劉 勇，高文娟

1 前言

中碳合金結(jié)構(gòu)鋼35CrMoA鋼具有較高的淬透性、良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能，其價格又比Cr-Ni鋼等低廉，在機械制造、汽車和石化等行業(yè)廣泛用于制造傳動軸、曲軸和緊固件等零部件，為山東壽光巨能特鋼有限公司中碳合金結(jié)構(gòu)鋼主要產(chǎn)品之一。近期生產(chǎn)的35CrMoA鋼出現(xiàn)調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能不合，抗拉強度或者屈服強度低于國家標(biāo)準(zhǔn)要求。為此，對35CrMoA鋼力學(xué)性能的影響因素進行分析，找出了性能不合格的原因，通過調(diào)整化學(xué)成分，優(yōu)化連鑄工藝，減輕鋼的顯微偏析，提高軋制加熱溫度和均熱溫度，延長在爐時間，均勻成分等，使35CrMoA鋼力學(xué)性能達到國標(biāo)要求。

2 35CrMoA鋼力學(xué)性能影響因素分析

2.1 化學(xué)成分

1）碳溶解在鋼中形成間隙固溶體，與強碳化物形成元素形成碳化物析出，起到沉淀強化作用。提高碳含量雖然對強度等有利，但對塑性和韌性不利，應(yīng)合理控制碳含量。

2）硅能顯著提高鋼的彈性極限，屈服點和抗拉強度，硅原子半徑較大，在鋼中固溶到鐵素體中可使鐵素體晶粒發(fā)生畸變，從而有效地提高鐵素體基體的強度。硅可以促進鋼在回火時碳化物的析出，起到沉淀強化作用。

3）錳顯著提高鋼的淬透性，改善鋼的熱處理性能，強化基體和細化珠光體組織，從而提高鋼的強度和硬度。

4）鉻在調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中的主要作用是提高淬透性，使鋼經(jīng)淬火回火后具有較好的綜合力學(xué)性能。

5）鉬能提高鋼的淬透性，在調(diào)質(zhì)鋼中，防止鋼的回火脆性，可固溶于鐵素體、奧氏體和碳化物中，是縮小奧氏體相區(qū)的元素。鉬提高鋼的淬透性的作用較鉻強［1］。

2.2 熱處理工藝

1）淬火對35CrMoA鋼性能的影響。淬火加熱（奧氏體化）是將35CrMoA鋼由室溫組織轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏膴W氏體組織以便進行淬火。保溫是為了使工件內(nèi)部溫度均勻趨于一致。為保證整個截面都轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體需要選用冷卻能力足夠強的淬火介質(zhì)，以保證工件心部有足夠高的冷卻速度。

2）回火對35CrMoA鋼性能的影響?；鼗疬^程包括馬氏體分解，碳化物的析出、轉(zhuǎn)化、聚集和長大，鐵素體回復(fù)和再結(jié)晶，殘余奧氏體分解等四類反應(yīng)。淬火鋼回火后的性能取決于它的內(nèi)部顯微組織；鋼的顯微組織又隨其化學(xué)成分、淬火工藝及回火工藝而異［2］。

2.3 其他因素

1）疏松。鋼材存在較嚴(yán)重的組織疏松，對鋼材的力學(xué)性能偏低有一定影響。

2）偏析。存在于晶粒內(nèi)部的成分不均勻，稱為晶內(nèi)偏析。鋼材存在晶內(nèi)偏析，在后續(xù)的熱處理時會造成組織差異，從而導(dǎo)致性能差異。不同元素其偏析系數(shù)不同，偏析系數(shù)越大，偏析越嚴(yán)重。

3 35CrMoA鋼組織性能檢測分析

3.1 成分及力學(xué)性能

選取4爐產(chǎn)品進行成分及力學(xué)性能檢測，鋼的化學(xué)成分見表1。

35CrMoA鋼采用GB/T 3077—2015中規(guī)定Φ25 mm試樣及熱處理工藝：860℃、50 min、油冷；520℃、60 min、水冷，力學(xué)性能不合的實際數(shù)值如表2所示。主要表現(xiàn)在屈服強度和抗拉強度低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 35CrMoA鋼化學(xué)成分檢測結(jié)果 %

3.2 金相組織分析

1）熱軋材組織。35CrMoA鋼熱軋材金相組織見圖1，組織不均勻，存在著貝氏體的帶狀組織，位置不同，帶狀組織的嚴(yán)重程度不同。邊部沒有明顯帶狀組織，以貝氏體組織為主。1/4厚度處和心部有明顯的帶狀組織。1/4厚度處的貝氏體帶寬度比較窄，但條帶數(shù)量多，而心部的貝氏體帶寬度比較寬，但條帶數(shù)量少［3］。

