1. giriiş
Çelik modern altyapı, Yükselen gökdelenlerden hassas cerrahi aletlere kadar.
Dünyanın en geri dönüştürülmüş malzemesi olarak, Eşsiz bir güç kombinasyonu sunar, Biçimlendirilebilirlik, ve maliyet etkinliği.
Bu makalede, İki temel çelik aileyi (karbon çelik ve alaşım çelik) karşılaştırıyoruz, özellikler, işleme, ekonomi, ve uygulamalar.
Sonunda, Pik performans ve değer için her türü ne zaman seçeceğinizi kavrayacaksınız.
2. Karbon çeliği nedir?
Karbon çeliği En basit ve en yaygın kullanılan çelik ailelerden biri olarak öne çıkıyor.
Tanımı gereği, Öncelikle demirden oluşur (Fe) karbonla alaşımlı (C), tipik olarak değişen 0.05 % ile 1.00 % ağır.
Karbon içeriğini artırdıkça, Alaşımın gücü ve sertliği yükselir - ancak süneklik ve kaynaklanabilirlik azalması.
Dahası, kontrollü manganez ilaveleri (~ 1.65'e kadar %), silikon (0.15 %–0.30 %), fosfor (< 0.04 %), ve kükürt (< 0.05 %) Tahıl yapısını hassaslaştırmaya yardımcı olun, Sertleştirilebilirliği iyileştirmek, ve işlenebilirliği arttırın.
Karbon çelik türleri
Mühendisler, karbon çeliklerini karbon yüzdesine göre dört ana kategoride sınıflandırıyor. Her kategori ayrı bir role hizmet eder, Esnek tel formlarından aşınmaya dayanıklı bıçaklara kadar:
| Kategori | C içeriği | Anahtar Özellikler | Ortak kullanım |
|---|---|---|---|
| Düşük karbonlu (Hafif) | 0.05 %–0.30 % | Mükemmel süneklik; Kaynaklanması ve oluşturulması kolay | Otomotiv panelleri, yapısal şekiller, çit |
| Orta karbonlu | 0.30 %–0.60 % | Dengeli güç ve tokluk; Isıya Deatable | Vites, akslar, şaftlar, Makine Bileşenleri |
| Yüksek karbonlu | 0.60 %–1.00 % | Söndürdükten sonra yüksek sertlik; düşük süneklik | Kesme aletleri, yaylar, yüksek mukavemetli teller |
| Çok yüksek karbon | 1.00 %–2.00 % | Olağanüstü aşınma direnci; doğada kırılgan | Özel bıçak, kesme bıçakları, döküm parçaları |
3. Alaşımlı çelik nedir?
Alaşımlı çelik Bir veya daha fazla alaşım elemanı kasten ekleyerek düz karbon çeliğini yükseltir,
krom gibi, nikel, molibden, vanadyum, tungsten, veya bor, Karbon içeriğinin tek başına sunamayacağı özellikleri elde etmek için.
Bu stratejik eklemeler çeliğin mikro yapısını geliştirin, Mekanik performansı geliştirin, ve ısıya karşı direnci iyileştirin, giymek, ve korozyon.
Kimyasal bileşim ve mikro yapı
Her alaşım elemanı farklı faydalara katkıda bulunur:
- Krom (0.5–2 %) sert krom karbürlerin oluşumunu ve ince, yapışkan oksit tabakası, aşınma direncini ve korozyon korumasını arttırmak.
- Nikel (1–5 %) Östenit fazını oda sıcaklığında stabilize eder, Dramatik olarak artan tokluk-özellikle düşük sıcaklık ortamlarında.
- Molibden (0.2–0.6 %) Tahıl büyümesini kısıtlayarak sürünme gücünü arttırır ve yüksek sıcaklıklarda sertliği korur.
- Vanadyum (0.1–0.3 %) Önceki Austenit tane boyutunu rafine eder, Daha yüksek verim mukavemeti ve üstün yorgunluk ömrü sağlamak.
- Tungsten (kadar 2 %) Ve Bor (0.0005–0.003 %) Yüksek sıcaklık sertliğini ve derin bölüm sertliğini daha da geliştirin, sırasıyla.
