1. Esittely
Teräs taustalla on moderni infrastruktuuri, kohoavista pilvenpiirtäjistä tarkkuuskirurgisiin työkaluihin.
Maailman kaikkein kierrätetyksi materiaaliksi, Se tarjoaa vertaansa vailla olevan voiman yhdistelmän, Muokkaus, ja kustannustehokkuus.
Tässä artikkelissa, Vertaamme kahta perustavanlaatuista teräsperhettä - hiiliterästä ja kevytteräksistä - across -kemiaa, ominaisuudet, käsittely, taloustiede, ja sovellukset.
Loppuun mennessä, Ymmärrät, milloin valita jokainen tyyppi huipputehoon ja arvoon.
2. Mikä on hiiliteräs?
Hiiliteräs erottuu yhtenä yksinkertaisimmista ja yleisimmin käytetyistä teräsperheistä.
Määritelmän mukaan, Se koostuu pääasiassa raudasta (Fe) hiilen seostaja (C), tyypillisesti 0.05 % kohtaan 1.00 % painon mukaan.
Kun lisäät hiilipitoisuutta, Seoksen vahvuus ja kovuus nousu - mutta ulottuvuus ja hitsaus.
Lisäksi, Mangaanin valvotut lisäykset (jopa 1,65 %), pii (0.15 %–0.30 %), fosfori (< 0.04 %), ja rikki (< 0.05 %) Auta tarkentamaan viljarakennetta, parantaa kovettuvuutta, ja parantaa konettavuutta.
Hiiliterästyypit
Insinöörit luokittavat hiiliteräkset neljään pääluokkaan hiiliprosentin perusteella. Jokainen luokka palvelee selkeää roolia, joustavista langanmuodoista kulumiseen kestäviin teriin:
| Luokka | C -sisältö | Tärkeimmät piirteet | Yleinen käyttö |
|---|---|---|---|
| Vähähiilinen (Lievä) | 0.05 %–0.30 % | Erinomainen taipuisuus; Helppo hitsata ja muodostaa | Autopaneelit, rakenteelliset muodot, miekkailu |
| Keskipiippu | 0.30 %–0.60 % | Tasapainoinen vahvuus ja sitkeys; lämmönkäsitettävä | Vaihde, akselit, akselit, konekomponentit |
| Korkea-hiili | 0.60 %–1.00 % | Korkea kovuus sammutuksen jälkeen; alhaisempi taipuisuus | Leikkaustyökalut, jouset, luja johdot |
| Erittäin korkea hiili | 1.00 %–2.00 % | Poikkeuksellinen kulutusvastus; luonteeltaan hauras | Erikoisveitset, leikkausterät, heittävät osat |
3. Mikä on seosteräs?
Seosteräs nostaa tavallista hiiliterästä lisäämällä tarkoituksellisesti yhden tai useamman seostavan elementin,
kuten kromi, nikkeli, molybdeini, vanadiumi, volframi, tai boori, saavuttaa ominaisuuksia, joita hiilipitoisuus yksinään ei pysty toimittamaan.
Nämä strategiset lisäykset tarkentavat teräksen mikrorakennetta, parantaa mekaanista suorituskykyä, ja parantaa lämmönkestävyyttä, käyttää, ja korroosio.
Kemiallinen koostumus ja mikrorakenne
Jokainen seostuselementti antaa selkeitä etuja:
- Kromi (0.5–2 %) edistää kovien kromikarbidien muodostumista ja ohut, tarttuva oksidikerros, Kulutuskestävyyden ja korroosionsuojauksen lisääminen.
- Nikkeli (1–5 %) stabiloi austeniittivaiheen huoneenlämpötilassa, Dramaattisesti kasvava sitkeys-etenkin matalan lämpötilan ympäristöissä.
- Molybdeini (0.2–0.6 %) parantaa virumislujuutta ja ylläpitää kovuutta kohonneissa lämpötiloissa hillitsemällä viljan kasvua.
- Vanadiumi (0.1–0.3 %) hienosäätää aikaisemmin austeniittijyväkokoa, tuottaa korkeamman tuottolujuuden ja ylivoimaisen väsymysten elämän.
