Teadmised

Süsinik

Aatominumber: 6

Tihedus (20 °C): 2.3 g/cm³

Aatommass: 12.01

Sulamistemperatuur: > 3550 °C (6422 °F)

Keemistemperatuur: 4827 °C (8721 °F)

Ülevaade

Süsinik on terase ja malmi kõige olulisem legeerelement, mis määrab peamiselt sepistes ja valandites saavutatavate mehaaniliste omaduste laia ulatuse. Kui rauapõhiste sulamite süsinikusisaldus ületab 2.0% (välja arvatud rauasulamid), klassifitseeritakse need malmiks. Metallurgilise klassifikatsiooni järgi jaotatakse tavaline süsinikteras hüpoeutektoidse terase klassiks ja hüpereutektoidse terase klassiks vastavalt sellele, kas süsinikusisaldus on alla või üle 0.80%. Teiste legeerivate elementide (nagu mangaan, räni, nikkel jne) lisamine võib muuta süsinikusisaldust eutektoidpunktis ja võib selle punkti isegi kaotada. Süsiniku piirangud on viinud madala süsinikusisaldusega mikrolegeeritud terase väljatöötamiseni. Selles peatükis käsitletakse aga ainult terast ja malmi, mille peamiseks legeerelemendiks on süsinik, jättes tähelepanuta muude elementide olemasolu, mis jäävad alles pärast deoksüdatsiooni või on vajalikud väävli kontrollimiseks.

Süsinik on peaaegu kogu terases terase valmistamise algusest peale. Terasetootmise toorained (sularaud, toormalm, vanaraud, rauasulamid jne) sisaldavad tavaliselt suuremat süsinikusisaldust, kui lõpptootes nõutakse. Terase tootmisprotsessi käigus eemaldatakse süsinik oksüdatsioonireaktsioonide kaudu ja terast saab koputada, kui süsinikusisaldus on saavutatud (veidi madalam kui sihtväärtus, kui vahukulpi tuleb lisada suure süsinikusisaldusega rauasulamid). BOF-protsessis on tavaline, et süsinikusisaldus "puhutakse" alla 0.10% ja seejärel suurendatakse seda vahukulbis. Elektrilise kaarahju tootmisprotsessis lisatakse süsinikku pihustamise teel, et moodustada vahutav räbu, samal ajal kui vahukulbiga rafineerimisjaamas kontrollitakse süsinikusisaldust täpselt süsiniku südamiktraatide abil.

Suure süsinikusisaldusega rauasulamite kasutamisel muutuvad need sulamid ise süsiniku "lisakeskkonnaks". Kui süsinikusisaldus on liiga madal ja seda ei saa täiendada rauasulamitega, võib süsinikku lisada järgmiste materjalide abil: grafiit, koks, kaltsineeritud naftakoks, antratsiit ja harvadel juhtudel ka suure süsinikusisaldusega vanaraud, nagu malm või külm toormalm. Erilist tähelepanu tuleks pöörata: malmi lisamine süsinikule võib põhjustada liigset fosforit ning süsiniku lisamiseks tuleks valida madala väävlisisaldusega ja vähelenduva koksi.

Elektrikaarahjudes malmi tootmisel on sageli vaja süsiniku lisamisetappi, kuna tooraineks on enamasti madala süsinikusisaldusega vanaraud. Kuigi süsinikuallikana võib kasutada suure süsinikusisaldusega vanaterast, suure süsinikusisaldusega rauasulameid või isegi malmi, kasutatakse vastavalt protsessi nõuetele või kulukaalutlustele tavaliselt spetsiaalseid süsiniku lisandeid – grafiiti või koksi. Põhja-Ameerikas kasutatakse laialdaselt looduslikku grafiiti (toodetakse peamiselt Mehhikos), mille süsinikusisaldus on 70–85% ja lisandite sisaldus on kõrge, mis piirab selle kasutamist; sünteetiline grafiit (peamiselt elektrikaarahju elektroodide jäätmetest) on kõrgema puhtusega ja selle kristallstruktuur võib mõjutada malmi mikrostruktuuri. Metallurgiline koks on madala hinnaga, kuid sellel on kõrge tuhasisaldus kuni 9%, mis piirab selle kasutamist; kaltsineeritud naftakoksi puhtusaste on kuni 99%, kuid selle väävlisisaldus võib ületada 1%.

