宋劍萍

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710077）

引言

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)模擬的方法對淬火熱處理過程中的組織轉(zhuǎn)變進(jìn)行模擬，預(yù)測淬火過程中齒輪的組織場變化，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)。

1 模擬過程與方法

1.1 試驗(yàn)材料

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。

1.2 計(jì)算模型與過程

采用材料模擬計(jì)算軟件——JMatpro軟件對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)—相變在溫度T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)

2 模擬結(jié)果及討論

對齒輪淬火熱處理過程中的組織場進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，可以預(yù)測不同冷卻階段齒輪不同位置的組織分布，對于調(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；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較低（58 %）。這種組織場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)相對較慢，因此表面區(qū)域轉(zhuǎn)化為馬氏體的含量會(huì)相對較多，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42CrMo齒輪鋼齒形部位在淬火熱處理過程中的組織場轉(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42CrMo齒輪鋼的組織場進(jìn)行預(yù)測，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。

3 結(jié)論

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；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。