Čelik za kaljenje kućišta.

- Oct 01, 2020-

Čelik za kaljenje kućišta

Čvrsta jezgra i tvrdo kućište željeni su atributi čeličnih komponenata ojačanih kućištem. Ova kombinacija svojstava osigurava otpornost na habanje i čvrstoću na zamor na površini, te čvrstoću na udar u jezgri. To se postiže karburacijom površine komponente, a zatim kaljenjem i kaljenjem dijela. Ugljikovite komponente uključuju zupčanike svih vrsta, bregaste osovine, univerzalne zglobove, pogonske zupčanike, dijelove karike, osovine i nosače. Sve ove komponente moraju se oduprijeti habanju i umoru, imati svojstvenu žilavost i dalje obradive.

Tipične primjene uključuju

  • Prijevoz:Komponente očvrsnute kućištem potrebne su u bilo kojem vozilu na motorni pogon, bilo da je to' mali automobil, trkaći automobil, kamion ili oceansko plovilo.

  • Proizvodnja energije:Zupčanici i veliki dijelovi moraju izdržati ciklično naprezanje i habanje u hidroelektranama, generatorima vjetroagregata, propelerskim pogonima bušaćih postrojenja i parno-turbinskim zupčanicima elektrana.

  • Opšte mašinstvo:Opšte mašinstvo: Primjene u ovom području uključuju prešu za kovanje, opremu za valjanje metala, alatne strojeve; pogonski sklopovi rudarske opreme i teških transmisija; zemljana oprema i teški građevinski kranovi. Otpornost na habanje i dobra čvrstoća na zamor uvijek su ključne karakteristike otvrdnutog čelika koji se koristi za ove primjene.

Case-hardened gear examples

Za sve što se kreće potrebni su kaljeni zupčanici

Tijekom karburacije komponenta se zagrijava u mediju koji oslobađa ugljik do temperature gdje je čelik potpuno austenitan. Topljivost ugljika je mnogo veća u austenitu nego u feritu, što omogućava ugljiku da prolazi kroz površinu čelika i difundira u komponentu. Ugljičenjem se može povećati sadržaj ugljika u površini i do 0,7%. Kontrola vremena na temperaturi omogućava kontrolu dubine do koje difundira ugljen, a time i debljina "kućišta". Takođe omogućava da sadržaj ugljenika u jezgri ostane oko 0,25%. Važan mikrostrukturni cilj tijekom karburacije je stabilan, jednoliko finozrni austenit. Ujednačena veličina zrna austenita rezultira malim izobličenjima nakon toplotne obrade, dok fina zrna austenita poboljšava otpornost na zamor i žilavost.

Gašenjem od temperature karburacije i naknadnim kaljenjem komponente dobije se martenzit s visokim ugljikom koji ima veliku tvrdoću i otpornost na habanje u blizini površine. Nekarburirana jezgra zadržava svoje izvorne dobre osobine čvrstoće i žilavosti.

Izbor odgovarajućih legirajućih elemenata omogućava preciznu kontrolu kaljenja od površine do jezgre. (Pogledajte sliku 1 za primjer Jominy krivulje koja se koristi za procjenu otvrdnjavanja.) Odgovarajući čelik ovisi o veličini dijela koji se obrađuje, jer je cilj proizvesti snažnu, žilavu, kaljenu strukturu martenzita u jezgri.

Standardni čelici za kaljenje kućišta
DIN - ENSAE / ASTM% Sadržaja legura
CCrMoOstalo
MnCr čelik
20MnCr551200.17-0.221.0-1.31,1-1,4 Mn
CrMo Steel
20MoCr4
0.17-0.230.3-0.60.40-0.50
20CrMo586200.18-0.231.1-1.40.20-0.30
NiCrMo čelik
20NiCrMo 6-4
0.16-0.230.6-0.90.25-0.351,4-1,7 Ni
18CrNiMo7-6
0.15-0.211.5-1.80.25-0.351,4-1,7 Ni
14NiCrMo13-4
0.11-0.170.8-1.10.10-0.253.0-3.5Ni
17NiCrMo 6-5
0.14-0.200.8-1.10.15-0.251,2-1,5Ni

Tabela 1: Standardni čelici za kaljenje kućišta

Molibden (0,15 - 0,50%) koristi se u karburacijskim čelicima za povećanje otvrdnjavanja jezgre sa niskim udjelom ugljika i istovremeno kaljenje kućišta s visokim udjelom ugljika. Naročito je efikasan u velikim poprečnim presjecima poput onih kod zupčanika vjetroagregata. Molibden se ne oksidira tijekom karburacije, tako da ne uzrokuje pojačano pucanje i ljuštenje površine. To također znači da se reakcijom ne gubi, već ostaje prisutan u leguri kako bi se osiguralo učinkovito stvrdnjavanje.

Snaga vjetra - glavni pokretač razvoja čelika za karburaciju

Zupčanici koji se koriste u velikim vjetroagregatima izloženi su ekstremnim opterećenjima na bokovima i na prstima zuba, posebno kada se pojave nagle promjene brzine vjetra ili jaka zaustavljanja. Tvrdo kućište i žilava jezgra rezultiraju zupčanikom otpornijim na habanje sposobnim za podnošenje velikih udarnih opterećenja. Menjači vjetroagregata dizajnirani su tako da minimaliziraju mehaničku buku za tihi rad, ali buka zupčanika se povećava tokom vijeka trajanja zbog abrazije površina zuba zupčanika. Povećavanjem površinske tvrdoće i otpornosti na habanje zupčanika smanjit će se buka u prijenosniku. Kombinacija tvrdo kućište / žilava jezgra koju posjeduju ugljenični zupčanici je prednost u ovom pogledu. Niskolegirani čelici koji se obično koriste za procese stvrdnjavanja (npr. 20MnCr5) nisu primjenjivi kada su potrebni dugi vijek zamora i velika žilavost. Čelici za karburaciju u kućištu visokih performansi NiCrMo pružaju sposobnost dubokog očvršćavanja i posjeduju visoku otpornost na zamor. Trenutno je razred 18CrNiMo7-6 standardni čelik za zupčanike za vjetrenjače. S obzirom na dalju optimizaciju karburativnog čelika za velike i teško opterećene zupčanike, mogu se definirati sljedeći prioriteti:

  • Povećana vlačna čvrstoća i žilavost jezgre

  • Veća čvrstoća na zamor i u jezgri i u kućištu

  • Poboljšana kaljenost

  • Niska izobličenja nakon kaljenja

  • Poboljšana svojstva na povišenim radnim temperaturama.

Nekoliko izvora degradacije imovine mora biti napadnuto da bi se postigli ovi ciljevi. Intergranularna oksidacija u ugljeničenom sloju može inicirati frakturu zamora, smanjujući čvrstoću zuba na zamor. Takođe uzrokuje meku zonu u blizini površine ugljeničenog sloja. Uklanjanje anomalija u površinskoj strukturi je stoga važan cilj u razvoju zupčanika sa velikom čvrstoćom na zamor. Povišenje temperature kaljenja poboljšava žilavost, ali zahtijeva povećanu otpornost na kaljenje kako ne bi izgubili snagu. Početni pristup provedbi ovih poboljšanja je prilagodba hemijskog sastava čelika, koristeći sljedeće smjernice:

  • Spriječiti intergranularnu oksidaciju → smanjiti Si, Mn i Cr.

  • Poboljšati otvrdnjavanje → povećati Mo.

  • Poboljšati žilavost → povećati Ni i Mo.

  • Rafinirati i homogenizirati veličinu zrna → uravnotežiti dodatke Nb, Ti, Al i N mikrolegiranje.

  • Ojačati granice zrna → smanjiti P i S.

Tvrdoća kućišta može se dodatno povećati stvaranjem disperzije ultra tvrdih Mo i Nb karbida. Ovo će ponuditi bolju mehaničku potporu ugljeničenom kućištu ili potencijalnom premazu tvrde površine. Jednostavno povećanje masovnog sadržaja ugljika naravno bi također povećalo otvrdnjavanje, ali ovaj pristup žrtvuje žilavost.

Na slici 1. prikazan je učinak modifikacija sastava na otvrdnjavanje referentnog čelika za ugljičenje od 0,18% C (18CrNiMo7-6). Očigledan je snažan učinak dodavanja karbidnih tvari. Na ovoj slici puna crta pokazuje kaljenost referentnog čelika. Povećanjem sadržaja Ni i snižavanjem Mo (isprekidana linija odozdo) povećava žilavost jezgra promicanjem stvaranja bainita, ali smanjuje tvrdoću kućišta povećanjem udjela zadržanih austenita nakon karburacije. Legiranje kombinacijom Mo i specijalnih karbidnih oblikovača (gornja isprekidana linija) ravnomjerno podiže tvrdoću komponente i povećava tvrdoću kućišta iznad osnovne tvrdoće čelika od 0f 0,18% C (isprekidana linija).

Jominy test results on two modified 18CrNiMo7-6 (solid line) steels

Slika 1. Rezultati Jominy testa na dva modificirana čelika 18CrNiMo7-6 (puna linija), pokazujući kako dodaci Mo mogu poboljšati performanse mjenjača vjetrenjača.

Nakon što se ugljičena komponenta ugasi, ona se kalje radi poboljšanja žilavosti. Više temperature kaljenja proizvode veću žilavost uz odgovarajući gubitak tvrdoće i čvrstoće. Izbor temperature kaljenja stoga mora uravnotežiti ove sukobljene efekte.

Tvrdoća i čvrstoća kućišta brzo se smanjuju kada se standardni čelik za pougljenjivanje temperira iznad 180 ° C. Zbog toga kritične primjene ograničavaju maksimalne radne temperature na 120-160 ° C, a hlađenje zupčanika postaje važno. Značajnim povećanjem sadržaja Mo i dodatnim dodavanjem Nb, otpornost na kaljenje čelika je znatno poboljšana. Slika 2 prikazuje učinak dodavanja 2% Mo umjesto standardnih 0,25%. Povećani sadržaj Mo proizvodi površinsku tvrdoću veću od 700 HV (60 HRC), čak i nakon kaljenja na 300 ° C.

Mo additions to quenched and tempered NiCrMo steel

Slika 2. Učinak dodataka Mo na tvrdoću kaljenog i kaljenog NiCrMo čelika.