Uhlíková ocel nebo prostá uhlíková ocel je slitina kovů. Je to kombinace dvou prvků, železa a uhlíku. Ostatní prvky jsou přítomny v příliš malém množství, aby ovlivnily její vlastnosti. Jedinými dalšími prvky, které mohou být obsaženy v uhlíkové oceli, jsou: mangan (max. 1,65 %), křemík (max. 0,60 %) a měď (max. 0,60 %). Ocel s nízkým obsahem uhlíku má stejné vlastnosti jako železo, je měkká, ale snadno tvarovatelná. S větším množstvím uhlíku kov získává na tvrdosti a pevnosti, ale stává se méně tvárným a hůře svařitelným. Vyšší obsah uhlíku snižuje teplotu tání oceli a její teplotní odolnost obecně.

Složení uhlíkové oceli

Uhlíková ocel je charakterizovaná především obsahem uhlíku. Typické rozdělení podle obsahu C:

  • Nízkouhlíkové oceli (přibližně do 0,25 % C) – měkčí, dobrá tažnost a svařitelnost, používají se na plechy, konstrukce a tvářené díly.
  • Středně uhlíkové oceli (přibližně 0,25–0,60 % C) – vyvážené mechanické vlastnosti, použití v konstrukčních prvcích, hřídelích, kolech.
  • Vysokouhlíkové oceli (nad cca 0,60 % C až do ~2,0 % C) – vysoká tvrdost a opotřebení odolnost, používají se na nástroje, nože, pružiny.

Kromě uhlíku ovlivňují vlastnosti i stopové prvky (mangan, křemík, měď) a nečistoty (fosfor, síra). Přesné limity některých prvků jsou zmíněny v původním textu (Mn max. 1,65 %, Si a Cu max. 0,60 %).

Vlastnosti

  • Mechanické vlastnosti: s rostoucím obsahem uhlíku roste pevnost a tvrdost, klesá tažnost a houževnatost.
  • Tvárnost a obrábění: nízkouhlíkové oceli se dobře tváří a lisují; vyšší uhlík zhoršuje tvárnost a někdy i obrobitelnost.
  • Svařitelnost: čím vyšší obsah uhlíku, tím obtížnější svařování kvůli riziku tvorby křehkých struktur a poprasků; často je potřeba předohřev nebo post-heat u středních a vysokých C ocelí.
  • Teplotní vlastnosti: uhlíková ocel je feromagnetická a má relativně vysokou tepelnou vodivost; body tání se liší s obsahem uhlíku (obecně mírně klesají se zvyšujícím se C).
  • Odolnost proti opotřebení: zvyšuje se s obsahem uhlíku a vhodným tepelným zpracováním; vysoký obsah uhlíku poskytuje dobré vlastnosti pro řezné a opotřebitelné součásti.

Teplotní zpracování a zušlechťování

Uhlíková ocel dobře reaguje na různé tepelné úpravy:

  • Žíhání (annealing) – snižuje vnitřní pnutí, zjemňuje strukturu a zlepšuje tvářitelnost.
  • Normalizace – zlepšuje mechanické vlastnosti a strukturu oceli po tváření nebo svařování.
  • Kaleni a temperování – u středních a vysokých uhlíků lze dosáhnout vysoké tvrdosti kalením a následným temperováním upravit houževnatost.
  • Povrchové zušlechtění – karburizace nebo nitridace se používají pro zvýšení tvrdosti povrchu u nízkouhlíkových ocelí při zachování tažného jádra.

Výroba, tváření a svařování

  • Tváření: ocel se zpracovává za studena i za tepla; nízkouhlíkové plechy se dobře hluboko tačí.
  • Svařování: u nízkouhlíkových ocelí není obvykle problém; u středně a vysokouhlíkových je třeba volit vhodné postupy, elektrody a případně předohřev.
  • Obrábění: vyšší obsah uhlíku může zvýšit opotřebení nástrojů, ale současně zlepšit řezné vlastnosti u některých aplikací (např. kalené nástroje).

Použití

Uhlíková ocel má široké využití díky své dostupnosti a variabilitě vlastností:

  • Stavební konstrukce, nosné prvky, profily
  • Automobilový průmysl: součásti podvozku, hřídele, převodovky (střední C)
  • Výroba plechů, plechových komponent (nízký C)
  • Kolejnice, železniční příslušenství
  • Nástroje, nože, řezače, pružiny (vysoký C nebo tepelně upravené)
  • Potrubí, kontejnery a nádrže (při volbě vhodného druhu oceli a ochrany proti korozi)

Normy a označování

Uhlíkové oceli se označují podle různých systémů (EN/ČSN, AISI/SAE). Příklady běžně používaných označení podle AISI/SAE: 1005, 1018 (nízký C), 1045 (střední C), 1095 (vysoký C). Konkrétní normy a čísla se liší podle země a aplikace, proto je vhodné pracovat s aktuálními technickými listy materiálu.

Ochrana proti korozi a recyklace

  • Ochrana: uhlíková ocel obecně není velmi odolná proti korozi v porovnání s nerezí; obvyklé ochrany jsou povlakování barvami, galvanické pokovování (pozinkování), olejování či lakování.
  • Recyklace: je snadno recyklovatelná — ocel patří mezi hojně recyklované kovy a její materiál lze opakovaně tavit a znovu využít bez významné ztráty vlastností.

Shrnutí

Uhlíková ocel je základní a univerzální skupina ocelí tvořená převážně železem a uhlíkem. Malá změna obsahu uhlíku výrazně ovlivní mechanické vlastnosti, tvářitelnost i svařitelnost, což dává výrobcům možnost volby vhodného typu pro konkrétní aplikace. Správným tepelným zpracováním a povrchovou ochranou lze vlastnosti uhlíkové oceli výrazně upravit a přizpůsobit požadavkům praxe.