以3種Cr?Ni?Mo系齒輪鋼為研究對(duì)象，通過(guò)端淬試驗(yàn)和JMatPro軟件計(jì)算兩種方式獲得了3種Cr?Ni?Mo系試驗(yàn)鋼的淬透性。結(jié)果表明，SAE8620鋼淬透性最高，3420H鋼次之，20Cr?Ni?Mo鋼最低。
另外，通過(guò)模型定量研究了C、Mn、Cr、Ni、Mo等元素含量變化和奧氏體晶粒度級(jí)別變化對(duì)Cr?Ni?Mo系齒輪鋼距淬火端9mm位置淬透性的影響，結(jié)果顯示C、Mn、Cr、Ni、Mo含量每提高0.01% , 距淬火端9mm 位置硬度分別增加約0.52 、0.14 、0.27 、0.12 和0.33HRC, 而隨奧氏體晶粒度級(jí)別的增加，Cr-Ni-Mo系齒輪鋼距淬火端9mm位置硬度整體呈現(xiàn)先下降后穩(wěn)定的趨勢(shì)。
Cr?Ni?Mo系齒輪鋼屬于齒輪鋼中的重要鋼種系列，除C元素外，主要通過(guò)Cr、Ni、Mo合金元素含量控制實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能。
Cr-Ni-Mo系齒輪鋼應(yīng)用在汽車領(lǐng)域，具有淬透性好、耐沖擊的特點(diǎn)，如20CrNiMo、SAE8620、17CrNiMo6等都是典型汽車用Cr-Ni-Mo系齒輪鋼;另外，在風(fēng)電、高鐵等領(lǐng)域應(yīng)用的18CrNiMo7-6也是典型的Cr-Ni-Mo系齒輪鋼，具有更高的Cr、Ni含量，相應(yīng)的淬透性也更高。
淬透性在齒輪鋼生產(chǎn)和應(yīng)用中具有重要作用，合適的淬透性不僅可以保障材料熱處理后的性能，還可以實(shí)現(xiàn)變形的有效控制，而Cr-Ni-Mo系齒輪鋼制成的 工件尺寸一般都較大，服役環(huán)境比較苛刻，其對(duì)淬透性的要求更嚴(yán)格。
為有效控制齒輪鋼淬透性，國(guó)內(nèi)外研究人員已開展了許多研究，包括淬透性預(yù)測(cè)模型、預(yù)測(cè)方法研究, 良好淬透性材料開發(fā), 窄淬透性帶寬控制等。在淬透性影響因素研究中，已有的報(bào)道主要在微合金化元素、殘余元素等對(duì)齒輪鋼淬透性的影響方面。
馬莉等研究了鈮硼微合金化對(duì)20CrMnH齒輪鋼的影響，發(fā)現(xiàn)添加0.0008%的B能夠顯著提高鋼的淬透性，使淬透性不因晶粒細(xì)化及Nb(C,N)析出而降低;柳洋波等研究了Nb含量對(duì)20CrMnTi鋼淬透性的影響，得出不同Nb含量試樣的端淬硬度分布比較接近;
劉年富等研究了V對(duì)高溫滲碳SCM420H齒輪鋼組織和淬透性的影響，得出滿足淬透性要求的V合理控制范圍;殘余元素的影響，目前報(bào)道較多的是B元素對(duì)20CrMnTi鋼淬透性的影響，為保障20CrMnTi齒輪鋼窄淬透性帶寬的控制，B含量需要控制在一定范圍內(nèi) ;
He等對(duì)Mn-Cr齒輪鋼的研究得出，B大大提高了淬透性，但其效果并不穩(wěn)定;而其他元素成分對(duì)淬透性的影響研究，主要以對(duì)20CrMnTi齒輪鋼淬透性影響研究為主，在針對(duì)Cr-Ni-Mo系齒輪鋼淬透性系統(tǒng)研究方面的報(bào)道還相對(duì)較少。
Cr-Ni-Mo系齒輪鋼涉及可提高淬透性的合金元素較多，包括C、Mn、Cr、Ni、Mo等，有時(shí)可能還伴隨B、V等殘余元素，在針對(duì)Cr-Ni-Mo系齒輪鋼淬透性研究時(shí)，需要結(jié)合各元素在Cr-Ni-Mo成分體系下對(duì)淬透性的影響程度分析。本文基于Cr-Ni-Mo系成分體系，定量化研究齒輪鋼淬透性，獲得主要合金元素對(duì)淬透性的影響程度，以及奧氏體晶粒度在淬透性控制中的作用，可為齒輪鋼窄淬透性控制和主要合金成分調(diào)整提供借鑒。
試驗(yàn)材料:
試驗(yàn)材料為Cr-Ni-Mo系齒輪鋼棒材，涉及3種試驗(yàn)鋼，其主要化學(xué)成分如表1所示。
