Análisis de dureza insuficiente en cilindros hidráulicos de acero 20CrMo

1. Prefacio

Este artículo analiza el impacto de la concentración de carbono superficial en las propiedades del tratamiento térmico del acero 20CrMo.

Para garantizar el contenido de carbono deseado en la atmósfera del horno durante todo el proceso de cementación y la concentración de carbono superficial requerida de la pieza tras la cementación, la concentración de carbono en el proceso de cementación debe regularse meticulosamente. Además, la optimización del proceso de temple puede ayudar a obtener una mejor dureza de temple, lo que se traduce en una buena resistencia al desgaste.

El acero 20CrMo es un acero estructural al carbono de baja aleación muy utilizado en la producción de diversas piezas de trabajo, como engranajes, ejes y elementos de fijación de alta resistencia. Por ejemplo, en la producción de una empresa, este material se utiliza en la construcción del cilindro hidráulico de la trituradora hidráulica de la maquinaria de construcción.

Para que el cilindro hidráulico cumpliera los requisitos de alta dureza y resistencia al desgaste tras el tratamiento térmico de carburación, así como de buena plasticidad y tenacidad (es decir, excelentes propiedades mecánicas integrales), fue necesario realizar una investigación específica.

Sin embargo, durante la producción inicial del cilindro hidráulico, la dureza superficial de la pieza era baja, y este problema persistía a pesar de los esfuerzos por rectificarlo ajustando las condiciones del proceso. En consecuencia, se realizó un estudio específico de la pieza.

2. Proceso de tratamiento térmico, requisitos técnicos y problemas del cilindro hidráulico

Este tipo de cilindro hidráulico tiene un gran volumen, con un peso unitario de aproximadamente 365 kg y un grosor efectivo de 150-200 mm.

Consulte la figura 1 para ver una representación visual de la pieza real.

Fig. 1 Objeto físico de un cilindro hidráulico

Tras someterse al tratamiento térmico, la carburación y el enfriamiento, la pieza debe tener una profundidad de capa de carburación de 1,0-1,4 mm y una dureza global de 58-62HRC.

Consulte en la Tabla 1 las especificaciones de la composición química del acero 20CrMo en el acero estructural aleado GB/T 3077-1999.

Tabla 1 composición química del acero 20CrMo (fracción másica) (%)

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

Se utilizan varios métodos de tratamiento durante la producción real. Sin embargo, los resultados indican que la dureza de la superficie es inferior a 50HRC, por lo que no es apta. El ajuste de la temperatura de cementación y el aumento de la temperatura de enfriamiento no pueden cumplir los requisitos técnicos.

Para más detalles sobre el proceso de tratamiento térmico, véase el cuadro 2.

Tabla 2 proceso de tratamiento térmico

NO.Parámetros del procesoDureza de la superficie de la pieza (HRC)
1Permeabilidad fuerte: 920 ℃ × 330min, potencial de carbono 1,1%;
Difusión: 920 ℃ x130min, potencial de carbono 0,85%;
Aislamiento de enfriamiento: 830 ℃ × 30min, potencial de carbono 0,85%.
45~47
2Permeabilidad fuerte: 920 ℃ × 350min, potencial de carbono 1,1%;
Difusión: 920 ℃ × 140min, potencial de carbono 0,9%;
Enfriamiento y conservación térmica: 840 ℃ x30min, potencial de carbono 0,9%.
46~47
3Permeabilidad fuerte: 930 ℃ × 330min, potencial de carbono 1,2%;
Difusión: 930 ℃ x 30min, potencial de carbono 0,9%;
Aislamiento de enfriamiento: 860 ℃ × 40 min, potencial de carbono 0,9%.
49~50
4Penetración fuerte: 930 ℃ x450min, potencial de carbono 1,2%;
Difusión: 930 ℃ × 250min, potencial de carbono 0,9%;
Enfriamiento y conservación térmica: 860 ℃ x30min, potencial de carbono 0,9%.
46~48

3. Análisis de las causas de la baja dureza superficial del cilindro hidráulico

(1) Temperatura de cementación

La temperatura de cementación es un parámetro tecnológico crucial en el proceso de cementación, y afecta significativamente a la capacidad de austenita para disolver el carbono.

A medida que aumenta la temperatura, la solubilidad del carbono en austenita también aumenta.

Según el diagrama de fases hierro-carbono, la solubilidad saturada del carbono en austenita es de 1,0% a 850℃ y de 1,25% a 930℃.

La precisión de la temperatura de cementación afecta directamente a la calidad del temple de la pieza.

Tras realizar una detección de temperatura del equipo en 9 puntos, no hemos encontrado ninguna desviación en la temperatura, la temperatura del horno es normal y no existe ninguna diferencia de temperatura significativa.

