Conoscere l'acciaio 35MNnB per i materiali di ingegneria

Prefazione

L'acciaio 35MnB, un acciaio al manganese legato al boro a medio tenore di carbonio, è ampiamente utilizzato nella produzione di componenti di telai cingolati per macchine da costruzione. La popolarità di questo materiale deriva dalla sua eccezionale temprabilità e dalla risposta superiore ai processi di trattamento termico, che consentono di ottenere componenti con una maggiore resistenza all'usura e proprietà meccaniche.

Le applicazioni principali dell'acciaio 35MnB nei sistemi cingolati includono:

1. Corpi delle ruote a rulli: Questi componenti critici sostengono il peso della macchina e facilitano il movimento fluido del cingolo.
2. Maglie di guida per catene cingolate: Essenziali per mantenere l'allineamento dei cingoli e distribuire il carico sul sottocarro.
3. Blocchi dentati: Fondamentali per garantire la trazione e l'aggancio alle ruote dentate.
4. Altri componenti resistenti all'usura: Come ruote folli, pattini e regolatori di tensione.

L'utilizzo dell'acciaio 35MnB in queste applicazioni garantisce una maggiore durata, migliori prestazioni in condizioni di elevata sollecitazione e ridotti requisiti di manutenzione per le macchine edili che operano in ambienti difficili.

1. Effetto degli elementi principali nell'acciaio 35MnB

Date le difficili condizioni operative delle sue applicazioni, l'uso dell'acciaio 35MnB richiede che sia allo stato bonificato.

La temprabilità e l'incrudimento sono indicatori cruciali per temprato e rinvenuto e i loro valori sono tipicamente mantenuti controllando rigorosamente elementi chiave come carbonio (C), silicio (Si), manganese (Mn), boro (B) e cromo (Cr), che hanno un impatto significativo sulla temprabilità.

1.1 Effetto del contenuto di C

Il contenuto di carbonio nell'acciaio 35MnB determina la durezza ottenibile dopo la tempra. Un contenuto di carbonio più elevato porta a una maggiore durezza di tempra, ma aumenta anche il rischio di cricche e riduce la plasticità e la tenacità all'impatto dell'acciaio.

Per componenti cruciali come il telaio dei cingoli, per ridurre al minimo l'effetto della fluttuazione del contenuto di carbonio sulla durezza superficiale e sulla profondità dello strato di tempra, è necessario stabilire dei requisiti per la selezione del contenuto di carbonio. In genere, i limiti superiore e inferiore del contenuto di carbonio sono controllati entro un intervallo di 0,05%.

1.2 Effetto del contenuto di Si

Oltre a migliorare la resistenza e la temprabilità, il silicio nell'acciaio 35MnB contribuisce a eliminare il gas dall'acciaio e a stabilizzarlo durante la produzione.

Tuttavia, con l'aumento del contenuto di silicio, la plasticità e la tenacità dell'acciaio diminuiscono e l'acciaio diventa incline a formare una struttura a bande.

1.3 Effetto del contenuto di Mn

Il manganese (Mn), che è l'elemento di lega principale dell'acciaio 35MnB, migliora la temprabilità dell'acciaio e ne abbassa il livello. velocità di raffreddamento critica. Il Mn forma una soluzione solida con la ferrite durante il riscaldamento, aumentando la resistenza dell'acciaio. Il Mn è tipicamente utilizzato quando la profondità dello strato temprato è superiore a 4 mm. Questo perché riduce la velocità critica di raffreddamento, con il risultato di una durezza di tempra più uniforme anche quando le condizioni di raffreddamento non sono stabili.

Come mostrato nelle Fig. 1 e 2, quando il contenuto di Mn nell'acciaio è pari a 1,10%, migliora notevolmente la resistenza dell'acciaio con solo una lieve diminuzione della plasticità e un leggero miglioramento della tenacità. Tuttavia, se il contenuto di Mn supera questa quantità, la temprabilità e la resistenza continueranno a migliorare, ma la tenacità diminuirà notevolmente.

