1. Įvadas
Plieno pagrindu šiuolaikinė infrastruktūra, Nuo didelių dangoraižių iki tikslių chirurginių įrankių.
Kaip labiausiai perdirbta pasaulyje medžiaga, Tai siūlo neprilygstamą stiprumo derinį, Formavimas, ir ekonominis efektyvumas.
Šiame straipsnyje, Palyginame dvi pamatines plieno šeimas - anglies plieną ir lydinio plieną - across chemija, savybės, apdorojimas, Ekonomika, ir programos.
Iki galo, Jūs suprasite, kada pasirinkti kiekvieną tipą, kad būtų pasiektas didžiausias našumas ir vertė.
2. Kas yra anglies plienas?
Anglies plienas išsiskiria kaip viena paprasčiausių ir plačiausiai naudojamų plieno šeimų.
Pagal apibrėžimą, Jį daugiausia sudaro geležis (Fe) legiruotas anglimi (C), paprastai nuo 0.05 % į 1.00 % pagal svorį.
Kai padidinate anglies kiekį, Padidėja lydinio stiprumas ir kietumas, tačiau lankstumas ir suvirinamumo mažėjimas.
Be to, kontroliuojami mangano priedai (Iki ~ 1,65 %), Silicis (0.15 %–0.30 %), fosforas (< 0.04 %), ir sieros (< 0.05 %) Padėkite patobulinti grūdų struktūrą, pagerinti sukietėjimą, ir padidinkite apdirbamumą.
Anglies plieno rūšys
Inžinieriai anglies plieną klasifikuoja į keturias pagrindines kategorijas pagal anglies procentą. Kiekviena kategorija atlieka aiškų vaidmenį, Nuo lanksčių vielos formų iki atsparus dėvėjimams ašmenims:
| Kategorija | C Turinys | Pagrindiniai bruožai | Įprastas panaudojimas |
|---|---|---|---|
| Žemo anglies (Švelnus) | 0.05 %–0.30 % | Puikus lankstumas; Lengva suvirinti ir formuoti | Automobilių plokštės, konstrukcinės formos, aptvaras |
| Vidutinio anglies | 0.30 %–0.60 % | Subalansuota jėga ir tvirtumas; termiškai apdorojamas | Pavaros, ašis, velenai, Mašinų komponentai |
| Aukšto anglies | 0.60 %–1.00 % | Didelis kietumas po gesinimo; mažesnis lankstumas | Pjovimo įrankiai, Spyruoklės, Didelio stiprumo laidai |
| Labai aukšta anglis | 1.00 %–2.00 % | Išskirtinis atsparumas dėvėjimams; trapios gamtos | Specialūs peiliai, šlyties ašmenys, Laidinės dalys |
3. Kas yra lydinio plienas?
Lydinio plienas Padidina paprastą anglies plieną, sąmoningai pridedant vieną ar daugiau lydinių elementų,
tokių kaip chromas, Nikelis, molibdenas, Vanadis, volframas, ar boras, Siekiant savybių, kurių vien anglies kiekis negali pristatyti.
Šie strateginiai papildymai patikslina plieno mikrostruktūrą, Pagerinkite mechaninį našumą, ir pagerinti atsparumą šilumai, dėvėti, ir korozija.
Cheminė sudėtis ir mikrostruktūra
Kiekvienas lydinio elementas prisideda prie savitos naudos:
- Chromas (0.5–2 %) skatina kietų chromo karbidų susidarymą ir ploną, Pritaikytas oksido sluoksnis, Padidina atsparumą dėvėjimams ir apsauga nuo korozijos.
- Nikelis (1–5 %) Stabilizuoja austenito fazę kambario temperatūroje, Dramatiškai padidėja tvirtumas-ypač žemos temperatūros aplinkoje.
- Molibdenas (0.2–0.6 %) sustiprina šliaužimo stiprumą ir palaiko kietumą aukštesnėje temperatūroje, apribodamas grūdų augimą.
- Vanadis (0.1–0.3 %) patobulinti išankstinio ustenito grūdų dydį, užtikrinant didesnį derlingumo stiprumą ir pranašesnį nuovargio gyvenimą.
- Volframas (iki 2 %) ir Boronas (0.0005–0.003 %) toliau pagerina aukštos temperatūros kietumą ir giliai, atitinkamai.
