Carbon là nguyên tố duy nhất tách sắt trơn khỏi thép và lượng có mặt, thường là giữa 0,05% và 2,0% theo trọng lượng , quyết định hầu hết mọi thứ về cách một miếng thép hoạt động dưới tải trọng, sức nóng và búa rèn. Tăng tỷ lệ phần trăm cacbon và kim loại đạt được độ cứng và độ bền kéo nhưng mất đi độ dẻo và khả năng hàn; hạ thấp nó xuống và thép vẫn mềm, có thể tạo hình và dễ hàn nhưng không thể giữ được cạnh cứng hoặc độ bền cao nếu không có sự trợ giúp từ các nguyên tố hợp kim. Mọi chứng chỉ của nhà máy, mọi bản vẽ rèn và mọi ký hiệu cấp độ như 1045 hoặc 4140 đều quay lại một tỷ lệ này.
Carbon thực sự làm gì bên trong thép
Bản thân sắt là một kim loại mềm và tương đối yếu. Khi các nguyên tử cacbon được đưa vào trong quá trình nấu chảy, chúng nằm giữa các nguyên tử sắt trong mạng tinh thể và tạo thành một hợp chất gọi là xi măngit (cacbua sắt, Fe3C) cùng với dung dịch rắn gọi là ferit. Sự cân bằng giữa hai cấu trúc vi mô này, và sau đó là giữa ngọc trai, martensite và bainite sau khi xử lý nhiệt, là điều mang lại cho thép tính chất cơ học.
Một cách hữu ích để hình dung nó: ferit là phần mềm, có từ tính, dễ uốn cong của cấu trúc, trong khi xi măng cứng và giòn. Khi hàm lượng carbon tăng lên, nhiều dạng xi măng hơn và độ cứng của thép tăng theo một đường cong khá dễ đoán. Các nhà luyện kim đã theo dõi mối quan hệ này từ đầu thế kỷ XX và nó vẫn là cơ sở của sơ đồ pha sắt-cacbon được sử dụng trong mọi lớp học luyện kim ngày nay.
Tại sao hàm lượng carbon được đo bằng phần trăm
Vì tác dụng của cacbon rất mạnh nên sự khác biệt nhỏ như 0,10% thay đổi cách phân loại thép và ứng dụng phù hợp của nó. Thép 1020 (0,20% carbon) hoạt động không giống thép 1095 (0,95% carbon) mặc dù cả hai đều là thép carbon đơn giản về mặt kỹ thuật. Đây là lý do tại sao các nhà sản xuất thép báo cáo hàm lượng carbon đến hàng trăm phần trăm trong báo cáo thử nghiệm tại nhà máy thay vì làm tròn đến số nguyên gần nhất.
Phân loại thép carbon theo tỷ lệ phần trăm
Thép cacbon trơn được nhóm thành bốn họ rộng dựa trên hàm lượng cacbon. Mỗi dòng có một nhóm mục đích sử dụng điển hình riêng biệt và các thợ rèn lựa chọn trong số đó dựa trên sự cân bằng về độ bền, độ dẻo dai và khả năng gia công mà bộ phận hoàn thiện yêu cầu.
Phạm vi phân loại thép carbon chung được xác định bằng cách đánh số cấp SAE/AISI. | Phân loại | Hàm lượng cacbon | Lớp điển hình | Sử dụng chung |
| Carbon thấp (thép nhẹ) | 0,05% - 0,30% | 1006, 1018, 1020 | Hình dạng kết cấu, tấm, dây |
| Cacbon trung bình | 0,31% - 0,60% | 1035, 1045, 1050 | Trục, bánh răng, trục khuỷu rèn |
| cacbon cao | 0,61% - 1,00% | 1065, 1080, 1095 | Lò xo, dụng cụ cắt, lưỡi dao |
| Carbon cực cao | 1,01% - 2,00% | Thép công cụ đặc biệt | Mặc tấm, khuôn, đục lỗ |
Trên đại khái 2,0% cacbon , vật liệu đó không còn được phân loại là thép nữa; nó trở thành gang, giòn hơn nhiều và được tạo hình bằng cách đúc thay vì rèn hoặc cán.
Hàm lượng cacbon thay đổi tính chất cơ học như thế nào
Mối quan hệ giữa carbon và hiệu suất cơ học là một trong những xu hướng nhất quán trong kỹ thuật vật liệu. Khi tỷ lệ phần trăm carbon tăng lên, bốn đặc tính sẽ di chuyển theo hướng có thể dự đoán được:
- Độ cứng tăng - nhiều xi măng hơn trong cấu trúc vi mô chống lại sự lõm và mài mòn.
- Độ bền kéo tăng - đến một mức độ nào đó, lượng cacbon bổ sung sẽ giúp thép chịu được nhiều tải hơn trước khi bị hỏng.
- Độ dẻo rơi — thép uốn cong và giãn ít hơn trước khi nứt, do đó việc tạo hình nguội trở nên khó khăn hơn.
