1. Prefacio
Efecto de los elementos de aleación en la transformación del templado.
En la producción real, generalmente podemos encontrar algunos fenómenos, como:
- Para lograr la misma dureza (como 480-610HV5) después del enfriamiento, ¿por qué las piezas carbonitruradas requieren una temperatura de revenido más alta en comparación con las piezas cementadas?
- Aunque el acero 45 requiere una dureza de 28-32HRC, ¿por qué el 42CrMo necesita una temperatura de revenido más alta?
- ¿Por qué la dureza del acero rápido como SKH-9 y W6Mo5Cr4V2 aumenta en lugar de disminuir después del templado convencional a alta temperatura? Este fenómeno se atribuye a la influencia de los elementos de aleación en la transformación por templado de piezas metálicas, que se analizará en este artículo.
Este artículo proporciona un análisis en profundidad del tema y esperamos que disfrute leyéndolo.
2. Efecto de los elementos de aleación sobre la descomposición de la martensita.
El proceso de descomposición de la martensita en el acero aleado es básicamente similar al del acero al carbono, pero la velocidad de descomposición difiere significativamente.
Los experimentos han demostrado que el impacto de los elementos de aleación es particularmente significativo durante las últimas etapas de la descomposición de la martensita.
Las razones y leyes de los elementos de aleación que afectan la descomposición de la martensita se pueden resumir a grandes rasgos de la siguiente manera.
1. Durante la fase de descomposición de la martensita, el carbono sobresaturado de la martensita sufre desolvatación, lo que provoca precipitación y agregación de partículas de carburo, lo que resulta en una disminución del contenido de carbono en la fase de matriz α.
El papel de los elementos de aleación es principalmente influir en el proceso de descomposición de la martensita, la agregación y la tasa de crecimiento de las partículas de carburo y la difusión del carbono. Esto, a su vez, afecta la tasa de disminución de la concentración de carbono en la fase α.
El alcance de este efecto varía dependiendo de la intensidad de la fuerza de unión entre los elementos de aleación y el carbono.
2. Los elementos que no forman carburos (como Ni y Mn) tienen una fuerza de unión al carbono similar a la del Fe y, por lo tanto, no tienen ningún efecto significativo sobre la descomposición de la martensita.
Los elementos formadores de carburos fuertes (como Cr, Mo, W, V, Ti, etc.) tienen una fuerte fuerza de unión con el carbono, lo que aumenta la energía de activación de la difusión del carbono en la martensita, dificultando su difusión y retrasando la velocidad de descomposición de martensita.
Los elementos que no forman carburos, como el Si y el CO, pueden disolverse en ε-FexC para estabilizarlo y disminuir la tasa de agregación de carburos, retrasando así la descomposición de la martensita.
La temperatura de desolvatación completa del carbono sobresaturado en martensita durante el templado del acero al carbono es de aproximadamente 300 ℃. La adición de elementos de aleación puede cambiar la temperatura de desolvatación completa entre 100 y 150 ℃ a una temperatura más alta.
En otras palabras, el acero aleado puede mantener una cierta concentración de carbono saturado y carburos finos en la fase α incluso cuando se templa a una temperatura más alta, manteniendo así una alta dureza y resistencia.
Los elementos de aleación que evitan la reducción del contenido de carbono en la fase α y el crecimiento de partículas de carburo, y mantienen la alta dureza y resistencia de las piezas de acero, se conocen como elementos de aleación que mejoran la resistencia al revenido o “resistencia al retroceso” de las piezas. acero.
3. Efecto de los elementos de aleación en la transformación de la austenita retenida
La transformación de austenita retenida en acero aleado es similar a la del acero al carbono, pero los elementos de aleación pueden afectar la temperatura y la velocidad de descomposición de la austenita retenida, lo que puede cambiar el tipo y la naturaleza de la transformación.
Al revenir por debajo del punto MS, la austenita residual se transforma en martensita.
Si el punto MS es alto (>100 ℃), se produce el proceso de descomposición de la martensita, formando martensita templada.
Al templar por encima del punto MS, la austenita retenida puede sufrir tres transformaciones:
① Transformación isotérmica a bainita en la zona de formación de bainita;
② Transformación isotérmica en perlita en la zona de formación de perlita;
③ No se descompone durante el templado, el calentamiento y el mantenimiento, sino que se convierte en martensita en el proceso de enfriamiento posterior, lo que se denomina "enfriamiento secundario".