Lydinio plieno tipai
Tuo tarpu deriniai gali labai skirtis, Penki dažniausiai pasitaikančios lydinio plieno grupės yra:
| Leginių šeima | Pagrindiniai elementai | Pagrindinė nauda | Pavyzdys naudoja |
|---|---|---|---|
| Žemo lydinio plienai | Kr, Į, MO (Iš viso ≤ 5 %) | Subalansuota jėga, Vidutinis tvirtumas, pagerintas kietas | Automobilių važiuoklė, konstrukcinės sijos |
| Aukšto lydinio plienai | Kr, Į, MO, V, W (iš viso > 5 %) | Išskirtinis stiprumas ir korozija/atsparumas šilumai | Turbinos ašmenys, Branduolinių reaktorių dalys |
| Įrankių plienai | Kr, MO, W, V, C (C iki ~ 2 %) | Labai didelis kietumas, atsparumas nusidėvėjimui, matmenų stabilumas | Pjovimo įrankiai, štampai, miršta |
| Nerūdijantis plienas | ≥ 10.5 % Kr, plius ni, MO, N | Išskirtinis atsparumas korozijai, Formavimas | Medicinos instrumentai, Maisto apdorojimo įranga |
| Plienai | Į (15–25 %), Co, MO, Iš, Al (Žemas c) | Ypač stiprios stiprybės su puikiu tvirtumu | Aviacijos ir kosmoso struktūriniai komponentai, įrankiai |
4. Keturių skaitmenų AISI plieno žymėjimo sistemos dekodavimas
Prieš atskirdami anglies ir lydinio plienus, būtina suprasti jų įvardijimo konvenciją.
Keturių skaitmenų AISI (Amerikos geležies ir plieno institutas) sistema, Pirmieji du skaitmenys nustato plieno šeimą, o paskutiniai du skaitmenys nurodo vardinio anglies turinį (šimtosios procento, iki 1.00 %).
Pavyzdžiui, „10“ priešdėlis nurodo paprastą anglies plieną, su 1018 kuriame yra 0.18 % Anglies ir 1045 kuriame yra 0.45 %.
Taip pat, 4140- nepadedamas jo „41“ priešdėlio - taip pat žymi 0.40 % Anglies, bet kaip chromo-molybdenum lydinio šeimos dalis.
Visuose „10“ serijos klasėse yra nedideli mangano kiekiai, fosforas, ir silicis, kad būtų galima patikslinti grūdų struktūrą ir pagerinti stiprumą.
Retkarčiais, Pasirodo priesagos raidės: L Nurodo papildomą pranašumą dėl pranašesnio apdirbimo, ir B signalizuoja boro papildymą, kuris padidina kietesnį skyrių.
Iššifruodamas šiuos priešdėlius, skaitmenys, ir laiškai, Galite numatyti pagrindinę plieno chemiją ir taip nustatyti jo kietumą, tempimo stiprumas, ir tinkamumas termiškai apdoroti.
Žemiau yra visa keturių skaitmenų AISI/SAE numeravimo lentelė, parodant abi paprastų anglies poskyrius (10xx - 15xx) ir pagrindinės lydinio plieno serija (2xxx - 9xxx).
Paskutiniai du skaitmenys visada suteikia nominaliojo C kiekį šimtmetyje procentiniu būdu (pvz. „18“ → 0.18 %C).
