基于SYSWELD齒輪軸滲碳淬火工藝

婁建亭，徐永福，周永丹，張振

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。

1.齒輪軸性能要求

齒輪軸（見圖1）材料為17CrNiMo6，齒輪模數為62.667mm，齒數為16，分度圓直徑為1002.676mm，頂部吊起裝夾。

滲碳淬火后性能要求：鍛后要求（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，齒心硬度35～40HRC，齒根也需淬硬；力學性能（ME）：σb≥1180MPa，σs≥785MPa，δ5≥8%，Ψ≥35%，AK≥41J。

2.傳統滲碳淬火工藝

圖1 齒輪軸

17CrNiMo6材料成分（質量分數） （%）

17CrNiMo6屬德國牌號，材料成分見附表。其滲碳淬火在合金元素含量較多、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。

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。

（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。從油冷的結果顯示，硬度遠達不到技術要求。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。

圖2 滲碳層分布

圖3 傳統熱處理工藝曲線

（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。

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。

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

試棒金相組織如圖9所示。圖9a顯示810℃淬火、180℃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，滲碳體并未連成網狀，只在晶界處隱約可見。圖9c是過渡層，為殘留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900℃保溫6h正火預處理后860℃退火的試樣在心部也能得到馬氏體、貝氏體和殘留奧氏體的混合物，如圖9e所示。

因此，要在馬氏體狀態下提高工件的硬度，則應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。

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，減小應力，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。

圖7 φ100mm試棒試棒三維剖面圖和溫度場分布

圖8 φ100mm試棒應力場分布和硬度分布

圖9 小試棒金相圖片