為研究Cr-Ni-Mo系齒輪鋼淬透性及其影響因素，利用末端淬火試驗(yàn)分析3種試驗(yàn)鋼的淬透性。
分別在3種試驗(yàn)鋼棒材R/2位置切取末端淬火試驗(yàn)毛坯試樣，經(jīng) 910~930℃正火處理后加工成末端淬火試樣，如圖1(a)所示。
隨后對(duì)各試樣進(jìn)行末端淬火試驗(yàn)，淬火結(jié)束后，在平行于試樣軸線方向磨出兩個(gè)平行的長(zhǎng)條形平面，磨削深度為0.4~0.5mm, 最后分別在兩個(gè)平面上測(cè)量距離淬火端1.5 、3 、5 、7 、9 、11 、13 、15 、20 、25 、30 、35mm處的洛氏硬度，如圖1(b)所示
采用的硬度檢測(cè)設(shè)備為HP-250型洛氏硬度計(jì)，試驗(yàn)依據(jù)GB/T230.1—2018《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》執(zhí)行，載荷砝碼10kg,保荷時(shí)間5~10s , 根據(jù)硬度結(jié)果分析各試驗(yàn)鋼的淬透性。
圖1 末端淬火試樣示意圖(a)及硬度檢測(cè)方案(b)
Cr-Ni-Mo系齒輪鋼淬透性:
Cr-Ni-Mo系齒輪鋼淬透性試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)3種Cr-Ni-Mo系齒輪鋼末端淬火試樣各位置的硬度結(jié)果，得到3種試驗(yàn)鋼的淬透性曲線，如圖2所示。從淬透性曲線可以看出，3種試驗(yàn)鋼在距淬火端3mm以內(nèi)，硬度最高，基本在44～48HRC，之后隨著距淬火端距離的增加，硬度快速降低，在距淬火端15mm后，硬度隨距淬火端距離的增加緩慢降低，在距淬火端35mm時(shí)，硬度值降至17～25HRC。
圖2 3種試驗(yàn)鋼的淬透性曲線
從圖2還可以看出，3種Cr-Ni-Mo系齒輪鋼的淬透性曲線分布不同。末端淬火試樣最高硬度與試樣碳含量有關(guān)，而淬透性曲線中硬度變化斜率代表了試驗(yàn)鋼淬透性的高低，試驗(yàn)鋼淬透性越高，則硬度快速降低的位置距淬火端越遠(yuǎn)，淬透性曲線斜率變化更小。
3種試驗(yàn)鋼中，3號(hào)鋼的淬火端硬度最高，2號(hào)鋼的淬透性曲線斜率變化最小，而1號(hào)鋼的淬透性最低，其距淬火端3mm以上位置的硬度均明顯低于其他2種試驗(yàn)鋼。
Cr-Ni-Mo系齒輪鋼淬透性計(jì)算結(jié)果
淬透性預(yù)測(cè)模型是研究齒輪鋼淬透性的重要方法，學(xué)者們建立了多種淬透性計(jì)算模型及修正模型用于計(jì)算和分析齒輪鋼的淬透性，如臨界直徑法、非線性方程法、硬度分布函數(shù)法等。另外，還有專業(yè)的熱力學(xué)軟件可用于計(jì)算鋼的淬透性，并表現(xiàn)出較好的計(jì)算精度。
根據(jù)3種Cr-Ni-Mo系試驗(yàn)鋼成分，利用JMatPro計(jì)算各試驗(yàn)鋼的淬透性曲線，結(jié)果如圖3所示。
從圖3可以看到，3號(hào)鋼的淬火端硬度最高，達(dá)到48HRC，2號(hào)鋼淬火端硬度次之，1號(hào)鋼的淬火端硬度最低。從整體淬透性曲線來(lái)看，1號(hào)鋼的硬度相對(duì)較低，而2號(hào)鋼、3號(hào)鋼的硬度相對(duì)較高，并且2號(hào)鋼和3號(hào)鋼的淬透性曲線比較接近。
圖3 3種試驗(yàn)鋼的淬透性曲線計(jì)算結(jié)果
將3種試驗(yàn)鋼淬透性計(jì)算結(jié)果與圖2的實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，可以看出淬透性計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果規(guī)律基本一致，2號(hào)鋼、3號(hào)鋼的淬透性相對(duì)較高，且曲線接近，而1號(hào)鋼的淬透性相對(duì)較低。
