宋劍萍
(西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院,西安 710077)
作為齒輪鋼的典型代表,42CrMo鋼具有強(qiáng)度高、韌性好、淬透性高、淬火時(shí)變形小等特點(diǎn),調(diào)質(zhì)熱處理后的42CrMo鋼通常被廣泛應(yīng)用于制作要求一定強(qiáng)度和韌性的大中型塑料模具以及齒輪鋼零部件中。然而,熱處理過程中對(duì)最終成形質(zhì)量及組織性能影響的工藝參數(shù)較多,包括淬火溫度、冷卻速度、回火溫度和回火冷卻速度等,如果熱處理調(diào)控所得到的組織分布無法達(dá)到技術(shù)要求則會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,且還會(huì)影響到后續(xù)使用的安全性和可靠性[1,2]。因此,有必要采用計(jì)算機(jī)模擬的方法對(duì)淬火熱處理過程中的組織轉(zhuǎn)變進(jìn)行模擬,預(yù)測(cè)淬火過程中齒輪的組織場(chǎng)變化,從而為制定熱處理工藝提供科學(xué)依據(jù)[3],也可以避免由于生產(chǎn)認(rèn)識(shí)的局限而造成的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。
本文選取的實(shí)驗(yàn)原料為42CrMo齒輪鋼,化學(xué)成分采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測(cè)得主要元素化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為:0.39 C、0.24 Si、0.68 Mn、0.011 P、0.003 S、1.12 Cr、0.04 Ni、0.02 Cu、0.18 Mo,余量為Fe,齒輪鋼密度為7.8514 kg.m-3,熱處理前的原始金相組織如圖1,為80 %鐵素體+20 %珠光體。
采用材料模擬計(jì)算軟件——JMatpro軟件對(duì)42CrMo齒輪鋼進(jìn)行淬火過程中的熱物性參數(shù)和相變轉(zhuǎn)變曲線進(jìn)行了計(jì)算[4],其中,主要包括四種相的轉(zhuǎn)變,即鐵素體(相1)、貝氏體(相2)、馬氏體(相3)和奧氏體(相6),數(shù)字是代表計(jì)算軟件中各相存儲(chǔ)空間的位置,通過計(jì)算可以得到42CrMo齒輪鋼在不同溫度下各相的熱導(dǎo)率、密度、比熱和熱焓的值,結(jié)果如圖2。
圖1 42CrMo齒輪鋼熱處理前的原始金相組織
圖2 42CrMo齒輪鋼的熱物性參數(shù)
在對(duì)42CrMo齒輪鋼進(jìn)行淬火熱處理過程中,齒輪的表面和心部的冷卻速度不同,原始組織會(huì)在不同熱處理工藝參數(shù)下發(fā)生不同類型的相變[5],如最終組織可能為馬氏體、貝氏體以及奧氏體等,本文42CrMo齒輪鋼的組織場(chǎng)擬采用Leblond相變模型進(jìn)行模擬,可用如下公式表示[6]:
式中:
P2—溫度T時(shí)的比例;
τ1→2(T)—相變?cè)跍囟萒時(shí)的延遲。
如果在熱處理過程中有不同類型的形變,可以將Leblond相變模型進(jìn)行廣義擴(kuò)展[7],即:
上式可表述相i在轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄇時(shí)的變化過程,式中F和F'表示與冷卻速度有關(guān)的函數(shù),結(jié)合公式(1)可以得到?和τ1→2(T)等,就可以采用Sysweld軟件進(jìn)行相變模擬。
本文所選取的42CrMo齒輪鋼的淬火溫度為830 ℃,淬火工藝為分級(jí)淬火,即先在0.8 %硝鹽溶液中淬火冷卻后再采用水洗冷卻,界面熱換系數(shù)-溫度曲線如圖3。采用JMatPro軟件對(duì)其進(jìn)行TTT(等溫轉(zhuǎn)變)和CCT(連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變)曲線計(jì)算,由Kirkaldy公式表述如下[8]:
式中:
α=β2(G-1)/2,β—經(jīng)驗(yàn)系數(shù);
D—有效擴(kuò)散系數(shù);
G—晶粒尺寸;
ΔT—過冷度;
q—擴(kuò)散指數(shù);
x—轉(zhuǎn)變百分?jǐn)?shù)[9]。
圖3 硝鹽溶液和水冷卻作用下的界面熱換系數(shù)
