20CrMnTi против 20CrNiMo – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Выбор между 20CrMnTi и 20CrNiMo является распространенной дилеммой для инженеров, менеджеров по закупкам и планировщиков производства, которые специфицируют стали для цементации для шестерен, валов и высоконагруженных машинных компонентов. Типичные компромиссы при выборе включают стоимость против глубины закалки, свариваемость против прочности сердцевины и обрабатываемость против срока службы при износе и усталости.

Фундаментальное различие между этими двумя марками заключается в их стратегии легирования: одна полагается на микроалюминирование и оптимизированный баланс марганца/хрома для поддержки цементации и контроля прочности, в то время как другая добавляет никель и молибден для увеличения закаливаемости и улучшения прочности сердцевины и усталостной стойкости. Поскольку обе марки используются как стали для цементации, их часто сравнивают, когда дизайнерам необходимо достичь баланса между износостойкой поверхностью и пластичной, прочной сердцевиной.

1. Стандарты и обозначения

• Общие стандарты, которые следует проверить при спецификации любой марки: национальные и международные стандарты, такие как GB/T (Китай), EN/ISO, JIS (Япония) и списки материалов отрасли, регулируемые ASTM/ASME, где требуются эквиваленты.
• Классификация:
• 20CrMnTi — легированная сталь для цементации (микроалюминированная марка для цементации).
• 20CrNiMo — легированная сталь для цементации с никелем и молибденом (марка для цементации с высокой закаливаемостью).
• Примечание: Точные химические пределы и допуски должны быть подтверждены в соответствии с конкретным стандартом или техническим паспортом завода, используемым в закупках; названия, такие как “20CrMnTi” и “20CrNiMo”, являются общими коммерческими/GB-стилевыми обозначениями и могут иметь местные эквиваленты в EN или JIS.

2. Химический состав и стратегия легирования

Как легирование влияет на производительность - Титан в 20CrMnTi связывает азот и углерод (TiN/TiC), уточняет размер зерна предшествующего аустенита и может улучшить усталостный срок службы и размерную стабильность цементируемой поверхности. Он особенно полезен для контроля роста зерна во время термообработки. - Никель и молибден в 20CrNiMo увеличивают закаливаемость, позволяют глубже закаливать при заданном закаливании и улучшают прочность сердцевины и прочность после отпуска. Mo также повышает стойкость к отпуску и помогает поддерживать твердость при повышенных температурах. - Хром в обеих марках помогает достичь твердого, износостойкого слоя после цементации и закалки.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичный процесс обработки для обеих марок — цементация (газовая, упаковочная или вакуумная), за которой следует закалка и отпуск для получения твердого мартенситного или bainitic слоя с более прочной, отпущенной сердцевиной.

Поведение микроструктуры: - Слой: После цементации и закалки обе сплавы развивают высокоуглеродный мартенситный слой (часто отпускается до желаемой твердости). Хром и концентрация углерода на поверхности контролируют твердость слоя и износостойкость. - Сердцевина: 20CrNiMo, с Ni и Mo, достигает более высокой закаливаемости и, следовательно, более прочной, высокой прочности сердцевины при аналогичных условиях закалки. 20CrMnTi часто дает немного более мягкую, более пластичную сердцевину, что является преимуществом, когда приоритетом являются ударная прочность и задержка усталостных трещин. - Роль Ti: Титан в 20CrMnTi образует мелкие карбонитриды, которые фиксируют границы зерен и уменьшают крупнозернистость аустенита во время высокотемпературной обработки. Это уточняет размер пакетов отпущенного мартенсита и может улучшить усталостную прочность и стойкость к отпускной хрупкости.

Влияние термообработки: - Нормализация: Используется для гомогенизации и уточнения структуры зерна предшествующего аустенита перед цементацией и ковкой. Обе марки получают выгоду от нормализации перед финальными циклами цементации. - Цементация + Закалка + Отпуск: Основной промышленный маршрут. 20CrNiMo может достичь более глубоких эффективных слоев с тем же графиком цементации благодаря большей закаливаемости; 20CrMnTi оптимизирован для стабильных, износостойких тонких и средних слоев с пластичной сердцевиной. - Термомеханическая обработка: Уплотнение, контролируемая прокатка или ковка, за которыми следуют соответствующие термообработки, дополнительно улучшают прочность и срок службы при усталости — мартенситные/байнитные структуры и дисперсия карбидов могут быть настроены с помощью контроля процесса.

4. Механические свойства

Интерпретация - 20CrNiMo обычно показывает более высокую прочность сердцевины и сопоставимую или немного улучшенную прочность, когда правильно термообрабатывается, благодаря никелю и молибдену, которые улучшают поведение при отпуске и закаливаемость. - 20CrMnTi акцентирует внимание на стабильности слоя, усталостной стойкости и пластичной сердцевине; контроль титана за размером зерна способствует сроку службы при усталостных циклических нагрузках. - Абсолютные свойства зависят от глубины цементации, жесткости закалки и температуры отпуска — указывайте эти параметры процесса, чтобы соответствовать требуемой производительности компонентов, а не полагаться только на название марки.