- Khả năng hàn giảm - thép có hàm lượng cacbon cao hơn dễ bị nứt hơn ở vùng chịu ảnh hưởng nhiệt trừ khi được gia nhiệt trước và kiểm soát cẩn thận.
Đây là lý do tại sao trục trục ô tô được rèn, cần cả độ bền và khả năng hấp thụ chấn động mà không bị vỡ, thường sử dụng loại carbon trung bình như 1045 thay vì sử dụng loại thép carbon cao, loại thép này sẽ cứng hơn trong thử nghiệm trong phòng thí nghiệm nhưng lại quá giòn khi va chạm trên đường.
Hàm lượng cacbon và Rèn thép Quy trình
Rèn thép định hình kim loại bằng cách nén biến dạng dẻo, sử dụng búa, máy ép hoặc cuộn để ép thép đã nung thành khuôn hoặc hình dạng mong muốn. Hàm lượng carbon chi phối hầu hết mọi quyết định mà một xưởng rèn đưa ra trước khi cú búa đầu tiên chạm đất.
Cửa sổ nhiệt độ rèn
Thép cacbon thấp và trung bình thường được rèn giữa 1150°C và 1250°C (khoảng 2100°F đến 2280°F), trong đó vật liệu nằm ở pha austenit và dễ dàng chảy dưới áp suất. Thép carbon cao thường được rèn ở mức thấp hơn trong phạm vi đó, vì nhiệt độ quá cao kết hợp với hàm lượng carbon cao sẽ khuyến khích sự phát triển của hạt và quá trình khử cacbon trên bề mặt, cả hai đều làm suy yếu phần hoàn thiện.
Tại sao người giả mạo thích các loại carbon trung bình
Các loại thép cacbon trung bình như 1040, 1045 và 4140 chiếm ưu thế trong ngành rèn vì chúng đạt được sự cân bằng khả thi: đủ cacbon để đáp ứng tốt với xử lý nhiệt sau rèn như tôi và tôi, nhưng không đến mức phôi thép bị nứt dưới khuôn. Các bộ phận như trục khuỷu, thanh nối, bánh răng, mặt bích và dụng cụ cầm tay hầu như luôn được rèn từ dải giữa này chứ không phải từ các dải cực đoan.
Dòng chảy hạt và tăng sức mạnh
Việc rèn không chỉ tạo hình thép; nó căn chỉnh cấu trúc hạt bên trong dọc theo đường viền của bộ phận. Một bộ phận được rèn đi theo các đường dòng hạt liên tục, trong khi một bộ phận được gia công hoặc đúc cắt ngang hạt hoặc không có gì cả. Thử nghiệm trong ngành đã nhiều lần chỉ ra rằng các bộ phận bằng thép rèn có thể có khả năng chống mỏi cao hơn đáng kể so với các bộ phận đúc hoặc gia công có thành phần hóa học giống hệt nhau, đó là lý do tại sao thép cacbon rèn vẫn là tiêu chuẩn cho các bộ phận quan trọng về an toàn như tay lái và trục khuỷu.
Thép cacbon so với thép hợp kim và thép không gỉ
Chỉ riêng hàm lượng carbon không nói lên toàn bộ câu chuyện một khi các nguyên tố khác được đưa vào hỗn hợp. Hiểu được vị trí của thép carbon trơn so với những người anh em họ hợp kim của nó giúp giải thích lý do tại sao một bản vẽ rèn có thể yêu cầu nhóm này hơn nhóm khác.
So sánh thép cacbon trơn với các họ hợp kim và thép không gỉ. | Gia đình thép | Bổ sung chính | Ưu điểm chính | Đánh đổi |
| Thép carbon trơn | Chỉ cacbon, mangan vết | Giá thành rẻ, dễ làm giả | Không có khả năng chống ăn mòn |
| Thép hợp kim (ví dụ 4140) | Crom, molypden, niken | Độ cứng sâu hơn, độ bền cao hơn | Chi phí vật liệu cao hơn |
| Thép không gỉ (ví dụ 304, 17-4PH) | Crom 10,5%, đôi khi là niken | Chống ăn mòn | Khó rèn hơn, đắt tiền hơn |
Trong thực tế, kỹ sư mua hàng chọn thép carbon trơn khi bộ phận sẽ được phủ, sơn hoặc giữ trong nhà và sử dụng các loại hợp kim hoặc không gỉ khi ứng dụng yêu cầu khả năng chống ăn mòn hoặc độ cứng cao hơn thông qua các mặt cắt dày hơn.
Chọn loại thép cacbon cho chi tiết rèn
Việc lựa chọn tỷ lệ phần trăm carbon phù hợp là một hành động cân bằng giữa ba câu hỏi: bộ phận đó cần phải bền đến mức nào, nó sẽ hấp thụ bao nhiêu sốc hoặc mỏi và nó sẽ được gia công hoặc nối như thế nào sau đó.
- Xác định loại tải. Tải tĩnh chịu được hàm lượng carbon cao hơn; tải tác động lặp đi lặp lại có lợi cho carbon trung bình với độ dẻo dai tốt.
