馬正強(qiáng) 劉顯有 肖章玉

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618013)

主動(dòng)輪作為大型礦卡行走傳動(dòng)的關(guān)鍵零件，受到極大的沖擊載荷，不僅要求高強(qiáng)度、高硬度和耐磨性，而且要求-40℃低溫沖擊韌性，其采用ZG25Ni2CrMoB含硼材料制造，通過(guò)對(duì)材料化學(xué)成分和熱處理工藝的合理控制，滿足了該產(chǎn)品的高性能要求，實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。

1 材料成分和性能要求

材料的化學(xué)成分要求見(jiàn)表1，力學(xué)性能要求見(jiàn)表2。

表1 化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Requirements of chemical composition (mass fraction, %)

表2 力學(xué)性能要求Table 2 Requirements of mechanical properties

1.1 化學(xué)成分控制

產(chǎn)品要求950 MPa的抗拉強(qiáng)度和-40℃低溫沖擊韌性，首先必須使材料本身的強(qiáng)度、塑韌性好，其次是通過(guò)有效的熱處理制度進(jìn)行再次強(qiáng)化。提高材料的強(qiáng)度和塑韌性，合理的化學(xué)成分匹配是關(guān)鍵，結(jié)合材料化學(xué)成分中各個(gè)主要合金元素的強(qiáng)化作用以及DI值計(jì)算公式，對(duì)材料的化學(xué)成分進(jìn)行合理匹配。DI值計(jì)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

碳含量的高低決定材料的強(qiáng)度，碳與合金元素形成碳化物組織，提高鋼的強(qiáng)度、硬度及耐磨性。鉻、錳是較好的強(qiáng)化元素，可提高鋼的淬透性及二次硬化作用；鎳能提高鋼的強(qiáng)度，又能保持良好的塑性和低溫韌性[1]；微量的硼能顯著提高鋼的淬透性并減少其它合金的加入量，同時(shí)也能強(qiáng)化晶界而提高鋼的強(qiáng)度和耐磨性[2]。通過(guò)采用復(fù)合元素多元少量的合金化原則，對(duì)提高淬透性更有效[3]，大量研究證實(shí)微量元素及其相互作用對(duì)材料淬透性影響顯著[4]，參照對(duì)低合金鑄鋼材料DI值的計(jì)算公式，確保材料淬硬層深度，控制范圍需達(dá)到180 mm～360 mm。

圖1 熱處理工藝曲線Figure 1 Heat treatment process curve

表3 鋼水DI值控制情況Table 3 Control of DI values in molten steel

表4 鋼水有害元素控制情況(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 Control of hazardous elements in molten steel(mass fraction,%)

表5 附鑄試塊力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of attached cast test block

(a)Rm(b)-40℃ KV8

圖2 力學(xué)性能與DI值的關(guān)系
Figure 2 The relationship between mechanical properties and DI

1.2 鋼水熔煉控制

為了滿足材料的低溫沖擊韌性及較高的塑韌性要求，原材料選用優(yōu)質(zhì)廢鋼，鋼水采用電爐(EF)冶煉粗水，再采用鋼包精煉爐(LF)進(jìn)行除渣脫氣等鋼水精煉，并利用快速檢測(cè)分析儀檢測(cè)，確保產(chǎn)品化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。首批4爐產(chǎn)品鋼水實(shí)際DI值及有害元素控制情況見(jiàn)表3、表4。

2 產(chǎn)品工序流程及熱處理工藝設(shè)計(jì)

2.1 工序流程

由于大型鑄鋼件鑄造成型方式以及材料本身含有較多的鉻、硼等裂紋傾向性較大的合金元素，切割去除產(chǎn)品的冒口以及工藝補(bǔ)貼前，應(yīng)充分考慮產(chǎn)品粗大的鑄態(tài)柱狀晶組織以及厚壁產(chǎn)品成分偏析造成的切割開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，加之220～500℃是該材料的回火脆性區(qū)，產(chǎn)品宜采用高溫正火對(duì)其進(jìn)行均勻化處理，改善鑄態(tài)組織和化學(xué)成分均勻性。

產(chǎn)品性能要求高，通過(guò)在性能熱處理前增加一次正火，既可改善產(chǎn)品的切削加工性能，也可以作為預(yù)備熱處理，為隨后的調(diào)質(zhì)做組織上的準(zhǔn)備。所以產(chǎn)品的制造工藝路線為：澆注→保溫打箱→落砂→一次正火→切割冒口→二次正火→粗加→調(diào)質(zhì)。

2.2 熱處理工藝設(shè)計(jì)

采用JMatPro軟件計(jì)算出材料的AC1、AC3相變點(diǎn)溫度，作為熱處理工藝參數(shù)試驗(yàn)的指導(dǎo)數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選擇較高的正火和淬火溫度，改善鑄態(tài)組織和化學(xué)成分的均勻化，為保證產(chǎn)品的力學(xué)性能，同時(shí)避免其淬火開(kāi)裂和產(chǎn)生回火脆性，淬火和回火均選擇液空交替淬火的冷卻方式，并根據(jù)自身水槽循環(huán)交換能力，增加了旋轉(zhuǎn)勾頭、高壓風(fēng)鼓水循環(huán)等措施確保產(chǎn)品快速均勻冷卻。根據(jù)材料規(guī)范及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，制訂了產(chǎn)品的熱處理工藝，工藝曲線見(jiàn)圖1。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 本體附鑄試塊的組織與性能

產(chǎn)品調(diào)質(zhì)完成后，按照ASTM A370∶2017試驗(yàn)方法對(duì)本體附鑄試塊進(jìn)行常規(guī)力學(xué)性能檢測(cè)，附鑄試塊的力學(xué)性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。經(jīng)檢測(cè)，材料組織為回火索氏體，晶粒度達(dá)到5.0～6.0級(jí)。

通過(guò)DI值與產(chǎn)品力學(xué)性能數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，DI值與強(qiáng)度、硬度呈正比，與塑韌性呈反比，DI值越高，材料的淬透性越好，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度、硬度越高，但相對(duì)塑韌性略低。Rm和-40℃KV8與DI值的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖3 本體分區(qū)取樣位置圖Figure 3 Location map of partition sampling on body

Rp0.2MPaRmMPaA50mm%Z%-40℃ KV8JHBW吊耳區(qū)關(guān)鍵區(qū)一般區(qū)9248959301063102210051411.51042352928、32、3427、28、2625、26、24338335330

3.2 本體分區(qū)取樣的組織與性能

將試驗(yàn)件解剖后，在本體上分區(qū)取樣進(jìn)行性能、組織檢測(cè)，試樣距離各區(qū)表面的深度為20 mm～25 mm。經(jīng)分區(qū)取樣檢測(cè)，產(chǎn)品各個(gè)部位的性能及硬度均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織為回火索氏體，晶粒度為5.0～6.0級(jí)。本體分區(qū)取樣位置見(jiàn)圖3，分區(qū)取樣結(jié)果見(jiàn)表6。

4 結(jié)論

(1)ZG25Ni2CrMoB含硼材料通過(guò)合理的化學(xué)成分匹配控制，設(shè)計(jì)合理的熱處理工藝，可達(dá)到較高的強(qiáng)度、硬度以及低溫塑韌性。

(2)通過(guò)DI值與產(chǎn)品力學(xué)性能數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，DI值與強(qiáng)度、硬度呈正比，與塑韌性呈反比。

(3)ZG25Ni2CrMoB含硼材料具有較好的淬透性，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)熱處理后，不但附鑄試塊的性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且產(chǎn)品的本體硬度、內(nèi)部取樣性能均能滿足要求。