Что такое цементит?

Цементит, химически определяемый как карбид железа (Fe]3]C, представляет собой твердую, хрупкую межметаллическую фазу, которая образуется в углеродистых сталях во время затвердевания и последующей термообработки. Его кристаллическая структура является орторгомбической, что способствует его высокой твердости — обычно около 800-1100 HV — но также и его низкой жесткости. Цементит осаждается из аустенита во время охлаждения или форм во время закалки мартенсита. Фаза появляется как удлиненные, пластинчатые или сфероидальные частицы в ферритовой матрице, и его морфология сильно зависит от термической истории стали. Понимание поведения цементита является основополагающим для проектирования износостойких сталей, потому что эта фаза непосредственно влияет на способность материала выдерживать деградацию поверхности.

Механизмы сопротивления ношения от цементита

Ношение в стальных компонентах происходит через несколько различных механизмов, и вклад цементита варьируется в зависимости от каждого.Твердость цементита делает его эффективным барьером для пластической деформации и микроразрезания, которые являются основными факторами потери материала при скольжении и абразивных контактах.

Абразивный наряд

При абразивном износе твердые частицы или аспертисы вплетаются в стальную поверхность, удаляя материал через микроразрез или разлом. Цементитовые частицы выступают в качестве жестких препятствий, которые сопротивляются проникновению. Когда цементит тонкий и равномерно диспергирован, сталь может поддерживать гладкую поверхность и противостоять образованию глубоких борозд. Однако, если цементит грубый или кластеризованный, он может трескаться при высоком напряжении и фактически ускорять износ, создавая обломки.

клейкое платье

При контакте поверхности свариваются при аспертизах, а затем сдвигаются, передавая материал. Цементит снижает склонность к адгезии, поскольку он химически стабилен и менее пластичен по сравнению с ферритом. Твердая фаза также затвердевает окружающую матрицу, еще больше уменьшая реальную площадь контакта и, таким образом, вероятность образования клеевых соединений.

усталость носить

При циклической нагрузке могут распространяться поверхностные или подземные трещины, приводящие к разбрызгиванию или питтингу. Цементит влияет на износ усталости двумя противоположными способами. Хорошо распределенный цементит может ингибировать инициирование трещины, обеспечивая твердые точки, которые распределяют напряжение. И наоборот, крупные или удлиненные частицы цементита действуют как усилители напряжения, способствуя зародышу трещин и уменьшая срок службы усталости. Поэтому контроль морфологии цементита имеет решающее значение в таких приложениях, как шестерни и подшипники.

Микроструктурные факторы, контролирующие производительность ношения

Износостойкость стали не просто функция объемной фракции цементита. Три взаимосвязанных фактора определяют, насколько эффективно цементит повышает долговечность:

  • Объемная фракция: Более высокое содержание цементита обычно увеличивает твердость и сопротивление истиранию. Например, белые чугуны с 30-40% цементитом используются в суровых условиях добычи. Но за определённым моментом доминирует хрупкость и разрушается прочность.
  • Размер частиц и морфология: Прекрасный сфероидизованный цементит (произведенный посредством сфероидизации отжига) обеспечивает оптимальное сочетание твердости и вязкости. Грубый или ламельярный цементит (как в перлите) может быть приемлемым в некоторых условиях износа, но не поддается удару.
  • Единообразность распределения: Кластеры цементита создают области высокой концентрации напряжения. Однородное распределение гарантирует, что нагрузка распределяется поровну, снижая риск локализованного перелома.

Термотерапия стратегии для Tailor цементит

Производители используют ряд тепловых циклов для разработки цементитовой фазы для конкретных требований к износостойкости.

Отжиг и нормализация

При отжигах сталь медленно охлаждается из аустенитной области, образуя грубый перлит с ламелярным цементитом. Пока эта структура относительно мягкая, ее можно использовать в качестве отправной точки для дальнейших обработок. Нормализация при более быстром охлаждении дает более тонкий перлит и немного улучшает износостойкость по отожженному материалу.

Умереть и закаливаться

Куншинг превращает аустенит в мартенсит, перенасыщенный твердый раствор. Последующее закалка при температурах между 150°C и 600°C выпадает из мартенсита. Низкотемпературное закалка (150-300°C) сохраняет цементит чрезвычайно тонким, максимизируя твердость для таких применений, как режущие инструменты. Более высокие температуры закалки грубят цементит, торговая твердость для вязкости - полезна для ударопрочных компонентов.