對(duì)齒輪淬火熱處理過程中的組織場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬,可以預(yù)測(cè)不同冷卻階段齒輪不同位置的組織分布,對(duì)于調(diào)控優(yōu)化齒輪鋼的熱處理工藝參數(shù)以及齒輪整體性能的提高具有重要的作用[10]。圖4為42CrMo齒輪鋼在硝鹽溶液冷卻槽中冷卻結(jié)束后轉(zhuǎn)移至水洗冷卻架上之前的齒輪部分的組織云分布圖,淬火冷卻時(shí)間節(jié)點(diǎn)為5 400 s,此時(shí)齒輪表面有較多的奧氏體而心部奧氏體含量接近0,奧氏體含量有隨著離表面距離增加而降低的趨勢(shì);從鐵素體的組織分布云圖可見,無論是齒輪表面區(qū)域還是心部區(qū)域,鐵素體含量都幾乎為0;在貝氏體組織分布云圖中,貝氏體含量呈現(xiàn)離表面距離增加而增大的特征,心部區(qū)域的貝氏體含量約為34 %;從馬氏體組織分布云圖中可見,次表層區(qū)域的馬氏體含量最高(90 %),其次為心部區(qū)域(66 %),而表層區(qū)域的馬氏體含量相對(duì)較低(58 %)。這種組織場(chǎng)的變化特征是由于在硝鹽溶液冷卻過程中,表面區(qū)域的冷卻速率最快,而心部區(qū)域的冷卻速度會(huì)相對(duì)較慢,因此表面區(qū)域轉(zhuǎn)化為馬氏體的含量會(huì)相對(duì)較多,但由于42CrMo齒輪鋼中C含量高達(dá)0.39 %、以及齒輪心部冷卻速度會(huì)低于表面,最終組織會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和貝氏體,含量分別為66 %和34 %。
圖4 淬火冷卻時(shí)間節(jié)點(diǎn)為5 400 s時(shí)的組織場(chǎng)分布圖
圖5 為42CrMo齒輪鋼在淬火冷時(shí)間節(jié)點(diǎn)為7 200 s時(shí)的組織場(chǎng)分布圖,此時(shí)齒輪表面溫度約為30 ℃。在冷卻結(jié)束后,齒輪齒形部位表面區(qū)域的馬氏體和殘余奧氏體含量分別約為90 %和10 %;而心部為含66 %馬氏體和34 %的貝氏體組織。從齒輪整個(gè)截面的組織分布還可以發(fā)現(xiàn),馬氏體含量最高的區(qū)域出現(xiàn)在次表層,該區(qū)域的馬氏體含量可高達(dá)90 %以上。
圖5 淬火冷卻時(shí)間節(jié)點(diǎn)為7 200 s時(shí)的組織場(chǎng)分布圖
圖6 42CrMo齒輪鋼淬火冷卻后的金相組織
為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文的計(jì)算機(jī)模擬得到的42CrMo齒輪鋼的組織場(chǎng)云圖的準(zhǔn)確性,采用與計(jì)算機(jī)模擬相同的淬火熱處理工藝對(duì)42CrMo齒輪鋼進(jìn)行了淬火處理,42CrMo齒輪鋼表面和心部金相組織如圖6。42CrMo齒輪鋼的表面組織為少量黑色針狀馬氏體+白色殘余奧氏體,采用金相顯微鏡附帶的MDS-SP分析軟件統(tǒng)計(jì)分析表明[11],齒輪齒形部分表面區(qū)域的殘余奧氏體含量約為7.5 %,與圖5的計(jì)算機(jī)模擬云圖的結(jié)果較為吻合;從心部區(qū)域的金相組織來看,心部區(qū)域主要為板條狀的馬氏體和貝氏體組織,其中,馬氏體含量較高,而貝氏體含量較低,這與圖4和圖5的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果基本一致,即心部區(qū)域馬氏體含量約為66 %、貝氏體含量約為34 %。由此可見,采用本文的計(jì)算機(jī)模擬方法可以對(duì)42CrMo齒輪鋼齒形部位在淬火熱處理過程中的組織場(chǎng)轉(zhuǎn)變進(jìn)行模擬,試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算機(jī)模擬得到的組織場(chǎng)結(jié)果具有較好的一致性,即可以采用本文的計(jì)算機(jī)模擬方法對(duì)42CrMo齒輪鋼的組織場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè),且具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性,同時(shí)可為各大齒輪生產(chǎn)和加工企業(yè)的熱處理工藝提供參考,并有助于齒輪整體性能的提高。
1)在硝鹽溶液中冷卻結(jié)束后,齒輪表面有較多的奧氏體而心部奧氏體含量接近0,奧氏體含量有隨著離表面距離增加而降低的趨勢(shì);無論是齒輪表面區(qū)域還是心部區(qū)域,鐵素體含量都幾乎為0;貝氏體含量呈現(xiàn)離表面距離增加而增大的特征,心部區(qū)域的貝氏體含量約為34 %。
2)在冷卻結(jié)束后,齒輪齒形部位表面區(qū)域的馬氏體和殘余奧氏體含量分別約為90 %和10 %,而心部為含66 %馬氏體和34 %的貝氏體組織。齒輪整個(gè)截面的組織分布中馬氏體含量最高的區(qū)域出現(xiàn)在次表層,該區(qū)域的馬氏體含量可高達(dá)90 %以上。
3)計(jì)算機(jī)模擬得到的組織分布云圖與相同工藝條件下42CrMo齒輪鋼的金相組織測(cè)試結(jié)果較為吻合,驗(yàn)證了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和可靠性。