ZG40CrMo钢材质的研制 - 文章

ZG40CrMo钢材质的研制

作者：陕西华县金堆城钼业公司李志翔张延青

摘要:严格控制化学成分、冶炼、造型及热处理工艺生产的ZG40CrMo钢件，经金相物理检验，其金相组织为：细针状马氏体＋回火索氏体（约20%）＋少量残余奥氏体；机械性能为：冲击韧度ak33.25 J/cm2；抗拉强度σb362.24N/ mm2；硬度HBS平均为332，均达到或优于国内先进水平。
关键词：ZG40CrMo钢造型冶炼热处理

ZG40CrMo钢因其优良的使用性能及较丰厚的利润回报，引起了国内许多科研机构、大专院校及生产厂家的浓厚兴趣。据报导目前对该材质进行深入研究的科研机构有西安交大、西北大学、昆明理工大学等院校，且达到了较高的水平。生产厂家有衡阳冶金机械厂、山东冶金机械厂、昆明冶金机械厂等厂家，且独自具有一套较成熟的生产经验。

ZG40CrMo钢属中合金钢。其化学成分（%）为：C0.35~0.45，Si0.17~0.45，Mn0.5~0.8，Cr0.8~1.10，Mo0.2~0.3，S、P≤0.04。ZG40CrMo钢由于较低的合金比、优良的淬透性、较高的强度及良好的耐腐蚀性能，在我国冶金矿山、建材水泥、化工、核工业、炼铁高炉宽粉等行业得到了广泛应用，具有很大的市场需求量，主要用于制造强度要求较高或调质断面的锻件，如机车牵引用的大齿轮、后轴、弹簧、发动机气缸等。

我厂于2003年展开了对ZG40CrMo钢的研制工作，经各方调研、技术经济论证、方案设计及对现有设备实施技术改造，于2003年9月8日、11月6日、12月3日，先后进行了多次生产实验，经不断总结经验、完善工艺，成功研制出了各项性能指标均达到或超过国内先进水平的ZG40CrMo钢，并于12月投入采区现场进行工业性试验。

一．试验的各工序过程控制：

1．化学成分控制（%）：

（1）碳（C）：超过共析成分后与Cr、Mn、Mo等合金元素形成的碳化物固溶于铁素体中强化基体，使钢的强度和硬度大幅度提高，从而提高钢的耐磨性，但C过高则韧度降低，因此不能单纯增加碳量来获得高强度和硬度，控制为0.35~0.45。
（2）硅（Si）:固溶于铁素体和奥氏体中，有明显的强化作用，Si降低C在奥氏体中的溶解度，促使碳化物析出，提高强度和硬度。Si和O的亲和力仅次于Al和Ti，而强于Mn、Cr、V，是很好的还原剂和脱氧剂，可提高钢的致密度，但过高将显著降低钢的塑性和韧度，控制为0.17~0.45。
（3）锰（Mn）：强烈增加钢的淬透性，这对生产中采用空冷淬火极为有利，淬火后得到马氏体组织。Mn还起到脱氧剂和脱硫剂的作用，可净化钢液，但过高会促使晶粒粗大，控制为0.5~0.8。
（4）铬（Cr）：是碳化物形成元素，Cr溶于奥氏体中强化基体且不降低韧度，推迟过冷奥氏体转变，增加钢的淬透性，Cr使钢的强度和硬度明显提高，此外Cr能细化晶粒，提高回火稳定性，控制为0.8~1.10。
（5）钼（Mo）：在钢中主要作用是提高淬透性，细化晶粒，改善碳化物的形态和分布，防止回火脆性，与Cr同时加入可改善冲击韧度，控制为0.2~0.3。

2．造型工艺：

本次试验所选用的工件是本公司露天矿牙轮钻导套。简图图1所示。为确定最佳造型工艺，本次试验分别采用了消失模和砂型两种造型方法进行对比试验。

（1）消失模造型：采用大头(B面)在下，小头(A面)朝上并加高补缩的埋砂造型工艺；
（2）砂型造型：采用大头(B面)在下，小头(A面)朝上并加高补缩的明浇底注工艺。

3．冶炼工艺（中频感应电炉熔炼，每炉以500Kg配料）：

中频感应电炉是目前铸造行业最先进，同时也是应用最广泛的冶炼设备，由于它的强磁力搅拌作用，因此，冶炼钢液能够最大程度地实现"温度起伏"、"浓度起伏"和"成分起伏"，从而为本次试验工作获得成分均匀，洁净的高质量钢液提供了最有利的保障。