Alaşım çelik türleri
Kombinasyonlar çok değişebilir, En yaygın beş alaşım çelik grubu:
| Alaşım ailesi | Anahtar unsurlar | Birincil Faydalar | Örnek Kullanımlar |
|---|---|---|---|
| Alçak alaşım çelikler | CR, İçinde, Mo (Toplam ≤ 5 %) | Dengeli güç, ılımlı tokluk, Geliştirilmiş sertleşebilirlik | Otomotiv şasi, yapısal kirişler |
| Alaşımlı çelikler | CR, İçinde, Mo, V, W (toplam > 5 %) | Olağanüstü güç ve korozyon/ısı direnci | Türbinli bıçaklar, nükleer reaktör parçaları |
| Alet Çelikleri | CR, Mo, W, V, C (C ~ 2'ye kadar %) | Çok Yüksek Sertlik, Direnç Giymek, boyutsal stabilite | Kesme aletleri, yumruklar, ölür |
| Paslanmaz çelikler | ≥ 10.5 % CR, Artı Ni, Mo, N | Olağanüstü korozyon direnci, Biçimlendirilebilirlik | Tıbbi aletler, gıda işleme ekipmanı |
| Maraging Çelikleri | İçinde (15–25 %), Ortak, Mo, İle ilgili, Al (düşük c) | Mükemmel tokluk ile ultra yüksek güç | Havacılık ve Uzay Yapısal Bileşenleri, alet |
4. Dört haneli AISI çelik tanımlama sisteminin kod çözülmesi
Karbon ve alaşım çelikler arasında ayrım yapmadan önce, Adlandırma Sözleşmelerini anlamak çok önemlidir.
Dört haneli AISI'de (Amerikan Demir ve Çelik Enstitüsü) sistem, İlk iki basamak çelik aileyi tanımlamaktadır, son iki hane nominal karbon içeriğini belirlerken (Yüzde yüzünde, kadar 1.00 %).
Örneğin, “10” öneki düz karbon çelikleri belirler, ile 1018 dahil olmak üzere 0.18 % karbon ve 1045 dahil olmak üzere 0.45 %.
Aynı şekilde, 4140- “41” önekine rağmen - 0.40 % karbon, ancak krom-molibden alaşım ailesinin bir parçası olarak.
Tüm “10” seri notları az miktarda manganez içerir, fosfor, ve silikon tahıl yapısını hassaslaştıracak ve gücü artırmak için.
Ara sıra, sonek harfleri görünür: L Üstün işlenebilirlik için eklenen kurşun gösterir, Ve B Daha derin bölümlerde sertleşmeyi arttıran bir bor ilavesini işaret eder.
Bu önekleri kodlayarak, basamak, ve mektuplar, Bir çeliğin temel kimyasını tahmin edebilir ve böylece sertliğini çıkarabilirsiniz., gerilme mukavemeti, ve ısıl işlem için uygunluk.
Aşağıda dört haneli AISI/SAE numaralandırma masası, Her iki düz karbon alt serisini gösteriyor (10xx - 15xx) ve ana alaşım çelik serisi (2xxx - 9xxx).
Son iki basamak her zaman nominal C içeriğini yüzde yüzde yüzde 3'ünde verir (örneğin. "18" → 0.18 %C).
