20CrMoH 강 기어 단조품의 열처리 공정이 미세 구조 및 경도에 미치는 영향
20CrMoH 강은 고품질 합금 구조강입니다. 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)과 같은 합금 원소의 조성으로 인해 우수한 경화성, 강도-인성 균형 및 가공성을 나타냅니다. 자동차, 건설 기계 및 기타 분야에서 고부하 기어 단조품에 일반적으로 사용되는 재료입니다. 최종 특성, 특히 미세 구조와 경도는 열처리 공정에 크게 의존합니다. 서로 다른 공정은 강철의 상 변태, 탄소 분포 및 결정립 상태를 변경하여 상당한 차이를 초래합니다. 다음은 세 가지 측면에서 자세한 분석입니다.예비 열처리 공정, 최종 열처리 공정, 및 주요 공정 변수의 영향.
단조 후 기어 단조품은 불균일한 미세 구조(과열된 결정립, 위드만슈테텐 구조, 밴드 펄라이트 등)를 형성하고 단조 응력을 유지합니다. 결함을 제거하고 후속 가공 및 최종 열처리를 위한 기초를 마련하기 위해 예비 열처리(정규화 또는 어닐링)가 필요합니다.
- 공정 특성: 단조품을 Ac₃(오스테나이트화 임계 온도, 약 880-920°C)보다 30-50°C 높게 가열하고, 미세 구조를 완전히 오스테나이트화하기 위해 충분한 시간 동안 유지한 다음 공랭하여 실온까지 냉각합니다.
- 미세 구조에 미치는 영향:
정규화 시 급속 냉각(공랭)은 결정립 경계를 따라 페라이트의 망상 석출을 억제하고, 결정립을 미세화하며, 미세 구조를 균일한 미세 펄라이트 + 소량의 페라이트(펄라이트 라멜라가 더 미세함)로 변환하여 단조 후 위드만슈테텐 구조와 조대 결정립을 제거합니다.
- 경도에 미치는 영향:
미세 펄라이트와 페라이트의 혼합 구조는 중간 경도, 일반적으로 180-220HBW를 가지며, 이는 후속 절삭 가공의 요구 사항을 충족할 뿐만 아니라(경도가 250HBW 미만일 때 가공성이 우수함) 최종 열처리(예: 침탄)를 위한 균일한 원래 미세 구조를 제공합니다.
- 공정 특성: 완전 어닐링(Ac₃보다 20-30°C 높게 가열한 후 유지 후 노에서 서서히 냉각) 또는 등온 어닐링(가열 후 펄라이트 변태 온도 범위에서 유지)이 일반적으로 사용됩니다.
- 미세 구조에 미치는 영향:
서서히 냉각하면 충분한 탄소 확산이 가능하여 더 균일한 펄라이트 + 페라이트(펄라이트 라멜라가 더 두껍고 더 弥散分布됨)가 생성되어 단조 응력과 성분 편석을 완전히 제거합니다. 구상화 어닐링(고탄소 영역의 경우)의 경우 탄화물을 구상화하여 가공성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
- 경도에 미치는 영향:
어닐링 후 미세 구조는 더 부드러워 일반적으로 160-190HBW의 경도를 가지며, 이는 정규화 후보다 낮습니다. 복잡한 형상과 높은 절삭 난이도를 가진 단조품에 적합하지만 생산 주기가 더 깁니다.
기어는 "내마모성을 위한 높은 표면 경도와 충격 저항성을 위한 높은 코어 인성"의 성능 요구 사항을 충족해야 합니다. 따라서 최종 열처리는 주로 침탄-담금질 + 저온 템퍼링입니다. 일부 저부하 기어는 담금질 및 템퍼링을 채택할 수 있습니다.
이것은 20CrMoH 강 기어의 핵심 공정으로, "표면 탄소 함량 증가를 위한 침탄 → 마르텐사이트 획득을 위한 담금질 → 응력 제거를 위한 저온 템퍼링"을 통해 성능을 일치시킵니다.