（1）加料：加入废钢、钼铁后通电熔化，在开始通电的6-8分钟内供给60%的功率，待电流冲击停止后，逐渐将功率开至最大，随时注意捣料，防止炉料"搭桥"并继续添加炉料。
（2）造渣：炉料熔清后，加入造渣材料（石
灰：萤石=2：1），石灰5Kg,荧石2.5Kg造渣覆盖钢液，渣料加入量为总装量的1-1.5%。
（3）取样扒渣：炉料熔清后，取样分析C、S、P、Mo、Si、Mn，P∠0.02%，并将预热的铬铁及造渣材料加入炉内,渣料熔清后将功率降到40-50%，倾炉扒渣，另造新渣。
（4）脱氧：渣料化清后，加入（石灰粉：铝线=1：2）石灰0.3 Kg，铝线0.6 Kg进行扩散脱氧，脱氧过程中可用石灰粉和萤石粉调整炉渣粘度，同时在钢液温度达到1560℃（热电耦）以上时，扒除大部分炉渣，加入锰铁和造渣材料。
（5）测温：测量钢液温度，要求出钢温度
在1610-1630℃（热电耦），并作圆杯试样，检查钢液脱氧情况。
（6）加硅铁：出炉前5-10分钟加入硅铁，
加入量按规定下限配入，并根据试样1调整化学成分。
（7）出钢：钢液温度符合要求，圆杯试样收缩良好时，停电出钢，在钢包中加入稀土硅0.4kg进行孕育处理，插铝线（0.8Kg/t）0.5Kg进行终脱氧，最后加入覆盖剂，防止钢液氧化，并作成品分析。
（8）浇注：钢液在包内镇静3-5分钟后进
行浇注，要求浇注温度为1530-1550℃（热电耦）。

4.热处理工艺：

注：（1）装炉温度<200℃。
（2）各铸件之间留有一定空间，以保证铸件受热均匀。
（3）保温时间按铸件最厚处计算。
（4）淬火油采用20#机油，油量应不少于工件重量的10倍。
（5）应防止淬火油中溶解气体，严格控制油中含水量，否则影响淬火件质量和发生火灾。

◇ 淬火液的选择：

根据热处理工艺所要求的升温速度，保温温度，冷却速度及铸件所要求达到的强度，硬度，耐磨、耐蚀性，本次试验我们选用了20#机械油。

5.安装吊把的焊接工艺：

40CrMo为中碳低合金结构钢，碳当量大于0.30，焊接难度较大，焊接裂纹是需要解决的主要问题，为此我们采用了手工电弧工艺，并通过1）40CrMo合金结构钢导套用J507焊条，直流反接，焊前400℃预热，焊道层间温度＞200℃，分段对称退焊工艺。2）为尽量减小变形，采用焊后保温300℃随炉缓冷，未发现裂纹再进行600℃5~6h的时效处理，完成安装吊把的焊接。

二.试验结果及分析：

1.铸件常见缺陷：ZG40CrMo属多元低合金钢，其主要特点是具有较大的收缩，由此特点决定，铸件产生热裂纹、缩孔、缩松等缺陷。

◇ 原因分析：

1）热裂纹产生的原因：（1）铸件材质为多元低合金钢时，含有多元合金元素，淬透性好，但焊接性能差，缺口敏感性高，导热性差，倾向于中间凝固方式结晶，容易产生较大应力；（2）几何热节上设置模数大的冒口后，铸件与冒口连接处产生工艺热节，其模数是几何热节的1.5倍。内浇道直通冒口根部，充型时合金液最后由此进入冒口，该处形成逆向温差，使其温度梯度分布更不合理。热节下部温度梯度大，促使合金以顺序方式凝固，补缩良好，组织致密；工艺热节部位温度梯度小，促使合金以糊状方式凝固，产生两方面的负面效应。其一，液态金属过冷度很小，容易发展成为树枝发达的、粗大的等轴晶组织，高温强度低、粗大等轴晶过早地连成骨架，尚未凝固的液态金属分割成多个互不沟通的熔池，最后形成分散的缩松。其二，工艺热节是最后凝固的部位，凝固区域较其它部位存在较大的温差，产生很大的热应力晶粒架是应力集中点，产生集中应变，容易开裂。残余液相又无力填补愈合裂缝，裂缝在随后的凝固过程中不断扩展。（3）凝固方式和凝固速度的差异会对夹杂物的数量和分布造成影响，多数不溶于金属液夹杂物，在合金液充满型腔后，开始上浮，在上浮过程中碰撞聚合，尺寸加大，最后停留在铸件上部，部分进入冒口，冒口中心夹杂物一部分随着补缩液的流动回到热节区，使热节区的夹杂物数量增多。凝固时，由于晶粒骨架的阻碍作用，使夹杂物在枝晶间聚集，使夹杂物尺寸增大，强度和韧性急剧下降。由于夹杂物引起较高的应力集中，尤其聚集分布时，往往会使产生的应力集中相互叠加，产生裂纹源，裂纹源一旦出现将会因高强度材料的敏感性大而使裂纹迅速扩展。（4）铸件未采用完全退火后热割冒口，使铸件产生切割应力和组织转变而产生热裂纹。