因此，對(duì)于Cr-Ni-Mo系齒輪鋼，在一定條件下可以通過(guò)計(jì)算的方法表征鋼的淬透性，以節(jié)約試驗(yàn)成本，并可用于分析某參數(shù)變化對(duì)淬透性的影響。
淬透性計(jì)算結(jié)果偏差及改進(jìn)
1)淬透性計(jì)算結(jié)果偏差
將計(jì)算得到的3種試驗(yàn)鋼距淬火端5、9、15、25mm位置淬透性結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，各位置偏差結(jié)果如表2所示。從圖2、圖3和表2可以看出，雖然計(jì)算獲得的3種試驗(yàn)鋼的淬透性曲線變化規(guī)律與實(shí)測(cè)結(jié)果規(guī)律基本一致，但各典型位置的硬度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在一定偏差。
2)淬透性計(jì)算結(jié)果改進(jìn)
計(jì)算齒輪鋼淬透性有多種方法和模型，不同方法或模型的計(jì)算精度和適應(yīng)對(duì)象有所不同，合適的淬透性計(jì)算模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)淬透性的有效準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。
曹燕光等利用理想臨界直徑法、非線性方程法和硬度分布函數(shù)等方法對(duì)SAE8620H齒輪鋼的淬透性進(jìn)行了計(jì)算，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)各預(yù)測(cè)模型均存在計(jì)算某些位置硬度時(shí)精度較高，但計(jì)算另外一些位置硬度時(shí)偏差較大的情況，各模型不能準(zhǔn)確計(jì)算全淬透性曲線，而硬度分布函數(shù)模型經(jīng)修正后，其距淬火端5、9、15mm等位置硬度計(jì)算誤差均小于2HRC，整體預(yù)測(cè)精度高，可適用于SAE8620H齒輪鋼淬透性計(jì)算。
考慮到試驗(yàn)鋼主要合金元素與SAE8620H鋼成分近似或一致，因此，可利用該修正模型計(jì)算試驗(yàn)鋼淬透性，并研究淬透性影響因素。
Cr-Ni-Mo系齒輪鋼淬透性影響因素分析:
化學(xué)成分對(duì)淬透性的影響
利用修正的硬度分布函數(shù)模型對(duì)Cr-Ni-Mo系齒輪鋼淬透性進(jìn)行研究，定量分析鋼中主要合金元素(C、Mn、Cr、Ni、Mo)對(duì)齒輪鋼淬透性的影響程度，并進(jìn)一步說(shuō)明3種Cr-Ni-Mo系試驗(yàn)鋼的淬透性。
結(jié)合20Cr-Ni-Mo鋼成分，通過(guò)調(diào)整C、Mn、Cr、Ni、Mo含量，利用模型計(jì)算各成分條件下距淬火端9mm位置的硬度，結(jié)果如圖4所示。
可以看出，距淬火端9mm位置硬度隨著C含量的增加明顯增大，在0.17%～0. 23%范圍內(nèi)，C含量每提高0.01% ，硬度值平均提高約0.52HRC，同時(shí)，隨著Mn、Cr、Ni和Mo含量的單獨(dú)增加，距淬火端9mm位置硬度值也相應(yīng)增加，Mn、Cr、Ni、Mo含量每提高0.01%，距淬火端9mm位置硬度分別增加約0.14、0.27、0.12、0.33HRC。
結(jié)合各元素含量對(duì)距淬火端9mm位置硬度的影響，在Cr-Ni-Mo齒輪鋼體系中，提高淬透性能力較強(qiáng)的是C、Mo、Cr元素。
圖4 成分變化對(duì)20CrNiMo鋼距淬火端9mm位置硬度的影響
