התפקיד הקריטי של שיעורי קירור בפיתוח Iron-Carbon Micro Structure

במגגלגיית של ⁇ פחמן ברזל, שיעור הקירור במהלך איחוד ופעולות טיפול חום עוקבות עומד כאחד המשתנים החזקים ביותר הזמינים מהנדסים וחומרים מדענים. פרמטר יחיד זה יכול לשנות את המבנה המיקרו המתקבל מפס רך, דוקטרילי fer-pearlite מצטברים קשה, ריבאט, עם שינויים מתאימים בתכונות מכניות כי סדר גודל של הבנה של היחסים בין קירור ומבנה חיוני עבור כל אחד, ייצור ברזל, עובד עם איכות, או עיצוב חיוני, עם כל אחד, עם ציוד חיוני, עיצוב, או עיצוב חיוני, עם איכות, או עיצוב, עם איכות, עם שינויים מתאימים, או עיצוב, עם ציוד מכני.

מאמר זה חוקר את המנגנונים הבסיסיים שבאמצעותם שיעורי הקירור משפיעים על שינויים בשלבי סגסוגת ברזל פחמן, את התכונות המיקרו-מבנה וכתוצאה מכך, ואת ההשלכות המעשיות של שליטה בתכונות מכניות ביישומים בעולם האמיתי.

יסודות של מיקרו-מבנה ב- Iron-Carbon Alloys

מיקרו-מבנה מתאר את ההסדר, גודל, צורה, והפצה של שלבים ודגנים בתוך חומר מתכתי.בסגסוגת פחמן-פחמן, תוכן הפחמן והיסטוריה תרמית קובע אילו שלבים צורה וכיצד הם מסודרים.הנציגים המיקרו העיקריים כוללים ferrite, מלטיט, פניניט, ביניט, ומרדט, כל אחד עם מאפיינים מכניים נפרדים.

מפתח Microstructural Constituents

  • (FLT:0)FerriteveFLT:1: A Body-centered Interface (BCC) פתרון מוצק של פחמן בברזל. Ferrite הוא רך יחסית ומדונה, עם שפע של פחמן נמוך (מקסימום על 0.02 wt% ב 72 ° C). זה טפסים בקצב קירור איטי ליד תנאי שיווי משקל.
  • (FLT:0)CementiteFLT:1: תרכובת בין-מטלית עם הנוסחה Fe3C, המכילה 6.67 פחמן Cementite הוא קשה מאוד וגלוי.זה נראה כמו lame בפניניט או כרשת רציפה בפלדות היפר-אופטיקואיד.
  • (FLT:0)Pearliteph1: מבנה אלטרלר-אקואיד המורכב מהחלפת שכבות של ferrite ומלטיט. פרליט טפסים באמצעות מנגנון צמיחה שיתופי במהלך טרנספורמציה eutectoid ב 727°C.הספאם הבין-lamellar הוא פונקציה של קירור שיעור וקובע את העוצמה של פניני.
  • (FLT:0) ביניטראטפל 1 (FLT: Acicular (כמוני) מיקרו מבנים המהווים שיעורי קירור ביניים, בין אלה המייצרים פנינים לבין אלה המייצרים מרטן. Bainite מורכב לוחות טטקס או laths עם חלקיקים מלטite מפוזר.
  • (FLT:0) מורטטפל 1:1: פתרון מוצק מטבולי, בעל השפעה על פחמן בברזל עם מבנה גבישי ממוקד גוף (BCT) טפסים מרטן דרך שינוי חד-פעמי, ה-hear-type במהלך קירור מהיר (הקציר) הוא חזק מאוד חזק וחזק אך שופע במצב כמו מכווץ.

מכניזם של אפקט קוליינג

קצב קירור שולט בקינטיקה של שינויים בשלב על ידי קביעת מידת ההפחתה מתחת לטמפרטורת הטרנספורמציה של שיווי משקל.היתר הפחתת כוח הנהיגה לשינוי תוך הפחתה של ניידות אטומית.אפקטים המתחרים הללו שולטים אילו מוצרים משתנים והיקף של המיקרו-מבנה וכתוצאה מכך.