Praktilised süsiniku lisamise toimingud

Kui süsinik lisatakse suure süsinikusisaldusega ferrosulamite kujul, võib seda teha ahjus, enne koputamist või vahukulbis. Tavapäraselt dekarboniseeritakse ahjus veidi üle ja lisatakse seejärel ferrosulamitega, et saavutada süsinikusisalduse sihtvahemik. Süsiniku-hapniku-temperatuuri tasakaal kraanil on peamine kontrollitegur, kuid konkreetne toiming sõltub tavaliselt kohapealsetest kogemustest. Ahjusisese töötlemise kõrge hinna tõttu on levinud praktika "avada" kraan (st lasta sulaterasel õhuga kokku puutuda) ning seejärel lõpetada vahukulbis vajalik deoksüdatsioon ja koostise reguleerimine. Erilist tähelepanu tuleks pöörata: malmi kasutamine süsinikusisalduse reguleerimiseks võib põhjustada liigset väävlit ja fosforit. Kui nende elementide foonväärtused sulaterases ei ole ülimadalad või lõplik koostis võimaldab neid suurendada, peaks toorraudvesi olema võimalikult madala fosfori- ja väävlisisaldusega.

Süsinikulisandite (grafiit, koks, antratsiit) tihedus on suhteliselt madal ja need kipuvad hõljuma räbukihi pinnal, põhjustades ebaefektiivset põlemiskadu. Seetõttu tuleks need lisada koputamise alguses või asetada eelnevalt tühja kulbi põhja. Koputamise ajal tuleks säilitada piisavat turbulentsi, et kiirendada süsiniku lahustumist. Valutootmisel lisatakse kulpi ka süsiniku lisandeid, järgides ülaltoodud töönorme.

 

Valtsimine/sepistamine

 

Terase süsinikusisaldus mõjutab deformatsiooniprotsessi mitmel viisil. Üldiselt, kui süsinikusisaldus suureneb, suureneb ka töötlemise raskus. Süsiniku mõju avaldub esmalt leotus- või järelsoojendusahjus. Kõrge süsinikusisaldusega teras on termilise šoki suhtes tundlikum ja pragunemise vältimiseks tuleb seda aeglaselt kuumutada. Eriti suure ristlõikega teraste puhul võib osutuda vajalikuks astmeline kuumutamine (st terastooriku laskmine mitmel temperatuuriplatvormil püsida enne valtsimis- või sepistamistemperatuuri saavutamist, et saavutada temperatuuri ühtlus). Üle 0.30% süsinikusisaldusega teras on samuti altid "ülepõlemisele" (sügav pinna oksüdatsioon), mis võib põhjustada pragusid või lõpptoote ebastandardseid pinnatingimusi ning ülepõlenud kangid lähevad peaaegu alati vanarauaks. Seetõttu tuleks kõrge süsinikusisaldusega terast kuumutada aeglaselt ja ühtlaselt, et vältida leegi otsesest mõjust põhjustatud kohalikku ülekuumenemist.

Veeremisjõud nii kuumvaltsimisel kui ka külmvaltsimisel suureneb süsinikusisalduse suurenemisega. Kuumvaltsimisel on see mõju olulisem, kui läheneb lõplikule valtsimistemperatuurile. Näiteks 0.15% süsiniku lisamine tavalises süsinikterasest võib suurendada energiatarbimist kuni 20% 870°C (1600°F) juures. Külmtöötlemiseks vajalik energia sõltub suuresti süsinikusisaldusest, mis on seotud perliidi osakaaluga selle mikrostruktuuris. Samadel tingimustel suureneb vahepealse lõõmutamise vajadus koos süsinikusisalduse suurenemisega.

