35CrMoA鋼力學性能不合格原因分析

劉 勇，高文娟

1 前言

中碳合金結構鋼35CrMoA鋼具有較高的淬透性、良好的綜合力學性能和工藝性能，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構鋼主要產品之一。近期生產的35CrMoA鋼出現調質后力學性能不合，抗拉強度或者屈服強度低于國家標準要求。為此，對35CrMoA鋼力學性能的影響因素進行分析，找出了性能不合格的原因，通過調整化學成分，優化連鑄工藝，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鋼力學性能達到國標要求。

2 35CrMoA鋼力學性能影響因素分析

2.1 化學成分

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）鉻在調質結構鋼中的主要作用是提高淬透性，使鋼經淬火回火后具有較好的綜合力學性能。

5）鉬能提高鋼的淬透性，在調質鋼中，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鋼由室溫組織轉變為單一的奧氏體組織以便進行淬火。保溫是為了使工件內部溫度均勻趨于一致。為保證整個截面都轉變為馬氏體需要選用冷卻能力足夠強的淬火介質，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。回火過程包括馬氏體分解，碳化物的析出、轉化、聚集和長大，鐵素體回復和再結晶，殘余奧氏體分解等四類反應。淬火鋼回火后的性能取決于它的內部顯微組織；鋼的顯微組織又隨其化學成分、淬火工藝及回火工藝而異［2］。

2.3 其他因素

1）疏松。鋼材存在較嚴重的組織疏松，對鋼材的力學性能偏低有一定影響。

2）偏析。存在于晶粒內部的成分不均勻，稱為晶內偏析。鋼材存在晶內偏析，在后續的熱處理時會造成組織差異，從而導致性能差異。不同元素其偏析系數不同，偏析系數越大，偏析越嚴重。

3 35CrMoA鋼組織性能檢測分析

3.1 成分及力學性能

選取4爐產品進行成分及力學性能檢測，鋼的化學成分見表1。

35CrMoA鋼采用GB/T 3077—2015中規定Φ25 mm試樣及熱處理工藝：860℃、50 min、油冷；520℃、60 min、水冷，力學性能不合的實際數值如表2所示。主要表現在屈服強度和抗拉強度低于標準要求。

表1 35CrMoA鋼化學成分檢測結果 %

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，但條帶數量多，而心部的貝氏體帶寬度比較寬，但條帶數量少［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，帶狀組織在常規熱處理之后都具有較低的力學性能，并且淬火后馬氏體形態不同，原來的貝氏體帶的馬氏體以針狀為主，其他區域以板條為主。出現針狀馬氏體的原因是由于C及合金元素出現了富集。回火組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，造成局部區域合金元素貧瘠，在后續的熱處理油冷過程中元素貧瘠區域淬火能力不足，無法全部淬成馬氏體，會出現少量先共析鐵素體和珠光體，回火后導致35CrMo鋼的強度和韌性不足。

4.2 提高力學性能的措施

調整化學成分，適當提高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，通過連鑄工藝的優化，減小枝晶間距，從而減輕顯微偏析［4］。優化軋制工藝，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，從而提高后續軋材熱處理后的性能［5］。

4.3 試驗結果驗證

為驗證改進效果，按照改進措施要求重新生產一批產品，取樣進行成分和力學性能分析。化學成分進行部分調整，按中上限對C、Cr等元素進行目標控制，成分見表4。

表4 35CrMoA鋼改進后的化學成分（質量分數）%

通過化學成分及連鑄、加熱工藝的優化，按GB/T 3077—2015相關規定熱處理后進行軋材的力學性能檢驗，各項力學性能指標已明顯高于標準值，具體數值見表5。

表5 35CrMoA鋼改進后的力學性能

5 結 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鋼力學性能的措施：調整化學成分，適當提高C及合金元素的含量；減輕顯微偏析，通過連鑄工藝的優化，減小枝晶間距，從而減輕顯微偏析；優化軋制工藝，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，從而提高后續的熱處理性能。通過成分調整及工藝優化，合金鋼35CrMoA各項指標均達到國標要求。

［1］ 張衛.化學成分對合金鋼力學性能的影響［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：冶金工業出版社，2013.