結(jié)合表1中3種試驗(yàn)鋼的成分，與1號(hào)鋼相比，2號(hào)鋼、3號(hào)鋼的C、Mn、Cr、Ni、Mo含量都相對(duì)更高，根據(jù)2號(hào)鋼、3號(hào)鋼各主要合金元素含量的增量，可以計(jì)算得到與1號(hào)鋼相比，2號(hào)鋼、3號(hào)鋼距淬火端9mm位置硬度增加值分別達(dá)到4.95HRC和3.56HRC，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示2號(hào)鋼、3號(hào)鋼淬透性硬度值分別增加7.6HRC和4.4HRC，較計(jì)算結(jié)果偏高，但計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的淬透性變化規(guī)律一致，2號(hào)鋼、3號(hào)鋼距淬火端9mm位置硬度更高。
奧氏體晶粒度對(duì)淬透性的影響
奧氏體晶粒度對(duì)鋼的淬透性有影響，晶粒尺寸越大，單位體積內(nèi)晶界面積減小，使得擴(kuò)散型相變的形核位置減少，推遲過(guò)冷奧氏體相變發(fā)生，從而可提高鋼的淬透性。 目前已有許多關(guān)于晶粒尺寸對(duì)淬透性影響的研究，對(duì)于CrNiMo系齒輪鋼也有針對(duì)性研究，并獲得了晶粒度(G)與端淬硬度(H)之間的定量關(guān)系：
根據(jù)式(1)～式(3)，齒輪鋼晶粒度每提高1級(jí)，距淬火端5、9和15mm位置端淬硬度分別下降約1.9、4.0和1.3HRC，距淬火端9mm處硬度受晶粒度的影響更為顯著。
利用JMatPro軟件計(jì)算3種CrNiMo試驗(yàn)鋼在不同晶粒度下距淬火端9mm位置的硬度，結(jié)果如圖5所示。
從圖5可以看出，隨著3種齒輪鋼晶粒度級(jí)別的增加，距淬火端9mm位置硬度整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，晶粒度8～9級(jí)以下時(shí)，距淬火端9mm 位置硬度隨晶粒度等級(jí)的增加快速下降，而晶粒度級(jí)別較高時(shí)，硬度變化變緩，趨于穩(wěn)定。
并且，晶粒度等級(jí)較小時(shí)，晶粒度每增加1級(jí)，1～3號(hào)鋼距淬火端9mm位置的硬度分別下降約4.1、3.8、3.9HRC，這與公式(2)給出的晶粒度影響程度基本一致。
圖5 晶粒度變化對(duì)3種試驗(yàn)鋼距淬火端9mm位置硬度影響的計(jì)算結(jié)果
1)3種Cr-Ni-Mo試驗(yàn)鋼中，3420H鋼末端淬火試驗(yàn)的淬火端硬度最高，SAE8620鋼的整體淬透性最好，其淬透性曲線斜率變化最小，而20CrNiMo鋼的淬透性最低，除淬火端附近硬度外，該鋼其他位置硬度均明顯低于另兩組試驗(yàn)鋼。
2)在Cr-Ni-Mo系齒輪鋼中，提高淬透性能力較強(qiáng)的合金元素為C、Mo、Cr。根據(jù)計(jì)算，C 、Mn、Cr、Ni、Mo含量每提高0.01%，距離淬火端9mm位置的硬度分別增加約0.52、0.14、0.27、0.12、0.33HRC。
3)隨著Cr-Ni-Mo系齒輪鋼晶粒度級(jí)別的增加，距淬火端9mm位置硬度整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，晶粒度在8～9級(jí)以下時(shí)，試驗(yàn)鋼距淬火端9mm位置硬度隨晶粒度等級(jí)的增加快速下降，當(dāng)超過(guò)該晶粒度級(jí)別時(shí)，距淬火端9mm位置硬度變化變緩，趨于穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)：略
作者簡(jiǎn)介：何肖飛(1986—)，男，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向?yàn)椴牧涎邪l(fā)及冶金質(zhì)量控制
另外，通過(guò)模型定量研究了C、Mn、Cr、Ni、Mo等元素含量變化和奧氏體晶粒度級(jí)別變化對(duì)Cr?Ni?Mo系齒輪鋼距淬火端9mm位置淬透性的影響，結(jié)果顯示C、Mn、Cr、Ni、Mo含量每提高0.01% , 距淬火端9mm 位置硬度分別增加約0.52 、0.14 、0.27 、0.12 和0.33HRC, 而隨奧氏體晶粒度級(jí)別的增加，Cr-Ni-Mo系齒輪鋼距淬火端9mm位置硬度整體呈現(xiàn)先下降后穩(wěn)定的趨勢(shì)。