Nota: ¿El punto ① está relacionado con la teoría del enfriamiento secundario aplicada al proceso de revenido múltiple del acero de alta velocidad?
4. Efecto de los elementos de aleación en la transformación del carburo.
Los elementos que no forman carburos como Cu, Ni, Co, Al, Si, etc., y el carbono no forman ningún tipo único de carburo. Sin embargo, mejoran la transformación de ε-FexC a θ-Fe3C, así como la conversión de cementita a otro tipo de carburos especiales.
Durante el templado de acero aleado, hay una redistribución de elementos de aleación entre la cementita y la fase α al aumentar el tiempo o la temperatura de templado. Los elementos formadores de carburo continúan difundiéndose en la cementita, mientras que los elementos no formadores de carburo se enriquecen gradualmente en la fase α. Esto da como resultado carburos más estables que reemplazan a los carburos inestables originales, provocando cambios en la composición y estructura de los carburos.
La posible secuencia de transformación del carburo durante el templado del acero aleado es: ε-carburo (<150 ℃) → cementita (150-400 ℃) → cementita (aleación, 400-550 ℃) → carburo especial metaestable → carburo cementado especial estable (> 500 ℃). La posibilidad de formar carburos especiales en el acero depende de las propiedades y el contenido de los elementos de aleación, el contenido de carbono o nitrógeno y la temperatura y el tiempo de revenido.
Normalmente, durante el proceso de templado de aleaciones de acero, la cementita se transforma en carburos estables especiales a través de carburos metaestables.
Por ejemplo, después de templar acero con alto contenido de Cr y carbono, el proceso de transformación de carburo durante el templado es:
（Fe,Cr） 3 C→((Fe,Cr) 3 C）+（Cr,Fe） 7 C 3 →（Cr,Fe） 7 C 3 +(Cr,Fe) 23 C 6 →(Cr,Fe) 23C 6
Estos dos mecanismos también forman carburos especiales.
Hay dos tipos de procesos de transformación de carburos. La primera es la transformación in situ, donde los elementos formadores de carburo se enriquecen inicialmente en cementita. Cuando su concentración excede el límite de solubilidad de la aleación de cementita, la red de cementita se reorganiza en una única red de carburo. Un ejemplo de este tipo es la transformación de (Fe, Cr) 3C en (Cr, Fe) 7C3 en acero bajo en cromo. El aumento de la temperatura de templado acelera el proceso de transformación del carburo.
El segundo tipo es simplemente la nucleación y el crecimiento, donde los carburos especiales se precipitan directamente de la fase α, acompañados de la disolución de la aleación de cementita. A este tipo pertenecen los aceros que contienen elementos formadores de carburos como V, Ti, Nb, Ta y los aceros con alto contenido de Cr.
Por ejemplo, el acero con 0,3% C y 2,1% V templado a 1250 ℃ precipita la aleación de cementita cuando se templa por debajo de 500 ℃ a pesar del bajo contenido de V. Como la solución sólida V inhibe fuertemente la descomposición continua de la fase α, solo alrededor del 40% del carbono. precipita en forma de cementita, quedando el 60% restante aún retenido en la fase α.
Cuando la temperatura de templado supera los 500 ℃, el VC precipita directamente de la fase α. Con mayores aumentos en la temperatura de revenido, una cantidad significativa de VC precipita y la cementita se disuelve. A 700 ℃, todas las cementitas se disuelven y todos los carburos se convierten en VC.
5. Endurecimiento secundario durante el revenido.
En la tercera etapa de templado, el acero al carbono continuará ablandándose con el crecimiento de partículas de cementita, como se muestra en la Figura 1.
Fig. 1 Cambio de dureza de acero de bajo y medio carbono templado a 100-700 ℃ durante 1 h
Sin embargo, si el acero contiene elementos formadores de carburo fuertes como Mo, V, W, Ta, Nb y Ti, la tendencia al ablandamiento se debilitará, lo que dará como resultado una mayor resistencia al ablandamiento.
Cuando la martensita contiene suficientes elementos formadores de carburo, los carburos especiales finos precipitan durante el revenido por encima de 500 ℃, lo que provoca el endurecimiento del acero que se ha espesado debido al aumento de la temperatura de revenido y al endurecimiento de los carburos θ. Este fenómeno se conoce como endurecimiento secundario.
