Comprendre l'acier 35MnB pour les matériaux d'ingénierie

Préface

L'acier 35MnB, un acier au manganèse à teneur moyenne en carbone allié au bore, est largement utilisé dans la fabrication de composants de châssis à chenilles pour les machines de construction. La popularité de ce matériau s'explique par son exceptionnelle trempabilité et sa réponse supérieure aux processus de traitement thermique, ce qui permet d'obtenir des composants présentant une résistance à l'usure et des propriétés mécaniques améliorées.

Les principales applications de l'acier 35MnB dans les systèmes à chenilles sont les suivantes :

1. Corps de roue à rouleaux : Ces composants essentiels supportent le poids de la machine et facilitent la fluidité des mouvements de la voie.
2. Maillons de chaîne de chenilles : Indispensables pour maintenir l'alignement des chenilles et répartir la charge sur le châssis.
3. Blocs de dents : Ils sont essentiels pour assurer la traction et s'engager dans les pignons d'entraînement.
4. Autres composants résistants à l'usure : Tels que les roues folles, les patins de chenilles et les dispositifs de réglage de la tension.

L'utilisation de l'acier 35MnB dans ces applications permet de prolonger la durée de vie, d'améliorer les performances dans des conditions de contraintes élevées et de réduire les besoins de maintenance pour les engins de construction opérant dans des environnements exigeants.

1. Effet des principaux éléments dans l'acier 35MnB

Compte tenu des conditions de fonctionnement difficiles de ses applications, l'utilisation de l'acier 35MnB nécessite qu'il soit à l'état trempé et revenu.

La trempabilité et l'aptitude à la trempe sont des indicateurs cruciaux pour trempé et revenu Ces valeurs sont généralement maintenues en contrôlant strictement des éléments clés tels que le carbone (C), le silicium (Si), le manganèse (Mn), le bore (B) et le chrome (Cr), qui ont un impact significatif sur la trempabilité.

1.1 Effet de la teneur en C

Les teneur en carbone dans l'acier 35MnB détermine la dureté atteignable après la trempe. Une teneur en carbone plus élevée entraîne une plus grande dureté de trempe, mais augmente également le risque de fissuration et réduit la plasticité et la résistance aux chocs de l'acier.

Pour les composants cruciaux tels que le châssis à chenilles, afin de minimiser l'effet de la fluctuation de la teneur en carbone sur la dureté de la surface et la profondeur de la couche de trempe, il est nécessaire d'établir des exigences pour la sélection de la teneur en carbone. En général, les limites supérieure et inférieure de la teneur en carbone sont contrôlées dans une fourchette de 0,05%.

1.2 Effet de la teneur en Si

Outre l'amélioration de la résistance et de la trempabilité, le silicium dans l'acier 35MnB contribue également à éliminer le gaz de l'acier et à le stabiliser au cours de la fabrication de l'acier.

Toutefois, à mesure que la teneur en silicium augmente, la plasticité et la ténacité de l'acier diminuent et il devient susceptible de former une structure en bandes.

1.3 Effet de la teneur en Mn

Le manganèse (Mn), qui est le principal élément d'alliage de l'acier 35MnB, améliore la trempabilité de l'acier et réduit sa résistance à la corrosion. vitesse de refroidissement critique. Le Mn forme une solution solide avec la ferrite pendant le chauffage, ce qui renforce la résistance de l'acier. Le Mn est généralement utilisé lorsque la profondeur de la couche durcie est supérieure à 4 mm. En effet, il réduit la vitesse de refroidissement critique, ce qui permet d'obtenir une dureté de trempe plus uniforme, même lorsque les conditions de refroidissement ne sont pas stables.

Comme le montrent les figures 1 et 2, lorsque la teneur en Mn de l'acier est de 1,10%, elle améliore considérablement la résistance de l'acier avec seulement une diminution mineure de la plasticité et une légère amélioration de la ténacité. Cependant, si la teneur en Mn dépasse cette quantité, la trempabilité et la résistance continueront à s'améliorer, mais la ténacité diminuera de manière significative.

