Resolvendo o quebra-cabeça da têmpera de fissuras no aço 27SiMn: análise e soluções

Recentemente, ocorreram trincas de têmpera em lote em uma parte da unidade durante o tratamento térmico, e o índice de refugo atingiu 20%.

O material das peças é 27SiMn, e o processo de tratamento térmico adotado é de pré-aquecimento de 480 ℃ (30min) + (900 ± 10) ℃ × 15min de aquecimento em banho de sal e resfriamento de água circulante + têmpera de 500 ℃.

Neste post é realizada a análise física e química das causas de trincas de têmpera das peças, são apresentadas as soluções e obtidos bons resultados na produção posterior.

1. Análise física e química

(1) Observação macroscópica

Conforme mostrado na Figura 1, através da observação das peças sucateadas após o tratamento térmico, verifica-se que todas as trincas de têmpera das peças aparecem dentro ou próximo aos furos internos das peças.

No estado macroscópico, as fissuras avançam ao longo dos furos internos das peças em forma de pequena serrilhada em zigue-zague, com comprimento de vários milímetros a dez milímetros e profundidade de 2 a 5 mm ao longo da direção axial.

Geralmente, cada parte apresenta várias rachaduras.

Fig. 1 foto macro de têmpera de trincas de peças

(2) Teste de composição química

As partes trincadas são amostradas para teste de composição química.

Os resultados do teste são mostrados na Tabela 1.

A composição química está em conformidade com a composição química e propriedades mecânicas da GB / T 3077-1999 da liga de aço estrutural.

Tabela 1 Composição química de peças de aço 27SiMn (fração de massa) (%)

(3) Análise metalográfica

A observação metalográfica deve ser realizada por amostragem na parte fissurada da peça.

Conforme mostrado na Figura 2, ao microscópio metalográfico, pode-se observar claramente que a trinca serpenteia ao longo do limite do grão;

A descarbonetação e a oxidação não são encontradas em ambos os lados da trinca, o que deveria ser causado pela têmpera;

As rachaduras racham ao longo do limite do grão, que deve ser uma fratura intergranular;

Há um grande número de estruturas reticuladas brancas na extremidade traseira e em ambos os lados da fissura.

O teste de microdureza mostra que as estruturas reticuladas brancas são estruturas reticuladas de ferrita.

O interior do grão é uma estrutura de sorbita temperada e uma pequena quantidade de estrutura de bainita superior pinada.

A observação metalográfica é realizada no núcleo das peças temperadas.

Conforme mostrado na Fig. 3, a estrutura da matriz das peças é uma estrutura de sorbita temperada + estrutura de malha branca e uma pequena quantidade de estrutura de bainita superior.

A microdureza da estrutura reticular branca foi testada, e o valor da microdureza foi de cerca de 300hv, o que pode ser considerado como estrutura reticular de ferrita.

2. Discussão

No estado temperado dos materiais de aço, geralmente existem duas formas de estrutura de ferrita:

A primeira forma é extinta em subtemperatura ou temperatura normal, mas o tempo de retenção é muito curto.

A estrutura da ferrita é retida na têmpera e resfriamento subsequente porque não se transforma completamente em austenita ou não tem tempo de transformação, e seu formato é em bloco ou meio crescente no limite do grão ou no interior do grão;

A segunda forma é a têmpera à temperatura normal, mas devido à lenta taxa de resfriamento em alta temperatura durante o resfriamento, a estrutura de ferrita precipitará preferencialmente na forma de uma rede no limite do grão.

As diferentes formas de estrutura de ferrita na estrutura da matriz têm grande impacto nas propriedades dos materiais.

A primeira forma é que a estrutura da ferrita não é totalmente austenitizada e é distribuída no contorno de grão ou grão dentro da estrutura da matriz em forma de bloco ou semi-crescente.

De um modo geral, tem um bom efeito no alívio do estresse de têmpera, na redução de trincas de têmpera e na melhoria da fragilidade em baixas temperaturas.

