基于热处理工艺进行ZG25Ni2CrMoB含硼铸钢件分析

2020-05-15 382 上传者：管理员

摘要：大型矿卡用主动轮采用ZG25Ni2CrMoB含硼材料制造，通过控制材料DI值(淬硬层深度)，匹配铬、镍、钼等细晶强化合金元素，采用多次正火和液空交替淬火，不仅保证了产品的力学性能，而且避免了产品在热处理环节开裂，产品质量稳定。

关键词：
DI值
主动轮
化学成分
含硼铸钢件
热处理工艺
热学
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主动轮作为大型矿卡行走传动的关键零件，受到极大的冲击载荷，不仅要求高强度、高硬度和耐磨性，而且要求-40℃低温冲击韧性，其采用ZG25Ni2CrMoB含硼材料制造，通过对材料化学成分和热处理工艺的合理控制，满足了该产品的高性能要求，实现了批量生产。

1、材料成分和性能要求

材料的化学成分要求见表1，力学性能要求见表2。

表1化学成分要求(质量分数，%)

表2力学性能要求

1.1化学成分控制

产品要求950MPa的抗拉强度和-40℃低温冲击韧性，首先必须使材料本身的强度、塑韧性好，其次是通过有效的热处理制度进行再次强化。提高材料的强度和塑韧性，合理的化学成分匹配是关键，结合材料化学成分中各个主要合金元素的强化作用以及DI值计算公式，对材料的化学成分进行合理匹配。DI值计算公式如下:

DI=(C%×0.54)×(3.3333×Mn%+1)×(0.7×Si%+1)×(0.363×Ni%+1)×(2.16×Cr%+1)×(3×Mo%+1)×(0.365×Cu%+1)×(1.73×V%+1)×(2.5×Zr%+1)×25.4

碳含量的高低决定材料的强度，碳与合金元素形成碳化物组织，提高钢的强度、硬度及耐磨性。铬、锰是较好的强化元素，可提高钢的淬透性及二次硬化作用;镍能提高钢的强度，又能保持良好的塑性和低温韧性[1];微量的硼能显著提高钢的淬透性并减少其它合金的加入量，同时也能强化晶界而提高钢的强度和耐磨性[2]。通过采用复合元素多元少量的合金化原则，对提高淬透性更有效[3]，大量研究证实微量元素及其相互作用对材料淬透性影响显著[4]，参照对低合金铸钢材料DI值的计算公式，确保材料淬硬层深度，控制范围需达到180mm～360mm。

图1热处理工艺曲线

表3钢水DI值控制情况

表4钢水有害元素控制情况(质量分数，%)

表5附铸试块力学性能

图2力学性能与DI值的关系

1.2钢水熔炼控制

为了满足材料的低温冲击韧性及较高的塑韧性要求，原材料选用优质废钢，钢水采用电炉(EF)冶炼粗水，再采用钢包精炼炉(LF)进行除渣脱气等钢水精炼，并利用快速检测分析仪检测，确保产品化学成分符合标准要求。首批4炉产品钢水实际DI值及有害元素控制情况见表3、表4。

2、产品工序流程及热处理工艺设计

2.1工序流程

由于大型铸钢件铸造成型方式以及材料本身含有较多的铬、硼等裂纹倾向性较大的合金元素，切割去除产品的冒口以及工艺补贴前，应充分考虑产品粗大的铸态柱状晶组织以及厚壁产品成分偏析造成的切割开裂风险，加之220～500℃是该材料的回火脆性区，产品宜采用高温正火对其进行均匀化处理，改善铸态组织和化学成分均匀性。

产品性能要求高，通过在性能热处理前增加一次正火，既可改善产品的切削加工性能，也可以作为预备热处理，为随后的调质做组织上的准备。所以产品的制造工艺路线为:浇注→保温打箱→落砂→一次正火→切割冒口→二次正火→粗加→调质。

2.2热处理工艺设计

采用JMatPro软件计算出材料的AC1、AC3相变点温度，作为热处理工艺参数试验的指导数据。根据试验结果，选择较高的正火和淬火温度，改善铸态组织和化学成分的均匀化，为保证产品的力学性能，同时避免其淬火开裂和产生回火脆性，淬火和回火均选择液空交替淬火的冷却方式，并根据自身水槽循环交换能力，增加了旋转勾头、高压风鼓水循环等措施确保产品快速均匀冷却。根据材料规范及生产经验，制订了产品的热处理工艺，工艺曲线见图1。

3、试验结果及分析

3.1本体附铸试块的组织与性能

产品调质完成后，按照ASTMA370∶2017试验方法对本体附铸试块进行常规力学性能检测，附铸试块的力学性能数据见表5。经检测，材料组织为回火索氏体，晶粒度达到5.0～6.0级。

通过DI值与产品力学性能数据的对比发现，在一定范围内，DI值与强度、硬度呈正比，与塑韧性呈反比，DI值越高，材料的淬透性越好，对应的强度、硬度越高，但相对塑韧性略低。Rm和-40℃KV8与DI值的关系见图2。

图3本体分区取样位置图

表6本体分区取样检测结果

3.2本体分区取样的组织与性能

将试验件解剖后，在本体上分区取样进行性能、组织检测，试样距离各区表面的深度为20mm～25mm。经分区取样检测，产品各个部位的性能及硬度均能满足标准要求，金相组织为回火索氏体，晶粒度为5.0～6.0级。本体分区取样位置见图3，分区取样结果见表6。

4、结论

(1)ZG25Ni2CrMoB含硼材料通过合理的化学成分匹配控制，设计合理的热处理工艺，可达到较高的强度、硬度以及低温塑韧性。

(2)通过DI值与产品力学性能数据的对比发现，在一定范围内，DI值与强度、硬度呈正比，与塑韧性呈反比。

(3)ZG25Ni2CrMoB含硼材料具有较好的淬透性，产品经过热处理后，不但附铸试块的性能满足标准要求，且产品的本体硬度、内部取样性能均能满足要求。