La importancia de la fase de cemento en la resistencia al desgaste del acero
¿Qué es Cementita?
La estructura de la placa de cemento se encuentra en una fase de frío de la alta resistencia, que se forma en aceros de la solidificación y el tratamiento térmico posterior. Su estructura de cristal es ortobérica, que contribuye a su alta dureza, y que se basa en la presión de la matriz de cemento de 800-1100 HV, pero también a su baja resistencia.
Mecanismos de Resistencia al desgaste de la ceja
El desgaste en componentes de acero se produce a través de varios mecanismos distintos, y la contribución de cementito varía con cada uno. La dureza de cemento hace que sea una barrera efectiva a la deformación y micro-cortamiento de plástico, que son los principales impulsores de la pérdida de material en contactos deslizantes y abrasivos.
Oreja abrasiva
En el desgaste abrasivo, partículas duras o asperidades se arrastren en la superficie de acero, eliminando el material a través de micro-cortar o fractura. Las partículas de cemento actúan como obstáculos duros que resisten la penetración. Cuando el cemento está bien y disperso uniformemente, el acero puede mantener una superficie lisa y resistir la formación de los arboles profundos.
Adhesivo Wear
El desgaste adhesivo ocurre cuando se ponen en contacto superficies soldadas juntas en asperidades y luego se separan, transfiriendo material. La ceñida reduce la tendencia de la adherencia porque es químicamente estable y menos dúctil en comparación con el ferrite. La fase dura también endurece la matriz circundante, reduciendo aún más el área real de contacto y por lo tanto la probabilidad de uniones adhesivas formando.
Fatiga Wear
Bajo carga cíclica, las grietas superficiales o subsuperficie pueden propagarse, lo que lleva a espaciar o a encoger. Las partículas de cemento de alta resistencia pueden inhibir la iniciación de grietas proporcionando puntos duros que distribuyen estrés. Por lo tanto, las partículas de cemento grandes o alargadas actúan como levantadores de estrés, promoviendo la nucleación de grietas y reduciendo la vida de fatiga.
Factores microestructurales Control de rendimiento de los tejidos
La resistencia al desgaste de un acero no es simplemente una función de fracción de volumen de cemento. Tres factores interrelacionados determinan cómo el cemento realza la durabilidad:
- Fracción de volumen: El contenido de cemento más alto generalmente aumenta la dureza y la resistencia a la abrasión. Por ejemplo, las planchas de fundición blanca con cemento de 30-40% se utilizan en entornos mineros duros. Pero más allá de un cierto punto, la hervidura domina y la dureza se desploma.
- Tamaño de partículas y morfología: Cementera fina y esferoidizada (como se produce a través de la anneación espheroidizada) proporciona una combinación óptima de dureza y dureza. Cementerio grueso o lamelado (como en la perlaita) puede ser aceptable en algunas condiciones de desgaste pero falla bajo impacto.
- Economía de distribución: Los racimos de cemento crean regiones de alta concentración de estrés. Una distribución homogénea garantiza que la carga se comparta por igual, reduciendo el riesgo de fractura localizada.
Estrategias de tratamiento térmico para la concentración de Tailor
Los fabricantes emplean una gama de ciclos térmicos para diseñar la fase cementada para requisitos específicos de resistencia al desgaste.
Annealing and Normalizing
Durante el aneario, el acero se enfría lentamente de la región de austenita, produciendo una perla gruesa con cementita lamellar. Si bien esta estructura es relativamente suave, puede ser utilizado como punto de partida para tratamientos adicionales. Normalizar, con un enfriamiento más rápido, produce una perla fina y mejora la resistencia al desgaste ligeramente sobre material amasado.
Quenching y Tempering
El anclaje transforma austenita a martensita, una solución sólida supersaturada. El temperamento subsiguiente a temperaturas entre 150°C y 600°C precipita cementito fino de la martensita. El templado de baja temperatura (150–300°C) mantiene la concentración extremadamente fina, maximizando la dureza para aplicaciones como herramientas de corte. Las temperaturas más altas de templado ens ensambren los componentes de impacto cemento-prote.