| Seri | Birincil alaşım elemanı(S) | Karbon aralığı (%C) | Temel özellikler / Notalar |
|---|---|---|---|
| 10xx | Düz karbon (C + MN, P, Ve) | 0.06 - 0.60 | Soğuk & Sıcak haddelenmiş karbon çelikler (örneğin. 1018, 1045) |
| 11xx | Yeniden soluklu karbon (S ekler) | 0.06 - 0.60 | Daha iyi işlenebilirlik (örneğin. 1117, 1144) |
| 12xx | Rezil + yeniden fosforlu karbon (S+P) | 0.06 - 0.60 | Petrolü zorlayıcı, İyi işlenebilirlik (örneğin. 1215) |
| 15xx | Yüksek manganda karbon (~ 1.00 ekler % MN) | 0.20 - 0.50 | Gelişmiş güç & işlenebilirlik (örneğin. 1541) |
| 15BXX | Yüksek mn + bor (B ~ 0.0005-0.003 %) | 0.20 - 0.50 | Gelişmiş sertleşebilirlik |
2xxx |
Nikel çelikler (1-5 %) | 0.06 - 0.60 | Zorlu, Düşük TEMP performansı (örneğin. 2024) |
| 3xxx | Nikel-krom çelikler (İçinde + CR) | 0.06 - 0.60 | Isıya dayanıklı & yüksek güçlü (örneğin. 3090) |
| 4xxx | Molibden çelikler (MO 0.2-0.5 %) | 0.06 - 0.60 | Yüksek temp gücü, korozyon direnci (örneğin. 4042) |
| 41xx | Krom-molibden çelikler (CR + Mo) | 0.06 - 0.60 | İyi Sertleştirilebilirlik & Direnç Giymek (örneğin. 4140, 4130) |
| 43xx | Krom Çelikler (CR 0.5-1.5 %) | 0.06 - 0.60 | Yüksek güç, Bazı korozyon direnci (örneğin. 4310) |
5xxx |
Krom Çelikler (4xxx'den daha yüksek CR) | 0.06 - 0.60 | Hava sertleştirme alet çelikleri (örneğin. 5140) |
| 6xxx | Krom-vanadyum çelikler (CR + V) | 0.06 - 0.60 | Bahar & yüksek stresli parçalar (örneğin. 6150) |
| 7xxx | Tungsten Çelikler (W 1-5 %) | 0.06 - 0.60 | Yüksek hızlı & Sıcak çalışan alet çelikleri (örneğin. 7XXX HSS Serisi) |
| 8xxx | Nikel-krom-molibden (At + cr + i) | 0.06 - 0.60 | Yüksek güç & sertlik (örneğin. 815M40) |
| 9xxx | Silikon-Manganese Çelikler (Ve + MN) | 0.06 - 0.60 | Yaylı çelikler, Yüksek yorgunluk hayatı (örneğin. 9260) |
Sonek harfler
- L: Geliştirilmiş işlenebilirlik için kurşun eklendi (örneğin. 1215L)
- B: Sertleştirilebilirlik için bor eklendi (örneğin. 8640B)
- H: Özel Sertleştirilebilirlik Gereksinimleri (örneğin. 4140H)
5. Alaşım çeliğinin mekanik özellikleri vs. Karbon Çelik
Mekanik Performans Malzeme Seçimi, ve alaşım vs karbon çeliği önemli metriklerde önemli ölçüde ayrılır.
Gerilme mukavemeti, Verim gücü, ve süneklik
- Karbon Çelik: Düşük karbonlu notlar (örneğin. AISI 1018) 400-550 MPa civarında gerilme mukavemetleri sergileyin ve 250-350 MPa'ya yakın verim kuvvetleri, 20-30 kırılmasında uzama ile %.
Orta karbonlu çelikler (örneğin. 1045) Çekme mukavemetini 600-800 MPa'ya itin ve 350-550 MPa'ya ulaşın, Yine de süneklik ~ 15'e düşer %. - Alaşım çelik: Aksine, A 4340 alaşım çelik, Söndürülmüş ve temperli, gerilme güçlü yönlerini elde eder 1 100–1 400 950-1 MPA ve Verim Mukavemeti 150 MPa, 12-18 korurken % uzama.
Sonuç olarak, Alaşımlı çelikler, aşırı süneklikten ödün vermeden karbon çeliklerin iki katına kadar güç verir.
Dahası, Nikel veya vanadyum gibi stratejik eklemeler - daha da uyarlama verimi davranışı.
Örneğin, A 2 % NI düşük alaşımlı sınıf, ~ 10 ile darbe test edilmiş verimi artırır % Benzer CR-MO çeliğine kıyasla.
Sertlik ve aşınma direnci
- Karbon Çelik: Isıya göre tedavi edilen yüksek karbonlu çelikler ulaşabilir 60 HRC (Rockwell sertliği c), Bıçaklar ve yaylar için iyi aşınma direnci sunar.
Fakat, Karbon aştıkça 0.8 %, Söndürme sırasında şekillendirilebilirlik acı çekiyor ve riski kırıyor. - Alaşım çelik: Alet Çelikleri (örneğin. ~ 12 ile D2 % CR, 1.5 % C) Mükemmel kenar tutma ile 62-64 HRC'ye ulaşın.
