Mitä sementtiitti on?

Sementti, joka on kemiallisesti määritelty rautakarbidiksi (Fe[]3[C), on kova, hauras metallinen vaihe, joka muodostuu hiiliteräksissä kiinteytymisen ja sitä seuraavan lämpökäsittelyn aikana. Sen kristallirakenne on ortorhombinen, joka yleensä vaikuttaa sen korkeaan kovuuteen n. 800...1100 HV. mutta myös sen alhaiseen lujuuteen. Sementti saostuu austeniittia jäähdytyksen aikana tai muotojen aikana martensiitin karkaisun aikana. Vaihe näyttää olevan pitkänomainen, levymäisen tai pallomaisia hiukkasia ferriittimatriisissa, ja sen morfologia riippuu voimakkaasti teräksen lämpöhistoriasta. Sementtiaineen behaviorin ymmärtäminen on perustavaa suunnitellakseen kulumisenkestävää terästä, koska tämä vaihe vaikuttaa suoraan materiaaliin ja sen kykyyn kestää pinnan hajoamista.

Sementtiteiteistä peräisin olevat kulutusresistenssimekanismit

Käyttää teräsosia tapahtuu useita erillisiä mekanismeja, ja sementtiä . Sementti kovuus tekee siitä tehokkaan esteen muovin muodonmuutoksia ja mikro-leikkaus, jotka ovat ensisijainen liikkeelle materiaalihäviö liuku-ja hankauskoskettimien.

Hankaava pukeutuminen

Hionta-, kovat hiukkaset tai asperiteettia aurata teräksen pintaan, poistamalla materiaalia mikro-leikkaus tai murtuma. Sementtihiukkaset toimivat kovina esteinä, jotka estävät tunkeutumisen. Kun sementti on hieno ja tasaisesti dispergoitunut, teräs voi ylläpitää sileää pintaa ja kestää syvä uran muodostumista. Kuitenkin, jos sementti on karkea tai ryhmitelty, se voi halkeilla korkeassa paineessa ja todella nopeuttaa kulumista luomalla roskia.

Liima

Kiinnitys kuluu, kun kosketuspinnat hitsautuvat yhteen ja sitten leikkaavat toisistaan, siirtäen materiaalia. Sementti vähentää adheesiota, koska se on kemiallisesti stabiili ja vähemmän pallomainen kuin ferriitti. Kova vaihe myös kovettaa ympäröivää matriisia ja vähentää edelleen kosketusaluetta ja siten todennäköisyyttä liimaliitosten muodostumisesta.

Väsymys

Syklin syklinen kuormitus, pinta tai pinnanalainen halkeamat voivat levitä, mikä aiheuttaa spalling tai pit. Sementti vaikuttaa väsymys kulumista kahdella vastakkaisella tavalla. Hieno, hyvin jaettu sementtiiitti voi estää halkeaman aloittamista tarjoamalla kovia kohtia, jotka jakavat stressiä. Toisaalta, suuret tai pitkäikäiset sementtihiukkaset toimivat stressin nostajina, edistävät halkeaman tumattomuutta ja vähentävät väsymyselämää. Siksi sementtimorfologian hallinta on kriittistä sovelluksissa kuten vaihteissa ja laakereissa.

Mikrorakenteelliset tekijät, joilla hallitaan pukeutumista

Teräksen kulutuskestävyys ei ole pelkästään sementtitilavuusfraktion funktio. Kolme toisiinsa liittyvää tekijää määrittää, kuinka tehokkaasti sementti parantaa kestävyyttä:

  • Volumifraktio[: Sementtipitoisuus yleensä lisää kovuutta ja hankausta. Esimerkiksi 30.40% sementtiä sisältäviä valkoisia valuraudoja käytetään karuissa kaivosympäristöissä. Mutta tietyn kohdan jälkeen hauraus hallitsee ja kovettuminen romahtaa.
  • Partikkelikoko ja morfologia[: Hieno, pallomainen sementtiitti (kuten tuotettu pallomaisella hehkutuksella) tarjoaa optimaalisen yhdistelmän kovuutta ja sitkeyttä. Karheus tai lamelaarisementti (kuten helmi) voidaan hyväksyä joissakin kulumisolosuhteissa, mutta ei osu.
  • Jakautumisyhtenäisyys[: Sementtiryhmä luo alueita, joilla on korkea stressipitoisuus. Tasapainoinen jakautuminen takaa, että kuorma jaetaan tasaisesti, mikä vähentää paikallisen murtumariskin riskiä.

Lämmönkäsittelystrategiat tailorsementtiin

Valmistajat käyttävät erilaisia lämpösyklejä sementtifaasin aikaansaamiseksi erityisiä kulutuskestävyysvaatimuksia varten.

Annealisaatio ja normalisointi

Ruokinnan aikana terästä jäähdytetään hitaasti austeniittialueelta, jolloin saadaan karkeaa helmiliteä lamelaarisementtiin. Vaikka tämä rakenne on suhteellisen pehmeä, sitä voidaan käyttää lähtökohtana jatkokäsittelyille. Normalisoimalla, nopeammin jäähdyttämällä, tuottaa hienompaa helmiliteä ja parantaa kulutusvastuskykyä hieman hehkutetun materiaalin yli.

Tukahdutus ja kimmoke

Säätö muuttaa austeniittia martensiitiksi, superkyllästyneeksi kiinteäksi liuokseksi. Myöhemmät karkaisut 150 °C:n ja 600 °C:n lämpötiloissa saostuvat hienoksi sementiksi martensiitista. Matalan lämpötilan karkaisu (150.300 °C) pitää sementtiä erittäin hienona, maksimoi kovuuden leikkaustyökalujen kaltaisiin sovelluksiin. Korkeammat karkaisulämpötilat karhentavat sementtiä, vaihtavat kovuutta kovaksi.