5. Свариваемость

Свариваемость сталей для цементации зависит от углеродного эквивалента и наличия легирующих элементов, увеличивающих закаливаемость. Два часто используемых эмпирических индекса:

• Углеродный эквивалент (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (формула Ито и модифицированная формула): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация: - 20CrMnTi: Умеренное содержание углерода и микроалюминирующий Ti создают умеренный углеродный эквивалент. Ti может образовывать стабильные осадки; избыточный титан или неправильная термообработка могут вызвать локализованную твердость или чувствительность зоны термического воздействия. Предварительный нагрев и контролируемая температура межпрохода, в сочетании с соответствующим сварочным металлом и термообработкой после сварки для толстых секций, являются стандартными мерами предосторожности. - 20CrNiMo: Дополнительные Ni и Mo увеличивают закаливаемость и повышают углеродные эквиваленты по сравнению с более простыми сталями для цементации. Это увеличивает риск закалки зоны термического воздействия и холодных трещин, если не используются правильный предварительный нагрев, контроль межпрохода и термообработка после сварки. Используйте низкогидрогеновые расходные материалы и подбирайте сварочный металл в соответствии с требуемой прочностью.

Общая рекомендация: Для обеих сталей сварка должна проводиться на нормализованном/отожженом материале, с предварительным нагревом и термообработкой после сварки, определяемыми толщиной и рассчитанными значениями $CE_{IIW}$/$P_{cm}$, а также с учетом спецификаций завода и сварочной процедуры.

6. Коррозия и защита поверхности

• Обе марки 20CrMnTi и 20CrNiMo являются нелегированными сталями. Устойчивость к коррозии в атмосферных или слабоагрессивных средах ограничена и обычно контролируется с помощью покрытий и дизайна:
• Варианты защиты поверхности: горячее цинкование (ограничено для высокотемпературного использования), электролитическое покрытие, фосфатирование + краска, порошковое покрытие, конверсионные покрытия или износостойкие покрытия в скользящих приложениях.
• Примечание: Процессы после цементации и отделка поверхности влияют на адгезию покрытия и коррозионную стойкость — очистка, нейтрализация и снятие напряжений являются важными.
• PREN (эквивалентный номер устойчивости к питтингу) применяется к нержавеющим сталям и не применим к этим нелегированным сталям для цементации: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Используйте защитный дизайн и покрытия, если компоненты подвергаются коррозионным средам; для комбинированного износа и коррозии рассмотрите возможность поверхностной инженерии (твердый хром, нитрование, покрытия PVD/CVD или коррозионно-стойкие сплавы для жертвенных зон).

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость:
• В отожженном или нормализованном состоянии 20CrMnTi обычно легче обрабатывается, чем 20CrNiMo, поскольку содержание Ni/Mo в последнем, как правило, приводит к упрочнению и снижению обрабатываемости.
• Обе марки должны обрабатываться до допуска перед цементацией, когда это возможно; окончательная шлифовка или полировка после термообработки достигает размерной точности и отделки поверхности.
• Формуемость:
• Обе марки могут быть сформированы (гибкой, прокаткой) в мягком или нормализованном состоянии. После цементации и закалки формуемость, по сути, теряется; обработка и отделка должны быть завершены заранее.
• Отделка поверхности:
• Шлифовка и полировка после цементации необходимы для строгих допусков и фланцев зубьев шестерен. Осадки карбидов (например, TiC) в 20CrMnTi могут умеренно влиять на абразивный износ режущих инструментов.

8. Типичные применения

Обоснование выбора: - Выбирайте 20CrMnTi, когда вы придаете приоритет усталостной стойкости, контролируемой металлургии слоя и более низкой стоимости легирования для типичных цементируемых компонентов. - Выбирайте 20CrNiMo, когда вам нужна большая закаливаемость для более глубоких слоев или большей прочности/прочности сердцевины, особенно для крупных поперечных сечений или компонентов, подвергающихся высоким постоянным нагрузкам.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: 20CrNiMo, как правило, дороже, чем 20CrMnTi из-за содержания никеля и молибдена. Ценовой дифференциал зависит от рыночных цен на металлы и объема заказа.
• Доступность: Обе марки коммерчески распространены в виде прутков, ковки и колец от сталелитейных заводов, производящих стали для цементации; региональное предложение может варьироваться. 20CrMnTi часто является стандартным предложением во многих заводах, в то время как 20CrNiMo может производиться по заказу или как стандартная марка с высокой закаливаемостью в регионах, обслуживающих тяжелую промышленность.

10. Резюме и рекомендации

Выбирайте 20CrMnTi, если: - Вам нужна экономичная марка для цементации с хорошей усталостной стойкостью и пластичной сердцевиной для компонентов, таких как шестерни, шестеренки и валы среднего размера. - Обрабатываемость в мягком состоянии и стабильная, уточненная микроструктура слоя являются приоритетами.

Выбирайте 20CrNiMo, если: - Вам требуется большая закаливаемость для достижения более глубокой эффективной глубины слоя или большей прочности сердцевины в крупных поперечных сечениях или в тяжелых трансмиссиях. - Применение требует более высокой стойкости к отпуску и превосходной прочности сердцевины, даже при некоторой дополнительной стоимости материала.

Заключительная заметка: Обе марки надежно работают в сочетании с соответствующим графиком цементации, жесткостью закалки и режимом отпуска. Укажите требуемую глубину слоя, цели по твердости/прочности сердцевины и ожидаемые рабочие нагрузки, чтобы позволить металлургам или поставщикам стали рекомендовать точный сплав и цикл термообработки, которые соответствуют требованиям производительности и стоимости деталей.