זמן-Temperature-Transformation (TTT) Diagrams

ההשפעה של קירור קצב על היווצרות מיקרו-מבנה מיוצגת באופן שיטתי על ידי זמן-שינוי (TTT) דיאגרמות, הידוע גם כאגרמות טרנספורמציה נוספת. דיאגרמות אלה מבססות טמפרטורה נגד הגליאים של הזמן ולהראות את האזורים שבהם שלבים שונים בצורת בתנאים אחרים. עבור הרכב פלדה נתונה, תרשים TTT מציין את ההתחלה והזמן הסופי להיווצרות של פניניט, batenite, martensite.

דיאגרמות קירור מתמשך (CCT) מרחיבות את הרעיון הזה לתנאים שאינם-אחרים, ומספקות ייצוג מציאותי יותר של תהליכי טיפול בחום תעשייתי. דיאגרמות CCT מראות את המיקרו-מבנה הנובע משיעורי קירור שונים, החל מהתפרצות איטית של פרוות ועד להורדת מים מהירה.

Diffusional לעומת Diffusionless Transformations

בקצב קירור איטי, מספיק זמן זמין עבור אטומי פחמן כדי diffuse וחלוקה בין השלבים.השינויים מתקדמים על ידי nucleation ומנגנוני צמיחה, ייצור איזון או ליד-equilibrium microstructures כגון ferrite ופניניט. כמו עלייה בקצב הקירור, הזמן זמין עבור דיפוזיה מופחתת, ושינויים לטמפרטורות נמוכות יותר שבו הוא איטי יותר.

בקצב מאוד גבוה של קירור, דיפוזיה הופכת להיות רשלנית, והטרנספורמציה מתרחשת על ידי מנגנון דיפוזיה חסר, שהיאר שמייצר מרטינט.אטומי הפחמן נשארים לכודים בליטאס הברזל, יצירת מבנה מתוח מאוד, סופר רווי שמהווה את הקשיות הקיצונית של מרטן.

משטרי הדרגות המגניבים וחתימות המיקרו-הוריות שלהם

Cooling איטי: Furnace Cooling and Air Cooling

כאשר ⁇ ברזל פחמן קרירים לאט, כמו בקירור או קירור אוויר מבוקר, הטרנספורמציות להתרחש ליד תנאי איזון.המיקרו-מבנה וכתוצאה מכך מורכב בדרך כלל מפריט ופניניט, עם היחסים שנקבעו על ידי תוכן הפחמן.

(FLT:0) Hypoeutectoid SteelsveFLT:1 (תוכן פחמן פחות מ-0.7 wt%) לפתח פרוקטקטנואידית קווית בדגנים, ואחריו טרנספורמציה אקוטית של אוקטנואיד של אווסטנטי שנותר פנינה.

(FLT:0) פלדה אטומית (Eutectoid SteelsFLT:103) (0.77 ואט% פחמן) הופכת לחלוטין פניניט.ההההההתחמצת היא גדולה יחסית תחת קירור איטי, וכתוצאה מכך מיקרו דוקטרי יותר.

(FLT:0) Hypereutectoid SteelsveFLT:1) (תוכן פחמן גדול מ-0.7 wt%) טופס מלטקטאידית פרוטה בגבולות גרגרים אאונטיים, עם יתר האנתנסיט ההופך פניניט.

שיעורי קירור איטיים הם בדרך כלל בטווח של 1-10 מעלות צלזיוס /מין עבור קירור פרווה ו 10-100 מעלות צלזיוס /מין עבור קירור אוויר, בהתאם לגודל חלק ותנאים סביבתיים.

Cooling מתון: שמן קווינצ'ינג ופולימר קונצ'ינג

quenching שמן מספק שיעורי קירור בטווח של 100-500 מעלות צלזיוס /s, בהתאם לסוג שמן, טמפרטורה, זעזוע.שיעורים אלה מספיק כדי לדכא היווצרות פניניט בפלדות רבות, ומאפשר ביטי ליצור במקום.

(FLT:0 ;00 מבנים מיקרוביניים מיקרו-לוויינים ב-FLT:1) מורכבים מטעמים דקים או לוחות עם חלקיקים מלטיט מפוזרים.צורות ביניט העליון בטמפרטורות גבוהות יותר (בערך 400-550 מעלות צלזיוס) ויש לו מראה נוצה, עם חלקיקים מלטיט הממוקם בין טרה-טייט נמוך טפסים בטמפרטורות נמוכות יותר (כ-250 מעלות צלזיוס) ונראה בתוך סוללת מלט, עם לוחות דקים.

