Middelkoolstofstaal: samenstelling, eigenschappen, kwaliteiten en toepassingen

Staven van middelmatig koolstofstaal

Middelmatig koolstofstaal is een gelegeerd staal met een koolstofgehalte tussen 0.30 en 0.60 gewichtsprocent. De koolstof zorgt ervoor dat het staal een hogere sterkte en breukvastheid heeft. Andere legeringselementen, zoals silicium en zwavel, zorgen voor slijtvastheid en maken het geschikt voor warmtebehandeling. Hierdoor krijgt het staal de nodige taaiheid voor toepassingen zoals assen, tandwielen, assen en duurzame, zwaarbelaste toepassingen zoals spoorwegonderdelen. 

Proleantech biedt diverse bewerkingsdiensten voor middelmatig koolstofstaal voor precisieonderdelen en gesmede onderdelen. In dit artikel leest u alles wat u moet weten over middelmatig koolstofstaal.

Wat is middelmatig koolstofstaal?

Voordat we dieper ingaan op middelmatig koolstofstaal, is het belangrijk om een ​​goed begrip te hebben van staalclassificatie. Dit zal helpen om veelvoorkomende misverstanden over staalsoorten en de verschillen ertussen op te helderen. gelegeerd staal versus koolstofstaalZoals te zien is in Figuur 1, wordt koolstofstaal verder onderverdeeld in drie hoofdcategorieën op basis van het koolstofgehalte. Middelmatig koolstofstaal neemt de middelste positie in; het overbrugt daarmee als het ware de kloof tussen koolstofarm en koolstofrijk staal.

Classificatie van staal

Dit is een veelvoorkomende misvatting waar veel mensen zich over afvragen. Koolstofstaal bestaat hoofdzakelijk uit ijzer en koolstof, met slechts kleine hoeveelheden andere elementen als onzuiverheden. Gelegeerd staal daarentegen bevat opzettelijk toegevoegde andere metaalelementen, zoals chroom en nikkel. 

Koolstofstaal is ontwikkeld om de sterkte en hardheid voor constructietoepassingen te verbeteren, terwijl gelegeerd staal is geoptimaliseerd om specifieke eigenschappen te bereiken, zoals corrosiebestendigheid en duurzaamheid. Vind een complete vergelijking van gelegeerd staal versus koolstofstaal.

Koolstofgehalte van middelmatig koolstofstaal

Middelmatig koolstofstaal bevat over het algemeen 0.30-0.60% koolstof en meestal 0.60-1.65% mangaan. Daarnaast kunnen kleine hoeveelheden silicium, zwavel, fosfor, enz. als onzuiverheden voorkomen. In onderstaande tabel is duidelijk de positie van middelmatig koolstofstaal binnen de koolstofstaalfamilie te zien, zowel kwantitatief als kwalitatief.

Tabel 1: Vergelijking van middelmatig koolstofstaal met andere koolstofstaalsoorten en gietijzer

Je kunt zien dat zowel koolstofarm als koolstofrijk staal elkaars tegenpolen zijn. De theorie is eenvoudig: een hoger koolstofpercentage verhoogt de hardheid en sterkte, maar ten koste van de ductiliteit en de brosheid. Middelmatig koolstofstaal daarentegen heeft eigenschappen die daar tussenin liggen: het is sterker dan zacht staal, terwijl het toch bewerkbaar en warmtebehandelbaar is. Je kunt ook een gedetailleerdere visualisatie van staal en gietijzer bekijken door te verwijzen naar... ijzer-koolstof fasediagrammen.

Chemische samenstelling van middelmatig koolstofstaal

Middelkoolstofstaal is geen homogene legering; het is een familie van verschillende kwaliteiten die voorkomen in de Lijst met soorten gelegeerd staal met enigszins variërende samenstellingen. In de onderstaande tabel vindt u de gemiddelde gewichtspercentages van de meest voorkomende elementen in middelmatig koolstofstaal. Ingenieurs variëren deze samenstellingen doorgaans om eigenschappen op maat te verkrijgen.

