基于SYSWELD齿轮轴渗碳淬火工艺

娄建亭，徐永福，周永丹，张振

在传统热处理的油淬和水淬都无法满足使用要求时，借助于SYSWELD大型分析软件，建立反映热处理过程中各种现象变化规律及其相互影响的数学模型，并进行数值法求解；与物理试验比较，得出了控制渗碳淬火工艺参数。

1.齿轮轴性能要求

齿轮轴（见图1）材料为17CrNiMo6，齿轮模数为62.667mm，齿数为16，分度圆直径为1002.676mm，顶部吊起装夹。

渗碳淬火后性能要求：锻后要求（ME）级，渗碳淬火后晶粒度不低于7级；有效硬化层深度6.0～6.5mm，齿面硬度（60+4）HRC，齿心硬度35～40HRC，齿根也需淬硬；力学性能（ME）：σb≥1180MPa，σs≥785MPa，δ5≥8%，Ψ≥35%，AK≥41J。

2.传统渗碳淬火工艺

图1 齿轮轴

17CrNiMo6材料成分（质量分数） （%）

17CrNiMo6属德国牌号，材料成分见附表。其渗碳淬火在合金元素含量较多、冷速较快时有淬裂的危险，且大型工件表面淬火到如此高的硬度，难度较大。传统渗碳后齿轮轴渗层分布如图2所示。传统渗碳淬火热处理工艺曲线如图3所示。

3.数值模拟过程

（1）渗碳模拟 根据齿轮轴实际要求渗层调整渗碳工艺参数，如图4、图5、图6所示。渗碳温度一般在920℃左右，渗层分布要均匀，不能有过陡的梯度，以免渗碳层剥离。

（2）试棒检测 材料、渗碳工艺、淬火温度确定以后，对硬度产生关键影响的就是冷却方式。从油冷的结果显示，硬度远达不到技术要求。本文采用水冷的方式，但17CrNiMo6合金含量较高，水淬易裂。采用φ100mm试棒做渗碳后淬火数值模拟，检查17CrNiMo6材料淬裂倾向性，并合理估计计算机模拟的误差范围。

图2 渗碳层分布

图3 传统热处理工艺曲线

（3）水淬模拟结果 图7、图8为φ100mm试棒水淬试验模拟结果，可以看出温度场分布、应力场分布及硬度分布符合经验值；模拟硬度值为65HRC。

4.物理试验结果

对φ100mm试棒渗碳和水淬试验。水淬的硬度为65HRC，且水淬试样并无淬火裂纹。

图4 渗碳工艺曲线

图5 渗碳层分布

图6 17CrNiMo6渗碳模拟后各渗层碳含量

试棒金相组织如图9所示。图9a显示810℃淬火、180℃回火后表层为渗碳体和回火马氏体，由于碳含量较高（0.9%左右）碳化物成网状，故渗碳表面硬且脆，给淬火带来很大的不便。图9b是渗碳过渡层，此处碳含量较表层低，渗碳体并未连成网状，只在晶界处隐约可见。图9c是过渡层，为残留奥氏体基体上的回火马氏体。心部组织图9d则为残留奥氏体基体上的低碳马氏体。

由于17CrNiMo6淬透性非常好，经过900℃保温6h正火预处理后860℃退火的试样在心部也能得到马氏体、贝氏体和残留奥氏体的混合物，如图9e所示。

因此，要在马氏体状态下提高工件的硬度，则应提高马氏体的晶格畸变量，即冷却过程中使更多的碳和合金元素固溶入马氏体晶格，要达到此目的，必须增加冷却速度。如前文所述，材料、渗碳工艺、淬火温度已经确定，目前只有改变淬火冷却介质来实现要求。

5.结语

由于工件较大且形状复杂，模拟结果显示完全水淬应力较大，特别是在齿根处。故考虑用控制淬火的方法，即入水前先预冷，水冷一段时间，齿表面冷却后立即提出水面空冷，使齿表面温度回升，达到自回火的目的，然后入油冷却至Ms点以下。

通过SYSWELD模拟齿轮轴淬火过程得到工艺参数有：预冷时间、水冷时间、空冷时间等。水淬前在空气中预冷的时间5min，目的是减少淬裂倾向，空冷时间的控制以不发生珠光体转变为准。预冷后的水冷时间15min，主要控制因素为淬火应力的大小，随着水冷时间的延长，齿根处淬火应力会越来越大，在淬火应力小于材料屈服应力时停止水淬。水冷后的空冷时间10min，目的是使马氏体自回火，减小应力，但回火温度不应过高，控制在低温回火范围内，以免硬度下降太多。

图7 φ100mm试棒试棒三维剖面图和温度场分布

图8 φ100mm试棒应力场分布和硬度分布

图9 小试棒金相图片