韓文濤

(大同煤礦集團(tuán) 機(jī)電裝備力泰有限責(zé)任公司， 山西 大同 037000)

0 引言

機(jī)電裝備力泰有限責(zé)任公司作為同煤集團(tuán)機(jī)電裝備公司的專業(yè)修理液壓支架企業(yè)，近年來隨著高端液壓支架的普及應(yīng)用，在大修高端液壓支架中發(fā)現(xiàn)連接頭存在較大的質(zhì)量問題，即舊支架拆解后,有的連接頭變形嚴(yán)重，經(jīng)探傷發(fā)現(xiàn)內(nèi)部裂紋很多，無法再次使用。通過化驗(yàn)分析，連接頭的主要材質(zhì)是ZG35CrMo,由于這種材質(zhì)的熱處理工藝復(fù)雜，該公司又沒有成熟的熱處理工藝，因此,如何制定出切實(shí)可行的熱處理工藝成為當(dāng)務(wù)之急。

1 研究?jī)?nèi)容及性能分析

35CrMo是一種合金結(jié)構(gòu)鋼,在靜力作用下具有非常高的強(qiáng)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(qiáng)度與持久強(qiáng)度也較高，長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)500 ℃；冷變形時(shí)塑性中等，焊接性差。該結(jié)構(gòu)鋼通常用在高負(fù)荷下工作的重要結(jié)構(gòu)件，如三機(jī)配套的傳動(dòng)件,刮板輸送機(jī)減速器的轉(zhuǎn)子、主軸、重載荷的傳動(dòng)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(diào)質(zhì)工藝。

1.1 35CrMo材料的物理性能分析

由表1化學(xué)成分得出,該35CrMo鋼中合金元素含量的改變對(duì)奧氏體化的溫度和時(shí)間，晶粒的細(xì)化和材料的脆性都有很大影響，嚴(yán)重影響了材料的力學(xué)性能。這種結(jié)構(gòu)鋼是一種低合金調(diào)質(zhì)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(shí)，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(qiáng)化，從而使材料的強(qiáng)度強(qiáng)化而不降低其韌性，同時(shí)也可降低其回火脆性。

圖1 ZG35CrMo連接頭

表1 35CrMo各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

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

1) 當(dāng)Ceq<0.40%時(shí)，鋼材的硬傾向不明顯，可焊性優(yōu)良，焊接時(shí)不必進(jìn)行預(yù)熱，可直接施焊。

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

3) 當(dāng)Ceq>0.60%時(shí)，鋼材的硬傾向較強(qiáng)，可焊性更差，屬于較難焊接的鋼種，焊接時(shí)必須采取較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)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(shí)其硬傾向較大，熱影響區(qū)熱裂和冷裂傾向都會(huì)較大，尤其在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，熱影響區(qū)的冷裂傾向?qū)?huì)表現(xiàn)得很突出。但該35CrMo材質(zhì)具有非常高的蠕變與持久強(qiáng)度，也具有高的靜強(qiáng)度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度，淬透性良好。因此,考慮到生產(chǎn)實(shí)際的工藝可操作性和經(jīng)濟(jì)合理性，不應(yīng)在選取35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼板進(jìn)行焊接制作連接頭，而是應(yīng)通過鑄造一次成型。

1.2 35CrMo材料熱處理實(shí)驗(yàn)及力學(xué)性能分析

經(jīng)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(jìn)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(jìn)行冷卻，再對(duì)其不同冷卻方式的試樣進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)出不同冷卻方式條件下的硬度值。

1.2.1 不同淬火介質(zhì)對(duì)35CrMo硬度的影響

將全部試驗(yàn)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(gè)，正火與退火樣品分別準(zhǔn)備3個(gè)。對(duì)所有淬火后不同冷卻方式的試驗(yàn)樣品進(jìn)行硬度試驗(yàn)，得出試驗(yàn)樣品的洛氏硬度,如圖2所示。

圖2 淬火后經(jīng)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(duì)35CrMo試樣硬度的影響：在同一淬火溫度860 ℃，保溫時(shí)間30 min,但采用不同的冷卻方式通過對(duì)空冷、油冷、水冷、鹽水冷、爐冷條件下的試樣進(jìn)行硬度測(cè)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(tài)，晶粒細(xì)化，原始組織中的珠光體和鐵素體全部轉(zhuǎn)化為單相的奧氏體，奧氏體中含碳量高，冷卻過程中其穩(wěn)定性高[3]，而在不同的冷卻狀態(tài)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(jī)械特點(diǎn)是使材料具有較高的硬度，因此組織顆粒大小不一樣就會(huì)產(chǎn)生不一樣的硬度值。

