Stock di forgiatura di acciaio 42CrMo: Analisi e miglioramento della struttura anomala

1. Prefazione

Il 42CrMo è un acciaio strutturale legato a medio tenore di carbonio noto per le sue proprietà meccaniche complete, l'eccellente temprabilità e l'ampia gamma di applicazioni. Viene spesso utilizzato nell'industria meccanica per produrre ingranaggi, bielle, bulloni ad alta resistenza e altri componenti fondamentali.

Lo stock di acciaio 42CrMo per la forgiatura viene fornito da un'acciaieria. Il processo di produzione prevede la raffinazione fuori dal forno, la colata in lingotti, la forgiatura in stock e infine la normalizzazione.

Un'azienda ha acquistato questo lotto di pezzi grezzi forgiati da utilizzare per la produzione di un albero di avvolgimento in un'unità di riavvolgimento per la produzione di nastri. Il processo di trattamento termico finale del prodotto sarà tempra e rinvenimento.

Le proprietà meccaniche richieste sono una resistenza alla trazione compresa tra 900 e 1100 MPa, una resistenza allo snervamento di almeno 650 MPa, e un'energia di assorbimento dell'impatto di almeno 40 J.

Durante un'ispezione della materia prima, si è scoperto che le strutture macro e micro metallografiche erano anormali. In via preliminare è stato determinato che il grezzo di forgiatura non era normalizzato.

In questo post, discuteremo e analizzeremo i metodi e le possibilità di migliorare la qualità del materiale da forgiare sulla base dei risultati dei test fisici e chimici. Verranno formulati diversi schemi di trattamento termico.

2. Test fisici e chimici

1. Analisi della composizione chimica

Il materiale di prova è l'acciaio da forgia 42CrMo, ritenuto accettabile in base ai requisiti per gli acciai strutturali legati di alta qualità (GB/T3077-2015).

I risultati del test, riportati nella Tabella 1, sono stati ottenuti con uno spettrometro Spectrolab e soddisfano i requisiti standard.

Tabella 1 composizione chimica (frazione di massa) del campione di materiale da forgiare

2. Esame metallografico

È stata condotta un'ispezione metallografica sulle materie prime presenti in magazzino.

Il campione è stato prelevato secondo i requisiti di GB/T 13298-2015, che definisce il metodo di ispezione della microstruttura metallica. I difetti della macrostruttura e non metallico Le inclusioni sono state valutate utilizzando il GB/T 1979-2001 Structural Steel Macrostructure Defect Rating Diagram e il GB/T 10561-2005, che definisce la determinazione del contenuto di inclusioni non metalliche nell'acciaio.

La macro morfologia è mostrata nella Figura 1 e la microstruttura è mostrata nella Figura 2. I risultati dei test sono riportati nella Tabella 2.

Fig. 1 Ispezione a basso ingrandimento del campione grezzo di forgiatura (corrosione a caldo con acido cloridrico industriale 1:1)

a) Ferrite reticolare grossolana

b) Parte del tessuto è costituito da sorbite

c) Una parte del tessuto è composta da perlite + una piccola quantità di bainite e ferrite.

d) Parte del tessuto è grossolano

Fig. 2 Struttura metallografica del campione grezzo di forgiatura

Tabella 2 Risultati delle prove metallografiche di campionatura di billette di forgiatura

3. Test delle proprietà meccaniche

Il materiale da forgiare sarà campionato e testato per le sue proprietà meccaniche secondo i requisiti delineati nella norma GB/T 2975-2018. Questa norma definisce i requisiti relativi al luogo di campionamento e alla preparazione dei campioni per l'esecuzione di prove sulle proprietà meccaniche dell'acciaio e dei prodotti in acciaio.

I risultati sono riportati nella Tabella 3.