Cr?Ni?Mo系齒輪鋼屬于齒輪鋼中的重要鋼種系列，除C元素外，主要通過(guò)Cr、Ni、Mo合金元素含量控制實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能。
Cr-Ni-Mo系齒輪鋼應(yīng)用在汽車領(lǐng)域，具有淬透性好、耐沖擊的特點(diǎn)，如20CrNiMo、SAE8620、17CrNiMo6等都是典型汽車用Cr-Ni-Mo系齒輪鋼;另外，在風(fēng)電、高鐵等領(lǐng)域應(yīng)用的18CrNiMo7-6也是典型的Cr-Ni-Mo系齒輪鋼，具有更高的Cr、Ni含量，相應(yīng)的淬透性也更高。
淬透性在齒輪鋼生產(chǎn)和應(yīng)用中具有重要作用，合適的淬透性不僅可以保障材料熱處理后的性能，還可以實(shí)現(xiàn)變形的有效控制，而Cr-Ni-Mo系齒輪鋼制成的 工件尺寸一般都較大，服役環(huán)境比較苛刻，其對(duì)淬透性的要求更嚴(yán)格。
為有效控制齒輪鋼淬透性，國(guó)內(nèi)外研究人員已開展了許多研究，包括淬透性預(yù)測(cè)模型、預(yù)測(cè)方法研究, 良好淬透性材料開發(fā), 窄淬透性帶寬控制等。在淬透性影響因素研究中，已有的報(bào)道主要在微合金化元素、殘余元素等對(duì)齒輪鋼淬透性的影響方面。
馬莉等研究了鈮硼微合金化對(duì)20CrMnH齒輪鋼的影響，發(fā)現(xiàn)添加0.0008%的B能夠顯著提高鋼的淬透性，使淬透性不因晶粒細(xì)化及Nb(C,N)析出而降低;柳洋波等研究了Nb含量對(duì)20CrMnTi鋼淬透性的影響，得出不同Nb含量試樣的端淬硬度分布比較接近;
劉年富等研究了V對(duì)高溫滲碳SCM420H齒輪鋼組織和淬透性的影響，得出滿足淬透性要求的V合理控制范圍;殘余元素的影響，目前報(bào)道較多的是B元素對(duì)20CrMnTi鋼淬透性的影響，為保障20CrMnTi齒輪鋼窄淬透性帶寬的控制，B含量需要控制在一定范圍內(nèi) ;
He等對(duì)Mn-Cr齒輪鋼的研究得出，B大大提高了淬透性，但其效果并不穩(wěn)定;而其他元素成分對(duì)淬透性的影響研究，主要以對(duì)20CrMnTi齒輪鋼淬透性影響研究為主，在針對(duì)Cr-Ni-Mo系齒輪鋼淬透性系統(tǒng)研究方面的報(bào)道還相對(duì)較少。
Cr-Ni-Mo系齒輪鋼涉及可提高淬透性的合金元素較多，包括C、Mn、Cr、Ni、Mo等，有時(shí)可能還伴隨B、V等殘余元素，在針對(duì)Cr-Ni-Mo系齒輪鋼淬透性研究時(shí)，需要結(jié)合各元素在Cr-Ni-Mo成分體系下對(duì)淬透性的影響程度分析。本文基于Cr-Ni-Mo系成分體系，定量化研究齒輪鋼淬透性，獲得主要合金元素對(duì)淬透性的影響程度，以及奧氏體晶粒度在淬透性控制中的作用，可為齒輪鋼窄淬透性控制和主要合金成分調(diào)整提供借鑒。
試驗(yàn)材料與方法
試驗(yàn)材料:
試驗(yàn)材料為Cr-Ni-Mo系齒輪鋼棒材，涉及3種試驗(yàn)鋼，其主要化學(xué)成分如表1所示。
表1 3種Cr-Ni-Mo系試驗(yàn)鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)
淬火試驗(yàn)方案:為研究Cr-Ni-Mo系齒輪鋼淬透性及其影響因素，利用末端淬火試驗(yàn)分析3種試驗(yàn)鋼的淬透性。
分別在3種試驗(yàn)鋼棒材R/2位置切取末端淬火試驗(yàn)毛坯試樣，經(jīng) 910~930℃正火處理后加工成末端淬火試樣，如圖1(a)所示。
