Ce este Cementite?

Cementita, definită chimic ca fiind carbura de fier (Fe3[C), este o fază intermetalică dură, fragilă, care se formează în oțel carbon în timpul solidificării și ulterior tratamentului termic. Structura sa de cristal este ortorombică, care contribuie la o mare densitate în jurul matricei de ferită, iar morfologia sa depinde în mod puternic de istoria termică a oțelului. Înțelegerea comportamentului de cimentit este fundamentală pentru proiectarea de oțel rezistent la uzură, deoarece această fază influențează direct capacitatea materialului de a rezista la degradarea suprafeței.

Mecanisme de uzură a rezistenței la cementită

Purtarea în componente din oțel are loc prin mai multe mecanisme distincte, iar contribuția cimentit . Duritatea cimentitului face o barieră eficientă la deformare plastic și micro-tăiere, care sunt principali factori de pierdere a materialelor în contactele alunecoase și abrazive.

Purtare abrazivă

În uzura abrazivă, particulele dure sau asperitățile ară în suprafața din oțel, eliminând materialul prin micro-tăiere sau fractură. Particulele cementite acționează ca obstacole dure care rezistă la penetrare. Când cimentitul este fin și uniform dispersat, oțelul poate menține o suprafață netedă și rezista formării de caneluri adânci. Cu toate acestea, dacă cimentitul este grosier sau grupat, se poate sparge sub un stres ridicat și poate accelera uzura prin crearea de resturi.

Purtare adezivă

Uzura adezivă apare atunci când contactează suprafeţele sudate la asperităţi şi apoi se desprind, transferând materiale. Cementita reduce tendinţa de aderenţă, deoarece este stabilă chimic şi mai puţin dubioasă comparativ cu ferita. Faza grea de asemenea, lucreaza-întărieşte matricea înconjurătoare, reducând în continuare zona reală de contact şi astfel probabilitatea de joncţiuni adezive formarea.

Oboseală Purtarea

Sub încărcare ciclică, fisuri de suprafaţă sau subsuprafaţă se pot propaga, ducând la stropire sau adâncitură. Cementite influenţează oboseala uzura în două moduri opuse. Bine, bine distribuite cimentit poate inhiba iniţierea crăpăturii prin furnizarea de puncte dure care distribuie stres. Invers, particulele de cimentat mari sau alungite acţionează ca ridicătoare de stres, promovarea nucleaţiei fisuri şi reducerea duratei de oboseală. Prin urmare, controlul morfologiei cimentite este critică în aplicaţii cum ar fi unelte şi rulmenţi.

Factori microstructurali Controlarea performanței de purtare

Rezistenţa la uzură a unui oţel nu este doar o funcţie a fracţiei de volum de ciment. Trei factori interdependenţi determină cât de eficient cimentează creşte durabilitatea:

  • Fracţiunea volum[: Conţinutul mai mare de cimentit creşte în general duritatea şi rezistenţa la abraziune. De exemplu, fierul alb de turnare cu 30
  • Dimensiunea și morfologia particulelor: Cementit fin, sferoidizat (astfel cum este produs prin anunarea sferoidizei) oferă o combinație optimă de duritate și duritate.Cărți sau ciment lamelar (ca în perlat) poate fi acceptabil în unele condiții de uzură, dar nu este afectat.
  • uniformitatea de distribuţie: Clusterele de cimentit creează regiuni cu o concentraţie ridicată de stres. O distribuţie omogenă asigură împărţirea egală a încărcăturii, reducând riscul de fractură localizată.

Strategii de tratament termic la cementite de croitorie

Producătorii folosesc o serie de cicluri termice pentru a proiecta faza de ciment pentru cerințe specifice de rezistență la uzură.

Annakeling şi Normalizare

În timpul analgezic, oțelul este răcit încet din regiunea austenite, producând perlit grosier cu ciment lamelar. În timp ce această structură este relativ moale, poate fi folosit ca un punct de plecare pentru tratamente suplimentare. Normalizarea, cu răcire mai rapidă, produce perlit finder și îmbunătățește rezistența la uzură ușor peste materialul anneat.

Conjugarea şi temperarea

Cranchinajul transformă austenita la martensite, o soluție solidă supersaturată. Temperatură ulterioară la temperaturi cuprinse între 150°C și 600°C precipitate cimentit fin de la martensite. Temperatură joasă (150

AustemperingCity in New York USA

Austemperingul presupune stingerea la o temperatură chiar deasupra începutului de martensit și menținerea pentru a forma bainite. Microstructurile bainitice conțin cimentit dispersat într-o matrice de ferită cu o morfologie caracteristică aciculară. Această structură oferă un echilibru excelent de înaltă rezistență, rezistență bună și uzură, adesea superior la martensite temperat în condiții de uzură alunecoase.

