Karbon çeliği, ağırlıkça yaklaşık yüzde 0,05 ila yüzde 2,1 arasında karbon içeriğine sahip bir çeliktir. Amerikan Demir ve Çelik Enstitüsü'nden (AISI) karbon çeliği tanımı şunları belirtir:
Krom, kobalt, molibden, nikel, niyobyum, titanyum, tungsten, vanadyum, zirkonyum veya istenen alaşımlama etkisini elde etmek için eklenecek herhangi bir başka element için minimum içerik belirtilmemiş veya gerekli değildir;
Bakır için belirtilen minimum %0,40'ı geçmez veya aşağıdaki unsurlardan herhangi biri için belirtilen maksimum içerik, belirtilen yüzdeleri aşmaz: manganez %1,65; silikon %0.60; bakır %0.60.
Karbon çeliği terimi, paslanmaz çelik olmayan çeliğe atıfta bulunmak için de kullanılabilir; bu kullanımda karbon çeliği, alaşımlı çelikler içerebilir. Yüksek karbonlu çelik, freze makineleri, kesici aletler (keski gibi) ve yüksek mukavemetli teller gibi birçok farklı kullanıma sahiptir. Bu uygulamalar, tokluğu artıran çok daha ince bir mikro yapı gerektirir.
Karbon çeliği, yüksek karbon miktarı nedeniyle bıçak yapımında popüler bir metal seçimidir ve bıçağa daha fazla kenar tutma sağlar. Bu tür çelikten en iyi şekilde yararlanmak için uygun şekilde ısıl işleme tabi tutmak çok önemlidir. Aksi takdirde, bıçak kırılgan hale gelebilir veya bir kenarı tutamayacak kadar yumuşak olabilir.
Karbon yüzdesi içeriği arttıkça çelik, ısıl işlem yoluyla daha sert ve daha güçlü hale gelme yeteneğine sahiptir; ancak, daha az sünek hale gelir. Isıl işlemden bağımsız olarak, daha yüksek karbon içeriği kaynaklanabilirliği azaltır. Karbon çeliklerinde, yüksek karbon içeriği erime noktasını düşürür.
Orta veya Düşük Karbonlu Çelik
Hafif karbonlu çelik ve düşük karbonlu çelik olarak da bilinen yumuşak çelik (küçük bir oranda karbon içeren, güçlü ve tok ancak kolayca tavlanmayan demir), şu anda en yaygın çelik şeklidir çünkü fiyatı nispeten düşüktür. Birçok uygulama için kabul edilebilir malzeme özelliklerine sahiptir. Yumuşak çelik, yaklaşık %0.05-0.30 karbon içerir ve bu onu dövülebilir ve sünek yapar. Yumuşak çelik nispeten düşük bir çekme mukavemetine sahiptir, ancak ucuzdur ve şekillendirilmesi kolaydır. Karbürizasyon ile yüzey sertliği arttırılabilir.
Sapmayı en aza indirmek için büyük enine kesitlerin kullanıldığı uygulamalarda, akma kaynaklı başarısızlık bir risk değildir, bu nedenle düşük karbonlu çelikler, örneğin yapısal çelik olarak en iyi seçimdir. Yumuşak çeliğin yoğunluğu yaklaşık 7.85 g/cm3'tür (7850 kg/m3 veya 0.284 lb/in3) ve Young modülü 200 GPa'dır (29×106 psi).
Düşük karbonlu çelikler, malzemenin iki akma noktasına sahip olduğu yerlerde akma noktası salgısı gösterir. İlk verim noktası (veya üst verim noktası) ikincisinden daha yüksektir ve verim, üst verim noktasından sonra önemli ölçüde düşer. Düşük karbonlu bir çelik yalnızca üst ve alt akma noktası arasındaki bir noktaya kadar gerilirse, yüzey Lüder bantları geliştirir. Düşük karbonlu çelikler, diğer çeliklere göre daha az karbon içerir ve soğuk şekillendirilmesi daha kolaydır, bu da onların işlenmesini kolaylaştırır. Düşük karbonlu çeliğin tipik uygulamaları araba parçaları, borular, inşaat ve gıda kutularıdır.
