ZG35CrMo矿用连接头的调质工艺

韩文涛

(大同煤矿集团 机电装备力泰有限责任公司， 山西 大同 037000)

0 引言

机电装备力泰有限责任公司作为同煤集团机电装备公司的专业修理液压支架企业，近年来随着高端液压支架的普及应用，在大修高端液压支架中发现连接头存在较大的质量问题，即旧支架拆解后,有的连接头变形严重，经探伤发现内部裂纹很多，无法再次使用。通过化验分析，连接头的主要材质是ZG35CrMo,由于这种材质的热处理工艺复杂，该公司又没有成熟的热处理工艺，因此,如何制定出切实可行的热处理工艺成为当务之急。

1 研究内容及性能分析

35CrMo是一种合金结构钢,在静力作用下具有非常高的强度、冲击韧性和较高的疲劳极限，淬透性也较高，高温下蠕变强度与持久强度也较高，长期工作温度可达500 ℃；冷变形时塑性中等，焊接性差。该结构钢通常用在高负荷下工作的重要结构件，如三机配套的传动件,刮板输送机减速器的转子、主轴、重载荷的传动轴和大断面零件，而在液压支架中主要用于连接头等主要承力连接件[1]。以图1为例研究其ZG35CrMo连接头的调质工艺。

1.1 35CrMo材料的物理性能分析

由表1化学成分得出,该35CrMo钢中合金元素含量的改变对奥氏体化的温度和时间，晶粒的细化和材料的脆性都有很大影响，严重影响了材料的力学性能。这种结构钢是一种低合金调质钢，其中Cr、Mo元素的主要作用是增加钢的淬透性，其淬火得到马氏体在高温回火时，不仅有足够的回火脆性，而且回火后的回火索氏体组织得到强化，从而使材料的强度强化而不降低其韧性，同时也可降低其回火脆性。

图1 ZG35CrMo连接头

表1 35CrMo各元素的质量分数 %

经碳当量计算公式可知：Ceq=C+1/6Mn+1/5(Cr+Mo+V)+1/15(Ni+Cu)计算得出，该35CrMo钢的碳当量值Ceq=0.72%。

1) 当Ceq<0.40%时，钢材的硬倾向不明显，可焊性优良，焊接时不必进行预热，可直接施焊。

2) 当Ceq=0.40%～0.60%时，钢材的硬倾向逐渐明显，可焊性尚可，焊接时需可采取焊前适当预热，焊后缓冷等工艺措施，控制其焊接线能量。

3) 当Ceq>0.60%时，钢材的硬倾向较强，可焊性更差，属于较难焊接的钢种，焊接时必须采取较高的预热温度和严格的工艺措施，选取合适的焊接材料[2]。

通过物理性能分析可见，这种材料的钢板焊接性不良，焊接时其硬倾向较大，热影响区热裂和冷裂倾向都会较大，尤其在调质状态下焊接，热影响区的冷裂倾向将会表现得很突出。但该35CrMo材质具有非常高的蠕变与持久强度，也具有高的静强度、冲击韧性和疲劳强度，淬透性良好。因此,考虑到生产实际的工艺可操作性和经济合理性，不应在选取35CrMo合金结构钢板进行焊接制作连接头，而是应通过铸造一次成型。

1.2 35CrMo材料热处理实验及力学性能分析

经查资料可知,该35CrMo钢奥氏体化温度860 ℃，A1=730 ℃，A3=780 ℃，Ms=370 ℃。取若干试样在850 ℃～860 ℃下保温30 min进行奥氏体化，然后选取空冷、油冷、水冷、盐水冷、炉冷5种冷却方式进行冷却，再对其不同冷却方式的试样进行强度试验，测出不同冷却方式条件下的硬度值。

1.2.1 不同淬火介质对35CrMo硬度的影响

将全部试验样品860 ℃淬火后采取5种不同的冷却方式：空冷(正火)、油冷、水冷、盐水冷、炉冷(退火)。其中盐水冷、油冷及水冷的样品各选取6个，正火与退火样品分别准备3个。对所有淬火后不同冷却方式的试验样品进行硬度试验，得出试验样品的洛氏硬度,如图2所示。

图2 淬火后经不同冷却方式处理后的试样硬度

淬火后不同的冷却方式对35CrMo试样硬度的影响：在同一淬火温度860 ℃，保温时间30 min,但采用不同的冷却方式通过对空冷、油冷、水冷、盐水冷、炉冷条件下的试样进行硬度测试，得出其不同的硬度值。主要原因是试样处于完全奥氏体状态，晶粒细化，原始组织中的珠光体和铁素体全部转化为单相的奥氏体，奥氏体中含碳量高，冷却过程中其稳定性高[3]，而在不同的冷却状态下，得到的残余奥氏体与马氏体组织颗粒大小不一样，而马氏体的机械特点是使材料具有较高的硬度，因此组织颗粒大小不一样就会产生不一样的硬度值。

1.2.2 不同回火温度对35CrMo硬度的影响

通过对油冷、水冷和盐水冷3组实验条件下的5个样品分别进行从450 ℃～750 ℃温度间隔为100 ℃的回火处理，共12个试验样品。在油冷、水冷和盐水冷3种实验条件下分别和余下的一个试验样品(没有回火处理)用作对照。