Tabel 2: Samenstellingen van veelvoorkomende legeringselementen van middelmatig koolstofstaal

Warmtebehandelingsreactie van middelmatig koolstofstaal

Een heel bijzondere eigenschap van middelmatig koolstofstaal is zijn uitstekende reactie op warmtebehandelingwaardoor we de eigenschappen ervan kunnen aanpassen aan specifieke eisen. Noch staal met een laag koolstofgehalte, noch staal met een hoog koolstofgehalte beschikt over deze mogelijkheid, omdat:

• Staal met een laag koolstofgehalte bevat onvoldoende koolstof voor een effectieve harding.
• Staalsoorten met een hoog koolstofgehalte bevatten een overmaat aan koolstof, waardoor ze zeer bros worden en tijdens de bewerking gevoelig zijn voor scheuren.

Middelmatig koolstofstaal bevat echter een matig koolstofpercentage, en de resulterende microstructuur is zeer gunstig voor de faseovergang die optreedt tijdens de warmtebehandeling. Mits correct warmtebehandeld, kunnen middelkoolstofstaalsoorten een sterkte bereiken die zelfs kan wedijveren met hoogkoolstofstaal, maar ze bieden een betere uiteindelijke hardheid en slijtvastheid. En het belangrijkste is dat ze ook een goede taaiheid behouden en een zeer laag risico op scheuren hebben. Door de procesparameters van de warmtebehandeling te beheersen, kunnen ook specifieke prestatie-eisen worden bereikt, waardoor middelkoolstofstaal een zeer nuttig materiaal is voor metaalbewerking op maat.

Materiaaleigenschappen van middelmatig koolstofstaal

De unieke materiaaleigenschappen van middelmatig koolstofstaal ontstaan ​​niet alleen door de hoeveelheid koolstof, maar ook door de manier waarop de koolstof binnen de ijzermatrix is ​​verdeeld. Het is geen eenvoudig geordend patroon van koolstofatomen te midden van de meeste ijzeratomen. 

Microstructuur van middelmatig koolstofstaal

Middelmatig koolstofstaal bestaat bij kamertemperatuur niet uit één uniforme fase. De microstructuur bestaat uit een mengsel van twee fasen, namelijk ferriet en perliet. 

• Ferrietfase: Een zachte en buigzame fase. Ferriet is verantwoordelijk voor de buigzaamheid van het gehele materiaal.
• Perlietfase: Een gelaagde structuur bestaande uit ferriet en ijzercarbide (cementiet). IJzercarbide is de enige plek waar koolstofatomen aanwezig zijn. Perliet draagt ​​voornamelijk bij aan de sterkte en hardheid van het staal.

Met bovenstaande uitleg is het duidelijk waarom de sterkte toeneemt naarmate het koolstofgehalte stijgt. Dit verklaart ook waarom staal met een gemiddeld koolstofgehalte van nature sterker is dan staal met een laag koolstofgehalte, maar toch minder bros is dan staal met een hoog koolstofgehalte.

Hoe verandert warmtebehandeling de microstructuur?

Warmtebehandeling oven

Door middel van warmtebehandeling kan de interne structuur van middelmatig koolstofstaal verder worden aangepast om eigenschappen op maat te verkrijgen. Hieronder wordt in eenvoudige bewoordingen uitgelegd wat er gebeurt tijdens de warmtebehandeling van middelmatig koolstofstaal.

• Verwarming zet de microstructuur om in één enkele, uniforme fase. In dit stadium komen koolstofatomen vrij uit hun ingesloten fasen en kunnen ze zich opnieuw binnen de structuur verdelen.
• soaking Bij de bovengenoemde temperatuur lost de koolstof in het staal volledig op en verspreidt zich gelijkmatig. De verblijftijd is van groot belang, omdat het een van de belangrijkste controleparameters van het proces is.
• Afschrikken Het proces van snelle afkoeling is afschrikken. Door het abrupt afkoelen worden koolstofatomen ingesloten zonder dat ze voldoende tijd krijgen om zich goed te herschikken. Dit resulteert in de vorming van een andere fase, namelijk martensiet. Martensiet heeft een aanzienlijk hardere en sterkere interne structuur.
• tempereren Dit is de laatste stap, het opnieuw verhitten bij lage temperatuur, waardoor overmatige brosheid wordt verminderd. Het herstelt ook een aanzienlijke hoeveelheid taaiheid, terwijl een groot deel van de verkregen sterkte behouden blijft.

