چدن با کروم بالا: خوردگی-ساییدگی & افزایش

چدن با کروم بالا (HCCI) یکی از آن موادی است که در برگه مشخصات ساده به نظر می رسد اما مانند یک سرسخت رفتار می کند, سیستم پیچیده در خدمت.

من دهه ها را صرف کار با آلیاژهای مقاوم در برابر سایش کرده ام, و HCCI هنوز به من درس های جدیدی می آموزد. سخت است. در برابر سایش مقاوم است. مقاومت خوردگی متوسطی دارد.

و تا زمانی که رابط خوردگی-ساییدگی را در زیر میکروسکوپ بررسی نکنید، به روش‌هایی که همیشه آشکار نیستند شکست می‌خورد..

این مقاله HCCI را از دیدگاه خوردگی-سایش بررسی می‌کند.

1. چدن پرکروم چیست؟?

ترکیب و ویژگی های ریزساختاری

دارای کروم بالا چدن یک آلیاژ مقاوم در برابر سایش مبتنی بر آهن است که در آن کروم و کربن عناصر آلیاژی اولیه هستند..

محتوای کروم معمولی آن در محدوده ای متفاوت است 12% به 30%, اگرچه ترکیب دقیق به کاربرد مورد نظر و تعادل مورد نیاز بین مقاومت در برابر سایش بستگی دارد, مقاومت در برابر خوردگی, و سختی.

در طول انجماد, کربن و کروم با هم ترکیب می شوند تا کاربیدهای سخت غنی از کروم را تشکیل دهند.

مشخصه ترین فاز کاربید M₇C3 است, که در آن M نشان دهنده عناصر فلزی است, در درجه اول کروم و آهن.

بسته به ترکیب آلیاژ و عملیات حرارتی, سایر فازهای کاربید, از جمله M23C6 و کاربیدهای ثانویه, نیز ممکن است رخ دهد.

یک ریزساختار معمولی شامل:

• کاربیدهای غنی از کروم: سختی و مقاومت بالایی در برابر برش ساینده ارائه می دهد, خراش, و حذف مواد.
• ماتریس مارتنزیتی: سختی بالا و قابلیت تحمل بار را ارائه می دهد, بهبود مقاومت در برابر تغییر شکل.
• آستنیت حفظ شده است: می تواند به چقرمگی کمک کند و تغییر شکل را در خود جای دهد, اگر چه آستنیت بیش از حد باقی مانده ممکن است سختی را کاهش دهد.
• کاربیدهای ثانویه: در طول عملیات حرارتی رسوب می کند و زمانی که اندازه و توزیع آنها به درستی کنترل شود می تواند ماتریس را تقویت کند.

عملکرد نهایی نه تنها به کسر حجمی کاربیدها بلکه به مورفولوژی آنها نیز بستگی دارد, اندازه, جهت گیری, توزیع, و پیوند با ماتریس فلزی.

به عنوان مثال, یک کسر کاربید بالا ممکن است مقاومت در برابر سایش ساینده را بهبود بخشد, اما درشت, کاربیدهای به هم پیوسته می توانند مسیرهای شکست شکننده ایجاد کنند.

ساختار کاربید تصفیه شده و یکنواخت تر می تواند مقاومت بهتری در برابر ترک خوردگی و خروج کاربید ایجاد کند..

کاربردهای معمولی چدن با کروم بالا

چدن با کروم بالا به ویژه برای اجزای در معرض ذرات ساینده مناسب است, دوغاب های معدنی, و تماس مکرر با مواد.

معدن و فرآوری مواد معدنی

توپ های آسیاب, آستر آسیاب, اجزای سنگ شکن, و صفحات در معرض ذرات معدنی سخت را می پوشند.

حمل و نقل دوغاب

پروانه پمپ, کوشش, بوش, و صفحات محافظ در معرض دوغاب ساینده و خورنده.

سیمان و تولید برق

قطعات سنگ شکن کلینکر, اجزای تجهیزات سنگ زنی, و عناصر مقاوم در برابر سایش که مواد جامد ساینده را مدیریت می کنند.

تجهیزات متالورژی و سنگ شکن

چکش های سنگ شکن, اجزای تاثیر, و سایر قطعات در معرض تماس شدید ساینده.

آلیاژ و ریزساختار مناسب به شرایط عملیاتی واقعی بستگی دارد.

قطعه ای که عمدتاً در معرض ساییدگی کم تنش قرار می گیرد، به تعادل مواد متفاوتی نسبت به قطعه ای که در معرض بارگذاری شدید یا دوغاب خورنده قرار می گیرد، نیاز دارد..

مزایا و محدودیت های ذاتی

چدن با کروم بالا ترکیبی از خواص را ارائه می دهد که آن را برای کاربردهای سایش جذاب جذاب می کند.

مهمترین چالش مهندسی تعادل سختی است, مقاومت در برابر خوردگی, و سختی شکستگی.

ماده ای که فقط برای سختی بهینه شده است ممکن است زمانی که بارهای ضربه ای یا تنش های چرخه ای قابل توجه باشد عملکرد ضعیفی داشته باشد.

برعکس, افزایش چقرمگی ماتریس بدون حفظ تقویت کننده کاربید کافی ممکن است مقاومت سایشی را کاهش دهد..

بنابراین، بهترین طراحی متریال به جای اینکه تنها بر اساس حداکثر سختی باشد، برای کاربرد خاص است.

2. مکانیسم‌های خوردگی و سایش چدن با کروم بالا

قبل از انتخاب استراتژی بهبود، درک چگونگی خراب شدن چدن با کروم بالا ضروری است.

خوردگی, سایش مکانیکی, و اثرات ترکیبی آنها می تواند الگوهای آسیب متفاوتی ایجاد کند, حتی زمانی که قطعات در یک محیط صنعتی کار می کنند.

