Analyse der unzureichenden Härte von Hydraulikzylindern aus 20CrMo-Stahl

1. Vorwort Dieser Artikel befasst sich mit den Auswirkungen der Oberflächenkohlenstoffkonzentration auf die Wärmebehandlungseigenschaften von 20CrMo-Stahl. Um den gewünschten Kohlenstoffgehalt in der Ofenatmosphäre während des gesamten Aufkohlungsprozesses und die erforderliche Oberflächenkohlenstoffkonzentration des Werkstücks nach der Aufkohlung zu gewährleisten, muss die Kohlenstoffkonzentration im Aufkohlungsprozess genauestens geregelt werden. [...]

Inhaltsverzeichnis

1. Vorwort

In diesem Artikel werden die Auswirkungen der Oberflächenkohlenstoffkonzentration auf die Wärmebehandlungseigenschaften von 20CrMo-Stahl erörtert.

Um den gewünschten Kohlenstoffgehalt in der Ofenatmosphäre während des gesamten Aufkohlungsprozesses und die erforderliche Oberflächenkohlenstoffkonzentration des Werkstücks nach der Aufkohlung zu gewährleisten, muss die Kohlenstoffkonzentration im Aufkohlungsprozess genauestens geregelt werden. Darüber hinaus kann die Optimierung des Abschreckprozesses dazu beitragen, eine bessere Abschreckhärte zu erreichen, was zu einer guten Verschleißfestigkeit führt.

20CrMo-Stahl ist ein niedrig legierter Kohlenstoffbaustahl, der in großem Umfang für die Herstellung einer Vielzahl von Werkstücken wie Zahnrädern, Wellen und hochfesten Verbindungselementen verwendet wird. In der Produktion eines Unternehmens wird dieses Material zum Beispiel für den Bau des Hydraulikzylinders eines Hydraulikbrechers in einer Baumaschine verwendet.

Damit der Hydraulikzylinder die geforderte hohe Härte und Verschleißfestigkeit nach der Aufkohlungswärmebehandlung sowie eine gute Plastizität und Zähigkeit (d. h. hervorragende umfassende mechanische Eigenschaften) aufweist, waren gezielte Untersuchungen erforderlich.

Bei der anfänglichen Produktion des Hydraulikzylinders war die Oberflächenhärte des Werkstücks jedoch gering, und dieses Problem blieb bestehen, obwohl versucht wurde, es durch Anpassung der Prozessbedingungen zu beheben. Daraufhin wurde eine gezielte Untersuchung des Werkstücks durchgeführt.

2. Wärmebehandlungsverfahren, technische Anforderungen und Probleme von Hydraulikzylindern

Dieser Hydraulikzylindertyp hat ein großes Volumen, ein Stückgewicht von ca. 365 kg und eine effektive Dicke von 150-200 mm.

Eine visuelle Darstellung des tatsächlichen Werkstücks finden Sie in Abbildung 1.

Abb. 1 Physikalisches Objekt eines Hydraulikzylinders

Nach der Wärmebehandlung, der Aufkohlung und dem Abschrecken sollte das Werkstück eine Aufkohlungstiefe von 1,0-1,4 mm und eine Gesamthärte von 58-62 HRC aufweisen.

Die chemische Zusammensetzung von 20CrMo-Stahl in GB/T 3077-1999 legiertem Baustahl ist in Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung von 20CrMo-Stahl (Massenanteil) (%)

CMnSiCrMoPS
0.17~0.240.4~0.70.17~0.370.80~1.100.15~0.25≤0.035≤0.035

Für die Behandlung während der eigentlichen Produktion werden verschiedene Verfahren eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Oberflächenhärte unter 50 HRC liegt und damit untauglich ist. Die Anpassung der Aufkohlungstemperatur und die Erhöhung der Abschreckungstemperatur können die technischen Anforderungen nicht erfüllen.

Nähere Angaben zum Wärmebehandlungsverfahren finden Sie in Tabelle 2.