Bu sırada, Tungsten-Alloy Sıcak İş Sınıfları (H13) Kırmızı sertlik ile birlikte 48-52 HRC teslim edin 600 ° C.
Ek olarak, Alaşım çelikleri genellikle sert karbürleri gömür (CR, V, veya w) karbon çeliğinde çimentodan çok daha iyi aşınmaya direnen.
Sonuç olarak, Yüksek giyim kalıplarında ve kalıplarda en son 2-3 × daha uzun karbür takviyeli alaşımlar göreceksiniz..
Tokluk ve etki direnci
- Karbon Çelik: Düşük karbonlu çelikler kolayca emmeyi emer, Oda sıcaklığında 80-120 j Charpy V-Notch değerleri veriyor.
Henüz, Karbon yukarıda tırmanırken 0.6 %, Tokluk aşağıda dalıyor 20 J, kırılgan kırığı daha olası hale getirmek. - Alaşım çelik: Nikel taşıyan alaşımlar (örneğin. 8640 ile 2 % İçinde) Yukarıdaki charpy değerlerini koruyun 50 J bile –40 ° C'de.
Dahası, Mikroalürlü vanadyum çelikler yüksek kırık tokluğu sağlar (K_IC > 80 MPA · √m) Tahıl boyutunu rafine ederek.
Yorgunluk performansı ve sürünme direnci
- Tükenmişlik: Alaşım çelikleri tipik olarak 50-60 civarında yorgunluk sınırları sergiler % nihai gerilme mukavemeti, ~ 40 ile karşılaştırıldığında % Karbon Çelikler İçin.
Örneğin, Söndürülmüş ve huylu 4140 Alaşım yakınında bir dayanıklılık sınırı var 650 MPa, halbuki 1045 kapmak 320 MPa. - Sürünmek: Yüksek sıcaklıklarda (> 300 ° C), Karbon Çelikler Hızla Sürün, ısıya maruz kalan parçalarda kullanımı sınırlama.
Tersine, CR-MO ve NI-CR-MO alaşımları, binlerce saat boyunca 200-300 MPa stresini sürdürüyor ve 550 ° C, Tahıl-sınır sürgüyü engelleyen istikrarlı karbür ağları sayesinde.
Karşılaştırma tablosu
| Mülk | Karbon Çelik | Alaşım çelik |
|---|---|---|
| Gerilme mukavemeti | 400 - 550 MPa (düşük c); 600 - 800 MPa (MED-C) | 1 100 - 1 400 MPa (örneğin. 4340 Qt) |
| Verim gücü | 250 - 350 MPa (düşük c); 350 - 550 MPa (MED-C) | 950 - 1 150 MPa (örneğin. 4340 Qt) |
| Süneklik (Molada Uzatma) | 20 - 30 % (düşük c); ~ 15 % (MED-C) | 12 - 18 % (4340 Qt); Alaşım elemanlarına göre değişir |
| Sertlik (Isıl işlemden sonra HRC) | ~ 60 HRC'ye kadar (yüksek c); ~ 0.8'in üzerinde söndürme çatlakları riski % C | 48 - 52 HRC (H13); 62 - 64 HRC (D2); yüksek sıcaklıklarda korunur |
Charpy etkisi (20 ° C) |
80 - 120 J (düşük c); < 20 J (yüksek c) | ≥ 50 –40 ° C'de j (NI taşıyan notlar); K_IC > 80 MPA · √m (V-mikroalaşımlı çelikler) |
| Yorgunluk sınırı | ~ 40 % UTS (örneğin. ~ 320 MPa 1045) | ~ 50 - 60 % UTS (örneğin. Söndürülmüş ve huylu için ~ 650 MPa 4140) |
| Sürünme direnci (-den > 300 ° C) | Fakir; Hızlı deformasyon sınırları kullanımı | İyi; CR-MO ve NI-CR-MO alaşımları korur 200 - 300 ~ 550 ° C'de binlerce saat boyunca MPA stresi |
| Direnç Giymek | Çimentoya bağlı; ılıman | Sert cr nedeniyle mükemmel, V, veya W karbürler; sürer 2 - Kalıplarda ve kalıplarda 3 × daha uzun |
Qt = söndürülmüş ve temperlenmiş
6. Korozyon ve çevresel direnç
- Karbon Çelik kolayca oksitlenir, ortam koşullarında 0.1-0.5 mm/yıl tipik korozyon oranları.