2) 缩孔、缩松产生的原因：经试验验证无论消失模或砂型铸造，均在靠近冒口附近局部区域产生不同程度的缩孔、缩松，究其原因，皆由于ZG40CrMo属多元低合金钢收缩大所致，为此在浇冒系统设计上应保证建立良好的逐渐递增的温度梯度及形成合理的顺序凝固方式。浇注时，冒口钢液至1/3时，点浇冒口，并加发热覆盖剂。

2.金相物理试验：

本次试验所采用试块与铸件为同炉浇注，同炉热处理，其有关试验结果如下：（注铸态试样编号1#，调质试样编号为2#）。

1）布氏硬度（HBS）（由HBSX-0.5型布氏硬度计测得）。

（1）1# 试样布氏硬度见表1：

表1：1# 试样布氏硬度
压痕直径
2.86
2.94
2.92
2.86
2.73
2.85
2.89
2.72
对应HBS
317
297
305
331
397
336
317
align=center>404

由表1看出, 1# 试样HBS平均为338。

（2）2# 试样布氏硬度见表2：

表2： 2# 试样布氏硬度
压痕直径
2.86
2.86
2.85
2.79
2.89
2.87
2.88
2.81
对应HBS
331
331
336
336
317.5
326.5
322
356

由表2看出, 2# 试样HBS平均为332。

2）冲击韧性(通过JB30A型冲击试验机试验)。

（1）1# 试样：

测得 S=8.86×10.18=0.90cm2；
试验得 Ak=1.68kg.cm；
计算得α=18.2J/cm2。

（2）2# 试样：

测得 S= 8.72×10.26=0.89cm2；
试验得 Ak=3.02 kg.cm；
计算得α=33.25 J/cm2。

3）抗拉强度(通过WE-60型液压式万能材料试验机试验)。

（1）1# 试样：

测得直径 d=14.32mm；
计算得：
S=πd2/4=3.14×14.322/4=160.97mm2；
规定标距 l0=70mm；
试验得拉伸力 F=5.95J
拉伸后标距 l=70.79mm；
计算得△l=l-l0=0.79mm
计算延伸率：
δ%= △l/l0×100%=0.79/70×100%=1.13%
计算抗拉强度：
δb=F/S=5.95J/160.97mm2 =362.24N/ mm2

（2）2# 试样：

测得直径 d=14.42mm；
计算得：
S=πd2/4=3.14×14.422/4=163.23mm2；
规定标距 l0=70mm；
试验得拉伸力 F=12.45J
拉伸后标距 l=73.36mm；
计算得 △l=l-l0=3.36mm
计算延伸率 δ%= △l/l0×100%=3.36/70×100%=4.8%
计算抗拉强度δb=F/S=12.45J/163.23mm2 =747.47N/ mm2。

4）金相组织（通过XJL-02立式光学金相显微镜观察）。

（1）1# 试样：金相组织为块状碳化物＋片层状珠光体＋铁素体。金相组织图1所示。

图1 500× 图2 500×

（2）2# 试样：金相组织为细针状马氏体＋回火索氏体（约20%）＋少量残余奥氏体。金相组织图2所示。

通过以上实验结果分析可知，本项目研究各项性能指标均达到了国家标准，科研工作已取得成功，相信随着各项控制参数的不断优化，该项目产品将在本公司露天矿结构件的应用上发挥最大潜能，并取得较好的社会经济效益。

三．生产应用：

项目产品于2003年 12 月投入露天矿采区进行工业性试验，经 4个月的实际工况条件下应用表明，用该材质生产的压力钻导套具有：1）表面光洁，尺寸精度高，有较高的加工质量；2）抗腐蚀、耐磨，使用性能优良；3）抗冲击性能好，使用寿命长；4）综合性能优于同类产品。得到了用户普遍好评。

参考文献：
8.1 《铸造技术》2003（4）、（6）。
8.2《铸造》2003（6）、（8）。
8.3《铸件成形理论》昆明理工大学主编。
8.4《热处理手册》机械工业出版社出版。
8.5《铸钢手册》机械工业出版社出版。(end)

(投稿) (2005-2-20，阅读2417次)

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