利用U曲线法对35CrMo钢理想临界直径的研究

赵 亮，舒 鑫，邹 鹏，邵 帅，闫 卓，孟 越，梁 盈

(沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869)

35CrMo是一种中碳铬钼合金结构钢，热处理制度为调质处理，热处理后拥有较好的力学性能指标，因其低廉的锻件价格，常用于通风机和鼓风机的轴类零件。近些年来，随着国内风机行业的发展，轴类零件不断大型化，调质后力学性能有下降的趋势。

淬透性是指钢在淬火时，形成马氏体(碳在α-Fe中的过饱和固溶体)的能力[1]，其大小用钢在规定条件下所获得的淬透层深度来表示。淬透性是选材和制定热处理工艺的重要依据，理想临界直径是指工件表面到半马氏体区(50%马氏体+50%非马氏体)的深度。容易形成马氏体的钢淬透性好，淬硬区深度大，理想临界直径大。本文利用不同直径的35CrMo的锻件试样进行淬火和低温回火试验，并检验表面和心部的洛氏硬度[2]，绘制成U型曲线，得到该材料的理想淬火临界直径；再结合调质处理，研究不同直径试样力学性能[3]，对材料的热处理工艺进行修正和完善。

1 试验材料和方法

本试验材料为圆柱形锻件，长度为直径的2倍，该材料的Ac1=750 ℃，Ac3=800 ℃，四种规格材料各2件分别为φ60 mm×120 mm、φ80 mm×160 mm、φ100 mm×200 mm和φ200 mm×400 mm，材料化学成分如表1所示。淬火和回火均采用RTX75箱式电阻炉，4件试样为了研究不同位置马氏体的洛氏硬度[4]，另外相同规格的4件试样研究调质后力学性能和金相显微组织。

表1 35CrMo试样的化学成分(质量分数，%)

2 试验结果和分析

2.1 淬火理想临界直径的确定

为了研究淬火后不同位置马氏体的洛氏硬度，防止淬火后试样产生开裂，采用低温回火，热处理工艺参数如图1所示。

热处理后将4件不同尺寸规格的试样分别按不同位置进行线切割取样，进行洛氏硬度检验，硬度数据如表2所示。

图1 热处理工艺参数

表2 不同试样各位置洛氏硬度

对于可通过调质的碳钢和合金钢，针对碳含量在0.30%～0.40%的调质钢，淬火后不同马氏体含量和洛氏硬度的关系如表3所示[5]。

根据表2中的数据，分别将4件试样的不同位置洛氏硬度数据绘制成U型曲线，横坐标为试样直径，纵坐标为不同位置的洛氏硬度，如图2所示。虚线为35CrMo钢半马氏体的硬度值，图中剖面线区域为马氏体含量小于50%的区域。

表3 不同碳含量和不同马氏体含量的洛氏硬度

图2 不同直径试样的U曲线硬度分布

按工件表面到半马氏体区(50%马氏体+50%非马氏体)作为材料的淬火理想临界直径，可以推算出35CrMo钢的理想临界直径约φ80 mm。

2.2 调质后的力学性能和金相组织

对四种规格试验材料进行调质处理，即淬火+高温回火，热处理工艺如图3所示。

图3 调质处理工艺

试验材料调质处理后，在表面处截取1个拉伸试样、2个冲击试验和1个布氏硬度试样，平行部分直径为φ6 mm的棒状拉伸试样。在RAS250万能试验机上按GB228《金属材料室温拉伸试验方法》进行拉伸试验；按GB229《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行冲击试验；按GB231《金属布氏硬度试验方法》进行布氏硬度检验。力学性能数据如表4所示。

表4 调质处理后材料力学性能

从表4可以看出，直径φ60 mm和φ80 mm试样，小于该材料的理想临界直径，表面的强度数据趋于一致；直径φ100 mm试样稍高于材料的淬火理想直径，强度略有下降；直径φ200 mm试样远超过淬火理想直径，强度明显下降。

对φ60 mm×120 mm和φ200 mm×400 mm试样表面进行金相组织观察，如图4所示。可以看出，φ60 mm试样为典型的回火索氏体，保持马氏体位向；φ200 mm试样远大于临界直径，为50%回火索氏体与50%贝氏体混合体。

(a)φ60 mm×120 mm；(b)φ200 mm×400 mm

3 结论

针对35CrMo合金钢的淬火临界理想直径的研究，结合调质后的力学性能和显微组织，得出以下结论：

1)该材料的淬火理想临界直径约φ80 mm；

2) 当试样的直径远大于临界直径，调质后力学性能数据大幅度降低，为回火索氏体和贝氏体的混合组织；

3) 在实际生产中，若轴类零件的最大截面尺寸远大于临界直径，应该适当降低回火温度，以提高材料的强度。