Oglekļa tērauds (Fe + C) — sastāvs, īpašības un pielietojums
Oglekļa tērauds ir tēraudu grupa uz dzelzs bāzes, kuras īpašības lielā mērā nosaka oglekļa saturs, metāla struktūra un termiskā apstrāde. Atšķirībā no speciāli leģētiem tēraudiem nepieciešamās īpašības galvenokārt iegūst, regulējot oglekļa saturu un izmantojot atbilstošas apstrādes tehnoloģijas.
Oglekļa tēraudu izmanto būvniecībā, mašīnbūvē, cauruļu, metāla konstrukciju, stiprinājumu un rūpniecisko iekārtu ražošanā. Tā plašā izmantošana nozīmē, ka oglekļa tērauds veido ievērojamu daļu no tērauda metāllūžņiem.
Eiropas tehniskajā dokumentācijā tēraudu apzīmēšanai izmanto standartu EN 10027-1. Latvijā Eiropas standartus var pārņemt kā nacionālos standartus ar apzīmējumu LVS EN.
Oglekļa tērauda ķīmiskais sastāvs
Oglekļa tērauda galvenā sastāvdaļa ir dzelzs (Fe). Ogleklis (C) ietekmē stiprību, cietību, plastiskumu un tērauda spēju sacietēt termiskās apstrādes laikā.
- Dzelzs (Fe): sakausējuma pamatmetāls.
- Ogleklis (C): svarīgākais elements, kas nosaka oglekļa tērauda īpašības; tā saturs ir atkarīgs no markas.
- Mangāns (Mn): tiek izmantots deoksidācijā un ietekmē stiprību.
- Silīcijs (Si): piedalās deoksidācijā un var palielināt stiprību.
- Fosfors (P): kontrolējams piemaisījums, kura pārmērīgs daudzums var samazināt stigrību un pasliktināt tehnoloģiskās īpašības.
- Sērs (S): kontrolējams piemaisījums; paaugstināts saturs var pasliktināt plastiskumu un apstrādājamību ar spiedienu.
Apzīmējums Fe + C norāda materiāla galvenās sastāvdaļas, taču nav tērauda markas apzīmējums. Konkrētas markas precīzu ķīmisko sastāvu nosaka attiecīgais standarts un ražotāja dokumentācija.
Klasifikācija pēc oglekļa satura
Oglekļa tēraudus parasti iedala trīs grupās. Norādītās robežvērtības ir orientējošas un var atšķirties atkarībā no klasifikācijas sistēmas.
Mazoglekļa tērauds
Parasti satur līdz 0,25 % oglekļa. Tam raksturīgs labs plastiskums, metināmība un aukstās formēšanas iespējas. To izmanto lokšņu velmējumiem, automobiļu virsbūvēm, caurulēm un būvkonstrukcijām.
Vidēja oglekļa satura tērauds
Parasti satur aptuveni 0,25–0,60 % oglekļa. Tas nodrošina lielāku stiprību un cietību, īpaši pēc atbilstošas termiskās apstrādes. To izmanto vārpstām, asīm, zobratiem un mehānismu detaļām.
Augstoglekļa tērauds
Parasti satur vairāk nekā 0,60 % oglekļa. Pēc piemērotas termiskās apstrādes tas var sasniegt augstu cietību un nodilumizturību. To izmanto atsperēm, stieplēm, griešanas elementiem un dažiem instrumentiem.
Eiropas oglekļa tērauda markas un EN standarti
Eiropas Savienībā izmanto Eiropas tēraudu apzīmēšanas sistēmas. Standarts EN 10027-1 nosaka burtu un ciparu apzīmējumu veidošanas noteikumus, bet EN 10027-2 — tēraudu numerācijas sistēmu.
Neleģētiem tēraudiem, kas paredzēti rūdīšanai un atlaidināšanai, piemēro standartu EN 10083-2. Latvijā attiecīgajam pārņemtajam Eiropas standartam izmanto prefiksu LVS EN.
Eiropas tērauda marku piemēri
| EN marka | Aptuvenais C saturs | Tipisks pielietojums |
|---|---|---|
| C15E | Aptuveni 0,15 % | Mašīnu detaļas, stiprinājumi un elementi ar mērenām stiprības prasībām. |
| C22E | Aptuveni 0,22 % | Mehāniskās detaļas, asis un stiprinājumi. |
| C35E | Aptuveni 0,35 % | Vārpstas, asis un mašīnbūves detaļas. |
| C45E | Aptuveni 0,45 % | Vārpstas, zobrati un noslogotas mehāniskās detaļas. |
| C60E | Aptuveni 0,60 % | Atsperu un nodilumizturīgas detaļas pēc piemērotas apstrādes. |
Svarīgi: tabulā norādītās oglekļa satura vērtības paskaidro marku apzīmēšanas principu. Tās neaizstāj normatīvos ķīmiskā sastāva diapazonus, kas jāpārbauda attiecīgajā standartā un tā redakcijā.
Kā atšifrēt apzīmējumu C45E?
- C — neleģēta tērauda apzīmējums ar norādi uz oglekļa saturu.
- 45 — vidējais oglekļa saturs, reizināts ar 100; aptuveni 0,45 %.
- E — papildu apzīmējums, kas saistīts ar noteiktām prasībām attiecībā uz sēra saturu.
