Анализ недостаточной твердости гидравлических цилиндров из стали 20CrMo

1. Предисловие

В этой статье рассматривается влияние концентрации углерода на поверхности на свойства стали 20CrMo при термообработке.

Чтобы обеспечить требуемое содержание углерода в атмосфере печи в течение всего процесса науглероживания и необходимую концентрацию углерода на поверхности заготовки после науглероживания, необходимо тщательно регулировать концентрацию углерода в процессе науглероживания. Кроме того, оптимизация процесса закалки может помочь достичь лучшей закалочной твердости, что приведет к хорошей износостойкости.

Сталь 20CrMo - низколегированная углеродистая конструкционная сталь, широко используемая для производства различных деталей, таких как шестерни, валы и высокопрочный крепеж. Например, в производстве компании этот материал используется для изготовления гидроцилиндра гидравлической дробилки на строительной технике.

Для того чтобы гидравлический цилиндр отвечал требованиям высокой твердости и износостойкости после термической обработки науглероживанием, а также хорошей пластичности и вязкости (т.е. отличных комплексных механических свойств), необходимо было провести целенаправленные исследования.

Однако во время первоначального производства гидравлического цилиндра поверхностная твердость заготовки была низкой, и эта проблема сохранялась, несмотря на попытки устранить ее путем корректировки технологических условий. В результате было проведено целенаправленное исследование заготовки.

2. Процесс термообработки, технические требования и проблемы гидравлического цилиндра

Этот тип гидроцилиндра имеет большой объем, вес единицы продукции составляет около 365 кг, а эффективная толщина - 150-200 мм.

Обратитесь к рисунку 1, чтобы получить наглядное представление о реальной заготовке.

После термической обработки, науглероживания и закалки заготовка должна иметь глубину науглероживающего слоя 1,0-1,4 мм и общую твердость 58-62HRC.

Пожалуйста, обратитесь к таблице 1, чтобы узнать химический состав стали 20CrMo в GB/T 3077-1999 легированной конструкционной стали.

Таблица 1 химический состав стали 20CrMo (массовая доля) (%)

Для обработки в процессе производства используются различные технологические методы. Однако результаты показывают, что поверхностная твердость ниже 50HRC, что делает ее неквалифицированной. Регулировка температуры науглероживания и повышение температуры закалки не могут удовлетворить технические требования.

Более подробная информация о процессе термообработки приведена в таблице 2.

Таблица 2 Процесс термообработки

3. Анализ причин низкой твердости поверхности гидравлического цилиндра

(1) Температура науглероживания

Температура науглероживания - важнейший технологический параметр процесса науглероживания, который существенно влияет на способность аустенит для растворения углерода.

С повышением температуры растворимость углерода в аустенит также увеличивается.

Согласно фазовой диаграмме железо-углерод, насыщенная растворимость углерода в аустенит составляет 1,0% при 850℃ и 1,25% при 930℃.

Точность температуры науглероживания напрямую влияет на качество закалки заготовок.

После проведения 9-точечной проверки температуры оборудования, мы не обнаружили никаких отклонений в температуре, температура печи в норме, и нет значительной разницы температур.

Таким образом, можно исключить влияние температуры на поверхностную твердость заготовки.

(2) Влияние концентрации углерода

Во время выполнения процесса для каждого номера процесса используется испытательный блок печи размером 25 мм x 25 мм.

Результаты испытаний на твердость испытательного блока лучше, чем у корпуса заготовки.

В таблице 3 приведены результаты испытаний на твердость науглероженного тестового блока, выполненного в соответствии с процессом 3, как в торцевом, так и в продольном направлении заготовки.

Таблица 3 Результаты испытаний на твердость заготовок (HRC)

Согласно методу определения и проверки глубины эффективного закаленного слоя при науглероживании и закалке железа и стали, описанному в GB/T 9450-2005, градиент твердости науглероженного слоя проверяется на испытательном блоке печи после процесса термообработки.

Результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4 Результаты испытаний на градиент твердости слоя проникновения в заготовку

Науглероженный слой тестового блока исследуется методом металлографического анализа, чтобы убедиться, что концентрация углерода соответствует требуемым спецификациям.

На рис. 2 показана металлографическая структура поверхностного слоя и эффективная глубина упрочненного слоя заготовки.

После наблюдения металлографической структуры науглероженного слоя испытательного блока на рис. 2 было обнаружено, что поверхностный слой состоит в основном из игольчатых мартенсит и остаточного аустенита. Значительного карбидного состава не обнаружено.

Кроме того, определение глубины эффективного закаленного слоя показало, что после науглероживания на тестовом блоке наблюдалось явное явление "поднятия головы". Это говорит о том, что в науглероженном слое была заметная атмосфера окисления, что привело к низкой поверхностной твердости и увеличению ступенчатой твердости.

Чтобы лучше изучить микроструктуру инфильтрированного слоя тестового блока заготовки, тестовый блок был подвергнут отжигу. Сайт отжиг Процесс включал в себя охлаждение тестового блока с 860 ℃ × 30 минут до 500 ℃ с помощью печи, а затем воздушное охлаждение.

Для наблюдения за равновесной металлографической структурой науглероженных деталей из стали 20CrMo были подготовлены и исследованы металлографические образцы, как показано на рис. 3.

По результатам наблюдения металлографической структуры в равновесном состоянии на рис. 3 видно, что морфология микроструктуры науглероженного слоя в низкоуглеродистой стали после медленного охлаждения значительно отличается от морфологии обычной низкоуглеродистой стали. Гиперэвтектоидный слой, эвтектоидный слой и переходный слой в науглероженном слое не могут быть четко и эффективно разграничены.

Микроструктура низкоуглеродистой стали после науглероживания и медленного охлаждения должна состоять из поверхностного слоя перлита и чистого цементита, эвтектоидной структуры внутри, переходной зоны субэвтектоидной структуры и исходной структуры.

Что касается равновесной структуры на рис. 3, то ее морфология и структура больше похожи на равновесную структуру, полученную после отжига обычной среднеуглеродистой стали, которая имеет равномерно распределенную перлитную и ферритную структуру. Очевидного цементита не обнаружено, что свидетельствует о том, что углеродный потенциал атмосферы науглероживания в печи недостаточен для обеспечения достаточной концентрации углерода на поверхности заготовки.

Поэтому для получения достаточной концентрации углерода на поверхности заготовки и формирования эффективного градиента концентрации углерода необходимо увеличить углеродный потенциал при нормальной температуре науглероживания.

4. Улучшение методов и условий процесса

Диффузия атомов углерода от поверхности к центру необходима для науглероживания и достижения определенной глубины науглероженного слоя.

Движущей силой диффузии является градиент концентрации углерода между поверхностью и ядром.

Для улучшения эффекта науглероживания очень важно своевременно поглощать активированные атомы углерода, чтобы обеспечить равномерную циркуляцию атмосферы печи. Скорость подачи атомов углерода (скорость разложения) должна соответствовать скорости поглощения, чтобы предотвратить недостаточное поступление и осаждение углерода.

В результате анализа исходных технологических звеньев и тестовых блоков было установлено, что низкая твердость реальной заготовки была обусловлена в первую очередь низкой концентрацией углерода на поверхности науглероживающего слоя, вызванной недостаточной атмосферой в печи. Это привело к неэффективной науглероживающей обработке, препятствующей формированию идеальной структуры науглероживающего слоя и достижению достаточной твердости.

Для решения этой проблемы были предприняты целенаправленные меры по устранению неполадок: капитальный ремонт оборудования, замена оборудования для контроля углеродного потенциала, проверка герметичности корпуса печи и повторная обработка атмосферы печи для определения углерода, чтобы обеспечить однородность и точность атмосферы печи.

После повторной оценки условий в печи и переустановки режимов науглероживания и процесс закаливания параметры, производство может продолжаться.

Процесс термообработки см. в таблице 5.

Таблица 5 Процесс термической обработки

Металлографическая структура инфильтрированного слоя тестового блока, обработанного по скорректированной технологии термообработки, представлена на рис. 4.

На рисунке 4 показано, что металлографическая структура состоит в основном из тонких закаленных мартенситмелкозернистый карбид и небольшое количество остаточного аустенита, что соответствует нормальной структуре науглероживания и закалки. Это обеспечивает эффективную поверхностную твердость и общую поверхностную твердость заготовки, которая соответствует диапазону, требуемому техническими условиями.

Чтобы лучше понять изменения микроструктуры до и после корректировки процесса термообработки, тестовый блок подвергается отжигу по той же технологии.

Процесс отжига включает в себя нагрев блока до 860 ℃ в течение 30 минут, охлаждение до 500 ℃ в печи и, наконец, воздушное охлаждение.

Для наблюдения за равновесной структурой науглероженных деталей из стали 20CrMo были подготовлены металлографические образцы.

На рисунке 5 показана отожженная структура после термической обработки в процессе регулировки.

На рис. 5 четко видно присутствие перлита и сетчатого цементита, а сравнение структуры поверхностного слоя на рис. 3 подчеркивает разницу между ними.

Структура, представленная на рис. 3, напоминает равновесную структуру обычной среднеуглеродистой стали после отжига, с содержание углерода (массовая доля) около 0,5%.

Напротив, равновесная структура на рис. 5 демонстрирует структуру перлит + сетевой цементит, возникающую при обычном науглероживающем отжиге.

Такое изменение структуры позволяет предположить, что в исходных условиях процесса имелись серьезные проблемы с атмосферой печи. В результате условия науглероживания заготовок не соответствовали установленным требованиям, что в конечном итоге привело к несоответствию заготовок заданным техническим требованиям после технологической обработки.

5. Заключение

1. Структура превращения твердой фазы при медленном охлаждении низколегированной углеродистой конструкционной стали после науглероживания и закалки может быть использована для определения содержания углерода в конечном науглероженном слое. Это, в свою очередь, помогает определить, соответствует ли атмосфера печи требуемым стандартам.
2. Хотя увеличение углеродного потенциала может в некоторой степени усилить эффект науглероживания, ограниченная насыщенная растворимость углерода в аустените требует гибкой настройки углеродного потенциала в зависимости от фактических условий, чтобы избежать возможности осаждения углерода.
3. Точность оборудования для науглероживания напрямую влияет на конечные результаты термообработки.