Waarom hebben bepaalde staallegeringen hogere ontlaattemperaturen nodig om dezelfde hardheid te bereiken? Deze intrigerende vraag ligt aan de basis van het begrijpen van de hardingstransformatie die beïnvloed wordt door legeringselementen. Dit artikel onderzoekt de mechanismen achter hoe elementen als chroom, molybdeen en vanadium de afbraak van martensiet, carbidetransformatie en secundaire hardingsprocessen in staal beïnvloeden. Door in deze factoren te duiken, krijgen lezers inzicht in het optimaliseren van staaleigenschappen voor verschillende industriële toepassingen.
Effect van legeringselementen op ontlaten transformatie
In de feitelijke productie kunnen we over het algemeen enkele verschijnselen vinden, zoals:
Dit artikel geeft een diepgaande analyse van het onderwerp en we hopen dat je het met plezier leest.
Het ontbindingsproces martensiet in gelegeerd staal is in principe vergelijkbaar met die van koolstofstaal, maar de ontledingssnelheid verschilt aanzienlijk.
Experimenten hebben aangetoond dat de invloed van legeringselementen vooral significant is tijdens de laatste fasen van de afbraak van martensiet.
De redenen en wetten van legeringselementen die de afbraak van martensiet beïnvloeden kunnen ruwweg als volgt worden samengevat.
1. Tijdens de ontledingsfase van martensiet ondergaat de oververzadigde koolstof in martensiet desolvatatie, waardoor neerslag en aggregatie van carbidedeeltjes ontstaat, wat resulteert in een afname van de koolstofgehalte in de matrixfase α.
De rol van legeringselementen is voornamelijk het beïnvloeden van het afbraakproces van martensiet, de aggregatie en groeisnelheid van carbidedeeltjes en de diffusie van koolstof. Dit beïnvloedt op zijn beurt de afnamesnelheid van de koolstofconcentratie in fase α.
De mate van dit effect varieert afhankelijk van de sterkte van de bindingskracht tussen de legeringselementen en koolstof.
2. Niet-carbide vormende elementen (zoals Ni en Mn) hebben een vergelijkbare bindingskracht met koolstof als Fe en hebben daarom geen significant effect op de afbraak van martensiet.
Sterke carbidevormende elementen (zoals Cr, Mo, W, V, Ti, enz.) hebben een sterke bindingskracht met koolstof, wat de activeringsenergie van koolstof in martensiet verhoogt, de diffusie ervan belemmert en de afbraaksnelheid van martensiet vertraagt.
Niet-carbidevormende elementen zoals Si en CO kunnen oplossen in ε-FexC om het te stabiliseren en de aggregatiesnelheid van carbiden te vertragen, waardoor de afbraak van martensiet wordt vertraagd.
De volledige desolvatatietemperatuur van oververzadigde koolstof in martensiet tijdens het ontlaten van koolstofstaal is ongeveer 300 ℃. De toevoeging van legeringselementen kan de volledige desolvatatietemperatuur met 100-150 ℃ naar een hogere temperatuur verschuiven.
Met andere woorden, gelegeerd staal kan een bepaalde verzadigde koolstofconcentratie en fijne carbiden in fase α behouden, zelfs als deze bij een hogere temperatuur wordt getemperd, waardoor de hardheid en sterkte hoog blijven.
Legeringselementen die de vermindering van het koolstofgehalte in fase α en de groei van carbidedeeltjes voorkomen en de hoge hardheid en sterkte van stalen onderdelen, staan bekend als legeringselementen die de ontlaatweerstand of "terugslagweerstand" van staal verbeteren.
De transformatie van ingehouden austeniet in gelegeerd staal is vergelijkbaar met die van koolstofstaal, maar gelegeerde elementen kunnen de ontledingstemperatuur en snelheid van behouden austeniet beïnvloeden, wat het type en de aard van de transformatie kan veranderen.
Bij temperen onder de MS puntrestausteniet verandert in martensiet.
Als het MS-punt hoog is (>100 ℃), treedt het ontledingsproces van martensiet op, waarbij getemperd martensiet wordt gevormd.