- Volframi (asti 2 %) ja Boori (0.0005–0.003 %) parantaa edelleen korkean lämpötilan kovuutta ja syvän osuuden kovettuvuutta, vastaavasti.
Tyypit kevytteräksistä
Kun taas yhdistelmät voivat vaihdella suuresti, Viisi yleisintä kevytmetalliteräryhmää ovat:
| Kevytmetalliperhe | Keskeiset elementit | Ensisijaiset edut | Esimerkki käyttää |
|---|---|---|---|
| Pienaseoskappaleet | Cr, Sisä-, MO (yhteensä ≤ 5 %) | Tasapainoinen vahvuus, kohtalainen sitkeys, parantunut kovettuvuus | Autojen runko, rakenteelliset palkit |
| Soney-teräs | Cr, Sisä-, MO, V, W - (kokonais- > 5 %) | Poikkeuksellinen lujuus ja korroosio/lämmönkestävyys | Turbiiniterät, ydinreaktoriosat |
| Työkalut | Cr, MO, W -, V, C (C jopa ~ 2 %) | Erittäin suuri kovuus, kulumiskestävyys, ulottuvuusvakaus | Leikkaustyökalut, rei'itys, kuoli |
| Ruostumattomat teräkset | ≥ 10.5 % Cr, plus ni, MO, N | Erinomainen korroosionkestävyys, Muokkaus | Lääketieteelliset välineet, elintarvikkeiden käsittelyvälineet |
| Mönkijäterät | Sisä- (15–25 %), Yhteistyö, MO, -, AL -AL (matala c) | Erittäin korkea vahvuus erinomaisella sitkeydellä | Ilmailu-, työkalu |
4. Nelinumeroisen AISI-teräksen nimitysjärjestelmän dekoodaaminen
Ennen hiili- ja seosteräksen erottamista, On välttämätöntä ymmärtää heidän nimeämiskokouksensa.
Nelinumeroisessa AISI: ssä (American Iron and Steel Institute) järjestelmä, Kaksi ensimmäistä numeroa tunnistavat teräsperheen, kun taas kaksi viimeistä numeroa määrittelevät nimellisen hiilipitoisuuden (sadasosassa prosenttia, asti 1.00 %).
Esimerkiksi, ”10” -levitys osoittaa tavalliset hiiliteräkset, kanssa 1018 sisältäen 0.18 % hiili ja 1045 sisältäen 0.45 %.
Samoin, 4140—Tuoksuta sen ”41” etuliite - tarkoittaa myös 0.40 % hiili, Mutta osana kromi-molybdeeni-seosperhettä.
Kaikki “10” -sarjan arvosanat sisältävät pieniä määriä mangaania, fosfori, ja pii viljarakenteen parantamiseksi ja lujuuden parantamiseksi.
Toisinaan, Jälkikirjaimet ilmestyvät: Lens Osoittaa lisäyksen ylivoimaisesta konettavuudesta, ja B - merkitsee boorin lisäystä, joka parantaa kovettuvuutta syvemmissä osissa.
Dekoodaamalla nämä etuliitteet, numerot, ja kirjeet, Voit ennustaa teräksen peruskemian - ja siten päätellä sen kovuus, vetolujuus, ja soveltuvuus lämpökäsittelyyn.
Alla on täydellinen nelinumeroinen AISI/SAE-numerointitaulukko, Näyttää molemmat tavallisen hiilen alaryhmät (10xx - 15xx) ja päälejeerinki-teräksinen sarja (2xxx - 9xxx).
Kaksi viimeistä numeroa antavat aina nimellisen C -sisällön sadasosina prosentteina (esim. ”18” → 0.18 %C).
| Sarja | Ensisijainen seostuselementti(s) | Hiilialue (%C) | Keskeiset ominaisuudet / Huomautuksia |
|---|---|---|---|
| 10xx | Tavallinen hiili (C + Mn, P, Ja) | 0.06 - 0.60 | Kylmäsajainen & kuumavalssatut hiiliterät (esim. 1018, 1045) |
| 11xx | Uudelleensuhdettu hiili (Lisää s) | 0.06 - 0.60 | Parempi konettavuus (esim. 1117, 1144) |
| 12xx | Uudelleenselvitys + muokattu hiili (S+p) | 0.06 - 0.60 | Öljykokous, hyvä konettavuus (esim. 1215) |
| 15xx | Hiili (Lisää ~ 1,00 % Mn) | 0.20 - 0.50 | Parannettu vahvuus & konettavuus (esim. 1541) |
| 15Bxx | Korkea MN + boori (B ~ 0,0005–0,003 %) | 0.20 - 0.50 | Parantunut kovettuvuus |
2xxx |
Nikkeliterät (1-5 %) | 0.06 - 0.60 | Kova, matalan lämpötilan suorituskyky (esim. 2024) |
| 3xxx | Nikkeli-kromi terät (Sisä- + Cr) | 0.06 - 0.60 | Lämmönkestävä & luja (esim. 3090) |
| 4xxx | Molybdeenterit (Mo 0,2–0,5 %) | 0.06 - 0.60 | Korkean lämpötilan lujuus, korroosionkestävyys (esim. 4042) |
| 41xx | Kromi-molybdeenterät (Cr + MO) | 0.06 - 0.60 | Hyvä kovettuvuus & kulumiskestävyys (esim. 4140, 4130) |
| 43xx | Kromiterät (CR 0,5–1,5 %) | 0.06 - 0.60 | Voimakkuus, jonkin verran korroosionkestävyyttä (esim. 4310) |
5xxx |
Kromiterät (korkeampi CR kuin 4xxx) | 0.06 - 0.60 | Ilma-kovetustyökaluterät (esim. 5140) |
| 6xxx | Kromi-vanadiumterät (Cr + V) | 0.06 - 0.60 | Kevät & korkean stressien osat (esim. 6150) |
| 7xxx | Volframiterät (W 1–5 %) | 0.06 - 0.60 | Nopea & kuumatyökalukappaleet (esim. 7XXX HSS -sarja) |
| 8xxx | Nikkeli-kromi-molybdeeni (At + cr + i) | 0.06 - 0.60 | Erittäin voimakasta lujuutta & sitkeys (esim. 815M40) |
| 9xxx | Pii-manganilaiset teräkset (Ja + Mn) | 0.06 - 0.60 | Kevätterät, korkea väsymys (esim. 9260) |
Liitäntäkirjeet
- Lens: Lisätty lyijy parannettavuuteen (esim. 1215Lens)
- B -: Lisätty boori kovettuvuutta varten (esim. 8640B -)
- H: Erityiset kovettuvuusvaatimukset (esim. 4140H)
5. Seosteräksen mekaaniset ominaisuudet vs.. Hiiliteräs
Mekaaninen suorituskyky ohjaa materiaalin valintaa, ja seos vs. hiiliteräs eroaa merkittävästi keskeisissä mittareissa.
Vetolujuus, Tuottolujuus, ja uteliaisuus
- Hiiliteräs: Vähähiilinen arvosanat (esim. Aisi 1018) Osoittaen vetolujuutta noin 400–550 MPa ja saantovahvuudet lähellä 250–350 MPa, Pitkitys tauolla 20–30 %.
Keskikiilinen teräs (esim. 1045) Työnnä vetolujuus arvoon 600–800 MPa ja sataa arvoon 350–550 MPa, Silti ulottuvuus laskee ~ 15: een %. - Seosteräs: Sitä vastoin, eräs 4340 seosteräs, sammunut ja karkaistu, saavuttaa vetolujuudet 1 100–1 400 MPA- ja saantovahvuudet 950–1 150 MPA, ylläpitäen samalla 12–18 % pidennys.
Siten, Seosterät tuottavat jopa kaksinkertaisesti hiiliteräksien lujuuden uhraamatta liiallista taipuisuutta.
Lisäksi, Strategiset lisäykset - kuten nikkeli tai vanadimi - räätälöityjen satokäyttäytymisen vuoksi.
Esimerkiksi, eräs 2 % Ni-pienoissluokan lisäysvaikutusten testattu sato ~ 10 % Verrattuna samanlaiseen CR-MO-teräkseen.
Kovuus ja kulutusvastus
- Hiiliteräs: Lämpökäsitellyt korkean hiilen teräkset voivat saavuttaa 60 HRC (Rockwell -kovuus c), Tarjoaa hyvää kulumiskestävyyttä terille ja jousille.
