Pourquoi la dureté des vérins hydrauliques en acier 20CrMo n'est-elle pas suffisante malgré des processus de traitement thermique précis ? Cet article se penche sur les subtilités des techniques de cémentation, en examinant des facteurs tels que la concentration en carbone et le contrôle de la température. Il explore les ajustements effectués pour rectifier les problèmes de dureté, offrant des indications sur l'optimisation des paramètres de traitement. Les lecteurs apprendront l'importance d'un réglage précis du potentiel de carbone et de modifications efficaces du processus pour améliorer la dureté et les performances de l'acier.
Cet article traite de l'impact de la concentration de carbone en surface sur les propriétés de traitement thermique de l'acier 20CrMo.
Pour garantir la teneur en carbone souhaitée dans l'atmosphère du four tout au long du processus de cémentation et la concentration en carbone requise à la surface de la pièce après la cémentation, la concentration en carbone dans le processus de cémentation doit être méticuleusement régulée. En outre, l'optimisation du processus de trempe peut permettre d'obtenir une meilleure dureté de trempe, ce qui se traduit par une bonne résistance à l'usure.
L'acier 20CrMo est un acier de construction au carbone faiblement allié, largement utilisé dans la production d'une variété de pièces, telles que les engrenages, les arbres et les attaches à haute résistance. Par exemple, dans la production d'une entreprise, ce matériau est utilisé pour construire le cylindre hydraulique du concasseur hydraulique sur les machines de construction.
Pour que le cylindre hydraulique réponde aux exigences de dureté élevée et de résistance à l'usure après le traitement thermique de cémentation, ainsi que de plasticité et de ténacité (c'est-à-dire d'excellentes propriétés mécaniques globales), des recherches ciblées ont été nécessaires.
Cependant, lors de la production initiale du cylindre hydraulique, la dureté de la surface de la pièce était faible, et ce problème a persisté malgré les efforts déployés pour y remédier en ajustant les conditions du processus. Par conséquent, une étude ciblée a été menée sur la pièce à usiner.
Ce type de cylindre hydraulique a un grand volume, avec un poids unitaire d'environ 365 kg et une épaisseur effective de 150 à 200 mm.
Veuillez vous référer à la figure 1 pour une représentation visuelle de la pièce réelle.
Après avoir subi un traitement thermique, une cémentation et une trempe, la pièce doit avoir une épaisseur de couche de cémentation de 1,0 à 1,4 mm et une dureté globale de 58 à 62 HRC.
Veuillez vous référer au tableau 1 pour les spécifications de composition chimique de l'acier 20CrMo dans l'acier de construction allié GB/T 3077-1999.
Tableau 1 composition chimique de l'acier 20CrMo (fraction de masse) (%)
| C | Mn | Si | Cr | Mo | P | S |
| 0.17~0.24 | 0.4~0.7 | 0.17~0.37 | 0.80~1.10 | 0.15~0.25 | ≤0.035 | ≤0.035 |
Diverses méthodes sont utilisées pour le traitement en cours de production. Cependant, les résultats indiquent que la dureté de la surface est inférieure à 50 HRC, ce qui rend le produit non qualifié. L'ajustement de la température de cémentation et l'augmentation de la température de trempe ne permettent pas de répondre aux exigences techniques.
Pour des détails spécifiques concernant le processus de traitement thermique, veuillez vous référer au tableau 2.
Tableau 2 processus de traitement thermique
| NON. | Paramètres du processus | Dureté de la surface de la pièce (HRC) |
| 1 | Forte perméabilité : 920 ℃ × 330min, potentiel carbone 1,1% ; Diffusion : 920 ℃ x130min, potentiel carbone 0,85% ; Isolation par trempe : 830 ℃ × 30min, potentiel carbone 0.85%. | 45~47 |
| 2 | Forte perméabilité : 920 ℃ × 350min, potentiel carbone 1,1% ; Diffusion : 920 ℃ × 140min, potentiel carbone 0,9% ; Trempe et conservation à la chaleur : 840 ℃ x30min, potentiel de carbone 0,9%. | 46~47 |
| 3 | Forte perméabilité : 930 ℃ × 330min, potentiel carbone 1,2% ; Diffusion : 930 ℃ x 30min, potentiel carbone 0,9% ; Isolation par trempe : 860 ℃ × 40 min, potentiel carbone 0,9%. | 49~50 |
| 4 | Forte pénétration : 930 ℃ x450min, potentiel carbone 1,2% ; Diffusion : 930 ℃ × 250min, potentiel carbone 0,9% ; Trempe et conservation à chaud : 860 ℃ x30min, potentiel de carbone 0,9%. | 46~48 |
La température de cémentation est un paramètre technologique crucial dans le processus de cémentation, et elle affecte de manière significative la capacité de la cémentation. austénite pour dissoudre le carbone.