פלדות בינאיטי מציעות שילוב מצוין של כוח ונוקשות, מה שהופך אותם מתאימים לרכיבים מבניים, מסילות וכלי לחץ.קשה של הפלדה קובע אם ביניט ניתן להשיג בחלקים עבים.

Cooling מהיר: מים קווינצ'ינג ו- Brine Quenching

מים quenching ו quenching לייצר שערי קירור מעל 1000 מעלות צלזיוס /s, מספיק כדי לדכא הן פניניט ו bainite היווצרות ברוב הפלדה, וכתוצאה מכך מרטן.חומרת הquench תלויה הטמפרטורה בינונית, זעזוע, נוכחות של תוספים.

(FLT:0) מבני מיקרו-מבנה מיקרו-מיקרו-מיקרו-מזרחיים (כמו-נידל) או גבישים בצורת לבת', בהתאם לתוכן הפחמן.נמוך נמוך פחמן (פחות מ-0.6 וואט% פחמן) יוצרים ל- Martensite, עם עדשות מחוסמות מסודרים בחבילות.

הקושי של הגדלת רמת הפחמן עם תוכן פחמן, להגיע לערכים מקסימליים של כ 65-68 HRC עבור פלדות פחמן גבוהות.עם זאת, מרטן ממונע הוא מאוד מלוטש, ויש למזג כדי להקל על הלחץ הפנימי ולשפר את הקשידות.

קול מצחיק: Cryogenic Quenching

quenching Cry כרוך קירור פלדה לטמפרטורות מתחת -100 מעלות צלזיוס באמצעות חנקן נוזלי או נוזלי Cryogenic אחרים.טיפול זה יכול להפוך austenite נשמר (austenite שלא השתנה במהלך quenching קונבנציונלי) כדי למתח, עוד יותר קשיחות ויציבות ממדית.

טיפולים Cryogenic משמשים עבור פלדה כלי גבוה, נושא פלדה, ורכיבים מסוימים ביצועים גבוהים שבו נדרשת עמידות לבשה מקסימלית ויציבות ממדית.התהליך בדרך כלל כרוך קירור מבוקר לטמפרטורות Cryogenic, תקופת אחזקה, והתחממות מבוקרת חזרה לטמפרטורה מכוננת.

השפעות בסיסיות על תכונות מכניות

היחסים בין קצב קירור, מיקרו-מבנה ונכסים מכניים מבוססים היטב ויוצרים את הבסיס לתכנון טיפול חום. הפרמטרים המיקרו-מבנהיים העיקריים המשפיעים על תכונות כוללים גודל דגנים, הפצה שלב, ספיגה בין-אסון, ואת נוכחות של שלבים שאינם-קליבריום.

כוח ועוצמה

חוזק וקשות עולים עם קצב קירור, לאחר הרצף: ferrite-pearlite (Slow קירור) bainite (קירור מתון) , מרטן (קירור רפיד) העלייה בכוח מיוחסת למספר מנגנונים:

  • (ב) [ה]האל-פטריו"ד: גדלים של דגנים המיוצרים על ידי קירור מהיר יותר להגדיל את אזור הגבול של דגנים, למנוע את תנועת פירוק הפירוק וחיזוק החומר.
  • (בקיצור:0) פתרון מאוחד מחזק את ה- 1:1: במרטן, אטומי פחמן לכודים באתרים בין-תחומיים יוצרים זנים של ליטיצ'ה אשר מונעים את תנועת הפירוק.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ :0 (ההעברה) , 1:1: הטרנספורמציה המרטינה מציגה צפיפות גבוהה של פירוקים, תורמת לכוח.

דוקטריות ואומץ

דוקטריות ונוקשות בדרך כלל יורדות עם שיעור קירור גדל, למרות שהיחסים מורכבים ותלויים במרכיבים המיקרו-מבנהיים הספציפיים. Ferrite-pearlite microstructures להציג את הדלקטיות הגבוהה ביותר אך הכוח הנמוך ביותר, בעוד שלרוב המנוכל יש כוח גבוה אבל מאוד דוקטרקטיות נמוכה ונוקשות.