Bij temperen boven het MS-punt, behouden austeniet kan drie transformaties ondergaan:
① Isotherme transformatie naar bainiet in de zone van bainietvorming;
② Isotherme transformatie naar perliet in de perlietformatiezone;
Het ontleedt niet tijdens het ontlaten, verwarmen en vasthouden maar verandert in martensiet tijdens het daaropvolgende afkoelproces, dat "secundair afschrikken" wordt genoemd.
Opmerking: Heeft punt ① betrekking op de secundaire afschriktheorie die wordt toegepast op het meervoudig ontlaten van hogesnelheidsstaal?
Niet-carbidevormende elementen zoals Cu, Ni, Co, Al, Si, enz. en koolstof vormen geen unieke soorten carbiden. Ze verbeteren echter wel de omzetting van ε-FexC naar θ-Fe3C en de omzetting van cementiet naar andere soorten speciale carbiden.
Tijdens het ontlaten van gelegeerd staal is er een herverdeling van legeringselementen tussen cementiet en fase α met toenemende ontlaattijd of temperatuur. Carbidevormende elementen blijven diffunderen in cementiet terwijl niet-carbidevormende elementen zich geleidelijk verrijken in fase α. Dit resulteert in stabielere carbiden die de oorspronkelijke onstabiele carbiden vervangen en veranderingen veroorzaken in de samenstelling en structuur van carbiden.
De mogelijke volgorde van carbidetransformatie tijdens het ontlaten van gelegeerd staal is: ε-carbide ( 500 ℃). Of er speciale carbiden gevormd kunnen worden in staal hangt af van de eigenschappen en de inhoud van de legeringselementen, het koolstof- of stikstofgehalte en de hardingstemperatuur en -tijd.
Gewoonlijk wordt cementiet tijdens het ontlaten van gelegeerd staal omgezet in stabiele speciale carbiden via metastabiele carbiden.
Bijvoorbeeld, na het blussen van hoge Cr hoog koolstofstaalHet carbidvervormingsproces tijdens het ontlaten is:
（Fe，Cr）3C→ (Fe，Cr）)3C+ (Cr,Fe)7C3→ (Cr,Fe)7C3+ (Cr，Fe）)23C6→ (Cr，Fe）)23C6
Speciale carbiden worden ook gevormd door deze twee mechanismen.
Er zijn twee soorten carbidetransformatieprocessen. De eerste is in-situ transformatie, waarbij carbidevormende elementen aanvankelijk verrijkt zijn in cementiet. Wanneer hun concentratie de oplosbaarheidslimiet van gelegeerd cementiet overschrijdt, reorganiseert het rooster van cementiet in een uniek carbide rooster. Een voorbeeld van dit type is de transformatie van (Fe, Cr) 3C naar (Cr, Fe) 7C3 in chroomarm staal. Het verhogen van de ontlaattemperatuur versnelt het carbidetransformatieproces.
Het tweede type is alleen nucleatie en groei, waarbij speciale carbiden direct uit fase α worden geprecipiteerd, samen met het oplossen van cementiet van de legering. Staalsoorten die carbidevormende elementen bevatten zoals V, Ti, Nb, Ta en staalsoorten met een hoog Cr-gehalte behoren tot dit type.
Bijvoorbeeld, 0,3% C, 2,1% V staal afgekoeld op 1250 ℃ precipiteert legering cementiet wanneer getemperd onder 500 ℃, ondanks de lage V-gehalte. Omdat V in vaste oplossing de continue ontleding van fase α sterk remt, slaat slechts ongeveer 40% koolstof neer in de vorm van cementiet en wordt de resterende 60% nog steeds vastgehouden in fase α.
Als de ontlaattemperatuur boven de 500 ℃ komt, wordt VC direct uit fase α neergeslagen. Bij verdere verhoging van de ontlaattemperatuur slaat een significante hoeveelheid VC neer en lost cementiet op. Bij 700 ℃ lossen alle cementieten op en zetten alle carbiden zich om in VC.
In de derde fase van het ontlaten wordt koolstofstaal zachter door de groei van cementietdeeltjes, zoals te zien is in Fig. 1.
Fig. 1 hardheidsverandering van laag en medium koolstofstaal getemperd bij 100-700 ℃ gedurende 1 uur
Als staal echter sterke carbidevormende elementen bevat zoals Mo, V, W, Ta, Nb en Ti, wordt de neiging tot verweking afgezwakt, wat resulteert in een verhoogde weerstand tegen verweking.