Väärib märkimist, et süsinikul on tugev kalduvus paksudes osades (nt terasest toorikutes) eralduda ja see koguneb viimasesse tahkunud metalli (koos mangaani, fosfori ja väävliga). See võib viia süsiniku ebaühtlase jaotumiseni lõpptootes, nagu näiteks kuumvaltsitud plaatidel sageli esinev "riba" (põhjustatud fosfori segregatsioonist: kõrge fosforisisaldusega piirkonnad tõrjuvad süsinikku). See aga ei pruugi olla kahjulik. Mikrolegeerivaid elemente sisaldavate teraste puhul määrab mikrolegeerivate elementide (MAE) aatomprotsendi ja süsinikusisalduse suhe madalal temperatuuril tekkivate MAE sademete hulga. Sel hetkel vajavad külmvaltsitud ja lõõmutatud õhukesed lehtterased süsinikusisaldust alla 0.01%.

 

Termotöötlus

Süsinik suurendab kuumvaltsitud terase tugevust, kuid vähendab selle sälkude sitkust, plastilisust ja keevitatavust. Täpsemat teavet süsiniku kasutamise kohta pidevvalamisel ja kuumvaltsitud terasel, vaadake vanaadiumi, nioobiumi ja titaani vastavat sisaldust.

Süsiniku maksimaalne lahustuvus ferriidis on ligikaudu 0.025% (723 °C/1333 °F juures). Ferriidi süsiniku lahustuvus toatemperatuuril on alla 0.008%. Raua-süsiniku tasakaalu diagramm (joonis 1) näitab kolme reaktsiooni ja näitab, et tsementiit (Fe3C) moodustub süsinikusisalduse juures 6.67%. Temperatuuril 1492 °C (2718 °F) läbib δ-ferriit süsinikusisaldusega üle 0.10% peritektilise reaktsiooni vedela metalliga, moodustades austeniidi. Raud süsinikusisaldusega üle 2.0% läbib temperatuuril 1130°C (2066°F) eutektilise reaktsiooni, moodustades ledeburiidi – austeniidis jaotunud tsemendivarraste struktuuri. Temperatuuril 723 °C (1333 °F) laguneb austeniit peritektoidse reaktsiooni kaudu, moodustades lamellkomposiitperliiti.

Süsinik alandab γ→α allotroopse transformatsiooni temperatuuri 910 °C-lt (1670 °F) puhta raua puhul eutektoidse temperatuurini (0.80% süsinikku). Eutektoidsest temperatuurist madalamal (723 °C/1333 °F) mõjutab süsinik oluliselt perliidi moodustumise kineetikat (kiirust) ja reageerib rauaga, moodustades mittetasakaalufaasid bainiidi ja martensiidi. Perliit moodustub kõrgel temperatuuril vahemikus ligikaudu 550 °C (1020 °F) kuni eutektoidse temperatuurini ja selle struktuur täiustub järk-järgult, kui transformatsioonitemperatuur langeb. Umbes 220 °C (425 °F) ja perliidi moodustumise vahemiku alumise piiri vahel muutub austeniit bainiidiks. Bainiidil on peamiselt kahte tüüpi:

Ülemine bainiit: moodustub kõrgematel temperatuuridel, nõelakujulise struktuuriga ja tsemendiosakesed on orienteeritud piki ferriidipiirkondade piire.

Alumine bainiit: samuti nõelakujuline, kuid peenem, karbiidiosakesed on ferriidipiirkondades külgsuunas jaotunud. See orientatsioon annab sellele suurema sitkuse. Temperatuuripiir ülemise ja alumise bainiidi vahel sõltub peamiselt koostisest (eriti süsinikusisaldusest). Mõlemat tüüpi bainiidi kasvukiirused on peamiselt määratud süsiniku difusiooniga rauas.