Sommige warmtebehandelingstechnieken omvatten meerdere fasen van gecontroleerde verwarming en daaropvolgende afkoeling, waarbij we procesparameters zoals temperatuur, tijd en afkoelingsmedium kunnen variëren om specifieke eigenschappen te verkrijgen.

Mechanische eigenschappen van middelmatig koolstofstaal

Middelkoolstofstaal is populair vanwege de zeer evenwichtige inherente mechanische eigenschappen die het dankzij zijn samenstelling bezit. Mocht u echter behoefte hebben aan een hogere sterkte en hardheid, dan kunnen we dat ook bereiken door middel van warmtebehandelingen, met behoud van acceptabele waarden voor ductiliteit en taaiheid.

Kracht en hardheid

Middelkoolstofstaal biedt een goede sterkte en hardheid die doorgaans voldoet aan de eisen voor componenten met een gemiddelde belasting en slijtvastheid. De gemiddelde sterkte- en hardheidswaarden van middelkoolstofstaal (in genormaliseerde of warmgewalste toestand) worden hieronder weergegeven. Deze waarden kunnen enigszins variëren afhankelijk van de staalsoort en de verwerkingstechnieken.

• Treksterkte: 550-850 MPa
• Opbrengst sterkte: 350-600 MPa
• Brinell-hardheid: 170 – 230 HB (kan worden verhoogd tot 280 – 300+ HB) (wanneer warmtebehandeld)

AISI 1045-staal is de meest populaire soort middelmatig koolstofstaal. Het heeft over het algemeen een treksterkte van ongeveer 635 MPa, maar kan door warmtebehandeling worden verhoogd tot waarden rond de 900 MPa, waardoor het geschikt is voor middelmatig koolstofstalen bouten en assen in de auto-industrie.

buigzaamheid

Pianohamermontage

Hoewel de ductiliteit afneemt met de toevoeging van koolstof, kunnen staalsoorten met een gemiddeld koolstofgehalte doorgaans een bruikbare flexibiliteit behouden. 15-25% rek bij breuk waarde. Dit wordt over het algemeen beschouwd als een voldoende waarde om veilig te vervormen onder onverwachte belastingen in plaats van plotseling te breken.

Taaiheid

Middelkoolstofstaal vertoont een goede taaiheid in genormaliseerde vorm. Echter, overmatige harding of het volledig overslaan van de temperingsfase kan de slagvastheid drastisch verminderen. Daarom zijn gecontroleerde en correcte warmtebehandelingscycli zo belangrijk.

Fysische eigenschappen van middelmatig koolstofstaal

Een ander groot voordeel van middelmatig koolstofstaal is dat het ideale fysische eigenschappen heeft voor de productie van industriële componenten. Het is een uitstekende keuze voor toepassingen die sterkte en voorspelbaar temperatuurgedrag vereisen.

Tabel 3: Fysische eigenschappen van middelmatig koolstofstaal

Kwaliteiten en normen van middelmatig koolstofstaal

Middelkoolstofstalen staven

Middelmatig koolstofstaal is verkrijgbaar in een breed scala aan gestandaardiseerde kwaliteiten, ontworpen voor specifieke eisen op het gebied van sterkte, taaiheid en bewerkbaarheid. Deze kwaliteiten hebben een vergelijkbaar koolstofgehalte, maar verschillen voornamelijk in samenstelling, verwerking en warmtebehandeling. Inzicht in deze verschillen is essentieel voor het kiezen van de juiste kwaliteit voor prestatiekritische en op maat gemaakte componenten.

AISI 10xx-serie (AISI 1045-staal en andere gangbare kwaliteiten)

De meest populaire staalsoorten met een gemiddeld koolstofgehalte behoren tot de AISI 10xx-serie. Deze aanduiding is eenvoudig te begrijpen: de eerste twee cijfers geven de staalklasse aan en de laatste twee cijfers het koolstofpercentage. Als voorbeeld: AISI 1045 staal:

• "10" staat voor gewoon koolstofstaal
• "45" staat voor 0.45% van de koolstof.

