17Cr2Ni2Mo齿轮轴淬火应力模拟研究

李　其徐志敏门正兴陶凤云( ．二重铸锻公司铸锻所工程实验室，四川6005;．二重精衡传动有限公司，四川6803)



17Cr2Ni2Mo齿轮轴淬火应力模拟研究

李其1徐志敏1门正兴1陶凤云2
( 1．二重铸锻公司铸锻所工程实验室，四川610052;
2．二重精衡传动有限公司，四川618013)

摘要:为降低17Cr2Ni2Mo齿轮轴心部淬火应力，利用有限元数值模拟软件研究了化学成分、淬火条件对齿轮轴心部淬火应力的影响。结果表明:增加微量B元素、改变齿轮轴换热界面以及提高淬火介质温度的方式可以有效降低齿轮轴心部拉应力。

关键词:17Cr2Ni2Mo;齿轮轴;淬火应力;数值模拟

17Cr2Ni2Mo是一种优质的渗碳钢，具有高的强度和韧性，常用于制作齿轮、锥齿轮等传动件。利用17Cr2Ni2Mo钢生产的大直径(Ø700 mm)齿轮轴淬火后的回火温度一般低于300℃，在该温度下回火只能消除齿轮轴淬火后产生的第二、三类应力，对于第一类应力的消除作用十分有限［1］，因此无法通过提高回火温度来降低齿轮轴的淬火应力。因此，对于大型齿轮轴类件，降低齿轮轴淬火应力的最佳途径是改变材料化学成分或有效控制淬火过程。

本文利用Deform、Jmatpro软件研究了大型17Cr2Ni2Mo齿轮轴化学成分、换热边界、淬火介质温度对齿轮轴心部位置淬火应力的影响。齿轮轴计算模型见图1。

1　研究内容及模拟工艺

1．1化学成分对17Cr2Ni2Mo齿轮轴心部淬火应力的影响

两种齿轮轴的化学成分见表1，对应成分的TTT曲线计算结果见图2。从图2可知，添加微量的B元素后，17Cr2Ni2Mo铁素体和珠光体等温转变的孕育期和结束期都大幅度延长了，其中“鼻子”温度附近的铁素体、珠光体转变孕育期从2 000 s延长至6 000 s，完成时间从15 000 s延长

图1　齿轮轴仿真模型Figure 1　 Simulation model of gear shaft

表1　17Cr2Ni2Mo齿轮轴化学成分(质量分数，%)Table 1　Chemical composition of17Cr2Ni2Mo gear shaft ( mass fraction，%)

至50 000 s。转变曲线向右大幅度移动，B元素的添加推迟了铁素体和珠光体的转变。模拟工艺为:奥氏体化温度为860℃，淬火方式为油冷，对比齿轮轴心部应力时，均冷却至相同温度。

1．2齿轮轴换热边界对心部淬火应力的影响

淬火时设定齿轮轴两种换热边界，一是图1中所有实线位置(换热边界1)和虚线位置(换热边界2)为相同的换热方式，即油冷;二是图1中所有实线位置(换热边界1)为油冷，虚线位置(换热边界2)设定为绝热，不进行热交换。模拟工艺为:奥氏体化温度为860℃，淬火方式为油冷，对比齿轮轴心部应力时，均冷却至相同温度，齿轮轴化学成分为成分1。

图2　不同化学成分的TTT曲线Figure 2　TTT curve with different chemical composition

1．3淬火介质温度对齿轮轴心部淬火应力的影响

提高淬火介质温度，研究高温淬火介质温度下，齿轮轴淬火后心部位置应力的变化。模拟工艺为:奥氏体化温度为860℃，齿轮轴高温淬火介质淬火后，空冷至与正常淬火的齿轮轴相同表面温度进行应力、组织对比。

2　齿轮轴心部淬火应力模拟结果及分析讨论

2．1化学成分对齿轮轴淬火应力的影响

两种化学成分的温度、组织和轴向( Z向)应力模拟结果见图3。从图3看到，齿轮轴淬火结束后，成分1的齿轮轴心部温度为106℃，表面温度为85℃，铁素体分数为0．36，珠光体分数为0．12，贝氏体分数为0．48，马氏体体积分数为0．04，齿轮轴轴向应力出现两次降低，一是在670 ～640℃阶段，二是在450～350℃阶段。成分2的齿轮轴淬火后心部温度为104℃，表面温度为84℃，铁素体分数为0．12，贝氏体分数为0．77，马氏体分数为0．11，齿轮轴轴向应力在450～350℃阶段出现1次应力降低。对比两成分的应力曲线可以发现，第二次应力下降阶段结束后，成分1齿轮轴心部轴向应力的增加速率明显高于成分2齿轮轴轴向应力的增加速率。两种化学成分齿轮轴淬火后截面的温度及心部位置各个方向的应力对比见表2。从表2数据对比发现，成分2的齿轮轴淬火后，心部各个方向的拉应力相比成分1齿轮轴，降幅达到150 MPa左右。

图3　齿轮轴淬火过程中心部组织、温度和应力变化规律Figure 3　 Changing regulation of microstucture in the center of gear shaft，temperature andstress during quenching process

表2　成分1和成分2齿轮轴淬火后温度及应力对比Table 2　Comparison of temperature and stress for gear shaft with differentchemical composition after quenching

