Kulstofstål: Hvad er det? Sammensætning, typer og egenskaber
Kulstofstål: Lær om sammensætning, typer og egenskaber. Fra lav- til højkulstof—styrke, hårdhed, formbarhed og svejseegenskaber forklaret.
Kulstofstål eller kulstofholdigt stål er en metallegering. Det er først og fremmest en kombination af to grundstoffer, jern og kulstof, hvor kulstofindholdet i høj grad bestemmer stålets egenskaber. Andre grundstoffer forekommer normalt kun i så små mængder, at de ikke væsentligt ændrer karakteren af kulstofstål. Ifølge almindelige sammensætningsgrænser må de eneste andre elementer i almindeligt kulstofstål være mangan (højst 1,65 %), silicium (højst 0,60 %) og kobber (højst 0,60 %). Stål med et lavt kulstofindhold har egenskaber tæt på rent jern: blødt, formbart og nemt at bearbejde. Når kulstofindholdet øges, stiger hårdheden og styrken, mens duktiliteten falder, og materialet bliver sværere at svejse. Et højere kulstofindhold sænker typisk også stålets smeltepunkt og reducerer dets høje temperaturbestandighed.
Sammensætning og kategorier
- Lavkulstofstål (mildt stål): typisk under ca. 0,25 % kulstof. Meget formbart, god svejsbarhed og velegnet til pladearbejde og svejsede konstruktioner.
- Mellemkulstofstål: cirka 0,25–0,60 % kulstof. Bedre styrke og slidstyrke end lavkulstofstål, men mindre formbart og sværere at svejse.
- Højkulstofstål: fra cirka 0,60 % op til omkring 2,0 % kulstof. Meget hårdt og slidstærkt efter varmebehandling; anvendes til værktøj, knive, fjederstål og lignende.
Struktur og egenskaber
Stålets mikrostruktur bestemmes af kulstofindhold og varmebehandling. De væsentligste mikrostrukturer er ferrit (blødt og duktilt), perlitsammensætninger (en blanding af ferrit og cementit), cementit (hårdt og sprødt) og martensit (hård og skør uden anløbning). Varmebehandling kan omdanne strukturen og dermed styre styrke, hårdhed og sejhed.
Varmebehandling
- Gennemglødning/ankning (annealing): blødgør materialet, forbedrer formbarhed og fjerner indre spændinger.
- Normalisering: finere kornstruktur og mere ensartede mekaniske egenskaber end fuld glødning.
- Hærdning (tempering efter quench): opvarmning til høj temperatur efterfulgt af hurtig afkøling for at skabe martensit; efterfølgende anløbning (temperering) balancerer hårdhed og sejhed.
- Overfladehærdning (karburering): bruges på lavkulstofstål for at skabe hård overflade samtidig med sej kerne.
Praktiske egenskaber
- Styrke/hårdhed: øges med kulstofindhold og ved hærdning.
- Duktilitet/formbarhed: falder med stigende kulstofindhold.
- Svejsbarhed: god for lavkulstofstål; forværres ved højere kulstofindhold pga. risiko for sprødhed i svejsesømme.
- Maskinbearbejdning: lavkulstofstål er nemmere at dreje og fræse; højkulstofstål kræver ofte specialværktøj eller varmebehandling.
- Korrosionsbestandighed: generelt lav; kræver beskyttelse som maling, galvanisering eller andre belægninger for udendørs brug.
Anvendelser
Kulstofstål bruges i mange industrier alt efter type og egenskaber: byggeri og konstruktion (bjælker, søm, armeringsjern), bilindustri (karrosseridele, aksler), rørledninger, togskinner, værktøj og skæreemner (højkulstofstål), fjedre (specielt legeret og højkulstofstål) samt almindelige forbrugsprodukter som værktøj og maskindele.
Testning og standarder
Kemisk analyse (for at bestemme kulstof og andre elementer) samt mekaniske prøver (trækprøve, hårdhedstest) og metalografisk undersøgelse (mikrostruktur) er almindelige metoder til at sikre, at et kulstofstål lever op til krav. Der findes mange nationale og internationale standarder, som specificerer sammensætning og egenskaber for forskellige stålkvaliteter.
Fordele og begrænsninger
- Fordele: økonomisk, alsidigt, let at varmebehandle og tilpasse til forskellige formål.
- Begrænsninger: relativ lav korrosionsbestandighed, nedsat svejsbarhed og formbarhed ved højere kulstofindhold, begrænset brug ved høje temperaturer.
Samlet set er kulstofstål en af de mest udbredte metaller i industrien på grund af dets balance mellem omkostning, tilpasningsmuligheder ved varmebehandling og mekaniske egenskaber. Valget af konkret kulstofstål afhænger altid af den ønskede kombination af styrke, hårdhed, formbarhed og svejsbarhed.
Typer af kulstofstål
Typiske sammensætninger af kulstof er:
- Blødt stål (med lavt kulstofindhold): ca. 0,05 % til 0,25 % kulstofindhold med op til 0,4 % manganindhold (f.eks. AISI 1018 stål). Mindre stærkt, men billigt og let at forme; overfladens hårdhed kan øges gennem opkullende behandling.
