ZG40CrNiMo材质.doc

大型铸锻件
HEAVY CASTING AND FORGING
1999年 第1期 No.1 1999

ZG40CrNiMo大齿圈材料的热处理工艺与性能的研究
康建军　王东升　沈剑峰
　　摘　要　就不同正火温度及不同回火温度对ZG40CrNiMo钢力学性能的影响进行了研究，研究结果为大齿圈的热处理提供了可靠的实验依据。
　　关键词　大齿圈　热处理　力学性能
Study on Heat-Treatment Processes and Properties of
Large Gear Ring of ZG40CrNiMo Steel
Kang Jianjun　Wang Dongsheng　Shen Jianfeng
　　Abstract　In this paper,the influence of the different normalizing and tempering temperatures on the properties of ZG40CrNiMo steel are discussed in order to offer reliable test data for the large gear ring heat-treatment.
　　Key Words　Large Gear Ring,Heat-Treatment,Mechanical Properties
1　前言
　　随着建材、冶金等设备的日趋大型化，对具有高强度、高韧性特性的大型铸件的需求也日益增多。贵冶国家“九五”重点工程项目4m×11.7m卧式转炉中的直径达5436mm大齿圈就是其中一例。齿圈材质为ZG40CrNiMo，要求正火加回火后力学性能为σb≥900MPa，σs≥700MPa，δ5≥13%，HB=269～302。
　　本文就不同正火温度及不同回火温度对ZG40CrNiMo钢性能的影响进行了研究，研究结果为贵冶大齿圈的热处理生产提供了可靠的试验依据。
2　试验方案
2.1　化学成分
　　试块成分见表1。
表1　试块化学成分　%

C
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
S
P
标
准
0.36
～0.43
0.30
～0.60
0.60
～1.00
1.00
～1.40
1.40
～1.70
0.30
～0.40
≤
0.035
≤
0.035
试
块
0.37
0.46
0.79
1.13
1.69
0.31
0.015
0.018

2.2　试验方案设计
　　首先浇注70mm×70mm×200mm试块，浇注方式见图1。所有试块均经过880℃保温3h炉冷退火。然后分别按840℃、860℃、870℃、900℃四种温度保温2h，进行空淬。再将淬火试块分别按480℃、530℃、550℃、580℃四种温度，保温4h，进行回火处理。将每个经热处理过的试块加工出两根抗拉试样，每根抗拉试样的其中一端留有足够的长度，用来制备10mm×10mm×55mm的冲击试样。为尽可能准确地反映材料的真实性能，避开试块心部的不良组织，如图2所示制取拉伸试样。测定不同热处理状态下的力学性能，并观察不同热处理状态下的金相组织。

图1　试块浇注方式

图2　拉伸试样制取方式
3　试验结果及分析
3.1　试验结果
　　由试验可知在840℃～900℃范围内正火温度的高低对σb、δ5、ψ、HB、Ak的影响较小，对屈服强度，尤其是屈强比的影响较大，正火温度与屈强比σs/σb的关系见图3。

图3　正火温度与屈强比的关系
　　回火温度与σb、δ5、ψ、HB及AKU的关系见图4。

图4　回火温度与σb、δ5、ψ、HB及AKU的关系
3.2　热处理工艺参数的选择
3.2.1　正火温度的选择
　　由试验可知，正火温度对σb、HB、δ5、ψ、AK影响较小，但对屈服强度影响较大。从图3可以看出，正火温度为860℃时，屈强比达到峰值。在抗拉强度相当的情况下，屈服强度的提高将增加材料的使用强度，从而提高材料的使用寿命。因此，正火温度选860℃为宜。
3.2.2　回火温度的选择
　　由图4可得，530℃为影响力学性能的回火温度的转折点。低于530℃，组织较为稳定，除断面收缩率随回火温度升高而升高外，其它性能(包括σb、δ5、HB、AKU)基本上保持不变。这说明ZG40CrNiMo具有良好的回火稳定性。高于530℃时，随回火温度的升高，力学性能急剧变化，强度、硬度陡然下降，塑性、韧性陡然上升。力学性能此时变得对回火温度的变化过于敏感。如硬度从HB269至HB302变化时，其回火温度仅差30℃。根据对金相照片的分析认为：这主要是由于碳原子突然冲破合金元素的束缚，迅速呈碳化物析出，使金相组织由回火马氏体加回火贝氏体组织向索氏体组织转化。随着回火温度的升高，组织越来越细，至580℃时，已接近索氏体组织。根据大齿圈对硬度的要求，回火温度选580℃为宜。但由于此时力学性能对回火温度过于敏感，这对于大型热处理炉处理大型铸件来讲，由于其低温炉温温差较大，会给生产控制带来一定的不便。
3.3　金相分析
　　ZG40CrNiMo经退火处理后，金相组织为珠光体加铁素体(见图5)，为典型的亚共析钢组织。正火后，金相组织为以贝氏体为主兼有马氏体及残余奥氏体的混合组织。经回火后，随着回火温度的提高，非平衡组织逐渐向平衡组织转变，组织变得细小，见图6、图7、图8。尤其是580℃回火(图8)，贝氏体迹象已不再明显，接近完全索氏体状态的平衡组织。而480℃回火试样金相组织与图6基本一致，这说明在530℃以下回火，组织基本上未发生变化；反映在性能上，正好与图4所示530℃为影响性能的回火温度转折点一致。

图5　退火态(0#试样)金相组织　100×

图6　23#试样(530℃回火)金相组织　400×

图7　3#试样(回火温度550℃)
金相组织　400×

图8　21#试样(580℃回火)
金相组织　400×
　　为验证正火温度对晶粒度的影响，以及与退火态进行比较，对下列试样测定了实际晶粒度(见表2)。
表2　试样的实际晶粒度

试样号
0#
12#
3#
22#
32#
正火温度，℃
退火态
840
860
870
900
实际晶粒度，级
5
8
7
7
7

　　从表2可知，840℃正火，由于温度较低，晶粒较细，860℃、870℃、900℃正火时，晶粒无明显长大现象。试块经退火后，再进行一次正火处理，晶粒度由5级变为7级～8级，晶粒细化较为明显。从晶粒度测定来看，860℃时晶粒并非最细，但在860℃时屈强比却存在一个峰值。本文认为，可能是860℃时合金扩散程度使得晶粒最有利于屈服强度的提高。
4　结论
　　(1)ZG40CrNiMo大齿圈的最佳热处理工艺参数为860℃正火加580℃回火。
　　(2)530℃为影响ZG40CrNiMo力学性能的回火温度转折点，小于530℃时，金相组织较稳定，超过530℃时，力学性能变得对回火温度过于敏感，这对于大型热处理炉处理大型铸件来讲，由于其低温炉温温差较大，会给生产控制带来一定的不便。
　　(3)经正火处理后，晶粒度比退火态提高2级～3级。
作者单位：洛阳矿山机械工程设计研究院，河南471039
(1998年12月22日收稿)
责任编辑　傅冬梅