AustrempingCity name (optional, probably does not need a translation)

Austempering sisältää sammuttaminen lämpötilaan juuri edellä martensite alku ja pito muodostavat bainiittia. Bainiitti mikrorakenteet sisältävät sementtiä hajallaan ferriittimatriisin kanssa ominaista akikulaarinen morfologia. Tämä rakenne tarjoaa erinomaisen tasapainon korkea lujuus, hyvä sitkeys, ja kulumisenkestävyys, usein parempi kuin karkaistu martensite liukuvien kulumisolosuhteissa.

Kovuuden ja sitkeyden väliset kompromissit

Sementtiitin ensisijainen haaste on kulutusvastuksen ja murtuman sitkeyden välinen käänteissuhde. Sementtisisällön lisääntyessä kovuus kasvaa, mutta kovettuminen ja iskulujuus romahtavat. Insinöörien on valittava teräslaatu ja lämpökäsittely, joka optimoi tämän vaihtoutuksen erityisissä kuormitusolosuhteissa.

Esimerkiksi pallomyllyissä tai kivimurskaimissa, joissa kova hiertyminen hallitsee, käytetään korkea-sementtivalkoisia silityksiä (kromilisät vakauttamaan karbidit) huolimatta niiden alhaisesta sitkeydestä. Sen sijaan vaihteet ja akselit kokevat syklisiä taivutuspaineita; täällä alempi sementtipitoisuus hienoja pallomaisia hiukkasia takaa hyväksyttävän kulumisen ilman katastrofaalista väsymistä.

Vertailu muihin carbide-vaiheisiin

Vaikka sementti on yleisin karbidi tavallisessa hiiliterästä, monissa kulumisenkestävässä teräksissä on seoksia, jotka muodostavat kovempia, vakaampia karbidia. Kromimuodot M[[7[]]C[[]]3[[[]]23[[]]]C[[]]karbidit, vanadiinit MC-karbidit ja volframi tai molybdeeni muodossa M[6[[CBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB

Sementti on kuitenkin edelleen tärkeä kustannusherkissä sovelluksissa. Hiiliteräksissä se antaa merkittävän kulumiskestävyyden lisän ilman seosten elementtejä. Lisäksi sementtiä jalostamalla lämpömekaanisella käsittelyllä voidaan saavuttaa joidenkin matalaseosteräksien suorituskyky alhaisempaan materiaalihintaan.

Sementtiä sisältävien terästen käytännön käyttötavat

Sementtiitten roolia kulutuskestävyydessä hyödynnetään monilla aloilla:

  • Kilpatiekiskot[: Pearlitic rail teräkset sisältävät lamelaarisementtiittä ferriittimatriisissa. Sementtiite kovuus torjuu hankaavaa kulumista pyörän kosketuksesta, ja hieno interlamellar-väli hidastaa halkeaman leviämistä. Modernit päänkarkaistut kiskot saavuttavat vielä hienomman helmiliitin kiihtyvällä jäähdytyksellä.
  • Leikkaamalla työkalut[: Korkeahiiliset työkaluteräkset (esim. AISI W1, A2, D2) tukeutuvat sementtiin tai seoskarbidiin reunan säilömiseksi. Pallomainen sementtiteräksissä vähentää sirutusta ja pitää samalla kulutussietoa.
  • Puulevyt[]: Käänteiset ja karkaistut terät, kuten AR400, sisältävät karkaistun sementtisaostumaisen martensiitin. Näitä levyjä käytetään dump truck -vuorauksissa, varjoissa ja puskutraktorin lavoissa.
  • Pinnalliset ja rullalaakerit[: Laakeriteräkset (esim. 52100) sammutetaan ja karkaistut, jotta saadaan aikaan hienostuneen sementtiliitin dispersio karkaistuun martensiittimatriisiin. Sementtihiukkaset tukevat kosketuskuormitusta ja vähentävät vierintäkontaktiväsymystä.
  • Gears[: Monet auto- ja teollisuusvaihteet on valmistettu koteloiduista vähähiilisistä teräksistä. Ydin on hienojakoinen sementtiitti karkaisusta, joka tarjoaa lujuutta, kun taas kaasutettu kotelo sisältää sekä sementtiä että seostettujä karbidia pinnan kovuuden.

Päätelmät

Sementtivaihe on kulutusresistenttien terästen kulmakivi, joka tarjoaa voimakkaan kovuuden ja mikrorakenteellisen monipuolisuuden yhdistelmän edulliseen hintaan. Sementtivaihe on kuitenkin erittäin herkkä koko, muoto ja jakelulle, jota kaikkia voidaan hallita huolellisella lämpökäsittelyllä ja metalliseossuunnittelulla. Ymmärtämällä mekanismeja, joilla sementti kestää kulumista, kiinnitettävyyttä ja väsymystä, insinöörit voivat valita ja käsitellä teräksiä vaativimpien kulumissovellusten täyttämiseksi. Tuleva kehitys, kuten nanostrukturoitu sementti tai hybridimikrorakenteet muiden karbidien kanssa, lupaavat vieläkin suurempaa suorituskykyä. Sementti- ja kulutusmekanismeja koskevaa lisälukea varten katso ASM International[]], MatWeb-materiaalitietokanta [] ja tutkimukset [.