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Société Nouvelles
Acier à engrenages 20CrNi3Mn2Al, durcissement structural, nitruré
Avec le développement continu de la technologie industrielle moderne, la technologie de nitruration est devenue de plus en plus importante dans le domaine du renforcement de surface, en particulier pour les engrenages de grande taille, à grande vitesse, à forte charge et de précision. Cependant, les aciers de nitruration traditionnels souffrent depuis longtemps de l'« effet coquille d'œuf » — une fine couche nitrurée combinée à une faible dureté de la matrice — limitant leur application dans les scénarios à forte charge. Pour combler cette lacune, le nouvel acier pour engrenages nitrurés à durcissement par vieillissement 20CrNi3Mn2Al a été développé avec succès au niveau national. Il intègre le durcissement par vieillissement et le renforcement par nitruration, ce qui lui permet de remplacer partiellement les procédés de cémentation dans les applications d'engrenages à forte charge. Cet acier est particulièrement adapté aux engrenages fonctionnant dans des conditions difficiles telles qu'un milieu aqueux avec des exigences de protection contre la rouille, une contrainte de surface de dent de 1160 MPa, un module de 1,5 et une dureté de surface de dent supérieure à 52 HRC.
Caractéristiques clés des aciers pour engrenages nitrurés
Les aciers pour engrenages nitrurés doivent répondre aux exigences fondamentales suivantes :
- Excellente usinabilité : La dureté des ébauches d'engrenages doit se situer entre 30 et 36 HRC (283 à 332 HB) pour faciliter les opérations d'usinage.
- Renforcement synergique : La composition de l'alliage doit permettre à la fois le durcissement par vieillissement et le renforcement par nitruration tout en maintenant une résistance et une ténacité élevées, ce qui permet une nitruration profonde rapide.
- Haute performance : Les engrenages fabriqués à partir de ces aciers doivent présenter une résistance élevée à la fatigue, une distorsion minimale après le traitement thermique, une qualité stable et un respect de l'environnement.
Conception de la composition de l'alliage de l'acier 20CrNi3Mn2Al
Principe d'alliage
- Durcissement par vieillissement : Obtenu grâce à la précipitation cohérente du composé intermétallique ultrafin Ni₃Al avec la matrice α, nécessitant la coexistence de Al et Ni.
- Renforcement par nitruration : Réalisé via le renforcement par solution solide interstitielle de l'azote et la précipitation 弥散 de nitrures extrêmement stables formés par Al, Cr, Mo et V — la coexistence de Al, Cr, Mo et V étant essentielle.
- Conception à faible teneur en carbone et à haute teneur en manganèse : Une faible teneur en carbone favorise la diffusion de l'azote pendant la nitruration. Le carbone précipite des carbures de chrome avec Cr pendant le vieillissement, inhibant la précipitation de Ni₃Al aux joints de grains, améliorant la ténacité et retardant l'efficacité du vieillissement. Le manganèse améliore la trempabilité, retarde la transformation perlitique et assure une transformation principalement bainitique pendant le refroidissement à l'air.
Composition chimique
Développé de manière innovante sur la base de l'acier américain P21, le 20CrNi3Mn2Al prend le nickel et l'aluminium comme base, combinés à une faible teneur en carbone, à une teneur élevée en manganèse et à la coexistence de Al, Cr, Mo et V. Sa composition chimique (fraction massique) est indiquée dans le tableau ci-dessous :
| Nuance d'acier | 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 |
Résultats et analyse des tests
Température de traitement de mise en solution
Les résultats des tests indiquent qu'un refroidissement à l'air après un traitement de mise en solution à 850-900℃ pendant 3 heures donne une dureté de 33-35 HRC, idéale pour l'usinage. La plage de température optimale est de 850-900℃, avec 870℃ comme paramètre couramment utilisé. La microstructure après traitement est dominée par la bainite granulaire, avec de petites quantités de martensite en lattes et d'austénite résiduelle.
| Température de traitement (℃) | 840 | 860 | 870 | 890 | 900 | 920 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Dureté au refroidissement à l'air (HRC) | 34 | - | 34 | - | 34,5 | - |
| Dureté au refroidissement à l'huile (HRC) | - | 36 | 37 | - | - | - |
Température de vieillissement
Après un traitement de mise en solution à 870℃ pendant 3 heures, les éprouvettes ont été vieillies à différentes températures pendant 6 heures, certaines subissant un vieillissement secondaire (540℃×6h). Les principales conclusions sont les suivantes :
- Le vieillissement à 460-600℃ produit des effets de durcissement par vieillissement, la dureté la plus élevée (40-43 HRC) étant atteinte à 500-560℃. Dans cette plage, les précipités de Ni₃Al sont ultrafins (≈10nm), uniformément répartis et cohérents avec la matrice.
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