Efecto del proceso de tratamiento térmico en la microestructura y dureza de las forjas de engranajes de acero 20CrMoH
El acero 20CrMoH es un acero estructural de aleación de alta calidad. Debido a su composición de elementos de aleación como el cromo (Cr) y el molibdeno (Mo), exhibe una excelente templabilidad, equilibrio resistencia-tenacidad y maquinabilidad. Es un material comúnmente utilizado para forjas de engranajes de alta carga en la automoción, maquinaria de construcción y otros campos. Sus propiedades finales, especialmente la microestructura y la dureza, dependen en gran medida de los procesos de tratamiento térmico. Diferentes procesos conducen a diferencias significativas al alterar las transformaciones de fase, la distribución del carbono y los estados de los granos en el acero. A continuación, se presenta un análisis detallado desde tres aspectos:procesos de tratamiento térmico preliminares, procesos de tratamiento térmico finales, y influencia de los parámetros clave del proceso.
Después de la forja, las forjas de engranajes forman una microestructura inhomogénea (como granos sobrecalentados, estructura de Widmanstätten, perlita bandeada, etc.) y retienen la tensión de forja. Se requiere un tratamiento térmico preliminar (normalización o recocido) para eliminar defectos y sentar las bases para el procesamiento posterior y el tratamiento térmico final.
- Características del proceso: La forja se calienta a 30-50°C por encima de Ac₃ (temperatura crítica de austenitización, aproximadamente 880-920°C), se mantiene durante un tiempo suficiente para austenitizar completamente la microestructura y luego se enfría al aire a temperatura ambiente.
- Influencia en la microestructura:
El enfriamiento rápido (enfriamiento al aire) en la normalización puede inhibir la precipitación reticular de ferrita a lo largo de los límites de los granos, refinar los granos y transformar la microestructura en perlita fina uniforme + una pequeña cantidad de ferrita (las laminillas de perlita son más finas), eliminando la estructura de Widmanstätten y los granos gruesos después de la forja.
- Influencia en la dureza:
La estructura mixta de perlita fina y ferrita tiene una dureza moderada, generalmente 180-220HBW, que no solo cumple con los requisitos del procesamiento de corte posterior (la maquinabilidad es buena cuando la dureza está por debajo de 250HBW) sino que también proporciona una microestructura original uniforme para el tratamiento térmico final, como la carburación.
- Características del proceso: Se utiliza comúnmente el recocido completo (calentamiento a 20-30°C por encima de Ac₃, seguido de enfriamiento lento con el horno después de la espera) o el recocido isotérmico (espera en el rango de temperatura de transformación de la perlita después del calentamiento).
- Influencia en la microestructura:
El enfriamiento lento permite una difusión suficiente del carbono, lo que resulta en perlita + ferrita más uniforme (las laminillas de perlita son más gruesas y más 弥散分布), eliminando por completo la tensión de forja y la segregación de la composición. En el caso del recocido de esferoidización (para regiones de alto carbono), los carburos se pueden esferoidizar para mejorar aún más la maquinabilidad.
- Influencia en la dureza:
La microestructura después del recocido es más blanda, con una dureza generalmente de 160-190HBW, que es inferior a la posterior a la normalización. Es adecuado para forjas con formas complejas y alta dificultad de corte, pero el ciclo de producción es más largo.
Los engranajes deben cumplir con los requisitos de rendimiento de "alta dureza superficial para resistencia al desgaste y alta tenacidad del núcleo para resistencia al impacto". Por lo tanto, el tratamiento térmico final es principalmente carburación-temple + revenido a baja temperatura; algunos engranajes de baja carga pueden adoptar temple y revenido.
Este es el proceso principal para los engranajes de acero 20CrMoH, logrando la coincidencia de rendimiento a través de "carburación para enriquecer el contenido de carbono de la superficie → temple para obtener martensita → revenido a baja temperatura para eliminar la tensión".
Algunos engranajes de baja carga (como engranajes auxiliares con transmisión de par pequeño) pueden adoptar temple y revenido como tratamiento térmico final para buscar un equilibrio entre resistencia y tenacidad.
- Características del proceso: Temple a 860-880°C (enfriado por agua o aceite) seguido de revenido a alta temperatura a 600-650°C.
- Influencia en la microestructura: Formando sorbita revenida (carburos finos distribuidos uniformemente en la matriz de ferrita), con granos refinados y uniformes.
- Influencia en la dureza: Dureza moderada (220-280HBW), equilibrando la resistencia (σb ≥ 800MPa) y la tenacidad (energía de impacto ≥ 60J), pero la superficie no tiene una capa de alta dureza y poca resistencia al desgaste.
Los parámetros del proceso de tratamiento térmico (temperatura, tiempo de espera, velocidad de enfriamiento) determinan directamente la estabilidad de la microestructura y la dureza. Las influencias comunes son las siguientes:
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