- Alaşım çelik ≥ ile 12 % CR pasifize edici bir film oluşturur, korozyon oranlarının azaltılması < 0.01 birçok ortamda mm/yıl.
Dahası, Nikel ve molibden ilaveleri Klorür açısından zengin ortamlarda çukurlaşarak savaş. Her ne kadar kaplamalar (galvanizleme, epoksi) Karbon Çeliğine Yardım Edin, Yinelenen bakım maliyetleri eklerler.
Tersine, Paslanmaz ve ayrışma alaşımlı çelikler, sadece metalurji yoluyla uzun süreli koruma sağlar.
7. Alaşım çeliğinin ısıl işlemi ve imalatı. Karbon Çelik
- Karbon Çelik Isı Tedavileri - Tutumlama, normalleştirme, söndürme & Temper - sertlik ve tokluk kontrolü. Örneğin, 1045 Yağda söndürülmüş çelik ~ 55 HRC.
- Alaşım çelik Genellikle çözüm tedavisine uğrar (Örn., 17-4Ph paslanmaz) veya yaş sertleşmesi (Örn., NI tabanlı süper alaşımlar) Tepe özelliklerinin kilidini açmak için.
Ek olarak, Alaşım içeriği arttıkça kaynaklanabilirlik ve biçimlendirilebilirlik düşüşü.
Örneğin, düz karbon 1018 Ortak elektrotlarla kolayca kaynaklar, Oysa Oustenitik Paslanmaz 304L, özel dolgu ve ön ısıtma gerektirir.
Sonuç olarak, Üstü, yüksek alaşımlı notlar için daha katı kontroller ve sonrası tedaviler planlıyor.
8. Maliyet ve ekonomik hususlar
| Maliyet faktörü | Karbon Çelik | Alaşım çelik |
|---|---|---|
| Hammadde | $500 - $700 ton başına | $1,000 - $3,000 ton başına (Alaşımlara bağlı olarak) |
| Enerji & İşleme | Ilıman (daha basit eriyik & rafine etmek) | Yüksek (vakum tedavileri, kesin kompozisyonlar) |
| Isıl işlem | $50 - $200 ton başına | $200 - $800 ton başına (karmaşık döngüler) |
| Bakım & Yaşam döngüsü | Periyodik Recoving veya Korozyon Onarımı | Paslanmaz ve ayrışma çelikleri için minimal |
| Toplam sahiplik maliyeti (TCO) | Alt ön taraf; daha yüksek bakım | Yüksek Yatırım; düşük yaşam döngüsü maliyeti |