- Medium kulstofstål: ca. 0,14-0,84 % kulstofindhold med 0,60-1,65 % manganindhold (f.eks. AISI 1040 stål). Balancerer duktilitet og styrke og har god slidstyrke; anvendes til store dele, smedning og bildele.
- Stål med højt kulstofindhold: ca. 0,59-0,65 % kulstofindhold med et indhold af mangan på 0,30-0,90 %. Meget stærkt, anvendes til fjedre og højstyrkegarn.
- Stål med meget højt kulstofindhold: ca. 0,96 % til 2,1 % kulstofindhold, der er specielt bearbejdet til at frembringe specifikke atomare og molekylære mikrostrukturer.
Stål kan varmebehandles, hvilket gør det muligt at fremstille dele i en blød tilstand, der er let at gennemfodre. Hvis der er tilstrækkeligt kulstof til stede, kan legeringen hærdes for at øge styrke, slidstyrke og slagfasthed. Stål fremstilles ofte ved koldbearbejdning, hvilket er formning af metal gennem deformation ved en lav ligevægtstemperatur eller metastabil temperatur.
Metallurgi
Blødt stål er den mest almindelige form for stål, da prisen er relativt lav, samtidig med at det giver materialeegenskaber, der er acceptable til mange anvendelser. Blødt stål har et lavt kulstofindhold (op til 0,3 %) og er derfor hverken ekstremt skørt eller duktilt. Det bliver formbart, når det opvarmes, og kan derfor smedes. Det anvendes også ofte, når der skal formes store mængder stål, f.eks. som konstruktionsstål. Densiteten af dette metal er 7861,093 kg/m³ (0,284 lb/in³), og trækstyrken er højst 500 MPa (72500 psi)
Kulstofstål, der kan varmebehandles med succes, har et kulstofindhold på mellem 0,30 og 1,70 vægtprocent. Sporforureninger af forskellige andre grundstoffer kan have en betydelig indvirkning på kvaliteten af det resulterende stål. Spor af svovl gør stålet "rødt kort", hvilket er en fejl: stålet er sprødt og smuldrende. Lavtlegeret kulstofstål, som f.eks. kvalitet A36, indeholder ca. 0,05 % svovl og smelter omkring 1426-1538 °C (2600-2800 °F). Mangan tilsættes ofte for at forbedre hærdbarheden af lavkulstofstål. Disse tilsætninger gør materialet til et lavlegeret stål i henhold til nogle definitioner, men AISI's definition af kulstofstål tillader op til 1,65 vægtprocent mangan.
Hærdet stål henviser normalt til hærdet eller hærdet og anløbet stål.
Sølvstål eller blank stål med højt kulstofindhold har fået sit navn efter sit udseende på grund af det høje kulstofindhold. Det er et stål med meget højt kulstofindhold, eller kan betragtes som noget af det bedste kulstofholdige stål. Det er defineret i henhold til stålspecifikationsstandarderne BS-1407. Det er et værktøjsstål med 1 % kulstof, som kan slibes til snævre tolerancer. Normalt er kulstofindholdet mindst 1,10 %, men så højt som 1,20 %. Det indeholder også sporstoffer på 0,35 % Mn (interval 0,30 %-0,40 %), 0,40 % Cr (interval 0,4 %-0,5 %), 0,30 % Si (interval 0,1 %-0,3 %) og undertiden også svovl (højst 0,035 %) og fosfor (højst 0,035 %). Sølvstål anvendes undertiden til fremstilling af barberblade på grund af dets evne til at producere og holde en mikrofin kant.
Varmebehandlinger
Formålet med varmebehandling af almindeligt kulstofstål er at ændre stålets mekaniske egenskaber, normalt duktilitet, hårdhed, flydespænding og slagfasthed.
Jern-kulstof-fasediagram, der viser temperatur- og kulstofintervaller for visse typer varmebehandlinger.
Spørgsmål og svar
Q: Hvad er kulstofstål?
A: Kulstofstål er en metallegering, der består af to grundstoffer, jern og kulstof.
Q: Er der andre elementer, der kan være til stede i almindeligt kulstofstål?
A: Ja, andre elementer som mangan (maks. 1,65 %), silicium (maks. 0,60 %) og kobber (maks. 0,60 %) kan være til stede i små mængder.
Q: Hvad er egenskaberne ved almindeligt kulstofstål med lavt kulstofindhold?
A: Stål med lavt kulstofindhold har de samme egenskaber som jern - det er blødt og let at forme.
Q: Hvordan påvirker tilsætning af mere kulstof kulstofstålets egenskaber?
A: Tilsætning af mere kulstof gør metallet hårdere og stærkere, men det bliver mindre duktilt og sværere at svejse.
Q: Er der en grænse for, hvor meget mangan der kan være i almindeligt kulstofstål?
A: Ja, den maksimale mængde mangan, der kan være til stede i almindeligt kulstofstål, er 1,65%.
Q: Påvirker et højere kulstofindhold stålets smeltepunkt?
A: Ja, et højere kulstofindhold sænker stålets smeltepunkt.
Q: Påvirker et højere kulstofindhold stålets temperaturbestandighed generelt?
A: Ja, et højere kulstofindhold sænker også stålets temperaturbestandighed generelt.
Søge