Por lo tanto, podemos excluir la influencia de la temperatura en la dureza superficial de la pieza.

(2) Efecto de la concentración de carbono

Durante la ejecución del proceso, se utiliza un bloque de prueba del horno de 25 mm x 25 mm para cada número de proceso.

Los resultados del ensayo de dureza del bloque de prueba son mejores que los del cuerpo de la pieza.

En la tabla 3 se muestran los resultados del ensayo de dureza del bloque de prueba carburizado ejecutado según el proceso 3, tanto en la cara extrema como en la dirección longitudinal de la pieza.

Tabla 3 resultados del ensayo de dureza de la pieza (HRC)

Superficie

Núcleo

Cara final

59

60

58.5

59.6

20

21

Retrato

56.6

57.5

55.2

56

Según el método de dureza especificado en GB/T 9450-2005 para determinar y verificar la profundidad efectiva de la capa endurecida de carburación y temple de hierro y acero, el gradiente de dureza de la capa de carburación se comprueba en el bloque de prueba del horno después del proceso de tratamiento térmico.

Los resultados se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4 resultados del ensayo de gradiente de dureza de la capa de penetración de la pieza

Profundidad de la capa de carburación / mmDureza 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

La capa carburada del bloque de prueba se examina mediante el método de análisis metalográfico para verificar si la concentración de carbono cumple las especificaciones exigidas.

La figura 2 ilustra la estructura metalográfica de la capa superficial y la profundidad efectiva de la capa endurecida de la pieza.

Fig. 2 Estructura metalográfica de la capa de permeación del bloque de ensayo

Tras observar la estructura metalográfica de la capa carburada del bloque de prueba en la Fig. 2, se comprobó que la capa superficial se compone principalmente de capas en forma de aguja martensita y austenita residual. No se detectó ninguna composición significativa de carburo.

Además, la detección de la profundidad efectiva de la capa endurecida reveló que el bloque de prueba mostraba un claro fenómeno de "cabeza arriba" tras el tratamiento de carburación. Esto sugiere que había una notable atmósfera de oxidación en la capa carburizada, lo que daba lugar a una baja dureza superficial y a un aumento de la dureza de paso.

Para examinar mejor la microestructura de la capa infiltrada del bloque de prueba de la pieza, se recoció el bloque de prueba. La página recocido proceso consistió en enfriar el bloque de prueba de 860 ℃ × 30min a 500 ℃ utilizando el horno, seguido de un enfriamiento por aire.

Se prepararon y examinaron muestras metalográficas para observar la estructura metalográfica de equilibrio de las piezas carburizadas de acero 20CrMo, como se muestra en la Fig. 3.

Fig. 3 Estructura metalográfica del bloque de ensayo después de Recocido

Basándose en la observación de la estructura metalográfica en equilibrio en la Fig. 3, la morfología de la microestructura de la capa de carburación en el acero bajo en carbono después del enfriamiento lento es significativamente diferente de la del acero normal bajo en carbono. La capa hipereutectoide, la capa eutectoide y la capa de transición en la capa de cementación no pueden distinguirse clara y eficazmente.

La microestructura del acero bajo en carbono después de la cementación y el enfriamiento lento debe comprender una capa superficial de perlita y cementita neta, una estructura eutectoide en el interior, una zona de transición de estructura subeutectoide y la estructura original.

En cuanto a la estructura de equilibrio de la Fig. 3, su morfología y estructura se asemejan más a la estructura de equilibrio obtenida tras el recocido del acero ordinario de medio carbono, que presenta una estructura de perlita y ferrita uniformemente distribuida. No se encuentra cementita evidente, lo que indica que el potencial de carbono de la atmósfera de cementación en el horno es insuficiente para garantizar una concentración suficiente de carbono en la superficie de la pieza.

Por lo tanto, para obtener una concentración adecuada de carbono en la superficie de la pieza y formar un gradiente efectivo de concentración de carbono, es necesario aumentar el potencial de carbono cuando la temperatura de cementación es normal.

4. Mejora de los métodos y condiciones del proceso

La difusión de átomos de carbono desde la superficie hacia el centro es necesaria para la cementación y para lograr una cierta profundidad de la capa cementada.

La fuerza motriz de la difusión es el gradiente de concentración de carbono entre la superficie y el núcleo.

Para mejorar el efecto de cementación, es crucial absorber a tiempo los átomos de carbono activado para garantizar la circulación uniforme de la atmósfera del horno. La tasa de átomos de carbono suministrados (tasa de descomposición) debe coincidir con la tasa de absorción para evitar un suministro insuficiente y la deposición de carbono.