2.1 مکانیسم های خوردگی

محتوای کروم در چدن با کروم بالا به تشکیل یک نازک کمک می کند, فیلم غیرفعال غنی شده با کروم روی سطح.

این فیلم به عنوان یک مانع بین فلز و محیط اطراف آن عمل می کند, کاهش نرخ خوردگی عمومی.

هر چند, محافظت از فیلم غیرفعال مشروط است. پایداری آن به در دسترس بودن کروم در ماتریس بستگی دارد, PH, درجه حرارت, غلظت کلرید, اکسیژن محلول, و وجود سایر گونه های شیمیایی مهاجم.

مکانیسم های اصلی خوردگی عبارتند از:

تشکیل و شکست فیلم منفعل

کروم باعث تشکیل یک لایه اکسید محافظ می شود, معمولاً به عنوان یک لایه غیرفعال غنی از کروم توصیف می شود. وقتی فیلم ثابت می ماند, انحلال الکتروشیمیایی بیشتر را سرکوب می کند.

هر چند, ذرات ساینده, واکنش های شیمیایی, یا یون های تهاجمی می توانند به فیلم آسیب بزنند یا بی ثبات کنند. یک بار در معرض, فلز زیرین ممکن است تا زمانی که فیلم غیرفعال اصلاح شود حل شود.

خوردگی

حفره یک شکل موضعی خوردگی است که حفره های کوچک اما نسبتا عمیقی ایجاد می کند.

اغلب زمانی اتفاق می‌افتد که یون‌های کلرید یا سایر گونه‌های تهاجمی باعث تجزیه موضعی لایه غیرفعال شوند..

سوراخ شدن می تواند به ویژه آسیب زا باشد زیرا نفوذ موضعی ممکن است حتی زمانی که سطح اطراف نسبتاً دست نخورده باقی بماند ادامه یابد..

رابط های کاربید-ماتریس و مناطق تخلیه شده شیمیایی نیز ممکن است به سایت های ترجیحی برای حمله موضعی تبدیل شوند..

خوردگی شکاف

خوردگی شکاف در شکاف های باریک ایجاد می شود, مناطق محافظت شده, و رسوباتی که در آن گردش سیال محدود است.

کاهش اکسیژن و تجمع گونه های شیمیایی تهاجمی می تواند شرایط الکتروشیمیایی موضعی ایجاد کند که فیلم منفعل را بی ثبات می کند..

این مربوط به قطعات با شکاف مونتاژ محکم است, سپرده, مفاصل, و نواحی داخلی با برافروختگی ضعیف.

خوردگی بین دانه ای

خوردگی بین دانه ای ترجیحاً به مرزهای دانه یا مناطق مجاور حمله می کند.

در چدن با کروم بالا, بارش کاربید غنی از کروم در مرز دانه ها می تواند کروم را از ماتریکس اطراف مصرف کند..

اگر غلظت کروم موضعی کمتر از سطح مورد نیاز برای حفظ انفعال باشد, این مناطق تخلیه شده ممکن است بیشتر مستعد خوردگی شوند.

میزان این خطر به شیمی آلیاژ بستگی دارد, رفتار جامد سازی, عملیات حرارتی, و توزیع کاربید.

ترک خوردگی استرس (SCC)

ترک خوردگی تنشی ناشی از عمل ترکیبی تنش کششی و یک محیط خورنده خاص است.

ترک ها زمانی شروع و منتشر می شوند که مواد در معرض شرایطی قرار می گیرند که هم تخریب مکانیکی و هم الکتروشیمیایی را پشتیبانی می کنند..

اگرچه SCC لزوماً حالت شکست غالب در هر کاربرد چدن با کروم بالا نیست, زمانی که اجزا تحت تنش کششی پایدار کار می کنند باید در نظر گرفته شود, استرس باقیمانده, و قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی تهاجمی.

2.2 مکانیسم های پوشیدن

چدن با کروم بالا در درجه اول برای مقاومت در برابر سایش طراحی شده است, اما عملکرد واقعی سرویس آن به نوع تماس مکانیکی و بارگذاری بستگی دارد.

سایش ساینده

سایش ساینده رایج ترین و بحرانی ترین مکانیسم سایش در کاربردهای معمولی HCCI است.

زمانی اتفاق می افتد که سخت باشد, ذرات تیز مانند سنگ معدن, ماسه, یا کلینکر سیمانی - بر روی سطح مواد بلغزانید یا بغلتانید, ایجاد خراش, برش, و شخم زدن که مواد را حذف می کند.

اثربخشی HCCI در برابر این مکانیسم به طور مستقیم به سختی و کسر حجمی کاربیدهای آن بستگی دارد.

فرسایش فرسایشی

رایج در پمپ های دوغاب, لوله کشی, و تیغه های فن, سایش فرسایشی ناشی از برخورد مکرر ذرات جامد در جریان سیال است.

زاویه ضربه, سرعت ذرات, و خصوصیات ذرات (سختی, شکل) به طور قابل توجهی بر نرخ تلفات مواد تأثیر می گذارد.

در زوایای ضربه کم, مکانیسم شبیه به سایش است; در زوایای تند, شبیه خستگی ضربه ای است.

سایش چسب

سایش چسب زمانی اتفاق می افتد که دو سطح تحت فشار روی هم می لغزند, باعث چسبندگی موضعی و متعاقب آن انتقال یا جدا شدن مواد می شود.

در حالی که به عنوان حالت شکست اولیه در HCCI کمتر رایج است, می تواند در سناریوهای تماس با اصطکاک بالا کمک کند, به خصوص در جاهایی که روغن کاری کافی نیست.

پوشیدن خستگی

این مکانیسم شامل شروع و انتشار ترک ها تحت تنش چرخه ای است, در نهایت منجر به پوسته شدن یا جدا شدن مواد می شود.