Tabella 3 risultati dei test sulle proprietà meccaniche del materiale da forgiare

4. Confronto tra lo schema di trattamento termico e i risultati dei test fisici e chimici

I risultati dei test fisici e chimici hanno indicato che la billetta da forgiare ha una struttura grossolana, una struttura anomala e proprietà meccaniche scadenti, che si ritiene siano il risultato di una scarsa qualità di forgiatura e di un trattamento di normalizzazione insufficiente.

Per studiare l'impatto della struttura della materia prima sul trattamento termico finale (tempra e rinvenimento) e per verificare il miglioramento dei vari processi di trattamento termico sulla qualità della materia prima, sono stati sviluppati diversi schemi di trattamento termico. L'obiettivo è analizzare e proporre misure di miglioramento.

Per testare i residui di forgiatura sono stati sviluppati tre processi di trattamento termico: normalizzazione, tempra e rinvenimento e una combinazione di normalizzazione, tempra e rinvenimento.

Dopo il trattamento termico, sono stati prelevati dei campioni dai pezzi forgiati e sono stati testati per verificarne la struttura metallografica e le proprietà meccaniche. I risultati sono stati confrontati con i requisiti di progetto e sono riportati nella Tabella 4.

Tabella 4 indici di prestazione e tipi di struttura dopo i tre processi

Dall'analisi e dal confronto è emerso che la resistenza e la tenacità del provino normalizzato sono migliorate in modo significativo e che la rete di ferrite nella struttura è scomparsa, come mostrato nella Figura 3.

Fig. 3 struttura dopo la normalizzazione (raffreddamento ad aria 880 ℃)

Sebbene la tempra e il rinvenimento diretto del materiale da forgiare abbiano eliminato la ferrite netta nel provino, la resistenza alla trazione è risultata di gran lunga inferiore ai requisiti tecnici e si è verificata una notevole segregazione nella struttura, come mostrato nella Figura 4.

Fig. 4 Rinvenimento (raffreddamento a olio a 860 ℃ e raffreddamento ad aria a 610 ℃)

I campioni sottoposti a normalizzazione seguita da tempra e rinvenimento non solo hanno soddisfatto tutti i requisiti tecnici in termini di indicatori di prestazione, ma hanno anche migliorato l'uniformità della struttura, come illustrato nella Figura 5.

Fig. 5 normalizzazione + tempra e rinvenimento (880 °C raffreddamento ad aria + 860 °C raffreddamento ad olio, 610 °C raffreddamento ad aria)

3. Conclusione

La struttura anomala riscontrata nell'impasto di forgiatura è tipicamente causata dalle alte temperature durante la forgiatura, che determinano una rapida crescita dei grani e un mancato affinamento degli stessi. Inoltre, un raffreddamento insufficiente dopo la forgiatura può portare alla formazione di ferrite in rete, che degrada gravemente le proprietà meccaniche del materiale, in particolare la sua tenacità all'impatto a temperatura ambiente.

Per evitare la formazione di grani grossolani, di ferrite di rete e perfino di widmanstatten è fondamentale controllare rigorosamente la temperatura di riscaldamento durante la forgiatura e regolare adeguatamente la velocità di raffreddamento. La normalizzazione può affinare ulteriormente la microstruttura e prevenire il residuo di ferrite di rete e altre strutture.

Poiché il magazzino di forgiatura non è stato normalizzato come richiesto, è necessario potenziare le ispezioni metallografiche durante lo stoccaggio delle materie prime per garantire che soddisfino i requisiti necessari nel processo normale. Se nella struttura originale si riscontrano fenomeni anomali come struttura grossolana, ferrite reticolare o addirittura strutture widmanstatten, è necessario effettuare un trattamento di normalizzazione prima della tempra.

In caso contrario, la struttura e le proprietà ottenute potrebbero non soddisfare i requisiti desiderati e la presenza di ferrite reticolare potrebbe addirittura causare cricche durante la tempra, con conseguente rottura del prodotto durante il trattamento termico.