Kuitenkin, Koska hiili ylittää 0.8 %, Muodostuttavuus kärsii ja halkeileva riski sammutuksen aikana. - Seosteräs: Työkalut (esim. D2 ~ 12: lla % Cr, 1.5 % C) Saavuta 62–64 HRC erinomaisella reunan retentiolla.
Sillä välin, volframi-seos kuumatyöluokat (H13) Toimita 48–52 HRC ja punaista kovaa 600 ° C.
Lisäksi, Seosterät upottavat usein kovia carbideja (Cr, V, tai w) jotka kestävät hiiliteräksen sementtiä paljon paremmin kuin sementti.
Siten, Näet Carbid-vahvistetut seokset kestävät 2–3 × pidempään korkean pukeutumisen muotissa ja kuolemissa.
Sitkeys ja iskunkestävyys
- Hiiliteräs: Vähähiilinen teräs absorboi helposti isku, Saatavana charpy-V-notch-arvot 80–120 J huoneenlämpötilassa.
Vielä, Yllä olevana hiilikiipeilyssä 0.6 %, sitkeys putoaa alla 20 J -, Hauras murtuman todennäköisempi. - Seosteräs: Nikkeliä kantavat seokset (esim. 8640 kanssa 2 % Sisä-) Ylläpitää carpy -arvoja yllä 50 J jopa ° ° C: ssa.
Lisäksi, Mikropelasuojatut vanadiiniterät tuottavat suurta murtuman sitkeyttä (K_IC > 80 MPA · √M) jalostamalla viljan kokoa.
Väsymyssuorituskyky ja hiipivävastus
- Väsymys: Seosteräksillä on tyypillisesti väsymysrajoituksia noin 50–60 % lopullinen vetolujuus, verrattuna ~ 40 % hiiliteräksille.
Esimerkiksi, sammuttu 4140 Seoksella on kestävyysraja lähellä 650 MPA, kun taas 1045 kuluttaa jtk 320 MPA. - Hiipiä: Kohonneissa lämpötiloissa (> 300 ° C), hiiliteräkset hiipivät nopeasti, Käyttöä lämmön altistuneissa osissa.
Päinvastoin, CR-MO- ja Ni-CR-MO-seokset ylläpitävät stressiä 200–300 MPa tuhansien tuntien ajan ja 550 ° C, Kiitos vakaalla karbidiverkolla, jotka estävät viljasuojattuja liukuja.
Vertailutaulukko
| Omaisuus | Hiiliteräs | Seosteräs |
|---|---|---|
| Vetolujuus | 400 - 550 MPA (matala-C); 600 - 800 MPA (MED-C) | 1 100 - 1 400 MPA (esim. 4340 Qt) |
| Tuottolujuus | 250 - 350 MPA (matala-C); 350 - 550 MPA (MED-C) | 950 - 1 150 MPA (esim. 4340 Qt) |
| Taipuisuus (Pidennys tauolla) | 20 - 30 % (matala-C); ~ 15 % (MED-C) | 12 - 18 % (4340 Qt); vaihtelee seostavien elementtien mukaan |
| Kovuus (HRC lämpökäsittelyn jälkeen) | Jopa ~ 60 HRC (High-C); sammutushalkeamien riski yli ~ 0,8 % C | 48 - 52 HRC (H13); 62 - 64 HRC (D2); ylläpidetty korotetuissa lämpötiloissa |
Charpy -vaikutus (20 ° C) |
80 - 120 J - (matala-C); < 20 J - (High-C) | ≥ 50 J lämpötilassa -40 ° C (ni-kantavat arvosanat); K_IC > 80 MPA · √M (V-mikrolloosoituja teräksiä) |
| Väsymisraja | ~ 40 % uts (esim. ~ 320 MPa 1045) | ~ 50 - 60 % uts (esim. ~ 650 MPa sammutettua ja täynnä 4140) |
| Ryömintäkestävyys (at > 300 ° C) | Huono; Nopeat muodonmuutoksen rajat | Hyvä; Cr-MO- ja Ni-Cr-MO-seokset ylläpitävät 200 - 300 MPA -stressi tuhansien tuntien ajan ~ 550 ° C: ssa |
| Kulumiskestävyys | Riippuvat sementiitistä; kohtuullinen | Erinomainen kovan Cr: n takia, V, tai W Carbides; kestää 2 - 3 × pidempi muotissa ja kuolemissa |
Qt = sammutettu ja karkaistu
6. Korroosio- ja ympäristöresistenssi
- Hiiliteräs hapettaa helposti, tyypillisillä korroosioasteilla 0,1–0,5 mm/vuosi ympäristön olosuhteissa.