Tabelle 2 Wärmebehandlungsverfahren

NEIN.ProzessparameterHärte der Werkstückoberfläche (HRC)
1Starke Permeabilität: 920 ℃ × 330min, Kohlenstoffpotenzial 1,1%;
Diffusion: 920 ℃ x130min, Kohlenstoffpotenzial 0,85%;
Abschreckisolierung: 830 ℃ × 30min, Kohlenstoffpotenzial 0,85%.
45~47
2Starke Permeabilität: 920 ℃ × 350min, Kohlenstoffpotential 1.1%;
Diffusion: 920 ℃ × 140min, Kohlenstoffpotenzial 0,9%;
Abschrecken und Wärmekonservierung: 840 ℃ x30min, Kohlenstoffpotenzial 0,9%.
46~47
3Starke Durchlässigkeit: 930 ℃ × 330min, Kohlenstoffpotenzial 1,2%;
Diffusion: 930 ℃ x 30min, Kohlenstoffpotenzial 0,9%;
Abschreckisolierung: 860 ℃ × 40 min, Kohlenstoffpotenzial 0,9%.
49~50
4Starke Penetration: 930 ℃ x450min, Kohlenstoffpotenzial 1,2%;
Diffusion: 930 ℃ × 250min, Kohlenstoffpotential 0,9%;
Abschrecken und Wärmekonservierung: 860 ℃ x30min, Kohlenstoffpotenzial 0,9%.
46~48

3. Ursachenanalyse der geringen Oberflächenhärte von Hydraulikzylindern

(1) Aufkohlungstemperatur

Die Aufkohlungstemperatur ist ein entscheidender technologischer Parameter im Aufkohlungsprozess und hat einen erheblichen Einfluss auf die Fähigkeit der Austenit um Kohlenstoff aufzulösen.

Mit steigender Temperatur nimmt die Löslichkeit von Kohlenstoff in Austenit nimmt ebenfalls zu.

Nach dem Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm ist die gesättigte Löslichkeit von Kohlenstoff in Austenit beträgt 1,0% bei 850℃ und 1,25% bei 930℃.

Die Genauigkeit der Aufkohlungstemperatur wirkt sich direkt auf die Qualität der Abschreckung des Werkstücks aus.

Nach der Durchführung einer 9-Punkte-Temperaturprüfung des Geräts haben wir keine Temperaturabweichung festgestellt, die Ofentemperatur ist normal, und es liegt kein signifikanter Temperaturunterschied vor.

Daher können wir den Einfluss der Temperatur auf die Oberflächenhärte des Werkstücks ausschließen.

(2) Auswirkung der Kohlenstoffkonzentration

Während der Prozessdurchführung wird für jede Prozessnummer ein 25mm x 25mm großer Ofenprüfstein verwendet.

Die Ergebnisse der Härteprüfung des Prüfblocks sind besser als die des Werkstückkörpers.

Die Härteprüfergebnisse des nach Verfahren 3 aufgekohlten Prüfblocks sind in Tabelle 3 aufgeführt, und zwar sowohl für die Stirnseite als auch für die Längsrichtung des Werkstücks.

Tabelle 3: Ergebnisse der Härteprüfung am Werkstück (HRC)

Oberfläche

Kern

Endfläche

59

60

58.5

59.6

20

21

Porträt

56.6

57.5

55.2

56

Gemäß dem in GB/T 9450-2005 festgelegten Härteverfahren zur Bestimmung und Überprüfung der effektiven Härteschichttiefe beim Aufkohlen und Abschrecken von Eisen und Stahl wird der Härtegradient der Aufkohlungsschicht nach dem Wärmebehandlungsprozess am Ofenprüfblock geprüft.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt.

Tabelle 4: Ergebnisse der Härtegradprüfung der Werkstückeindringschicht

Aufkohlungsschichttiefe / mmHärte HV1
0.1622.9
0.2747.7
0.3714.4
0.4720
0.5685.8
0.6662.7
0.7635.9
0.8635.9
0.9599.9
1568.8
1.1540

Die aufgekohlte Schicht des Prüfblocks wird mit der metallografischen Analysemethode untersucht, um festzustellen, ob die Kohlenstoffkonzentration den erforderlichen Spezifikationen entspricht.

Abbildung 2 zeigt den metallografischen Aufbau der Oberflächenschicht und die effektive Tiefe der gehärteten Schicht des Werkstücks.

Abb. 2 Metallographische Struktur der Permeationsschicht des Testblocks

Nach Betrachtung der metallographischen Struktur der aufgekohlten Schicht des Testblocks in Abb. 2 wurde festgestellt, dass die Oberflächenschicht hauptsächlich aus nadelartigen Martensit und Restaustenit. Es wurde keine signifikante Karbidzusammensetzung festgestellt.

Darüber hinaus ergab die Ermittlung der effektiven Härteschichttiefe, dass der Testblock nach der Aufkohlungsbehandlung ein deutliches "Kopf-oben"-Phänomen aufwies. Dies deutet darauf hin, dass in der aufgekohlten Schicht eine spürbare Oxidationsatmosphäre herrschte, die zu einer niedrigen Oberflächenhärte und einem Anstieg der Stufenhärte führte.