Austempering
La intemperie implica el enganche a una temperatura justo por encima del comienzo martensito y la retención para formar bainito. Las microestructuras bainiticas contienen cementita dispersa en una matriz ferrite con una morfología acicular característica. Esta estructura ofrece un excelente equilibrio de alta resistencia, buena resistencia y resistencia al desgaste, a menudo superior a la martensita templada en condiciones de desgaste deslizante.
Comercio entre dureza y tosicidad
El principal reto de ingeniería con cemento es la relación inversa entre resistencia al desgaste y resistencia a las fracturas. A medida que aumenta el contenido cementado, la dureza aumenta pero la ductilidad y la fuerza de impacto se desploma. Los ingenieros deben elegir un tratamiento de grado y calor de acero que optimice este intercambio para las condiciones de carga específicas.
Por ejemplo, en molinos de bolas o trituradoras de roca, donde predomina la abrasión severa, se utilizan hierros blancos de alta concentración (con adiciones de cromo para estabilizar los carburos) a pesar de su baja dureza. En contraste, los engranajes y los ejes experimentan tensiones de ciclismo; aquí, un contenido de cemento inferior con partículas finas espheroidizadas garantiza una vida útil aceptable sin falla catastrófica bajo cansancio.
Comparaciones con otras fases de carburo
Las formas de carburo más altas, aunque la de tungsteno más alta es la forma más común de aceros de carbono, muchos aceros resistentes al desgaste incorporan elementos de aleación que forman carburos más duros y estables.
Sin embargo, la cementita sigue siendo importante para aplicaciones sensibles a los costos. En aceros al carbono, proporciona un aumento significativo de la resistencia al desgaste sin el gasto de elementos de aleación. Además, al refinar la cementita a través del procesamiento termomecánico, el rendimiento puede acercarse a la de algunos aceros de baja aleación a un costo de material más bajo.
Aplicaciones Prácticas de aceros que contienen cemento
El papel de cemento en la resistencia al desgaste se explota en muchas industrias:
- Railroad rails: Los aceros ferroviarios perlaicos contienen cementita lamelada en una matriz de ferritos. La dureza de los combates cementados desgaste abrasivo del contacto de rueda, y el fino espaciamiento interlamellar disminuye la propagación de grietas. Los rieles modernos endurecidos por la cabeza alcanzan incluso más fino Pearlite a través de enfriamiento acelerado.
- ] Herramientas de corte: Aceros de herramientas de alto carbono (por ejemplo, AISI W1, A2, D2) dependen de carburos de cemento o aleación para la retención de bordes. La cementita espheroidizada en aceros de herramientas reduce el chipping mientras mantiene la resistencia al desgaste.
- Placas de desgaste: Los aceros anclados y templados como AR400 contienen una matriz de martensita templada con precipitados finos cementitos. Estos platos se utilizan en los revestimientos de camión de volcado, chutes y cuchillas de topador.
- Rodamientos de rodillos y de rodillos: Los aceros de cojinete (por ejemplo, 52100) se apagan y se templan para producir una dispersión de cemento fino en una matriz de martensita templada. Las partículas de cemento soportan la carga de contacto y reducen la fatiga de contacto rodante.
- Gears]: Muchos engranajes automotrices e industriales se fabrican con aceros de baja emisión de carbono endurecidos por caso. El núcleo tiene una excelente distribución de cemento de templado, proporcionando fuerza, mientras que el caso carburado contiene carburos de cemento y aleación para la dureza superficial.
Conclusión
La fase cementada es una piedra angular de aceros resistentes al desgaste, ofreciendo una potente combinación de dureza y versatilidad microestructural a bajo costo. Su eficacia, sin embargo, es altamente sensible al tamaño, la forma y la distribución, todos los cuales pueden ser controlados a través de cuidadosos tratamientos térmicos y diseño de aleación.