图3中齿轮轴轴向应力曲线出现的两个应力下降阶段，正是17Cr2Ni2Mo钢铁素体、珠光体转变和贝氏体转变温度区间，由于成分2没有铁素体、珠光体的生成，因此在670～640℃阶段未观察到应力下降，但成分2贝氏体相变完成后，由于有0．11体积分数的马氏体生成，使齿轮轴心部轴向应力值增加速率大幅下降。而成分1虽然也有马氏体生成，但只有0．04，所起到的作用很有限。齿轮轴淬火冷却时，由于温度差造成的体积收缩形成热应力，齿轮轴心部热应力为拉应力，材料发生固态相变时体积膨胀，形成的组织应力为压应力。成分2的齿轮轴由于添加了B元素，增加了其淬透性，使得低温阶段产生更多的贝氏体，而且还有部分马氏体，马氏体相变的体积膨胀率大，形成的组织应力也更大，可以抵消更多的热应力，从而使成分2的齿轮轴淬火后，心部各个方向的应力更低。

2．2换热边界对齿轮轴淬火应力的影响

计算结果表明，齿轮轴淬火过程中，心部主要为拉应力。在不改变成分的条件下，要降低其淬火后的应力，只能降低其热应力，而影响热应力的关键因素是淬火过程中工件的截面温差。要降低温差，需要降低冷却速度，冷却速度的降低，又无法保证齿轮轴齿面的淬火程度，因此模拟时，将未开齿部分，即图1中虚线部分进行绝热处理，研究换热边界对齿轮轴淬火应力的影响。改变换热边界后，齿轮轴心部拉应力整体下降，且应力最大的位置发生了变化，为方便对比，对两种换热条件下应力最大的位置进行组织和应力对比。两种换热边界淬火模拟后的应力对比见图4和表3。从图4看到，齿轮轴采用部分传热的方式，冷却至表面84℃、心部104℃时，其心部位置的铁素体体积分数为0．30，珠光体体积分数为0．04，贝氏体体积分数为0．58，马氏体含量为0．08。齿轮轴心部轴向应力在冷却过程中也出现两个下降台阶，但在670～640℃的台阶下降不明显，在450～350℃的台阶下降趋势明显，采用部分传热边界的齿轮轴淬火后其心部位置各个方向的应力也有100 MPa左右的下降幅度。

图4　改变换热边界后齿轮轴心部组织、温度及应力的变化规律Figure 4　 Changing regulation of microstucture in the center of gear shaft，temperature and stress afterchanging the heat transfer boundary

表3　两种换热边界齿轮轴淬火后温度及应力对比Table 3　Comparison of temperature and stress for gear shafts with twoheat transfer boudaries after quenching

齿轮轴淬火时采用部分传热时，与淬火介质换热界面减少了，降低了齿轮轴淬火过程中的冷却速度，冷却速度的降低减少了齿轮轴截面的温差，从而降低了齿轮轴淬火后的热应力。由于是将齿轮轴未开齿部分进行了绝热处理，因此淬火过程不仅可以降低齿轮轴心部的热应力，也可以保证开齿部分的淬火硬度。

2．3淬火介质温度对齿轮轴心部应力的影响

提高淬火介质温度后，齿轮轴心部轴向应力及组织的变化见图5。从图5中看到，提高介质温度淬火后，齿轮轴心部铁素体分数为0．39，珠光体分数为0．22，贝氏体分数为0．38，马氏体体积分数为0．01，齿轮轴轴向应力在670～640℃和450～350℃出现两次降低阶段，空冷至表面温度与正常淬火后齿轮轴表面温度相近时，两种淬火方式齿轮轴心表温度及心部各个方向的应力对比见表4。从表4中看到，提高淬火介质温度后，齿轮轴轴向应力下降近100MPa，其余两个方向的

图5　高温淬火介质冷却过程中齿轮轴心部组织、温度和Z向的应力变化规律Figure 5　 Changing regulation of microstucture in the center of gear shaft，temperature and Z direction stress duringthe cooling process with high temperature quenching medium

表4　淬火后齿轮轴温度及心部应力对比Table 4　Comparison of stress in the center of gear shaft and temperature after quenching

图6　齿轮轴淬火过程中心部和表面温差Figure 6　 Temperature difference in the center and on the surface of gear shaft during quenching process

应力降低达150 MPa。室温及高温淬火介质淬火冷却过程中，齿轮轴心部表面温差对比见图6。从图6中看到，高温淬火介质冷却过程中齿轮轴截面温差明显低于室温淬火介质。

提高淬火介质温度后，齿轮轴心部珠光体含量显著增加，反映出齿轮轴心部位置冷却速度降低。而齿轮轴截面温差的减小，降低了齿轮轴淬火后热应力，使得齿轮轴淬火后各个方向的应力降低。

3　结论

( 1)添加B元素延迟铁素体、珠光体的转变时间，增加材料的淬透性，可以有效降低齿轮轴淬火后心部拉应力。

( 2)减少齿轮轴淬火过程的传热面积，可以降低齿轮轴淬火后心部拉应力。

( 3)提高淬火介质温度可以降低齿轮轴心部拉应力。

参考文献

［1］刘宗昌．冶金类热处理及计算机应用．北京．冶金工业出版社，1999: 50．

编辑杜青泉

Simulation Research of Quenching Stress for 17Cr2Ni2Mo Gear Shaft

Li Qi，Xu Zhimin，Men Zhengxing，Tao Fengyun

Abstract:In order to decrease the quenching stress in the center of 17Cr2Ni2Mo gear shaft，by adopting the finite element numerical simulation software，the influence of chemical compsotion and quenching condition on the quenching stress in the center of gear shaft has been studied．It turned out that the tensile stress in the center of gear shaft could be decreased effectively by adding a little bit B element，changing the heat transfer interface of gear shaft and raising the temperature of quenching medium．

Key words:17Cr2Ni2Mo; gear shaft; quenching stress; numerical simulation

收稿日期:2015—05—19

文献标志码:B

中图分类号:TG115