در اجزایی که در معرض بارگذاری مکرر قرار می گیرند مرتبط است, جایی که حد سختی و خستگی مواد بسیار مهم است. چقرمگی کم HCCI آن را مستعد سایش خستگی در کاربردهای پر استرس می کند.

2.3 اثر هم افزایی خوردگی و سایش

تعامل بین سایش مکانیکی و خوردگی شیمیایی صرفاً افزایشی نیست - هم افزایی است..

هنگامی که لایه غیرفعال به طور مداوم توسط سایش حذف می شود, و خوردگی سطح را ضعیف می کند, یک چرخه معیوب شکل می گیرد که به سرعت مواد را تخریب می کند.

این "چرخه معیوب خوردگی - سایش" علت اصلی شکست زودرس در بسیاری از برنامه های HCCI است..

مکانیزم به این صورت عمل می کند:

• خوردگی سطح را ضعیف می کند, پوشیدن آن را آسان تر می کند.
• سایش لایه غیرفعال را حذف می کند, قرار دادن فلز تازه در معرض خوردگی.
• محصولات یک مکانیسم تخریب (به عنوان مثال, ضعیف شدن سطح در اثر خوردگی) به ورودی ای تبدیل می شود که مکانیسم دیگر را تسریع می کند (پوشیدن).
• سایش لایه غیرفعال را حذف می کند, که خوردگی را تسریع می کند, و غیره.

نتیجه یک حلقه بازخورد است که در آن هر فرآیند دیگری را تقویت می کند, باعث تخریب مواد با سرعتی می شود که می تواند به طور تصاعدی بیشتر از سایش یا خوردگی به تنهایی باشد.

به همین دلیل است که استراتژی‌های بهبود مؤثر نمی‌توانند فرسودگی و خوردگی را به صورت مجزا برطرف کنند.

هدف راه حل باید شکستن این چرخه معیوب با بهبود همزمان مقاومت در برابر هر دو مکانیسم باشد - یا حداقل اطمینان حاصل شود که بهبود در یکی دیگر را به خطر نمی اندازد..

این نیاز به یک رویکرد جامع و یکپارچه برای توسعه HCCI را تقویت می کند.

2.4 نقاط ضعف ریزساختاری: جایی که آسیب شروع می شود

از دیدگاه مهندسی مواد, آسیب ناشی از خوردگی اغلب با ویژگی های ریزساختاری موضعی به جای سختی متوسط ​​مواد کنترل می شود..

سه منطقه مستحق توجه ویژه هستند:

این مناطق به عنوان مکان های بالقوه شروع تخریب عمل می کنند. از این رو, کاهش عیوب ریخته گری, پالایش ریزساختار, و بهبود یکپارچگی رابط برای عملکرد بلند مدت اساسی است.

در عمل, طراحی آلیاژ و عملیات حرارتی باید همراه با کنترل فرآیند ریخته گری ارزیابی شود.

یک ترکیب شیمیایی خوب طراحی شده نمی تواند تخلخل شدید را به طور کامل جبران کند, کاربیدهای درشت, یا رابط های با پیوند ضعیف.

3. استراتژی‌های افزایش عملکرد برای چدن با کروم بالا

بهبود مقاومت در برابر سایش در برابر خوردگی چدن با کروم بالا نیازمند یک رویکرد هماهنگ برای ترکیب مواد است., تثبیت, ساختار, عملیات حرارتی, و مهندسی سطح.

استراتژی های زیر نشان دهنده دستورالعمل های مهم برای بهبود چدن با کروم بالا در شرایط سایش و خوردگی پیچیده است..

3.1 بهینه سازی ریزساختار و طراحی آلیاژ

کنترل نوع کاربید, مورفولوژی, و توزیع

کاربیدهای غنی از کروم فاز اولیه مقاوم در برابر سایش در چدن با کروم بالا هستند.

نوع آنها, اندازه, مورفولوژی, و توزیع تأثیر مستقیمی بر مقاومت سایشی و رفتار شکست دارد.

درشت, کاربیدهای اولیه به هم پیوسته می توانند مقاومت بالایی در برابر نفوذ مواد ساینده ایجاد کنند, اما ممکن است مسیرهای شکننده پیوسته را نیز ایجاد کنند.

تحت بارگذاری ضربه ای یا چرخه ای, ترک ها می توانند در طول این شبکه های کاربید یا از طریق رابط های ضعیف کاربید-ماتریس منتشر شوند.

ساختار کاربید تصفیه شده و یکنواخت تر می تواند تعادل بین مقاومت در برابر سایش و چقرمگی را بهبود بخشد.

می توان از چندین رویکرد استفاده کرد:

• میکروآلیاژ با V, NB, و Ti: این عناصر می توانند تشکیل کاربیدهای پایدار از نوع MC را تقویت کنند, سایت های هسته زایی اضافی را فراهم می کند, و به اصلاح ساختار انجماد کمک می کند.
• خنک کننده کنترل شده: تنظیم سرعت خنک کننده و گرادیان حرارتی می تواند بر رشد کاربید اولیه تأثیر بگذارد, مورفولوژی کاربید, و تشکیل ماتریس.
• عملیات حرارتی بهینه: شرایط آستنیته و تلطیف مناسب می‌تواند باعث افزایش بارش کاربید ثانویه و بهبود خواص ماتریس شود..
• کنترل توزیع کاربید: کاهش خوشه های درشت کاربید و شبکه های پیوسته نامطلوب می تواند به محدود کردن انتشار ترک و خروج کاربید کمک کند..

هدف صرفاً به حداکثر رساندن محتوای کاربید نیست. ایجاد یک ریزساختار است که در آن کاربیدهای سخت به اندازه کافی توسط ماتریس فلزی پشتیبانی می شوند.

