李　其徐志敏門正興陶鳳云( ．二重鑄鍛公司鑄鍛所工程實(shí)驗(yàn)室，四川6005;．二重精衡傳動(dòng)有限公司，四川6803)

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17Cr2Ni2Mo齒輪軸淬火應(yīng)力模擬研究

李其1徐志敏1門正興1陶鳳云2
( 1．二重鑄鍛公司鑄鍛所工程實(shí)驗(yàn)室，四川610052;
2．二重精衡傳動(dòng)有限公司，四川618013)

摘要:為降低17Cr2Ni2Mo齒輪軸心部淬火應(yīng)力，利用有限元數(shù)值模擬軟件研究了化學(xué)成分、淬火條件對齒輪軸心部淬火應(yīng)力的影響。結(jié)果表明:增加微量B元素、改變齒輪軸換熱界面以及提高淬火介質(zhì)溫度的方式可以有效降低齒輪軸心部拉應(yīng)力。

關(guān)鍵詞:17Cr2Ni2Mo;齒輪軸;淬火應(yīng)力;數(shù)值模擬

17Cr2Ni2Mo是一種優(yōu)質(zhì)的滲碳鋼，具有高的強(qiáng)度和韌性，常用于制作齒輪、錐齒輪等傳動(dòng)件。利用17Cr2Ni2Mo鋼生產(chǎn)的大直徑(?700 mm)齒輪軸淬火后的回火溫度一般低于300℃，在該溫度下回火只能消除齒輪軸淬火后產(chǎn)生的第二、三類應(yīng)力，對于第一類應(yīng)力的消除作用十分有限［1］，因此無法通過提高回火溫度來降低齒輪軸的淬火應(yīng)力。因此，對于大型齒輪軸類件，降低齒輪軸淬火應(yīng)力的最佳途徑是改變材料化學(xué)成分或有效控制淬火過程。

本文利用Deform、Jmatpro軟件研究了大型17Cr2Ni2Mo齒輪軸化學(xué)成分、換熱邊界、淬火介質(zhì)溫度對齒輪軸心部位置淬火應(yīng)力的影響。齒輪軸計(jì)算模型見圖1。

1　研究內(nèi)容及模擬工藝

1．1化學(xué)成分對17Cr2Ni2Mo齒輪軸心部淬火應(yīng)力的影響

兩種齒輪軸的化學(xué)成分見表1，對應(yīng)成分的TTT曲線計(jì)算結(jié)果見圖2。從圖2可知，添加微量的B元素后，17Cr2Ni2Mo鐵素體和珠光體等溫轉(zhuǎn)變的孕育期和結(jié)束期都大幅度延長了，其中“鼻子”溫度附近的鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變孕育期從2 000 s延長至6 000 s，完成時(shí)間從15 000 s延長

圖1　齒輪軸仿真模型Figure 1　 Simulation model of gear shaft

表1　17Cr2Ni2Mo齒輪軸化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1　Chemical composition of17Cr2Ni2Mo gear shaft ( mass fraction，%)

至50 000 s。轉(zhuǎn)變曲線向右大幅度移動(dòng)，B元素的添加推遲了鐵素體和珠光體的轉(zhuǎn)變。模擬工藝為:奧氏體化溫度為860℃，淬火方式為油冷，對比齒輪軸心部應(yīng)力時(shí)，均冷卻至相同溫度。

1．2齒輪軸換熱邊界對心部淬火應(yīng)力的影響

淬火時(shí)設(shè)定齒輪軸兩種換熱邊界，一是圖1中所有實(shí)線位置(換熱邊界1)和虛線位置(換熱邊界2)為相同的換熱方式，即油冷;二是圖1中所有實(shí)線位置(換熱邊界1)為油冷，虛線位置(換熱邊界2)設(shè)定為絕熱，不進(jìn)行熱交換。模擬工藝為:奧氏體化溫度為860℃，淬火方式為油冷，對比齒輪軸心部應(yīng)力時(shí)，均冷卻至相同溫度，齒輪軸化學(xué)成分為成分1。

圖2　不同化學(xué)成分的TTT曲線Figure 2　TTT curve with different chemical composition

1．3淬火介質(zhì)溫度對齒輪軸心部淬火應(yīng)力的影響

提高淬火介質(zhì)溫度，研究高溫淬火介質(zhì)溫度下，齒輪軸淬火后心部位置應(yīng)力的變化。模擬工藝為:奧氏體化溫度為860℃，齒輪軸高溫淬火介質(zhì)淬火后，空冷至與正常淬火的齒輪軸相同表面溫度進(jìn)行應(yīng)力、組織對比。