Enkele populaire soorten middelmatig koolstofstaal staan ​​vermeld in tabel 4. AISI 1045-staal is hiervan de meest voorkomende soort en wordt in uiteenlopende industrieën veelvuldig toegepast.

Tabel 4: Populaire soorten middelmatig koolstofstaal en hun toepassingen

Is AISI 4140 een middelmatig koolstofstaal?

AISI 4140 is technisch gezien een laaggelegeerd staal. geen koolstofstaalHet wordt soms aangeduid als middelmatig koolstofstaal, omdat het 0.38-0.43% koolstof bevat, wat het numeriek in het middelmatig koolstofbereik plaatst.

AISI 4140 bevat echter chroom (0.8-1.1%) en molybdeen (0.15-0.25%) als opzettelijke hoofdbestanddelen van de legering. Daarom wordt het geclassificeerd als een gelegeerd staal en niet als gewoon koolstofstaal. AISI 4140 biedt uitstekende hardbaarheid en vermoeiingsweerstand en wordt veel gebruikt voor krukassen, tandwielen en assen die aan hoge spanningen worden blootgesteld.

Internationale equivalenten van AISI-staalsoorten met een gemiddeld koolstofgehalte

Middelmatig koolstofstaal uit de AISI 10xx-serie wordt wereldwijd onder verschillende benamingen gebruikt. U kunt verschillende aanduidingen tegenkomen in verschillende normen, maar deze kwaliteiten zijn in grote lijnen gelijkwaardig wat betreft koolstofgehalte en mechanische eigenschappen.

Tabel 5: Verschillende aanduidingen van middelmatig koolstofstaal volgens verschillende normen

Hoe kies je de juiste koolstofstaalsoort?

Om een ​​geschikte staalsoort met een gemiddeld koolstofgehalte te selecteren, moet u een duidelijk inzicht hebben in de technische eisen. De materiaalkeuze vereist grondig onderzoek naar het onderdeel om de eisen, beperkingen, omgevingsomstandigheden en financiële mogelijkheden duidelijk in kaart te brengen. De belangrijkste factoren waarmee u rekening moet houden bij de keuze van een staalsoort met een gemiddeld koolstofgehalte zijn:

• Mechanische belastingsvereisten
• Slijtage- en oppervlakteprestatie-eisen
• Sectiedikte en hardbaarheid
• Productie- en verwerkingsbeperkingen
• Omgevings- en servicevoorwaarden
• Kosten en beschikbaarheid van materialen

Het is ten zeerste aan te raden om advies in te winnen bij relevante deskundigen voordat u de definitieve keuze maakt.

Toepassingen van middelmatig koolstofstaal

Auto-as

De uitstekende combinatie van eigenschappen van middelmatig koolstofstaal is zeer populair bij ingenieurs in de constructie-, werktuigbouw- en automobielindustrie. Daarom wordt het veelvuldig gebruikt in componenten die worden blootgesteld aan matige tot hoge spanningen, cyclische belasting en slijtage. 

Assen en assen

Veel gebruikt in auto-assen, aandrijfassen en transmissieassen vanwege de hoge treksterkte en vermoeiingsweerstand.

Tandwielen en koppelingen

Het wordt gebruikt als materiaal voor tandwielen, rondsels en mechanische koppelingen die aan hoge contactspanningen worden blootgesteld. 

Gesmede componenten

Wordt veel gebruikt in sleutels, stangen en hamerkoppen vanwege de hoge sterkte, slagvastheid en duurzaamheid.

Mechanische en machineonderdelen

Veel gebruikt in krukassen, drijfstangen en roterende machineonderdelen die onder cyclische bedrijfsomstandigheden worden blootgesteld aan gecombineerde torsie- en buigbelastingen.

Bouw & Zwaar materieel

Bouten, pinnen, hijscomponenten en constructieverbinders van middelmatig koolstofstaal zijn zeer populair vanwege hun hoge draagvermogen en weerstand tegen mechanische slijtage.

