20Cr против 20CrMnTi – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
20Cr и 20CrMnTi — это два широко используемых цементируемых стали в передаче мощности и механических компонентах. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между более простой 20Cr и микроаллоированной 20CrMnTi при спецификации шестерен, валов, шлицов и других частей с закаленной поверхностью. Типичные контексты принятия решений включают балансировку стоимости с прочностью сердцевины и усталостной стойкостью, выбор сорта для большей закаливаемости или лучшего контроля зерна, а также выбор стали, соответствующей требованиям термообработки и сварки.
Основное техническое отличие заключается в том, что 20CrMnTi включает дополнительный марганец и титан (и другие микроаллоирующие добавки) для повышения закаливаемости, улучшения зернистости и стабильности цементированной поверхности. Эти различия делают 20CrMnTi предпочтительным, когда требуется более глубокая закалка, улучшенные свойства сердцевины и лучшая стойкость к хрупкости при отпуске, в то время как 20Cr остается экономичным выбором для частей с умеренной нагрузкой.
1. Стандарты и обозначения
- Общие национальные и международные ссылки, где эти сорта встречаются или имеют эквиваленты:
- GB (Китай): 20Cr, 20CrMnTi (широко используемые обозначения в китайских стандартах)
- JIS (Япония): цементируемые стали с аналогичным химическим составом (например, эквиваленты серии SC)
- EN (Европа): сопоставимо с некоторыми цементируемыми сталями серии 15–20Cr (но проверьте точные номера EN)
- ASTM/ASME: цементируемые стали, охваченные общими спецификациями для легированных сталей для закалки и отпуска; прямые обозначения AISI/ASTM могут отсутствовать, поэтому требуется перекрестная ссылка
- Классификация: обе являются легированными цементируемыми сталями (не нержавеющие, не инструментальные, не HSLA). Они предназначены для цементации, чтобы обеспечить твердую износостойкую поверхность и более прочную дактильную сердцевину.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица ниже показывает типичные диапазоны состава (в % по массе), используемые в промышленности. Точные диапазоны варьируются в зависимости от стандарта и производителя — используйте сертификаты завода для закупок.
| Элемент | 20Cr (типичный % по массе) | 20CrMnTi (типичный % по массе) |
|---|---|---|
| C | 0.17–0.24 | 0.17–0.24 |
| Mn | 0.25–0.60 | 0.50–0.80 |
| Si | 0.15–0.35 | 0.15–0.35 |
| P | ≤0.035 | ≤0.035 |
| S | ≤0.035 | ≤0.035 |
| Cr | 0.90–1.30 | 0.90–1.30 |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.30 |
| Mo | ≤0.10 | ≤0.10 |
| V | —/след | —/след |
| Nb | —/след | —/след |
| Ti | —/след (обычно нет) | 0.02–0.08 |
| B | — | — |
| N | след | след |
Как стратегия легирования влияет на свойства: - Углерод: установлен низкий до среднего, чтобы позволить цементацию (низкое содержание углерода в сердцевине для прочности), позволяя при этом высокоуглеродную поверхность после цементации для твердости. - Хром: улучшает закаливаемость и стойкость к отпуску цементированной поверхности и помогает износостойкости. - Марганец: увеличивает закаливаемость и прочность на растяжение; более высокий Mn в 20CrMnTi увеличивает глубину закалки и прочность сердцевины. - Титан: микроаллоирование с Ti улучшает размер зерна, связывает азот, стабилизирует карбиды/нитриды и может улучшить усталостную стойкость и прочность после термообработки. - Кремний: помогает деоксидированию и может немного укрепить феррит. - Низкое содержание P, S: для улучшенной прочности и усталостной стойкости.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры: - Как цементированная (до окончательной закалки): низкоуглеродная ферритно/перлитная сердцевина с обогащенной аустенитной поверхностью (более высокий углерод) в обоих сортах. - После закалки и отпуска (типичный маршрут цементации): закаленная мартенситная или бейнитная поверхность с сохраненными аустенитными карманами у крайней поверхности; отпущенная, низкоуглеродная мартенситная или ферритно-перлитная сердцевина.
