用SYSWELD軟件研究齒輪軸滲碳淬火工藝

徐永福，周永丹，張 振，王衛(wèi)鋒

(1.洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責任公司，河南洛陽 471039;2.中色科技股份有限公司，河南洛陽 471003)

用SYSWELD軟件研究齒輪軸滲碳淬火工藝

徐永福1，周永丹2，張 振1，王衛(wèi)鋒1

(1.洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責任公司，河南洛陽 471039;2.中色科技股份有限公司，河南洛陽 471003)

本文主要介紹齒輪軸材料成分、滲碳淬火后的性能要求以及傳統(tǒng)滲碳淬火工藝。傳統(tǒng)滲碳淬火工藝無法滿足性能要求時，利用SYSWELD分析軟件，對滲碳淬火工藝進行數(shù)值模擬。并與物理實驗進行比較，得到滲碳淬火工藝:在空氣中預冷5 min;再水冷15 min;最后空冷10 min。

滲碳淬火;齒輪軸;應力;SYSWELD軟件

改革開放以來我國裝備制造業(yè)以平均每年17%的速率快速增長，目前我國裝備制造業(yè)的增加值僅次于美、日、德，居世界第四，已成為制造業(yè)大國，但還不是制造業(yè)強國［1］。其中，我國熱處理(含表面改性)技術(shù)的落后是造成這種狀況的主要原因之一，與國際先進水平存在巨大差距。所以，提高我國熱處理水平現(xiàn)狀有著重要意義。

本文在傳統(tǒng)熱處理的油淬和水淬都無法滿足使用要求時，借助于SYSWELD分析軟件，建立反映熱處理過程中各種現(xiàn)象變化規(guī)律及其相互影響的數(shù)學模型，并進行數(shù)值法求解;與物理實驗比較，得出了控制滲碳淬火工藝參數(shù)，為后續(xù)滲碳淬火熱處理工藝改進提供了理論基礎(chǔ)。

1 齒輪軸性能要求

齒輪軸如圖1所示，其相關(guān)性能要求如下:材料為17CrNiMo6合金;齒輪模數(shù)為62.66725884 mm;齒數(shù)z為16;分度圓d為1002.676141;裝夾條件為頂部吊起。

滲碳淬火后性能要求:1)鍛要求(ME)級，晶粒度不低于7級;2)有效硬化層深度為6.0～6.5 mm，齒面硬度為60±4 HRC，齒芯硬度為35～40 HRC，齒根也需淬硬;3)機械性能(ME):σb≥1180MPa，σs≥785 MPa，δ5≥8%，ψ≥35%，Ak≥41 J。

圖1 齒輪軸Fig.1 Gear shaft

表117 CrNiMo6合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 The chemical composition of 17CrNiMo6 alloy(ω，%)

2 傳統(tǒng)滲碳淬火工藝

17CrNiMo6合金屬德國牌號，材料成分如表1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［2］，且大型工件表面淬火到如此高的硬度難度較大。傳統(tǒng)滲碳后齒輪軸滲層分布如圖2所示。傳統(tǒng)滲碳淬火熱處理工藝曲線如圖3所示。

圖2 齒輪軸滲碳層分布Fig.2 Distribution of carburized layer in gear shaft

圖3 傳統(tǒng)熱處理工藝曲線Fig.3 Process curve of traditional heat treatment technology

3 數(shù)值模擬過程

3.1 滲碳模擬

根據(jù)齒輪軸實際要求滲層調(diào)整滲碳工藝參數(shù)，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Fig.4 Process curve of carburizing

圖5 模擬滲碳層分布Fig.5 Distribution of simulate carburized layer

圖6 滲層中碳的含量Fig.6 The content of carbon in carburized layer

圖7 φ100 mm試棒三維剖面圖和溫度場分布Fig.7 3D sectional view and temperature field distribution of φ100 mm test bar

3.2 試棒檢測

實驗材料、滲碳工藝、淬火溫度確定后，對硬度影響最大的是冷卻方式。油冷結(jié)果顯示，硬度遠遠達不到技術(shù)要求。本文采用水冷的方式，但是17CrNiMo6 合金含量較高，水淬易裂［3］。φ100 mm試棒經(jīng)滲碳淬火后做數(shù)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。

3.3 水淬模擬結(jié)果

圖7、圖8為φ100 mm試棒水淬試驗模擬結(jié)果，可以看出溫度場分布、應力場分布及硬度分布均符合經(jīng)驗值;模擬硬度值為65 HRC。

圖8 φ100 mm試棒應力場分布和硬度分布Fig.8 Distribution of stress field and hardness of φ100 mm test bar