Voordelen van middelmatig koolstofstaal

Evenwichtige mechanische eigenschappen

Door de uitstekende combinatie van eigenschappen van middelmatig koolstofstaal biedt het tegelijkertijd een goede sterkte en taaiheid. Dit maakt het uitermate geschikt voor dragende componenten die een goede weerstand tegen vervorming en tolerantie voor dynamische belastingen vereisen.

Hoge respons op warmtebehandeling

Dit stelt ons in staat om tijdens de verwerking en warmtebehandeling met de eigenschappen ervan te spelen. Een zeer nuttig voordeel van deze eigenschap is dat we harde, slijtvaste oppervlakken met een taaie kern kunnen verkrijgen. Deze worden veel gebruikt bij de productie van tandwielen, nokken en componenten die aan vermoeiingsbelasting worden blootgesteld.

Goede bewerkbaarheid in onbehandelde toestand. 

Middelkoolstofstaal is gemakkelijk te bewerken vóór de warmtebehandeling. Daarom kunnen we het vóór de uiteindelijke warmtebehandeling eenvoudig in verschillende vormen bewerken. Dit vermindert de gereedschapslijtage en de productiekosten aanzienlijk. staalmaterialen die in de algemene machinebouw worden gebruikt.

Brede beschikbaarheid en standaardisatie

Omdat de meeste middelmatig koolstofstaalsoorten wereldwijd gestandaardiseerd zijn (bijvoorbeeld AISI 1045 en C45 zijn dezelfde kwaliteit volgens verschillende normen) en gemakkelijk verkrijgbaar zijn, worden de materiaalkeuze, kwaliteitscontrole en vervanging zeer eenvoudig.

Kosten effectiviteit

Middelkoolstofstaal biedt sterke mechanische eigenschappen zonder de toevoeging van dure legeringselementen. Daarom wordt het veel gebruikt in componenten die in grote volumes worden geproduceerd, waar gelegeerd staal onnodige kosten en overdimensionering met zich mee zou brengen.

Beperkingen van middelmatig koolstofstaal

Lagere ductiliteit in vergelijking met koolstofarm staal.

Vervormbaarheid en koudvervorming zijn bij middelmatig koolstofstaal vrij moeilijk vanwege het hogere koolstofgehalte.

Matige lasbaarheid

Als er gelast moet worden, moet het materiaal eerst worden voorverwarmd en moet er na het lassen een geschikte warmtebehandeling worden toegepast om scheuren te voorkomen.

Beperkte corrosiebestendigheid

Middelkoolstofstaal is niet de ideale keuze als corrosiebestendigheid uw voornaamste doel is. Als u dit staal in corrosieve omgevingen moet gebruiken, zijn coatings of geschikte oppervlaktebeschermingsstrategieën een absolute noodzaak. Anders is het aan te raden alternatieve staalsoorten zoals AISI 4140 te overwegen.

Risico op broosheid als gevolg van onvolledige warmtebehandeling

Onvoldoende temperen of het volledig negeren van temperen kan leiden tot overmatige hardheid en verlies van taaiheid, wat het risico op brosbreuk kan vergroten.

Lagere hardbaarheid dan gelegeerd staal 

Bij zeer dikke profielen bereiken gewone middelkoolstofstaalsoorten mogelijk niet overal in de dwarsdoorsnede een uniforme hardheid.

Maatwerk metaalbewerking 

Proleantech Wij leveren hoogwaardige metaalbewerking voor maatwerkonderdelen en precisiecomponenten. We bieden een breed scala aan materialen en staalsoorten, waaronder middelmatig koolstofstaal. 

Waarom samenwerken met Proleantech?

• Geavanceerde CNC-bewerkingsmogelijkheden
• Ruime keuze aan legeringen en materialen.
• Snelle doorlooptijd en ondersteuning bij prototype- tot grootschalige productie.
• Concurrerende prijzen

Verkrijg een gratis offerte online vandaag!

Conclusie

Middelmatig koolstofstaal is een uitstekende keuze voor projecten die sterkte en taaiheid vereisen, en een lage ductiliteit. Denk bijvoorbeeld aan aandrijfassen en assen. Er zijn veel soorten middelmatig koolstofstaal verkrijgbaar, en sommige kunnen gemakkelijk warmtebehandeld worden om de taaiheid te verbeteren.