9. Alaşım ve karbon çeliğinin uygulamaları
Karbon Çelik Uygulamaları
- Yapı: Yapısal kirişler, takviye çubukları
- Otomotiv: Çerçeveler, gövde panelleri
- Boru hatları & Basınçlı gemiler: Yağ, su, gaz taşımacılığı
- Genel Mühendislik: Makine parçaları, çiftlik ekipmanı
Alaşımlı Çelik Uygulamaları
- Havacılık: İniş ekipmanı, türbin diskleri
- Yağ & Gaz: Matkap yakaları, denizaltı valfleri
- Güç üretimi: Kazan tüpleri, nükleer reaktör bileşenleri
- Yüksek sıcaklık ortamları: Fırın Parçaları, ısı eşanjörleri
10. Alaşımlı çelik ile karbon çeliği arasındaki farklar nelerdir?
| Boyut | Karbon Çelik | Alaşım çelik |
|---|---|---|
| Kimyasal bileşim | Fe + 0.05–1.0 % C; MN izleri, Ve, P, S | Fe + C + ≥ 0.5 % stratejik unsurlar (CR, İçinde, Mo, V, W, B, vesaire.) |
| Karbon içeriği | 0.05–2.0 % | Tipik olarak 0.1-1.0 %, ancak sınıfa göre değişir |
| Birincil Alaşım Elemanları | Hiçbiri (izlerin ötesinde) | CR, İçinde, Mo, V, W, B - her biri sertlik için tasarlanmış, sertlik, korozyon veya yüksek-T mukavemeti |
| Gerilme mukavemeti | 400–800 MPa (Düşük- yüksek c'ye) | 900–1 400 MPa (Düşük- yüksek alaşımlı söndürülmüş & temkinli) |
| Verim gücü | 250–550 MPa | 800–1 200 MPa |
| Uzama (Süneklik) | 20–30 % (düşük c); ~ 10-15 % (yüksek c) | 10–20 %, Alaşım karışımına bağlı olarak |
| Sertlik (HRC) | ≤ 60 HRC (yüksek c notları) | 48–64 HRC (Araç çelikleri 65 HRC; Sıcak çalışma notları ~ 50 HRC) |
Direnç Giymek |
Ilıman (çimento bazlı) | Yüksek (CR'nin sert karbürleri, V, W); 2–3 × aşınmada daha uzun ömür |
| Korozyon oranı | 0.1–0.5 mm/yıl kaplanmamış | < 0.01 Paslanmaz/ayrışma için mm/yıl; 0.02Düşük alaşım için –0.1 mm/yıl |
| Termal iletkenlik | 45–60 w/m · k | 20–50 w/m · k (Cr/ni alaşımları alt; Mo/w alaşımları daha yüksek) |
| Termal genişleme | 11–13 × 10⁻⁶/K | 10–17 × 10⁻⁶/K (paslanmaz ≈ 17; Cr-Mo ≈ 11; Çocuklar ≈ed 13) |
| Elektrik direnci | 10–15 µω · cm | 20–100 µω · cm (Paslanmaz ~ 70; Alaşım içeriği ile yükselir) |
| Manyetik geçirgenlik | Yüksek (≈ 200–1 000) | Değişken: östenitikte düşük (~ 1-2), Ferritik/Martensitik derecelerde yüksek |
| Isıl işlem | Basit: tavlama, normalleştirmek, söndürme & temper | Karmaşık: Çözüm Tedavisi, yaşları sertleştiren, kesin söndürme oranları, ÖZEL KAYIP Posta Isı Tedavileri |
İmalat |
Mükemmel biçimlendirilebilirlik, kaynaklanabilirlik, işlenebilirlik | Alaşım içeriği arttıkça daha zorlayıcı - daha sıkı kontrolleri ve özel sarf malzemelerini geri yüklüyor |
| Yoğunluk | ≈ 7.85 g/cm³ | 7.7–8.1 g/cm³ (Alaşım elemanlarına göre biraz değişir) |
| Maksimum hizmet sıcaklığı. | ≤ 300 ° C (üstünde sürünme/ölçeklendirme hızlanır) | 400–600 ° C (CR-MO); 700–1 000 ° C (NI tabanlı süper alaşımlar) |
| Maliyet (USD/TON) | $500- 700 $ | $1 000- 3 $ 000 (Alaşım karmaşıklığına bağlı olarak) |
| Tipik uygulamalar | Yapısal kirişler, otomotiv çerçeveleri, boru hatları, Genel Mühendislik Parçaları | Havacılık bileşenleri, yağ & gaz valfleri, güç bitkisi türbinleri, Yüksek performanslı araçlar, tıbbi |
11. Çözüm
Özetle, alaşım çelik vs. Karbon çeliği her biri hayati nişleri işgal eder.
Karbon çeliği satın alınabilirlik sunar, İmalat kolaylığı, ve günlük yapısal ve mekanik kullanımlar için yeterli performans.
Tersine, Alaşımlı çelik-gelişmiş mekanik ve korozyon dirençli özellikleri ile-havacılık ve uzay taleplerini canlandırıyor, enerji, ve diğer yüksek bahisli endüstriler.
Kimyasal makyajı değerlendirerek, Mekanik Gereksinimler, imalat yetenekleri, ve ekonomik faktörler, Mühendisler, maliyeti dengeleyen optimum çelik derecesini seçebilir, dayanıklılık, ve performans.
