基于JMatPro 軟件的ZG70CrMo 鋼的熱處理工藝研究

莊巧玲

（金堆城鉬業集團有限公司，陜西華縣 714102）

大型化、高效化、連續化和智能化是我國制造裝備的發展方向，但是與之配套的耐磨部件和耐磨材料消耗量大、運轉效率低、制造成本高。半自磨機由于取代了常規中細碎、篩分和礦石轉運環節，使流程縮短，綜合運行成本降低，勞動生產率得到提高[1]，被廣泛應用于銅礦、鐵礦和鉬礦等冶金礦山領域。隨著磨機規格越來越大、自動化程度越來越高，襯板磨損問題便逐漸凸顯出來，因襯板耐磨性能不足，導致襯板頻繁更換，使得設備運轉率降低，單位磨礦成本增加[2]。

為此，本文利用JMatPro 軟件對耐磨鋼的連續冷卻轉變曲線（CCT）、等溫轉變曲線（TTT）、端淬曲線及組織分布進行了計算和模擬，據此設計了正交試驗，采用水霧淬火工藝進而研究耐磨材料在不同淬火溫度，不同保溫時間，不同回火溫度，不同回火時間下的組織和性能。

1 試驗材料及方法

ZG70CrMo 合金鋼的成分見表1，應用JMat-Pro 軟件進行模擬計算。

表1 化學成分范圍 ωB/%

用中頻感應爐進行試驗鋼的熔煉，使用水玻璃寶珠砂造型，醇基鋯英粉涂料，澆注成基爾試塊，然后線切割取10mm×10mm×55mm 規格試樣，試樣經熱處理后進行金相觀察、硬度和沖擊韌性等測試。

2 模擬結果與分析

使用材料模擬軟件JmatPro7.0，通過模擬TTA曲線、CCT 曲線和TTT 曲線即可獲得試驗材料的相變溫度。

2.1 平衡相圖

由圖1 可以看出，該合金液相線溫度為1464.46℃，在該溫度時高溫鐵素體析出，隨著溫度降低，高溫鐵素體增多，當合金溫度達到固相線溫度1357.54℃時，合金轉變為奧氏體，同時還有極少量的MNS 相，該合金的A3溫度為770℃，A1溫度為726.04℃。合金在室溫下的平衡相主要由90.78%的鐵素體，6.52%的碳化物M7C3，2.62%的碳化物M23C6，0.08%的碳化物MNS 相組成。

圖1 合金的平衡相圖

2.2 合金的TTA 圖的計算

通過軟件的快捷鼠標功能可以看到不同加熱速度時合金的A1溫度、A3溫度、奧氏體均一化的溫度及時間，其結果如圖2 所示。

圖2 合金的TTA 圖

從表2 中可以看出，隨著加熱速度的增加，合金的相變溫度均提高，奧氏體均勻化溫度也提高，奧氏體均勻化時間減少，即加熱速度越大，合金在高溫下的保溫時間減少。實際的熱處理工藝中加熱速度受到工件結構、合金熱導率、熱處理爐功率等因素的影響。之后合金的CCT、TTT 曲線計算時合金的奧氏體化溫度均選擇為910℃，奧氏體化升溫速度選擇為30℃/min。

表2 加熱速度對奧氏體化參數的影響

2.3 合金的TTT 及CCT 圖的計算

圖3 為合金TTT 曲線的計算結果。從圖上可以看出鋼在奧氏體化后冷卻過程中，析出鐵素體、珠光體、貝氏體的最早溫度分別為734.2℃、768.9℃和446.1℃。馬氏體的開始轉變溫度為207.6℃，轉變終了溫度為76.3℃。合金的C 曲線出現兩個“鼻尖”，第一個“鼻尖”溫度為637℃，過冷奧氏體在此溫度下保溫528.43s 后有珠光體開始析出。第二個“鼻尖”溫度為387℃，過冷奧氏體在此溫度下保溫84.21s 后貝氏體開始析出。

圖4 為合金的CCT 曲線圖，從圖上可以看出相變區域分為鐵素體區、珠光體區、貝氏體區和馬氏體區。通過軟件的快捷鼠標功能可以看出不同冷卻速度下的合金組織，隨著合金冷卻速度增加，鐵素體、珠光體的數量減少，貝氏體和馬氏體的數量增加，合金要想獲得馬氏體臨界冷卻速度為10℃/s。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗方法

根據模擬結果，本文研究了采用奧氏體化溫度、保溫時間、回火溫度作為因子，設計正交試驗，分別以洛氏硬度和沖擊韌性作為目標，進行正交試驗，探索最佳的熱處理工藝。

3.2 結果及分析

3.2.1 力學性能

表3 正交試驗因素及水平表

圖3 合金的TTT 曲線

圖4 合金的CCT 曲線

表4 正交試驗表

對試樣洛氏硬度和沖擊韌性測試，其結果如表5 所示。

從表5 中可以看出，以鑄態樣品性能為基線，3#、5#、7#和9#樣品硬度低于鑄態樣品，與之對應其沖擊韌性無法測量，即在300J 的沖擊功作用下，樣品未斷裂。1#、2#、4#、6#和8#樣品硬度高于鑄態樣品，并且其沖擊韌性有明顯提升，尤其是2#樣品提高了521%。為進一步確定最優熱處理方案和下一步改進方向，本試驗對正交試驗結果進行統計學分析，具體結果如表6 所示，其中Ki為各水平硬度指標的和，ki 為其對應的平均硬度值。

根據極差Rj 的大小，可以判斷各因素對試驗指標的影響主次。本次試驗極差Rj 計算結果見表6，比較各R 值大小，可見RC＞RB＞RA，所以因素對試驗指標影響的主次順序是C→B→A。即回火溫度影響最大，其次是保溫時間，而奧氏體化溫度的影響較小。其中，性能最好的是第1 組，即奧氏體化溫度為830℃，保溫時間40min，回火溫度550℃。其洛氏硬度為38.50HRC，沖擊功為165J。

表5 正交試驗力學性能結果

表6 試驗結果分析

3.2.2 顯微組織

為進一步分析樣品性能提高的原因，對樣品進行金相組織分析，如圖5 所示。由金相組織圖5a～i 可以看出，試樣鋼經過高溫回火后，組織較為細密，主要為回火索氏體組織。比較1#、2#、3#試驗可以看出隨著保溫時間和回火溫度的升高，鐵素體的比例逐漸增大，析出的細粒狀滲碳體分布在鐵素體基體之上，結合力學性能可以看出，材料的硬度逐漸下降，塑韌性提高。

比較1#和4#，1#和7#，2#和5#試驗可以看出隨著奧氏體化溫度和回火溫度的升高，鐵素體的量也在增多，片層結構變化較為明顯，表現出材料硬度逐漸減小，塑韌性較好。由1#和6#試驗可以看出奧氏體化溫度和保溫時間的升高，材料的組織由細密組織，轉變為較多鐵素體分布組織。由3#和9#，4#和7#可以看出隨著奧氏體化溫度增高，鐵素體的量也在增大，組織細密程度減小，從而可以看出奧氏體化溫度不宜過高。

對試樣進行綜合分析可以看出1#為典型的回火索氏體組織，在鐵素體基體中均勻分布著細粒狀滲碳體，組織分布較均勻，同時，力學性能也最理想。

4 結論

通過正交試驗和數據分析，最佳熱處理工藝為830℃保溫40min，然后進行水霧淬火，最后回火處理550℃保溫120min，得到的樣品性能為：硬度38.5HRC，沖擊韌性165J/cm2，金相組織為回火索氏體。

圖5 各組試驗樣品1000×照片