兆瓦級風電齒輪箱中，內齒圈服役環境對其提出了較高的質量要求，其中最大變形產生區位于齒頂部位，最大拉應力承載區則位于齒根部位，齒圈整體傳遞著行星輪及太陽輪嚙合過程中的扭矩，故對其工藝提出了較高要求。本文主要對其調質工藝參數和熱處理后金相組織進行了研究，并分析了相關結果。
齒圈整體材料為42CrMo，熱處理過程采用調質工藝。研究過程中，固定高溫回火溫度，淬火工藝參數中的保溫溫度和淬火冷卻介質種類均會對熱處理后齒圈的金相組織產生影響。試驗過程中，本項目分別選取了兩種不同的介質和5種不同的溫度對齒圈進行淬火工藝試驗，以確定其合理的調質工藝參數。
1.淬火冷卻介質對調質組織的影響
淬火過程中，設定某一保溫溫度，將齒圈在熱處理過程中置于不同的冷卻介質中進行淬火處理，而后進行高溫回火工序，最后使用體式金相顯微鏡檢測齒圈金相組織。試驗過程中，分別選取Petrofer和Houghton油性淬火冷卻介質對齒圈進行過冷處理，使奧氏體充分轉變為馬氏體，而后通過高溫回火形成相應的調質組織。
圖1為經Petrofer淬火后高溫回火得到的金相組織，從中可以看到，經過調質處理，齒圈本體金相組織基本為少量索氏體和針狀鐵素體，可以明確的是其在淬火階段形成馬氏體的含量較少。其主要原因是介質冷速較慢，導致其馬氏體轉變溫度較低，從而總體上轉變量較少。
圖1 Petrofer調質組織（500×）
圖2為經Houghton油性淬火冷卻介質過冷處理后高溫回火而形成的組織，從中可以觀察到，齒圈基體已經大部分轉變為索氏體，其中隨機分布有若干鐵素體，整體組織較好，有益于提升齒圈性能。
圖2 Houghton調質組織（500×）
如前文所述，經過Petrofer油性淬火冷卻介質處理后的齒圈基體，形成了較好的金相組織，有助于提升齒圈整體性能。從圖3中可觀察到，馬氏體轉變溫度隨淬火冷卻速度的增加而提高，當冷速增加到一定程度時，馬氏體轉變溫度趨于恒定。
圖3 淬火冷卻速度對馬氏體轉變溫度的影響
2.淬火保溫溫度的影響
42CrMo在此過程中，主要形成淬火馬氏體，其中保溫溫度影響較為顯著。試驗中，根據附表中參數對齒圈進行保溫一定時間后，進行淬火高溫回火處理（參數見附表）。
淬火保溫溫度參數
序號 參數 | 1 | 2 | 3 | 4 |
淬火溫度/℃ | 840 | 850 | 860 | 870 |
保溫時間/min | 300 | 300 | 300 | 300 |
調質后，對基體取樣而后進行理化分析，金相照片如圖4～圖7所示。
圖4 840℃調質組織（500×）
圖5 850℃調質組織（500×）
圖6 860℃調質組織（500×）
圖7 870℃調質組織（500×）
從檢測結果中可以觀察到，隨保溫溫度的升高，基體中索氏體組織越均勻，預示調質過程中淬火階段的馬氏體組織也有類似形貌。分析其原因如下：
馬氏體轉變受切變應力影響最為明顯，而切變應力又與溫度之間存在關系。保溫溫度越高，基體中的合金元素、碳元素在奧氏體中的含量也隨之升高，從而更益于馬氏體形成。而保溫溫度越低，則基體組織則不完全奧氏體化，馬氏體切變反應受阻，從而使不利于馬氏體轉變。
馬氏體形核過程中會遭遇三重阻力：母相點陣形核、馬氏體晶體缺陷、奧氏體塑性變形，故其需要能量推動，新相與母相自由能差δGγ→α則提供了形核條件，而兩相自由能符合如下公式：
δGγ→α=Gα′－Gγ
整個形核過程遵循熵變規律：
δGγ→α′=δS（T0－Ms）
過冷形核過程中，自由能差必須
δGγ→α′＜0
即δS（T0-Ms）＜0
而Ms一定時，T0越低，則馬氏體形核所需自由能越大，故隨著溫度升高，馬氏體越容易形核。
3.結語
根據研究過程中發現的規律，可以得出如下結論：
（1）調質組織與淬火冷卻介質的選取有關，Petrofer淬火冷卻介質調質后的基體組織為索氏體與少量鐵素體，整體性能一般，而Houghton淬火冷卻介質調質后的基體組織較好，有益于后期性能。
（2）保溫溫度對調質組織也有較明顯的影響，溫度越高，基體組織越均勻，原因為基體中的合金元素、碳元素在高溫下更多地熔于基體組織中，有益于后期馬氏體形核。同時，馬氏體形核所需自由能越小，過程越順暢。
（3）當選用Houghton油性淬火冷卻介質、870℃保溫溫度作為42CrMo齒圈調質過程中的相應參數，齒圈在熱處理后能獲得較好的金相組織。
作者：魏佳順，戎玲華，吳剛，劉升，黃星
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來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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