Fig. 1. Effet des éléments d'alliage sur le renforcement de la solution solide

Fig. 2 Effet des éléments d'alliage sur l'énergie d'impact de la ferrite

1.4 Effet de la teneur en B

Dans l'acier à haute résistance trempé et revenu, l'ajout de élément d'alliage B peut améliorer la trempabilité. Pour ce faire, on dissout une petite quantité de B dans de l'eau à haute température. austénite. Pendant le refroidissement, B se sépare au niveau du austénite les joints de grains, inhibant la nucléation de la ferrite et améliorant ainsi la trempabilité, en particulier à de faibles vitesses de refroidissement.

Cependant, le B dans l'acier est un élément actif qui réagit facilement avec le N pour former du BN stable, qui est insoluble aux températures de trempe. Cela réduit la quantité de B effectif dans la solution solide d'austénite et réduit ses effets d'amélioration de la trempabilité.

Pour améliorer la trempabilité, il est nécessaire d'ajouter des éléments formant des nitrures, de contrôler les éléments N et de maintenir la quantité de B en solution solide dans l'austénite. En outre, lorsque la teneur en B dépasse 30 ppm, la plasticité et la ténacité du matériau diminuent considérablement.

Les éléments tels que V, Ti, Al et B sont de puissants éléments nitrures dans l'acier et forment les nitrures VN, AlN, BN et TiN, respectivement. Lorsqu'il est ajouté à de l'acier contenant du B, le N de l'acier précipite de préférence sous forme de TiN ou de Ti (C, N). Cette précipitation commence à des températures supérieures à 1400℃, bien plus élevées que la température de début de précipitation du BN. Lorsque la température diminue, la proportion de N solide dans le TiN augmente, fixant N dans l'acier et empêchant la formation de BN, augmentant ainsi la teneur effective en B dans l'austénite et améliorant la trempabilité.

Pour maximiser la teneur effective en B, il est important de contrôler le rapport TiN dans l'acier, avec une valeur idéale de 3,42. Si le rapport est inférieur à 3,42, la teneur en N résiduel augmentera et la précipitation du BN se produira, ce qui réduira la teneur effective en B, la trempabilité et augmentera la fragilité. Pour éviter ces effets, il est important de contrôler strictement la teneur en azote résiduel dans l'acier.

1.5 Effet de la teneur en chrome

Le chrome est un élément qui améliore considérablement la trempabilité de l'acier.

L'ajout de Cr à l'acier au chrome à teneur moyenne en carbone augmente la période d'incubation de la transformation de phase, ce qui entraîne un déplacement vers la droite de la courbe de transformation isotherme. Cela entraîne également une transformation en perlite à des températures plus élevées et une transformation en bainite à des températures plus basses.

Par conséquent, lorsque la bonne quantité de chrome est ajoutée à l'acier, même en cas de refroidissement lent pendant le processus de fabrication, il est possible d'obtenir des résultats très satisfaisants. processus de trempeL'austénite sous-refroidie ne se transforme pas en perlite ou en bainite avant d'atteindre la température de transformation en martensite, ce qui améliore considérablement la trempabilité de l'acier.

Cependant, le Cr exacerbe également de manière significative la fragilité à chaud des aciers au nickel et au manganèse. C'est pourquoi la teneur en Cr de l'acier 35MnB est soigneusement réglementée.

Des études sur l'effet des traces de Cr sur la trempabilité de l'acier à chenilles 35MnB indiquent que même de petites variations de la teneur en Cr (Cr ≤ 0,20%) peuvent avoir un impact significatif sur la trempabilité, en particulier lorsque la teneur en Cr dépasse 0,10%. La dureté de l'acier s'en trouve considérablement améliorée, en particulier aux points éloignés de l'extrémité refroidie à l'eau.

La figure ci-dessous montre que la dureté de trempe peut augmenter de 2 à 3 HRC en moyenne entre 1,5 et 20,0 m de l'extrémité refroidie à l'eau. Lorsque la distance par rapport à l'extrémité refroidie à l'eau est supérieure à 20,0 m, la dureté augmente encore, d'environ 6 HRC.

En outre, le diamètre de la barre ronde trempable de l'acier 35Mnb contenant du Cr0.18% est environ 20 mm plus grand que celui de l'acier contenant du Cr0.02%.

Fig. 3 Effet de la teneur en Cr sur la trempabilité

Le Cr ayant la capacité de former des carbures, il nécessite une augmentation de la température de chauffage et un temps de chauffage prolongé, ce qui n'est pas idéal pour la trempe par induction.

