Investigation of the Effect of Gas Carburizing on the Wear and Mechanical Properties of 8622RH and 20MnCr5 Steels

Abstract

In this study, it was aimed to compare the mechanical properties of 8622RH and 20MnCr5 steels used in automobile rear axle gears after carburizing process. 8622RH and 20MnCr5 steels were subjected to gas carburizing at 930 ˚C and 1.2% C ambient concentration for 395 minutes. The temperature was then reduced to 830 ˚C and the media concentration was set to 0.9%. Samples were kept at this temperature for 60 minutes. After carburization, the samples were kept in an oil bath at 100 ˚C for 30 minutes. After this step, the tempering process was carried out. The tempering process was carried out at 175 ˚C for 110 minutes. Microstructure analysis, hardness measurements, impact and wear tests were performed on 8622RH and 20MnCr5 steels before and after heat treatment and the results were presented. Conventional metallography and scanning electron microscopy (SEM) techniques were used in the microstructural investigations. Although the material microstructures are similar to each other and there is not much difference in the mechanical properties of both materials as a result of the carburization process; It has been observed that the surface hardness of 8622RH material is higher than that of 20MnCr5. This is thought to be due to the high hardenability of the Ni and Mo alloying elements in the content of 8622RH steel. When the wear rates of both materials are compared, it is seen that the wear amount of 20MnCr5 steel is higher than 8622RH steel.

Keywords

• Carburization
• Tempering
• Microstructure
• Wear Resistance
• Rear axle gears

8622RH ve 20MnCr5 Çeliklerinin Aşınma ve Mekanik Özelliklerine Gaz Karbürleme İşleminin Etkisinin İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, otomotiv arka aks dişlilerde kullanılan malzemelerden 8622RH ve 20MnCr5 çeliklerinin karbürizasyon işlemi sonrası mekanik özelliklerinin karşılaştırılması amaçlanmıştır. 8622RH ve 20MnCr5 çelikleri, 930 ˚C sıcaklıkta, %1.2 C ortam konsantrasyonunda 395 dakika süre ile gaz karbürizasyon işlemine tabi tutulmuştur. Daha sonra sıcaklık 830 ˚C’ye düşürülmüş ve ortam konsantrasyonu %0.9’a set edilmiştir. Bu sıcaklıkta da numuneler 60 dakika tutulmuştur. Karbürizasyon işlemi ardından numuneler 100 ˚C’deki yağ banyosu içinde 30 dakika bekletilmiştir. Bu adımdan sonra, temper prosesi gerçekleştirilmiştir. Temperleme prosesi 175 ˚C’de 110 dakika süre ile gerçekleştirilmiştir. 8622RH ve 20MnCr5 çeliklerinin ısıl işlem öncesi ve sonrası mikroyapı analizleri, sertlik ölçümleri, darbe ve aşınma deneyleri yapılarak, sonuçlar ortaya konmuştur. Mikroyapı incelemelerinde geleneksel metalografi ve taramalı elektron mikroskobisi (SEM) teknikleri kullanılmıştır. Malzeme mikroyapılarının birbirine benzer olduğu, karbürizasyon işlemi sonucunda her iki malzemenin de mekanik özellikleri arasında çok farklılık olmasa da 8622RH malzemesinin yüzey sertliğinin, 20MnCr5’e göre daha yüksek olduğu görülmüştür. Bu durumun 8622RH çeliğinin içeriğindeki Ni ve Mo alaşım elementlerinin yüksek sertleşebilme yeteneğinden kaynaklandığı düşünülmektedir.Her iki malzemenin aşınma oranları karşılaştırıldığında ise, 20MnCr5 çeliğinin aşınma miktarının, 8622RH çeliğine göre daha yüksek olduğu görülmüştür. Malzemelerin aşınma direnci ile sertliklerinin doğrudan ilgisi olması sebebiyle, yüksek sertliğe sahip olan 8622RH malzemesinin aşınma dayanımının daha yüksek olması beklenen bir sonuçtur.

Keywords

• Karbürizasyon
• Temperleme
• Mikroyapı
• Aşınma Direnci
• Arka aks dişlileri

References

1. 1. O.Asi, An investigation of retained austenite contents in carburized SAE 8620 steel, G.U. Journal of Science, 17(4):103-113, 2004.
2. 2. D. H. Herring, Gear heat treatment: The influence of materials and geometry, 35-40, 2004.
3. 3. S.N. Lingamanaik, B.K. Chen, The effects of carburising and quenching process on the formation of residual stresses in automotive gears, Comput. Mater. Sci., 62:99-104, 2012.
4. 4. K.-H., Zum Gahr, Tribology series, Microstructure and wear of materials, Elsevier, 1987.
5. 5. G. E. Totten, C.E. Bates, N.A. Clinton, Handbook of Quenchants and Quenching Technology, ASM International, Metals Park, OH, 1993.
6. 6. S. P. Radzevich, Dudley's Handbook of Practical Gear Design and Manufacture, 4th Edition, CRC Press, Boca Raton, 2021.
7. 7. ASM Handbook Volume 4, Heat Treating, ASM International, 1991.
8. 8. ASTM-A 914/A 914M – 92, 2005, Standard specification for steel bars subject to restricted end-quench hardenability requirements, ASTM International, 1999.

9. 9. J. Gupta, Mechanical and wear properties of carburized mild steel samples, Master of Technology Degree, National Institute of Technology Rourkela, Odisha, India, 2009.
10. 10. K. Kato, K. Adachi, Wear Mechanisms, Modern Tribology Handbook, CRC Press, Boca Raton, 2001.
11. 11. G. Parrish, Carburizing: Microstructures and properties, ASM International, Metals Park, OH, 1999.
12. 12. İ.N. Mazni, The effect of heat treatment on the hardness and impact properties of medium carbon steel, IOP, Conf. Ser., Materials Science and Engineering, 2016.
13. 13. K.E, Thelning, Steel and Its Heat Treatment, Butterworth Heinemann, Sweeden, 2000.
14. 14. G. Krauss, Part II: Austenite, Part III: Austenite & Fatigue, Specials papers, Microstructure and performance of carburized steel, ASM International, Metals Park, USA, 1995.
15. 15. J.A. Williams, Wear and Wear Particles-Some Fundamentals, Tribology International, Elsevier, UK, 2005.
16. 16. İ. Yeğen, Sıcak haddelenmiş ve soğuk çekilmiş SAE 8620 ve 16MnCr5 çeliklerinde tuz banyosunda gerçekleştirilen sementasyon işleminin aşınma direncine etkisi, Yüksek Lisans, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü/ Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye, 2009.
17. 17. G.E. Totten, Steel Heat Treatment Handbook: Metalurgy and Technologies, 2nd edition, Boca Raton, 2006.
18. 18. H. Chandler, Heat Treater's Guide: Practices and Procedures for Irons and Steels, ASM International, 1995.
19. 19. B. Bhushan, Introduction to Tribology, (Nanotribology Lab for Info Storage and MEMS/NEMS (NLIM), Ohio State Univ, Columbus OH 43210), Wiley, New York, 2002.
20. 20. T.V. Rajan, C.P.Sharma, A.Sharma, Heat Treatment, third Edition: Principles and techniques, PHI learning private limited, Delhi, 1988.
21. 21. M. J. Murray, P. J. Mutton, J. D. Watson, Abrasive wear mechanisms in steels, Journal of Lubrication Tech., 104:9-16, 1982.
22. 22. ASM Handbook Volume 1, Properties and Selection of Iron Steels and High Performance Alloys, ASM International, 1990.