توسعه سیستم های آلیاژی چند عنصری

فراتر از سیستم معمولی Fe-Cr-C, عناصر آلیاژی مانند Mo, در, مس, NB, از, و عناصر خاکی کمیاب را می توان برای اصلاح مقاومت در برابر خوردگی معرفی کرد, پایداری ماتریس, تشکیل کاربید, و سختی.

اثرات این عناصر وابسته به ترکیب است. به عنوان مثال, Mo و Ni ممکن است عملکرد خوردگی را در برخی از سیستم های آلیاژی بهبود بخشد, اما اثربخشی آنها به شیمی ماتریس واقعی و پایداری فیلم غیرفعال بستگی دارد.

به همین ترتیب, ریزآلیاژی بیش از حد می تواند باعث تجمع کاربید ناخواسته یا سایر فازهای شکننده شود.

به همین دلیل, طراحی آلیاژ باید اثرات ترکیبی ترکیب را در نظر بگیرد, تثبیت, و عملیات حرارتی به جای ارزیابی عناصر منفرد در انزوا.

مفاهیم طراحی آلیاژ با آنتروپی بالا را کاوش کنید

طراحی آلیاژ با آنتروپی بالا جهت تحقیقات دیگری را برای چدن با کروم بالا فراهم می کند.

به جای تکیه عمدتاً به آهن با افزودنی های کروم و کربن, یک سیستم چند عنصری Fe-Cr-Mo-Ni-C-V را می توان برای دستیابی به تقویت محلول جامد و تشکیل فاز پیچیده تر مورد بررسی قرار داد..

اهداف طراحی بالقوه شامل:

• توسعه فازهای کاربید متعدد, مانند M23C6 + M₆C + MC.
• تنظیم ماتریس به سمت ساختار دو فازی آستنیت-مارتنزیت.
• بهبود تعادل بین سختی و چقرمگی شکست.
• افزایش مقاومت ضربه ای در دمای پایین و مقاومت در برابر انتشار ترک.

یک ماتریس دو فاز ممکن است سختی مارتنزیت را با قابلیت تطبیق تغییر شکل آستنیت ترکیب کند..

هر چند, پایداری فاز باید به دقت کنترل شود. آستنیت بیش از حد می تواند سختی را کاهش دهد, در حالی که ساختار بیش از حد مارتنزیتی ممکن است شکنندگی را افزایش دهد.

بنابراین مفاهیم آلیاژی با آنتروپی بالا برای توسعه مواد امیدوار کننده هستند, اما ارزش عملی آنها باید از طریق آزمایش های ریخته گری کنترل شده نشان داده شود, توصیف فاز, تست خوردگی, و ارزیابی لباس.

3.2 پالایش و هم ترازی جهت کاربیدهای اولیه

هدف این جهت بهینه سازی مورفولوژی و توزیع کاربیدهای اولیه در ریزساختار HCCI برای بهبود عملکرد کلی است..

درمان اصلاحی.

اصلاح هسته‌دهی کاربید را با ایجاد مکان‌های خنک‌کننده بیشتر و هسته‌زایی ناهمگن ترویج می‌کند..

به عنوان مثال, کاربیدهای TiC و M₇C3 دارای عدم تطابق شبکه هستند 10%, تبدیل TiC به یک مکان هسته‌زایی ناهمگن موثر برای پالایش کاربیدهای اولیه.

جهت های تحقیقاتی آتی شامل:

• بررسی رفتار جذب عناصر اصلاح کننده روی سطوح رشد ترجیحی کاربیدها.
• استفاده از آسیاب گلوله ای مکانیکی برای مخلوط کردن پودرهای اصلاح کننده در مقیاس نانو با پودرهای آلیاژی در مقیاس میکرونی برای بهبود هسته زایی و راندمان پالایش..
• ترکیب اصول تطبیق شبکه با شبیه سازی اصول اول برای پیش بینی سازه های تصفیه شده و مطالعه مکانیسم های پالایش.

ریخته گری سوسپانسیون نیز به عنوان روشی برای پالایش ریزساختار HCCI با افزایش نرخ هسته زایی آلیاژ پیشنهاد شده است., مانع از رشد کاربیدهای اولیه می شود, و ترویج توزیع یکنواخت آنها.

پردازش نیمه جامد.

اعمال هم زدن خارجی در طول انجماد یک دوغاب جامد-مایع یکنواخت را تشکیل می دهد.

روش‌هایی مانند خنک‌سازی صفحه شیب‌دار، خنک‌سازی کم HCCI را افزایش داده و سرعت هسته‌زایی کاربید را افزایش می‌دهد., در نتیجه کاربیدهای اولیه را تصفیه می کند.

اصطکاک, برخورد, و اثرات برشی بین دوغاب جاری و صفحه خنک کننده نیز باعث تکه تکه شدن و پالایش کاربیدهای اولیه می شود..

کارهای آزمایشگاهی قبلاً از روش خنک سازی صفحه شیبدار دوغاب نیمه جامد برای تهیه HCCI استفاده کرده است., کاهش اندازه کاربید اولیه از 109 μm به 20 μM.

شکل دهی نیمه جامد مزایایی مانند ویسکوزیته آلیاژ بالا را ارائه می دهد, استرس رئولوژیکی کم, تشکیل سریع قطعات پیچیده, و کاهش گنجایش گاز در ریخته گری.

هر چند, فرآیند تولید آن پیچیده است, که هزینه های فرآوری مواد خام را افزایش می دهد.

درمان جریان نبض.

مکانیسم هایی که جریان پالس بر انجماد مذاب تأثیر می گذارد عبارتند از:

• اثر گرمایش ژول: خنک کاری بین فاز جامد و مایع را کاهش می دهد, ترویج انجماد یکنواخت.
• نیروی میدان الکتریکی: مهاجرت جهت یون های فلزی را تحریک می کند, تغییر ساختار فلز جامد شده.
• میدان مغناطیسی: فشار لحظه ای ایجاد می کند, باعث تکه تکه شدن دندریت و ترویج کروی شدن کاربید می شود.
• نظریه ساختار مایع: خوشه های اتمی به عنوان مکان های هسته زایی جمع می شوند, افزایش احتمال کریستال های هم محور.