4 物理實驗結(jié)果

對φ100 mm試棒進行滲碳和水淬試驗。水淬的硬度為65 HRC，且水淬試樣并無淬火裂紋。

圖9(a)為810℃淬火+180℃回火后試棒的表層組織為滲碳體和回火馬氏體，由于碳含量比較高(0.9%左右)，碳化物成網(wǎng)狀，故滲碳表面硬且脆，給淬火帶來困難［4］。圖9(b)為810℃淬火+180℃回火后，試棒滲碳過渡層的金相組織，因此處碳含量較表層低，滲碳體并未連成網(wǎng)狀，只在晶界處隱約可見。圖9(c)為810℃淬火+180℃回火后試棒過渡層的金相組織，為殘余奧氏體和回火馬氏體。圖9(d)為810℃淬火+180℃回火后試棒心部的金相組織，為殘余奧氏體和低碳馬氏體。

由于17CrNiMo6淬透性非常好，經(jīng)900℃ ×6 h正火預處理，860℃退火后，試樣在心部也能得到馬氏體和貝氏體和殘余奧氏體的混合物，如圖9(e)所示。

所以，要在馬氏體狀態(tài)下提高工件的硬度，應該提高馬氏體的晶格畸變量［5-6］，即冷卻過程中使更多的碳和合金元素固溶到馬氏體晶格中。要達到此目的，必須增加冷卻速度。如前文所述，實驗材料、滲碳工藝、淬火溫度已經(jīng)確定，只有改變冷卻介質(zhì)來達到要求。

(a)810℃淬火+180℃回火，表層;(b)810℃淬火+180℃回火，次表層;(c)810℃淬火+180℃回火，過渡層;(d)810℃淬火+180℃回火，心部;(e)910℃ ×6 h正火+860℃退火，心部圖9 試棒金相組織(a)810℃ quenching+180℃ tempering，surface;(b)810℃ quemching+180℃ tempering，subsurface;(c)810℃ quenching+180 ℃ tempering，transition layer;(d)810℃ quemching+180 ℃ tempering，core;(e)910℃ ×6 h normalizing+860℃ annealing，coreFig.9 Metallographic structure of test bar

5 結(jié)論

由于工件較大且形狀復雜，模擬結(jié)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:水冷前先預冷;水冷一段時間使齒表面冷卻;接著空冷，使齒表面溫度回升，達到自回火的目的;然后油冷至Ms點以下。

通過SYSWELD模擬齒輪軸淬火過程得到的預冷時間、水冷時間、空冷時間等工藝參數(shù)如下:

1)水淬前在空氣中預冷5 min。目的是減少淬裂傾向。空冷時間的控制以不發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)闇省?/p>

2)預冷后水冷15 min。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。

3)水冷后空冷10 min。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(nèi)，以免硬度下降太多。

［1］李志義.提高滲碳淬火和氮碳共滲件質(zhì)量的途徑［J］.熱處理，2007，10，20 -22.

［2］王秀芹.如何防止?jié)B碳淬火齒輪磨削裂紋的產(chǎn)生［J］.煤礦機械，2005.20(05):36 -38.

［3］劉曉峰，王婀珊，盛元輥.一種新型淬火冷卻技術(shù)的研發(fā)和應用［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2012，33(05):48-50.

［4］李志義.滲碳淬火件表層非馬氏體組織形成原因和防止措施［J］金屬熱處理，2000，25(09):54 -59.

［5］萬曉峰，倪紅軍，黃明宇，等.不同工藝處理后鎂釓合金的組織與力學性能［J］.機械工程材料.2012(11):23-25.

［6］舒琴，徐軼，葛昌純，等.熱處理對噴射成形FGH4095組織的影響［J］.材料導報，2012(20):6-8.

Research on Carburizing Process of Gear Shaft with SYSWELD Software

XU Yong-fu1，ZHOU Yong-dan2，ZHANG Zhen1，WANG Wei-feng1
(1.Luoyang Mining Machineering Design Institute Co.，Ltd.，Luoyang Henan 471039，China;2.China Nonferrous Metals Processing Technology Co.，Ltd.，Luoyang Henan 471003，China)

This paper describes the composition of gear shaft material and performance requirements after carburizing and traditional carburizing technology.When traditional carburizing process can not meet the performance requirements，carburizing process is performed numerical simulation by SYSWELD analysis software.The result compares with physical experiments so that get carburizing process，which is precooling 5 min in air，then water quenching 15 min，final air cooling 10 min.

carburizing;gear shaft;stress;SYSWELD software

TG156

A

1673-4971(2014)05-0040-04

2014-05-24

徐永福(1981-)，男，工程師，主要從事礦山提升機設(shè)計制造、加工工藝及CAE分析應用研究等。

聯(lián)系電話:13643794152;E-mail:Xuyf@citic-hic.com.cn

book=2014,ebook=261