Ковка из стали 42CrMo: Анализ и улучшение аномальной структуры

1. Предисловие

42CrMo - это среднеуглеродистая легированная конструкционная сталь, известная своими комплексными механическими свойствами, отличной прокаливаемостью и широким спектром применения. Она часто используется в машиностроении для производства зубчатых колес, шатунов, высокопрочных болтов и других важных компонентов.

Сталь 42CrMo для ковки поставляется сталелитейным заводом. Процесс производства включает в себя рафинирование вне печи, литье в слитки, ковку в чушки и, наконец, нормализацию.

Компания приобрела эту партию кованых заготовок для использования в производстве вала для намотки ленты. Окончательный процесс термообработки для данного изделия будет следующим закалка и отпуск.

Требуемые механические свойства: прочность на разрыв от 900 до 1100 МПа, упругость предел текучести не менее 650 МПа, а энергия поглощения удара - не менее 40 Дж.

Во время проверки сырья было обнаружено, что макро- и микрометаллографические структуры были ненормальными. Предварительно было установлено, что заготовка для ковки не была нормализована.

В этой заметке мы обсудим и проанализируем методы и возможности повышения качества кузнечной заготовки на основе результатов физико-химических испытаний. Будут сформулированы несколько схем термической обработки.

2. Физические и химические испытания

1. Анализ химического состава

В качестве материала для испытаний используется поковка из стали 42CrMo, которая была признана приемлемой в соответствии с требованиями к высококачественной легированной конструкционной стали (GB/T3077-2015).

Результаты испытаний, приведенные в таблице 1, были получены с помощью спектрометра Spectrolab и соответствуют требованиям стандарта.

Таблица 1 Химический состав (массовая доля) образца ковочной массы

2. Металлографическое исследование

На складе было проведено металлографическое обследование сырья.

Образец был отобран в соответствии с требованиями GB/T 13298-2015, в котором изложен метод исследования микроструктуры металла. Дефекты макроструктуры и неметаллические Включения оценивались с помощью диаграммы оценки дефектов макроструктуры конструкционной стали GB/T 1979-2001 и GB/T 10561-2005, в которой описано определение содержания неметаллических включений в стали.

Макроморфология показана на рисунке 1, а микроструктура - на рисунке 2. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Рис. 1 осмотр под малым увеличением образца заготовки для ковки (горячая коррозия в промышленной соляной кислоте 1:1)

a) Крупнозернистый сетчатый феррит

б) Часть ткани представляет собой сорбит

c) Часть ткани состоит из перлита + небольшое количество бейнита и феррита

г) Часть ткани грубая

Рис. 2 Металлографическая структура образца ковочной заготовки

Таблица 2 Результаты металлографических испытаний образцов кованых заготовок

3. Испытание механических свойств

Поковка будет отобрана и испытана на механические свойства в соответствии с требованиями, изложенными в GB/T 2975-2018. В настоящем стандарте изложены требования к месту отбора проб и подготовке образцов для проведения испытаний механических свойств стали и стальных изделий.

Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3 Результаты испытаний механических свойств поковки

4. Сравнение схемы термообработки с результатами физико-химических испытаний

Результаты физико-химических испытаний показали, что кованая заготовка имеет грубую структуру, аномальную структуру и плохие механические свойства, которые, как полагают, являются результатом низкого качества ковки и недостаточной нормализации обработки.

Для изучения влияния структуры сырья на окончательную термическую обработку (закалку и отпуск), а также для проверки влияния различных процессов термической обработки на качество сырья было разработано несколько схем термической обработки. Цель - проанализировать и предложить меры по улучшению.

Для испытания остатков ковочной массы были разработаны три процесса термической обработки: нормализация, закалка и отпуск, а также сочетание нормализации и закалки и отпуска.

Из поковок после термообработки были отобраны образцы, которые прошли испытания на металлографическую структуру и механические свойства. Результаты были сопоставлены с проектными требованиями и приведены в таблице 4.

Таблица 4 Показатели производительности и типы структур после трех процессов

После анализа и сравнения было обнаружено, что прочность и вязкость нормализованного образца значительно повысились, а сетевой феррит в структуре исчез, как показано на рис. 3.

Рис. 3 Структура после нормализации (воздушное охлаждение 880 ℃)

Хотя прямая закалка и отпуск поковки устранили чистый феррит в образце, прочность на разрыв была намного ниже технических требований, а в структуре наблюдалось заметное расслоение, как показано на рис. 4.

Рис. 4 Закалка (охлаждение маслом 860 ℃ и воздушное охлаждение 610 ℃)

Образцы, прошедшие нормализацию с последующей закалкой и отпуском, не только соответствовали всем техническим требованиям по эксплуатационным показателям, но и улучшили однородность структуры, как показано на рисунке 5.

Рис. 5 нормализация + закалка и отпуск (880 °С воздушное охлаждение + 860 °С масляное охлаждение, 610 °С воздушное охлаждение)

3. Заключение

Ненормальная структура, обнаруженная в поковке, обычно вызвана высокими температурами во время ковки, которые приводят к быстрому росту зерен и неспособности их измельчить. Кроме того, недостаточное охлаждение после ковки может привести к образованию сетевого феррита, что значительно ухудшает механические свойства материала, в частности его ударную вязкость при комнатной температуре.

Для предотвращения образования крупных зерен, сетевого феррита и даже widmanstatten структуры, очень важно строго контролировать температуру нагрева во время ковки и регулировать скорость охлаждения соответствующим образом. Нормализация может способствовать дальнейшему улучшению микроструктуры и предотвращению остаточного феррита и других структур.

Так как поковка не была нормализована в соответствии с требованиями, необходимо усилить металлографический контроль во время складирования сырья, чтобы убедиться, что оно соответствует необходимым требованиям в нормальном процессе. Если в исходной структуре обнаружены такие аномальные явления, как грубая структура, сетчатый феррит или даже широкополосные структуры, перед закалкой необходимо провести нормализационную обработку.

В противном случае полученная структура и свойства могут не соответствовать желаемым требованиям, а наличие ретикулярного феррита может даже вызвать закалочные трещины во время закалки, что приведет к разрушению изделия во время термообработки.