0% โดยน้ำหนัก ตัดสินใจเกือบทุกอย่างเกี่ยวกับพฤติกรรมของเหล็กชิ้นหนึ่งภายใต้น้ำหนักบรรทุก ความร้อน และค้อนทุบ เปอร์เซ็นต์คาร์บอนที่เพิ่มขึ้นจะทำให้โลหะมีความแข็งและความต้านทานแรงดึงเพิ่มขึ้น แต่จะสูญเสียความเหนียวและความสามารถในการเชื่อม ลดระดับลงและเหล็กยังคงความอ่อน ขึ้นรูปได้ และเชื่อมง่าย แต่ไม่สามารถยึดขอบแข็งหรือความแข็งแรงสูงได้หากไม่ได้รับความช่วยเหลือจากองค์ประกอบโลหะผสม ใบรับรองของโรงสีทุกฉบับ รูปวาดการตีขึ้นรูปทุกรายการ และการกำหนดเกรดทุกรายการ เช่น 1045 หรือ 4140 จะย้อนกลับไปที่อัตราส่วนนี้

สิ่งที่คาร์บอนทำจริงภายในเหล็ก

เหล็กโดยตัวมันเองนั้นเป็นโลหะที่อ่อนนุ่มและค่อนข้างอ่อนแอ เมื่ออะตอมของคาร์บอนถูกนำมาใช้ในระหว่างการถลุง พวกมันจะอยู่ระหว่างอะตอมของเหล็กในโครงตาข่ายคริสตัลและก่อตัวเป็นสารประกอบที่เรียกว่าซีเมนไทต์ (ไอรอนคาร์ไบด์ Fe3C) ควบคู่ไปกับสารละลายของแข็งที่เรียกว่าเฟอร์ไรต์ ความสมดุลระหว่างโครงสร้างจุลภาคทั้งสองนี้ และต่อมาระหว่างเพิร์ลไลต์ มาร์เทนไซต์ และเบนไนต์หลังการบำบัดความร้อน เป็นสิ่งที่ทำให้เหล็กมีลักษณะทางกล

วิธีที่มีประโยชน์ในการจินตนาการ: เฟอร์ไรต์เป็นส่วนที่อ่อนนุ่ม เป็นแม่เหล็ก และโค้งงอได้ง่าย ในขณะที่ซีเมนต์ไทต์นั้นแข็งและเปราะ เมื่อปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้น จะเกิดซีเมนต์ไนต์มากขึ้น และความแข็งของเหล็กก็เพิ่มขึ้นเป็นเส้นโค้งที่สามารถคาดเดาได้ นักโลหะวิทยาติดตามความสัมพันธ์นี้มาตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 20 และยังคงเป็นพื้นฐานของแผนภาพเฟสเหล็ก-คาร์บอนที่ใช้ในห้องเรียนโลหะวิทยาทุกแห่งในปัจจุบัน

เหตุใดจึงวัดปริมาณคาร์บอนเป็นเศษส่วนของเปอร์เซ็นต์

เพราะผลกระทบของคาร์บอนนั้นรุนแรงมาก ความแตกต่างเพียงเล็กน้อยเท่านั้น 0.10% เปลี่ยนประเภทเหล็กและการใช้งานที่เหมาะสม เหล็ก 1020 (คาร์บอน 0.20%) ไม่มีอะไรเหมือนกับเหล็กกล้า 1095 (คาร์บอน 0.95%) แม้ว่าทั้งสองจะเป็นเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาในทางเทคนิคก็ตาม นี่คือสาเหตุที่ผู้ผลิตเหล็กรายงานปริมาณคาร์บอนเป็นร้อยเปอร์เซ็นต์ในรายงานการทดสอบของโรงงาน แทนที่จะปัดเศษเป็นจำนวนเต็มที่ใกล้ที่สุด

การจำแนกประเภทเหล็กกล้าคาร์บอนตามเปอร์เซ็นต์

เหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาแบ่งออกเป็นสี่ตระกูลใหญ่ๆ ตามปริมาณคาร์บอน แต่ละตระกูลมีชุดการใช้งานทั่วไปที่แตกต่างกัน และผู้หลอมจะเลือกจากกลุ่มเหล่านี้โดยพิจารณาจากความสมดุลของความแข็งแกร่ง ความทนทาน และความสามารถในการแปรรูปที่ชิ้นส่วนสำเร็จรูปต้องการ

ข้างบนประมาณ คาร์บอน 2.0% วัสดุดังกล่าวไม่ได้จัดอยู่ในประเภทเหล็กอีกต่อไป มันกลายเป็นเหล็กหล่อ ซึ่งจะเปราะกว่ามาก และมีรูปร่างโดยการหล่อมากกว่าการตีหรือการรีด