Как маршруты термообработки влияют на каждый сорт: - Нормализация: оба сорта реагируют на нормализацию с уточненными, однородными ферритно-перлитными микроструктурами; содержание Ti в 20CrMnTi улучшает уточнение зерна при нормализации. - Цементация + закалка + отпуск (стандартный маршрут): оба предназначены для этого маршрута. 20Cr обеспечит адекватную поверхность и дактильную сердцевину для стандартных шестерен. 20CrMnTi, благодаря более высокому содержанию Mn и Ti, достигает большей закаливаемости и, как правило, более прочной сердцевины после отпуска; он также сохраняет более мелкий размер зерна аустенита, что улучшает усталостную стойкость. - Закалка и отпуск без цементации: не типично для этих низкоуглеродных сталей, поскольку их базовое содержание углерода низкое; выгода от микроаллоирования менее выражена. - Термомеханическая обработка: микроаллоированная 20CrMnTi выигрывает от контролируемой прокатки для дальнейшего уточнения зерна и улучшения прочности; 20Cr получает меньше от эффектов микроаллоирования.
4. Механические свойства
Механические свойства сильно зависят от конкретного графика термообработки (глубина закалки, степень закалки, температура отпуска). Таблица ниже сравнивает сорта качественно при типичных условиях цементации и закалки/отпуска.
| Свойство | 20Cr | 20CrMnTi |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение (после термообработки) | Умеренная (прочность поверхности, доминирующая над сердцевиной) | Выше (улучшенная прочность сердцевины и сквозная закалка) |
| Предельная прочность (сердцевина) | Умеренная | Выше (лучшая закаливаемость сердцевины) |
| Удлинение (дактильность, сердцевина) | Лучшая дактильность при типичной умеренной термообработке | Немного сниженная дактильность при высокой закалке, но лучше сохраняемая прочность благодаря уточнению зерна |
| Ударная прочность (сердцевина) | Хорошая до умеренной | Улучшенная прочность для сопоставимой прочности, благодаря уточнению зерна Ti |
| Твердость (поверхностная закалка) | Высокая достижимая (после цементации) | Сравнимая поверхностная твердость достижима; склонна лучше сохранять целостность закалки под нагрузкой |
Объяснение: - 20CrMnTi обычно достигает более высокой прочности на растяжение и предельной прочности сердцевины после одинаковой цементации и закалки, потому что более высокий Mn увеличивает закаливаемость, а Ti уточняет размер зерна. Результат — лучшая несущая способность и усталостная производительность для частей с высокими требованиями. - Достижимая поверхностная твердость при цементации сопоставима для обоих при использовании идентичных циклов цементации, поскольку поверхностный углерод определяет твердость мартенсита. Различия проявляются в целостности закалки, стабильности сохраненного аустенита и стойкости к отпуску.
5. Сварка
Сварка зависит в основном от углеродного эквивалента и закаливаемости. Два общих индекса:
Формула для углеродного эквивалента IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
Формула для Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - 20Cr: умеренный CE; разумный предварительный подогрев и контролируемое охлаждение могут избежать холодных трещин. Типичная практика — избегать сварки в сильно цементированном состоянии или проводить термообработку после сварки (PWHT), когда это необходимо. - 20CrMnTi: немного более высокий риск сварки из-за более высокого содержания Mn (увеличивает $CE_{IIW}$) и микроаллоирующих элементов, таких как Ti, влияющих на локальную микроструктуру и потенциальную закалку в зоне термического воздействия. $P_{cm}$ указывает на Ti как на фактор риска сварки. На практике сварка обоих сортов требует предварительного подогрева, низких температур межпрохода и соответствующих filler materials; сварка цементированных поверхностей обычно избегается, когда функция зависит от свойств закалки. - Практическое примечание: Ремонт цементированных поверхностей должен следовать строгим процедурам (снять закаленную поверхность, локальный подогрев, использовать совместимый сварочный металл, PWHT), и проектировщики часто указывают болтовые или кованые соединения, где сварка может ухудшить производительность.
6. Коррозия и защита поверхности
- Обе стали 20Cr и 20CrMnTi являются нелегированными сталями; они не обеспечивают внутренней коррозионной стойкости для агрессивных сред.
- Общие стратегии защиты: покраска, смазка, фосфатирование, черный оксид и оцинковка (горячее или электро) где это уместно. Для сильно нагруженных цементированных частей оцинковка часто избегается на контактных поверхностях из-за потенциального разрушения покрытия и рисков водородной хрупкости, если не контролировать должным образом.
- PREN (эквивалентный номер стойкости к коррозии) не применим к этим нелегированным сталям; для справки: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Но это применимо только к нержавеющим сплавам — не используйте для выбора 20Cr/20CrMnTi.
- Допуск на коррозию: где коррозия является проблемой, выбирайте обработки поверхности, совместимые с требованиями к твердости закалки и усталостной стойкости (например, дуплексные системы, тонкие керамические покрытия, применяемые перед окончательной шлифовкой только с проверенными процессами).