| Serija | Pirminis lydinio elementas(s) | Anglies diapazonas (%C) | Pagrindinės charakteristikos / Pastabos |
|---|---|---|---|
| 10xx | Paprasta anglis (C + Mn, P, Ir) | 0.06 - 0.60 | Šaltai piešti & Karštai valomi anglies plienai (pvz. 1018, 1045) |
| 11xx | Resulfurizuota anglis (Prideda s) | 0.06 - 0.60 | Geresnis apdirbamumas (pvz. 1117, 1144) |
| 12xx | Resulfurized + pertvarkyta anglies (S+p) | 0.06 - 0.60 | Aliejaus kaupimasis, Geras apdirbamumas (pvz. 1215) |
| 15xx | Aukštos-Mangano anglis (Prideda ~ 1,00 % Mn) | 0.20 - 0.50 | Patobulinta jėga & Aparatas (pvz. 1541) |
| 15Bxx | Aukštas Mn + Boronas (B ~ 0,0005–0,003 %) | 0.20 - 0.50 | Sustiprintas sukietėjimas |
2xxx |
Nikelio plienai (1-5 %) | 0.06 - 0.60 | Tvirtas, Mažo TEMP našumas (pvz. 2024) |
| 3xxx | Nikelio-chromio plienai (Į + Kr) | 0.06 - 0.60 | Šilumos atsparumas & aukšto stiprumo (pvz. 3090) |
| 4xxx | Molibdeno plienai (MO 0,2–0,5 %) | 0.06 - 0.60 | Aukštos temperatūros stiprumas, atsparumas korozijai (pvz. 4042) |
| 41xx | Chromo-molibdeno plienai (Kr + MO) | 0.06 - 0.60 | Geras sukietėjimas & atsparumas nusidėvėjimui (pvz. 4140, 4130) |
| 43xx | Chromo plienai (Cr 0,5–1,5 %) | 0.06 - 0.60 | Didelė jėga, šiek tiek atsparumas korozijai (pvz. 4310) |
5xxx |
Chromo plienai (Didesnis CR nei 4xxx) | 0.06 - 0.60 | Oro keičiantis įrankis plienai (pvz. 5140) |
| 6xxx | Chromo-vanadžio plienai (Kr + V) | 0.06 - 0.60 | Pavasaris & didelio streso dalys (pvz. 6150) |
| 7xxx | Volframo plienai (W 1–5 %) | 0.06 - 0.60 | Greitaeigis & karšto darbo įrankių plienai (pvz. 7„XXX HSS“ serija) |
| 8xxx | Nikelio-chromio-molybdenum (At + cr + i) | 0.06 - 0.60 | Ypač stiprios jėgos & Tvirtumas (pvz. 815M40) |
| 9xxx | Silicio-Mangano plienai (Ir + Mn) | 0.06 - 0.60 | Pavasario plienai, Didelio nuovargio gyvenimas (pvz. 9260) |
Priesagos raidės
- L: Pridėta švino, kad būtų pagerintas apdirbimas (pvz. 1215L)
- B: Pridėta boro už sukietėjimą (pvz. 8640B)
- H: Specialūs sukietėjimo reikalavimai (pvz. 4140H)
5. Mechaninės lydinio plieno ir. Anglies plienas
Mechaninis našumas skatina medžiagų pasirinkimą, o lydinio ir anglies plieno žymiai skiriasi pagrindinės metrikos.
Tempimo stiprumas, Derliaus stiprumas, ir lankstumas
- Anglies plienas: Mažų anglies klasių pažymiai (pvz. AISI 1018) Parodykite tempimo stipriąsias puses apie 400–550 MPa ir išeigos stiprumus beveik 250–350 MPa, su pailgėjimu per 20–30 pertrauką %.
Vidutinio anglies plienai (pvz. 1045) Paspauskite tempimo stiprumą iki 600–800 MPa ir išeikite iki 350–550 MPa, vis dėlto lankstumas sumažėja iki ~ 15 %. - Lydinio plienas: Priešingai, a 4340 lydinio plienas, gesinta ir grūdinta, pasiekia tempimo stipriąsias puses 1 100–1 400 MPA ir išeigos stipriosios pusės 950–1 150 MPA, išlaikant 12–18 % pailgėjimas.
Todėl, Lydinio plienai suteikia iki dvigubai didesnio anglies plieno stiprumo, neprarandant per didelio elastingumo.
Be to, Strateginiai papildymai, tokie kaip nikelis ar vanadis, - didesnis siuvėjo derliaus elgesys.
Pavyzdžiui, a 2 % NI žemo lydinio laipsnio padidina smūgio patikrintą derlių ~ 10 % Palyginti su panašiu Cr-Mo plienu.
Kietumas ir atsparumas dėvėjimams
- Anglies plienas: Galima pasiekti šilumos apdorotus aukštų anglies plienus 60 HRC (Rokvelio kietumas c), Siūlo gerą atsparumą peiliukams ir spyruoklėms.