اعمال جریان پالس در طول انجماد HCCI به طور موثر ترک ها و منافذ کاربیدهای اولیه را کاهش می دهد., کاهش میانگین قطر معادل کاربیدهای اولیه از 150 μm به 65 μM و میکروسختی را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد.

اعمال جریان پالس کمکی در طول عملیات حرارتی HCCI می تواند دمای تبدیل فاز حالت جامد را کاهش دهد, افزایش درجه تبدیل, افزایش پتانسیل خوردگی, و چگالی جریان خوردگی را کاهش دهید.

تراز کاربید جهت دار.

انجماد جهت دار می تواند ساختارهای کاربید میله مانند در HCCI ایجاد کند که موازی یکدیگر و عمود بر سطح سرد هستند..

هنگامی که سطح سایش عمود بر جهت تراز کاربید باشد, مقاومت در برابر خوردگی مواد به میزان قابل توجهی بهبود می یابد.

کاربیدهای تراز جهت دار به طور کامل توسط ماتریس پوشانده می شوند, بهبود مقاومت آنها در برابر شکستگی و جدا شدن در طول تست سایش خوردگی.

3.3 عملیات حرارتی دقیق: متعادل کننده مارتنزیت, وابسته به اوستن, و سختی

عملیات حرارتی یک مرحله حیاتی در کنترل عملکرد چدن با کروم بالا است.

این اساساً نوعی مهندسی تبدیل فاز است: دما و زمان برای کنترل انحلال کاربید و بارش استفاده می شود, پایداری آستنیت, و تبدیل مارتنزیتی.

هدف به دست آوردن ماتریسی است که از فاز کاربید سخت پشتیبانی کند و در عین حال چقرمگی کافی برای مقاومت در برابر ترک خوردگی و آسیب ضربه را حفظ کند..

نقش مارتنزیت و آستنیت حفظ شده

ماتریس مارتنزیتی به طور کلی سختی بالا و پشتیبانی قوی برای کاربیدهای غنی از کروم فراهم می کند.

هر چند, تبدیل مارتنزیتی بیش از حد می تواند تنش های داخلی را افزایش داده و چقرمگی شکست را کاهش دهد.

آستنیت حفظ شده است, اگرچه به طور کلی نرم تر است, می تواند مقداری تغییر شکل را در خود جای دهد و ممکن است تحت بارگذاری مکانیکی به مارتنزیت تبدیل شود. این به عنوان پلاستیسیته ناشی از تبدیل شناخته می شود (سفر) اثر.

زمانی که به طور مناسب کنترل شود, این تبدیل می تواند انرژی را جذب کند, استرس را دوباره توزیع کنید, و به جلوگیری از انتشار ترک کمک می کند.

چالش حفظ تعادل صحیح است:

• حفظ بیش از حد آستنیت ممکن است سختی و مقاومت در برابر سایش را کاهش دهد.
• آستنیت حفظ شده خیلی کم ممکن است تطبیق تغییر شکل را کاهش دهد و خطر شکست شکننده را افزایش دهد.
• مارتنزیت بیش از حد سخت می تواند ماتریسی ایجاد کند که به اندازه کافی در برابر ضربه و تنش چرخه ای تحمل نمی کند..

تعادل فاز ایده آل به ترکیب آلیاژ بستگی دارد, هندسه جزء, شرایط خنک کننده, و محیط عملیاتی.

بهینه سازی پایداری آستنیت حفظ شده

یک روش پیشنهادی استفاده از تلطیف کنترل شده برای حفظ تقریباً 5 تا 8 درصد آستنیت تثبیت شده با کربن است..

هدف حفظ مقدار کنترل شده آستنیت پایدار است که می تواند به تدریج در طول سرویس به مارتنزیت تبدیل شود, جذب انرژی تغییر شکل و کمک به مقاومت در برابر رشد ترک.

روش پیشنهادی دیگر، درمان برودتی چرخه ای بین -196 درجه سانتی گراد و -50 درجه سانتی گراد است., در نظر گرفته شده برای ترویج تبدیل آستنیت حفظ شده در حالی که از تشکیل بیش از حد متمرکز مارتنزیت شکننده جلوگیری می کند..

مواد ارائه شده نرخ تبدیل آستنیت حفظ شده بیش از بیش از 98% تحت درمان کرایوژنیک پالس پیشنهادی.

این ارقام باید به‌عنوان اهداف فرآیند گزارش‌شده در نظر گرفته شوند تا مشخصات عملیات حرارتی جهانی.

تبدیل واقعی به محتوای کربن آستنیت بستگی دارد, شیمی آلیاژ, توزیع فاز اولیه, ضخامت بخش, و چرخه دما-زمان برودتی.

در بعضی موارد, نرخ تبدیل بالاتر 98% ممکن است آستنیت باقیمانده ناکافی برای سهم TRIP مورد نظر باقی بماند.

به همین دلیل, محتوای آستنیت حفظ شده باید با استفاده از روش‌های مشخصه فازی مناسب اندازه‌گیری شود, مانند پراش اشعه ایکس, به جای استنباط صرفاً از برنامه عملیات حرارتی.

پالایش و توزیع یکنواخت کاربیدهای ثانویه

بارش کاربید ثانویه می تواند ماتریس را تقویت کرده و مقاومت در برابر تغییر شکل موضعی را بهبود بخشد.

یکی از جهت‌های توسعه پیشنهادی، اعتدال با دمای متغیر است, از جمله خنک کننده کنترل شده یا گرادیان, برای ارتقای پالایش کاربید ثانویه به اندازه های زیر 100 NM.

این یک هدف ریزساختاری پیشرفته به جای یک نتیجه معمول از عملیات حرارتی معمولی است.

