35CrMoA钢力学性能不合格原因分析

刘 勇，高文娟

1 前言

中碳合金结构钢35CrMoA钢具有较高的淬透性、良好的综合力学性能和工艺性能，其价格又比Cr-Ni钢等低廉，在机械制造、汽车和石化等行业广泛用于制造传动轴、曲轴和紧固件等零部件，为山东寿光巨能特钢有限公司中碳合金结构钢主要产品之一。近期生产的35CrMoA钢出现调质后力学性能不合，抗拉强度或者屈服强度低于国家标准要求。为此，对35CrMoA钢力学性能的影响因素进行分析，找出了性能不合格的原因，通过调整化学成分，优化连铸工艺，减轻钢的显微偏析，提高轧制加热温度和均热温度，延长在炉时间，均匀成分等，使35CrMoA钢力学性能达到国标要求。

2 35CrMoA钢力学性能影响因素分析

2.1 化学成分

1）碳溶解在钢中形成间隙固溶体，与强碳化物形成元素形成碳化物析出，起到沉淀强化作用。提高碳含量虽然对强度等有利，但对塑性和韧性不利，应合理控制碳含量。

2）硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，硅原子半径较大，在钢中固溶到铁素体中可使铁素体晶粒发生畸变，从而有效地提高铁素体基体的强度。硅可以促进钢在回火时碳化物的析出，起到沉淀强化作用。

3）锰显著提高钢的淬透性，改善钢的热处理性能，强化基体和细化珠光体组织，从而提高钢的强度和硬度。

4）铬在调质结构钢中的主要作用是提高淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能。

5）钼能提高钢的淬透性，在调质钢中，防止钢的回火脆性，可固溶于铁素体、奥氏体和碳化物中，是缩小奥氏体相区的元素。钼提高钢的淬透性的作用较铬强［1］。

2.2 热处理工艺

1）淬火对35CrMoA钢性能的影响。淬火加热（奥氏体化）是将35CrMoA钢由室温组织转变为单一的奥氏体组织以便进行淬火。保温是为了使工件内部温度均匀趋于一致。为保证整个截面都转变为马氏体需要选用冷却能力足够强的淬火介质，以保证工件心部有足够高的冷却速度。

2）回火对35CrMoA钢性能的影响。回火过程包括马氏体分解，碳化物的析出、转化、聚集和长大，铁素体回复和再结晶，残余奥氏体分解等四类反应。淬火钢回火后的性能取决于它的内部显微组织；钢的显微组织又随其化学成分、淬火工艺及回火工艺而异［2］。

2.3 其他因素

1）疏松。钢材存在较严重的组织疏松，对钢材的力学性能偏低有一定影响。

2）偏析。存在于晶粒内部的成分不均匀，称为晶内偏析。钢材存在晶内偏析，在后续的热处理时会造成组织差异，从而导致性能差异。不同元素其偏析系数不同，偏析系数越大，偏析越严重。

3 35CrMoA钢组织性能检测分析

3.1 成分及力学性能

选取4炉产品进行成分及力学性能检测，钢的化学成分见表1。

35CrMoA钢采用GB/T 3077—2015中规定Φ25 mm试样及热处理工艺：860℃、50 min、油冷；520℃、60 min、水冷，力学性能不合的实际数值如表2所示。主要表现在屈服强度和抗拉强度低于标准要求。

表1 35CrMoA钢化学成分检测结果 %

3.2 金相组织分析

1）热轧材组织。35CrMoA钢热轧材金相组织见图1，组织不均匀，存在着贝氏体的带状组织，位置不同，带状组织的严重程度不同。边部没有明显带状组织，以贝氏体组织为主。1/4厚度处和心部有明显的带状组织。1/4厚度处的贝氏体带宽度比较窄，但条带数量多，而心部的贝氏体带宽度比较宽，但条带数量少［3］。

