Ogljikovo jeklo: definicija, vrste, sestava in lastnosti
Ogljikovo jeklo ali navadno ogljikovo jeklo je kovinska zlitina. Je kombinacija dveh elementov, železa in ogljika. Drugi elementi so prisotni v premajhnih količinah, da bi vplivali na njegove lastnosti. Edini dovoljeni elementi v navadnem ogljikovem jeklu so: mangan (največ 1,65 %), silicij (največ 0,60 %) in baker (največ 0,60 %). Jeklo z nizko vsebnostjo ogljika ima enake lastnosti kot železo, je mehko, vendar lahko oblikovano. Z več ogljika kovina pridobiva na trdoti in trdnosti, vendar postane manj duktilna in težje varljiva. Večja vsebnost ogljika zniža tališče jekla in na splošno njegovo temperaturno odpornost.
Sestava in razvrstitev
Ogljikovo jeklo je opredeljeno predvsem po vsebnosti ogljika. Splošne kategorije so:
- Nizkoogljično jeklo (približno < 0,25 % C) – dobro oblikovljivo in varljivo, uporablja se za pločevino, profile, cevi in konstrukcije.
- Srednjeogljično jeklo (približno 0,25–0,60 % C) – višja trdnost in vzdržljivost; pogosto v mehanski opremi, osih, zobnikih in varjenih konstrukcijah.
- Visokoogljično jeklo (približno 0,60–1,0 % C) – veliko trdote in odpornosti proti obrabi; uporablja se za vzmeti, orodja in rezalne elemente (čeprav za zahtevnejša orodja običajno uporabljamo legirana orodna jekla).
- Zelo visokoogljično jeklo (> 1,0 % C) – redko pri običajnih konstrukcijah, bolj v posebnih aplikacijah in livarskih zlitinah.
Poleg ogljika so v navadnem ogljikovem jeklu omejeni tudi drugi elementi: mangan, silicij in baker v navedenih mejah. V praksi se pogosto uporabljajo tudi nomenklature po sistemu AISI/SAE (npr. 10xx serija, kjer "xx" predstavljata vsebnost ogljika v stotinkah odstotka: npr. 1018 ≈ 0,18 % C, 1045 ≈ 0,45 % C).
Fizikalne in mehanske lastnosti
- Trdota in natezna trdnost: naraščata z večjo vsebnostjo ogljika.
- Plastičnost in duktilnost: se zmanjšujeta z naraščanjem ogljika; nizkoogljična jekla so najbolj duktilna in enostavna za oblikovanje.
- Obdelovalnost in varljivost: nizkoogljična jekla so enostavno varljiva in obdelana; pri srednje in visokoogljičnih jeklih je potrebno paziti na pregrevanje, predgrevanje in postopek varjenja zaradi tveganja razpok.
- Toplotne lastnosti: tališče navadnih ogljikovih jekel je nekoliko nižje kot pri čistemu železu; z več ogljika se tališče postopoma znižuje (v okviru žel.-oglj. diagrama).
- Odpornost proti obrabi: raste z vsebnostjo ogljika, zato se višje vsebnosti uporabljajo tam, kjer je pomembna odpornost proti obrabi in abraziji.
- Korozijska obstojnost: navadno ogljikovo jeklo nima večje odpornosti proti rji; za zaščito se uporabljajo premazi, barve, galvanizacija ali plastifikacija.
Toplotna obdelava
Navadna ogljikova jekla dobro reagirajo na osnovne postopke toplotne obdelave:
- Žarjenje (annealing): zmanjša napetosti, izboljša obdelovalnost in zmehča material.
- Kaljenje (quenching): pri primerni temperaturi in hitrem ohlajanju tvori trdnejše strukture (pri dovolj visoki vsebnosti ogljika).
- Popuščanje (tempering): uravnoveša trdoto in žilavost po kaljenju; omogoča nastavljanje lastnosti glede na zahteve uporabe.
Pri zelo nizki vsebnosti ogljika je kaljenje manj učinkovito, saj jeklo ne more razviti bistveno trdnejše strukture.
