婁建亭，徐永福，周永丹，張振

在傳統(tǒng)熱處理的油淬和水淬都無(wú)法滿足使用要求時(shí)，借助于SYSWELD大型分析軟件，建立反映熱處理過(guò)程中各種現(xiàn)象變化規(guī)律及其相互影響的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行數(shù)值法求解；與物理試驗(yàn)比較，得出了控制滲碳淬火工藝參數(shù)。

1.齒輪軸性能要求

齒輪軸（見(jiàn)圖1）材料為17CrNiMo6，齒輪模數(shù)為62.667mm，齒數(shù)為16，分度圓直徑為1002.676mm，頂部吊起裝夾。

滲碳淬火后性能要求：鍛后要求（ME）級(jí)，滲碳淬火后晶粒度不低于7級(jí)；有效硬化層深度6.0～6.5mm，齒面硬度（60+4）HRC，齒心硬度35～40HRC，齒根也需淬硬；力學(xué)性能（ME）：σb≥1180MPa，σs≥785MPa，δ5≥8%，Ψ≥35%，AK≥41J。

2.傳統(tǒng)滲碳淬火工藝

圖1 齒輪軸

17CrNiMo6材料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

17CrNiMo6屬德國(guó)牌號(hào)，材料成分見(jiàn)附表。其滲碳淬火在合金元素含量較多、冷速較快時(shí)有淬裂的危險(xiǎn)，且大型工件表面淬火到如此高的硬度，難度較大。傳統(tǒng)滲碳后齒輪軸滲層分布如圖2所示。傳統(tǒng)滲碳淬火熱處理工藝曲線如圖3所示。

3.數(shù)值模擬過(guò)程

（1）滲碳模擬 根據(jù)齒輪軸實(shí)際要求滲層調(diào)整滲碳工藝參數(shù)，如圖4、圖5、圖6所示。滲碳溫度一般在920℃左右，滲層分布要均勻，不能有過(guò)陡的梯度，以免滲碳層剝離。

（2）試棒檢測(cè) 材料、滲碳工藝、淬火溫度確定以后，對(duì)硬度產(chǎn)生關(guān)鍵影響的就是冷卻方式。從油冷的結(jié)果顯示，硬度遠(yuǎn)達(dá)不到技術(shù)要求。本文采用水冷的方式，但17CrNiMo6合金含量較高，水淬易裂。采用φ100mm試棒做滲碳后淬火數(shù)值模擬，檢查17CrNiMo6材料淬裂傾向性，并合理估計(jì)計(jì)算機(jī)模擬的誤差范圍。

圖2 滲碳層分布

圖3 傳統(tǒng)熱處理工藝曲線

（3）水淬模擬結(jié)果 圖7、圖8為φ100mm試棒水淬試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果，可以看出溫度場(chǎng)分布、應(yīng)力場(chǎng)分布及硬度分布符合經(jīng)驗(yàn)值；模擬硬度值為65HRC。

4.物理試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)φ100mm試棒滲碳和水淬試驗(yàn)。水淬的硬度為65HRC，且水淬試樣并無(wú)淬火裂紋。

圖4 滲碳工藝曲線

圖5 滲碳層分布

圖6 17CrNiMo6滲碳模擬后各滲層碳含量

試棒金相組織如圖9所示。圖9a顯示810℃淬火、180℃回火后表層為滲碳體和回火馬氏體，由于碳含量較高（0.9%左右）碳化物成網(wǎng)狀，故滲碳表面硬且脆，給淬火帶來(lái)很大的不便。圖9b是滲碳過(guò)渡層，此處碳含量較表層低，滲碳體并未連成網(wǎng)狀，只在晶界處隱約可見(jiàn)。圖9c是過(guò)渡層，為殘留奧氏體基體上的回火馬氏體。心部組織圖9d則為殘留奧氏體基體上的低碳馬氏體。

由于17CrNiMo6淬透性非常好，經(jīng)過(guò)900℃保溫6h正火預(yù)處理后860℃退火的試樣在心部也能得到馬氏體、貝氏體和殘留奧氏體的混合物，如圖9e所示。

因此，要在馬氏體狀態(tài)下提高工件的硬度，則應(yīng)提高馬氏體的晶格畸變量，即冷卻過(guò)程中使更多的碳和合金元素固溶入馬氏體晶格，要達(dá)到此目的，必須增加冷卻速度。如前文所述，材料、滲碳工藝、淬火溫度已經(jīng)確定，目前只有改變淬火冷卻介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)要求。

5.結(jié)語(yǔ)

由于工件較大且形狀復(fù)雜，模擬結(jié)果顯示完全水淬應(yīng)力較大，特別是在齒根處。故考慮用控制淬火的方法，即入水前先預(yù)冷，水冷一段時(shí)間，齒表面冷卻后立即提出水面空冷，使齒表面溫度回升，達(dá)到自回火的目的，然后入油冷卻至Ms點(diǎn)以下。

通過(guò)SYSWELD模擬齒輪軸淬火過(guò)程得到工藝參數(shù)有：預(yù)冷時(shí)間、水冷時(shí)間、空冷時(shí)間等。水淬前在空氣中預(yù)冷的時(shí)間5min，目的是減少淬裂傾向，空冷時(shí)間的控制以不發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)。預(yù)冷后的水冷時(shí)間15min，主要控制因素為淬火應(yīng)力的大小，隨著水冷時(shí)間的延長(zhǎng)，齒根處淬火應(yīng)力會(huì)越來(lái)越大，在淬火應(yīng)力小于材料屈服應(yīng)力時(shí)停止水淬。水冷后的空冷時(shí)間10min，目的是使馬氏體自回火，減小應(yīng)力，但回火溫度不應(yīng)過(guò)高，控制在低溫回火范圍內(nèi)，以免硬度下降太多。

圖7 φ100mm試棒試棒三維剖面圖和溫度場(chǎng)分布

圖8 φ100mm試棒應(yīng)力場(chǎng)分布和硬度分布

圖9 小試棒金相圖片