Um das Gefüge der infiltrierten Schicht des Werkstückprüfblocks besser untersuchen zu können, wurde der Prüfblock geglüht. Die Glühen wurde der Testblock im Ofen von 860 ℃ × 30min auf 500 ℃ abgekühlt und anschließend an der Luft gekühlt.

Es wurden metallografische Proben hergestellt und untersucht, um die metallografische Gleichgewichtsstruktur der aufgekohlten Teile aus 20CrMo-Stahl zu beobachten, wie in Abb. 3 dargestellt.

Abb. 3 Metallographisches Gefüge des Testblocks nach Glühen

Ausgehend von der Beobachtung der metallographischen Struktur im Gleichgewicht in Abb. 3 unterscheidet sich die Mikrostrukturmorphologie der Aufkohlungsschicht in kohlenstoffarmem Stahl nach langsamer Abkühlung erheblich von derjenigen in normalem kohlenstoffarmem Stahl. Die übereutektoide Schicht, die eutektoide Schicht und die Übergangsschicht in der Aufkohlungsschicht lassen sich nicht klar und deutlich unterscheiden.

Das Gefüge von Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt sollte nach dem Aufkohlen und langsamer Abkühlung eine Oberflächenschicht aus Perlit und Nettozementit, eine eutektoide Struktur im Inneren, eine Übergangszone mit untereutektoider Struktur und die ursprüngliche Struktur umfassen.

Das Gleichgewichtsgefüge in Abb. 3 ähnelt in Morphologie und Struktur eher dem Gleichgewichtsgefüge, das man nach dem Glühen von gewöhnlichem Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt erhält und das eine gleichmäßig verteilte Perlit- und Ferritstruktur aufweist. Es wird kein offensichtlicher Zementit gefunden, was darauf hinweist, dass das Kohlenstoffpotenzial der Aufkohlungsatmosphäre im Ofen nicht ausreicht, um eine ausreichende Kohlenstoffkonzentration auf der Werkstückoberfläche zu gewährleisten.

Um eine ausreichende Kohlenstoffkonzentration auf der Werkstückoberfläche zu erreichen und ein effektives Kohlenstoffkonzentrationsgefälle zu bilden, ist es daher notwendig, das Kohlenstoffpotenzial bei normaler Aufkohlungstemperatur zu erhöhen.

4. Verbesserung der Prozessmethoden und -bedingungen

Die Diffusion der Kohlenstoffatome von der Oberfläche zum Zentrum ist für die Aufkohlung und das Erreichen einer bestimmten Tiefe der aufgekohlten Schicht notwendig.

Die treibende Kraft hinter der Diffusion ist das Kohlenstoffkonzentrationsgefälle zwischen der Oberfläche und dem Kern.

Um die Aufkohlungswirkung zu verbessern, ist es entscheidend, dass die Aktivkohle rechtzeitig absorbiert wird, um eine gleichmäßige Zirkulation der Ofenatmosphäre zu gewährleisten. Die Rate der bereitgestellten Kohlenstoffatome (Zersetzungsrate) sollte mit der Absorptionsrate übereinstimmen, um eine unzureichende Versorgung und Kohlenstoffablagerung zu vermeiden.

Durch die Analyse der ursprünglichen Prozessverbindungen und Testblöcke wurde festgestellt, dass die geringe Härte des tatsächlichen Werkstücks in erster Linie auf die geringe Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche der Aufkohlungsschicht zurückzuführen war, die durch eine unzureichende Atmosphäre im Ofen verursacht wurde. Dies führte zu einer unwirksamen Aufkohlungsbehandlung, die die Bildung einer idealen Aufkohlungsschichtstruktur und das Erreichen einer ausreichenden Härte verhinderte.

Um dies zu beheben, wurden gezielte Nachbesserungsmaßnahmen ergriffen, um die Ausrüstung zu überholen, die Ausrüstung zur Überwachung des Kohlenstoffpotenzials zu ersetzen, die Dichtheit des Ofenkörpers zu überprüfen und die Kohlenstoffbestimmungsbehandlung der Ofenatmosphäre erneut durchzuführen, um die Gleichmäßigkeit und Genauigkeit der Ofenatmosphäre sicherzustellen.

Nach der Neubewertung der Ofenbedingungen und der Rückstellung der Aufkohlungs- und Abschreckungsprozess Parameter, kann die Produktion fortgesetzt werden.

Das angepasste Wärmebehandlungsverfahren ist Tabelle 5 zu entnehmen.