2. Harm de l'étain dans l'acier 35MnB

Au cours du processus de fabrication de l'acier, le point de fusion élevé de l'étain entraîne sa précipitation dans la phase liquide avant la coulée et la solidification. Il en résulte la formation de particules d'étain dans le liquide, dont la taille est généralement comprise entre 2 et 10 μm.

Ces particules ont une forme carrée, rhombique ou triangulaire (différente de celle du BN, comme le montre la figure 6) et présentent une dureté extrêmement élevée (supérieure à 1000V).

Comme le montrent les figures 4 et 5, ces particules ne peuvent être modifiées par aucune méthode de traitement et ne peuvent être dissoutes par une solution solide à haute température. En outre, elles entraînent une dispersion importante de l'énergie d'impact.

Fig. 4 Observation au microscope à lumière étain

Fig. 5 : observation de l'étain au microscope électronique

Fig. 6 : Observation du BN au microscope électronique

La figure 7 est une courbe du produit de solubilité dans le fer liquide à 1400 ℃, 1450 ℃ et 1500 ℃ ;

Comme le montre la figure, lorsque la température de l'acier fondu au début de la solidification est de 1500℃, la présence de 80ppm de N et de plus de 0,043% de Ti dans l'acier entraînera une précipitation de liquide et d'étain. De même, lorsque la teneur en N de l'acier est de 40ppm et que la teneur en Ti dépasse 0,086%, il y aura des précipitations de liquide et d'étain.

Lorsque la température finale de solidification de l'acier fondu à dendrite est de 1400℃, la présence de 80ppm de N et de plus de 0,012% de Ti entraînera une précipitation de liquide et d'étain. En outre, si la teneur en N de l'acier est de 40 ppm et que la teneur en Ti dépasse 0,024%, il y aura des précipitations de liquide et d'étain.

Fig. 7 Courbe du produit de solubilité de l'étain

Pour prévenir l'apparition de l'étain liquide, il est essentiel d'ajuster la teneur en Ti et en N de l'acier de manière appropriée. Cela supprimera la précipitation de l'étain liquide pendant la solidification et augmentera la vitesse de refroidissement pendant la coulée pour réduire la précipitation dans le dernier acier fondu solidifié. En accélérant la vitesse de refroidissement, il n'y aura pas assez de temps pour que la précipitation se produise de manière dynamique.

Les calculs du produit de solubilité de l'étain dans le fer liquide montrent que la température finale de solidification pendant la fusion et la coulée est d'environ 1495°C, avec un produit de solubilité de l'étain à l'équilibre de 0,00302.

Si la teneur en N est contrôlée à 80 ppm, la quantité maximale d'étain pouvant être dissoute dans le fer liquide à la température finale de solidification est de 0,0413%. Pour éviter la précipitation liquide de l'étain, la composition chimique doit avoir une teneur en Ti ≤ 0,0413%.

Si la teneur en azote est contrôlée à 60 ppm, la teneur maximale en T qui peut être dissoute dans le fer liquide à la température finale de solidification est de 0,05%. Pour éviter de produire de l'étain liquide, la teneur en Ti de la composition chimique de l'acier doit être ≤ 0,05%.

Pour augmenter la teneur effective en B de l'acier 35MnB, la teneur en N de l'acier doit être réduite à moins de 60 ppm.

Si la précipitation de l'étain en phase liquide dépasse 6 μm, elle peut réduire considérablement la durée de vie en fatigue et la résistance aux chocs du matériau. Si elle dépasse 6 μm, le matériau doit être considéré comme de l'Al₂O₃ inclusion fragile.

Les inclusions telles que l'étain, l'Al₂O₃MgO - Al₂O₃et Cao - Al₂O₃qui sont durs et cassants, n'ont pas de plasticité à la température de déformation. Elles se séparent facilement de la structure du corps au cours de la déformation, endommageant ainsi sa continuité. Dans les cas les plus graves, des fissures ou des cavités peuvent apparaître au bord de l'inclusion non déformée.

En service, l'alternance des contraintes peut facilement provoquer une concentration de contraintes, devenant ainsi une source de fatigue du métal.

3. Résumé

Bon composition du matériau est essentiel pour garantir les performances du matériau. La composition recommandée (en pourcentage de poids) pour le matériau 35MnB pendant la fusion est la suivante :