Ανθρακούχος χάλυβας

Ο ανθρακούχος χάλυβας ή χάλυβας απλού άνθρακα, είναι ένα κράμα μετάλλων. Είναι συνδυασμός δύο στοιχείων, του σιδήρου και του άνθρακα. Άλλα στοιχεία είναι παρόντα σε ποσότητες πολύ μικρές για να επηρεάσουν τις ιδιότητές του. Τα μόνα άλλα στοιχεία που επιτρέπονται στον απλό ανθρακούχο χάλυβα είναι: μαγγάνιο (1,65% max), πυρίτιο (0,60% max) και χαλκός (0,60% max). Ο χάλυβας με χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα έχει τις ίδιες ιδιότητες με τον σίδηρο, μαλακός αλλά εύκολα διαμορφούμενος. Με περισσότερο άνθρακα το μέταλλο αποκτά σκληρότητα και αντοχή αλλά γίνεται λιγότερο όλκιμο και πιο δύσκολο στη συγκόλληση. Η υψηλότερη περιεκτικότητα σε άνθρακα μειώνει το σημείο τήξης του χάλυβα και γενικά την αντοχή του στη θερμοκρασία.

Τύποι ανθρακούχου χάλυβα

Τυπικές συνθέσεις άνθρακα είναι:

Ήπιος (χαμηλού άνθρακα) χάλυβας: περιεκτικότητα σε άνθρακα περίπου 0,05% έως 0,25% με περιεκτικότητα σε μαγγάνιο έως 0,4% (π.χ. χάλυβας AISI 1018). Λιγότερο ισχυρός αλλά φθηνός και εύκολος στη διαμόρφωση- η επιφανειακή σκληρότητα μπορεί να αυξηθεί μέσω ενανθράκωσης.
Χάλυβας μεσαίου άνθρακα: περίπου 0,14% έως 0,84% περιεκτικότητα σε άνθρακα με 0,60 έως 1,65% περιεκτικότητα σε μαγγάνιο (π.χ. χάλυβας AISI 1040). Εξισορροπεί την ολκιμότητα και την αντοχή και έχει καλή αντοχή στη φθορά- χρησιμοποιείται για μεγάλα εξαρτήματα, σφυρηλάτηση και εξαρτήματα αυτοκινήτων.
Χάλυβας με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα: περίπου 0,59% έως 0,65% περιεκτικότητα σε άνθρακα και 0,30 έως 0,90% περιεκτικότητα σε μαγγάνιο. Πολύ ισχυρός, χρησιμοποιείται για ελατήρια και σύρματα υψηλής αντοχής.
Χάλυβας πολύ υψηλού άνθρακα: περίπου 0,96% έως 2,1% περιεκτικότητα σε άνθρακα, ειδικά επεξεργασμένος για την παραγωγή συγκεκριμένων ατομικών και μοριακών μικροδομών.

Ο χάλυβας μπορεί να υποστεί θερμική κατεργασία, η οποία επιτρέπει την κατασκευή εξαρτημάτων σε μαλακή κατάσταση που μπορεί εύκολα να διαμορφωθεί. Εάν υπάρχει αρκετός άνθρακας, το κράμα μπορεί να σκληρυνθεί για να αυξηθεί η αντοχή, η φθορά και η αντοχή στην κρούση. Οι χάλυβες σφυρηλατούνται συχνά με μεθόδους ψυχρής κατεργασίας, η οποία είναι η διαμόρφωση του μετάλλου μέσω παραμόρφωσης σε χαμηλή θερμοκρασία ισορροπίας ή μετασταθερή θερμοκρασία.

Μεταλλουργία

Ο μαλακός χάλυβας είναι η πιο κοινή μορφή χάλυβα, καθώς η τιμή του είναι σχετικά χαμηλή, ενώ παρέχει ιδιότητες υλικού που είναι αποδεκτές για πολλές εφαρμογές. Ο ήπιος χάλυβας έχει χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα (έως 0,3%) και επομένως δεν είναι ούτε εξαιρετικά εύθραυστος ούτε όλκιμος. Γίνεται εύπλαστο όταν θερμαίνεται και έτσι μπορεί να σφυρηλατηθεί. Χρησιμοποιείται επίσης συχνά όταν πρέπει να διαμορφωθούν μεγάλες ποσότητες χάλυβα, για παράδειγμα ως δομικός χάλυβας. Η πυκνότητα αυτού του μετάλλου είναι 7861,093 kg/m³ (0,284 lb/in³) και η αντοχή σε εφελκυσμό είναι το πολύ 500 MPa (72500 psi).