2　齒輪軸心部淬火應(yīng)力模擬結(jié)果及分析討論

2．1化學(xué)成分對齒輪軸淬火應(yīng)力的影響

兩種化學(xué)成分的溫度、組織和軸向( Z向)應(yīng)力模擬結(jié)果見圖3。從圖3看到，齒輪軸淬火結(jié)束后，成分1的齒輪軸心部溫度為106℃，表面溫度為85℃，鐵素體分?jǐn)?shù)為0．36，珠光體分?jǐn)?shù)為0．12，貝氏體分?jǐn)?shù)為0．48，馬氏體體積分?jǐn)?shù)為0．04，齒輪軸軸向應(yīng)力出現(xiàn)兩次降低，一是在670 ～640℃階段，二是在450～350℃階段。成分2的齒輪軸淬火后心部溫度為104℃，表面溫度為84℃，鐵素體分?jǐn)?shù)為0．12，貝氏體分?jǐn)?shù)為0．77，馬氏體分?jǐn)?shù)為0．11，齒輪軸軸向應(yīng)力在450～350℃階段出現(xiàn)1次應(yīng)力降低。對比兩成分的應(yīng)力曲線可以發(fā)現(xiàn)，第二次應(yīng)力下降階段結(jié)束后，成分1齒輪軸心部軸向應(yīng)力的增加速率明顯高于成分2齒輪軸軸向應(yīng)力的增加速率。兩種化學(xué)成分齒輪軸淬火后截面的溫度及心部位置各個(gè)方向的應(yīng)力對比見表2。從表2數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，成分2的齒輪軸淬火后，心部各個(gè)方向的拉應(yīng)力相比成分1齒輪軸，降幅達(dá)到150 MPa左右。

圖3　齒輪軸淬火過程中心部組織、溫度和應(yīng)力變化規(guī)律Figure 3　 Changing regulation of microstucture in the center of gear shaft，temperature andstress during quenching process

表2　成分1和成分2齒輪軸淬火后溫度及應(yīng)力對比Table 2　Comparison of temperature and stress for gear shaft with differentchemical composition after quenching

圖3中齒輪軸軸向應(yīng)力曲線出現(xiàn)的兩個(gè)應(yīng)力下降階段，正是17Cr2Ni2Mo鋼鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，由于成分2沒有鐵素體、珠光體的生成，因此在670～640℃階段未觀察到應(yīng)力下降，但成分2貝氏體相變完成后，由于有0．11體積分?jǐn)?shù)的馬氏體生成，使齒輪軸心部軸向應(yīng)力值增加速率大幅下降。而成分1雖然也有馬氏體生成，但只有0．04，所起到的作用很有限。齒輪軸淬火冷卻時(shí)，由于溫度差造成的體積收縮形成熱應(yīng)力，齒輪軸心部熱應(yīng)力為拉應(yīng)力，材料發(fā)生固態(tài)相變時(shí)體積膨脹，形成的組織應(yīng)力為壓應(yīng)力。成分2的齒輪軸由于添加了B元素，增加了其淬透性，使得低溫階段產(chǎn)生更多的貝氏體，而且還有部分馬氏體，馬氏體相變的體積膨脹率大，形成的組織應(yīng)力也更大，可以抵消更多的熱應(yīng)力，從而使成分2的齒輪軸淬火后，心部各個(gè)方向的應(yīng)力更低。

2．2換熱邊界對齒輪軸淬火應(yīng)力的影響

計(jì)算結(jié)果表明，齒輪軸淬火過程中，心部主要為拉應(yīng)力。在不改變成分的條件下，要降低其淬火后的應(yīng)力，只能降低其熱應(yīng)力，而影響熱應(yīng)力的關(guān)鍵因素是淬火過程中工件的截面溫差。要降低溫差，需要降低冷卻速度，冷卻速度的降低，又無法保證齒輪軸齒面的淬火程度，因此模擬時(shí)，將未開齒部分，即圖1中虛線部分進(jìn)行絕熱處理，研究換熱邊界對齒輪軸淬火應(yīng)力的影響。改變換熱邊界后，齒輪軸心部拉應(yīng)力整體下降，且應(yīng)力最大的位置發(fā)生了變化，為方便對比，對兩種換熱條件下應(yīng)力最大的位置進(jìn)行組織和應(yīng)力對比。兩種換熱邊界淬火模擬后的應(yīng)力對比見圖4和表3。從圖4看到，齒輪軸采用部分傳熱的方式，冷卻至表面84℃、心部104℃時(shí)，其心部位置的鐵素體體積分?jǐn)?shù)為0．30，珠光體體積分?jǐn)?shù)為0．04，貝氏體體積分?jǐn)?shù)為0．58，馬氏體含量為0．08。齒輪軸心部軸向應(yīng)力在冷卻過程中也出現(xiàn)兩個(gè)下降臺階，但在670～640℃的臺階下降不明顯，在450～350℃的臺階下降趨勢明顯，采用部分傳熱邊界的齒輪軸淬火后其心部位置各個(gè)方向的應(yīng)力也有100 MPa左右的下降幅度。

