Existencias de forja de acero 42CrMo: Análisis y mejora de la estructura anómala | MachineMFG

Existencias de forja de acero 42CrMo: Análisis y mejora de la estructura anómala

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1. Prefacio

El 42CrMo es un acero estructural de aleación de carbono medio conocido por sus amplias propiedades mecánicas, su excelente templabilidad y su amplia gama de aplicaciones. Se utiliza con frecuencia en la industria de la maquinaria para fabricar engranajes, bielas, pernos de alta resistencia y otros componentes cruciales.

El material de forja de acero 42CrMo es suministrado por una acería. El proceso de fabricación incluye el afinado fuera del horno, la colada en lingotes, la forja en stock y, por último, la normalización.

Una empresa ha adquirido este lote de piezas brutas forjadas para su uso en la fabricación de un eje de enrollado en una unidad de rebobinado de producción de flejes. El proceso de tratamiento térmico final para el producto será temple y revenido.

Las propiedades mecánicas requeridas son una resistencia a la tracción de 900 a 1100 MPa, un límite elástico de al menos 650 MPa, y una energía de absorción de impacto de al menos 40 J.

Durante una inspección de la materia prima, se descubrió que las estructuras macro y micro metalográficas eran anormales. Se determinó preliminarmente que la pieza en bruto de forja no estaba normalizada.

En este post, discutiremos y analizaremos métodos y posibilidades para mejorar la calidad del material de forja basándonos en los resultados de pruebas físicas y químicas. Se formularán varios esquemas de tratamiento térmico.

2. Prueba física y química

1. Análisis de la composición química

El material de ensayo es acero 42CrMo forjado en stock, que se ha considerado aceptable de acuerdo con los requisitos para el acero estructural aleado de alta calidad (GB/T3077-2015).

Los resultados de las pruebas, que figuran en el cuadro 1, se obtuvieron utilizando un espectrómetro Spectrolab y cumplen los requisitos de la norma.

Tabla 1 composición química (fracción másica) de la muestra de material de forja

ElementoValor estándarValor medido
C0.38~0.450.45
Si0.17~0.370.26
Mn0.50~0.800.74
Cr0.90~1.201.09
Mo0.15~0.250.22
P≤0.0200.018
S≤0.0200.012

2. Examen metalográfico

Se realizó una inspección metalográfica de las materias primas en el almacén.

La muestra se tomó de acuerdo con los requisitos de GB/T 13298-2015, que describe el método para inspeccionar la microestructura metálica. Los defectos de macroestructura y no metálico Las inclusiones se evaluaron utilizando el diagrama de clasificación de defectos de macroestructuras de acero estructural GB/T 1979-2001 y GB/T 10561-2005, que describe la determinación del contenido de inclusiones no metálicas en el acero.

La macro morfología se muestra en la Figura 1 y la microestructura en la Figura 2. Los resultados de los ensayos pueden verse en la Tabla 2.

Fig. 1 Inspección a bajo aumento de una muestra bruta de forja (corrosión en caliente con ácido clorhídrico industrial 1:1)

a) Ferrita reticular gruesa

b) Parte del tejido es sorbita

c) Parte del tejido se compone de perlita + una pequeña cantidad de bainita y ferrita

d) Parte del tejido es grueso

Fig. 2 estructura metalográfica de la muestra en bruto de forja

Tabla 2 resultados de las pruebas metalográficas del muestreo de tochos forjados

Elementos de prueba:Resultado de la detección
Defecto de bajo aumentoEn general, la porosidad es de grado 1, y la dendrita de la superficie de prueba es gruesa y presenta una grave segregación.
Inclusión no metálicaA0.5,B0.5
Tipo de organizaciónLa distribución del tejido es extremadamente desigual, el tejido es grueso, y el tejido es ferrita + perlita + ferrita reticular + una pequeña cantidad de bainita.

3. Ensayo de propiedades mecánicas

Se tomarán muestras del material de forja y se comprobarán sus propiedades mecánicas de acuerdo con los requisitos descritos en GB/T 2975-2018. Esta norma describe los requisitos para la ubicación de muestreo y preparación de la muestra para la realización de ensayos de propiedades mecánicas en acero y productos de acero.

Los resultados se muestran en la Tabla 3.

