利用U曲線法對35CrMo鋼理想臨界直徑的研究

趙 亮，舒 鑫，鄒 鵬，邵 帥，閆 卓，孟 越，梁 盈

(沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869)

35CrMo是一種中碳鉻鉬合金結構鋼，熱處理制度為調質處理，熱處理后擁有較好的力學性能指標，因其低廉的鍛件價格，常用于通風機和鼓風機的軸類零件。近些年來，隨著國內風機行業(yè)的發(fā)展，軸類零件不斷大型化，調質后力學性能有下降的趨勢。

淬透性是指鋼在淬火時，形成馬氏體(碳在α-Fe中的過飽和固溶體)的能力[1]，其大小用鋼在規(guī)定條件下所獲得的淬透層深度來表示。淬透性是選材和制定熱處理工藝的重要依據(jù)，理想臨界直徑是指工件表面到半馬氏體區(qū)(50%馬氏體+50%非馬氏體)的深度。容易形成馬氏體的鋼淬透性好，淬硬區(qū)深度大，理想臨界直徑大。本文利用不同直徑的35CrMo的鍛件試樣進行淬火和低溫回火試驗，并檢驗表面和心部的洛氏硬度[2]，繪制成U型曲線，得到該材料的理想淬火臨界直徑；再結合調質處理，研究不同直徑試樣力學性能[3]，對材料的熱處理工藝進行修正和完善。

1 試驗材料和方法

本試驗材料為圓柱形鍛件，長度為直徑的2倍，該材料的Ac1=750 ℃，Ac3=800 ℃，四種規(guī)格材料各2件分別為φ60 mm×120 mm、φ80 mm×160 mm、φ100 mm×200 mm和φ200 mm×400 mm，材料化學成分如表1所示。淬火和回火均采用RTX75箱式電阻爐，4件試樣為了研究不同位置馬氏體的洛氏硬度[4]，另外相同規(guī)格的4件試樣研究調質后力學性能和金相顯微組織。

表1 35CrMo試樣的化學成分(質量分數(shù)，%)

2 試驗結果和分析

2.1 淬火理想臨界直徑的確定

為了研究淬火后不同位置馬氏體的洛氏硬度，防止淬火后試樣產(chǎn)生開裂，采用低溫回火，熱處理工藝參數(shù)如圖1所示。

熱處理后將4件不同尺寸規(guī)格的試樣分別按不同位置進行線切割取樣，進行洛氏硬度檢驗，硬度數(shù)據(jù)如表2所示。

圖1 熱處理工藝參數(shù)

表2 不同試樣各位置洛氏硬度

對于可通過調質的碳鋼和合金鋼，針對碳含量在0.30%～0.40%的調質鋼，淬火后不同馬氏體含量和洛氏硬度的關系如表3所示[5]。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，分別將4件試樣的不同位置洛氏硬度數(shù)據(jù)繪制成U型曲線，橫坐標為試樣直徑，縱坐標為不同位置的洛氏硬度，如圖2所示。虛線為35CrMo鋼半馬氏體的硬度值，圖中剖面線區(qū)域為馬氏體含量小于50%的區(qū)域。

表3 不同碳含量和不同馬氏體含量的洛氏硬度

圖2 不同直徑試樣的U曲線硬度分布

按工件表面到半馬氏體區(qū)(50%馬氏體+50%非馬氏體)作為材料的淬火理想臨界直徑，可以推算出35CrMo鋼的理想臨界直徑約φ80 mm。

2.2 調質后的力學性能和金相組織

對四種規(guī)格試驗材料進行調質處理，即淬火+高溫回火，熱處理工藝如圖3所示。

圖3 調質處理工藝

試驗材料調質處理后，在表面處截取1個拉伸試樣、2個沖擊試驗和1個布氏硬度試樣，平行部分直徑為φ6 mm的棒狀拉伸試樣。在RAS250萬能試驗機上按GB228《金屬材料室溫拉伸試驗方法》進行拉伸試驗；按GB229《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行沖擊試驗；按GB231《金屬布氏硬度試驗方法》進行布氏硬度檢驗。力學性能數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 調質處理后材料力學性能

從表4可以看出，直徑φ60 mm和φ80 mm試樣，小于該材料的理想臨界直徑，表面的強度數(shù)據(jù)趨于一致；直徑φ100 mm試樣稍高于材料的淬火理想直徑，強度略有下降；直徑φ200 mm試樣遠超過淬火理想直徑，強度明顯下降。

對φ60 mm×120 mm和φ200 mm×400 mm試樣表面進行金相組織觀察，如圖4所示。可以看出，φ60 mm試樣為典型的回火索氏體，保持馬氏體位向；φ200 mm試樣遠大于臨界直徑，為50%回火索氏體與50%貝氏體混合體。

(a)φ60 mm×120 mm；(b)φ200 mm×400 mm

3 結論

針對35CrMo合金鋼的淬火臨界理想直徑的研究，結合調質后的力學性能和顯微組織，得出以下結論：

1)該材料的淬火理想臨界直徑約φ80 mm；

2) 當試樣的直徑遠大于臨界直徑，調質后力學性能數(shù)據(jù)大幅度降低，為回火索氏體和貝氏體的混合組織；

3) 在實際生產(chǎn)中，若軸類零件的最大截面尺寸遠大于臨界直徑，應該適當降低回火溫度，以提高材料的強度。