圖4　改變換熱邊界后齒輪軸心部組織、溫度及應(yīng)力的變化規(guī)律Figure 4　 Changing regulation of microstucture in the center of gear shaft，temperature and stress afterchanging the heat transfer boundary

表3　兩種換熱邊界齒輪軸淬火后溫度及應(yīng)力對比Table 3　Comparison of temperature and stress for gear shafts with twoheat transfer boudaries after quenching

齒輪軸淬火時(shí)采用部分傳熱時(shí)，與淬火介質(zhì)換熱界面減少了，降低了齒輪軸淬火過程中的冷卻速度，冷卻速度的降低減少了齒輪軸截面的溫差，從而降低了齒輪軸淬火后的熱應(yīng)力。由于是將齒輪軸未開齒部分進(jìn)行了絕熱處理，因此淬火過程不僅可以降低齒輪軸心部的熱應(yīng)力，也可以保證開齒部分的淬火硬度。

2．3淬火介質(zhì)溫度對齒輪軸心部應(yīng)力的影響

提高淬火介質(zhì)溫度后，齒輪軸心部軸向應(yīng)力及組織的變化見圖5。從圖5中看到，提高介質(zhì)溫度淬火后，齒輪軸心部鐵素體分?jǐn)?shù)為0．39，珠光體分?jǐn)?shù)為0．22，貝氏體分?jǐn)?shù)為0．38，馬氏體體積分?jǐn)?shù)為0．01，齒輪軸軸向應(yīng)力在670～640℃和450～350℃出現(xiàn)兩次降低階段，空冷至表面溫度與正常淬火后齒輪軸表面溫度相近時(shí)，兩種淬火方式齒輪軸心表溫度及心部各個(gè)方向的應(yīng)力對比見表4。從表4中看到，提高淬火介質(zhì)溫度后，齒輪軸軸向應(yīng)力下降近100MPa，其余兩個(gè)方向的

圖5　高溫淬火介質(zhì)冷卻過程中齒輪軸心部組織、溫度和Z向的應(yīng)力變化規(guī)律Figure 5　 Changing regulation of microstucture in the center of gear shaft，temperature and Z direction stress duringthe cooling process with high temperature quenching medium

表4　淬火后齒輪軸溫度及心部應(yīng)力對比Table 4　Comparison of stress in the center of gear shaft and temperature after quenching

圖6　齒輪軸淬火過程中心部和表面溫差Figure 6　 Temperature difference in the center and on the surface of gear shaft during quenching process

應(yīng)力降低達(dá)150 MPa。室溫及高溫淬火介質(zhì)淬火冷卻過程中，齒輪軸心部表面溫差對比見圖6。從圖6中看到，高溫淬火介質(zhì)冷卻過程中齒輪軸截面溫差明顯低于室溫淬火介質(zhì)。

提高淬火介質(zhì)溫度后，齒輪軸心部珠光體含量顯著增加，反映出齒輪軸心部位置冷卻速度降低。而齒輪軸截面溫差的減小，降低了齒輪軸淬火后熱應(yīng)力，使得齒輪軸淬火后各個(gè)方向的應(yīng)力降低。

3　結(jié)論

( 1)添加B元素延遲鐵素體、珠光體的轉(zhuǎn)變時(shí)間，增加材料的淬透性，可以有效降低齒輪軸淬火后心部拉應(yīng)力。

( 2)減少齒輪軸淬火過程的傳熱面積，可以降低齒輪軸淬火后心部拉應(yīng)力。

( 3)提高淬火介質(zhì)溫度可以降低齒輪軸心部拉應(yīng)力。

參考文獻(xiàn)

［1］劉宗昌．冶金類熱處理及計(jì)算機(jī)應(yīng)用．北京．冶金工業(yè)出版社，1999: 50．

編輯杜青泉

Simulation Research of Quenching Stress for 17Cr2Ni2Mo Gear Shaft

Li Qi，Xu Zhimin，Men Zhengxing，Tao Fengyun

Abstract:In order to decrease the quenching stress in the center of 17Cr2Ni2Mo gear shaft，by adopting the finite element numerical simulation software，the influence of chemical compsotion and quenching condition on the quenching stress in the center of gear shaft has been studied．It turned out that the tensile stress in the center of gear shaft could be decreased effectively by adding a little bit B element，changing the heat transfer interface of gear shaft and raising the temperature of quenching medium．

Key words:17Cr2Ni2Mo; gear shaft; quenching stress; numerical simulation

收稿日期:2015—05—19

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

中圖分類號:TG115