基于數學模擬的齒輪鋼淬火組織場變化研究

宋劍萍

（西安職業技術學院，西安 710077）

引言

作為齒輪鋼的典型代表，42CrMo鋼具有強度高、韌性好、淬透性高、淬火時變形小等特點，調質熱處理后的42CrMo鋼通常被廣泛應用于制作要求一定強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量及組織性能影響的工藝參數較多，包括淬火溫度、冷卻速度、回火溫度和回火冷卻速度等，如果熱處理調控所得到的組織分布無法達到技術要求則會造成巨大的經濟損失，且還會影響到后續使用的安全性和可靠性[1,2]。因此，有必要采用計算機模擬的方法對淬火熱處理過程中的組織轉變進行模擬，預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依據[3]，也可以避免由于生產認識的局限而造成的設計風險。

1 模擬過程與方法

1.1 試驗材料

本文選取的實驗原料為42CrMo齒輪鋼，化學成分采用電感耦合等離子發射光譜法測得主要元素化學成分（質量分數，%）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 計算模型與過程

采用材料模擬計算軟件——JMatpro軟件對42CrMo齒輪鋼進行淬火過程中的熱物性參數和相變轉變曲線進行了計算[4]，其中，主要包括四種相的轉變，即鐵素體（相1）、貝氏體（相2）、馬氏體（相3）和奧氏體（相6），數字是代表計算軟件中各相存儲空間的位置，通過計算可以得到42CrMo齒輪鋼在不同溫度下各相的熱導率、密度、比熱和熱焓的值，結果如圖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

在對42CrMo齒輪鋼進行淬火熱處理過程中，齒輪的表面和心部的冷卻速度不同，原始組織會在不同熱處理工藝參數下發生不同類型的相變[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相變模型進行模擬，可用如下公式表示[6]：

式中：

P2—溫度T時的比例；

τ1→2(T)—相變在溫度T時的延遲。

如果在熱處理過程中有不同類型的形變，可以將Leblond相變模型進行廣義擴展[7]，即：

上式可表述相i在轉變為相j時的變化過程，式中F和F'表示與冷卻速度有關的函數，結合公式（1）可以得到?和τ1→2(T)等，就可以采用Sysweld軟件進行相變模擬。

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-溫度曲線如圖3。采用JMatPro軟件對其進行TTT（等溫轉變）和CCT（連續冷卻轉變）曲線計算，由Kirkaldy公式表述如下[8]：

式中：

α=β2(G－1)/2，β—經驗系數；

D—有效擴散系數；

G—晶粒尺寸；

ΔT—過冷度；

q—擴散指數；

x—轉變百分數[9]。

圖3 硝鹽溶液和水冷卻作用下的界面熱換系數

2 模擬結果及討論

對齒輪淬火熱處理過程中的組織場進行計算機模擬，可以預測不同冷卻階段齒輪不同位置的組織分布，對于調控優化齒輪鋼的熱處理工藝參數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束后轉移至水洗冷卻架上之前的齒輪部分的組織云分布圖，淬火冷卻時間節點為5 400 s，此時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，無論是齒輪表面區域還是心部區域，鐵素體含量都幾乎為0；在貝氏體組織分布云圖中，貝氏體含量呈現離表面距離增加而增大的特征，心部區域的貝氏體含量約為34 %；從馬氏體組織分布云圖中可見，次表層區域的馬氏體含量最高（90 %），其次為心部區域（66 %），而表層區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，表面區域的冷卻速率最快，而心部區域的冷卻速度會相對較慢，因此表面區域轉化為馬氏體的含量會相對較多，但由于42CrMo齒輪鋼中C含量高達0.39 %、以及齒輪心部冷卻速度會低于表面，最終組織會轉變為馬氏體和貝氏體，含量分別為66 %和34 %。

圖4 淬火冷卻時間節點為5 400 s時的組織場分布圖

圖5 為42CrMo齒輪鋼在淬火冷時間節點為7 200 s時的組織場分布圖，此時齒輪表面溫度約為30 ℃。在冷卻結束后，齒輪齒形部位表面區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。從齒輪整個截面的組織分布還可以發現，馬氏體含量最高的區域出現在次表層，該區域的馬氏體含量可高達90 %以上。

圖5 淬火冷卻時間節點為7 200 s時的組織場分布圖

圖6 42CrMo齒輪鋼淬火冷卻后的金相組織

為了進一步驗證本文的計算機模擬得到的42CrMo齒輪鋼的組織場云圖的準確性，采用與計算機模擬相同的淬火熱處理工藝對42CrMo齒輪鋼進行了淬火處理，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分析軟件統計分析表明[11]，齒輪齒形部分表面區域的殘余奧氏體含量約為7.5 %，與圖5的計算機模擬云圖的結果較為吻合；從心部區域的金相組織來看，心部區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的計算機模擬結果基本一致，即心部區域馬氏體含量約為66 %、貝氏體含量約為34 %。由此可見，采用本文的計算機模擬方法可以對42CrMo齒輪鋼齒形部位在淬火熱處理過程中的組織場轉變進行模擬，試驗結果與計算機模擬得到的組織場結果具有較好的一致性，即可以采用本文的計算機模擬方法對42CrMo齒輪鋼的組織場進行預測，且具有較高的準確性和可靠性，同時可為各大齒輪生產和加工企業的熱處理工藝提供參考，并有助于齒輪整體性能的提高。

3 結論

1）在硝鹽溶液中冷卻結束后，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；無論是齒輪表面區域還是心部區域，鐵素體含量都幾乎為0；貝氏體含量呈現離表面距離增加而增大的特征，心部區域的貝氏體含量約為34 %。

2）在冷卻結束后，齒輪齒形部位表面區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。齒輪整個截面的組織分布中馬氏體含量最高的區域出現在次表層，該區域的馬氏體含量可高達90 %以上。

3）計算機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果較為吻合，驗證了計算模型的準確性和可靠性。