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20CrNi3Mn2Al alterungsbeständiger, nitrierter Zahnradstahl
Mit der kontinuierlichen Entwicklung der modernen Industrietechnologie hat sich die Nitriertechnologie im Bereich der Oberflächenverfestigung immer mehr hervorgetan, insbesondere für große, hochdrehende, hochbelastete und Präzisionszahnräder. Traditionelle Nitrierstähle leiden jedoch seit langem unter dem "Eierschalen-Effekt" — einer dünnen nitrierten Schicht in Kombination mit geringer Matrixhärte — was ihren Einsatz in Hochlastanwendungen einschränkt. Um diese Lücke zu schließen, wurde der neue aushärtende Nitrierzahnradstahl 20CrNi3Mn2Al im Inland erfolgreich entwickelt. Er integriert Aushärtung und Nitrierverfestigung und ermöglicht es, Einsatzhärtungsprozesse in großen Hochlastzahnradanwendungen teilweise zu ersetzen. Dieser Stahl eignet sich besonders für Zahnräder, die unter rauen Bedingungen wie einem Wassermedium mit Rostschutzanforderungen, einer Zahnoberflächenspannung von 1160 MPa, einem Modul von 1,5 und einer Zahnoberflächenhärte von über 52 HRC betrieben werden.
Hauptmerkmale von Nitrierzahnradstählen
Nitrierzahnradstähle müssen die folgenden Kernanforderungen erfüllen:
- Hervorragende Bearbeitbarkeit: Die Härte der Zahnradrohlinge sollte zwischen 30 und 36 HRC (283 bis 332 HB) liegen, um die Bearbeitung zu erleichtern.
- Synergistische Verfestigung: Die Legierungszusammensetzung muss sowohl Aushärtung als auch Nitrierverfestigung erreichen und gleichzeitig hohe Festigkeit und Zähigkeit beibehalten, was eine schnelle Tiefnitrierung ermöglicht.
- Hohe Leistung: Zahnräder, die aus diesen Stählen hergestellt werden, sollten eine hohe Ermüdungsbeständigkeit, minimale Verformung nach der Wärmebehandlung, stabile Qualität und Umweltfreundlichkeit aufweisen.
Legierungszusammensetzungsdesign von 20CrNi3Mn2Al-Stahl
Legierungsprinzip
- Aushärtung: Erreicht durch die kohärente Ausscheidung von ultrafeinen intermetallischen Verbindungen Ni₃Al mit der α-Matrix, wobei das Vorhandensein von Al und Ni erforderlich ist.
- Nitrierverfestigung: Realisiert durch interstitielle Festlösungsverfestigung von Stickstoff und die 弥散-Ausscheidung von extrem stabilen Nitriden, die durch Al, Cr, Mo und V gebildet werden — wobei das Vorhandensein von Al, Cr, Mo und V unerlässlich ist.
- Kohlenstoffarmes und manganreiches Design: Ein niedriger Kohlenstoffgehalt fördert die Stickstoffdiffusion während des Nitrierens. Kohlenstoff fällt Chromcarbide mit Cr während des Alterungsprozesses aus, wodurch die Korngrenzen-Ausscheidung von Ni₃Al gehemmt, die Zähigkeit verbessert und die Alterungseffizienz verzögert wird. Mangan erhöht die Härtbarkeit, verzögert die Perlitumwandlung und gewährleistet eine überwiegend bainitische Umwandlung während der Luftkühlung.
Chemische Zusammensetzung
Basierend auf dem amerikanischen P21-Stahl wurde 20CrNi3Mn2Al innovativ entwickelt und nimmt Nickel und Aluminium als Kern, kombiniert mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, hohem Mangangehalt und dem Vorhandensein von Al, Cr, Mo und V. Seine chemische Zusammensetzung (Massenanteil) ist in der folgenden Tabelle dargestellt:
| Stahlsorte | 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 |
Testergebnisse und Analyse
Lösungsglühtemperatur
Die Testergebnisse zeigen, dass Luftkühlung nach dem Lösungsglühen bei 850-900℃ für 3 Stunden eine Härte von 33-35 HRC ergibt, ideal für die Bearbeitung. Der optimale Temperaturbereich liegt bei 850-900℃, wobei 870℃ als üblicher Parameter verwendet wird. Die Mikrostruktur nach der Behandlung wird von granularem Bainit dominiert, mit kleinen Mengen an plattenförmigem Martensit und Restaustenit.
| Behandlungstemperatur (℃) | 840 | 860 | 870 | 890 | 900 | 920 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Luftkühlung Härte (HRC) | 34 | - | 34 | - | 34,5 | - |
| Ölkühlung Härte (HRC) | - | 36 | 37 | - | - | - |
Alterungstemperatur
Nach dem Lösungsglühen bei 870℃ für 3 Stunden wurden Proben bei verschiedenen Temperaturen 6 Stunden lang gealtert, wobei einige einer Sekundäralterung (540℃×6h) unterzogen wurden. Die wichtigsten Ergebnisse sind:
- Alterung bei 460-600℃ erzeugt Aushärtungseffekte, wobei die höchste Härte (40-43 HRC) bei 500-560℃ erreicht wird. In diesem Bereich sind die Ni₃Al-Ausscheidungen ultrafein (≈10nm), gleichmäßig verteilt und kohärent mit der Matrix.
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