تحليل الصلابة غير الكافية في الأسطوانات الهيدروليكية المصنوعة من الصلب 20CrMo

1. مقدمة

تناقش هذه المقالة تأثير تركيز الكربون السطحي على خواص المعالجة الحرارية للفولاذ 20CrMo.

ولضمان محتوى الكربون المطلوب في جو الفرن طوال عملية الكربنة وتركيز الكربون السطحي المطلوب لقطعة العمل بعد الكربنة، يجب تنظيم تركيز الكربون في عملية الكربنة بدقة. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يساعد تحسين عملية التبريد على تحقيق صلابة تبريد أفضل، مما يؤدي إلى مقاومة جيدة للتآكل.

الفولاذ 20CrMo عبارة عن فولاذ هيكلي كربوني منخفض السبائك يستخدم على نطاق واسع في إنتاج مجموعة متنوعة من قطع العمل، مثل التروس والأعمدة والمثبتات عالية القوة. على سبيل المثال، في إنتاج الشركة، يتم استخدام هذه المادة في بناء الأسطوانة الهيدروليكية للكسارة الهيدروليكية في آلات البناء.

من أجل أن تلبي الأسطوانة الهيدروليكية الصلابة العالية المطلوبة ومقاومة التآكل بعد المعالجة الحرارية بالكربنة، بالإضافة إلى اللدونة والمتانة الجيدة (أي الخصائص الميكانيكية الشاملة الممتازة)، كان من الضروري إجراء بحث مستهدف.

ومع ذلك، أثناء الإنتاج الأولي للأسطوانة الهيدروليكية، كانت صلابة سطح قطعة العمل منخفضة، واستمرت هذه المشكلة على الرغم من الجهود المبذولة لتصحيحها من خلال تعديل ظروف العملية. ونتيجة لذلك، تم إجراء دراسة مركزة على قطعة العمل.

2. عملية المعالجة الحرارية والمتطلبات التقنية ومشاكل الأسطوانة الهيدروليكية

يحتوي هذا النوع من الأسطوانات الهيدروليكية على حجم كبير، حيث يبلغ وزن الوحدة 365 كجم تقريبًا وسمكها الفعال 150-200 مم.

يرجى الرجوع إلى الشكل 1 للحصول على تمثيل مرئي لقطعة العمل الفعلية.

بعد الخضوع للمعالجة الحرارية والكربنة والتبريد، يجب أن يكون لقطعة الشغل عمق طبقة كربنة يتراوح بين 1.0 و1.4 مم وصلابة إجمالية تتراوح بين 58-62HRC.

يُرجى الرجوع إلى الجدول 1 للاطلاع على مواصفات التركيب الكيميائي للفولاذ 20CrMo في سبائك الفولاذ الهيكلي GB/T 3077-1999.

الجدول 1 التركيب الكيميائي للصلب 20CrMo (جزء الكتلة) (%)

يتم استخدام طرق معالجة مختلفة للمعالجة أثناء الإنتاج الفعلي. ومع ذلك، تشير النتائج إلى أن صلابة السطح أقل من 50HRC، مما يجعلها غير مؤهلة. لا يمكن أن يفي ضبط درجة حرارة الكربنة وزيادة درجة حرارة التبريد بالمتطلبات الفنية.

للحصول على تفاصيل محددة بشأن عملية المعالجة الحرارية، يرجى الرجوع إلى الجدول 2.

الجدول 2 عملية المعالجة الحرارية

3. تحليل سبب انخفاض صلابة سطح الأسطوانة الهيدروليكية

(1) درجة حرارة الكربنة

تُعد درجة حرارة الكربنة معلمة تكنولوجية حاسمة في عملية الكربنة، وتؤثر بشكل كبير على قدرة الأوستينيت لإذابة الكربون.

مع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد قابلية ذوبان الكربون في الأوستينيت يزيد أيضًا.

وفقًا لمخطط طور الحديد والكربون، فإن قابلية ذوبان الكربون المشبعة في الأوستينيت 1.0% عند 850 ℃ و1.25% عند 930 ℃.

تؤثر دقة درجة حرارة الكربنة تأثيرًا مباشرًا على جودة التبريد لقطعة الشغل.

بعد إجراء كشف درجة حرارة المعدات من 9 نقاط، لم نجد أي انحراف في درجة الحرارة، ودرجة حرارة الفرن طبيعية، ولا يوجد فرق كبير في درجة الحرارة.

لذلك، يمكننا استبعاد تأثير درجة الحرارة على صلابة سطح قطعة العمل.

(2) تأثير تركيز الكربون

أثناء تنفيذ العملية، يتم استخدام كتلة اختبار فرن بقياس 25 مم × 25 مم لكل رقم عملية.