Yüksek Gerilimli Çelik
Yüksek gerilimli çelikler, düşük karbonlu veya orta karbon aralığının alt ucundaki çeliklerdir, mukavemetlerini, aşınma özelliklerini veya özellikle çekme mukavemetlerini artırmak için ilave alaşım bileşenleri içerirler. Bu alaşım bileşenleri arasında krom, molibden, silikon, manganez, nikel ve vanadyum bulunur. Fosfor ve kükürt gibi safsızlıkların izin verilen maksimum içeriği sınırlıdır.
41xx çelik
4140 çelik
4145 çelik
4340 çelik
300M çelik
EN25 çeliği – %2,521 nikel-krom-molibden çeliği
EN26 çelik
Yüksek Karbonlu Çelikler
Isıl işlemden başarıyla geçebilen karbon çelikleri, ağırlıkça %0,30-1,70 aralığında karbon içeriğine sahiptir. Diğer çeşitli elementlerin eser safsızlıkları, elde edilen çeliğin kalitesini önemli ölçüde etkileyebilir. Özellikle eser miktarda kükürt, çeliği kırmızı yapar, yani çalışma sıcaklıklarında kırılgan ve ufalanır. A36 kalitesi gibi düşük alaşımlı karbon çeliği yaklaşık %0,05 kükürt içerir ve 1.426–1.538 °C (2.600–2.800 °F) civarında erir. Düşük karbonlu çeliklerin sertleşebilirliğini artırmak için genellikle manganez eklenir. Bu eklemeler, malzemeyi bazı tanımlara göre düşük alaşımlı bir çeliğe dönüştürür, ancak AISI'nin karbon çeliği tanımı ağırlıkça %1,65'e kadar manganez sağlar. Yüksek karbonlu çelik ve ultra yüksek karbonlu çelik olmak üzere iki tür yüksek karbonlu çelik vardır. Yüksek karbonlu çeliğin sınırlı kullanımının nedeni, son derece zayıf sünekliğe ve kaynaklanabilirliğe sahip olması ve daha yüksek üretim maliyetine sahip olmasıdır. yüksek karbonlu çelikler için en uygun uygulamalar, yay endüstrisinde, çiftlik endüstrisinde ve çok çeşitli yüksek mukavemetli tellerin üretiminde kullanılmasıdır.
AISI Sınıflandırması
Karbon çeliği, karbon içeriğine göre dört sınıfa ayrılır:
Düşük Karbonlu Çelik: %0,05 ila %0,15 karbon (düz karbon çeliği) içeriği.
Orta Karbonlu Çelik: Yaklaşık %0,3–0,5 karbon içeriği. Sünekliği ve gücü dengeler ve iyi aşınma direncine sahiptir; büyük parçalar, dövme ve otomotiv bileşenleri için kullanılır.
Yüksek Karbonlu Çelik: Yaklaşık %0,6 ila %1,0 karbon içeriği. Çok güçlü, yaylar, kenarlı aletler ve yüksek mukavemetli teller için kullanılır.
Ultra Yüksek Karbonlu Çelik: Yaklaşık %1,25–2,0 karbon içeriği. Büyük sertlikte temperlenebilen çelikler. Endüstriyel olmayan bıçaklar, akslar ve zımbalar gibi özel amaçlar için kullanılır. %2,5'ten fazla karbon içeriğine sahip çeliklerin çoğu, toz metalürjisi kullanılarak yapılır.