En algunos casos, la dureza del pico de endurecimiento secundario puede ser mayor que la del templado.
Fig. 2 Efecto de la temperatura de revenido sobre la dureza de martensita del acero al molibdeno con bajo contenido de carbono
La Figura 2 muestra el efecto del contenido de molibdeno sobre el efecto de endurecimiento secundario del acero al molibdeno con bajo contenido de carbono (0,1%c).
La intensidad del efecto de endurecimiento secundario aumenta con el contenido de Mo.
Se observan efectos similares con otros elementos formadores de carburos fuertes como Ti, V, W, Nb, etc.
Se observa un pico de endurecimiento secundario menos marcado cuando el contenido de Cr es muy alto (más del 12%).
El acero al carbono no sufre endurecimiento secundario.
Las observaciones con microscopio electrónico confirmaron que el endurecimiento secundario es causado por la precipitación de carburos especiales finos y dispersos como Mo2C, W2C, VC, TiC, NbC, etc.
Estos carburos especiales precipitan en la zona de dislocación, a menudo en forma de pequeñas agujas o láminas muy finas, y mantienen una relación coherente con la fase α.
A medida que aumenta la temperatura de templado, el número y tamaño de los carburos aumentan gradualmente y la distorsión de la red de fase α se intensifica hasta que la dureza alcanza su máximo.
A medida que el carburo crece, la dispersión disminuye, la relación coherente se destruye, la distorsión coherente desaparece y la densidad de dislocación disminuye a medida que la temperatura continúa aumentando, lo que lleva a una rápida disminución de la dureza.
El efecto de endurecimiento secundario del acero se puede mejorar de las siguientes maneras:
- Para aumentar el sitio de nucleación de carburos especiales y mejorar su dispersión, se puede aumentar la densidad de dislocaciones en el acero. Esto se puede lograr mediante el método de enfriamiento por deformación a baja temperatura como se muestra en la figura.
- Se pueden agregar algunos elementos de aleación al acero para retardar la difusión de elementos especiales formadores de carburos, inhibir el crecimiento de carburos finos y retardar la aparición de envejecimiento excesivo de dichos carburos.
- Por ejemplo, la adición de CO, Al, Si, Nb, Ta y otros elementos puede ayudar a mantener una distorsión consistente con la fase α y lograr una fina dispersión de carburos especiales, aumentando así la estabilidad del templado del acero.
Se puede seleccionar acero aleado con efecto de endurecimiento secundario para que la pieza funcione bien en estado caliente. Siempre que la temperatura utilizada sea inferior a la temperatura de templado (la temperatura que produce el endurecimiento secundario máximo), las piezas de acero pueden mantener una alta dureza y resistencia.
6. Efecto de los elementos de aleación sobre la recuperación y recristalización de la fase α .
Cuando el acero aleado se templa a altas temperaturas, puede formar carburos especiales con partículas finas que mantienen una relación coherente con la fase α. Esto permite que el acero mantenga una alta sobresaturación de carbono en la fase α y retrase significativamente su recuperación y recristalización. Como resultado, la fase α permanece en un estado altamente distorsionado, manteniendo su alta dureza y resistencia, lo que conduce a una alta estabilidad del templado.
Los elementos de aleación comúnmente utilizados en aceros aleados, como Mo, W, Ti, V, Cr, Si, etc., pueden dificultar la eliminación de diversas distorsiones durante el templado. Generalmente retrasan la recuperación y recristalización de la fase α (aumentan la temperatura de recristalización), así como el proceso de agregación y crecimiento de carburos, lo que ayuda a mejorar la estabilidad del revenido del acero.
El efecto retardante de los elementos de aleación aumenta con un aumento de su contenido en el acero.
Cuando se añaden al acero varios elementos de aleación simultáneamente, se intensifica la interacción entre ellos.
El acero aleado tiene una alta estabilidad al templado y mantiene su alta dureza y resistencia incluso a temperaturas más altas. Esto lo hace adecuado para aceros para herramientas, como cortadores de virutas y troqueles para trabajo en caliente, que requieren dureza al rojo y resistencia al calor.
7. Conclusión
Este artículo analiza cinco factores que pueden influir en la transformación del templado de elementos de aleación. Creo que después de leerlo, habrás obtenido valiosas ideas e inspiración.