Οι ανθρακούχοι χάλυβες που μπορούν να υποβληθούν επιτυχώς σε θερμική κατεργασία έχουν περιεκτικότητα σε άνθρακα από 0,30% έως 1,70% κατά βάρος. Ιχνοστοιχεία προσμίξεων διαφόρων άλλων στοιχείων μπορούν να έχουν σημαντική επίδραση στην ποιότητα του χάλυβα που προκύπτει. Ιχνοστοιχεία θείου καθιστούν τον χάλυβα "ερυθρό κοντό", το οποίο αποτελεί ελάττωμα: ο χάλυβας είναι εύθραυστος και εύθρυπτος. Ο χάλυβας άνθρακα με χαμηλό κράμα, όπως ο χάλυβας ποιότητας Α36, περιέχει περίπου 0,05% θείο και λιώνει γύρω στους 1426-1538 °C (2600-2800 °F). Το μαγγάνιο προστίθεται συχνά για να βελτιωθεί η σκληρυνσιμότητα των χαλύβων χαμηλού άνθρακα. Αυτές οι προσθήκες μετατρέπουν το υλικό σε χάλυβα χαμηλού κράματος σύμφωνα με ορισμένους ορισμούς, αλλά ο ορισμός του AISI για τον ανθρακούχο χάλυβα επιτρέπει έως και 1,65% μαγγάνιο κατά βάρος.

Ο σκληρυμένος χάλυβας αναφέρεται συνήθως σε σβησμένο ή σβησμένο και σκληρυμένο χάλυβα.

Ο ασημένιος χάλυβας ή ο γυαλιστερός χάλυβας υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα, παίρνει το όνομά του από την εμφάνισή του, λόγω της υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα. Είναι ένας χάλυβας πολύ υψηλού άνθρακα ή μπορεί να θεωρηθεί ως ένας από τους καλύτερους χάλυβες υψηλού άνθρακα. Ορίζεται σύμφωνα με τα πρότυπα προδιαγραφών χάλυβα BS-1407. Πρόκειται για χάλυβα εργαλείων με 1% άνθρακα, ο οποίος μπορεί να λειανθεί σε στενές ανοχές. Συνήθως το εύρος του άνθρακα είναι τουλάχιστον 1,10% αλλά και 1,20%. Περιέχει επίσης ιχνοστοιχεία 0,35% Mn (εύρος 0,30%-0,40%), 0,40% Cr (εύρος 0,4%-0,5%), 0,30% Si (εύρος 0,1%-0,3%), και επίσης μερικές φορές θείο (μέγιστο 0,035%) και φώσφορο (μέγιστο 0,035%). Ο ασημένιος χάλυβας χρησιμοποιείται μερικές φορές για την κατασκευή ξυραφιών, λόγω της ικανότητάς του να παράγει και να διατηρεί μια μικρολεπτή ακμή.

Θερμικές επεξεργασίες

Ο σκοπός της θερμικής κατεργασίας του χάλυβα απλού άνθρακα είναι να μεταβληθούν οι μηχανικές ιδιότητες του χάλυβα, συνήθως η ολκιμότητα, η σκληρότητα, το όριο διαρροής και η αντοχή στην κρούση.

Διάγραμμα φάσεων σιδήρου-άνθρακα, που δείχνει τις περιοχές θερμοκρασίας και άνθρακα για ορισμένους τύπους θερμικών κατεργασιών.

Ερωτήσεις και απαντήσεις

Q: Τι είναι ο χάλυβας άνθρακα;

A: Ο ανθρακούχος χάλυβας είναι ένα κράμα μετάλλων που αποτελείται από δύο στοιχεία, τον σίδηρο και τον άνθρακα.

Ερ: Υπάρχουν άλλα στοιχεία που μπορεί να υπάρχουν στον απλό χάλυβα άνθρακα;

A: Ναι, άλλα στοιχεία όπως το μαγγάνιο (1,65% max), το πυρίτιο (0,60% max) και ο χαλκός (0,60% max) μπορούν να υπάρχουν σε μικρές ποσότητες.

Ε: Ποιες είναι οι ιδιότητες του χάλυβα απλού άνθρακα με χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα;

Α: Ο χάλυβας απλού άνθρακα με χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα έχει τις ίδιες ιδιότητες με τον σίδηρο - είναι μαλακός και εύκολα διαμορφώσιμος.

Ερ: Πώς επηρεάζει η προσθήκη περισσότερου άνθρακα τις ιδιότητες του ανθρακούχου χάλυβα;

Α: Η προσθήκη περισσότερου άνθρακα κάνει το μέταλλο να αποκτά σκληρότητα και αντοχή, αλλά γίνεται λιγότερο όλκιμο και πιο δύσκολο στη συγκόλληση.

Ερ: Υπάρχει όριο στην ποσότητα μαγγανίου που μπορεί να υπάρχει στον απλό ανθρακούχο χάλυβα;

Α: Ναι, η μέγιστη ποσότητα μαγγανίου που μπορεί να υπάρχει σε χάλυβα απλού άνθρακα είναι 1,65%.

Ερ: Η υψηλότερη περιεκτικότητα σε άνθρακα επηρεάζει το σημείο τήξης του χάλυβα;

Α: Ναι, η υψηλότερη περιεκτικότητα σε άνθρακα μειώνει το σημείο τήξης του χάλυβα.

Ερ: Επηρεάζει η υψηλότερη περιεκτικότητα σε άνθρακα τη θερμοκρασιακή αντοχή του χάλυβα γενικά;

Α: Ναι, η υψηλότερη περιεκτικότητα σε άνθρακα μειώνει επίσης τη θερμοκρασιακή αντοχή του χάλυβα γενικά.