Lorsque la température augmente, la solubilité du carbone dans l'eau est réduite. austénite augmente également.
D'après le diagramme de phase fer-carbone, la solubilité saturée du carbone dans le austénite est de 1,0% à 850℃ et de 1,25% à 930℃.
La précision de la température de cémentation affecte directement la qualité de la trempe de la pièce.
Après avoir effectué une détection de la température de l'équipement en 9 points, nous n'avons constaté aucune déviation de la température, la température du four est normale et il n'y a pas de différence de température significative.
On peut donc exclure l'influence de la température sur la dureté superficielle de la pièce.
Lors de l'exécution du processus, un bloc d'essai de four mesurant 25 mm x 25 mm est utilisé pour chaque numéro de processus.
Les résultats des essais de dureté du bloc d'essai sont meilleurs que ceux du corps de la pièce.
Le tableau 3 présente les résultats des essais de dureté du bloc d'essai cémenté exécuté selon le processus 3, à la fois sur la face frontale et dans la direction longitudinale de la pièce.
Tableau 3 Résultats des essais de dureté de la pièce (HRC)
|
Surface |
Cœur de métier |
|||||
|
Face d'extrémité |
59 |
60 |
58.5 |
59.6 |
20 |
21 |
|
Portrait |
56.6 |
57.5 |
55.2 |
56 |
||
Conformément à la méthode de dureté spécifiée dans la norme GB/T 9450-2005 pour la détermination et la vérification de la profondeur effective de la couche durcie par cémentation et trempe du fer et de l'acier, le gradient de dureté de la couche de cémentation est testé sur le bloc d'essai du four après le processus de traitement thermique.
Les résultats sont présentés dans le tableau 4.
Tableau 4 Résultats de l'essai de gradient de dureté de la couche de pénétration de la pièce
| Profondeur de la couche de cémentation / mm | Dureté HV1 |
| 0.1 | 622.9 |
| 0.2 | 747.7 |
| 0.3 | 714.4 |
| 0.4 | 720 |
| 0.5 | 685.8 |
| 0.6 | 662.7 |
| 0.7 | 635.9 |
| 0.8 | 635.9 |
| 0.9 | 599.9 |
| 1 | 568.8 |
| 1.1 | 540 |
La couche cémentée du bloc d'essai est examinée à l'aide de la méthode d'analyse métallographique afin de vérifier si la concentration en carbone répond aux spécifications requises.
La figure 2 illustre la structure métallographique de la couche superficielle et la profondeur effective de la couche durcie de la pièce.
Après avoir observé la structure métallographique de la couche cémentée du bloc d'essai (Fig. 2), il a été constaté que la couche superficielle se compose principalement d'aiguilles. martensite et de l'austénite résiduelle. Aucune composition significative de carbure n'a été détectée.
En outre, la détection de la profondeur de la couche durcie effective a révélé que le bloc d'essai présentait un phénomène de "tête en l'air" après le traitement de cémentation. Cela suggère qu'il y avait une atmosphère d'oxydation notable dans la couche cémentée, entraînant une faible dureté de surface et une augmentation de la dureté par paliers.
Pour mieux examiner la microstructure de la couche infiltrée du bloc d'essai de la pièce, le bloc d'essai a été recuit. Le bloc d'essai a été recuit. recuit a consisté à refroidir le bloc d'essai de 860 ℃ × 30min à 500 ℃ à l'aide du four, puis à le refroidir à l'air.
Des échantillons métallographiques ont été préparés et examinés pour observer la structure métallographique d'équilibre des pièces cémentées en acier 20CrMo, comme le montre la figure 3.
D'après l'observation de la structure métallographique à l'équilibre de la figure 3, la morphologie de la microstructure de la couche de cémentation dans l'acier à faible teneur en carbone après un refroidissement lent est très différente de celle de l'acier à faible teneur en carbone normal. La couche hypereutectoïde, la couche eutectoïde et la couche de transition dans la couche de cémentation ne peuvent pas être clairement et efficacement distinguées.
La microstructure de l'acier à faible teneur en carbone après cémentation et refroidissement lent doit comprendre une couche superficielle de perlite et de cémentite nette, une structure eutectoïde à l'intérieur, une zone de transition de structure subeutectoïde et la structure d'origine.
Quant à la structure d'équilibre de la figure 3, sa morphologie et sa structure sont plus proches de la structure d'équilibre obtenue après le recuit d'un acier ordinaire à teneur moyenne en carbone, qui présente une structure de perlite et de ferrite uniformément répartie. On ne trouve pas de cémentite évidente, ce qui indique que le potentiel de carbone de l'atmosphère de cémentation dans le four est insuffisant pour assurer une concentration suffisante de carbone à la surface de la pièce.