Uporaba
- Nizkoogljično jeklo: avtomobilski deli, konstrukcije, cevi, pločevina, žica.
- Srednjeogljično jeklo: osi, gredi, zobniki, mehanski deli, kovane in tople obdelane komponente.
- Visokoogljično jeklo: vzmeti, rezila, orodja (v kombinaciji z ustreznimi toplotnimi obdelavami), žična orodja in drugi deli, kjer je potrebna visoka trdota.
Prednosti in omejitve
- Prednosti: nizka cena, enostavnost predelave (pri nizkih vsebnostih C), široka razpoložljivost, možnost spreminjanja lastnosti s toplotno obdelavo.
- Omejitve: slabša odpornost proti koroziji, slabša varljivost in večja krhkost pri višjih vsebnostih ogljika, omejena temperaturna odpornost za visoke temperature.
Praktični nasveti pri izbiri
- Izberite nizkoogljično jeklo, če potrebujete dobro varljivost, oblikovljivost in nižje stroške.
- Za bolj obrabno odporne komponente ali vzmeti izberite srednje ali visokoogljična jekla in uporabite primerno toplotno obdelavo.
- Pri varjenju višjeogljičnih jekel upoštevajte predgretje in kontrolirano ohlajanje, da preprečite nastanek razpok.
- Za okolja z visoko korozijo uporabite zaščitne premaze ali zamenjajte za legirana nerjaveča jekla, če je to mogoče.
Ogljikovo jeklo ostaja temeljna skupina materialov v industriji zaradi svoje vsestranskosti in stroškovne učinkovitosti. Pravilna izbira znotraj razredov ogljikovega jekla in ustrezna toplotna obdelava omogočata doseganje zahtevanih mehanskih lastnosti za širok spekter aplikacij.
Vrste ogljikovega jekla
Značilne sestave ogljika so:
- Blago (nizkoogljično) jeklo: približno 0,05 % do 0,25 % vsebnost ogljika in do 0,4 % mangana (npr. jeklo AISI 1018). Manj močno, vendar poceni in enostavno za oblikovanje; površinsko trdoto je mogoče povečati z razogljičenjem.
- Srednje ogljikovo jeklo: približno 0,14 % do 0,84 % vsebnost ogljika z 0,60 % do 1,65 % vsebnostjo mangana (npr. jeklo AISI 1040). Uravnoteženo duktilnost in trdnost ter dobra odpornost proti obrabi; uporablja se za velike dele, kovanje in avtomobilske dele.
- Visokoogljično jeklo: približno 0,59 % do 0,65 % vsebnost ogljika in 0,30 % do 0,90 % vsebnost mangana. Zelo močno, uporablja se za vzmeti in žice visoke trdnosti.
- Jeklo z zelo visoko vsebnostjo ogljika: približno 0,96 % do 2,1 % vsebnosti ogljika, posebej obdelano za ustvarjanje specifičnih atomskih in molekularnih mikrostruktur.
Jeklo je mogoče toplotno obdelati, kar omogoča izdelavo delov v mehkem stanju, ki ga je mogoče zlahka broditi. Če je prisotnega dovolj ogljika, se lahko zlitina strdi, da se poveča trdnost, odpornost proti obrabi in udarcem. Jekla se pogosto kujejo s hladno obdelavo, ki je oblikovanje kovine z deformacijo pri nizki ravnovesni ali meta stabilni temperaturi.
Metalurgija
Blago jeklo je najpogostejša oblika jekla, saj je njegova cena razmeroma nizka, hkrati pa zagotavlja lastnosti materiala, ki so sprejemljive za številne aplikacije. Blago jeklo ima nizko vsebnost ogljika (do 0,3 %) in zato ni niti izjemno krhko niti duktilno. Pri segrevanju postane kovalno, zato ga je mogoče kovati. Pogosto se uporablja tudi tam, kjer je treba oblikovati velike količine jekla, na primer kot konstrukcijsko jeklo. Gostota te kovine je 7861,093 kg/m³ (0,284 lb/in³), natezna trdnost pa največ 500 MPa (72500 psi).