نتائج اختبار صلابة كتلة الاختبار أفضل من نتائج اختبار صلابة جسم قطعة العمل.

يُرجى الرجوع إلى الجدول 3 للاطلاع على نتائج اختبار الصلابة لكتلة الاختبار المكربنة التي تم تنفيذها وفقًا للعملية 3، في كل من الوجه النهائي والاتجاه الطولي لقطعة الشُّغْلَة.

الجدول 3 نتائج اختبار صلابة قطعة العمل (HRC)

وفقًا لطريقة الصلابة المحددة في GB/T 9450-2005 لتحديد عمق طبقة الصلابة الفعالة لطبقة الكربنة والتبريد للحديد والصلب والتحقق منها، يتم اختبار تدرج الصلابة لطبقة الكربنة على كتلة اختبار الفرن بعد عملية المعالجة الحرارية.

النتائج موضحة في الجدول 4.

الجدول 4 نتائج اختبار تدرج الصلابة لطبقة اختراق قطعة العمل

يتم فحص الطبقة المكربنة لكتلة الاختبار باستخدام طريقة التحليل المعدني للتحقق مما إذا كان تركيز الكربون يفي بالمواصفات المطلوبة.

يوضح الشكل 2 التركيب المعدني للطبقة السطحية والعمق الفعال للطبقة المتصلبة لقطعة العمل.

بعد مراقبة التركيب المعدني لطبقة الكربنة لكتلة الاختبار في الشكل 2، تبيّن أن الطبقة السطحية تتكون بشكل أساسي من إبر تشبه مارتينسايت والأوستنيت المتبقي. لم يتم اكتشاف أي تركيبة كربيد مهمة.

وعلاوة على ذلك، كشف الكشف عن عمق الطبقة المتصلبة الفعّالة عن أن كتلة الاختبار أظهرت ظاهرة "رأس لأعلى" واضحة بعد المعالجة بالكربنة. يشير ذلك إلى وجود جو أكسدة ملحوظ في الطبقة المكربنة، مما أدى إلى انخفاض صلابة السطح وزيادة صلابة الخطوة.

لفحص البنية المجهرية للطبقة المخترقة لكتلة اختبار قطعة العمل بشكل أفضل، تم تلدين كتلة الاختبار. صُلبت التلدين وتضمنت العملية تبريد كتلة الاختبار من 860 درجة مئوية × 30 دقيقة إلى 500 درجة مئوية باستخدام الفرن، متبوعًا بالتبريد بالهواء.

تم إعداد وفحص العينات المعدنية لمراقبة البنية المعدنية المتوازنة للأجزاء المكربنة من الفولاذ 20CrMo، كما هو موضح في الشكل 3.

استنادًا إلى ملاحظة التركيب المعدني عند التوازن في الشكل 3، فإن مورفولوجيا البنية المجهرية لطبقة الكربنة في الفولاذ منخفض الكربون بعد التبريد البطيء تختلف اختلافًا كبيرًا عن الفولاذ العادي منخفض الكربون. لا يمكن التمييز بوضوح وفعالية بين الطبقة فائقة التكتيل والطبقة سهلة الانصهار والطبقة الانتقالية في طبقة الكربنة.

يجب أن تشتمل البنية المجهرية للصلب منخفض الكربون بعد الكربنة والتبريد البطيء على طبقة سطحية من البرليت والأسمنتيت الصافي، وبنية سهلة الانصهار بالداخل، ومنطقة انتقالية من البنية تحت الانصهار، والبنية الأصلية.

أما بالنسبة لهيكل التوازن في الشكل 3، فإن شكله وهيكله أكثر تشابهًا مع هيكل التوازن الذي تم الحصول عليه بعد التلدين العادي للصلب متوسط الكربون العادي، والذي يحتوي على هيكل من البرليت والفريت الموزع بشكل موحد. لم يتم العثور على أي أسمنتيت واضح، مما يشير إلى أن إمكانات الكربون في جو الكربنة في الفرن غير كافية لضمان تركيز كربون كافٍ على سطح قطعة العمل.

ولذلك، للحصول على تركيز كربون كافٍ على سطح قطعة العمل وتشكيل تدرج فعال لتركيز الكربون، من الضروري زيادة إمكانات الكربون عندما تكون درجة حرارة الكربنة طبيعية.

4. تحسين أساليب العملية وشروطها

إن انتشار ذرات الكربون من السطح إلى المركز ضروري للكربنة وتحقيق عمق معين للطبقة المكربنة.

القوة الدافعة وراء الانتشار هي تدرج تركيز الكربون بين السطح واللب.

