Een scanningelektronenmicroscoop werd gebruikt om de vermoeiingsbreuk te observeren en het breukmechanisme te analyseren. Tegelijkertijd werd een spinbuigvermoeidheidstest uitgevoerd op de ontkoolde monsters bij verschillende temperaturen om de vermoeiingslevensduur van het teststaal met en zonder ontkooling te vergelijken en het effect van ontkooling op de vermoeiingsprestaties van het teststaal te analyseren. De resultaten tonen aan dat, door het gelijktijdig optreden van oxidatie en ontkooling tijdens het verhittingsproces, de interactie tussen beide resulteert in een toename en vervolgens afname van de dikte van de volledig ontkoolde laag bij stijgende temperatuur. De dikte van de volledig ontkoolde laag bereikt een maximum van 120 μm bij 750 ℃ en een minimum van 20 μm bij 850 ℃. De vermoeiingsgrens van het teststaal bedraagt ongeveer 760 MPa. De bron van vermoeiingsscheuren in het teststaal zijn voornamelijk niet-metallische Al2O3-insluitingen. Het ontkolingsproces vermindert de vermoeiingslevensduur van het teststaal aanzienlijk en beïnvloedt de vermoeiingsprestaties van het staal. Hoe dikker de ontkolingslaag, hoe lager de vermoeiingslevensduur. Om de invloed van de ontkolingslaag op de vermoeiingsprestaties van het teststaal te verminderen, dient de optimale warmtebehandelingstemperatuur van het teststaal op 850 °C te worden ingesteld.
Versnellingsbak is een belangrijk onderdeel van een auto.Door de hoge snelheid waarmee de tandwielen draaien, moet het contactoppervlak van de tandwielen een hoge sterkte en slijtvastheid hebben. Bovendien moet de tandwortel een goede buigvermoeidheidsweerstand hebben vanwege de constante, herhaalde belasting, om scheuren en materiaalbreuk te voorkomen. Onderzoek toont aan dat ontkoling een belangrijke factor is die de buigvermoeidheidsweerstand van metalen materialen beïnvloedt. Deze weerstand is een belangrijke indicator voor de productkwaliteit. Daarom is het noodzakelijk om het ontkolingsgedrag en de buigvermoeidheidsweerstand van het testmateriaal te bestuderen.
In dit artikel wordt de ontkoling van het oppervlak van 20CrMnTi-tandwielstaal in een warmtebehandelingsoven geanalyseerd. De invloed van verschillende verwarmingstemperaturen op de diepte van de ontkolingslaag van het teststaal wordt onderzocht. Met behulp van een QBWP-6000J-buigproefmachine wordt de vermoeiingsweerstand van het teststaal bepaald door middel van een roterende buigproef. Tegelijkertijd wordt de impact van ontkoling op de vermoeiingsweerstand van het teststaal geanalyseerd, met als doel het productieproces te verbeteren, de productkwaliteit te verhogen en een redelijke referentie te bieden.
1. Testmaterialen en -methoden
Testmateriaal voor een eenheid om 20CrMnTi-tandwielstaal te leveren, de belangrijkste chemische samenstelling zoals weergegeven in Tabel 1. Ontkolingstest: het testmateriaal wordt verwerkt tot cilindrische monsters van Ф8 mm × 12 mm, het oppervlak moet glanzend en vrij van vlekken zijn. De monsters worden in een warmtebehandelingsoven verhit tot 675 ℃, 700 ℃, 725 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 900 ℃, 950 ℃ en 1000 ℃, gedurende 1 uur, en vervolgens aan de lucht afgekoeld tot kamertemperatuur. Na de warmtebehandeling van de monsters door uitharden, slijpen en polijsten, wordt de ontkolingslaag van het teststaal geërodeerd met een 4% salpeterzuur-alcoholoplossing. Met behulp van metallurgische microscopie wordt de ontkolingslaag van het teststaal geobserveerd en de diepte van de ontkolingslaag bij verschillende temperaturen gemeten. Spinbuigvermoeidheidstest: het testmateriaal wordt volgens de vereisten verwerkt tot twee groepen spinbuigvermoeidheidsmonsters. De eerste groep ondergaat geen ontkolingstest, de tweede groep een ontkolingstest bij verschillende temperaturen. Met behulp van een spinbuigvermoeidheidstestmachine worden de twee groepen teststaal onderworpen aan spinbuigvermoeidheidstesten. De vermoeiingsgrens van beide groepen wordt bepaald en de vermoeiingslevensduur van beide groepen wordt vergeleken. Met behulp van een scanningelektronenmicroscoop worden de oorzaken van de breuk in de monsters geanalyseerd om het effect van ontkoling op de vermoeiingseigenschappen van het teststaal te onderzoeken.
Tabel 1 Chemische samenstelling (massafractie) van het geteste staal (gewichtspercentage)
Effect van de verwarmingstemperatuur op de ontkoling
Figuur 1 toont de morfologie van de ontkolingsstructuur bij verschillende verwarmingstemperaturen. Zoals te zien is in de figuur, verschijnt er bij een temperatuur van 675 ℃ geen ontkolingslaag op het oppervlak van het monster; bij een temperatuur van 700 ℃ begint er een dunne ferrietlaag op het oppervlak te verschijnen; bij een temperatuur van 725 ℃ neemt de dikte van de ontkolingslaag aanzienlijk toe; bij 750 ℃ bereikt de dikte van de ontkolingslaag zijn maximumwaarde, waarbij de ferrietkorrels duidelijker en grover zijn; bij een temperatuur van 800 ℃ begint de dikte van de ontkolingslaag aanzienlijk af te nemen, tot de helft van de dikte bij 750 ℃. Wanneer de temperatuur verder stijgt tot 850 ℃, is de dikte van de ontkolingslaag weergegeven in Fig. 1. Bij 800 ℃ begint de dikte van de volledig ontkolingslaag aanzienlijk af te nemen, tot de helft bij 750 ℃. Bij een temperatuur van 850 ℃ en hoger blijft de dikte van de volledig ontkolingslaag van het teststaal afnemen, terwijl de dikte van de half ontkolingslaag geleidelijk toeneemt totdat de volledige ontkolingslaag volledig verdwijnt en de half ontkolingslaag geleidelijk weer zichtbaar wordt. Het is duidelijk dat de dikte van de volledig ontkolingslaag eerst toeneemt en vervolgens afneemt met de temperatuurstijging. Dit verschijnsel wordt veroorzaakt doordat het monster tijdens het verhittingsproces tegelijkertijd oxideert en ontkolt. Het ontkolingsverschijnsel treedt pas op wanneer de ontkolingssnelheid hoger is dan de oxidatiesnelheid. Aan het begin van het verhittingsproces neemt de dikte van de volledig ontkoolde laag geleidelijk toe met de temperatuurstijging, totdat de maximale dikte is bereikt. Bij verdere temperatuurverhoging is de oxidatiesnelheid van het monster hoger dan de ontkoolingssnelheid, wat de toename van de dikte van de volledig ontkoolde laag remt en resulteert in een dalende trend. Binnen het temperatuurbereik van 675 tot 950 °C is de dikte van de volledig ontkoolde laag het grootst bij 750 °C en het kleinst bij 850 °C. Daarom wordt een verhittingstemperatuur van 850 °C aanbevolen voor het teststaal.
Figuur 1. Histomorfologie van de ontkoolde laag van het teststaal, gedurende 1 uur op verschillende verwarmingstemperaturen gehouden.
Vergeleken met de semi-ontkoolde laag heeft de dikte van de volledig ontkoolde laag een veel ernstiger negatieve invloed op de materiaaleigenschappen. Het vermindert de mechanische eigenschappen van het materiaal aanzienlijk, zoals de sterkte, hardheid, slijtvastheid en vermoeiingsgrens, enz. Bovendien verhoogt het de gevoeligheid voor scheuren, wat de kwaliteit van het lassen beïnvloedt. Daarom is het beheersen van de dikte van de volledig ontkoolde laag van groot belang voor het verbeteren van de productprestaties. Figuur 2 toont de variatiecurve van de dikte van de volledig ontkoolde laag met de temperatuur, waardoor de variatie van de dikte van de volledig ontkoolde laag duidelijker wordt weergegeven. Uit de figuur blijkt dat de dikte van de volledig ontkoolde laag slechts ongeveer 34 μm bedraagt bij 700 ℃; bij een temperatuurstijging tot 725 ℃ neemt de dikte van de volledig ontkoolde laag aanzienlijk toe tot 86 μm, wat meer dan twee keer zo groot is als de dikte van de volledig ontkoolde laag bij 700 ℃. Wanneer de temperatuur wordt verhoogd tot 750 ℃, bereikt de dikte van de volledig ontkoolde laag een maximumwaarde van 120 μm; naarmate de temperatuur verder stijgt, begint de dikte van de volledig ontkoolde laag sterk af te nemen, tot 70 μm bij 800 ℃, en vervolgens tot een minimumwaarde van ongeveer 20 μm bij 850 ℃.
Figuur 2. Dikte van de volledig ontkoolde laag bij verschillende temperaturen.
Effect van ontkoling op de vermoeiingsprestaties bij spinbuigen
Om het effect van ontkoling op de vermoeiingseigenschappen van verenstaal te bestuderen, werden twee groepen spinbuigvermoeiingsproeven uitgevoerd. De eerste groep bestond uit vermoeiingsproeven zonder ontkoling, en de tweede groep uit vermoeiingsproeven na ontkoling bij hetzelfde spanningsniveau (810 MPa). Het ontkolingsproces werd gedurende 1 uur uitgevoerd bij 700-850 ℃. De vermoeiingslevensduur van de eerste groep monsters is weergegeven in Tabel 2.
De vermoeiingslevensduur van de eerste groep monsters wordt weergegeven in tabel 2. Zoals blijkt uit tabel 2, werd het teststaal zonder ontkoling slechts aan 107 cycli bij 810 MPa blootgesteld, zonder dat er breuk optrad; toen het spanningsniveau boven de 830 MPa kwam, begonnen sommige monsters te breken; toen het spanningsniveau boven de 850 MPa kwam, braken alle vermoeiingsmonsters.
Tabel 2 Vermoeiingslevensduur onder verschillende spanningsniveaus (zonder ontkoling)
Om de vermoeiingsgrens te bepalen, wordt de groepsmethode gebruikt om de vermoeiingsgrens van het teststaal vast te stellen. Na statistische analyse van de gegevens blijkt de vermoeiingsgrens van het teststaal ongeveer 760 MPa te zijn. Om de vermoeiingslevensduur van het teststaal onder verschillende spanningen te karakteriseren, wordt de S-N-curve uitgezet, zoals weergegeven in figuur 3. Zoals te zien is in figuur 3, corresponderen verschillende spanningsniveaus met verschillende vermoeiingslevensduur. Wanneer de vermoeiingslevensduur 7 bedraagt, wat overeenkomt met 107 cycli, betekent dit dat het monster onder deze omstandigheden de vermoeiingsgrens heeft bereikt. De corresponderende spanningswaarde kan worden benaderd als de vermoeiingssterkte, namelijk 760 MPa. Hieruit blijkt dat de S-N-curve een belangrijke referentiewaarde heeft voor het bepalen van de vermoeiingslevensduur van het materiaal.
Figuur 3. SN-curve van de experimentele vermoeiingstest voor roterend buigen van staal.
De vermoeiingslevensduur van de tweede groep monsters wordt weergegeven in Tabel 3. Zoals te zien is in Tabel 3, neemt het aantal cycli na het ontkolen van het teststaal bij verschillende temperaturen aanzienlijk af. Bij meer dan 107 cycli breken alle monsters, waardoor de vermoeiingslevensduur sterk afneemt. In combinatie met de temperatuurveranderingscurve van de dikte van de ontkolingslaag is te zien dat de dikte van de ontkolingslaag bij 750 ℃ het grootst is, wat overeenkomt met de laagste vermoeiingslevensduur. De dikte van de ontkolingslaag bij 850 ℃ is het kleinst, wat overeenkomt met een relatief hoge vermoeiingslevensduur. Hieruit blijkt dat het ontkolingsproces de vermoeiingsprestaties van het materiaal sterk beïnvloedt, en dat hoe dikker de ontkolingslaag, hoe lager de vermoeiingslevensduur.
Tabel 3 Vermoeiingslevensduur bij verschillende ontkolingstemperaturen (560 MPa)
De morfologie van de vermoeiingsbreuk van het monster werd waargenomen met een scanningelektronenmicroscoop, zoals weergegeven in Fig. 4. Figuur 4(a) toont het gebied waar de scheur is ontstaan. Hier is een duidelijke vermoeiingsboog te zien. Aan de hand van deze boog kan de bron van de vermoeiing worden gevonden. Deze blijkt te worden veroorzaakt door niet-metallische insluitingen met een "visoog"-achtige structuur. Deze insluitingen veroorzaken gemakkelijk spanningsconcentraties, wat resulteert in vermoeiingsscheuren. Figuur 4(b) toont de morfologie van het gebied waar de scheur zich uitbreidt. Hier zijn duidelijke vermoeiingsstrepen te zien, in de vorm van een rivier. Dit duidt op een quasi-dissociatieve breuk, waarbij de scheuren zich uitbreiden en uiteindelijk tot breuk leiden.
Vermoeidheidsbreukanalyse
Fig. 4. SEM-morfologie van het vermoeiingsbreukoppervlak van het experimentele staal.
Om het type insluitsels in figuur 4 te bepalen, werd een energiespectrumanalyse uitgevoerd. De resultaten hiervan zijn weergegeven in figuur 5. Hieruit blijkt dat de niet-metallische insluitsels voornamelijk Al2O3-insluitsels zijn, wat erop wijst dat deze insluitsels de belangrijkste bron zijn van scheuren die ontstaan door scheurvorming.
Figuur 5 Energiespectroscopie van niet-metallische insluitsels
Besluiten
( 1) Door de verwarmingstemperatuur op 850 ℃ in te stellen, wordt de dikte van de ontkoolde laag geminimaliseerd, waardoor het effect op de vermoeiingsprestaties wordt verminderd.
( 2) De vermoeiingsgrens van het teststaal bij spinbuigen is 760 MPa.
( 3) Het teststaal vertoont scheurvorming in niet-metallische insluitingen, voornamelijk een mengsel van Al2O3.
( 4) Ontkoling vermindert de vermoeiingslevensduur van het teststaal aanzienlijk; hoe dikker de ontkolingslaag, hoe lager de vermoeiingslevensduur.
Geplaatst op: 21 juni 2024