Ogljikova jekla, ki se lahko uspešno toplotno obdelajo, vsebujejo od 0,30 % do 1,70 masnega deleža ogljika. Primesi različnih drugih elementov v sledovih lahko pomembno vplivajo na kakovost pridobljenega jekla. Količine žvepla v sledovih povzročijo, da jeklo postane "rdeče kratko", kar je napaka: jeklo je krhko in drobljivo. Nizko legirano ogljikovo jeklo, kot je razred A36, vsebuje približno 0,05 % žvepla in se tali pri temperaturi približno 1426-1538 °C (2600-2800 °F). Za izboljšanje kaljivosti nizkoogljičnih jekel se pogosto dodaja mangan. Zaradi teh dodatkov se material po nekaterih definicijah spremeni v nizko legirano jeklo, vendar definicija AISI za ogljikovo jeklo dovoljuje do 1,65 masnega deleža mangana.
Kaljeno jeklo se običajno nanaša na kaljeno ali kaljeno in kaljeno jeklo.
Srebrno jeklo ali visokoogljično svetlo jeklo dobi ime po svojem videzu zaradi visoke vsebnosti ogljika. Gre za jeklo z zelo visoko vsebnostjo ogljika ali za eno najboljših jekel z visoko vsebnostjo ogljika. Opredeljeno je v skladu s standardi specifikacije jekla BS-1407. To je orodno jeklo z 1 % ogljika, ki ga je mogoče brusiti z majhnimi tolerancami. Običajno je razpon ogljika najmanj 1,10 % in največ 1,20 %. Vsebuje tudi elemente v sledeh: 0,35 % Mn (razpon 0,30-0,40 %), 0,40 % Cr (razpon 0,4-0,5 %), 0,30 % Si (razpon 0,1-0,3 %), včasih tudi žveplo (največ 0,035 %) in fosfor (največ 0,035 %). Srebrno jeklo se včasih uporablja za izdelavo ravnih britvic, saj je zmožno izdelati in obdržati zelo tanek rob.
Toplotna obdelava
Namen toplotne obdelave navadnega ogljikovega jekla je spremeniti mehanske lastnosti jekla, običajno duktilnost, trdoto, mejo plastičnosti in odpornost proti udarcem.
Fazni diagram železo-ogljik, ki prikazuje temperaturna in ogljikova območja za določene vrste toplotne obdelave.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je ogljikovo jeklo?
O: Ogljikovo jeklo je kovinska zlitina, ki je sestavljena iz dveh elementov, železa in ogljika.
V: Ali so v navadnem ogljikovem jeklu lahko prisotni še kakšni drugi elementi?
O: Da, drugi elementi, kot so mangan (največ 1,65 %), silicij (največ 0,60 %) in baker (največ 0,60 %), so lahko prisotni v majhnih količinah.
V: Kakšne so lastnosti navadnega ogljikovega jekla z nizko vsebnostjo ogljika?
O: Navadno ogljikovo jeklo z nizko vsebnostjo ogljika ima enake lastnosti kot železo - je mehko in lahko oblikovano.
V: Kako dodatek več ogljika vpliva na lastnosti ogljikovega jekla?
O: Z dodajanjem več ogljika kovina pridobi na trdoti in trdnosti, vendar postane manj duktilna in jo je težje variti.
V: Ali je količina mangana, ki je lahko prisotna v navadnem ogljikovem jeklu, omejena?
O: Da, največja količina mangana, ki je lahko prisotna v navadnem ogljikovem jeklu, je 1,65 %.
V: Ali višja vsebnost ogljika vpliva na tališče jekla?
O: Da, večja vsebnost ogljika znižuje tališče jekla.
V: Ali višja vsebnost ogljika vpliva na temperaturno odpornost jekla na splošno?
O: Da, večja vsebnost ogljika na splošno znižuje temperaturno odpornost jekla.
