ZG35CrMo礦用連接頭的調質工藝

韓文濤

(大同煤礦集團 機電裝備力泰有限責任公司， 山西 大同 037000)

0 引言

機電裝備力泰有限責任公司作為同煤集團機電裝備公司的專業修理液壓支架企業，近年來隨著高端液壓支架的普及應用，在大修高端液壓支架中發現連接頭存在較大的質量問題，即舊支架拆解后,有的連接頭變形嚴重，經探傷發現內部裂紋很多，無法再次使用。通過化驗分析，連接頭的主要材質是ZG35CrMo,由于這種材質的熱處理工藝復雜，該公司又沒有成熟的熱處理工藝，因此,如何制定出切實可行的熱處理工藝成為當務之急。

1 研究內容及性能分析

35CrMo是一種合金結構鋼,在靜力作用下具有非常高的強度、沖擊韌性和較高的疲勞極限，淬透性也較高，高溫下蠕變強度與持久強度也較高，長期工作溫度可達500 ℃；冷變形時塑性中等，焊接性差。該結構鋼通常用在高負荷下工作的重要結構件，如三機配套的傳動件,刮板輸送機減速器的轉子、主軸、重載荷的傳動軸和大斷面零件，而在液壓支架中主要用于連接頭等主要承力連接件[1]。以圖1為例研究其ZG35CrMo連接頭的調質工藝。

1.1 35CrMo材料的物理性能分析

由表1化學成分得出,該35CrMo鋼中合金元素含量的改變對奧氏體化的溫度和時間，晶粒的細化和材料的脆性都有很大影響，嚴重影響了材料的力學性能。這種結構鋼是一種低合金調質鋼，其中Cr、Mo元素的主要作用是增加鋼的淬透性，其淬火得到馬氏體在高溫回火時，不僅有足夠的回火脆性，而且回火后的回火索氏體組織得到強化，從而使材料的強度強化而不降低其韌性，同時也可降低其回火脆性。

圖1 ZG35CrMo連接頭

表1 35CrMo各元素的質量分數 %

經碳當量計算公式可知：Ceq=C+1/6Mn+1/5(Cr+Mo+V)+1/15(Ni+Cu)計算得出，該35CrMo鋼的碳當量值Ceq=0.72%。

1) 當Ceq<0.40%時，鋼材的硬傾向不明顯，可焊性優良，焊接時不必進行預熱，可直接施焊。

2) 當Ceq=0.40%～0.60%時，鋼材的硬傾向逐漸明顯，可焊性尚可，焊接時需可采取焊前適當預熱，焊后緩冷等工藝措施，控制其焊接線能量。

3) 當Ceq>0.60%時，鋼材的硬傾向較強，可焊性更差，屬于較難焊接的鋼種，焊接時必須采取較高的預熱溫度和嚴格的工藝措施，選取合適的焊接材料[2]。

通過物理性能分析可見，這種材料的鋼板焊接性不良，焊接時其硬傾向較大，熱影響區熱裂和冷裂傾向都會較大，尤其在調質狀態下焊接，熱影響區的冷裂傾向將會表現得很突出。但該35CrMo材質具有非常高的蠕變與持久強度，也具有高的靜強度、沖擊韌性和疲勞強度，淬透性良好。因此,考慮到生產實際的工藝可操作性和經濟合理性，不應在選取35CrMo合金結構鋼板進行焊接制作連接頭，而是應通過鑄造一次成型。

1.2 35CrMo材料熱處理實驗及力學性能分析

經查資料可知,該35CrMo鋼奧氏體化溫度860 ℃，A1=730 ℃，A3=780 ℃，Ms=370 ℃。取若干試樣在850 ℃～860 ℃下保溫30 min進行奧氏體化，然后選取空冷、油冷、水冷、鹽水冷、爐冷5種冷卻方式進行冷卻，再對其不同冷卻方式的試樣進行強度試驗，測出不同冷卻方式條件下的硬度值。

1.2.1 不同淬火介質對35CrMo硬度的影響

將全部試驗樣品860 ℃淬火后采取5種不同的冷卻方式：空冷(正火)、油冷、水冷、鹽水冷、爐冷(退火)。其中鹽水冷、油冷及水冷的樣品各選取6個，正火與退火樣品分別準備3個。對所有淬火后不同冷卻方式的試驗樣品進行硬度試驗，得出試驗樣品的洛氏硬度,如圖2所示。

圖2 淬火后經不同冷卻方式處理后的試樣硬度

淬火后不同的冷卻方式對35CrMo試樣硬度的影響：在同一淬火溫度860 ℃，保溫時間30 min,但采用不同的冷卻方式通過對空冷、油冷、水冷、鹽水冷、爐冷條件下的試樣進行硬度測試，得出其不同的硬度值。主要原因是試樣處于完全奧氏體狀態，晶粒細化，原始組織中的珠光體和鐵素體全部轉化為單相的奧氏體，奧氏體中含碳量高，冷卻過程中其穩定性高[3]，而在不同的冷卻狀態下，得到的殘余奧氏體與馬氏體組織顆粒大小不一樣，而馬氏體的機械特點是使材料具有較高的硬度，因此組織顆粒大小不一樣就會產生不一樣的硬度值。

1.2.2 不同回火溫度對35CrMo硬度的影響

通過對油冷、水冷和鹽水冷3組實驗條件下的5個樣品分別進行從450 ℃～750 ℃溫度間隔為100 ℃的回火處理，共12個試驗樣品。在油冷、水冷和鹽水冷3種實驗條件下分別和余下的一個試驗樣品(沒有回火處理)用作對照。