Fig. 1 Effetto degli elementi di lega sul rafforzamento in soluzione solida

Fig. 2 Effetto degli elementi di lega sull'energia d'impatto della ferrite

1.4 Effetto del contenuto di B

Negli acciai temprati e rinvenuti ad alta resistenza, l'aggiunta di elemento di lega B può migliorare la temprabilità. Ciò si ottiene sciogliendo una piccola quantità di B in una soluzione ad alta temperatura. austenite. Durante il raffreddamento, B si segmenta in corrispondenza del austenite confini dei grani, inibendo la nucleazione della ferrite e migliorando così la temprabilità, soprattutto a basse velocità di raffreddamento.

Tuttavia, il B nell'acciaio è un elemento attivo che reagisce facilmente con l'N per formare BN stabile, insolubile alle temperature di tempra. Ciò riduce la quantità di B effettivo nella soluzione solida dell'austenite e riduce i suoi effetti di potenziamento della tempra.

Per migliorare la temprabilità, è necessario aggiungere elementi che formano nitruri, controllare gli elementi N e mantenere la quantità di B in soluzione solida nell'austenite. Inoltre, quando il contenuto di B supera le 30 ppm, la plasticità e la tenacità del materiale diminuiscono significativamente.

Elementi come V, Ti, Al e B sono forti formatori di nitruri nell'acciaio e formano rispettivamente i nitruri VN, AlN, BN e TiN. Quando viene aggiunto all'acciaio contenente B, l'N nell'acciaio precipita preferenzialmente come TiN o Ti (C, N). Questa precipitazione inizia a temperature superiori a 1400℃, molto più alte della temperatura di inizio precipitazione del BN. Al diminuire della temperatura, la proporzione di N solido nel TiN aumenta, fissando l'N nell'acciaio e impedendo la formazione di BN, aumentando così il contenuto effettivo di B nell'austenite e migliorando la temprabilità.

Per massimizzare il contenuto effettivo di B è importante controllare il rapporto TiN nell'acciaio, con un valore ideale di 3,42. Se il rapporto è inferiore a 3,42, il contenuto di N residuo aumenterà e si verificherà la precipitazione di BN, riducendo il contenuto effettivo di B, la temprabilità e aumentando la fragilità. Per evitare questi effetti, è importante controllare rigorosamente il contenuto di N residuo nell'acciaio.

1.5 Effetto del contenuto di Cr

Il Cr è un elemento che aumenta notevolmente la temprabilità dell'acciaio.

L'aggiunta di Cr all'acciaio al cromo a medio tenore di carbonio aumenta il periodo di incubazione della trasformazione di fase, causando uno spostamento verso destra della curva di trasformazione isoterma. Questo fa sì che la trasformazione della perlite avvenga a temperature più elevate e quella della bainite a temperature più basse.

Di conseguenza, quando si aggiunge la giusta quantità di cromo all'acciaio, anche con un raffreddamento lento durante la fase di lavorazione. processo di tempraL'austenite sottoraffreddata non si trasforma in perlite o bainite prima di aver raggiunto la temperatura di trasformazione della martensite, migliorando notevolmente la temprabilità dell'acciaio.

Tuttavia, il Cr aggrava in modo significativo la fragilità da tempra degli acciai al nichel e al manganese. Pertanto, il contenuto di Cr negli acciai 35MnB è attentamente regolato.

Gli studi sull'effetto del Cr in tracce sulla temprabilità dell'acciaio per collegamenti cingolati 35MnB indicano che anche piccole variazioni del contenuto di Cr (Cr ≤ 0,20%) possono avere un impatto significativo sulla temprabilità, soprattutto quando il contenuto di Cr supera 0,10%. Ciò migliora significativamente la durezza dell'acciaio, in particolare nei punti lontani dall'estremità raffreddata ad acqua.

La figura sottostante mostra che la durezza di tempra può aumentare in media di 2-3 HRC in un intervallo compreso tra 1,5 e 20,0 m dall'estremità raffreddata ad acqua. Quando la distanza dall'estremità raffreddata ad acqua è superiore a 20,0 m, la durezza aumenta ulteriormente, di circa 6 HRC.

Inoltre, il diametro del tondo temprabile dell'acciaio 35Mnb contenente Cr0,18% è di circa 20 mm superiore a quello dell'acciaio contenente Cr0,02%.

Fig. 3 Effetto del contenuto di Cr sulla temprabilità

Poiché il Cr ha la capacità di formare carburi, richiede un aumento della temperatura di riscaldamento e un tempo di riscaldamento prolungato, che non sono ideali per la tempra a induzione.