ปริมาณคาร์บอนเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกลอย่างไร

ความสัมพันธ์ระหว่างคาร์บอนและสมรรถนะทางกลเป็นหนึ่งในแนวโน้มที่สอดคล้องกันมากที่สุดในด้านวิศวกรรมวัสดุ เมื่อเปอร์เซ็นต์คาร์บอนเพิ่มขึ้น คุณสมบัติสี่ประการจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่คาดเดาได้:

• ความแข็งเพิ่มขึ้น — ซีเมนต์มากขึ้นในโครงสร้างจุลภาคต้านทานการเยื้องและการเสียดสี
• ความต้านทานแรงดึงเพิ่มขึ้น — จนถึงจุดหนึ่ง คาร์บอนที่เพิ่มขึ้นจะทำให้เหล็กรับน้ำหนักได้มากขึ้นก่อนที่จะเกิดความเสียหาย
• ความเหนียวตก — เหล็กจะโค้งงอและยืดน้อยลงก่อนจะแตกร้าว ดังนั้นการขึ้นรูปเย็นจึงทำได้ยากขึ้น
• ความสามารถในการเชื่อมลดลง — เหล็กกล้าคาร์บอนที่สูงกว่ามีแนวโน้มที่จะแตกร้าวในบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนมากกว่า เว้นแต่จะได้รับความร้อนก่อนและควบคุมอย่างระมัดระวัง

นี่คือสาเหตุที่เพลาเพลายานยนต์หลอมซึ่งต้องการทั้งความแข็งแกร่งและความสามารถในการดูดซับแรงกระแทกโดยไม่ทำให้แตกกระจาย โดยทั่วไปจะใช้เกรดคาร์บอนปานกลาง เช่น 1045 แทนที่จะเข้าถึงเหล็กกล้าคาร์บอนสูงที่จะแข็งแกร่งขึ้นในการทดสอบในห้องปฏิบัติการ แต่เปราะเกินไปสำหรับการกระแทกกับถนน

ปริมาณคาร์บอนและ การตีเหล็ก กระบวนการ

การตีเหล็กให้เป็นโลหะโดยการอัดขึ้นรูปพลาสติก โดยใช้ค้อน เครื่องอัด หรือม้วนเพื่อบังคับเหล็กที่ได้รับความร้อนให้เป็นแม่พิมพ์หรือแบบที่ต้องการ ปริมาณคาร์บอนจะควบคุมเกือบทุกการตัดสินใจของร้านขายเหล็กก่อนที่ค้อนจะกระแทกครั้งแรก

การปลอมหน้าต่างอุณหภูมิ

โดยทั่วไปแล้วเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำและปานกลางจะถูกหลอมระหว่าง 1150°C และ 1250°C (ประมาณ 2,100°F ถึง 2,280°F) โดยที่วัสดุอยู่ในสถานะออสเทนนิติกและไหลได้อย่างง่ายดายภายใต้ความกดดัน เหล็กกล้าคาร์บอนสูงมักจะถูกหลอมที่ส่วนล่างสุดของช่วงนั้น เนื่องจากความร้อนที่มากเกินไปรวมกับปริมาณคาร์บอนสูงจะกระตุ้นให้เกิดการเจริญเติบโตของเกรนและการแยกชิ้นส่วนของพื้นผิว ซึ่งทำให้ชิ้นงานที่เสร็จแล้วอ่อนแอลง

เหตุใด Forgers จึงชอบเกรดคาร์บอนปานกลาง

เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง เช่น 1040, 1045 และ 4140 ครองอุตสาหกรรมการตีขึ้นรูปเนื่องจากมีความสมดุลในการใช้งาน โดยมีคาร์บอนเพียงพอที่จะตอบสนองต่อการบำบัดความร้อนหลังการตีขึ้นรูป เช่น การชุบแข็งและการอบคืนสภาพ แต่ไม่มากจนทำให้แท่งเหล็กแตกใต้แม่พิมพ์ ส่วนประกอบต่างๆ เช่น เพลาข้อเหวี่ยง ก้านสูบ เกียร์ หน้าแปลน และเครื่องมือช่าง มักจะถูกหล่อขึ้นจากแถบตรงกลางนี้ แทนที่จะหล่อจากสุดขั้ว

การไหลของเกรนและความแข็งแกร่งเพิ่มขึ้น

การตีขึ้นรูปทำได้มากกว่าเหล็กรูปทรง มันจัดแนวโครงสร้างเกรนภายในตามแนวโค้งของชิ้นส่วน ส่วนประกอบที่หลอมจะเป็นไปตามเส้นการไหลของเกรนอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่ชิ้นส่วนที่กลึงหรือหล่อจะตัดผ่านเกรนหรือไม่มีเลย การทดสอบในอุตสาหกรรมแสดงให้เห็นหลายครั้งว่าชิ้นส่วนเหล็กหลอมสามารถทนต่อความล้าได้สูงกว่าชิ้นส่วนหล่อหรือกลึงที่มีองค์ประกอบทางเคมีเหมือนกัน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเหล็กกล้าคาร์บอนหลอมจึงยังคงเป็นมาตรฐานสำหรับส่วนประกอบที่มีความสำคัญด้านความปลอดภัย เช่น สนับมือบังคับเลี้ยวและเพลาข้อเหวี่ยง

เหล็กกล้าคาร์บอนเปรียบเทียบกับโลหะผสมเหล็กและเหล็กกล้าไร้สนิม

ปริมาณคาร์บอนเพียงอย่างเดียวไม่สามารถบอกเล่าเรื่องราวทั้งหมดได้เมื่อมีองค์ประกอบอื่นๆ เข้ามาผสมกัน การทำความเข้าใจว่าเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาอยู่ที่ใดเมื่อเทียบกับญาติที่เป็นอัลลอยด์ ช่วยอธิบายได้ว่าทำไมการหล่อขึ้นรูปจึงต้องใช้ครอบครัวหนึ่งมากกว่าอีกครอบครัวหนึ่ง

ในทางปฏิบัติ วิศวกรจัดซื้อจะเลือกเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาเมื่อชิ้นส่วนจะถูกเคลือบ ทาสี หรือเก็บไว้ภายในอาคาร และเอื้อมมือไปเกรดโลหะผสมหรือสเตนเลสเมื่อการใช้งานต้องการความต้านทานการกัดกร่อนหรือความสามารถในการชุบแข็งที่สูงขึ้นผ่านหน้าตัดที่หนาขึ้น

การเลือกเกรดเหล็กกล้าคาร์บอนสำหรับชิ้นส่วนฟอร์จ

การเลือกเปอร์เซ็นต์คาร์บอนที่เหมาะสมคือความสมดุลระหว่างคำถาม 3 ข้อ ได้แก่ ชิ้นส่วนต้องมีความแข็งแรงเพียงใด ชิ้นส่วนนั้นจะดูดซับแรงกระแทกหรือความเมื่อยล้าได้มากน้อยเพียงใด และจะต้องตัดเฉือนหรือประกอบอย่างไรในภายหลัง

1. ระบุประเภทของโหลด โหลดแบบคงที่สามารถทนต่อปริมาณคาร์บอนที่สูงขึ้น การรับแรงกระแทกซ้ำๆ จะได้คาร์บอนปานกลางที่มีความเหนียวดี
2. ตรวจสอบการดำเนินการหลังการปลอมแปลง หากชิ้นส่วนจะถูกเชื่อมปลายน้ำ ให้รักษาปริมาณคาร์บอนให้ต่ำกว่า 0.30% โดยประมาณ เว้นแต่ว่าการอุ่นและระบายความร้อนแบบควบคุมจะเป็นส่วนหนึ่งของแผนกระบวนการ
3. ยืนยันเส้นทางการรักษาความร้อน เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลางและสูงตอบสนองต่อวงจรการดับและการอบคืนตัวได้ดี เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำต้องอาศัยการชุบผิวแข็งหรือคาร์บูไรซิ่งแทน
4. ชั่งน้ำหนักความสามารถในการแปรรูปเทียบกับความแข็ง โดยทั่วไปปริมาณคาร์บอนที่สูงขึ้นหมายถึงความเร็วตัดช้าลงและการสึกหรอของเครื่องมือเร็วขึ้นระหว่างการตัดเฉือนขั้นที่สอง

ร้านขายอุปกรณ์ตีเหล็กที่จำหน่ายผู้ผลิตอุปกรณ์ยานยนต์หรือการเกษตรมักจะกำหนดมาตรฐานไว้ไม่กี่เกรด โดยทั่วไปส่วนใหญ่ 1045 สำหรับเพลาทั่วไปและ 4140 ในกรณีที่ต้องการอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่สูงกว่า เนื่องจากเกรดเหล่านี้อยู่ในจุดที่เหมาะสมระหว่างความสามารถในการขึ้นรูปและประสิทธิภาพของชิ้นงานสำเร็จรูป

การรักษาความร้อนหลังจากการตีขึ้นรูป

การตีขึ้นรูปเพียงอย่างเดียวแทบจะไม่ได้ให้คุณสมบัติทางกลขั้นสุดท้ายของชิ้นส่วนเลย ปริมาณคาร์บอนเป็นตัวกำหนดว่าการบำบัดความร้อนแบบใดที่เป็นไปได้ในภายหลัง