對3個沒有回火處理的樣品和12個回火處理的樣品分別進行洛氏硬度測試，在不同回火溫度條件下的試驗樣品的硬度值如圖3所示。

圖3 試驗樣品在不同回火溫度處理后硬度

從圖3中看出，在淬火溫度一定時，回火溫度在350 ℃～750 ℃區間，隨著回火溫度的不斷升高，硬度值HRC呈下降趨勢，在550 ℃時急劇下降。因此,550 ℃這個回火溫度是HRC特別敏感的溫度，要想得到技術要求穩定的HRC產品，必須嚴格控制回火溫度的精度。

1.2.3 不同回火溫度35CrMo的金相組織

1) 試樣在350 ℃回火后，硬度為HRC51。通過觀察金相組織[4]，其回火屈氏體組織為細小粒狀滲碳體與鐵素體基體組成的細小混合物。

2) 試樣在450 ℃回火后，硬度為HRC46。通過觀察金相組織，其回火屈氏體組織為較小粒狀滲碳體與鐵素體組成的較小混合物。

3) 試樣在550 ℃回火后，硬度為HRC9。通過觀察金相組織，主要是回火索氏體組織與回火屈氏體組織混合物，主要成分是鐵素體基體中均勻分布小粒狀滲碳體。

4) 試樣在650 ℃回火后，硬度為HRC35。其金相組織是回火索氏體組織，其組織是鐵素體基體中均勻分布著細小粒狀的滲碳體。回火索氏體組織具有非常高的力學性能，如高塑、韌性，同時還保持較高的強度與硬度，這就使得這種鋼具有非常好的綜合機械性能。

5) 試樣在750 ℃回火后，硬度為HRC29。通過觀察金相組織，其組織是細小的回火珠光體，其組織成分是由鐵素體基體和粗粒狀的滲碳體組成。

1.2.4 不同熱處理方式35CrMo的力學性能

為了測定不同熱處理方式對35CrMo的力學性能的影響，選取了退火試樣、正火試樣、450 ℃、550 ℃、650 ℃、750 ℃油冷回火試樣進行拉伸試驗，然后測定這些試樣的抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率及延伸率等力學性能指標。拉伸試樣實驗結果如表2所示。

表2 試樣熱處理后拉伸與沖擊實驗數據(平均值)

由表2中樣品力學性能的比較得出，在淬火溫度一樣的情況下，隨著回火溫度的升高，δb、δs、HRC等力學性能呈下降趨勢，這是由于回火得到的組織是馬氏體和均勻分布較小針狀鐵素體混合物[5]，回火溫度的升高，鐵素體向奧氏體轉變，碳化物逐漸溶解且奧氏體晶粒逐漸長大，導致δb、δs、HRC等力學性能下降。

2 性能測試情況

2.1 淬火介質對試樣性能的影響

1) 硬度。依據測得圖表數據，同一淬火溫度淬火后得到的試樣硬度值大小和冷卻速度有正相關，而冷卻速度與淬火介質正相關且符合(水冷>鹽水冷>油冷>空冷>爐冷)，故試樣硬度是隨冷卻速度的增大而增大。

2) 強度與塑性。依據測得圖表數據表明，樣品硬度與強度性能指標正相關，對比正火與退火試樣拉伸結果可以看出，正火試樣強度大體優于退火試樣強度,而塑性與強度性能指標反相關，正火試樣塑性基本弱于退火試樣塑性。

2.2 回火溫度對試樣性能的影響

1) 硬度。試樣低溫回火后，所得到的試樣硬度值變化不大；試樣中溫回火后，所得到的試樣硬度值顯著下降，值得關注的是，在450 ℃～550 ℃回火溫度區間內出現一個微微上翹平直線，經分析認為這是由于回火過程中析出彌散細微顆粒的碳化物，造成了試樣二次硬化。高溫回火時,隨著回火的溫度升高,其試樣硬度會持續快速下降。

2) 強度和塑性。依據測得圖表數據表明，隨回火溫度的升高，試樣的δb、δs、HRC等力學性能呈下降趨勢同時塑性上升，這主要是高溫時,鐵素體基體和馬氏體混合物的晶粒長大和碳化物的溶解，導致錯位強化、固溶強化、沉淀強化以及細晶強化等強化效應的減弱，而軟化因素在逐漸增強[6]，從而使試樣強度下降以及塑性升高。

3 調質工藝的實際應用分析

在850 ℃油淬+650 ℃回火條件下，獲得回火索氏體組織，其組織為在鐵素體基體里均勻分布著細微顆粒狀的滲碳體。回火索氏體是一種具有非常高韌、塑性的組織，同時也保持較高的強度、硬度等力學性能，使得這種鋼具有良好的機械性能。根據以上實驗測試情況并結合公司的實際情況，連接頭材質可選用ZG35CrMo，技術要求調質后硬度為HB240～280。該ZG35CrMo調質工藝的具體操作見表3。

表3 調質工藝參數

4 結論

通過實驗分析與測試表明,經以上熱處理工藝的ZG35CrMo鋼件在強度、硬度檢驗中，完全達到設計圖紙的要求,并且經此熱處理工藝大修支架有多批次，礦方在煤礦設備使用過程中沒有出現開裂、斷裂等情況，使用情況良好。由此可見,ZG35CrMo鋼的熱處理工工藝可保證產品的質量，經過生產實踐及用戶使用，證明了此工藝有效可行，可以作為35CrMo鋼的再制造工藝規范在煤礦機械制造行業推廣應用。