Schimburi între duritate şi duritate

Principala provocare inginerească cu cimentit este invers relația dintre rezistența la uzură și duritatea fracturilor. Pe măsură ce conținutul de cimentit crește, duritatea crește, dar ductilitatea și rezistența la impact scade. Inginerii trebuie să aleagă un grad de oțel și tratament termic care optimizează acest compromis pentru condițiile specifice de încărcare.

De exemplu, în morile de mingi sau concasoarele de rocă, unde abraziunea severă domină, fierul alb cu cement înalt (cu adaosuri de crom pentru a stabiliza carburile) este utilizat în ciuda rezistenţei lor scăzute. În contrast, angrenajele şi arborii experimentează tensiunile de îndoire ciclică; aici, un conţinut de cimentită mai mic cu particule fină sferoidizate asigură o viaţă acceptabilă de uzură fără o defecţiune catastrofică sub oboseală.

Comparații cu alte faze de carburație

În timp ce cimentul este cea mai comună carbura din oțeluri cu carbon simplu, multe oteluri rezistente la uzură încorporează elemente de aliajare care formează mai greu, mai stabile. Formele cromice M[7[C3 sau M[23[]]6[6] carburi, forme de vanadiu MC, și tungsten sau formă de molibden M6]C carburi. Aceste carburi aliate sunt adesea mai grele decât cimentatul (de exemplu, carburile de vanadiu pot depăși 2000 HV) și rămân stabile la temperaturi mai mari, făcându-le preferate pentru instrumente de tăiere și pentru lucrări la cald.

Cu toate acestea, cimentul rămâne important pentru aplicații sensibile din punct de vedere al costurilor. În oțelurile carbonifere, oferă o rezistență semnificativă la uzură fără a fi de cost al elementelor de aliajare. Mai mult, prin rafinarea cimentitului prin prelucrarea termomecanică, performanța poate aborda cea a unor oțeluri cu un nivel scăzut de aliaj la un cost material mai mic.

Aplicații practice ale oțelului care se bazează pe ciment

Rolul cimentitului în rezistența la uzură este exploatat în multe industrii:

  • șine de cale ferată : oțeluri feroviare Pearlitice conțin cimentit lamelar într-o matrice de ferită. Duritatea de cimentate luptă uzura abrazivă de la contactul cu roți, și distanța interlamelară fisura fine încetinește propagarea. șinele moderne întărite cap atinge perlat chiar mai fin prin răcire accelerată.
  • Unelte de tăiat: Oţeluri de scule cu emisii ridicate de carbon (de exemplu AISI W1, A2, D2) se bazează pe carbura de cimentită sau aliaj pentru reţinerea marginilor. Cimentitul sferoidizat în oţelurile de scule reduce ciobire în timp ce menţine rezistenţa la uzură.
  • Plăci de uzură: Oţeluri călite şi călite, cum ar fi AR400, conţin o matrice de martensite temperată cu precipitate de ciment fin. Aceste plăci sunt folosite în garniturile de camioane, jgheaburi şi lame buldozere.
  • Rulmenţii de bază şi de role: Oţelurile rulmenţilor (de exemplu 52100) sunt stinse şi temperate pentru a produce o dispersie de cimentită fină într-o matrice de martensite temperată. Particulele cimentite susţin sarcina de contact şi reduc oboseala de contact la rulare.
  • Gears: Multe unelte auto și industriale sunt fabricate din oțel cu emisii reduse de carbon, cu rezistență redusă, cu rezistență la topire. Miezul are o distribuție fină de cimentit, oferind putere, în timp ce cazul carburat conține atât carburanți, cât și carburanți pentru duritatea suprafeței.

Concluzie

Faza de ciment este însă o piatră de temelie a oţelurilor rezistente la uzură, oferind o combinaţie puternică de duritate şi versatilitate microstructurală la un cost scăzut. Eficacitatea sa este însă foarte sensibilă la dimensiune, formă şi distribuţie, toate putând fi controlate prin tratament termic şi design aliat. Prin înţelegerea mecanismelor prin care cimentitul rezistă la abraziune, aderenţă şi oboseală, inginerii pot selecta şi procesa oţeluri pentru a satisface cele mai exigente aplicaţii de uzură. Evoluţii viitoare, cum ar fi microstructurile de cimentite nanostructurate sau hibride cu alte carburi, promit o performanţă şi mai mare. Pentru citirea ulterioară a mecanismelor de cimentit şi uzură, a se vedea resursele de la ASM International, ]Baza de date a proprietăţii materialelor MattWeb şi studii pe ] şi studii pe ]ScienceDirect.