隨后對(duì)各試樣進(jìn)行末端淬火試驗(yàn)，淬火結(jié)束后，在平行于試樣軸線方向磨出兩個(gè)平行的長(zhǎng)條形平面，磨削深度為0.4~0.5mm, 最后分別在兩個(gè)平面上測(cè)量距離淬火端1.5 、3 、5 、7 、9 、11 、13 、15 、20 、25 、30 、35mm處的洛氏硬度，如圖1(b)所示
采用的硬度檢測(cè)設(shè)備為HP-250型洛氏硬度計(jì)，試驗(yàn)依據(jù)GB/T230.1—2018《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》執(zhí)行，載荷砝碼10kg,保荷時(shí)間5~10s , 根據(jù)硬度結(jié)果分析各試驗(yàn)鋼的淬透性。
圖1 末端淬火試樣示意圖(a)及硬度檢測(cè)方案(b)
試驗(yàn)結(jié)果與分析
Cr-Ni-Mo系齒輪鋼淬透性:
Cr-Ni-Mo系齒輪鋼淬透性試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)3種Cr-Ni-Mo系齒輪鋼末端淬火試樣各位置的硬度結(jié)果，得到3種試驗(yàn)鋼的淬透性曲線，如圖2所示。從淬透性曲線可以看出，3種試驗(yàn)鋼在距淬火端3mm以內(nèi)，硬度最高，基本在44～48HRC，之后隨著距淬火端距離的增加，硬度快速降低，在距淬火端15mm后，硬度隨距淬火端距離的增加緩慢降低，在距淬火端35mm時(shí)，硬度值降至17～25HRC。
圖2 3種試驗(yàn)鋼的淬透性曲線
從圖2還可以看出，3種Cr-Ni-Mo系齒輪鋼的淬透性曲線分布不同。末端淬火試樣最高硬度與試樣碳含量有關(guān)，而淬透性曲線中硬度變化斜率代表了試驗(yàn)鋼淬透性的高低，試驗(yàn)鋼淬透性越高，則硬度快速降低的位置距淬火端越遠(yuǎn)，淬透性曲線斜率變化更小。
3種試驗(yàn)鋼中，3號(hào)鋼的淬火端硬度最高，2號(hào)鋼的淬透性曲線斜率變化最小，而1號(hào)鋼的淬透性最低，其距淬火端3mm以上位置的硬度均明顯低于其他2種試驗(yàn)鋼。
Cr-Ni-Mo系齒輪鋼淬透性計(jì)算結(jié)果
淬透性預(yù)測(cè)模型是研究齒輪鋼淬透性的重要方法，學(xué)者們建立了多種淬透性計(jì)算模型及修正模型用于計(jì)算和分析齒輪鋼的淬透性，如臨界直徑法、非線性方程法、硬度分布函數(shù)法等。另外，還有專業(yè)的熱力學(xué)軟件可用于計(jì)算鋼的淬透性，并表現(xiàn)出較好的計(jì)算精度。
根據(jù)3種Cr-Ni-Mo系試驗(yàn)鋼成分，利用JMatPro計(jì)算各試驗(yàn)鋼的淬透性曲線，結(jié)果如圖3所示。
從圖3可以看到，3號(hào)鋼的淬火端硬度最高，達(dá)到48HRC，2號(hào)鋼淬火端硬度次之，1號(hào)鋼的淬火端硬度最低。從整體淬透性曲線來(lái)看，1號(hào)鋼的硬度相對(duì)較低，而2號(hào)鋼、3號(hào)鋼的硬度相對(duì)較高，并且2號(hào)鋼和3號(hào)鋼的淬透性曲線比較接近。
圖3 3種試驗(yàn)鋼的淬透性曲線計(jì)算結(jié)果
將3種試驗(yàn)鋼淬透性計(jì)算結(jié)果與圖2的實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，可以看出淬透性計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果規(guī)律基本一致，2號(hào)鋼、3號(hào)鋼的淬透性相對(duì)較高，且曲線接近，而1號(hào)鋼的淬透性相對(duì)較低。
因此，對(duì)于Cr-Ni-Mo系齒輪鋼，在一定條件下可以通過(guò)計(jì)算的方法表征鋼的淬透性，以節(jié)約試驗(yàn)成本，并可用于分析某參數(shù)變化對(duì)淬透性的影響。
淬透性計(jì)算結(jié)果偏差及改進(jìn)