- Kiểm tra các hoạt động sau rèn. Nếu bộ phận sẽ được hàn xuôi dòng, hãy giữ hàm lượng carbon dưới khoảng 0,30% trừ khi làm nóng trước và làm mát có kiểm soát là một phần của kế hoạch quy trình.
- Xác nhận đường dẫn xử lý nhiệt. Thép carbon trung bình và cao đáp ứng tốt với chu kỳ tôi và tôi; thay vào đó, thép carbon thấp dựa vào việc làm cứng vỏ hoặc cacbon hóa.
- Cân khả năng gia công dựa trên độ cứng. Hàm lượng carbon cao hơn thường có nghĩa là tốc độ cắt chậm hơn và độ mòn dụng cụ nhanh hơn trong quá trình gia công thứ cấp.
Một cửa hàng rèn cung cấp cho các nhà sản xuất ô tô hoặc thiết bị nông nghiệp sẽ thường xuyên tiêu chuẩn hóa một số loại, phổ biến nhất là 1045 cho trục chung và 4140 trong đó yêu cầu tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao hơn, chính xác là do các loại này nằm ở vị trí cân bằng giữa khả năng rèn và hiệu suất của chi tiết hoàn thiện.
Xử lý nhiệt sau khi rèn
Việc rèn một mình hiếm khi mang lại các đặc tính cơ học cuối cùng của một bộ phận. Hàm lượng carbon xác định phương pháp xử lý nhiệt nào thậm chí có thể thực hiện được sau đó.
Bình thường hóa
Gần như tất cả các vật liệu rèn bằng thép carbon đều được chuẩn hóa sau khi rèn, được nung nóng trên nhiệt độ tới hạn và làm mát bằng không khí, để tinh chỉnh cấu trúc hạt và giảm bớt các ứng suất không đồng đều do quá trình rèn để lại.
Làm nguội và ủ
Thép carbon trung bình và cao có thể được tôi trong dầu hoặc nước để tạo thành martensite, sau đó được tôi luyện để đổi một số độ cứng lấy lại độ dẻo dai. Tỷ lệ phần trăm carbon đặt ra mức trần về độ cứng có thể đạt được; một loại thép có hàm lượng carbon dưới khoảng 0,30% đơn giản là không thể đạt được độ cứng đã được làm nguội tương tự như loại 1060 hoặc 1080, bất kể mức độ nghiêm trọng của việc làm nguội.
Làm cứng vỏ cho các bộ phận có hàm lượng carbon thấp
Thay vào đó, thép cacbon thấp cần bề mặt cứng nhưng lõi cứng, chẳng hạn như bánh răng, được cacbon hóa: cacbon được khuếch tán vào bề mặt bên ngoài ở nhiệt độ cao, sau đó chỉ riêng lớp bề mặt đó được tôi cứng trong khi lõi cacbon thấp vẫn dẻo.
Câu hỏi thường gặp
Bao nhiêu phần trăm cacbon làm cho thép đủ cứng để làm dụng cụ?
Các ứng dụng công cụ thường bắt đầu xung quanh 0,60% cacbon và tăng lên khoảng 1,0%, vì phạm vi này cứng lại rất tốt thông qua quá trình làm nguội và giữ được độ sắc nét.
Có phải carbon cao hơn luôn có nghĩa là thép mạnh hơn?
Chỉ đến một điểm. Độ bền kéo và độ bền năng suất tăng lên cùng với hàm lượng carbon, nhưng vượt quá khoảng 0,80-0,90% thì mức tăng không thay đổi trong khi độ giòn tiếp tục tăng, do đó, nhiều carbon hơn không tự động tốt hơn cho mọi ứng dụng.
Tại sao thép carbon trung bình là vật liệu rèn phổ biến nhất?
Nó cung cấp phạm vi thực tế rộng nhất: đủ carbon để làm cứng thông qua xử lý nhiệt, nhưng vẫn đủ dẻo để chịu được lực nén khi rèn mà không làm nứt phôi.
Thép carbon thấp có thể được rèn?
Đúng. Thép carbon thấp dễ rèn vì độ dẻo cao và thường được chọn cho các bộ phận sẽ được hàn hoặc cần lõi cứng, chống sốc hơn là độ cứng bề mặt.
Hàm lượng carbon được đo trong một bộ phận thép thành phẩm như thế nào?
Các nhà sản xuất sử dụng phân tích quá trình đốt cháy hoặc quang phổ phát xạ quang học để đo phần trăm cacbon trực tiếp từ một mẫu và kết quả được báo cáo trên chứng chỉ kiểm tra nhà máy đi kèm với vật liệu.
Điều gì xảy ra nếu hàm lượng carbon quá cao đối với ứng dụng rèn?
Lượng carbon dư thừa làm giảm độ dẻo đến mức phôi có thể bị nứt trong quá trình nén, đặc biệt là ở các góc khuôn và phần mỏng, đó là lý do tại sao các cửa hàng rèn chỉ định phạm vi hàm lượng carbon thay vì chấp nhận dung sai rộng rãi của nhà máy.