对3个没有回火处理的样品和12个回火处理的样品分别进行洛氏硬度测试，在不同回火温度条件下的试验样品的硬度值如图3所示。

图3 试验样品在不同回火温度处理后硬度

从图3中看出，在淬火温度一定时，回火温度在350 ℃～750 ℃区间，随着回火温度的不断升高，硬度值HRC呈下降趋势，在550 ℃时急剧下降。因此,550 ℃这个回火温度是HRC特别敏感的温度，要想得到技术要求稳定的HRC产品，必须严格控制回火温度的精度。

1.2.3 不同回火温度35CrMo的金相组织

1) 试样在350 ℃回火后，硬度为HRC51。通过观察金相组织[4]，其回火屈氏体组织为细小粒状渗碳体与铁素体基体组成的细小混合物。

2) 试样在450 ℃回火后，硬度为HRC46。通过观察金相组织，其回火屈氏体组织为较小粒状渗碳体与铁素体组成的较小混合物。

3) 试样在550 ℃回火后，硬度为HRC9。通过观察金相组织，主要是回火索氏体组织与回火屈氏体组织混合物，主要成分是铁素体基体中均匀分布小粒状渗碳体。

4) 试样在650 ℃回火后，硬度为HRC35。其金相组织是回火索氏体组织，其组织是铁素体基体中均匀分布着细小粒状的渗碳体。回火索氏体组织具有非常高的力学性能，如高塑、韧性，同时还保持较高的强度与硬度，这就使得这种钢具有非常好的综合机械性能。

5) 试样在750 ℃回火后，硬度为HRC29。通过观察金相组织，其组织是细小的回火珠光体，其组织成分是由铁素体基体和粗粒状的渗碳体组成。

1.2.4 不同热处理方式35CrMo的力学性能

为了测定不同热处理方式对35CrMo的力学性能的影响，选取了退火试样、正火试样、450 ℃、550 ℃、650 ℃、750 ℃油冷回火试样进行拉伸试验，然后测定这些试样的抗拉强度、屈服强度、断面收缩率及延伸率等力学性能指标。拉伸试样实验结果如表2所示。

表2 试样热处理后拉伸与冲击实验数据(平均值)

由表2中样品力学性能的比较得出，在淬火温度一样的情况下，随着回火温度的升高，δb、δs、HRC等力学性能呈下降趋势，这是由于回火得到的组织是马氏体和均匀分布较小针状铁素体混合物[5]，回火温度的升高，铁素体向奥氏体转变，碳化物逐渐溶解且奥氏体晶粒逐渐长大，导致δb、δs、HRC等力学性能下降。

2 性能测试情况

2.1 淬火介质对试样性能的影响

1) 硬度。依据测得图表数据，同一淬火温度淬火后得到的试样硬度值大小和冷却速度有正相关，而冷却速度与淬火介质正相关且符合(水冷>盐水冷>油冷>空冷>炉冷)，故试样硬度是随冷却速度的增大而增大。

2) 强度与塑性。依据测得图表数据表明，样品硬度与强度性能指标正相关，对比正火与退火试样拉伸结果可以看出，正火试样强度大体优于退火试样强度,而塑性与强度性能指标反相关，正火试样塑性基本弱于退火试样塑性。

2.2 回火温度对试样性能的影响

1) 硬度。试样低温回火后，所得到的试样硬度值变化不大；试样中温回火后，所得到的试样硬度值显著下降，值得关注的是，在450 ℃～550 ℃回火温度区间内出现一个微微上翘平直线，经分析认为这是由于回火过程中析出弥散细微颗粒的碳化物，造成了试样二次硬化。高温回火时,随着回火的温度升高,其试样硬度会持续快速下降。

2) 强度和塑性。依据测得图表数据表明，随回火温度的升高，试样的δb、δs、HRC等力学性能呈下降趋势同时塑性上升，这主要是高温时,铁素体基体和马氏体混合物的晶粒长大和碳化物的溶解，导致错位强化、固溶强化、沉淀强化以及细晶强化等强化效应的减弱，而软化因素在逐渐增强[6]，从而使试样强度下降以及塑性升高。

3 调质工艺的实际应用分析

在850 ℃油淬+650 ℃回火条件下，获得回火索氏体组织，其组织为在铁素体基体里均匀分布着细微颗粒状的渗碳体。回火索氏体是一种具有非常高韧、塑性的组织，同时也保持较高的强度、硬度等力学性能，使得这种钢具有良好的机械性能。根据以上实验测试情况并结合公司的实际情况，连接头材质可选用ZG35CrMo，技术要求调质后硬度为HB240～280。该ZG35CrMo调质工艺的具体操作见表3。

表3 调质工艺参数

4 结论

通过实验分析与测试表明,经以上热处理工艺的ZG35CrMo钢件在强度、硬度检验中，完全达到设计图纸的要求,并且经此热处理工艺大修支架有多批次，矿方在煤矿设备使用过程中没有出现开裂、断裂等情况，使用情况良好。由此可见,ZG35CrMo钢的热处理工工艺可保证产品的质量，经过生产实践及用户使用，证明了此工艺有效可行，可以作为35CrMo钢的再制造工艺规范在煤矿机械制造行业推广应用。