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침탄 단계:
- 공정 특성: 표면 탄소 함량을 원래 약 0.2%에서 0.8-1.2%로 증가시키기 위해 900-930°C에서 탄소 농도가 높은 분위기(탄소 전위 1.0-1.2%)에서 유지합니다(코어 탄소 함량은 약 0.2%로 유지됨).
- 미세 구조에 미치는 영향: 표면에 고탄소 오스테나이트가 형성되고 코어에 저탄소 오스테나이트가 형성됩니다. 유지 시간이 부족하면 표면 탄소 농도가 낮고 불균일해집니다. 과도한 온도(>950°C)는 조대 오스테나이트 결정립(과열)을 유발합니다.
- 경도에 미치는 영향: 침탄 후 담금질하지 않으면 표면 경도가 코어보다 약간 높습니다(약 250-300HBW). 이는 높은 탄소 함량 때문이지만 실질적인 강화는 없습니다.
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담금질 단계:
- 공정 특성: 침탄 후 온도를 820-860°C(오스테나이트화 온도)로 낮추고 유지한 다음 유냉(또는 오스템퍼링)합니다. 20CrMoH 강의 경화성(Mo 원소는 경화성을 향상시킴)을 활용하여 상 변태를 달성합니다.
- 미세 구조에 미치는 영향:
- 표면(고탄소 영역): 침상 마르텐사이트 + 잔류 오스테나이트 + 소량의 탄화물(마르텐사이트 판이 미세하고, 높은 탄소 함량으로 인해 마르텐사이트 강화 효과가 큽니다)로 변환됩니다.
- 코어(저탄소 영역): 판상 마르텐사이트(또는 냉각 속도에 따라 베이나이트)로 변환되며, 망상 페라이트는 없습니다(충분한 경화성으로 인해).
- 냉각 속도가 부족하면(예: 과도하게 높은 오일 온도) 표면에 펄라이트 또는 트루스타이트가 발생하고 코어에 페라이트가 발생하여 부적합한 미세 구조가 발생할 수 있습니다.
- 경도에 미치는 영향: 담금질 후 표면 경도는 62-65HRC(높은 마르텐사이트 경도)에 도달하고 코어 경도는 35-45HRC(저탄소 마르텐사이트는 우수한 인성을 가짐)이지만 상당한 양의 담금질 응력이 있습니다.
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저온 템퍼링 단계:
- 공정 특성: 150-200°C에서 1-3시간 동안 유지하여 담금질 응력을 제거하고 미세 구조를 안정화합니다.
- 미세 구조에 미치는 영향: 표면 마르텐사이트는 템퍼링된 마르텐사이트(침상 미세화)로 변환되고, 잔류 오스테나이트의 일부는 마르텐사이트로 변환되며, 탄화물이 더 균일하게 석출됩니다. 코어 저탄소 마르텐사이트는 템퍼링된 저탄소 마르텐사이트(판이 더 명확함)로 변환됩니다.
- 경도에 미치는 영향: 표면 경도는 약간 감소하여 58-62HRC(높은 경도 유지)가 되고, 코어 경도는 30-40HRC로 감소합니다(인성이 향상됨). 응력 제거 후 사용 중 변형 및 균열을 방지합니다.
일부 저부하 기어(예: 작은 토크 전달을 가진 보조 기어)는 강도와 인성의 균형을 추구하기 위해 최종 열처리로 담금질 및 템퍼링을 채택할 수 있습니다.
- 공정 특성: 860-880°C에서 담금질(수냉 또는 유냉)한 후 600-650°C에서 고온 템퍼링합니다.
- 미세 구조에 미치는 영향: 템퍼링된 소르바이트(페라이트 매트릭스에 균일하게 분포된 미세 탄화물)를 형성하여 미세하고 균일한 결정립을 갖습니다.
- 경도에 미치는 영향: 중간 경도(220-280HBW)로 강도(σb ≥ 800MPa)와 인성(충격 에너지 ≥ 60J)의 균형을 이루지만 표면에 고경도 층이 없고 내마모성이 떨어집니다.
열처리 공정 변수(온도, 유지 시간, 냉각 속도)는 미세 구조와 경도의 안정성을 직접 결정합니다. 일반적인 영향은 다음과 같습니다.
귀하의 메시지는 20-3,000 자 사이 여야합니다!