1.2.2 不同回火溫度對(duì)35CrMo硬度的影響

通過對(duì)油冷、水冷和鹽水冷3組實(shí)驗(yàn)條件下的5個(gè)樣品分別進(jìn)行從450 ℃～750 ℃溫度間隔為100 ℃的回火處理，共12個(gè)試驗(yàn)樣品。在油冷、水冷和鹽水冷3種實(shí)驗(yàn)條件下分別和余下的一個(gè)試驗(yàn)樣品(沒有回火處理)用作對(duì)照。

對(duì)3個(gè)沒有回火處理的樣品和12個(gè)回火處理的樣品分別進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，在不同回火溫度條件下的試驗(yàn)樣品的硬度值如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)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(shí)，回火溫度在350 ℃～750 ℃區(qū)間，隨著回火溫度的不斷升高，硬度值HRC呈下降趨勢(shì)，在550 ℃時(shí)急劇下降。因此,550 ℃這個(gè)回火溫度是HRC特別敏感的溫度，要想得到技術(shù)要求穩(wěn)定的HRC產(chǎn)品，必須嚴(yán)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(xì)小粒狀滲碳體與鐵素體基體組成的細(xì)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(xì)小粒狀的滲碳體。回火索氏體組織具有非常高的力學(xué)性能，如高塑、韌性，同時(shí)還保持較高的強(qiáng)度與硬度，這就使得這種鋼具有非常好的綜合機(jī)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(xì)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(xué)性能

為了測(cè)定不同熱處理方式對(duì)35CrMo的力學(xué)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(jìn)行拉伸試驗(yàn)，然后測(cè)定這些試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率及延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)。拉伸試樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試樣熱處理后拉伸與沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(平均值)

由表2中樣品力學(xué)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(xué)性能呈下降趨勢(shì)，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(zhuǎn)變，碳化物逐漸溶解且奧氏體晶粒逐漸長(zhǎng)大，導(dǎo)致δb、δs、HRC等力學(xué)性能下降。

2 性能測(cè)試情況

2.1 淬火介質(zhì)對(duì)試樣性能的影響

1) 硬度。依據(jù)測(cè)得圖表數(shù)據(jù)，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(guān)，而冷卻速度與淬火介質(zhì)正相關(guān)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(qiáng)度與塑性。依據(jù)測(cè)得圖表數(shù)據(jù)表明，樣品硬度與強(qiáng)度性能指標(biāo)正相關(guān)，對(duì)比正火與退火試樣拉伸結(jié)果可以看出，正火試樣強(qiáng)度大體優(yōu)于退火試樣強(qiáng)度,而塑性與強(qiáng)度性能指標(biāo)反相關(guān)，正火試樣塑性基本弱于退火試樣塑性。

2.2 回火溫度對(duì)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(guān)注的是，在450 ℃～550 ℃回火溫度區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)微微上翹平直線，經(jīng)分析認(rèn)為這是由于回火過程中析出彌散細(xì)微顆粒的碳化物，造成了試樣二次硬化。高溫回火時(shí),隨著回火的溫度升高,其試樣硬度會(huì)持續(xù)快速下降。

2) 強(qiáng)度和塑性。依據(jù)測(cè)得圖表數(shù)據(jù)表明，隨回火溫度的升高，試樣的δb、δs、HRC等力學(xué)性能呈下降趨勢(shì)同時(shí)塑性上升，這主要是高溫時(shí),鐵素體基體和馬氏體混合物的晶粒長(zhǎng)大和碳化物的溶解，導(dǎo)致錯(cuò)位強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化以及細(xì)晶強(qiáng)化等強(qiáng)化效應(yīng)的減弱，而軟化因素在逐漸增強(qiáng)[6]，從而使試樣強(qiáng)度下降以及塑性升高。

3 調(diào)質(zhì)工藝的實(shí)際應(yīng)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(xì)微顆粒狀的滲碳體?；鼗鹚魇象w是一種具有非常高韌、塑性的組織，同時(shí)也保持較高的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能，使得這種鋼具有良好的機(jī)械性能。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)測(cè)試情況并結(jié)合公司的實(shí)際情況，連接頭材質(zhì)可選用ZG35CrMo，技術(shù)要求調(diào)質(zhì)后硬度為HB240～280。該ZG35CrMo調(diào)質(zhì)工藝的具體操作見表3。

表3 調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)分析與測(cè)試表明,經(jīng)以上熱處理工藝的ZG35CrMo鋼件在強(qiáng)度、硬度檢驗(yàn)中，完全達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙的要求,并且經(jīng)此熱處理工藝大修支架有多批次，礦方在煤礦設(shè)備使用過程中沒有出現(xiàn)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(chǎn)品的質(zhì)量，經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)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(guī)范在煤礦機(jī)械制造行業(yè)推廣應(yīng)用。