Tabelle 5: Angepasster Wärmebehandlungsprozess

NEIN.ProzessparameterHärte der Werkstückoberfläche (HRC)
1Starke Penetration: 930 ℃ x450min, Kohlenstoffpotenzial 1,3%;
Diffusion: 930 ℃ x 30min, Kohlenstoffpotenzial 1,0%;
Abschreckisolierung: 850 ℃ × 30min, Kohlenstoffpotenzial 1,0%;
Anlassen: 150 ℃ x240min
62.6, 623, 62.1, 62.4, 62.9, 62.8
2Starke Durchlässigkeit: 920 ℃ × 450 min, Kohlenstoffpotenzial 1,3%; 
Diffusion: 920 ℃ x30min, Kohlenstoffpotenzial 1,0%;
Abschrecken und Wärmekonservierung: 840 ℃ x30min, Kohlenstoffpotenzial 1,0%;
Anlassen: 180 ℃ x240min
59.4, 613, 60.1, 59.4, 60.9, 60.1

Das metallographische Gefüge der infiltrierten Schicht des mit dem angepassten Wärmebehandlungsverfahren behandelten Testblocks ist in Abb. 4 dargestellt.

Abb. 4 Metallographische Struktur der Permeationsschicht des Testblocks

Abbildung 4 zeigt, dass das metallographische Gefüge hauptsächlich aus fein angelassenen Martensitund eine geringe Menge Restaustenit, die dem normalen Aufkohlungs- und Abschreckungsgefüge entspricht. Dies gewährleistet eine wirksame Oberflächenhärte und eine Gesamtoberflächenhärte des Werkstücks, die dem von den technischen Bedingungen geforderten Bereich entspricht.

Um ein besseres Verständnis der Gefügeveränderungen vor und nach den spezifischen Einstellungen des Wärmebehandlungsprozesses zu erhalten, wird der Testblock mit demselben Verfahren geglüht.

Beim Glühen wird der Block 30 Minuten lang auf 860 ℃ erhitzt, im Ofen auf 500 ℃ abgekühlt und schließlich an der Luft abgekühlt.

Metallographische Proben wurden hergestellt, um die Gleichgewichtsstruktur von aufgekohlten Teilen aus 20CrMo-Stahl zu beobachten.

Abbildung 5 zeigt das geglühte Gefüge nach der Wärmebehandlung des Anpassungsprozesses.

Abb. 5 Metallografisches Gefüge des Testblocks nach dem Glühen

Abb. 5 zeigt deutlich das Vorhandensein von Perlit und netzartigem Zementit, und ein Vergleich der Oberflächenschichtstruktur in Abb. 3 verdeutlicht den Unterschied zwischen ihnen.

Das in Abb. 3 dargestellte Gefüge ähnelt dem Gleichgewichtsgefüge eines gewöhnlichen Stahls mit mittlerem Kohlenstoffgehalt nach dem Glühen, mit einem Kohlenstoffgehalt (Massenanteil) von etwa 0,5%.

Im Gegensatz dazu zeigt das Gleichgewichtsgefüge in Abb. 5 die Perlit- und Netzwerkzementitstruktur, die beim normalen Aufkohlungsglühen entsteht.

Diese Strukturveränderung deutet darauf hin, dass es unter den ursprünglichen Prozessbedingungen ein erhebliches Problem mit der Ofenatmosphäre gab. Infolgedessen entsprachen die Aufkohlungsbedingungen der Werkstücke nicht den festgelegten Anforderungen, was letztlich dazu führte, dass die Werkstücke nach der Prozessbehandlung nicht den festgelegten technischen Anforderungen entsprachen.

5. Schlussfolgerung

  1. Die Struktur der langsam abkühlenden Festphasenumwandlung von niedrig legiertem Kohlenstoffbaustahl nach dem Aufkohlen und Abschrecken kann zur Bestimmung des Kohlenstoffgehalts in der letzten aufgekohlten Schicht verwendet werden. Dies wiederum hilft bei der Feststellung, ob die Ofenatmosphäre den erforderlichen Normen entspricht.
  2. Obwohl eine Erhöhung des Kohlenstoffpotenzials die Aufkohlungswirkung bis zu einem gewissen Grad verstärken kann, erfordert die begrenzte gesättigte Löslichkeit von Kohlenstoff in Austenit eine flexible Einstellung des Kohlenstoffpotenzials auf der Grundlage der tatsächlichen Bedingungen, um die Möglichkeit von Kohlenstoffablagerungen zu vermeiden.
  3. Die Präzision der Aufkohlungsanlage wirkt sich direkt auf die endgültigen Wärmebehandlungsergebnisse aus.
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Shane
Autor

Shane

Gründerin von MachineMFG

Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.

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