การทำให้เป็นมาตรฐาน

การตีขึ้นรูปเหล็กกล้าคาร์บอนเกือบทั้งหมดจะถูกทำให้เป็นมาตรฐานหลังจากการตีขึ้นรูป โดยให้ความร้อนสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤตและระบายความร้อนด้วยอากาศ เพื่อปรับปรุงโครงสร้างของเกรนและบรรเทาความเครียดที่ไม่สม่ำเสมอที่หลงเหลือจากกระบวนการตีขึ้นรูป

การดับและการแบ่งเบาบรรเทา

เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลางและสูงสามารถชุบแข็งในน้ำมันหรือน้ำเพื่อสร้างมาร์เทนไซต์ จากนั้นจึงนำไปชุบแข็งเพื่อเปลี่ยนความแข็งบางส่วนกลับเป็นความเหนียว เปอร์เซ็นต์คาร์บอนกำหนดเพดานความแข็งที่ทำได้ เหล็กที่มีคาร์บอนต่ำกว่าประมาณ 0.30% จะไม่สามารถเข้าถึงความแข็งที่ดับแล้วได้เท่ากับเกรด 1060 หรือ 1080 โดยไม่คำนึงถึงความรุนแรงในการดับไฟ

การชุบแข็งเคสสำหรับชิ้นส่วนคาร์บอนต่ำ

เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำที่ต้องการพื้นผิวที่สึกหรอแข็งแต่แกนที่แข็ง เช่น เกียร์ จะถูกคาร์บูไรซ์แทน คาร์บอนจะกระจายเข้าสู่พื้นผิวด้านนอกที่อุณหภูมิสูง จากนั้นชั้นพื้นผิวเพียงชั้นเดียวก็จะถูกดับอย่างแข็ง ในขณะที่แกนคาร์บอนต่ำยังคงความเหนียวอยู่

คำถามที่พบบ่อย

เปอร์เซ็นต์คาร์บอนที่ทำให้เหล็กแข็งเพียงพอสำหรับเครื่องมือ?

การใช้งานเครื่องมือโดยทั่วไปจะเริ่มต้นประมาณนี้ คาร์บอน 0.60% และขึ้นไปประมาณ 1.0% เนื่องจากช่วงนี้จะแข็งตัวได้ดีผ่านการชุบแข็งและคงคมไว้

คาร์บอนที่สูงขึ้นหมายถึงเหล็กที่แข็งแกร่งขึ้นเสมอไปหรือไม่?

ถึงจุดหนึ่งเท่านั้น แรงดึงและความแข็งแรงครากจะไต่ขึ้นตามปริมาณคาร์บอน แต่เมื่อผ่านไปประมาณ 0.80-0.90% ค่าที่เพิ่มขึ้นจะเรียบลงในขณะที่ความเปราะบางยังคงเพิ่มขึ้น ดังนั้นคาร์บอนที่มากขึ้นจึงไม่ดีขึ้นโดยอัตโนมัติสำหรับทุกการใช้งาน

เหตุใดเหล็กกล้าคาร์บอนปานกลางจึงเป็นวัสดุการตีขึ้นรูปที่พบมากที่สุด

มีหน้าต่างการใช้งานที่กว้างที่สุด: คาร์บอนเพียงพอที่จะแข็งตัวผ่านการบำบัดความร้อน แต่ยังเหนียวพอที่จะทนต่อแรงอัดของการตีขึ้นรูปโดยไม่ทำให้เหล็กแท่งแตก

เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำสามารถปลอมแปลงได้หรือไม่?

ใช่. เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำหลอมได้ง่ายเนื่องจากมีความเหนียวสูง และมักเลือกใช้สำหรับชิ้นส่วนที่จะเชื่อมหรือต้องการแกนที่ทนทานและทนต่อแรงกระแทกมากกว่าความแข็งของพื้นผิว

ปริมาณคาร์บอนในชิ้นส่วนเหล็กสำเร็จรูปมีการวัดอย่างไร

ผู้ผลิตใช้การวิเคราะห์การเผาไหม้หรือสเปกโทรสโกปีการปล่อยแสงเพื่อวัดเปอร์เซ็นต์คาร์บอนโดยตรงจากตัวอย่าง และผลลัพธ์จะถูกรายงานในใบรับรองการทดสอบของโรงงานที่มาพร้อมกับวัสดุ

จะเกิดอะไรขึ้นหากปริมาณคาร์บอนสูงเกินไปสำหรับการหลอมโลหะ?

คาร์บอนส่วนเกินจะช่วยลดความเหนียวจนถึงจุดที่บิลเล็ตสามารถแตกได้ในระหว่างการบีบอัด โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่มุมดายและส่วนที่บาง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมโรงตีเหล็กจึงระบุช่วงปริมาณคาร์บอน แทนที่จะยอมรับความคลาดเคลื่อนของโรงสีในวงกว้าง