Karbon Çeliklerinin Isıl İşlemi
Karbon çeliğinin ısıl işleminin amacı, çeliğin mekanik özelliklerini, genellikle süneklik, sertlik, akma dayanımı veya darbe direncini değiştirmektir. Elektriksel ve termal iletkenliğin sadece biraz değiştiğine dikkat edin. Çelik için çoğu güçlendirme tekniğinde olduğu gibi, Young modülü (elastisite) etkilenmez. Artan mukavemet için tüm çelik ticareti süneklik işlemleri ve bunun tersi. Demir, östenit fazında karbon için daha yüksek çözünürlüğe sahiptir; bu nedenle, küreselleştirme ve proses tavlama dışındaki tüm ısıl işlemler, çeliğin östenitik fazın bulunabileceği bir sıcaklığa ısıtılmasıyla başlar. Çelik daha sonra orta ila düşük bir oranda söndürülür (ısı çekilir), karbonun östenitten difüze olmasına izin vererek demir-karbür (sementit) oluşturur ve ferrit bırakır veya yüksek bir oranda karbonu demir içinde hapsederek martensit oluşturur . Çeliğin ötektoid sıcaklık (yaklaşık 727 °C veya 1.341 °F) boyunca soğutulma hızı, karbonun östenitten yayılma ve sementit oluşturma hızını etkiler. Genel olarak konuşursak, hızlı soğutma demir karbürü ince bir şekilde dağılmış halde bırakır ve ince taneli bir perlit üretir ve yavaş soğutma daha iri bir perlit verir. Ötektoid altı bir çeliğin (ağırlıkça % 0.77'den az C) soğutulması, aralarında α-ferrit (neredeyse saf demir) bulunan demir karbür katmanlarından oluşan katmanlı-perlitik bir yapı ile sonuçlanır. Ötektoid üstü çelik ise (ağırlıkça % 0.77'den fazla C) yapı, tane sınırlarında oluşan sementitin küçük taneleri (perlit lamelinden daha büyük) ile tam perlittir. Ötektoid çelik (%0.77 karbon), sınırlarında sementit olmadan taneler boyunca perlit bir yapıya sahip olacaktır. Bileşenlerin bağıl miktarları kaldıraç kuralı kullanılarak bulunur. Aşağıda, olası ısıl işlem türlerinin bir listesi bulunmaktadır:
Küreselleşme: Sferoidit, karbon çeliği 30 saatten fazla yaklaşık 700 °C'ye (1,300 °F) ısıtıldığında oluşur. Sferoidit daha düşük sıcaklıklarda oluşabilir, ancak bu difüzyon kontrollü bir süreç olduğu için gereken süre büyük ölçüde artar. Sonuç, birincil yapı (ötektoidin hangi tarafında olduğunuza bağlı olarak ferrit veya perlit) içinde sementitten çubuklar veya küreler şeklinde bir yapıdır. Amaç, daha yüksek karbonlu çelikleri yumuşatmak ve daha fazla şekillendirilebilirlik sağlamaktır. Bu, çeliğin en yumuşak ve en sünek şeklidir.
Tam Tavlama: Karbon çeliği 1 saat boyunca yaklaşık 400 °C'ye (750 °F) ısıtılır; bu, tüm ferritin östenite dönüşmesini sağlar (ancak karbon içeriği ötektoidden daha büyükse sementit hala mevcut olabilir). Çelik daha sonra saatte 20 °C (68 °F) oranında yavaş yavaş soğutulmalıdır. Genellikle sadece fırınla soğutulur, burada çelik hala içerideyken fırın kapatılır. Bu, perlitin bantlarının kalın olduğu anlamına gelen kaba bir perlitik yapı ile sonuçlanır. Tamamen tavlanmış çelik, genellikle uygun maliyetli şekillendirme için gerekli olan iç gerilimler olmadan yumuşak ve sünektir. Sadece küreselleştirilmiş çelik daha yumuşak ve daha sünektir.
Proses Tavlaması: %0,3 C'den daha düşük bir soğuk işlenmiş karbon çeliğinde stresi azaltmak için kullanılan bir işlem. Çelik genellikle 1 saat boyunca 550 ila 650 °C'ye (1.000 ila 1.200 °F) ısıtılır, ancak bazen 700 °C'ye kadar çıkan sıcaklıklar C (1300 °F). Sağa doğru görüntü, işlem tavlama alanını gösterir.
İzotermal Tavlama: Ötektoid altı çeliğin üst kritik sıcaklığın üzerine ısıtıldığı bir işlemdir. Bu sıcaklık bir süre korunur ve daha sonra alt kritik sıcaklığın altına düşürülür ve tekrar korunur. Daha sonra oda sıcaklığına soğutulur. Bu yöntem, herhangi bir sıcaklık gradyanını ortadan kaldırır.
Normalleştirme: Karbon çeliği 1 saat boyunca yaklaşık 550 °C'ye (1.000 °F) ısıtılır; bu, çeliğin tamamen östenite dönüşmesini sağlar. Çelik daha sonra hava ile soğutulur, bu da dakikada yaklaşık 38 °C (100 °F) soğutma hızıdır. Bu, ince bir perlitik yapı ve daha düzgün bir yapı ile sonuçlanır. Normalleştirilmiş çelik, tavlanmış çelikten daha yüksek mukavemete sahiptir; nispeten yüksek mukavemet ve sertliğe sahiptir.