Eiropā konstrukciju tēraudiem izmanto arī tādus apzīmējumus kā S235JR un S355JR. Tie galvenokārt balstīti uz mehānisko īpašību prasībām un pieder citai EN 10027-1 apzīmējumu veidošanas grupai. Tos nedrīkst automātiski uzskatīt par C15E vai C45E ekvivalentiem.
Fizikālās un mehāniskās īpašības
Oglekļa tērauda raksturlielumi būtiski atkarīgi no konkrētās markas un piegādes stāvokļa.
- Blīvums: aptuveni 7,85 g/cm³.
- Kušanas temperatūra: daudzām izplatītām markām aptuveni 1420–1530 °C.
- Magnētiskās īpašības: lielākā daļa oglekļa tēraudu istabas temperatūrā ir feromagnētiski.
- Stiprība: atkarīga no sastāva, mikrostruktūras un termiskās apstrādes.
- Cietība: pēc rūdīšanas var ievērojami palielināties.
- Plastiskums: parasti samazinās, pieaugot oglekļa saturam.
- Metināmība: parasti labāka mazoglekļa tēraudiem.
Konstrukciju un detaļu projektēšanā jāizmanto konkrētās tērauda markas normatīvie raksturlielumi, nevis visas oglekļa tēraudu grupas vidējās vērtības.
Termiskā apstrāde
Termiskā apstrāde ļauj mainīt tērauda struktūru un mehāniskās īpašības, nemainot tā sākotnējo ķīmisko sastāvu.
- Atkvēlināšana: samazina cietību un iekšējos spriegumus, uzlabo apstrādājamību.
- Normalizēšana: veicina viendabīgākas struktūras veidošanos.
- Rūdīšana: pie piemērota oglekļa satura ļauj palielināt cietību.
- Atlaidināšana: pēc rūdīšanas samazina trauslumu un palīdz regulēt stiprību un stigrību.
Korozija un aizsardzība
Oglekļa tērauds parasti ir pakļauts atmosfēras korozijai. Saskarē ar skābekli un mitrumu veidojas rūsa, kas pakāpeniski bojā metāla virsmu.
Aizsardzībai izmanto krāsošanu, karsto cinkošanu, pulverpārklājumus un citas pretkorozijas sistēmas. Aizsardzības metodi izvēlas atbilstoši ekspluatācijas apstākļiem un izstrādājuma prasībām.
Oglekļa tērauda pielietojums
- Būvniecība: sijas, armatūra, profili un metāla karkasi.
- Mašīnbūve: vārpstas, asis, zobrati, bukses un stiprinājumi.
- Automobiļu ražošana: virsbūves paneļi, rāmju elementi un mehāniskās detaļas.
- Cauruļu ražošana: konstrukciju un tehnoloģiskie cauruļvadi.
- Metāla velmējumi: loksnes, lentes, stieņi un dažādi profili.
- Rūpnieciskās iekārtas: korpusi, rezervuāri, balsti un palīgkonstrukcijas.
Oglekļa tērauda ražošana
Galvenās rūpnieciskās tērauda ražošanas metodes ietver kausēšanu skābekļa konverteros un elektroloka krāsnīs. Kā izejvielas izmanto čugunu, tērauda lūžņus un citus dzelzi saturošus materiālus.
Kausēšanas laikā regulē oglekļa saturu, samazina nevēlamo piemaisījumu daudzumu un kontrolē ķīmisko sastāvu. Pēc tam metālu lej un apstrādā velmējot, kaļot vai ar citām metodēm.
Oglekļa tērauds kā metāllūžņi
Oglekļa tērauda lūžņi ir viens no galvenajiem melno metāllūžņu veidiem. Tie rodas ēku demontāžas, automobiļu pārstrādes, iekārtu nomaiņas un metāla izstrādājumu ražošanas laikā.
Izplatītākie avoti:
- tērauda sijas, profili un armatūra;
- lokšņu metāls un velmējumu atgriezumi;
- automobiļu virsbūves un rāmju elementi;
- tērauda caurules un rezervuāri;
- mašīnu detaļas un ražošanas atkritumi.
Šķirošanas laikā svarīgi atdalīt oglekļa tēraudu no nerūsējošā un citiem augstleģētiem tēraudiem, krāsainajiem metāliem un nemetāliskiem piemaisījumiem. Magnētiskā separācija palīdz atdalīt lielu daļu tērauda lūžņu, taču pati par sevi neļauj droši noteikt tērauda marku.
Pēc ārējā izskata un magnētiskajām īpašībām nevar droši atšķirt C15E, C45E un C60E markas. Precīzai ķīmiskā sastāva noteikšanai izmanto atbilstošas analīzes metodes.
Tērauda lūžņu pārstrāde ļauj atgriezt metālu ražošanā un samazināt vajadzību pēc pirmreizējām izejvielām. Šķirošanas kvalitāte ietekmē iespēju iegūt tēraudu ar noteiktām īpašībām.
Interesanti fakti par oglekļa tēraudu
- Oglekļa tērauds nav viena marka, bet plaša materiālu grupa.
- Apzīmējumu C45E dažādu Eiropas valodu tehniskajā dokumentācijā raksta vienādi.
- Oglekļa satura palielināšanās parasti paaugstina iespējamo cietību pēc rūdīšanas, bet samazina plastiskumu.
- Vienai un tai pašai markai var būt atšķirīgas īpašības atkarībā no termiskās apstrādes.
- Tērauda marku nevar droši noteikt tikai pēc krāsas, svara vai magnēta pievilkšanas spēka.