A razão é que a tensão estrutural e a tensão de transformação geradas durante a transformação martensítica serão bastante aliviadas devido ao bom formato da estrutura de ferrita.

Além disso, a estrutura de ferrita é distribuída no limite do grão em forma de bloco ou crescente, e mais oligoelementos como s e P podem ser dissolvidos, o que tem efeito óbvio na eliminação da fragilidade reversível da têmpera e na melhoria da fragilidade a frio do aço.

Na segunda forma, devido à lenta velocidade de resfriamento em alta temperatura durante o processo de têmpera, a estrutura de ferrita assume a liderança na forma de rede e precipita ao longo do contorno de grão.

Essa estrutura tem grande impacto nas propriedades mecânicas do aço, o que reduzirá bastante a resistência ao impacto do material e aumentará a probabilidade de extinção de trincas.

A razão é que a estrutura de ferrita está distribuída no contorno do grão em forma de rede.

Devido à baixa resistência da estrutura de ferrita, mais oligoelementos podem ser dissolvidos, o que enfraquece bastante a resistência do limite do grão e reduz a resistência ao impacto.

Uma vez que a tensão estrutural e a tensão de transformação de fase do material são muito grandes durante a têmpera, a trinca irá nuclear preferencialmente no limite do grão onde a rede de ferrita está localizada e rachar ao longo do contorno do grão, resultando em acidentes de qualidade.

Neste post, todas as partes rachadas das peças temperadas aparecem no furo interno.

Pode-se observar claramente pela estrutura metalográfica das peças temperadas que existe um grande número de estruturas de ferrite em rede, e as trincas serpenteiam ao longo do limite de grão, o que indica que há problemas no processo de têmpera e resfriamento das peças.

A partir dos testes físicos e químicos acima, pode-se observar que os elementos de liga do Aço 27SiMn, principalmente o teor de carbono, são superiores ao limite superior, portanto a temperabilidade é melhor;

Em geral, o diâmetro crítico do aço 27SiMn pode atingir 38 mm em água estática de 20 ℃ e a espessura efetiva das peças é de 13 mm.

Portanto, em condições normais, as peças podem ser totalmente temperadas em água.

A estrutura metalográfica normal após o tratamento térmico deve ser uma estrutura de sorbite temperada.

No entanto, a partir da observação da estrutura metalográfica na Figura 2 e Figura 3, é anormal que haja um grande número de estruturas de ferrita em rede e uma pequena quantidade de estrutura de bainita superior na estrutura.

O meio de têmpera das peças é a circulação de água da torneira.

O desempenho de resfriamento da água é muito sensível à temperatura.

Quando a temperatura da água for superior a 40 ℃, o desempenho de resfriamento será bastante reduzido e sua capacidade de resfriamento na região de alta temperatura (500-700 ℃) será drasticamente reduzida, enquanto a capacidade de resfriamento de baixa temperatura na região de baixa temperatura. a região de transformação martensítica de temperatura (200-350 ℃) será menos reduzida.

Isso pode ser visto na Figura 4.

Isso levará facilmente às seguintes consequências:

O resfriamento lento das peças na zona de alta temperatura leva à transformação da estrutura de austenita em estrutura de ferrita e distribuída no contorno de grão em uma rede, enfraquecendo o contorno de grão;

Porém, na região de baixa temperatura, a taxa de resfriamento é muito rápida, a austenita se transforma em martensita e a tensão estrutural é muito grande.

Fig. 4 Diagrama esquemático da curva de velocidade de resfriamento da água em diferentes temperaturas (água parada)

Através de investigação de campo e visita, o autor descobriu que o sistema de controle de temperatura do forno de banho de sal estava normal e a precisão da detecção do termopar foi qualificada.

Porém, constatou-se que existiam três problemas no processo de tratamento térmico das peças:

Primeiro, a porta conjunta do tanque de água de têmpera está danificada e a água circulante do tanque de água de têmpera não pode ser substituída suavemente;

Em segundo lugar, o fluxo de água de resfriamento (alta temperatura da água) do eletrodo principal do forno de banho de sal flui diretamente para o tanque de água de têmpera, resultando em alta temperatura da água do tanque de água de têmpera;

Terceiro, quando as peças são realmente temperadas, o intervalo de têmpera de cada forno é curto, o volume do tanque de água é pequeno e a velocidade de atualização da água da torneira no tanque de água não é oportuna.

Os três fatores acima fazem com que a temperatura da água das peças fique muito alta durante a têmpera. De acordo com a investigação, infere-se que a temperatura da água pode ser de 50 ~ 60 ℃.

A partir disso, pode-se avaliar que o desempenho de resfriamento da água na área de alta temperatura das peças é bastante reduzido devido à alta temperatura da água.

Depois que as peças são temperadas, a estrutura de ferrita é distribuída no contorno do grão em forma de rede, resultando em uma diminuição acentuada na resistência do contorno do grão.

No entanto, o desempenho do resfriamento em baixa temperatura não muda muito, resultando em velocidade de resfriamento muito rápida, tensão de tração muito grande e rachaduras ao longo do limite do grão durante a transformação da martensita na área de baixa temperatura.

Além disso, a forma das peças e o método de têmpera também desempenham um certo papel na fissuração dos materiais.

A forma das peças é complexa. É aquecido em forno de banho de sal. O acessório de têmpera passa pelo orifício interno.

As peças são fixadas em linha vertical, conforme mostrado na Fig.

Há um grande número de peças em cada acessório e o acessório é longo.

Quando a ponte rolante é utilizada para têmpera, devido ao limite de velocidade da ponte rolante, o fluxo de água do dispositivo é lento quando as peças são temperadas, resultando em diferentes velocidades de resfriamento entre as peças e diferentes partes de uma única peça;

Ao mesmo tempo, como o dispositivo de têmpera passa pelo furo interno da peça, o fluxo de água no furo interno não é suave (o diâmetro do furo interno da peça é 16 mm) e a velocidade de resfriamento do furo interno é lento;

Além disso, conforme mostrado na Fig. 5, quando as peças entram na água, a posição 1 é resfriada primeiro, enquanto a posição 2 é preenchida com ar em seu recesso, de modo que o resfriamento do furo interno nesta posição e sua posição 3 é mais lento.

Fig. 5 peça de fixação e método de têmpera

O resfriamento lento do furo interno facilitará a precipitação da estrutura líquida de ferrita, enfraquecerá o limite do grão e tornará o valor da tensão térmica residual gerado pelo resfriamento na área de alta temperatura relativamente pequeno, enquanto a tensão estrutural gerada pelo resfriamento em a área de transformação martensítica de baixa temperatura é grande.

A superposição dos dois causará um grande estado de tensão de tração na superfície do furo interno.

Quando o valor da tensão de tração excede sua resistência à tração, serão causadas rachaduras no furo interno.

3. Conclusão e medidas de melhoria

(1) A forma e o método de têmpera das peças levam à lenta velocidade de resfriamento do furo interno e à grande tensão de tração no furo interno.

(2) Durante o processo de têmpera das peças, devido a danos na comporta do tanque de água de têmpera e outros motivos, o fluxo de água não é suave, a temperatura da água aumenta e o desempenho de resfriamento da água é bastante reduzido.

A estrutura de ferrita é distribuída no contorno de grão em forma de rede, resultando em uma diminuição acentuada na resistência do contorno de grão.

Sob a tensão de tração residual, a trinca quebra ao longo do contorno de grão.

Para verificar o julgamento acima, o autor reparou a porta do tanque de água, controlou a temperatura da água de resfriamento dentro de 30 ℃ no próximo lote de produção experimental de peças (o mesmo lote de materiais) e aumentou a força de agitação.

Como resultado, a taxa de trincas de têmpera das peças foi bastante reduzida, menos de 1 ‰, o que comprovou a exatidão do julgamento acima.