Söndürme: Ağırlıkça en az %0.4 C'ye sahip karbon çeliği normalleştirme sıcaklıklarına ısıtılır ve daha sonra su, tuzlu su veya yağ içinde kritik sıcaklığa kadar hızla soğutulur. Kritik sıcaklık, karbon içeriğine bağlıdır, ancak genel bir kural olarak, karbon içeriği arttıkça daha düşüktür. Bu, martenzitik bir yapı ile sonuçlanır; uygun şekilde vücut merkezli tetragonal (BCT) olarak adlandırılan, çok fazla iç gerilime sahip, deforme olmuş bir vücut merkezli kübik (BCC) kristal yapıda süper doymuş karbon içeriğine sahip bir çelik formu. Bu nedenle, su verilmiş çelik son derece sert fakat kırılgandır, genellikle pratik amaçlar için çok kırılgandır. Bu iç gerilmeler yüzeyde gerilme çatlaklarına neden olabilir. Su verilmiş çelik, normalleştirilmiş çelikten yaklaşık üç kat daha serttir.
Martemperleme (Marquenching): Martempering aslında bir temperleme prosedürü değildir, bu nedenle marquenching terimi. İlk söndürmeden sonra, tipik olarak erimiş tuz banyosunda, martensit başlangıç sıcaklığının hemen üzerindeki bir sıcaklıkta uygulanan bir izotermal ısıl işlem şeklidir. Bu sıcaklıkta, malzeme içindeki artık gerilmeler giderilir ve başka bir şeye dönüşmek için zamanı olmayan kalan östenitten bir miktar beynit oluşabilir. Endüstride bu, bir malzemenin sünekliğini ve sertliğini kontrol etmek için kullanılan bir işlemdir. Daha uzun marquenching ile süneklik minimum güç kaybıyla artar; çelik, parçanın iç ve dış sıcaklıkları eşitlenene kadar bu solüsyonda tutulur. Ardından çelik, sıcaklık gradyanını minimumda tutmak için orta hızda soğutulur. Bu işlem sadece iç gerilimleri ve gerilim çatlaklarını azaltmakla kalmaz, aynı zamanda darbe direncini de arttırır.
Temperleme: Bu, karşılaşılan en yaygın ısıl işlemdir, çünkü nihai özellikler temperlemenin sıcaklığı ve süresi ile kesin olarak belirlenebilir. Temperleme, söndürülmüş çeliğin ötektoid sıcaklığının altındaki bir sıcaklığa yeniden ısıtılmasını ve ardından soğutulmasını içerir. Yükseltilmiş sıcaklık, sünekliği geri kazandıran ancak sertliği azaltan çok küçük miktarlarda sferoidit oluşmasına izin verir. Gerçek sıcaklıklar ve süreler her bir bileşim için özenle seçilir.
Östemperleme: Östemperleme işlemi martemperleme ile aynıdır, ancak su vermenin kesintiye uğraması ve çeliğin 205 ve 540 °C (400 ve 1.000 °F) arasındaki sıcaklıklarda erimiş tuz banyosunda tutulması ve ardından orta hızda soğutulması dışında. Beynit adı verilen elde edilen çelik, çelikte martensit çeliğinden daha yüksek mukavemete (ancak martensitten daha az), daha fazla sünekliğe, daha yüksek darbe direncine ve daha az bozulmaya sahip sivri bir mikro yapı üretir. Östemperlemenin dezavantajı, sadece birkaç çelik sac üzerinde kullanılabilmesi ve özel bir tuz banyosu gerektirmesidir.
Sertleştirme: Kabuk sertleştirme işlemleri, çelik parçanın yalnızca dışını sertleştirir, sert, aşınmaya dayanıklı bir yüzey oluşturur, ancak sert ve sünek bir iç kısmı korur. Karbon çelikleri çok sertleşemezler yani kalın kesitlerde
sertleştirilemezler. Alaşımlı çelikler daha iyi bir sertleşebilirliğe sahiptir, bu nedenle tamamen sertleştirilebilirler ve sertleştirme gerektirmezler. Karbon çeliğinin bu özelliği faydalı olabilir, çünkü yüzeye iyi aşınma özellikleri verir, ancak çekirdeği esnek ve şok emici bırakır.