- Seosteräs ≥ 12 % CR muodostaa passiivisen elokuvan, vähentämällä korroosioasteita < 0.01 mm/vuosi monissa ympäristöissä.
Lisäksi, Nikkeli- ja molybdeeni-lisäykset taistelevat kloridirikkaissa väliaineissa. Vaikka pinnoitteet (galvanoiva, epoksi) Auta hiiliterästä, Ne lisäävät toistuvia ylläpitokustannuksia.
Sitä vastoin, Ruostumattomat ja sääolosuhteet tarjoavat pitkäaikaista suojaa pelkästään metallurgian kautta.
7. Kämmönkäsittely ja seosteräksen valmistus vs.. Hiiliteräs
- Hiiliteräs Lämpökäsittelyt -, normalisointi, sammuttaa & Karkea - hallitse kovuus ja sitkeys. Esimerkiksi, 1045 Öljyssä sammutettu teräs saavuttaa ~ 55 HRC.
- Seosteräs usein tehdään liuoskäsittely (ESIM., 17-4PH -ruostumaton) tai ikä kovettuminen (ESIM., Ni-pohjaiset superseosit) Peak -ominaisuuksien avaamiseksi.
Lisäksi, hitsattavuus ja muovattavuus vähenevät kevytmetallipitoisuuden noustessa.
Esimerkiksi, selkeä hiili 1018 hitsat helposti tavallisilla elektrodeilla, kun taas austeniittinen ruostumaton 304L vaatii erikoistunutta täyteainetta ja esilämmittää.
Siten, Valmistajat suunnittelevat tiukempia hallintalaitteita ja hitsin jälkeisiä hoitoja korkealle seosalueelle.
8. Kustannukset ja taloudelliset näkökohdat
| Kustannustekijä | Hiiliteräs | Seosteräs |
|---|---|---|
| Raaka -aine | $500 - $700 sävyä kohti | $1,000 - $3,000 sävyä kohti (seoksista riippuen) |
| Energia & Käsittely | Kohtuullinen (yksinkertaisempi sula & puhdistaa) | Korkea (tyhjiökäsittelyt, tarkat koostumukset) |
| Lämmönkäsittely | $50 - $200 sävyä kohti | $200 - $800 sävyä kohti (monimutkaiset syklit) |
| Ylläpito & Elinkaari | Säännöllinen pylväs- tai korroosionkorjaus | Vähäiset ruostumattomille ja sääteräksille |
| Omistuskustannukset (TCO) | Alempi etukäteen; korkeampi ylläpito | Korkeammat sijoitukset; alhaisemmat elinkaarikustannukset |
