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        17CrNiMo6鋼滲碳淬火組織、性能計算分析

        2021-06-16 05:29:14才廣胡秦贛
        電子制作 2021年4期
        關(guān)鍵詞:心部滲碳馬氏體

        才廣,胡秦贛

        (中國直升機設(shè)計研究所,江西景德鎮(zhèn),333001)

        0 引言

        齒輪用鋼的生產(chǎn)質(zhì)量對傳動部件性能、穩(wěn)定性和壽命起決定性影響[1]。發(fā)達國家重載齒輪的發(fā)展趨勢顯示,其材料由較少含量Cr、Ni、Mo合金鋼取代高Cr、Ni合金鋼[2]。

        17CrNiMo6鋼經(jīng)滲碳淬火可提高齒輪的抗彎曲和抗接觸疲勞性能[3],能滿足我國齒輪材料使用要求,價格較低,符合我國齒輪發(fā)展方向[4]。

        淬火過程是工件內(nèi)溫度場、組織場與淬火介質(zhì)流場、溫度場相互耦合的復雜過程,理論上很難進行各場量解析,且很多量只能測得最終結(jié)果[5],傳統(tǒng)形式的經(jīng)驗判斷和試驗測定具有局限性。熱處理模擬技術(shù)可顯示任何時刻工件內(nèi)任意截面上溫度場、組織場,也可顯示出所關(guān)注的任何點上的溫度、組織隨時間的變化曲線[6]。

        1 實驗材料及研究方法

        ■1.1 實驗材料

        17CrNiMo6鋼淬透性好,綜合性能優(yōu)良,滲碳后使工件心部韌性增強,熱處理后達到外硬內(nèi)韌。如今已廣泛應(yīng)用于變速箱齒輪。

        ■1.2 研究方法

        17CrNiMo6鋼滲碳淬火過程模擬仿真,包括計算滲碳后各層碳含量分布,計算平衡態(tài)材料性質(zhì),模擬滲碳后淬火過程溫度場,對所得冷卻曲線進行分段擬合,計算非平衡態(tài)下材料性質(zhì),再次模擬更精準的溫度場,計算滲碳淬火過程中的組織生成順序以及生成量,最終得到組織演變、性能變化規(guī)律。

        2 計算機模擬

        ■2.1 滲碳計算

        利用JMatPro軟件滲碳模塊進行碳濃度梯度和滲碳層厚度計算。由圖1可知表面碳含量可達到1. 15wt%,隨著滲層厚度增加,碳含量逐漸降低,當厚度為距表面3500μm,碳含量和母材基本持平。

        圖1 各層碳含量分布圖

        ■2.2 計算平衡態(tài)材料性質(zhì)

        首次計算材料性質(zhì)時,根據(jù)各滲碳層碳含量,利用JMatPro軟件材料熱物性參數(shù)模塊,計算出表面、距表面200μm、400μm、600μm、800μm、1000μm、1500μm、2000μm、2500μm、3000μm及心部各滲碳層的熱導和熱容隨溫度變化的曲線。以表面為例,圖2為熱導、熱容隨溫度變化曲線。

        圖2 表面熱導、熱容隨溫度變化曲線

        ■2.3 首次計算淬火過程溫度場

        利用MSC.MARC軟件模擬滲碳淬火后溫度場。首先進行模型建立及網(wǎng)格劃分,定義幾何性質(zhì)、材料性質(zhì)、初始條件、邊界條件等,再定義載荷工況、作業(yè)參數(shù)并提交運行,即可得到淬火溫度場的動態(tài)變化圖,如圖3所示。

        圖3 溫度場變化圖

        根據(jù)各滲碳層由表及里的碳含量分布趨勢,按照由密到疏方法選取節(jié)點,并對所選各節(jié)點的冷卻曲線進行分段擬合。

        ■2.4 以非平衡態(tài)材料性質(zhì)計算溫度場

        利用JMatPro軟件非穩(wěn)態(tài)淬火模塊,根據(jù)分段擬合結(jié)果,計算非穩(wěn)態(tài)下熱導、熱容,如圖4所示。

        圖4 非穩(wěn)態(tài)下表面材料性質(zhì)

        首先建立相同的模型,再將非穩(wěn)態(tài)下材料性質(zhì)賦予到各滲碳層單元上。通過模擬計算,即可得到溫度場變化圖5。

        圖5 溫度場變化圖

        將各滲碳層溫度隨時間變化的冷卻曲線進行分段擬合,可得冷卻速度隨時間變化關(guān)系。將兩次模擬結(jié)果進行對比,圖6以表層和心部為例,紅色、黑色曲線代表前、后兩次溫度場情況。明顯發(fā)現(xiàn)以平衡態(tài)和非平衡態(tài)材料性質(zhì)計算的溫度場變化是不同的,進而導致前后兩次模擬所得冷卻曲線有所差別。所以通過平衡態(tài)向非平衡態(tài)過渡計算,得到瞬態(tài)下材料參數(shù),能進一步提高溫度場的計算精度。

        圖6 冷卻曲線前后兩次模擬對比

        ■2.5 計算組織場

        利用第二次冷卻曲線擬合結(jié)果,經(jīng)JMatPro軟件計算淬火過程中組織隨時間、溫度變化曲線,如圖7所示。可知表面開始生成馬氏體的溫度為165℃,時間為第47.615s,當時間為57.702s、溫度下降到125℃時,馬氏體含量占全組織含量的50%。淬火后最終組織為8.912%奧氏體、91.072%馬氏體,含極少量的貝氏體,含量為0.015%,可近似忽略。

        圖7 表面組織隨時間、溫度變化曲線

        通過曲線分析,還可以得到滲碳后淬火過程中的組織生成順序、生成含量以及最終組織含量。

        從表面到心部開始生成馬氏體的溫度呈升高趨勢,在距表面4000μm直到心部開始生成馬氏體的溫度基本維持不變。圖8為滲碳層Ms點沿層深的變化情況,Ms點隨碳含量升高而降低,故表面開始生成馬氏體的溫度最低。從表面至距表面4000μm處,開始生成馬氏體的溫度逐漸升高,則4000μm處至表面先后生成馬氏體。從4000μm至10000μm處由于碳含量無變化,故生成馬氏體的溫度基本維持不變,且由于位于心部,熱交換較慢,在淬火過程中心部保持較高溫度,距心部距離越小,維持高溫時間越長,故從距表面4000μm至心部先后生成馬氏體。

        圖8 Ms點沿層深變化曲線

        淬火結(jié)束后,各滲碳層最終的組織組成、含量不同。從表面到心部,淬火后奧氏體組織含量逐漸減低,馬氏體含量逐漸增加,貝氏體組織占比極少,從表面到心部產(chǎn)生從無到有的變化。

        3 結(jié)論

        (1)利用平衡態(tài)向非平衡態(tài)過渡的計算方法,可更加精確的計算瞬態(tài)下材料的性質(zhì)、模擬出滲碳后淬火過程的溫度場及組織場。

        (2)通過計算組織場得知,從距表面4000μm處至表面由于Ms點影響,先后生成馬氏體;從距表面4000μm至心部受熱擴散速度影響,先后生成馬氏體。

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