才廣，胡秦贛

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)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(dá)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(fù)雜過程，理論上很難進(jìn)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(yàn)判斷和試驗(yàn)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(diǎn)上的溫度、組織隨時間的變化曲線[6]。

1 實(shí)驗(yàn)材料及研究方法

■1.1 實(shí)驗(yàn)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(qiáng)，熱處理后達(dá)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(jì)算滲碳后各層碳含量分布，計(jì)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(jìn)行分段擬合，計(jì)算非平衡態(tài)下材料性質(zhì)，再次模擬更精準(zhǔn)的溫度場，計(jì)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(jì)算機(jī)模擬

■2.1 滲碳計(jì)算

利用JMatPro軟件滲碳模塊進(jìn)行碳濃度梯度和滲碳層厚度計(jì)算。由圖1可知表面碳含量可達(dá)到1. 15wt%，隨著滲層厚度增加，碳含量逐漸降低，當(dāng)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(jì)算平衡態(tài)材料性質(zhì)

首次計(jì)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(jì)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(dǎo)和熱容隨溫度變化的曲線。以表面為例，圖2為熱導(dǎo)、熱容隨溫度變化曲線。

圖2 表面熱導(dǎo)、熱容隨溫度變化曲線

■2.3 首次計(jì)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(jìn)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(yùn)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(diǎn)，并對所選各節(jié)點(diǎn)的冷卻曲線進(jìn)行分段擬合。

■2.4 以非平衡態(tài)材料性質(zhì)計(jì)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(jì)算非穩(wěn)態(tài)下熱導(dǎo)、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(jì)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(jìn)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(jìn)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(jì)算的溫度場變化是不同的，進(jìn)而導(dǎo)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(jì)算，得到瞬態(tài)下材料參數(shù)，能進(jìn)一步提高溫度場的計(jì)算精度。

圖6 冷卻曲線前后兩次模擬對比

■2.5 計(jì)算組織場

利用第二次冷卻曲線擬合結(jié)果，經(jīng)JMatPro軟件計(jì)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(dāng)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(diǎn)沿層深的變化情況，Ms點(diǎn)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(diǎn)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(jì)算方法，可更加精確的計(jì)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(jì)算組織場得知，從距表面4000μm處至表面由于Ms點(diǎn)影響，先后生成馬氏體；從距表面4000μm至心部受熱擴(kuò)散速度影響，先后生成馬氏體。