9. Seoksen leveys ja hiiliteräs
Hiiliterässovellukset
- Rakennus: Rakenteelliset palkit, vahvistuspalkit
- Autoteollisuus: Kehitteet, vartalopaneeli
- Putkilinjat & Paineastiat: Öljy, vettä, kaasunkuljetus
- Yleinen tekniikka: Koneosat, maatilan laitteet
Kevytmetalliterässovellus
- Ilmailu-: Laskuteline, turbiinilevyt
- Öljy & Kaasu: Porata kaulukset, merenalaiset venttiilit
- Sähköntuotanto: Kattilaputket, ydinreaktorikomponentit
- Korkean lämpötilan ympäristöt: Uuniosat, lämmönvaihtimet
10. Mitkä ovat erot seosteräksen vs. hiiliterästä?
| Ulottuvuus | Hiiliteräs | Seosteräs |
|---|---|---|
| Kemiallinen koostumus | Fe + 0.05–1.0 % C; MN: n jäljet, Ja, P, S | Fe + C + ≥ 0.5 % strategiset elementit (Cr, Sisä-, MO, V, W -, B -, jne.) |
| Hiilipitoisuus | 0.05–2,0 % | Tyypillisesti 0,1–1,0 %, Mutta vaihtelee luokan mukaan |
| Ensisijainen seostuselementit | Ei yhtään (jäljet) | Cr, Sisä-, MO, V, W -, B - kukin räätälöity kovuuden vuoksi, sitkeys, korroosio tai korkea-T-lujuus |
| Vetolujuus | 400–800 MPa (matala- High-C: lle) | 900–1 400 MPA (matala- korkealla seostettuun sammutukseen & karkaistu) |
| Tuottolujuus | 250–550 MPa | 800–1 200 MPA |
| Pidennys (Taipuisuus) | 20–30 % (matala-C); ~ 10–15 % (High-C) | 10–20 %, Seoseoksesta riippuen |
| Kovuus (HRC) | ≤ 60 HRC (korkea-C-luokat) | 48–64 HRC (Työkalu teräkset 65 HRC; Kuumatyöluokat ~ 50 HRC) |
Kulumiskestävyys |
Kohtuullinen (sementtipohjainen) | Korkea (Cr: n kovat karbidit, V, W -); 2–3 × pidempi käyttöikä hankauksessa |
| Korroosionopeus | 0.1–0,5 mm/vuosi päällystämätön | < 0.01 mm/vuosi ruostumattomalle/säälle; 0.02–0,1 mm/v alhaisen seoksen kohdalla |
| Lämmönjohtavuus | 45–60 w/m · k | 20–50 w/m · k (Cr/Ni -seokset ovat alhaisemmat; Mo/W -seokset korkeampi) |
| Lämmön laajennus | 11–13 × 10⁻⁶/K | 10–17 × 10⁻⁶/K (ruostumaton ≈ 17; Cr-mo-≈ 11; Lapset olivat 13) |
| Sähkövastus | 10–15 µΩ · cm | 20–100 µω · cm (ruostumaton ~ 70; Nousee seos sisältöön) |
| Magneettinen läpäisevyys | Korkea (≈ 200–1 000) | Muuttuva: matala austeniittinen (~ 1–2), korkeat ferriittisissä/martensiittisissa asteissa |
| Lämmönkäsittely | Yksinkertainen: karkaista, normalisoida, sammuttaa & luonne | Kompleksi: liuoskäsittely, ikävä, Tarkat sammutusaste, Erityisiä hitsin jälkeisiä lämpökäsittelyjä |
Valmistus |
Erinomainen muotoilu, hitsaus, konettavuus | Haastavampi seoksen sisällön noustessa - vaatii tiukempia hallintaa ja erikoistuneita kulutustarvikkeita |
| Tiheys | ≈ 7.85 g/cm³ | 7.7–8,1 g/cm³ (vaihtelee hieman seostavien elementtien mukaan) |
| Maksimilämpötila. | ≤ 300 ° C (jonka yläpuolella hiipi/skaalaus kiihtyy) | 400–600 ° C (Cr-mo); 700–1 000 ° C (Ni-pohjaiset superseosit) |
| Maksaa (USD/TON) | $500- 700 dollaria | $1 000- 3 dollaria 000 (Seostamisesta riippuen) |
| Tyypilliset sovellukset | Rakenteelliset palkit, autoteollisuuskehykset, putkilinjat, yleiset tekniikan osat | Ilmailu-, öljy & kaasuventtiilit, tehonkasviturbiinit, korkean suorituskyvyn työkalu, lääketieteellinen |
11. Johtopäätös
Yhteenvetona, seosteräs vs.. Hiiliteräs kukin miehittää elintärkeitä markkinarakoja.
Hiiliteräs tarjoaa kohtuuhintaisuutta, valmistus, ja riittävä suorituskyky jokapäiväiseen rakenteelliseen ja mekaaniseen käyttöön.
Päinvastoin, Seosteräs-sen tehostetuilla mekaanisilla ja korroosioidenkestävyysominaisuuksilla-vastaa ilmailu-, energia, ja muut korkean panoksen teollisuudenalat.
Arvioimalla kemiallinen meikki, mekaaniset vaatimukset, valmistusominaisuudet, ja taloudelliset tekijät, Insinöörit voivat valita optimaalisen teräsluokan, joka tasapainottaa kustannuksia, kestävyys, ja suorituskyky.