Tačiau, kai anglis viršija 0.8 %, Formabilitacijos kenčia ir kenkia rizika gesinant didėjant. - Lydinio plienas: Įrankių plienai (pvz. D2 su ~ 12 % Kr, 1.5 % C) Pasiekite 62–64 HRC su puikiu krašto sulaikymu.
Tuo tarpu, Volframo lydinio karšto darbo pažymiai (H13) Pristatykite 48–52 HRC kartu su raudonaisiais sunkumais iki 600 ° C..
Be to, lydinio plienai dažnai įterpia kietus karbidus (Kr, V, arba w) Tai atspindi dilimą kur kas geriau nei cementitas anglies pliene.
Todėl, Pamatysite karbidą sustiprintus lydinius, kurie yra ilgesni nei 2–3 × ilgiau.
Tvirtumas ir atsparumas smūgiams
- Anglies plienas: Mažų anglies plienai lengvai sugeria smūgį, Duruojančios charpijos V-Notch vertės 80–120 J kambario temperatūroje.
Vis dėlto, Kai anglis kyla aukščiau 0.6 %, Tvirtumas pasmerkia žemiau 20 J, Padaryti trapų lūžių greitį. - Lydinio plienas: Nikeliuoti lydiniai (pvz. 8640 su 2 % Į) Išlaikykite aukščiau pateiktas charpijos vertes 50 J net esant –40 ° C.
Be to, Mikro palydoviniai vanadžio plienai suteikia didelį lūžio tvirtumą (K_ic > 80 MPA · √m) Patobulinant grūdų dydį.
Nuovargio veikimas ir atsparumas šliaužiant
- Nuovargis: Lydinio plienai paprastai pasižymi nuovargio ribomis apie 50–60 % didžiausio tempimo jėgos, Palyginti su ~ 40 % anglies plienams.
Pavyzdžiui, Užgandęs ir tempiamas 4140 Lydinis turi ištvermės ribą šalia 650 MPA, kadangi 1045 svyruoja 320 MPA. - Šliaužti: Esant pakilusi temperatūrai (> 300 ° C.), Anglies plienai greitai šliaužia, ribojantis naudojimas šilumos paveiktose dalyse.
Atvirkščiai, Cr-Mo ir Ni-Cr-Mo lydiniai tūkstančius valandų palaiko stresą 200–300 MPa ir 550 ° C., Dėl stabilių karbido tinklų, kurie trukdo slenka nuo grūdų ribų.
Palyginimo lentelė
| Nuosavybė | Anglies plienas | Lydinio plienas |
|---|---|---|
| Tempimo stiprumas | 400 - 550 MPA (žemas c); 600 - 800 MPA (Med-C) | 1 100 - 1 400 MPA (pvz. 4340 Qt) |
| Derliaus stiprumas | 250 - 350 MPA (žemas c); 350 - 550 MPA (Med-C) | 950 - 1 150 MPA (pvz. 4340 Qt) |
| Ausmingumas (Pailgėjimas per pertrauką) | 20 - 30 % (žemas c); ~ 15 % (Med-C) | 12 - 18 % (4340 Qt); kinta atsižvelgiant į legiruotus elementus |
| Kietumas (HRC po terminio apdorojimo) | Iki ~ 60 HRC (Aukštas C.); Užgylimo įtrūkimų rizika virš ~ 0,8 % C | 48 - 52 HRC (H13); 62 - 64 HRC (D2); palaikoma aukštesnėje temperatūroje |
Charpy poveikis (20 ° C.) |
80 - 120 J (žemas c); < 20 J (Aukštas C.) | ≥ 50 J ties –40 ° C (Ni turinčių pažymiai); K_ic > 80 MPA · √m (V-mikropliginiai plienai) |
| Nuovargio riba | ~ 40 % iš Uts (pvz. ~ 320 MPa 1045) | ~ 50 - 60 % iš Uts (pvz. ~ 650 MPa, skirtas gesintiems ir giedotiems 4140) |
| Šliaužimo pasipriešinimas (at > 300 ° C.) | Vargšas; greito deformacijos ribų naudojimas | Gerai; Cr-Mo ir Ni-Cr-Mo lydiniai palaiko 200 - 300 MPA įtempis per tūkstančius valandų ~ 550 ° C temperatūroje |
| Atsparumas nusidėvėjimui | Priklauso nuo cementito; Vidutinis | Puikus dėl kieto Cr, V, arba w karbidai; trunka 2 - 3 × ilgesnis formose ir miršta |
Qt = užgesinti ir grūdinti
6. Korozija ir atsparumas aplinkai
- Anglies plienas lengvai oksiduoja, su tipiškais korozijos greičiais 0,1–0,5 mm per metus aplinkos sąlygomis.