Als martensiet voldoende carbidevormende elementen bevat, slaan fijne speciale carbiden neer tijdens het ontlaten boven 500 ℃, waardoor het staal opnieuw hardt als gevolg van de verhoging van de ontlaattemperatuur en de verruwing van θ-carbiden. Dit fenomeen staat bekend als secundaire harding.
In sommige gevallen kan de hardheid van de secundaire hardingspiek hoger zijn dan die van het afschrikken.
Fig. 2 Effect van ontlaattemperatuur op martensiethardheid van laag koolstof molybdeenstaal
Fig. 2 toont het effect van molybdeengehalte op het secundaire uithardingseffect van koolstofarm (0,1%c) molybdeenstaal.
De intensiteit van het secundaire uithardingseffect neemt toe met het Mo-gehalte.
Vergelijkbare effecten worden waargenomen bij andere sterke carbidevormende elementen, zoals Ti, V, W, Nb, enz.
Een minder duidelijke secundaire hardingspiek wordt gezien wanneer het Cr-gehalte zeer hoog is (meer dan 12%).
Koolstofstaal ondergaat geen secundaire harding.
Waarnemingen met elektronenmicroscopen hebben bevestigd dat secundaire verharding wordt veroorzaakt door het neerslaan van verspreide en fijne speciale carbiden, zoals Mo2C, W2C, VC, TiC, NbC, enz.
Deze speciale carbiden slaan neer in de dislocatiezone, vaak in de vorm van zeer fijne naalden of vellen, met een kleine omvang, en onderhouden een coherente relatie met fase α.
Naarmate de hardingstemperatuur toeneemt, nemen het aantal en de grootte van de carbiden geleidelijk toe en wordt de roostervervorming met fase α intensiever totdat de hardheid zijn piek bereikt.
Naarmate het carbide groeit, neemt de dispersie af, wordt de coherente relatie vernietigd, verdwijnt de coherente vervorming en neemt de dislocatiedichtheid af naarmate de temperatuur blijft stijgen, wat leidt tot een snelle afname van de hardheid.
Het secundaire uithardingseffect van staal kan op de volgende manieren worden verbeterd:
Het gelegeerde staal met secundair hardingseffect kan worden geselecteerd om het werkstuk goed te laten functioneren in een hete toestand. Zolang de gebruikte temperatuur lager is dan de ontlaattemperatuur (de temperatuur die de secundaire hardingspiek produceert), kunnen de stalen onderdelen een hoge hardheid en sterkte behouden.
Wanneer gelegeerd staal wordt gehard bij hoge temperaturen, kan het speciale carbiden vormen met fijne deeltjes die een coherente relatie onderhouden met fase α. Hierdoor kan het staal een hoge koolstofoververzadiging van fase α behouden en het herstel en de herkristallisatie ervan aanzienlijk vertragen. Als gevolg daarvan blijft fase α in een sterk vervormde toestand met behoud van zijn hoge hardheid en sterkte, wat leidt tot een hoge ontlaatstabiliteit.
Veel gebruikte legeringselementen in gelegeerd staal zoals Mo, W, Ti, V, Cr, Si, enz. kunnen de eliminatie van verschillende vervormingen tijdens het ontlaten belemmeren. Ze vertragen over het algemeen het herstel en de herkristallisatie van fase α (verhogen de herkristallisatietemperatuur), evenals het aggregatie- en groeiproces van carbiden, wat helpt om de ontlaatstabiliteit van staal te verbeteren.
Het vertragende effect van legeringselementen wordt versterkt naarmate hun gehalte in het staal toeneemt.
Wanneer meerdere legeringselementen tegelijkertijd aan het staal worden toegevoegd, wordt de interactie tussen deze elementen versterkt.
Gelegeerd staal vertoont een hoge ontlaatstabiliteit en behoudt zijn hoge hardheid en sterkte zelfs bij hogere temperaturen. Dit maakt het geschikt voor gereedschapsstaal zoals spaanmessen en warmwerkmatrijzen, die een rode hardheid en thermische sterkte vereisen.
Dit artikel bespreekt vijf factoren die de hardingstransformatie van legeringselementen kunnen beïnvloeden. Ik denk dat je na het lezen waardevolle inzichten en inspiratie hebt opgedaan.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
PT 
PT_BR 
RU 
KO