Inzicht in 35MnB staal voor technische materialen

Voorwoord

35MnB staal, een met boor gelegeerd mangaanstaal met een gemiddelde koolstofwaarde, wordt veel gebruikt bij de productie van chassisonderdelen voor rupsonderstellen van bouwmachines. De populariteit van dit materiaal komt voort uit de uitzonderlijke hardbaarheid en superieure respons op warmtebehandelingsprocessen, wat resulteert in onderdelen met verbeterde slijtvastheid en mechanische eigenschappen.

De belangrijkste toepassingen van 35MnB-staal in rupssystemen zijn onder andere:

1. Rollerwiellichamen: Deze cruciale onderdelen ondersteunen het gewicht van de machine en zorgen voor een soepele beweging van de rupsbanden.
2. Railschakels van rupskettingen: Essentieel voor het handhaven van de uitlijning van de rupsbanden en het verdelen van de belasting over de onderwagen.
3. Tandblokken: Cruciaal voor tractie en koppeling met aandrijftandwielen.
4. Andere slijtvaste onderdelen: Zoals loopwielen, rupsplaten en spanningsregelaars.

Het gebruik van 35MnB-staal in deze toepassingen zorgt voor een langere levensduur, betere prestaties onder zware omstandigheden en minder onderhoud voor bouwmachines die in veeleisende omgevingen werken.

1. Effect van de belangrijkste elementen in 35MnB-staal

Gezien de zware bedrijfsomstandigheden van de toepassingen, vereist het gebruik van 35MnB-staal dat het in een afgeschrikte en getemperde toestand is.

Hardbaarheid en hardbaarheid zijn cruciale indicatoren voor gehard en getemperd staal en hun waarden worden meestal behouden door een strikte controle van sleutelelementen zoals koolstof (C), silicium (Si), mangaan (Mn), boor (B) en chroom (Cr), die een aanzienlijke invloed hebben op de hardbaarheid.

1.1 Effect van C-gehalte

De koolstofgehalte in het 35MnB-staal bepaalt de hardheid die bereikt kan worden na het afschrikken. Een hoger koolstofgehalte leidt tot een hogere afschrikhardheid, maar verhoogt ook het risico op scheuren en vermindert de plasticiteit en slagvastheid van het staal.

Voor cruciale onderdelen zoals het rupsonderstel is het, om het effect van schommelingen in het koolstofgehalte op de oppervlaktehardheid en afschriklaagdiepte te minimaliseren, noodzakelijk om eisen te stellen aan de keuze van het koolstofgehalte. Over het algemeen worden de boven- en ondergrenzen van het koolstofgehalte gecontroleerd binnen een bereik van 0,05%.

1.2 Effect van Si gehalte

Naast het verbeteren van sterkte en hardbaarheid, helpt silicium in 35MnB-staal ook om gas uit het staal te verwijderen en het te stabiliseren tijdens het maken van staal.

Als het siliciumgehalte echter toeneemt, nemen de plasticiteit en taaiheid van het staal af en wordt het gevoelig voor het vormen van een bandstructuur.

1.3 Effect van Mn-gehalte

Mangaan (Mn), het primaire legeringselement van 35MnB-staal, verbetert de hardbaarheid van het staal en verlaagt de hardheid. kritische koelsnelheid. Mn vormt een vaste oplossing met ferriet tijdens het verhitten, waardoor de sterkte van het staal toeneemt. Mn wordt meestal gebruikt als de diepte van de geharde laag groter is dan 4 mm. Dit komt omdat het de kritische afkoelsnelheid verlaagt, wat resulteert in een meer uniforme afschrikhardheid, zelfs als de koelomstandigheden niet stabiel zijn.

Zoals te zien is in Fig. 1 en 2, wanneer het Mn-gehalte in het staal 1,10% is, verbetert het sterk de sterkte van het staal met slechts een kleine afname in plasticiteit en een lichte verbetering in taaiheid. Als het Mn-gehalte echter hoger is dan deze hoeveelheid, blijven de hardbaarheid en sterkte verbeteren, maar daalt de taaiheid aanzienlijk.

Fig. 1 Effect van legeringselementen op versterking in vaste oplossing

Fig. 2 Effect van legeringselementen op kerfslagenergie van ferriet

1.4 Effect van B-gehalte

In afgeschrikt en getemperd hogesterktestaal is de toevoeging van legeringselement B kan de hardbaarheid verbeteren. Dit wordt bereikt door een kleine hoeveelheid B op te lossen in hoge temperatuur austeniet. Tijdens het afkoelen zal B ontmengen bij de austeniet korrelgrenzen, remt ferrietkernvorming en verbetert zo de hardbaarheid, vooral bij lage koelsnelheden.