Bainite מציע איזון אטרקטיבי של תכונות, עם כוח טוב ונוקשות סבירה. טמפרed מרטינטט, המיוצר על ידי חימום מרטן לטמפרטורות מתחת לאוטואיד, יכול לשחזר קשיחות משמעותית תוך שמירה על כוח גבוה.

חבות

התנגדות ללבוש משתפרת בדרך כלל על ידי קשיחות גבוהה יותר, מה שהופך מיקרואורגניזמים מטושטשים ו bainitic רצוי יישומים בישולים אינטנסיביים כגון חיתוך כלים, מת, ולוחות ללבוש. עם זאת, מנגנון ללבוש ספציפי (abrasive, adhesive, erosive, או קורוזי) משפיע על המיקרו-מחדש אופטימלי.

שיקולים מעשיים בטיפול ב-Hick Treatment

קשיחות וגודל סעיף

קשיחות מתייחסת ליכולת של פלדה ליצור מנשט כאשר quenched מן הטמפרטורה austenitizing. זה תלוי הרכב פלדה ואת שיעור הקירור שהושג בסעיף להיות מטופלים. אלמנטים כגון chromium, molybdenum, ניקל, ומניגן להגדיל את קשיות על ידי דיכוי פנינים ו bainites, המאפשר מרטן כדי ליצור אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט.

גודל הסעיף הוא קריטי: חלקים עבים קרירים יותר במרכז מאשר על פני השטח, שעלולים לגרום ל ⁇ של מיקרו מבנים משטח אל הליבה. עקומות הרדניות (העקומה הג'ומינית) משמשים לחיזוי פרופיל הקשידות כתפקוד של מרחק מן הקצה המצופה.

בחירת מדיה

בחירת המדיום הסינון תלויה בקצב הקירור הנדרש, הרכב פלדה, ואת גודל הסעיף. Common quenching Media כוללים:

  • (ב) ,0) מים ווטרראטל 1: מספק קירור מהיר, מתאים פלדות דלות-קשה.
  • (FLT:0)BrineveFLT:1: פתרונות מלח (בדרך כלל 5-10 נ"ר) מספקים קירור מהיר יותר מאשר מים על ידי משבש הוואפור, וכתוצאה מכך יותר מדי חום.
  • (ב) ,0)OilveFLT:1: מספק איטי יותר, יותר אחיד קירור מאשר מים, צמצום הסיכון של עיוות וסדקים.
  • (FLT:0) פובימר quקסםFLT:1; פתרונות פולימרים מבוססי מים מציעים שיעורי קירור מתאימים על ידי שינוי ריכוז פולימר וטמפרטורה.הם מספקים קירור אחיד עם השפעה סביבתית מופחתת בהשוואה לנפט.
  • (ב) ,0) אמבטיות אל-עזר 1: אמבטיות מלח מולטן לספק שיעורי קירור מבוקרים לטיפולי חום אחרים כמו מתפתל ומתפתל.

פיזור ודיכוי סיכונים

קירור מהיר יוצר מתחים תרמיים וטרנספורמציה שיכולים לגרום עיוות, רינג, וסדקים.סיכון עולה עם גודל חלק, תוכן פחמן, ואת המורכבות של חלק גיאומטריה, עיצוב חלק תקין, חימום אחיד, והשימוש באמצעי תקשורת quenching מתאים יכול למזער את הבעיות האלה.

הקלה בלחץ מיד לאחר הנקה היא לעתים קרובות הכרחי כדי למנוע סדקים מעוכבים לשחזר את הדוקטרינה.

טכניקות בקרה מתקדמות

שלב קוהנצ'ינג ו- Interrupted Quenching

שלב הנקה כרוך קירור פלדה לטמפרטורה בינונית, מחזיק לתקופה מוגדרת, ולאחר מכן המשך הקירור.טכניקה זו ניתן להשתמש כדי לחדד את מבנה הדגנים או לקדם מוצרי טרנספורמציה ספציפיים. Austempering הוא צורה של quenching שלב שבו הפלדה הוא quenched לטמפרטורה מעל ההתחלה המרטינה (Ms) ומוחזקים כדי ליצור bainite, ואחריו אוויר קירור אווירי.