دستیابی و تأیید چنین توزیع کاربید ریز مستلزم کنترل دقیق شیمی آلیاژ است, سینتیک بارش, و تاریخچه حرارتی.

روش پیشنهادی دیگر، معرفی همزن الکترومغناطیسی در مرحله آستنیته کردن برای ترویج انحلال جزئی در لبه‌های کاربیدهای اولیه Cr7C3 است..

گزارش مطالعه ارائه شده الف 30% کاهش اندازه کاربید اولیه از طریق این روش, همراه با بهبود تداوم ماتریس.

هدف مهندسی کاهش ویژگی های کاربید درشت و بهبود تداوم ماتریس نگهدارنده بدون انحلال بیش از حد فاز اولیه مقاوم در برابر سایش است..

3.4 محاسبات اصول اول برای طراحی آلیاژ

توسعه آلیاژهای سنتی اغلب بر ذوب مکرر متکی است, ریخته گری, عملیات حرارتی, و تست عملکرد.

اگرچه این رویکرد تجربی ضروری است, هنگامی که چندین عنصر آلیاژی و تبدیل فاز پیچیده درگیر می شوند، می تواند زمان بر باشد.

محاسبات اصول اول, بر اساس مکانیک کوانتومی و نظریه ساختار الکترونیکی, یک روش مکمل برای بررسی رفتار عناصر آلیاژی در مقیاس اتمی ارائه می کند.

بر خلاف رویکردهای تجربی که به شدت به پارامترهای تجربی برازش شده بستگی دارد, روش‌های اصول اول می‌توانند بینشی در مورد برهمکنش‌های اتمی ارائه دهند, ثبات فاز, رفتار بین سطحی, و ساختار الکترونیکی.

برای چدن با کروم بالا, این رویکرد چندین مزیت بالقوه تحقیقاتی را ارائه می دهد.

• تجزیه و تحلیل مکانیسم در مقیاس اتمی: فعل و انفعالات اتمی و تکامل ساختار الکترونیکی عناصر آلیاژی مانند Ti و Cu را با ماتریس یا کاربیدها آشکار می کند., روشن کردن اثرات آنها بر پایداری و عملکرد ریزساختاری.
• پیش بینی تبدیل فاز و مکانیسم های بارش: شبیه سازی تبدیل آستنیت به مارتنزیت و بارش کاربید ثانویه در شرایط مختلف, ارائه یک مبنای نظری برای بهینه سازی عملیات حرارتی.
• افشای مکانیسم های خوردگی-ساییدگی میکروسکوپی: قدرت رابط را تجزیه و تحلیل می کند, مسیرهای انتشار, و مکانیسم های تشکیل محصول خوردگی در سطح اتمی, روشن کردن ماهیت چگونگی بهبود عملکرد عناصر.
• تکمیل محدودیت های تجربی: محدودیت های تجربی در تکامل ساختاری در مقیاس اتمی و رفتار الکترونیکی را تکمیل می کند, ارائه راهنمایی کلیدی برای طراحی آزمایشی و تأیید مکانیسم.

مطالعات اخیر نشان داده است که در HCCI:

• از هسته سازی کاربید را تقویت می کند و ریزساختار را اصلاح می کند.
• مس تقویت محلول جامد را فراهم می کند و پتانسیل الکترود و پایداری فیلم غیرفعال را بهبود می بخشد.

همراه با تحقیقات تجربی, طراحی دقیق ریزساختار و خواص HCCI در سطح اتمی در آینده انتظار می‌رود.

با تنظیم رفتار اتمی عناصر کلیدی, مواد با کارایی بالا با مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی را می توان توسعه داد, ارائه مبانی نظری و ابزار طراحی برای کاربردهای در شرایط شدید.

3.5 فن آوری های پیشرفته اصلاح سطح

حتی زمانی که مواد فله مقاومت در برابر سایش عالی دارند, سطح ممکن است در برابر شرایط سایش خوردگی شدید آسیب پذیر باقی بماند.

این امر به ویژه برای قطعاتی که در معرض دوغاب با سرعت بالا قرار دارند بسیار مهم است, فرسایش موضعی, حمله شیمیایی, و درجه حرارت بالا.

اصلاح سطح راهی برای بهبود عملکرد سطح کار بدون تغییر کل ترکیب اجزاء فراهم می کند.

دو فناوری معرف روکش لیزری و اسپری حرارتی هستند.

روکش لیزری

روکش لیزری از پرتو لیزر پرانرژی برای ذوب پودر آلیاژ یا سایر مواد تقویت کننده استفاده می کند در حالی که یک پیوند متالورژیکی با بستر ایجاد می کند..

مواد روکش معمولی عبارتند از:

• آلیاژهای مبتنی بر نیکل.
• آلیاژهای مبتنی بر کبالت.
• کاربید تنگستن (WC).
• کاربید تیتانیوم (تیک).
• پوشیدن دیگر- و سیستم های آلیاژی مقاوم در برابر خوردگی.

گرمایش سریع و انجماد مرتبط با روکش لیزری می تواند ریزساختار نسبتاً خوبی ایجاد کند.

بسته به سیستم مواد و شرایط فرآیند, پوشش ممکن است حاوی دانه های تصفیه شده باشد, کاربیدهای ریز, یا ساختارهای بی شکل محلی.

مزایای بالقوه آن عبارتند از:

• افزایش سختی سطح.
• مقاومت در برابر سایش و فرسایش بهبود یافته است.
• مقاومت در برابر خوردگی بهتر از طریق پوشش شیمیایی مناسب.
• پیوند متالورژیکی قوی با بستر.
• تقویت موضعی مناطق با سایش بالا.

هر چند, روکش لیزری نیاز به کنترل دقیق توان لیزر دارد, سرعت اسکن, نرخ تغذیه پودر, همپوشانی, و شرایط خنک کننده.