- Lydinio plienas su ≥ 12 % Cr yra pasyvus filmas, mažinant korozijos normą iki < 0.01 mm per metus daugelyje aplinkų.
Be to, Nikelio ir molibdeno papildymai kovoja. Nors dangos (galvanizavimas, epoksidinė) Padėkite anglies plienui, Jie prideda pasikartojančias priežiūros išlaidas.
Priešingai, Nerūdijantis ir oro lydinio plienas suteikia ilgalaikę apsaugą vien per metalurgiją.
7. Šiluminis apdorojimas ir lydinio plieno gamyba vs. Anglies plienas
- Anglies plienas Šilumos procedūros - atpalaidavimas, normalizavimas, gesinimas & nuotaika - kontrolės kietumas ir kietumas. Pavyzdžiui, 1045 Plieninis gesintas aliejuje pasiekia ~ 55 HRC.
- Lydinio plienas Dažnai gydoma tirpalais (Pvz., 17-4PH nerūdijantis) arba amžius sukietėjimas (Pvz., NI pagrindu sukurtos superlydai) Norėdami atrakinti smailės savybes.
Be to, suvialyvumas ir formavimo sumažėjimas didėjant lydinio turiniui.
Pavyzdžiui, paprastas anglies 1018 suvirinimas lengvai naudojant įprastus elektrodus, kadangi austenitinis nerūdijantis 304L reikalauja specializuoto užpildo ir pašildymo.
Todėl, Gamintojai planuoja griežtesnius valdymo priemones ir po suvirinimo procedūras, skirtas aukšto lygio lyderiams.
8. Išlaidos ir ekonominiai sumetimai
| Išlaidų koeficientas | Anglies plienas | Lydinio plienas |
|---|---|---|
| Žalia | $500 - $700 už toną | $1,000 - $3,000 už toną (priklausomai nuo lydinių) |
| Energija & Apdorojimas | Vidutinis (paprastesnis lydymas & patobulinti) | Aukštas (vakuuminis gydymas, Tikslios kompozicijos) |
| Terminis apdorojimas | $50 - $200 už toną | $200 - $800 už toną (Sudėtingi ciklai) |
| Priežiūra & Gyvenimo ciklas | Periodinis atgavimo ar korozijos taisymas | Minimalu nerūdijančiam ir orams |
| Bendros nuosavybės išlaidos (Tco) | Žemutinė išankstinė dalis; Aukštesnė priežiūra | Didesnės investicijos; Mažesnės gyvenimo ciklo kaina |