1)淬透性計(jì)算結(jié)果偏差
將計(jì)算得到的3種試驗(yàn)鋼距淬火端5、9、15、25mm位置淬透性結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，各位置偏差結(jié)果如表2所示。從圖2、圖3和表2可以看出，雖然計(jì)算獲得的3種試驗(yàn)鋼的淬透性曲線變化規(guī)律與實(shí)測(cè)結(jié)果規(guī)律基本一致，但各典型位置的硬度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在一定偏差。
表2 3種試驗(yàn)鋼淬透性計(jì)算結(jié)果偏差(HRC)
1號(hào)鋼距淬火端5、9mm位置的淬透性計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果偏差較大，分別為3.3HRC和3.6HRC，而15、25mm位置的計(jì)算結(jié)果偏差相對(duì)較小，均在1HRC以內(nèi);2號(hào)鋼典型位置淬透性的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值偏差均較大，都超過(guò)了2HRC，且距淬火端9、15mm位置的偏差都達(dá)到了4.4HRC;3號(hào)鋼典型位置淬透性偏差在1.8～3.0HRC之間，最大淬透性偏差在距淬火端15mm處。2)淬透性計(jì)算結(jié)果改進(jìn)
計(jì)算齒輪鋼淬透性有多種方法和模型，不同方法或模型的計(jì)算精度和適應(yīng)對(duì)象有所不同，合適的淬透性計(jì)算模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)淬透性的有效準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。
曹燕光等利用理想臨界直徑法、非線性方程法和硬度分布函數(shù)等方法對(duì)SAE8620H齒輪鋼的淬透性進(jìn)行了計(jì)算，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)各預(yù)測(cè)模型均存在計(jì)算某些位置硬度時(shí)精度較高，但計(jì)算另外一些位置硬度時(shí)偏差較大的情況，各模型不能準(zhǔn)確計(jì)算全淬透性曲線，而硬度分布函數(shù)模型經(jīng)修正后，其距淬火端5、9、15mm等位置硬度計(jì)算誤差均小于2HRC，整體預(yù)測(cè)精度高，可適用于SAE8620H齒輪鋼淬透性計(jì)算。
考慮到試驗(yàn)鋼主要合金元素與SAE8620H鋼成分近似或一致，因此，可利用該修正模型計(jì)算試驗(yàn)鋼淬透性，并研究淬透性影響因素。
Cr-Ni-Mo系齒輪鋼淬透性影響因素分析:
化學(xué)成分對(duì)淬透性的影響
利用修正的硬度分布函數(shù)模型對(duì)Cr-Ni-Mo系齒輪鋼淬透性進(jìn)行研究，定量分析鋼中主要合金元素(C、Mn、Cr、Ni、Mo)對(duì)齒輪鋼淬透性的影響程度，并進(jìn)一步說(shuō)明3種Cr-Ni-Mo系試驗(yàn)鋼的淬透性。
結(jié)合20Cr-Ni-Mo鋼成分，通過(guò)調(diào)整C、Mn、Cr、Ni、Mo含量，利用模型計(jì)算各成分條件下距淬火端9mm位置的硬度，結(jié)果如圖4所示。
可以看出，距淬火端9mm位置硬度隨著C含量的增加明顯增大，在0.17%～0. 23%范圍內(nèi)，C含量每提高0.01% ，硬度值平均提高約0.52HRC，同時(shí)，隨著Mn、Cr、Ni和Mo含量的單獨(dú)增加，距淬火端9mm位置硬度值也相應(yīng)增加，Mn、Cr、Ni、Mo含量每提高0.01%，距淬火端9mm位置硬度分別增加約0.14、0.27、0.12、0.33HRC。