گرمای بیش از حد می تواند باعث رقیق شود, انحلال کاربید, اعوجاج حرارتی, و استرس باقیمانده. گرمای ورودی ناکافی ممکن است منجر به همجوشی ناقص یا اتصال ضعیف شود.

برای چدن با کروم بالا, ترکیب پوشش و سازگاری حرارتی بسیار مهم است زیرا محتوای کربن و کروم بالای بستر می تواند بر رفتار انجماد و حساسیت به ترک تأثیر بگذارد..

اسپری اکسی سوخت و پلاسما با سرعت بالا

پاشش حرارتی مسیر دیگری را برای رسوب گذاری لایه های سطحی مقاوم در برابر سایش و مقاوم در برابر خوردگی فراهم می کند.

دو فرآیند پرکاربرد هستند:

• اکسی سوخت با سرعت بالا (HVOF) اسپری: ذرات پودر گرم شده را با سرعت بالا به سمت زیرلایه تسریع می کند, تولید پوشش های متراکم با تخلخل نسبتا کم در صورت کنترل مناسب.
• اسپری پلاسما: از جت پلاسما با دمای بالا برای گرم کردن و تسریع مواد پوشش استفاده می کند, آن را برای سرامیک و سایر مواد با نقطه ذوب بالا مناسب می کند.

در مقایسه با فرآیندهای سطحی مبتنی بر همجوشی, پاشش حرارتی معمولاً گرمای کمتری را به بستر وارد می کند.

این می تواند اعوجاج حرارتی را کاهش دهد و ناحیه تحت تأثیر حرارت را محدود کند, که برای اجزای پیچیده و مواد حساس به ترک حرارتی مفید است.

سیستم های پوشش متداول شامل سرمت های مبتنی بر WC می باشد, پوشش های مبتنی بر کاربید کروم, و پوشش های سرامیکی انتخاب شده است.

انتخاب فرآیند به هندسه اجزا بستگی دارد, ضخامت پوشش, وضعیت بستر, دمای عملیاتی, و اهمیت نسبی مقاومت در برابر خوردگی و سایش.

پوششی با عملکرد عالی در برابر سایش خشک ممکن است لزوماً بهترین محافظت را در دوغاب خورنده ارائه نکند.. تخلخل, عیوب پوشش, و پیوند سطحی همه باید در نظر گرفته شود.

بهینه سازی ریزساختار سطحی و حالت تنش

عملیات سطحی می تواند به کنترل ریزساختاری دست یابد و تنش های پسماند مفیدی را معرفی کند, افزایش بیشتر عملکرد سطح.

• مکانیسم های تکامل ریزساختاری: در هنگام روکش لیزری یا انجماد سریع, دانه های بسیار ریز, نانو کریستال ها, یا ساختارهای آمورف موضعی می توانند تشکیل شوند,
  القای دررفتگی با چگالی بالا, تبدیل مارتنزیتی, و تقویت فازهای کاربید, به طور موثر سختی و استحکام را بهبود می بخشد.
• کنترل استرس پسماند: تنش های حرارتی ایجاد شده توسط گرادیان های دمایی بالا و خنک شدن سریع می تواند میدان های تنش فشاری مطلوبی را بر روی سطح ایجاد کند., جلوگیری از شروع و انتشار ترک, و بهبود عمر خستگی و مقاومت در برابر ترک.

کنترل پذیری فرآیند و بهینه سازی عملکرد هم افزایی

با تنظیم متغیرهای کلیدی مانند توان لیزر, سرعت اسکن, نرخ تغذیه پودر, و پارامترهای سمپاشی, تاریخچه دما و نرخ انجماد سطح حوضچه مذاب را می توان دقیقاً کنترل کرد, دستیابی به بهینه سازی هم افزایی ریزساختار و عملکرد هدف.

اصلاح سطح, به عنوان وسیله ای موثر برای بهبود عملکرد سطح بالا HCCI, به طور گسترده ای در زمینه هایی مانند قالب تایید شده است, معادن, و اجزای سایش حرارتی.

انتظار می رود ادغام آینده با شبیه سازی محاسباتی و خصوصیات درجا به بهینه سازی یکپارچه سطح بالاتری از طراحی ساختار-ویژگی-فرآیند دست یابد..

3.6 تقویت کننده آلیاژی سخت برای مقاومت در برابر سایش در دمای بالا

HCCI خالص مستعد نرم شدن ماتریکس است, درشت شدن کاربید, و اکسیداسیون سطحی در دماهای بالا, مستقیماً باعث کاهش قابل توجه مقاومت در برابر سایش و خوردگی می شود و برآوردن الزامات خدمات در دمای بالا را دشوار می کند..

برای رسیدگی به این, فازهای تقویت کننده آلیاژ سخت را می توان معرفی کرد.

با استفاده از HCCI به عنوان ماتریس و معرفی آلیاژهای سخت مانند WC–Co یا TiC–Ni به عنوان فازهای تقویت کننده (این مواد نقطه ذوب بالایی دارند, سختی زیاد, و ثبات حرارتی عالی), عملکرد جامع در دمای بالا را می توان به طور موثر بهبود بخشید.

مکانیزم های تقویتی

• WC, تیک, و ZTA فازهای فوق سخت معمولی با مقاومت سایشی عالی هستند.
• شرکت و نیکل فازهای بایندر چقرمگی و مقاومت در برابر شوک حرارتی را فراهم می کنند, بهبود پایداری ساختاری و عمر مفید کامپوزیت تحت بارهای پیچیده حرارتی-مکانیکی.

HCCI پشتیبانی مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی عالی را برای کامپوزیت فراهم می کند, در حالی که آلیاژ سخت سختی سطح و مقاومت در برابر سایش در دمای بالا را افزایش می دهد, تشکیل یک سیستم کامپوزیتی "قوی-سخت" که محدودیت های عملکرد یک ماده واحد را می شکند.