B in staal is echter een actief element dat gemakkelijk reageert met N om stabiel BN te vormen, dat onoplosbaar is bij afschriktemperaturen. Dit vermindert de hoeveelheid effectief B in de vaste oplossing van austeniet en vermindert de hardbaarheidsverhogende effecten.

Om de hardbaarheid te verbeteren is het nodig nitridevormende elementen toe te voegen, N-elementen te controleren en de vaste oplossing van B in austeniet te handhaven. Bovendien zullen de plasticiteit en taaiheid van het materiaal aanzienlijk afnemen als het B gehalte hoger is dan 30ppm.

Elementen zoals V, Ti, Al en B zijn sterke nitridevormende elementen in staal en vormen respectievelijk de nitriden VN, AlN, BN en TiN. Bij toevoeging aan staal dat B bevat, zal N in het staal bij voorkeur neerslaan als TiN of Ti (C, N). Deze precipitatie begint bij temperaturen hoger dan 1400℃, veel hoger dan de precipitatiebegintemperatuur van BN. Als de temperatuur daalt, neemt het aandeel vaste N in TiN toe, waardoor N in het staal wordt gefixeerd en BN-vorming wordt voorkomen, waardoor het effectieve B-gehalte in austeniet toeneemt en de hardbaarheid verbetert.

Om het effectieve B-gehalte te maximaliseren, is het belangrijk om de TiN-verhouding in staal onder controle te houden, met een ideale waarde van 3,42. Als de verhouding lager is dan 3,42, zal het residuele N-gehalte toenemen en zal BN-precipitatie optreden, waardoor het effectieve B-gehalte en de hardbaarheid afnemen en de brosheid toeneemt. Om deze effecten te vermijden, is het belangrijk om het N-restgehalte in staal strikt te controleren.

1.5 Effect van Cr-gehalte

Cr is een element dat de hardbaarheid van staal sterk verbetert.

De toevoeging van Cr aan chroomstaal met een gemiddeld koolstofgehalte verlengt de incubatieperiode van de fasetransformatie, waardoor de isotherme transformatiecurve naar rechts verschuift. Dit zorgt er ook voor dat parelmoertransformatie optreedt bij hogere temperaturen en bainiettransformatie bij lagere temperaturen.

Het resultaat is dat wanneer de juiste hoeveelheid chroom aan staal wordt toegevoegd, zelfs bij langzame afkoeling tijdens het afschrikproceszal onderkoeld austeniet niet veranderen in pareliet of bainiet voordat de martensiettransformatietemperatuur is bereikt, wat de hardbaarheid van het staal aanzienlijk verbetert.

Cr verergert echter ook aanzienlijk de brosheid van nikkel- en mangaanstaal. Daarom wordt het Cr-gehalte in 35MnB-staal zorgvuldig gereguleerd.

Onderzoek naar het effect van Cr-sporen op de hardbaarheid van 35MnB-rupsbandstaal toont aan dat zelfs kleine veranderingen in het Cr-gehalte (Cr ≤ 0,20%) de hardbaarheid aanzienlijk kunnen beïnvloeden, vooral wanneer het Cr-gehalte hoger is dan 0,10%. Dit verbetert de hardheid van het staal aanzienlijk, vooral op punten ver van het watergekoelde uiteinde.

Onderstaande figuur laat zien dat de hardheid van het afschrikken gemiddeld met 2 tot 3 HRC kan toenemen binnen een bereik van 1,5 tot 20,0 m vanaf het watergekoelde uiteinde. Als de afstand tot het watergekoelde uiteinde meer dan 20,0 m is, neemt de hardheid zelfs nog verder toe, met ongeveer 6 HRC.

Bovendien is de diameter van de afschrikbare ronde staaf van 35Mnb staal dat Cr0.18% bevat ongeveer 20 mm groter dan die van staal dat Cr0.02% bevat.

Fig. 3 Effect van Cr-gehalte op hardbaarheid

Omdat Cr het vermogen heeft om carbiden te vormen, vereist het een verhoging van de verwarmingstemperatuur en een langere verwarmingstijd, wat niet ideaal is voor inductieharden.

2. Harm van tin in 35MnB staal

Tijdens het staalproductieproces zorgt het hoge smeltpunt van tin ervoor dat het neerslaat in de vloeibare fase vóór het gieten en stollen. Dit resulteert in de vorming van tindeeltjes in de vloeistof, die meestal 2-10 μm groot zijn.