Творчество

Аустемперинг предполагает утолщение до температуры чуть выше начала мартенсита и удержание с образованием байнита. Байнитические микроструктуры содержат цементит, диспергированный в ферритовой матрице с характерной ацикулярной морфологией. Эта структура предлагает отличный баланс высокой прочности, хорошей прочности и износостойкости, часто превосходящий закаленный мартенсит в условиях скользящего износа.

Торговые компромиссы между жесткостью и жесткостью

Основной инженерной проблемой с цементитом является обратная связь между износостойкостью и прочностью на разрыв. По мере увеличения содержания цементита твердость повышается, но пластичность и ударная прочность резко падают. Инженеры должны выбрать стальную марку и термическую обработку, которая оптимизирует этот компромисс для конкретных условий загрузки.

Например, на шаровых мельницах или в каменных дробилках, где доминирует сильная истирание, используются высокоцементитовые белые утюги (с добавлением хрома для стабилизации карбидов), несмотря на их низкую прочность. Напротив, шестерни и валы испытывают циклические изгибающие напряжения; здесь более низкое содержание цементита с мелкими сфероидизированными частицами обеспечивает приемлемую износостойкость без катастрофического отказа при усталости.

Сравнение с другими карбидными фазами

В то время как цементит является наиболее распространенным карбидом в простых углеродных сталях, многие износостойкие стали включают легирующие элементы, которые образуют более твердые, более стабильные карбиды. Хром образует M7C или M23C6, ванадиевые формы MC-карбидов и вольфрамовые или молибденовые формы M6C-карбиды. Эти карбиды сплава часто более твердые, чем цементит (например, карбид ванадия может превышать 2000 HV) и остаются стабильными при более высоких температурах, что делает их предпочтительными для режущих инструментов и горячего изготовления штампов.

Однако цементит остается важным для экономически чувствительных применений. В углеродистых сталях он обеспечивает значительное повышение износостойкости без затрат на легирующие элементы. Кроме того, путем рафинирования цементита посредством термомеханической обработки производительность может приблизиться к производительности некоторых низколегированных сталей при более низкой стоимости материала.

Практическое применение цементитсодержащих сталей

Роль цементита в износостойкости используется во многих отраслях промышленности:

  • Железнодорожные рельсы: Перлитные рельсовые стали содержат ламелярный цементит в ферритовой матрице. Твердость цементита борется с абразивным износом от контакта с колесом, а тонкий межламеллярный интервал замедляет распространение трещин. Современные закалённые рельсы достигают ещё более тонкого перлита за счёт ускоренного охлаждения.
  • Режущие инструменты: Высокоуглеродистые инструментальные стали (например, AISI W1, A2, D2) полагаются на карбиды цементита или сплава для удержания края. Сфероидизированный цементит в инструментальных сталях уменьшает прокол при сохранении износостойкости.
  • Носовые пластины: Закаленные и закаленные стали, такие как AR400, содержат закаленную мартенситную матрицу с мелкими осадками цементита. Эти пластины используются в самосвалных лайнерах, желобах и бульдозерах.
  • Шаровые и роликовые подшипники: Подшипниковые стали (например, 52100) закаляются и закаливаются для получения дисперсии мелкого цементита в закаленной мартенситной матрице. Частицы цементита поддерживают контактную нагрузку и уменьшают усталость от контакта с качением.
  • Gears: Многие автомобильные и промышленные шестерни изготавливаются из закаленных корпусом низкоуглеродистых сталей. Ядро имеет тонкое распределение цементита от закалки, обеспечивая прочность, в то время как нагребенный корпус содержит как цементит, так и карбиды сплава для твердости поверхности.

Заключение

Этап цементита является краеугольным камнем износостойких сталей, предлагая мощную комбинацию твердости и микроструктурной универсальности при низкой стоимости. Его эффективность, однако, очень чувствительна к размеру, форме и распределению, все из которых можно контролировать с помощью тщательной термообработки и конструкции сплава. Понимая механизмы, с помощью которых цементит сопротивляется истиранию, адгезии и усталости, инженеры могут выбирать и обрабатывать стали для удовлетворения самых требовательных применений износа. Будущие разработки, такие как наноструктурированный цементит или гибридные микроструктуры с другими карбидами, обещают еще большую производительность. Для дальнейшего чтения по механизмам цементита и износа см. ресурсы из базы данных свойств материала , MatWeb и исследования по ScienceDirect .