اصول تقویت

• افزایش هم افزایی مقاومت در برابر سایش و خوردگی: افزودن آلیاژ سخت به طور قابل توجهی سختی سطح و پایداری الکتروشیمیایی را بهبود می بخشد.
  ذرات سخت و ماتریس ممکن است رابط های پایداری تشکیل دهند, و فازهای سخت مانند TiC ذاتاً در برابر اکسیداسیون و از نظر شیمیایی مقاوم در برابر خوردگی هستند., تشکیل یک فیلم غیرفعال متراکم تر و پایدارتر در هم افزایی با Cr, کاهش سرعت خوردگی.
• تضمین پایداری سازه: فاز تقویت کننده پراکنده در ماتریس یا روی سطح می تواند مانع برش ساینده شود و عمق سایش را کاهش دهد در حالی که سختی داغ و پایداری رابط را حفظ می کند., بهبود عملکرد خدمات تحت سایش حرارتی, خوردگی حرارتی, یا محیط های بار متناوب.

3.7 کامپوزیت های چدن با کروم بالا تقویت شده با سرامیک

تقویت سرامیکی یک جهت توسعه به خصوص جالب است زیرا سرامیک ها می توانند سختی و مقاومت در برابر سایش را فراتر از آنچه یک ماتریس فلزی معمولی می تواند به دست آورد ایجاد کند..

چدن با کروم بالا پشتیبانی ساختاری و ماتریس فلزی را تامین می کند, در حالی که ذرات یا درج های سرامیکی به عنوان فازهای موضعی مقاوم در برابر سایش عمل می کنند.

مواد سرامیکی رایج عبارتند از:

انتخاب سرامیک باید بر اساس شرایط واقعی ضربه ذرات باشد, دمای کار, محیط خورنده, بار مکانیکی, و هزینه ساخت.

رابط سرامیک فلزی: کلید عملکرد ترکیبی

ذرات سرامیکی در دماهای بالا با HCCI واکنش شیمیایی نمی دهند - آنها فقط پیوندهای مکانیکی تشکیل می دهند..

با آلیاژ کردن سطح ذرات سرامیکی, آنها را می توان به طور محکم در HCCI در هنگام ریختن جاسازی کرد.

این درمان به طور قابل توجهی استحکام پیوند بین ذرات سرامیکی و زمینه فلزی را بهبود می بخشد, به طور موثر از جدا شدن ذرات در حین سایش جلوگیری می کند و مقاومت به سایش کامپوزیت را افزایش می دهد.

در مقایسه با ماتریس فلزی با کروم بالا, ذرات سرامیکی به طور قابل توجهی بیرون زده است, و پیوند بین این دو محکم و بدون شکاف آشکار است.

در طول پوشیدن, ماتریس فلزی بین ذرات سرامیکی ترجیحاً فرسوده می شود, ایجاد شیارهای عمیق تر.

در مرحله بعدی سایش, ذرات سرامیکی به فاز اصلی باربر تبدیل می شوند, کاهش موثر سایش شدید برش روی ماتریس فلزی و ایجاد "اثر سایه" که از ماتریس محافظت می کند..

این اثر باعث می شود که حجم سایش ماتریس به تدریج کاهش یابد, بنابراین مقاومت سایشی کامپوزیت به طور قابل توجهی بیشتر از مواد ماتریس است, و کاهش حجم مطلق آن با افزایش فاصله سایش کاهش می یابد.

4. پایان

چدن با کروم بالا ماده ای با پتانسیل فوق العاده و به همان اندازه چالش های خارق العاده است.

سختی و مقاومت در برابر سایش آن در بسیاری از کاربردهای ساینده بی نظیر است, اما شکنندگی و حساسیت آن به هم افزایی خوردگی-سایشی عمر مفید آن را در محیط های تهاجمی محدود می کند..

بینش کلیدی حاصل از چندین دهه تحقیق و تجربه میدانی این است: شما نمی توانید با پرداختن به یک مکانیسم مشکل خوردگی سایش را حل کنید.

چرخه معیوب - جایی که خوردگی سطح را ضعیف می کند, سایش لایه غیرفعال را حذف می کند, و هر کدام دیگری را تسریع می‌کند - باید از طریق استراتژی‌های یکپارچه شکسته شود.

مسیرهای افزایشی که در این مقاله بررسی شده‌اند - پالایش کاربید و هم‌ترازی جهت‌دار, عملیات حرارتی دقیق, طراحی آلیاژ هدایت شده با اصول اول, تغییر سطح, تقویت آلیاژ سخت, و تقویت سرامیکی - هر کدام مزایای مشخصی دارند.

در عمل, مؤثرترین راه حل ها چندین مورد از این رویکردها را ترکیب می کنند.

منتظر, من معتقدم امیدوار کننده ترین جهت ها هستند:

• طراحی در مقیاس اتمی هدایت شده توسط محاسبات اصول اول برای بهینه سازی عناصر آلیاژی و رابط.
• مهندسی ریزساختار که کاربیدها را تصفیه و تراز می کند در حالی که ماتریس را برای چقرمگی و مقاومت در برابر خوردگی بهینه می کند.
• مهندسی سطح که لایه های کاربردی با سختی ایجاد می کند, مقاومت در برابر خوردگی, و تنش های پسماند مفید.
• معماری های ترکیبی که مقاومت سایشی فازهای سخت را با چقرمگی و مقاومت در برابر خوردگی ماتریس ترکیب می کند.

چدن با کروم بالا به عنوان یک ماده سنگ بنای معدن باقی خواهد ماند, قدرت, سیمان, و متالورژی برای آینده قابل پیش بینی.

اما عملکرد آن به طور فزاینده ای به آلیاژ تنها بستگی ندارد, اما بر دقت پردازش آن و هوشمندی طراحی ریزساختار آن.