9. Lydinio ir anglies plieno taikymas
Anglies plieno pritaikymai
- Statyba: Konstrukcinės sijos, armatūros strypai
- Automobiliai: Kadrai, kūno plokštės
- Vamzdynai & Slėgio indai: Aliejus, vanduo, Dujų transportas
- Bendroji inžinerija: Mašinų dalys, Ūkio įranga
Lydinio plieno pritaikymai
- Aviacijos ir kosmoso: Nusileidimo įrankis, Turbinos diskai
- Aliejus & Dujos: Gręžimo apykaklės, povandeniniai vožtuvai
- Energijos generavimas: Katilo vamzdžiai, Branduolinių reaktorių komponentai
- Aukštos temperatūros aplinka: Krosnies dalys, Šilumokaičiai
10. Kokie yra skirtumai tarp lydinio plieno ir anglies plieno?
| Dimensija | Anglies plienas | Lydinio plienas |
|---|---|---|
| Cheminė sudėtis | Fe + 0.05–1.0 % C; Mn pėdsakai, Ir, P, S | Fe + C + ≥ 0.5 % strateginiai elementai (Kr, Į, MO, V, W, B, kt.) |
| Anglies kiekis | 0.05–2.0 % | Paprastai 0,1–1,0 %, bet skiriasi atsižvelgiant į pažymį |
| Pirminiai legiruoti elementai | Nėra (Už pėdsakų) | Kr, Į, MO, V, W, B - kiekvienas pritaikytas kietumui, Tvirtumas, korozija arba aukštas stiprumas |
| Tempimo stiprumas | 400–800 MPA (žemas- į aukštą-C) | 900–1 400 MPA (žemas- iki aukšto lydinio gesinimo & grūdinta) |
| Derliaus stiprumas | 250–550 MPa | 800–1 200 MPA |
| Pailgėjimas (Ausmingumas) | 20–30 % (žemas c); ~ 10–15 % (Aukštas C.) | 10–20 %, priklausomai nuo lydinio mišinio |
| Kietumas (HRC) | ≤ 60 HRC (Aukštos C klasės) | 48–64 HRC (įrankis 65 HRC; karšto darbo klasės ~ 50 HRC) |
Atsparumas nusidėvėjimui |
Vidutinis (Cementite pagrįstas) | Aukštas (kieti Cr karbidai, V, W); 2–3 × Ilgesnis gyvenimas dilime |
| Korozijos greitis | 0.1–0,5 mm per metus nepadengtas | < 0.01 mm/metus nerūdijančio/oro sąlygų; 0.02–0,1 mm/per metus |
| Šilumos laidumas | 45–60 w/m · k | 20–50 w/m · k (Cr/Ni lydiniai žemesni; MO/W lydiniai aukštesni) |
| Šiluminis išplėtimas | 11–13 × 10⁻⁶/k | 10–17 × 10⁻⁶/k (nerūdijantis ≈ 17; Cr-mo ≈ 11; Vaikai ≈ed 13) |
| Elektros varža | 10–15 µΩ · cm | 20–100 µΩ · cm (Nerūdijantis ~ 70; kyla su lydinio turiniu) |
| Magnetinis pralaidumas | Aukštas (≈ 200–1 000) | Kintamasis: Žemas Austenitic mieste (~ 1–2), Aukšta feritų/martensititinių pažymių |
| Terminis apdorojimas | Paprasta: metalas, normalizuoti, gesinimas & nuotaika | Kompleksas: Sprendimo gydymas, amžius, Tikslūs numalšinimo normos, Specialūs terminiai apdorojimai po suvirinimo |
Gaminimas |
Puikus formavimas, suvirinamumas, Aparatas | Sudėtingesnis, kai kyla lydinio turinio - reikalauja griežtesnių valdiklių ir specializuotų eksploatacinių medžiagų |
| Tankis | ≈ 7.85 g/cm³ | 7.7–8,1 g/cm³ (šiek tiek kinta, atsižvelgiant į legiruotus elementus) |
| Maksimali aptarnavimo temp. | ≤ 300 ° C. (Virš kurio šliaužimo/mastelio keitimo pagreitėja) | 400–600 ° C. (Cr-mo); 700–1 000 ° C. (NI pagrindu sukurtos superlydai) |
| Kaina (USD/tonas) | $500- 700 USD | $1 000- 3 USD 000 (Priklausomai nuo legiruoto sudėtingumo) |
| Tipiškos programos | Konstrukcinės sijos, Automobilių rėmai, Vamzdynai, Bendrosios inžinerijos dalys | Aviacijos ir kosmoso komponentai, aliejus & Dujų vožtuvai, Turbinos galios augalai, Aukštos kokybės įrankiai, medicinos |
11. Išvada
Apibendrinant, Lydinio plieno vs. Anglies plienas kiekvienas užima gyvybiškai svarbias nišas.
Anglies plienas siūlo įperkamumą, Paprastas gaminimas, ir tinkami kasdienio struktūrinio ir mechaninio naudojimo rezultatai.
Atvirkščiai, Lydinio plieno-su patobulintomis mechaninėmis ir korozijomis atsparumo savybėmis-reikalauja aviacijos ir kosmoso poreikių, energija, ir kitos didelių akcijų pramonės šakos.
Vertinant cheminį makiažą, mechaniniai reikalavimai, Gamybos galimybės, ir ekonominiai veiksniai, Inžinieriai gali pasirinkti optimalų plieno laipsnį, kuris subalansuoja kainą, ilgaamžiškumas, ir spektaklis.
