Zawartość węgla a właściwości stali: drabina węglowa

Drabina w skrócie

Zakres węgla	Charakter	Typowe zastosowania
Bardzo niski — poniżej 0.10%	Miękki, wyjątkowo formowalny, spawa się bez środków ostrożności	Blacha głębokotłoczna, taśma, drut, nity; stale wolne od pierwiastków międzywęzłowych (IF) znajdują się na dole tego zakresu
Niski — 0.10–0.25%	Spawalny koń roboczy konstrukcji: dobra plastyczność, umiarkowana wytrzymałość, ograniczona reakcja na hartowanie	Kształtowniki i blachy konstrukcyjne (obszar S235–S355), rury, ogólne wytwarzanie
Średni — 0.25–0.60%	Silnie reaguje na hartowanie i odpuszczanie; zakres maszynowy	Wały, koła zębate, osie: C45/1045 przy około 0.45%, 4140 przy około 0.40%
Wysoki — 0.60–1.00%	Sprężyny, elementy zużywalne i krawędzie tnące; spawanie staje się procedurą specjalistyczną	Stale sprężynowe (mniej więcej 0.5–0.8%), stale szynowe, liny stalowe, noże
Bardzo wysoki — powyżej 1.00%	Maksymalna objętość węglików i twardość po hartowaniu; kruchy bez starannego odpuszczania	Stale narzędziowe i matrycowe (D2 zawiera około 1.5%), pilniki, bieżnie łożysk przy około 1.0%

Co kontroluje węgiel

Pułap twardości. Węgiel ustala maksymalną twardość, jaką stal może osiągnąć po pełnym hartowaniu. Zależność jest początkowo stroma, a potem się nasyca: stal z około 0.20% węgla osiąga co najwyżej mniej więcej 45 HRC, podczas gdy stal z około 0.60% węgla może osiągnąć około 60-kilku HRC. Powyżej mniej więcej 0.6–0.8% dodatkowy węgiel dodaje węgliki odporne na zużycie, a nie wyższą twardość.

Głębokość hartowania to inne zagadnienie. To, jak głęboko wnika ta twardość — hartowność — kupuje się manganem, chromem, molibdenem lub śladami boru, a nie węglem. Mylenie tych dwóch pojęć to klasyczny błąd specyfikacji: wysokowęglowa stal niestopowa może mimo to zmięknąć kilka milimetrów poniżej powierzchni grubego przekroju.

Spawalność biegnie w drugą stronę. Wraz ze wzrostem węgla strefa wpływu ciepła twardnieje bardziej i łatwiej pęka. Przemysł wyraża to za pomocą równoważnika węgla, najczęściej wzoru IIW CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15. Stale o niskim CE spawają się swobodnie; gdy CE wznosi się powyżej mniej więcej 0.40–0.45, konieczne stają się podgrzewanie wstępne, kontrolowane ciepło wejściowe i praktyka niskowodorowa — dlatego gatunki konstrukcyjne ograniczają węgiel znacznie wewnątrz niskiego zakresu.

Ciągliwość i plastyczność maleją systematycznie w górę drabiny: wydłużenie i energia uderzenia przy danej wytrzymałości są najwyższe w zakresach niskowęglowych, a stale wysokowęglowe uzyskują swoją twardość kosztem kruchości, którą odpuszczanie musi następnie odkupić.

Wybór szczebla

Zasada robocza brzmi: nie kupować więcej węgla, niż zużywa zastosowanie. Konstrukcje spawane pozostają niskie; elementy, które będą hartowane na wskroś i odpuszczane, żyją w zakresie średnim; tylko elementy opłacane zużyciem lub trwałością krawędzi — sprężyny, szyny, narzędzia — uzasadniają wysokie szczeble i ich koszty wytwarzania. Nazwy gatunków często przemycają odpowiedź: w oznaczeniach takich jak C45, 1045 lub S45C liczba jest nominalną zawartością węgla w setnych procenta.