Въглеродната стомана или обикновената въглеродна стомана е метална сплав. Тя е комбинация от два елемента - желязо и въглерод. Други елементи присъстват в твърде малки количества, за да повлияят на свойствата ѝ. Единствените други елементи, които са разрешени в обикновената въглеродна стомана, са: манган (максимум 1,65 %), силиций (максимум 0,60 %) и мед (максимум 0,60 %). Стоманата с ниско съдържание на въглерод има същите свойства като желязото - мека, но лесно формируема. С увеличаването на въглерода металът придобива твърдост и здравина, но става по-малко пластичен и по-труден за заваряване. По-високото съдържание на въглерод понижава температурата на топене на стоманата и нейната устойчивост на температури като цяло.

Състав и класификация по съдържание на въглерод

  • Ниски въглеродни стомани (обикновено до ~0,25% C): меки, пластични и лесни за формоване и заваряване. Използват се за ламаринни изделия, конструкции и щамповане.
  • Средновъглеродни стомани (прибл. 0,25–0,60% C): баланс между якост и пластичност; често се подлагат на топлинна обработка (закаляване и отпускане) за постигане на по-високи механични показатели.
  • Високовъглеродни стомани (прибл. 0,60–1,0% C): могат да се закалят до голяма твърдост; използват се за инструменти, ножове и пружини.
  • Много висок въглерод (>1,0% C): специални приложения, но по-трудни за обработка и с по-малка пластичност.

Микроструктура и свойства

Микроструктурата на въглеродната стомана зависи от съдържанието на въглерод и от топлинната обработка. Основните структурни съставки са:

  • Ферит — мека и пластична фаза с високо съдържание на желязо.
  • Перлит — ламелна смес от ферит и цементит; дава по-голяма здравина от ферита.
  • Цементит (Fe3C) — твърда и крехка карбидна фаза, увеличава твърдостта и износоустойчивостта.

С увеличаване на процента въглерод расте склонността към образуване на перлит и цементит, което води до по-голяма твърдост и якост, но и до по-малка пластичност и ударна устойчивост.

Топлинна обработка и закаляване

  • Отпускане и нормализация — за премахване на вътрешни напрежения и за подравняване на структурата.
  • Закаляване (нагрев и бързо охлаждане) — увеличава твърдостта чрез образуване на мартензит при подходящо съдържание на въглерод.
  • Отпуск след закаляване — намалява крехкостта и коригира механичните свойства.
  • Карбуризиране — повърхностно насищане с въглерод за постигане на твърда износоустойчива повърхност върху ядро с добра пластичност (често при нисковъглеродни стомани).

Обработка, заваряване и машиниране

  • Нисковъглеродните стомани са лесни за рязане, огъване и заваряване. Средно- и високовъглеродните са по-твърди и изискват по-специализирани инструменти и методи за механична обработка.
  • Заваряемостта намалява с увеличаване на съдържанието на въглерод; за средно- и високовъглеродни стомани често се прилага предпоем и следпием (preheat/post-heat) или използване на подходящи флюси и материали за заварка.
  • За оценка на трудностите при заваряване и риска от напукване се използва понятието "еквивалент на въглерода" (CE), което включва и други легиращи елементи.

Корозия и защита

Въглеродната стомана е податлива на корозия (ръжда) в атмосфера и при контакт с влага. За защита се използват:

  • Галванично покритие (поцинковане)
  • Боядисване и прахово покритие
  • Повърхностна химическа обработка (пасивиране, фосфатиране)

Стандарти и примерни марки

  • Популярни международни означения: AISI/SAE (напр. 1018 — нисковъглеродна, 1045 — средновъглеродна, 1095 — високовъглеродна) и европейски EN/ISO (напр. C45, S235 и др.).
  • Изборът на марка зависи от изискванията за якост, пластичност, обработваемост и топлинна обработка.

Приложения

  • Строителство и метални конструкции (греди, колони, профили) — предимно нисковъглеродни и структурни стомани.
  • Автомобилостроене — каросерии, шасита, оси (комбинация от ниско и средновъглеродни стомани с топлинна обработка).
  • Машиностроене — вретена, валове, зъбни колела (средновъглеродни и закалени части).
  • Инструменти и ножове — високовъглеродни стомани, закалени за постигане на висока твърдост и ръбна устойчивост.
  • Пружини и закрепващи елементи — специални високовъглеродни или легирани варианти.

Предимства и ограничения

  • Предимства: ниска цена, добри механични свойства при правилен избор и обработка, лесно рециклиране и широк набор от възможности за обработка и топлинна обработка.
  • Ограничения: сравнително ниска корозионна устойчивост, намаляваща пластичност при високо съдържание на въглерод, по-трудна обработка и заваряване при високовъглеродни варианти.

Как да изберем правилната въглеродна стомана

  • Определете основните изисквания: якост, пластичност, износоустойчивост, възможност за заварка.
  • За конструктивни елементи и заварими детайли изберете ниско- или средновъглеродни марки.
  • За инструменти и пружини използвайте високовъглеродни стомани, комбинирани с подходяща топлинна обработка.
  • Ако е необходима корозионна устойчивост, предвидете защита (покритие) или използвайте неръждаема стомана вместо обикновена въглеродна.

Въглеродната стомана е основен и универсален материал в съвременното производство и строителство. Правилното познаване на състава, микроструктурата и възможностите за обработка позволява оптимален подбор за конкретни приложения и удължава експлоатационния живот на изделията.