Austeniidi muundamine martensiidiks difusioonivaba nihkemehhanismi abil temperatuuril alla 220 °C (425 °F) on kaubandusliku kuumtöötluse kõige olulisem faasimuutus. Kui koostis läheneb eutektoidile, väheneb martensiidi algustemperatuur (Ms). Kui detail nõuab kõva, kulumiskindlat pinda ja sitkemat südamikku, võib kasutada karburiseerimist: süsinik hajutatakse madala süsinikusisaldusega terase pinnale (tavaliselt mitte rohkem kui mõne tuhandiku sügavusel). Karburiseerimistemperatuur on umbes 925 °C (1700 °F) ja terase koostis peab olema selline, et sellel temperatuuril säiliksid peened terad. Pärast karburiseerimist on vajalik tavapärane kuumtöötlus. Rakendus

Süsinikteras moodustab praegu kogu terasemüügi suurima tonnaaži ja selle lai kasutusala on selgelt liiga ulatuslik, et ükshaaval loetleda. Süsinikterast kasutatakse valandite ja sepistena, torude ja torude, lehtede ja plaatide, valtstraatvarraste, vardade, siinide ja konstruktsiooniosadena. Muidugi on süsinikteras odavaim rauapõhine sulam ja disainerid eelistavad seda, välja arvatud juhul, kui erilised jõudlusnõuded nõuavad kallimate legeerterase klasside kasutamist.

Süsinikterast saab klassifitseerida mitmel viisil ja koostise järgi klassifitseerimine on kõige intuitiivsem meetod, järgides tavaliselt selliseid institutsioone nagu Automotive Engineersi selts (SAE) ja Ameerika Raua- ja Teraseinstituut (AISI) välja antud standardeid. Ameerika Katsetamise ja Materjalide Ühing (ASTM) ja Ameerika Mehaanikainseneride Ühing (ASME) sätestavad peamiselt terase jõudlusnäitajad, koostis on ainult lisateave. Paljud standardid identifitseerivad sama terase klassi vastavate spetsifikatsioonide kaudu ja kasutajad saavad vastavalt oma vajadustele lisada spetsiifilisi nõudeid üldiste standardite alusel. Mõned suured kasutajad (näiteks auto- ja ehitusmasinate tootjad) kipuvad koostama oma standardeid, mis on rangemad kui riiklikud standardid.

Erineva süsinikusisaldusega terase klassidel on erinevad kasutusalad: õhuke lehtteras on tavaliselt madalaima süsinikusisaldusega (alla 0.10%), ülimadala süsinikusisaldusega teras (süsinikusisaldusega alla 0.02%) sisaldab suure vormitavusega õhukest lehtterast; madala süsinikusisaldusega teras (süsinikusisaldusega 0.05–0.20%) hõlmab kuumvaltsitud ribaterast, pakse plaate ja torusid; sepistamiseks kasutatakse peamiselt keskmise süsinikusisaldusega terast (süsinikusisaldusega 0.25–0.55%); kõrge süsinikusisaldusega teras (süsinikusisaldusega üle 0.6%) hõlmab rööbaste jms terast. Konkreetsetes tööstuslikes rakendustes, näiteks õlitõmbepumpade hõõrdepaaride materjalide valimisel, suurendatakse süsinikterase (nt nr 45 teras) kulumiskindlust sageli kroomimise või lasertöötluse abil, samal ajal kui oksiidiskaala juhtimistehnoloogia mõjutab kuumvaltsitud madala süsinikusisaldusega terase kvaliteeti otseselt HC510.

Vigoril on üle 18 aasta kogemust valamise ja sepistamise alal. Kui teil on küsimusi või nõudmisi tootearenduse või tarneahela täiustamise kohta, võtke meiega ühendust aadressil info@castings-forging.com.