Mediante el análisis de los eslabones originales del proceso y los bloques de prueba, se descubrió que la baja dureza de la pieza real se debía principalmente a la baja concentración de carbono en la superficie de la capa de carburación causada por una atmósfera insuficiente en el horno. El resultado era un tratamiento de cementación ineficaz, que impedía la formación de una estructura ideal de la capa de cementación y el logro de una dureza suficiente.

Para solucionarlo, se tomaron medidas de rectificación específicas para revisar el equipo, sustituir el equipo de control del potencial de carbono, verificar la estanqueidad del cuerpo del horno y volver a realizar el tratamiento de determinación de carbono en la atmósfera del horno para garantizar la uniformidad y precisión de la atmósfera del horno.

Tras reevaluar las condiciones del horno y reajustar los parámetros de cementación y proceso de enfriamiento la producción puede continuar.

Consulte en la Tabla 5 el proceso de tratamiento térmico ajustado.

Tabla 5 proceso de tratamiento térmico ajustado

NO.Parámetros del procesoDureza de la superficie de la pieza (HRC)
1Penetración fuerte: 930 ℃ x450min, potencial de carbono 1,3%;
Difusión: 930 ℃ x 30min, potencial de carbono 1,0%;
Aislamiento de enfriamiento: 850 ℃ × 30min, potencial de carbono 1,0%;
Templado: 150 ℃ x240min
62.6, 623, 62.1, 62.4, 62.9, 62.8
2Permeabilidad fuerte: 920 ℃ × 450 min, potencial de carbono 1,3%; 
Difusión: 920 ℃ x30min, potencial de carbono 1,0%;
Enfriamiento y conservación térmica: 840 ℃ x30min, potencial de carbono 1,0%;
Templado: 180 ℃ x240min
59.4, 613, 60.1, 59.4, 60.9, 60.1

La estructura metalográfica de la capa infiltrada del bloque de prueba tratado mediante el proceso de tratamiento térmico ajustado se muestra en la Fig. 4.

Fig. 4 Estructura metalográfica de la capa de permeación del bloque de ensayo

La figura 4 ilustra que la estructura metalográfica consiste principalmente en temple fino martensitaEl carburo de tungsteno, de grano fino, y una pequeña cantidad de austenita residual, que se alinea con la estructura normal de carburación y temple. Esto garantiza una dureza superficial efectiva y una dureza superficial global de la pieza que cumple el rango requerido por las condiciones técnicas.

Para comprender mejor los cambios de microestructura antes y después de los ajustes específicos del proceso de tratamiento térmico, el bloque de prueba se somete a recocido con el mismo proceso.

El proceso de recocido implica calentar el bloque a 860 ℃ durante 30 minutos, enfriarlo a 500 ℃ en el horno y, por último, enfriarlo al aire.

Se prepararon muestras metalográficas para observar la estructura de equilibrio de las piezas carburizadas de acero 20CrMo.

La figura 5 muestra la estructura recocida tras el tratamiento térmico del proceso de ajuste.

Fig. 5 Estructura metalográfica del bloque de prueba tras el recocido

La Fig. 5 muestra claramente la presencia de perlita y cementita reticulada, y la comparación de la estructura de la capa superficial en la Fig. 3 pone de manifiesto la diferencia entre ambas.

La estructura representada en la Fig. 3 se asemeja a la estructura de equilibrio del acero al carbono medio ordinario después del recocido, con un contenido en carbono (fracción de masa) de alrededor de 0,5%.

Por el contrario, la estructura de equilibrio de la Fig. 5 muestra la estructura de perlita + cementita en red que resulta del recocido de cementación normal.

Este cambio en la estructura sugiere que había un problema importante con la atmósfera del horno en las condiciones originales del proceso. Como resultado, las condiciones de cementación de las piezas no cumplieron los requisitos establecidos, lo que provocó que las piezas no cumplieran los requisitos técnicos especificados tras el tratamiento.

5. Conclusión

  1. La estructura de transformación en fase sólida de enfriamiento lento del acero estructural de baja aleación al carbono tras el carburizado y el temple puede utilizarse para determinar el contenido de carbono en la capa carburizada final. Esto, a su vez, ayuda a determinar si la atmósfera del horno cumple las normas requeridas.
  2. Aunque el aumento del potencial de carbono puede potenciar hasta cierto punto el efecto de cementación, la limitada solubilidad saturada del carbono en la austenita hace necesario un ajuste flexible del potencial de carbono basado en las condiciones reales para evitar la posibilidad de deposición de carbono.
  3. La precisión del equipo de tratamiento de carburación repercutirá directamente en los resultados finales del tratamiento térmico.
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Shane
Autor

Shane

Fundador de MachineMFG

Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.

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