La base para la predicción de la profundidad de la capa carburizada es la segunda ley de Fick: utilizando el coeficiente de difusión que cambia con la temperatura y el contenido de carbono, combinado con las condiciones límite de transferencia de carbono en la superficie, la distribución de la concentración de carbono se calcula tiempo por tiempo. La simulación fuera de línea se utiliza para diseñar y optimizar el proceso; el cálculo de difusión en línea introduce la temperatura en tiempo real y el potencial de carbono en el modelo para estimar dinámicamente la profundidad actual de la capa y el carbono de la superficie, y puede terminar automáticamente la cementación cuando se alcanza el objetivo. El modelo debe calibrarse con datos medidos reales para guiar de manera confiable la producción.
- Modelo básico: segunda ley de Fick + condiciones de límite de transferencia de carbono
- Simulación sin conexión: proceso de diseño, acorta la prueba y el error
- Cálculo en línea: use la temperatura en tiempo real y el potencial de carbono para estimar la profundidad actual de la capa
- Entrada: composición del material, curva de temperatura, curva de potencial de carbono, tipo de atmósfera
- Debe calibrarse con mediciones metalográficas/de dureza
¿Por qué necesitas un modelo?
Los procesos tradicionales de cementación se basan principalmente en tablas y muestras de experiencia. El problema es:
- En la producción real, la temperatura y el potencial de carbono no son pasos ideales. La apertura de la puerta, la calefacción y la recuperación afectarán los resultados;
- Se requieren pruebas repetidas al cambiar los materiales y los requisitos de profundidad de la capa;
- No hay forma de saber “qué tan profundo ha penetrado ahora” durante el proceso.
Los modelos de difusión pueden cuantificar estos factores.
Modelo básico
La difusión del carbono en la austenita sigue la segunda ley de Fick:
∂C/∂t = ∂/∂x (D(C, T)) · ∂C/∂x)
- D es el coeficiente de difusión, que aumenta exponencialmente con la temperatura y también cambia con el contenido de carbono;
- Condición límite de la superficie: flujo de carbono = β × (CP) − C_superficie), β es el coeficiente de transferencia de carbono;
- Condiciones iniciales: contenido de carbono de la matriz.
Después de la solución numérica, se obtiene la curva de concentración de carbono-profundidad en cada memento, y luego se combina con la templabilidad del material para estimar la distribución de dureza y la profundidad efectiva de la capa endurecida.
Simulación sin conexión vs cálculo en línea
| Dimensiones | Simulación sin conexión | Cálculo de difusión en línea |
|---|---|---|
| entrar | Temperatura planificada, potencial de carbono y tiempo | La temperatura y el potencial de carbono recogidos por el controlador en tiempo real |
| uso | Diseño de procesos, optimización, formación | Monitorización de procesos, final dinámico, grabación de calidad |
| oportunidad | Antes de la producción | En producción |
| valor | Reducir el ensayo y el error | Compensar las perturbaciones del proceso y mejorar la consistencia |
El sitio web oficial de Gosi Controls CARBMATETM-18 presenta el cálculo de concentración de carbono en profundidad de capa en línea y las funciones de simulación fuera de línea del proceso de cementación; el centro de productos también enumera el software de "difusión en línea" y "simulación de cementación" por separado.
Lista de entrada del modelo
- Composición química del material (para correcciones del coeficiente de difusión y de la aleación);
- Contenido inicial de carbono;
- curva de temperatura (incluido el calentamiento, la temperatura media y el enfriamiento);
- Curva de potencial de carbono (penetración fuerte, difusión);
- Tipo de atmósfera (afecta al coeficiente de transferencia de carbono);
- Objetivo: carbono superficial, criterios de profundidad de capa (por ejemplo, 0,35% C o 550 HV).
Calibración y verificación
Los modelos no son "correcto fuera de la caja":
- Comparar la salida del modelo con los resultados medidos de la metalografía y el gradiente de dureza de las piezas típicas;
- Ajustar parámetros como el coeficiente de transferencia de carbono y el factor de aleación;
- Verificación separada de los diferentes tipos de hornos y capacidades de carga del horno;
- Vuelva a verificar periódicamente, especialmente después de cambiar las fuentes de atmósfera o reacondicionar el horno.
Valor de la aplicación
- Se acorta el ciclo de desarrollo del proceso de piezas nuevas;
- Ajustar dinámicamente el tiempo de difusión de acuerdo con el proceso real para reducir las fluctuaciones de profundidad de la capa;
- Genere registros de curvas de concentración de carbono para cada horno para respaldar la trazabilidad y la revisión del cliente.
Preguntas frecuentes
¿Pueden los resultados de la simulación reemplazar la inspección metalográfica?
no puede. La simulación se utiliza para la predicción y el control, pero la calidad final todavía requiere inspección metalográfica y de dureza según las especificaciones. Pero un buen modelo puede reducir la frecuencia de inspección y el retrabajo.
¿Los cálculos en línea requieren sensores adicionales?
Por lo general, no es necesario, solo use los datos de temperatura y potencial de carbono existentes del sistema de control, pero la calidad de los datos determina directamente la precisión del cálculo.
¿Se puede usar el mismo modelo para piezas de gran sección?
El modelo de difusión es adecuado, pero las piezas de gran sección se calientan lentamente y tienen una gran diferencia de temperatura entre la superficie y el núcleo, por lo que la temperatura real de la pieza (o la medición real mediante un termopar) debe usarse como entrada.