2. Harm di stagno nell'acciaio 35MnB

Durante il processo di produzione dell'acciaio, l'elevato punto di fusione dello stagno ne provoca la precipitazione nella fase liquida prima della colata e della solidificazione. Ciò comporta la formazione di particelle di stagno nel liquido, con dimensioni tipiche di 2-10 μm.

Queste particelle hanno una forma quadrata, romboidale o triangolare (diversa dal BN, come mostrato nella Fig. 6) e presentano una durezza estremamente elevata (superiore a 1000V).

Come dimostrato nelle Fig. 4 e 5, queste particelle non possono essere modificate con alcun metodo di lavorazione e non possono essere dissolte attraverso soluzioni solide ad alta temperatura. Inoltre, determinano una grande dispersione di energia d'impatto.

Fig. 4 osservazione al microscopio ottico a stagno

Fig. 5 osservazione dello stagno al microscopio elettronico

Fig. 6 osservazione del BN al microscopio elettronico

La Fig. 7 è una curva del prodotto di solubilità in ferro liquido a 1400 ℃, 1450 ℃ e 1500 ℃;

Come mostrato nella figura, quando la temperatura dell'acciaio fuso all'inizio della solidificazione è di 1500℃, la presenza di 80ppm di N e più di 0,043% di Ti nell'acciaio provocherà la precipitazione di liquido e stagno. Analogamente, quando il contenuto di N nell'acciaio è di 40 ppm e il contenuto di Ti supera 0,086%, si verifica una precipitazione di liquido e stagno.

Quando la temperatura finale di solidificazione dell'acciaio fuso con dendrite è di 1400℃, la presenza di 80ppm di N e più di 0,012% di Ti provoca la precipitazione di liquido e stagno. Inoltre, se il contenuto di N nell'acciaio è di 40 ppm e il contenuto di Ti supera 0,024%, si verifica una precipitazione di liquido e stagno.

Fig. 7 curva del prodotto di solubilità dello stagno

Per evitare la formazione di stagno liquido, è fondamentale regolare adeguatamente il contenuto di Ti e N nell'acciaio. In questo modo si sopprime la precipitazione dello stagno liquido durante la solidificazione e si aumenta la velocità di raffreddamento durante la colata per ridurre la precipitazione nell'ultimo acciaio fuso solidificato. Accelerando la velocità di raffreddamento, non ci sarà tempo sufficiente per la precipitazione dinamica.

I calcoli del prodotto di solubilità dello stagno nel ferro liquido mostrano che la temperatura finale di solidificazione durante la fusione e la colata è di circa 1495°C, con un prodotto di solubilità di equilibrio dello stagno di 0,00302.

Se il contenuto di N è controllato a 80 ppm, la quantità massima di stagno che può essere disciolta nel ferro liquido alla temperatura finale di solidificazione è 0,0413%. Per evitare la precipitazione liquida dello stagno, la composizione chimica dovrebbe avere un contenuto di Ti ≤ 0,0413%.

Se il contenuto di azoto è controllato a 60 ppm, il contenuto massimo di T che può essere disciolto nel ferro liquido alla temperatura finale di solidificazione è 0,05%. Per evitare di produrre stagno liquido, il contenuto di Ti di progetto della composizione chimica dell'acciaio deve essere ≤ 0,05%.

Per aumentare il contenuto effettivo di B nell'acciaio 35MnB, il contenuto di N nell'acciaio deve essere ridotto a meno di 60 ppm.

Se la precipitazione in fase liquida dello stagno supera i 6 μm, può ridurre notevolmente la durata a fatica e la tenacità all'impatto del materiale. Se supera i 6 μm, deve essere giudicato come Al₂O₃ inclusione fragile.

Inclusioni come stagno, Al₂O₃, MgO - Al₂O₃, e Cao - Al₂O₃, che sono duri e fragili e non hanno plasticità alla temperatura di deformazione. Si separano facilmente dalla struttura del corpo durante la deformazione, danneggiandone la continuità. Nei casi più gravi, sul bordo dell'inclusione indeformata possono comparire crepe o cavità.

In servizio, le sollecitazioni alternate possono facilmente causare una concentrazione di tensioni, diventando una fonte di affaticamento del metallo.

3. Sintesi

Buono composizione del materiale è essenziale per garantire le prestazioni del materiale. La composizione consigliata (in percentuale di peso) per il materiale 35MnB durante la fusione è la seguente: