Pásztázó elektronmikroszkópot alkalmaztak a fáradásos törés megfigyelésére és a törésmechanizmus elemzésére; ezzel egyidejűleg a dekarbonizált mintákon különböző hőmérsékleteken centrifugális hajlítási fáradási vizsgálatot végeztek, hogy összehasonlítsák a vizsgált acél dekarbonizált és anélküli fáradási élettartamát, valamint elemezzék a dekarbonizálás hatását a vizsgált acél fáradási teljesítményére. Az eredmények azt mutatják, hogy az oxidáció és a dekarbonizálás egyidejű jelenléte miatt a melegítési folyamatban a kettő közötti kölcsönhatás, amely a teljesen dekarbonizált réteg vastagságát eredményezi, a hőmérséklet növekedésével növekvő, majd csökkenő tendenciát mutat. A teljesen dekarbonizált réteg vastagsága 750 ℃-on eléri a maximális 120 μm értéket, a teljesen dekarbonizált réteg vastagsága pedig 850 ℃-on eléri a minimális 20 μm értéket, a vizsgált acél fáradási határa pedig körülbelül 760 MPa, és a vizsgált acélban a fáradásos repedések forrása főként az Al2O3 nemfémes zárványok. A dekarbonizációs viselkedés jelentősen csökkenti a vizsgált acél kifáradási élettartamát, ami befolyásolja a vizsgált acél kifáradási teljesítményét. Minél vastagabb a dekarbonizációs réteg, annál alacsonyabb a kifáradási élettartam. A dekarbonizációs rétegnek a vizsgált acél kifáradási teljesítményére gyakorolt hatásának csökkentése érdekében a vizsgált acél optimális hőkezelési hőmérsékletét 850 ℃-ra kell beállítani.
A sebességváltó az autó fontos alkatrészeA nagy sebességű működés miatt a fogaskerék felületének kapcsolódási részének nagy szilárdsággal és kopásállósággal kell rendelkeznie, a foggyökérnek pedig jó hajlítási kifáradási teljesítménnyel kell rendelkeznie az állandó ismétlődő terhelés miatt, hogy elkerülje az anyag töréséhez vezető repedéseket. A kutatások azt mutatják, hogy a dekarbonizáció fontos tényező, amely befolyásolja a fémanyagok centrifugális hajlítási kifáradási teljesítményét, és a centrifugális hajlítási kifáradási teljesítmény a termékminőség fontos mutatója, ezért szükséges a vizsgált anyag dekarbonizációs viselkedésének és centrifugális hajlítási kifáradási teljesítményének vizsgálata.
Ebben a tanulmányban a hőkezelő kemencén végzett 20CrMnTi fogaskerék acél felületi dekarbonizációs vizsgálatát elemezzük, különböző melegítési hőmérsékletek hatására a vizsgált acél dekarbonizációs rétegvastagsága változik; QBWP-6000J egyszerű gerendás fáradásvizsgáló géppel végezzük a vizsgált acél forgó hajlító fáradási vizsgálatát, meghatározzuk a vizsgált acél fáradási teljesítményét, és egyidejűleg elemezzük a dekarbonizáció hatását a vizsgált acél fáradási teljesítményére a tényleges gyártás során, a gyártási folyamat javítása, a termékek minőségének javítása és megfelelő referencia biztosítása érdekében. A vizsgált acél fáradási teljesítményét a forgó hajlító fáradásvizsgáló géppel határozzuk meg.
1. Vizsgálati anyagok és módszerek
A 20CrMnTi fogaskerékacél előállítására szolgáló egység vizsgálati anyaga, amelynek fő kémiai összetétele az 1. táblázatban látható. Dekarbonizációs vizsgálat: a vizsgálati anyagot Ф8 mm × 12 mm-es hengeres mintává dolgozzák fel, a felületnek fényesnek és foltmentesnek kell lennie. A hőkezelő kemencét 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃ és 1000 ℃ hőmérsékletre melegítik a mintába, 1 órán át tartják, majd szobahőmérsékletre hűtik. A hőkezelés után a mintát 4%-os salétromsavas alkoholos oldattal erózióval megmunkálják, majd metallurgiai mikroszkóppal megfigyelik a vizsgált acél dekarbonizációs rétegét, és megmérik a dekarbonizációs réteg vastagságát különböző hőmérsékleteken. Centrifugális hajlító fáradásvizsgálat: a vizsgálati anyagot a feldolgozási követelményeknek megfelelően két csoport centrifugális hajlító fáradási mintán dolgozták fel. Az első csoporton nem végeztek dekarbonizációs vizsgálatot, a második csoporton pedig különböző hőmérsékleteken végeztek dekarbonizációs vizsgálatot. Centrifugális hajlító fáradásvizsgáló géppel két vizsgálati acélcsoportot centrifugális hajlító fáradásvizsgálatnak vetettek alá, meghatározták a két vizsgálati acélcsoport fáradási határát, összehasonlították a két vizsgálati acélcsoport fáradási élettartamát, pásztázó elektronmikroszkópos fáradási törésmegfigyeléssel elemezték a minta törésének okait, és megvizsgálták a dekarbonizáció hatását a vizsgálati acél fáradási tulajdonságaira.
1. táblázat A vizsgált acél kémiai összetétele (tömegszázalék) tömeg%
A melegítési hőmérséklet hatása a dekarbonizációra
Az 1. ábra a dekarburációs szerveződés morfológiáját mutatja különböző fűtési hőmérsékletek mellett. Amint az ábrán látható, 675 ℃-os hőmérsékleten a minta felületén nem jelenik meg dekarburációs réteg; 700 ℃-ra emelkedve a minta felületén megjelenő dekarburációs réteg vékony ferrit dekarburációs réteg formájában jelenik meg; 725 ℃-ra emelkedve a minta felületén lévő dekarburációs réteg vastagsága jelentősen megnő; 750 ℃-on a dekarburációs réteg vastagsága eléri a maximális értékét, ekkor a ferritszemcse tisztább és durvább; 800 ℃-ra emelkedve a dekarburációs réteg vastagsága jelentősen csökkenni kezd, vastagsága a 750 ℃-os érték felére csökken. Amikor a hőmérséklet tovább emelkedik 850 ℃-ig, és a dekarburálás vastagsága az 1. ábrán látható. 800 ℃-on a teljes dekarburáló réteg vastagsága jelentősen csökkenni kezd, vastagsága a felére esik vissza 750 ℃-ra; amikor a hőmérséklet tovább emelkedik 850 ℃-ig vagy afelett, a vizsgált acél teljes dekarburáló réteg vastagsága tovább csökken, a dekarburáló réteg vastagságának fele fokozatosan növekszik, amíg a teljes dekarburáló réteg morfológiája teljesen eltűnik, a dekarburáló réteg felének morfológiája pedig fokozatosan kitisztul. Látható, hogy a teljesen dekarburált réteg vastagsága a hőmérséklet növekedésével először növekszik, majd csökken. Ennek a jelenségnek az oka a minta egyidejű oxidációs és dekarburálási viselkedése a melegítési folyamat során. A dekarburálási jelenség csak akkor jelentkezik, ha a dekarburálási sebesség gyorsabb, mint az oxidáció sebessége. A melegítés kezdetén a teljesen dekarbonizált réteg vastagsága fokozatosan növekszik a hőmérséklet növekedésével, amíg a teljesen dekarbonizált réteg vastagsága el nem éri a maximális értéket. Ekkor a hőmérséklet további emelése érdekében a minta oxidációs sebessége gyorsabb, mint a dekarbonizációs sebesség, ami gátolja a teljesen dekarbonizált réteg vastagságának növekedését, ami csökkenő tendenciát eredményez. Látható, hogy a 675 ~ 950 ℃ tartományban a teljesen dekarbonizált réteg vastagságának értéke 750 ℃-on a legnagyobb, a teljesen dekarbonizált réteg vastagságának értéke 850 ℃-on pedig a legkisebb, ezért a vizsgált acél melegítési hőmérsékletének ajánlott értéke 850 ℃.
1. ábra A dekarbonizált tesztacél réteg hisztomorfológiája, különböző melegítési hőmérsékleteken 1 órán át tartva
A félig dekarbonizált réteghez képest a teljesen dekarbonizált réteg vastagsága komolyabb negatív hatással van az anyagtulajdonságokra, jelentősen csökkenti az anyag mechanikai tulajdonságait, például csökkenti a szilárdságot, a keménységet, a kopásállóságot és a kifáradási határt stb., valamint növeli a repedésekkel szembeni érzékenységet, ami befolyásolja a hegesztés minőségét és így tovább. Ezért a teljesen dekarbonizált réteg vastagságának szabályozása nagy jelentőséggel bír a termék teljesítményének javítása érdekében. A 2. ábra a teljesen dekarbonizált réteg vastagságának hőmérsékletfüggését mutatja, amely a teljesen dekarbonizált réteg vastagságának változását szemlélteti világosan. Az ábrából látható, hogy a teljesen dekarbonizált réteg vastagsága 700 ℃-on mindössze körülbelül 34 μm; a hőmérséklet 725 ℃-ra emelkedésével a teljesen dekarbonizált réteg vastagsága jelentősen, 86 μm-re nő, ami több mint kétszerese a 700 ℃-on mért teljesen dekarbonizált réteg vastagságának. Amikor a hőmérséklet 750 ℃-ra emelkedik, a teljesen dekarbonizált réteg vastagsága Amikor a hőmérséklet 750 ℃-ra emelkedik, a teljesen dekarbonizált réteg vastagsága eléri a maximális 120 μm-es értéket; a hőmérséklet további emelkedésével a teljesen dekarbonizált réteg vastagsága meredeken csökkenni kezd, 800 ℃-on 70 μm-re, majd 850 ℃-on körülbelül 20 μm-es minimális értékre.
2. ábra A teljesen dekarbonizált réteg vastagsága különböző hőmérsékleteken
A dekarbonizáció hatása a fáradási teljesítményre centrifugális hajlításnál
A dekarbonizáció rugóacél fáradási tulajdonságaira gyakorolt hatásának vizsgálata érdekében két csoportnyi centrifugális hajlítási fáradási vizsgálatot végeztek. Az első csoportban közvetlenül dekarbonizáció nélkül, a második csoportban pedig dekarbonizáció után, azonos feszültségszinten (810 MPa) végeztek fáradási vizsgálatot. A dekarbonizációs folyamatot 700-850 ℃-on 1 órán át tartották. Az első csoport mintáit a 2. táblázat mutatja, amely a rugóacél fáradási élettartamát mutatja.
Az első csoport mintáinak kifáradási élettartamát a 2. táblázat mutatja. Amint a 2. táblázatból látható, dekarbonizálás nélkül a vizsgált acélt csak 107 ciklusnak tették ki 810 MPa nyomáson, és törés nem történt; amikor a feszültségszint meghaladta a 830 MPa-t, egyes minták törni kezdtek; amikor a feszültségszint meghaladta a 850 MPa-t, a kifáradási minták mind töröttek voltak.
2. táblázat: Fáradási élettartam különböző feszültségszintek mellett (dekarbonizáció nélkül)
A kifáradási határ meghatározásához csoportos módszert alkalmaztak a vizsgált acél kifáradási határának meghatározására, és az adatok statisztikai elemzése után a vizsgált acél kifáradási határa körülbelül 760 MPa volt; a vizsgált acél különböző feszültségek alatti kifáradási élettartamának jellemzésére az SN görbét ábrázolták, ahogy a 3. ábra mutatja. Amint a 3. ábrán látható, a különböző feszültségszintek különböző kifáradási élettartamoknak felelnek meg, amikor a kifáradási élettartam 7, ami 107 ciklusszámnak felel meg, ami azt jelenti, hogy a minta ilyen körülmények között átment az állapoton, a megfelelő feszültségérték közelíthető a kifáradási szilárdság értékével, azaz 760 MPa-val. Látható, hogy az S-N görbe fontos az anyag kifáradási élettartamának meghatározásához, fontos referenciaértékkel rendelkezik.
3. ábra Kísérleti acél forgóhajlító fáradási vizsgálatának SN görbéje
A második csoport mintáinak kifáradási élettartamát a 3. táblázat mutatja. Amint a 3. táblázatból látható, miután a vizsgált acélt különböző hőmérsékleteken dekarbonizálták, a ciklusok száma jelentősen csökkent, és meghaladta a 107-et, és az összes kifáradási minta törött, és a kifáradási élettartam jelentősen csökkent. A fenti dekarbonizált rétegvastagságot a hőmérsékletváltozási görbével kombinálva látható, hogy a 750 ℃-os dekarbonizált rétegvastagság a legnagyobb, ami a kifáradási élettartam legalacsonyabb értékének felel meg. A 850 ℃-os dekarbonizált rétegvastagság a legkisebb, ami a kifáradási élettartam értékének felel meg. Látható, hogy a dekarbonizációs viselkedés jelentősen csökkenti az anyag kifáradási teljesítményét, és minél vastagabb a dekarbonizált réteg, annál alacsonyabb a kifáradási élettartam.
3. táblázat Fáradási élettartam különböző dekarbonizációs hőmérsékleteken (560 MPa)
A minta fáradásos törés morfológiáját pásztázó elektronmikroszkóppal figyelték meg, ahogy az a 4. ábrán látható. A 4(a) ábrán a repedésforrás területén jól látható a fáradási ív, amely alapján megállapítható a fáradás forrása, látható a repedés forrása a "halszem" nemfémes zárványoknál, amelyek könnyen okoznak feszültségkoncentrációt, és fáradásos repedéseket eredményeznek; a 4(b) ábrán a repedés kiterjedési területének morfológiáján jól láthatóak a fáradási csíkok, amelyek folyószerű eloszlásúak, ami a kvázi-disszociatív törésre utal, a repedések tágulnak, és végül töréshez vezetnek. A 4(b) ábra a repedéstágulási terület morfológiáját mutatja, ahol jól láthatóak a fáradási csíkok folyószerű eloszlásúak, ami a kvázi-disszociatív törésre utal, és a repedések folyamatos tágulásával végül töréshez vezetnek.
Fáradásos töréselemzés
4. ábra Kísérleti acél fáradásos törésfelületének SEM morfológiája
A 4. ábrán látható zárványok típusának meghatározásához energiaspektrum-összetétel-elemzést végeztünk, amelynek eredményeit az 5. ábra mutatja. Látható, hogy a nemfémes zárványok főként Al2O3 zárványok, ami arra utal, hogy a zárványok a zárványrepedés által okozott repedések fő forrásai.
5. ábra Nemfémes zárványok energiaspektroszkópiája
Befejezés
(1) A fűtési hőmérséklet 850 ℃-ra állítása minimalizálja a dekarbonizált réteg vastagságát, ezáltal csökkentve a kifáradási teljesítményre gyakorolt hatást.
(2) A vizsgált acél centrifugális hajlításának kifáradási határa 760 MPa.
(3) A vizsgálati acél repedése nemfémes zárványokban, főként Al₂O₃ keverékben.
(4) A dekarbonizáció jelentősen csökkenti a vizsgált acél kifáradási élettartamát, minél vastagabb a dekarbonizációs réteg, annál rövidebb a kifáradási élettartam.
Közzététel ideje: 2024. június 21.
