Einfluss des Wärmebehandlungsprozesses auf Mikrostruktur und Härte von 20CrMoH-Stahl-Zahnradschmiedestücken
20CrMoH-Stahl ist ein hochwertiger legierter Konstruktionsstahl. Aufgrund seiner Zusammensetzung aus Legierungselementen wie Chrom (Cr) und Molybdän (Mo) weist er eine ausgezeichnete Härtbarkeit, ein ausgewogenes Verhältnis von Festigkeit und Zähigkeit sowie eine gute Zerspanbarkeit auf. Er ist ein häufig verwendetes Material für hochbelastete Zahnradschmiedestücke in der Automobilindustrie, im Baumaschinenbau und in anderen Bereichen. Seine endgültigen Eigenschaften, insbesondere die Mikrostruktur und Härte, hängen stark von den Wärmebehandlungsprozessen ab. Unterschiedliche Prozesse führen durch die Veränderung von Phasenumwandlungen, Kohlenstoffverteilung und Kornzuständen im Stahl zu erheblichen Unterschieden. Im Folgenden wird eine detaillierte Analyse aus drei Aspekten durchgeführt: Vorbehandlungsprozesse, Endbehandlungsprozesse, und Einfluss wichtiger Prozessparameter.
Nach dem Schmieden bilden Zahnradschmiedestücke eine inhomogene Mikrostruktur (wie überhitzte Körner, Widmanstätten-Struktur, bandförmiges Perlit usw.) und behalten Schmiedespannungen. Eine Vorbehandlung (Normalglühen oder Weichglühen) ist erforderlich, um Defekte zu beseitigen und die Grundlage für die anschließende Bearbeitung und Endbehandlung zu schaffen.
- Prozessmerkmale: Das Schmiedestück wird auf 30-50°C über Ac₃ (kritische Austenitisierungstemperatur, ca. 880-920°C) erhitzt, ausreichend lange gehalten, um die Mikrostruktur vollständig zu austenitisieren, und dann luftgekühlt auf Raumtemperatur.
- Einfluss auf die Mikrostruktur:
Die schnelle Abkühlung (Luftkühlung) beim Normalglühen kann die netzartige Ausscheidung von Ferrit entlang der Korngrenzen hemmen, die Körner verfeinern und die Mikrostruktur in gleichmäßiges feines Perlit + eine geringe Menge Ferrit umwandeln (die Perlitlamellen sind feiner), wodurch die Widmanstätten-Struktur und grobe Körner nach dem Schmieden beseitigt werden.
- Einfluss auf die Härte:
Die Mischstruktur aus feinem Perlit und Ferrit hat eine moderate Härte, in der Regel 180-220HBW, was nicht nur die Anforderungen der anschließenden Zerspanung (die Zerspanbarkeit ist gut, wenn die Härte unter 250HBW liegt) erfüllt, sondern auch eine gleichmäßige Ausgangsmikrostruktur für die Endbehandlung wie das Aufkohlen liefert.
- Prozessmerkmale: Vollglühen (Erhitzen auf 20-30°C über Ac₃, gefolgt von langsamem Abkühlen mit dem Ofen nach dem Halten) oder isothermisches Glühen (Halten im Perlit-Umwandlungstemperaturbereich nach dem Erhitzen) werden üblicherweise verwendet.
- Einfluss auf die Mikrostruktur:
Langsame Abkühlung ermöglicht eine ausreichende Kohlenstoffdiffusion, was zu gleichmäßigerem Perlit + Ferrit führt (die Perlitlamellen sind dicker und gleichmäßiger verteilt), wodurch Schmiedespannungen und Seigerungen vollständig beseitigt werden. Im Fall des Kugelglühens (für kohlenstoffreiche Bereiche) können Karbide kugelförmig gemacht werden, um die Zerspanbarkeit weiter zu verbessern.
- Einfluss auf die Härte:
Die Mikrostruktur nach dem Glühen ist weicher, mit einer Härte von in der Regel 160-190HBW, was niedriger ist als nach dem Normalglühen. Es ist für Schmiedestücke mit komplexen Formen und hohem Zerspanungsschwierigkeitsgrad geeignet, aber die Produktionszeit ist länger.
Zahnräder müssen die Leistungsanforderungen von "hoher Oberflächenhärte für Verschleißfestigkeit und hoher Kernzähigkeit für Schlagfestigkeit" erfüllen. Daher ist die Endbehandlung hauptsächlich Aufkohlen-Härten + Anlassen bei niedriger Temperatur; einige niedrig belastete Zahnräder können Härten und Anlassen anwenden.
Dies ist der Kernprozess für 20CrMoH-Stahlzahnräder, der durch "Aufkohlen zur Anreicherung des Oberflächenkohlenstoffgehalts → Härten zur Erzielung von Martensit → Anlassen bei niedriger Temperatur zur Beseitigung von Spannungen" eine Leistungsanpassung erreicht.
Einige niedrig belastete Zahnräder (z. B. Hilfszahnräder mit geringer Drehmomentübertragung) können Härten und Anlassen als Endbehandlung anwenden, um ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Zähigkeit zu erreichen.
- Prozessmerkmale: Härten bei 860-880°C (wassergekühlt oder ölgekühlt), gefolgt von Anlassen bei hoher Temperatur bei 600-650°C.
- Einfluss auf die Mikrostruktur: Bildung von angeglichenem Sorbite (feine Karbide gleichmäßig in der Ferritmatrix verteilt), mit verfeinerten und gleichmäßigen Körnern.
- Einfluss auf die Härte: Moderate Härte (220-280HBW), Ausgleich von Festigkeit (σb ≥ 800 MPa) und Zähigkeit (Schlagenergie ≥ 60 J), aber die Oberfläche hat keine hochharte Schicht und schlechte Verschleißfestigkeit.
Wärmebehandlungsprozessparameter (Temperatur, Haltezeit, Abkühlgeschwindigkeit) bestimmen direkt die Stabilität der Mikrostruktur und Härte. Die üblichen Einflüsse sind wie folgt:
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