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20CrNi3Mn2Al aço de engrenagem nitrado resistente à idade
Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia industrial moderna, a tecnologia de nitretação tornou-se cada vez mais proeminente no campo do endurecimento superficial, especialmente para engrenagens grandes, de alta velocidade, de alta carga e de precisão. No entanto, os aços de nitretação tradicionais sofrem há muito tempo do "efeito casca de ovo"—uma fina camada nitretada combinada com baixa dureza da matriz—limitando sua aplicação em cenários de alta carga. Para preencher essa lacuna, o novo aço para engrenagens nitretadas com endurecimento por envelhecimento 20CrNi3Mn2Al foi desenvolvido com sucesso internamente. Ele integra o endurecimento por envelhecimento e o endurecimento por nitretação, permitindo que substitua parcialmente os processos de cementação em aplicações de engrenagens grandes e de alta carga. Este aço é particularmente adequado para engrenagens que operam em condições adversas, como um meio aquoso com requisitos de prevenção de ferrugem, uma tensão superficial do dente de 1160MPa, um módulo de 1,5 e uma dureza superficial do dente superior a 52HRC.
Principais Características dos Aços para Engrenagens Nitretados
Os aços para engrenagens nitretados devem atender aos seguintes requisitos principais:
- Excelente usinabilidade: A dureza das peças brutas das engrenagens deve variar de 30 a 36 HRC (283 a 332 HB) para facilitar as operações de usinagem.
- Endurecimento sinérgico: A composição da liga deve alcançar o endurecimento por envelhecimento e o endurecimento por nitretação, mantendo alta resistência e tenacidade, permitindo uma nitretação profunda rápida.
- Alto desempenho: As engrenagens fabricadas com esses aços devem apresentar alta resistência à fadiga, distorção mínima após o tratamento térmico, qualidade estável e respeito ao meio ambiente.
Projeto da Composição da Liga do Aço 20CrNi3Mn2Al
Princípio de Liga
- Endurecimento por envelhecimento: Alcançado através da precipitação coerente do composto intermetálico ultrafino Ni₃Al com a matriz α, exigindo a coexistência de Al e Ni.
- Endurecimento por nitretação: Realizado por meio do endurecimento por solução sólida intersticial de nitrogênio e da precipitação 弥散 de nitretos extremamente estáveis formados por Al, Cr, Mo e V—sendo essencial a coexistência de Al, Cr, Mo e V.
- Projeto de baixo carbono e alto manganês: O baixo teor de carbono promove a difusão de nitrogênio durante a nitretação. O carbono precipita carbonetos de cromo com Cr durante o envelhecimento, inibindo a precipitação de Ni₃Al nos limites de grão, melhorando a tenacidade e retardando a eficiência do envelhecimento. O manganês aumenta a temperabilidade, retarda a transformação perlítica e garante uma transformação predominantemente bainítica durante o resfriamento ao ar.
Composição Química
Desenvolvido de forma inovadora com base no aço americano P21, o 20CrNi3Mn2Al utiliza níquel e alumínio como núcleo, combinado com baixo carbono, alto manganês e a coexistência de Al, Cr, Mo e V. Sua composição química (fração em massa) é mostrada na tabela abaixo:
| Grau de Aço | C | Mn | Si | Cr | Ni | Mo | Al |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| P21 | 0,18-0,20 | - | 0,2-0,4 | 0,2-0,3 | 3,90-4,25 | 0,22-0,25 | 1,05-1,25 |
| 20CrNi3Mn2Al | 0,10-0,25 | 1,0-2,0 | 0,2-0,5 | 0,3-1,0 | 3,0-3,5 | 0,2-0,3 | 0,1-0,5 |
Resultados e Análise dos Testes
Temperatura de Tratamento de Solução
Os resultados dos testes indicam que o resfriamento ao ar após o tratamento de solução a 850-900℃ por 3 horas produz uma dureza de 33-35 HRC, ideal para usinagem. A faixa de temperatura ideal é 850-900℃, com 870℃ como parâmetro comumente usado. A microestrutura após o tratamento é dominada por bainita granular, com pequenas quantidades de martensita lamelar e austenita retida.
| Temperatura de Tratamento (℃) | 840 | 860 | 870 | 890 | 900 | 920 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Dureza de Resfriamento ao Ar (HRC) | 34 | - | 34 | - | 34,5 | - |
| Dureza de Resfriamento a Óleo (HRC) | - | 36 | 37 | - | - | - |
Temperatura de Envelhecimento
Após o tratamento de solução a 870℃ por 3 horas, as amostras foram envelhecidas em diferentes temperaturas por 6 horas, com algumas passando por envelhecimento secundário (540℃×6h). As principais descobertas incluem:
- O envelhecimento a 460-600℃ produz efeitos de endurecimento por envelhecimento, com a maior dureza (40-43 HRC) alcançada a 500-560℃. Nesta faixa, os precipitados de Ni₃Al são ultrafinos (≈10nm), uniformemente distribuídos e coerentes com a matriz.
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Tempo do bar : 2026-01-14 10:23:31 >> lista da notícia
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