2）帶狀組織的遺傳。35CrMoA熱軋材熱處理后的金相組織見圖2。淬火溫度為865℃，不可能消除帶狀組織中的合金元素偏析，因此軋材的帶狀組織會不可避免地遺傳到熱處理后的試樣，帶狀組織在常規(guī)熱處理之后都具有較低的力學(xué)性能，并且淬火后馬氏體形態(tài)不同，原來的貝氏體帶的馬氏體以針狀為主，其他區(qū)域以板條為主。出現(xiàn)針狀馬氏體的原因是由于C及合金元素出現(xiàn)了富集?；鼗鸾M織中保持了淬火后的帶狀組織。

圖2 35CrMoA熱軋材熱處理后的金相組織

3）帶狀組織的偏析。對軋態(tài)樣品的帶狀組織和基體進行EDS分析，位置如圖3所示，分析結(jié)果見表3。

從圖3、表3可以看出，珠光體條帶處的Cr含量在1.0%～1.2%，貝氏體條帶處的Cr含量在1.2%～1.7%。Cr含量分布不均勻，貝氏體條帶處的Cr含量明顯高于珠光體條帶處的Cr含量。Cr含量不同，淬透性不同，Cr含量高的地方，淬透性高，增加了奧氏體穩(wěn)定性，在軋后空冷過程中，形成了貝氏體。Cr含量低的地方，淬透性低，在軋后空冷過程中，形成了珠光體+鐵素體。

圖3 偏析帶及基體EDS打點位置

表3 偏析帶及基體位置能譜分析

4 35CrMoA鋼性能不合格原因及解決措施

4.1 熱軋材性能不合格原因

目前35CrMoA鋼的化學(xué)成分中，對強度有直接影響的C、Cr元素都控制在允許范圍中下限，能提高淬透性的Mo元素控制在下限，鋼材存在顯微偏析，鋼材縱向組織存在貝氏體與珠光體+鐵素體交替分布的條帶。產(chǎn)生條帶的原因是由于存在顯微偏析，主要是Cr的偏析。由于C、Cr和Mo元素控制在下限且存在合金的偏析帶，造成局部區(qū)域合金元素貧瘠，在后續(xù)的熱處理油冷過程中元素貧瘠區(qū)域淬火能力不足，無法全部淬成馬氏體，會出現(xiàn)少量先共析鐵素體和珠光體，回火后導(dǎo)致35CrMo鋼的強度和韌性不足。

4.2 提高力學(xué)性能的措施

調(diào)整化學(xué)成分，適當(dāng)提高C、Cr和Mo元素的含量，C、Cr控制在允許范圍的中限，能提高鋼的淬透性的Mo元素控制在0.17%左右。減輕顯微偏析，通過連鑄工藝的優(yōu)化，減小枝晶間距，從而減輕顯微偏析［4］。優(yōu)化軋制工藝，提高鑄坯在加熱爐中的加熱溫度和均熱溫度及在爐時間，通過提高溫度來增加合金元素的擴散，均勻鑄坯成分，從而提高后續(xù)軋材熱處理后的性能［5］。

4.3 試驗結(jié)果驗證

為驗證改進效果，按照改進措施要求重新生產(chǎn)一批產(chǎn)品，取樣進行成分和力學(xué)性能分析?；瘜W(xué)成分進行部分調(diào)整，按中上限對C、Cr等元素進行目標(biāo)控制，成分見表4。

表4 35CrMoA鋼改進后的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

通過化學(xué)成分及連鑄、加熱工藝的優(yōu)化，按GB/T 3077—2015相關(guān)規(guī)定熱處理后進行軋材的力學(xué)性能檢驗，各項力學(xué)性能指標(biāo)已明顯高于標(biāo)準(zhǔn)值，具體數(shù)值見表5。

表5 35CrMoA鋼改進后的力學(xué)性能

5 結(jié) 語

35CrMoA鋼性能不合格的原因：對強度有直接影響的C及合金元素都控制在允許范圍中下限，Mo控制在下限；鋼材存在顯微偏析。提高35CrMoA鋼力學(xué)性能的措施：調(diào)整化學(xué)成分，適當(dāng)提高C及合金元素的含量；減輕顯微偏析，通過連鑄工藝的優(yōu)化，減小枝晶間距，從而減輕顯微偏析；優(yōu)化軋制工藝，提高加熱爐的加熱溫度和均熱溫度及在爐時間，通過溫度的提高來增加合金元素的擴散，均勻成分，從而提高后續(xù)的熱處理性能。通過成分調(diào)整及工藝優(yōu)化，合金鋼35CrMoA各項指標(biāo)均達到國標(biāo)要求。

［1］ 張衛(wèi).化學(xué)成分對合金鋼力學(xué)性能的影響［J］.熱加工工藝，2010，39（22）：173-175.

［2］ 樊東黎，王廣生.熱處理手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.

［3］ 李炯輝林德成.金屬材料金相圖譜［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［4］ 張廣軍，張旭東，張勁峰，等.連鑄工藝對鑄坯碳偏析的影響［J］.連鑄，2010（3）：43-46.

［5］ 戚翠芬.軋鋼原料加熱［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2013.