本文在傳統熱處理的油淬和水淬都無法滿足使用要求時，借助于SYSWELD大型分析軟件，建立反映熱處理過程中各種現象變化規律及其相互影響的數學模型，并進行數值法求解；與物理試驗比較，得出了控制滲碳淬火工藝參數為：水淬前空冷時間5min；預冷后水冷15min；水冷后空冷10min。為后續滲碳淬火熱處理工藝改進提供了理論基礎。
1.小齒輪軸性能要求
小齒輪軸如圖1所示，其相關性能參數要求如下。
材料：17CrNiMo6；齒輪模數：62.66725884mm；齒數z：16；分度圓直徑：1002.676141mm；裝夾條件：頂部吊起。
滲碳淬火后性能要求：鍛要求（ME）級，滲碳淬火后晶粒度不低于7級；有效硬化層深度6.0～6.5mm，齒面硬度（60+4）HRC，齒芯硬度35～40HRC，齒根也需淬硬；力學性能（ME）：σb≥1180MPa，σs≥785MPa，δ5≥8%，ψ≥35%，AK≥41J。
圖1 小齒輪軸
2.傳統滲碳淬火工藝
17CrNiMo6屬德國牌號，材料成分如附表所示。其滲碳淬火時由于合金元素含量較多，冷速較快時有淬裂的危險，且大型工件表面淬火到如此高的硬度，難度較大。傳統滲碳后齒輪軸滲層分布如圖2所示。傳統滲碳淬火熱處理工藝曲線如圖3所示。
17CrNiMo6材料成分（質量分數） （%）
圖2 滲碳層分布
圖3 傳統熱處理工藝曲線
3.數值模擬過程
（1）滲碳模擬
根據齒輪軸實際要求滲層調整滲碳工藝參數，如圖4、圖5、圖6所示。滲碳溫度一般在920℃左右，滲層分布要均勻，不能有過陡的梯度，以免滲碳層剝離。
圖4 滲碳工藝曲線
圖5 滲碳層分布
圖6 17CrNiMo6滲碳模擬后各滲層碳含量
（2）試棒檢測
材料、滲碳工藝、淬火溫度確定以后，對硬度產生關鍵影響的，就是冷卻方式了。由于油冷的結果顯示，硬度遠遠達不到技術要求。本文采用水冷的方式，但17CrNiMo6合金含量較高，水淬易裂。采用Φ100mm試棒做滲碳后淬火數值模擬，檢查17CrNiMo6材料淬裂傾向性，并合理估計計算機模擬的誤差范圍。
（3）水淬模擬結果
圖7、圖8為Φ100mm試棒水淬試驗模擬結果，可以看出溫度場分布，應力場分布及硬度分布符合經驗值；模擬硬度值為65HRC。
（a）
（b）
圖7 Φ100mm試棒試棒三維剖面圖和溫度場分布
（a）
（b）
圖8 Φ100mm試棒應力場分布和硬度分布
4.物理試驗結果
對Φ100mm試棒滲碳和水淬試驗。水淬的硬度為65HRC，且水淬試樣并無淬火裂紋。
試棒金相組織如圖9所示。圖9a淬火回火后表層為滲碳體和回火馬氏體，由于碳含量較高（0.9%左右）碳化物成網狀，故滲碳表面硬且脆，給淬火帶來很大的不便。圖9b是滲碳過渡層，此處碳含量較表層低，滲碳體并未練成網狀，只在晶界處隱約可見。圖9c是過渡層，為殘余奧氏體基體上的回火馬氏體。心部組織圖9d則為殘留奧氏體基體上的低碳馬氏體。
由于17CrNiMo6淬透性非常好，經過正火預處理后的退火試樣在心部也能得到馬氏體和貝氏體和殘留奧氏體的混合物，如圖9e所示。
所以，要在馬氏體狀態下提高工件的硬度，應該提高馬氏體的晶格畸變量，即冷卻過程中使更多的碳和合金元素固溶入馬氏體晶格，要達到此目的，必須增加冷卻速度。如前文所述，材料、滲碳工藝、淬火溫度已經確定，目前只有改變淬火冷卻介質來實現要求。
圖9 小試棒金相圖片
5.結語
由于工件較大且形狀復雜，模擬結果顯示完全水淬應力較大，特別是在齒根處。故考慮用控制淬火的方法，即入水前先預冷，水冷一段時間，齒表面冷卻下來后立即提出水面，空冷，使齒表面溫度回升，達到自回火的目的，然后入油冷卻至Ms點以下。
通過SYSWELD模擬齒輪軸淬火過程得到工藝參數有：預冷時間、水冷時間、空冷時間等。水淬前在空氣中預冷的時間5min，目的是減少淬裂傾向，空冷時間的控制以不發生珠光體轉變為準。預冷后的水冷時間15min，主要控制因素為淬火應力的大小，隨著水冷時間的延長，齒根處淬火應力會越來越大，在淬火應力小于材料屈服應力時停止水淬。水冷后的空冷時間10min，目的是使馬氏體自回火，減少應力，但回火溫度不應過高，控制在低溫回火范圍內，以免硬度下降太多。
作者：婁建亭、周永丹，中色科技股份有限公司
徐永福、張振，洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司
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