2）带状组织的遗传。35CrMoA热轧材热处理后的金相组织见图2。淬火温度为865℃，不可能消除带状组织中的合金元素偏析，因此轧材的带状组织会不可避免地遗传到热处理后的试样，带状组织在常规热处理之后都具有较低的力学性能，并且淬火后马氏体形态不同，原来的贝氏体带的马氏体以针状为主，其他区域以板条为主。出现针状马氏体的原因是由于C及合金元素出现了富集。回火组织中保持了淬火后的带状组织。

图2 35CrMoA热轧材热处理后的金相组织

3）带状组织的偏析。对轧态样品的带状组织和基体进行EDS分析，位置如图3所示，分析结果见表3。

从图3、表3可以看出，珠光体条带处的Cr含量在1.0%～1.2%，贝氏体条带处的Cr含量在1.2%～1.7%。Cr含量分布不均匀，贝氏体条带处的Cr含量明显高于珠光体条带处的Cr含量。Cr含量不同，淬透性不同，Cr含量高的地方，淬透性高，增加了奥氏体稳定性，在轧后空冷过程中，形成了贝氏体。Cr含量低的地方，淬透性低，在轧后空冷过程中，形成了珠光体+铁素体。

图3 偏析带及基体EDS打点位置

表3 偏析带及基体位置能谱分析

4 35CrMoA钢性能不合格原因及解决措施

4.1 热轧材性能不合格原因

目前35CrMoA钢的化学成分中，对强度有直接影响的C、Cr元素都控制在允许范围中下限，能提高淬透性的Mo元素控制在下限，钢材存在显微偏析，钢材纵向组织存在贝氏体与珠光体+铁素体交替分布的条带。产生条带的原因是由于存在显微偏析，主要是Cr的偏析。由于C、Cr和Mo元素控制在下限且存在合金的偏析带，造成局部区域合金元素贫瘠，在后续的热处理油冷过程中元素贫瘠区域淬火能力不足，无法全部淬成马氏体，会出现少量先共析铁素体和珠光体，回火后导致35CrMo钢的强度和韧性不足。

4.2 提高力学性能的措施

调整化学成分，适当提高C、Cr和Mo元素的含量，C、Cr控制在允许范围的中限，能提高钢的淬透性的Mo元素控制在0.17%左右。减轻显微偏析，通过连铸工艺的优化，减小枝晶间距，从而减轻显微偏析［4］。优化轧制工艺，提高铸坯在加热炉中的加热温度和均热温度及在炉时间，通过提高温度来增加合金元素的扩散，均匀铸坯成分，从而提高后续轧材热处理后的性能［5］。

4.3 试验结果验证

为验证改进效果，按照改进措施要求重新生产一批产品，取样进行成分和力学性能分析。化学成分进行部分调整，按中上限对C、Cr等元素进行目标控制，成分见表4。

表4 35CrMoA钢改进后的化学成分（质量分数）%

通过化学成分及连铸、加热工艺的优化，按GB/T 3077—2015相关规定热处理后进行轧材的力学性能检验，各项力学性能指标已明显高于标准值，具体数值见表5。

表5 35CrMoA钢改进后的力学性能

5 结 语

35CrMoA钢性能不合格的原因：对强度有直接影响的C及合金元素都控制在允许范围中下限，Mo控制在下限；钢材存在显微偏析。提高35CrMoA钢力学性能的措施：调整化学成分，适当提高C及合金元素的含量；减轻显微偏析，通过连铸工艺的优化，减小枝晶间距，从而减轻显微偏析；优化轧制工艺，提高加热炉的加热温度和均热温度及在炉时间，通过温度的提高来增加合金元素的扩散，均匀成分，从而提高后续的热处理性能。通过成分调整及工艺优化，合金钢35CrMoA各项指标均达到国标要求。

［1］ 张卫.化学成分对合金钢力学性能的影响［J］.热加工工艺，2010，39（22）：173-175.

［2］ 樊东黎，王广生.热处理手册［M］.北京：机械工业出版社，2001.

［3］ 李炯辉林德成.金属材料金相图谱［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［4］ 张广军，张旭东，张劲峰，等.连铸工艺对铸坯碳偏析的影响［J］.连铸，2010（3）：43-46.

［5］ 戚翠芬.轧钢原料加热［M］.北京：冶金工业出版社，2013.