Par conséquent, pour obtenir une concentration de carbone adéquate à la surface de la pièce et former un gradient de concentration de carbone efficace, il est nécessaire d'augmenter le potentiel de carbone lorsque la température de cémentation est normale.
La diffusion des atomes de carbone de la surface vers le centre est nécessaire à la cémentation et à l'obtention d'une certaine profondeur de la couche cémentée.
La force motrice de la diffusion est le gradient de concentration de carbone entre la surface et le cœur.
Pour améliorer l'effet de cémentation, il est essentiel d'absorber les atomes de carbone activés à temps pour assurer la circulation uniforme de l'atmosphère du four. Le taux d'atomes de carbone fournis (taux de décomposition) doit correspondre au taux d'absorption afin d'éviter un approvisionnement insuffisant et un dépôt de carbone.
L'analyse des liens de processus originaux et des blocs d'essai a permis de constater que la faible dureté de la pièce réelle était principalement due à la faible concentration de carbone à la surface de la couche de cémentation en raison d'une atmosphère insuffisante dans le four. Cela a entraîné un traitement de cémentation inefficace, empêchant la formation d'une structure de couche de cémentation idéale et l'obtention d'une dureté suffisante.
Pour y remédier, des mesures de rectification ciblées ont été prises pour réviser l'équipement, remplacer l'équipement de contrôle du potentiel de carbone, vérifier l'étanchéité du corps du four et effectuer à nouveau un traitement de détermination du carbone sur l'atmosphère du four afin de garantir l'uniformité et la précision de l'atmosphère du four.
Après avoir réévalué les conditions du four et réinitialisé les systèmes de cémentation et d'oxydation, l'équipe de l'usine a décidé de procéder à une nouvelle évaluation des conditions du four. processus de trempe la production peut commencer.
Se référer au tableau 5 pour le processus de traitement thermique ajusté.
Tableau 5 - Processus de traitement thermique ajusté
| NON. | Paramètres du processus | Dureté de la surface de la pièce (HRC) |
| 1 | Forte pénétration : 930 ℃ x450min, potentiel carbone 1,3% ; Diffusion : 930 ℃ x 30min, potentiel carbone 1,0% ; Isolation par trempe : 850 ℃ × 30min, potentiel carbone 1.0% ; Trempe : 150 ℃ x240min | 62.6, 623, 62.1, 62.4, 62.9, 62.8 |
| 2 | Forte perméabilité : 920 ℃ × 450 min, potentiel carbone 1,3% ; Diffusion : 920 ℃ x30min, potentiel carbone 1,0% ; Trempe et conservation à la chaleur : 840 ℃ x30min, potentiel de carbone 1,0% ; Trempe : 180 ℃ x240min | 59.4, 613, 60.1, 59.4, 60.9, 60.1 |
La structure métallographique de la couche infiltrée du bloc d'essai traité par le processus de traitement thermique ajusté est illustrée à la figure 4.
La figure 4 montre que la structure métallographique est principalement constituée de matériaux finement trempés. martensiteLa dureté superficielle est composée de carbure à grains fins et d'une petite quantité d'austénite résiduelle, ce qui correspond à la structure normale de la cémentation et de la trempe. Cela garantit une dureté de surface effective et une dureté de surface globale de la pièce à usiner qui correspond à la plage requise par les conditions techniques.
Pour mieux comprendre les modifications de la microstructure avant et après les ajustements du processus de traitement thermique spécifique, le bloc d'essai subit un recuit selon le même processus.
Le processus de recuit consiste à chauffer le bloc à 860 ℃ pendant 30 minutes, à le refroidir à 500 ℃ dans le four et enfin à le refroidir à l'air.
Des échantillons métallographiques ont été préparés pour observer la structure d'équilibre des pièces cémentées en acier 20CrMo.
La figure 5 montre la structure recuite après le traitement thermique d'ajustement.
La Fig. 5 montre clairement la présence de perlite et de cémentite réticulée, et une comparaison de la structure de la couche superficielle dans la Fig. 3 met en évidence la différence entre les deux.
La structure représentée à la figure 3 ressemble à la structure d'équilibre de l'acier ordinaire à teneur moyenne en carbone après le recuit, avec un teneur en carbone (fraction de masse) d'environ 0,5%.
En revanche, la structure d'équilibre de la figure 5 présente la structure perlite + cémentite en réseau qui résulte d'un recuit de cémentation normal.
Ce changement de structure suggère qu'il y avait un problème important avec l'atmosphère du four dans les conditions initiales du processus. En conséquence, les conditions de cémentation des pièces ne répondaient pas aux exigences fixées, ce qui fait que les pièces ne répondaient pas aux exigences techniques spécifiées après le traitement.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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