لتحسين تأثير الكربنة، من الضروري امتصاص ذرات الكربون المنشط في الوقت المحدد لضمان الدوران المنتظم لجو الفرن. وينبغي أن يتطابق معدل ذرات الكربون المقدمة (معدل التحلل) مع معدل الامتصاص لمنع عدم كفاية الإمداد وترسب الكربون.

من خلال تحليل روابط المعالجة الأصلية وكتل الاختبار، وجد أن الصلابة المنخفضة لقطعة العمل الفعلية ترجع في المقام الأول إلى انخفاض تركيز الكربون على سطح طبقة الكربنة بسبب عدم كفاية الغلاف الجوي في الفرن. وقد أدى ذلك إلى عدم فعالية المعالجة بالكربنة مما منع تكوين بنية طبقة كربنة مثالية وتحقيق صلابة كافية.

ولمعالجة ذلك، تم اتخاذ تدابير تصحيحية مستهدفة لإصلاح المعدات، واستبدال معدات مراقبة إمكانات الكربون، والتحقق من إحكام جسم الفرن، وإجراء معالجة تحديد الكربون على جو الفرن مرة أخرى لضمان اتساق ودقة جو الفرن.

بعد إعادة تقييم ظروف الفرن وإعادة ضبط الكربنة و عملية التبريد البارامترات، يمكن أن يستمر الإنتاج.

ارجع إلى الجدول 5 للاطلاع على عملية المعالجة الحرارية المعدلة.

الجدول 5 عملية المعالجة الحرارية المعدلة

يظهر الهيكل المعدني للطبقة المخترقة من كتلة الاختبار المعالجة بعملية المعالجة الحرارية المعدلة في الشكل 4.

يوضح الشكل 4 أن التركيب المعدني يتكون في المقام الأول من خفف ناعم مارتينسايتوكربيد ناعم الحبيبات، وكمية صغيرة من الأوستينيت المتبقي، والتي تتماشى مع الكربنة العادية وهيكل التبريد. وهذا يضمن صلابة السطح الفعالة وصلابة السطح الكلية لقطعة العمل التي تلبي النطاق المطلوب حسب الشروط الفنية.

للحصول على فهم أفضل للتغيرات في البنية المجهرية قبل وبعد تعديلات عملية المعالجة الحرارية المحددة، تخضع كتلة الاختبار للتلدين بنفس العملية.

تستلزم عملية التلدين تسخين الكتلة إلى 860 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة، ثم تبريدها إلى 500 درجة مئوية في الفرن، وأخيرًا تبريدها بالهواء.

تم إعداد عينات معدنية لمراقبة هيكل التوازن للأجزاء المكربنة من الصلب 20CrMo المكربن.

يوضح الشكل 5 الهيكل الملدن بعد المعالجة الحرارية لعملية التعديل.

يُظهر الشكل 5 بوضوح وجود البيرلايت والأسمنتيت الشبكي، وتبرز مقارنة بنية الطبقة السطحية في الشكل 3 الفرق بينهما.

يشبه الهيكل الموضح في الشكل 3 هيكل التوازن للصلب الكربوني المتوسط العادي بعد التلدين، مع محتوى الكربون (جزء الكتلة) حوالي 0.5%.

في المقابل، يعرض هيكل الاتزان في الشكل 5 هيكل البيرلايت + شبكة الأسمنتيت الذي ينتج عن التلدين الكربوني العادي.

يشير هذا التغيير في الهيكل إلى وجود مشكلة كبيرة في جو الفرن في ظل ظروف المعالجة الأصلية. ونتيجةً لذلك، فشلت ظروف الكربنة لقطع العمل في تلبية المتطلبات المحددة، مما تسبب في النهاية في عدم استيفاء قطع العمل للمتطلبات الفنية المحددة بعد المعالجة.

5. الخاتمة

1. يمكن استخدام هيكل التحول في الطور الصلب بطيء التبريد البطيء للصلب الهيكلي الكربوني منخفض السبائك بعد الكربنة والتبريد لتحديد محتوى الكربون في الطبقة النهائية المكربنة. وهذا بدوره يساعد على تحديد ما إذا كان جو الفرن يفي بالمعايير المطلوبة.
2. على الرغم من أن زيادة إمكانات الكربون يمكن أن تعزز من تأثير الكربنة إلى حد ما، إلا أن قابلية الذوبان المشبعة المحدودة للكربون في الأوستينيت تستلزم إعداد إمكانات الكربون المرنة بناءً على الظروف الفعلية لتجنب إمكانية ترسب الكربون.
3. ستؤثر دقة معدات المعالجة بالكربنة تأثيرًا مباشرًا على نتائج المعالجة الحرارية النهائية.