תיקון קולי בתהליכים מתמשכים

בתהליכים מתמשכים כגון גלימה חמה וציור חוט, קירור מבוקר משמש כדי להסדיר את המיקרו מבנים כמו החומר יוצא את מערכות הקירור של מילימטר Laminar על צינורות מים מבוקרים להשתמש זרימה מים מבוקרת כדי להשיג את פרופיל קירור הרצוי, לייצר מיקרו-מבנה מסוים ונכסים במוצר המוגמר. בתהליך Stelmor עבור מוטה, קירור אוויר מבוקר על גבי העברה מאפשר התאמה של פנינית בין פנינית לבין תוכן מכובש וצר.

אינדוקציה לייזר ו- לייזר Surface Harding

הפחתת קשיחות לייזר קשיחות השימוש חימום מקומי ואחריו במהירות עצמית כדי לייצר מקרה מרמרני קשה על פני השטח ספציפיים תוך השארת הליבה רך יותר קשיח יותר קשיח יותר וקשה יותר. תהליכים אלה מאפשרים שליטה מדויקת של העומק והדפוס הקשה, צמצום עיוות וצריכת אנרגיה.

יישומים ומחקרי מקרים

הרכב Components

רכיבי מניעה לרכב כגון הילוכים, פירים, ונושאות דורשים התנגדות ללבוש יוצאת דופן וכוח עייפות.חלקים אלה נעשים בדרך כלל מפלדות ממוחזרות או פחמן מעוקלות כי הם מכווצים וממוסמכים לייצר מקרה מרטינסיטי קשה עם ליבה קשה.

כלי פלדה וחיתוך כלים

פלדה כלי עבור חיתוך, להרכיב, ועיבוד יישומים דורשים קשיחות גבוהה, ללבוש התנגדות ויציבות ממדית. פלדה אלה הם בדרך כלל מכווצים מטמפרטורות גבוהות של שמן או אמבטיות מלח, ואחריו מחזורים מרובים מזג כדי לייעל את האיזון של קשיחות קשיחות ונוקשות.הקצב הקירור חייב להיות מבוקר בקפידה כדי להשיג טרנספורמציה מלאה מרטינטית ללא עיוות או סדק.

פלדה סטרקטיבית וסעיפים כבדים

עבור פלדה מבנית גשרים, מבנים, פלטפורמות offshore, קירור מבוקר לאחר מתגלגל כדי לחדד את גודל גרגר הפורט ולשפר את כוח ו קשיחות. Thermo-mechanical מבוקר עיבוד (TMCP) משלבת מתגלגל עם קירור מואץ כדי להשיג מיקרו מבנים עתיר ללא צורך טיפול חום לאחר ההרשמה. תהליכים אלה מאפשרים כוח גבוה עם יכולת גבוהה עם ניידות מעולה ונוקשות דלת-טמפרטורה נמוכה.

מסקנה

ההשפעה של קירור על היווצרות מיקרו-מבנה בסגסוגת ברזל פחמן היא עיקרון יסוד של מתכת מפרה.על ידי שליטה בקצב שבו פלדה מגניב מטמפרטורות גבוהות, מהנדסים יכולים לבחור מתוך מגוון רחב של תוצאות מיקרו-מבנה, כל אחד עם תכונות מכניות נפרדות.אט קירור לייצר מבנים רכים, דוקטריליים fer-pearlite מתאים ליצירת ופעולות מאצ'ין.

(הההפעלת בקרת קצב קירור דורשת שיקול של הרכב פלדה, גודל חלק, רצף בינוני ותהליך.טכניקות מתקדמות כגון שלב quenching, קירור מבוקר בתהליכים רצופים, ומשטח מקומי קשיח לספק דיוק נוסף בתאים מיקרו-מבניים עבור יישומים ספציפיים.עבור קריאה נוספת על יסודות טיפול חום, ה-FLT:0ASM InternationalFLTure Relirated Society מציעה משאבים מקיפים, בעוד ש-DFlowtation Group היא 3:4Flower: 3.

ניהול היחסים בין קצב קירור ומיקרו-מבנה חיוני לכל מבולורגיסט או מהנדס עובד עם סגסוגת ברזל פחמן.זה מאפשר עיצוב של מחזורי טיפול חום אופטימיזציה ביצועים, אמינות, וחסכוניות על פני הספקטרום המלא של יישומי פלדה.