結(jié)合各元素含量對(duì)距淬火端9mm位置硬度的影響，在Cr-Ni-Mo齒輪鋼體系中，提高淬透性能力較強(qiáng)的是C、Mo、Cr元素。
圖4 成分變化對(duì)20CrNiMo鋼距淬火端9mm位置硬度的影響
結(jié)合表1中3種試驗(yàn)鋼的成分，與1號(hào)鋼相比，2號(hào)鋼、3號(hào)鋼的C、Mn、Cr、Ni、Mo含量都相對(duì)更高，根據(jù)2號(hào)鋼、3號(hào)鋼各主要合金元素含量的增量，可以計(jì)算得到與1號(hào)鋼相比，2號(hào)鋼、3號(hào)鋼距淬火端9mm位置硬度增加值分別達(dá)到4.95HRC和3.56HRC，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示2號(hào)鋼、3號(hào)鋼淬透性硬度值分別增加7.6HRC和4.4HRC，較計(jì)算結(jié)果偏高，但計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的淬透性變化規(guī)律一致，2號(hào)鋼、3號(hào)鋼距淬火端9mm位置硬度更高。
奧氏體晶粒度對(duì)淬透性的影響
奧氏體晶粒度對(duì)鋼的淬透性有影響，晶粒尺寸越大，單位體積內(nèi)晶界面積減小，使得擴(kuò)散型相變的形核位置減少，推遲過(guò)冷奧氏體相變發(fā)生，從而可提高鋼的淬透性。 目前已有許多關(guān)于晶粒尺寸對(duì)淬透性影響的研究，對(duì)于CrNiMo系齒輪鋼也有針對(duì)性研究，并獲得了晶粒度(G)與端淬硬度(H)之間的定量關(guān)系：
利用JMatPro軟件計(jì)算3種CrNiMo試驗(yàn)鋼在不同晶粒度下距淬火端9mm位置的硬度，結(jié)果如圖5所示。
從圖5可以看出，隨著3種齒輪鋼晶粒度級(jí)別的增加，距淬火端9mm位置硬度整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，晶粒度8～9級(jí)以下時(shí)，距淬火端9mm 位置硬度隨晶粒度等級(jí)的增加快速下降，而晶粒度級(jí)別較高時(shí)，硬度變化變緩，趨于穩(wěn)定。
并且，晶粒度等級(jí)較小時(shí)，晶粒度每增加1級(jí)，1～3號(hào)鋼距淬火端9mm位置的硬度分別下降約4.1、3.8、3.9HRC，這與公式(2)給出的晶粒度影響程度基本一致。
圖5 晶粒度變化對(duì)3種試驗(yàn)鋼距淬火端9mm位置硬度影響的計(jì)算結(jié)果
結(jié) 論
1)3種Cr-Ni-Mo試驗(yàn)鋼中，3420H鋼末端淬火試驗(yàn)的淬火端硬度最高，SAE8620鋼的整體淬透性最好，其淬透性曲線斜率變化最小，而20CrNiMo鋼的淬透性最低，除淬火端附近硬度外，該鋼其他位置硬度均明顯低于另兩組試驗(yàn)鋼。
2)在Cr-Ni-Mo系齒輪鋼中，提高淬透性能力較強(qiáng)的合金元素為C、Mo、Cr。根據(jù)計(jì)算，C 、Mn、Cr、Ni、Mo含量每提高0.01%，距離淬火端9mm位置的硬度分別增加約0.52、0.14、0.27、0.12、0.33HRC。
3)隨著Cr-Ni-Mo系齒輪鋼晶粒度級(jí)別的增加，距淬火端9mm位置硬度整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，晶粒度在8～9級(jí)以下時(shí)，試驗(yàn)鋼距淬火端9mm位置硬度隨晶粒度等級(jí)的增加快速下降，當(dāng)超過(guò)該晶粒度級(jí)別時(shí)，距淬火端9mm位置硬度變化變緩，趨于穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)：略
作者簡(jiǎn)介：何肖飛(1986—)，男，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向?yàn)椴牧涎邪l(fā)及冶金質(zhì)量控制