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: оба сорта относительно обрабатываемы в нормализованном или отожженном состоянии. 20CrMnTi может быть немного сложнее обрабатывать из-за более высокого содержания Mn и наличия карбидов/нитридов Ti; различия на практике скромные.
- Твердая обработка: после цементации и закалки оба сорта требуют шлифовки или твердых методов обработки для завершения закалки. Закаленные поверхности должны быть отшлифованы до окончательных размеров; твердая обработка с соответствующими инструментами возможна в производстве.
- Формуемость и изгиб: в низкоуглеродном базовом состоянии (до цементации) оба формуются аналогично. Формование после цементации не рекомендуется.
- Деформация при термообработке: более высокая закаливаемость 20CrMnTi может увеличить риск деформации, вызванной закалкой, если не контролировать; проектирование геометрии и приспособлений, выбор закалочной среды и практика отпуска важны.
8. Типичные применения
| 20Cr (распространенные применения) | 20CrMnTi (распространенные применения) |
|---|---|
| Шестерни средней нагрузки, шестеренки, шлицы | Шестерни тяжелой нагрузки, большие шестеренки и валы передачи с высокой нагрузкой |
| Валы и оси для общего машиностроения | Компоненты, требующие более глубокой закалки и большей прочности сердцевины (валы редукторов ветровых турбин, шестерни тяжелых транспортных средств) |
| Зубчатые колеса, распредвалы в легком режиме | Части, подверженные динамическим нагрузкам и усталости, где полезно уточнение зерна |
| Общие цементированные крепежные изделия и втулки | Компоненты с высокой усталостью и критически важные части трансмиссии |
Обоснование выбора: - Выбирайте 20Cr, когда чувствительность к стоимости значительна, а циклы нагрузки умеренные — адекватная твердость закалки с дактильной сердцевиной при более низкой стоимости материала. - Выбирайте 20CrMnTi, когда требуется большая закаливаемость, лучшая прочность сердцевины, улучшенный срок службы при усталости и уточненная микроструктура, несмотря на более высокую стоимость материала и потенциально более строгий контроль термообработки.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: 20Cr обычно является более экономичным вариантом, поскольку содержит меньше легирующих добавок и проще в контроле плавки/обработки. 20CrMnTi имеет премию за дополнительный Mn и Ti микроаллоирование и более строгий контроль обработки.
- Доступность: Оба сорта обычно производятся сталелитейными заводами, поставляющими кованые изделия, прутки и заготовки в регионах с тяжелым машиностроением. 20Cr, как правило, более широко доступен в стандартных прутках и кованых заготовках; 20CrMnTi может потребовать заказа у заводов или дистрибьюторов, которые поставляют микроаллоированные цементируемые стали.
- Формы продукции: оба доступны в виде прутков, кованых изделий и обработанных заготовок. Указывайте сертификаты завода и условия термообработки для обеспечения прослеживаемости.
10. Резюме и рекомендации
Резюме таблицы (качественное):
| Атрибут | 20Cr | 20CrMnTi |
|---|---|---|
| Сварка | Умеренная (лучше, чем у сильно легированных сталей) | Немного ниже (более высокий CE и содержание микроаллоиров) |
| Баланс прочности и прочности | Адекватный для стандартной нагрузки | Улучшенная прочность сердцевины и прочность для аналогичной твердости закалки |
| Стоимость | Ниже | Выше |
Рекомендация: - Выбирайте 20Cr, если: - Применение требует стандартной цементируемой стали для умеренных нагрузок и усталостных требований. - Стоимость и широкая доступность являются приоритетами. - Требования к глубине закалки являются мелкими до умеренными, и обычная термообработка достаточна. - Выбирайте 20CrMnTi, если: - Части требуют большей закаливаемости, большей прочности сердцевины или превосходной усталостной стойкости. - Уточнение зерна и улучшенная стойкость к отпуску важны (например, детали с высоким циклом усталости). - Вы принимаете немного более высокую стоимость материала для лучшей производительности и можете точно контролировать термообработку (закалка, отпуск).
Заключительное примечание: Всегда указывайте требуемую глубину цементированной поверхности, твердость поверхности, твердость/прочность сердцевины и любые термообработки после сварки или защиты поверхности в закупках и чертежах. Подтверждайте сертификаты завода и записи термообработки для каждой партии: практическая производительность зависит в первую очередь от точной химии, поставляемой и строгости маршрута обработки, а не только от номинального названия сорта.