Tabla 3 resultados de las pruebas de las propiedades mecánicas del material de forja

Resistencia a la tracción
/ MPa
Límite elástico
/ MPa
Tasa de longitud corporal tras la fractura
(%)
Energía de absorción de impactos
(KV2 / J)
98384512.010, 6.0, 6.0

4. Comparación entre el esquema de tratamiento térmico y los resultados de las pruebas físicas y químicas

Los resultados de las pruebas físicas y químicas han indicado que la palanquilla de forja tiene una estructura gruesa, una estructura anormal y unas propiedades mecánicas deficientes, que se cree que son el resultado de la mala calidad de la forja y de un tratamiento de normalización insuficiente.

Para estudiar el impacto de la estructura de la materia prima en el tratamiento térmico final (temple y revenido) y verificar la mejora de diversos procesos de tratamiento térmico en la calidad de la materia prima, se han desarrollado varios esquemas de tratamiento térmico. El objetivo es analizar y proponer medidas de mejora.

Se han desarrollado tres procesos de tratamiento térmico para probar los residuos de material de forja: normalizado, temple y revenido, y una combinación de normalizado y temple y revenido.

Se tomaron muestras de las piezas forjadas después del tratamiento térmico y se comprobó su estructura metalográfica y sus propiedades mecánicas. Los resultados se compararon con los requisitos de diseño y se muestran en la Tabla 4.

Cuadro 4 índices de rendimiento y tipos de estructura después de tres procesos

Estado del procesoResistencia a la tracción / MPaLímite elástico / MPaAlargamiento tras fractura (%)Energía de absorción del impacto (KV2 / J)Tipo de organización
Normalización109895912.517, 15, 18Existe segregación en la organización; La estructura es sorbita + troostita + bainita
Templado87875216.077, 87, 80La estructura es sorbita + una pequeña cantidad de ferrita.
Normalizado + templado98882816.094, 107, 110Existe segregación en la organización; El tejido es sorbita + una pequeña cantidad de ferrita
Requisitos de diseño900~1100≥650≥12.0≥40Sorbita, se permite una pequeña cantidad de ferrita

Tras el análisis y la comparación, se comprobó que la resistencia y la tenacidad de la probeta normalizada habían mejorado significativamente y que la red de ferrita de la estructura había desaparecido, como se muestra en la figura 3.

Fig. 3 estructura después de la normalización (880 ℃ refrigeración por aire)

Aunque el templado y revenido directo de la masa de forja eliminó la ferrita neta en la probeta, la resistencia a la tracción era muy inferior a los requisitos técnicos y había una notable segregación en la estructura, como se muestra en la figura 4.

Fig. 4 Templado (860 ℃ refrigeración por aceite y 610 ℃ refrigeración por aire).

Las muestras sometidas a normalización seguida de temple y revenido no sólo cumplieron todos los requisitos técnicos en cuanto a indicadores de rendimiento, sino que también mejoraron la uniformidad de la estructura, como se muestra en la figura 5.

Fig. 5 normalización + temple y revenido (880 ° C enfriamiento por aire + 860 ° C enfriamiento por aceite, 610 ° C enfriamiento por aire)

3. Conclusión

La estructura anormal que se encuentra en el material de forja suele deberse a las altas temperaturas que se alcanzan durante la forja, que provocan un rápido crecimiento del grano y no consiguen refinarlo. Además, un enfriamiento insuficiente tras la forja puede provocar la formación de ferrita en red, lo que degrada gravemente las propiedades mecánicas del material, en particular su tenacidad al impacto a temperatura ambiente.

Para evitar la formación de granos gruesos, ferrita de red e incluso widmanstatten es crucial controlar estrictamente la temperatura de calentamiento durante la forja y regular adecuadamente la velocidad de enfriamiento. La normalización puede refinar aún más la microestructura y evitar el residuo de ferrita de red y otras estructuras.

Dado que el material de forja no se ha normalizado como es debido, es necesario mejorar las inspecciones metalográficas durante el almacenamiento de las materias primas para garantizar que cumple los requisitos necesarios en el proceso normal. Si en la estructura original se detectan fenómenos anormales como estructura gruesa, ferrita reticular o incluso estructuras widmanstatten, es necesario realizar un tratamiento de normalización antes del temple.

De lo contrario, la estructura y las propiedades obtenidas podrían no cumplir los requisitos deseados, y la presencia de ferrita reticular podría incluso causar grietas de enfriamiento durante el enfriamiento, lo que provocaría el fallo del producto durante el tratamiento térmico.

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