Deze deeltjes hebben een vierkante, ruitvormige of driehoekige vorm (anders dan BN, zoals getoond in Fig. 6) en vertonen een extreem hoge hardheid (meer dan 1000V).

Zoals aangetoond in Fig. 4 en Fig. 5 kunnen deze deeltjes door geen enkele verwerkingsmethode worden veranderd en kunnen ze niet worden opgelost door een vaste oplossing bij hoge temperatuur. Bovendien leiden ze tot een grote botsenergiedispersie.

Fig. 4 observatie onder een tintlichtmicroscoop

Fig. 5 observatie van tin onder een elektronenmicroscoop

Fig. 6 observatie van BN onder elektronenmicroscoop

Fig. 7 is een oplosbaarheidsproductcurve in vloeibaar ijzer bij 1400 ℃, 1450 ℃ en 1500 ℃;

Zoals te zien is in de figuur, wanneer de temperatuur van het gesmolten staal aan het begin van het stollen 1500℃ is, zal de aanwezigheid van 80ppm N en meer dan 0,043% Ti in het staal resulteren in vloeistof- en tinneerslag. Op dezelfde manier, als het N-gehalte in het staal 40ppm is en het Ti gehalte hoger is dan 0,086%, zal er vloeistof- en tinneerslag ontstaan.

Wanneer de uiteindelijke stollingstemperatuur van het dendriet gesmolten staal 1400℃ is, zal de aanwezigheid van 80ppm N en meer dan 0,012% Ti resulteren in vloeistof- en tinneerslag. Bovendien, als het N-gehalte in het staal 40ppm is en het Ti gehalte hoger is dan 0,024%, zal er vloeistof- en tinneerslag ontstaan.

Fig. 7 oplosbaarheidsproductcurve voor tin

Om het ontstaan van vloeibaar tin te voorkomen, is het cruciaal om het Ti en N gehalte in staal goed aan te passen. Dit onderdrukt de neerslag van vloeibaar tin tijdens het stollen en verhoogt de koelsnelheid tijdens het gieten om de neerslag in het laatst gestolde gesmolten staal te verminderen. Door de koelsnelheid te versnellen, zal er niet genoeg tijd zijn voor neerslag om dynamisch op te treden.

Berekeningen van het oplosbaarheidsproduct van tin in vloeibaar ijzer laten zien dat de uiteindelijke stollingstemperatuur tijdens het smelten en gieten ongeveer 1495 °C is, met een evenwichtsoplosbaarheidsproduct van tin van 0,00302.

Als het N-gehalte wordt gecontroleerd op 80 ppm, is de maximale hoeveelheid tin die kan worden opgelost in vloeibaar ijzer bij de uiteindelijke stollingstemperatuur 0,0413%. Om vloeibare neerslag van tin te voorkomen, moet de chemische samenstelling een Ti gehalte hebben van ≤ 0,0413%.

Als het stikstofgehalte wordt gecontroleerd op 60 ppm, is het maximale T-gehalte dat kan worden opgelost in vloeibaar ijzer bij de uiteindelijke stollingstemperatuur 0,05%. Om te voorkomen dat er vloeibaar tin ontstaat, moet het ontwerp-Ti-gehalte van de chemische samenstelling van het staal ≤ 0,05% zijn.

Om het effectieve B-gehalte in 35MnB-staal te verhogen, moet het N-gehalte in het staal worden verlaagd tot minder dan 60 ppm.

Als de neerslag van tin in de vloeibare fase meer dan 6 μm bedraagt, kan dit de vermoeiingslevensduur en slagvastheid van het materiaal sterk verminderen. Als het meer dan 6 μm is, moet het worden beoordeeld als Al₂O₃ brosse opname.

Insluitsels zoals tin, Al₂O₃MgO - Al₂O₃en Cao - Al₂O₃die hard en bros zijn en geen plasticiteit hebben onder de vervormingstemperatuur. Ze worden tijdens de vervorming gemakkelijk losgemaakt van de lichaamsstructuur, waardoor de continuïteit wordt beschadigd. In ernstige gevallen kunnen er scheuren of holtes ontstaan aan de rand van de niet-vervormde insluiting.

In bedrijf kan wisselende spanning gemakkelijk spanningsconcentratie veroorzaken, wat een bron van metaalmoeheid wordt.

3. Samenvatting

Goed materiaalsamenstelling controle is essentieel om de prestaties van het materiaal te garanderen. De aanbevolen samenstelling (in gewichtspercentage) voor 35MnB-materiaal tijdens het smelten is als volgt: