重載齒輪是指用在傳遞更大動(dòng)力和承受更大負(fù)荷的齒輪，一般用于運(yùn)輸、起重、機(jī)車牽引以及風(fēng)力發(fā)電等重要場(chǎng)合。材料一般采用低碳合金鋼并經(jīng)滲碳處理，高溫淬火+低溫回火等熱處理，使得表層具有較高的硬度、耐磨性的同時(shí)，心部具有較高的塑性和韌性[1]。17CrNiMo6鋼是德國(guó)牌號(hào)，此鋼種因其高韌性、高強(qiáng)度及高淬透性等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，但許多基本性能資料缺乏[2]。本文使用JMatPro軟件結(jié)合生產(chǎn)檢測(cè)對(duì)17CrNiMo6鋼的基本性能進(jìn)行研究探討。

JMatPro軟件是英國(guó)Thermotech公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的金屬材料計(jì)算分析模擬軟件，可用來(lái)計(jì)算合金材料的平衡相組成，并以此為基礎(chǔ)預(yù)測(cè)材料的各項(xiàng)性能。JMatPro具備快速、準(zhǔn)確的計(jì)算能力，采用功能強(qiáng)大而精確的熱力學(xué)數(shù)據(jù)和熱力學(xué)模型作為核心技術(shù)和計(jì)算基礎(chǔ)，所采用的物理模型都得到了大量驗(yàn)證，確保材料性能計(jì)算的準(zhǔn)確性[3]。JMatPro軟件將繁瑣深?yuàn)W的熱力學(xué)分析程序化，近年來(lái)JMatPro軟件在國(guó)內(nèi)金屬材料研究方面的應(yīng)用逐漸增多[4−6]，軟件的預(yù)測(cè)精度得到廣泛認(rèn)可[7−9]。

1.   研究對(duì)象及方法

試驗(yàn)研究的鋼種生產(chǎn)工藝為電爐（LF）冶煉→爐外（VD）精煉→3.16 t鋼錠→加熱→軋制→緩冷→退火→超聲波探傷→檢驗(yàn)。選用的17CrNiMo6鋼材主要成分組成如表1所示。

試驗(yàn)按照GB/T 6394—2017標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)奧氏體晶粒度級(jí)別為7級(jí)。按照GB/T 225—2006標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)末端淬透性指數(shù)為J43–5，J39–11，J34–25，J30–40，熱處理工藝為880 ℃正火，870 ℃淬火。

應(yīng)用JMatPro軟件首先計(jì)算該17CrNiMo6鋼的末端淬透性曲線，從而判斷JMatPro軟件在17CrNiMo6鋼材上的適用性情況。得到確認(rèn)后再應(yīng)用軟件計(jì)算17CrNiMo6鋼材的其他性能。

2.   分析與討論

2.1   末端淬透性對(duì)比分析

試樣淬火前經(jīng)880 ℃保溫1500 s后正火，通過(guò)JMatPro軟件確定晶粒度應(yīng)為ASTM標(biāo)準(zhǔn)的8.4級(jí)。將晶粒度8.4級(jí)、淬火溫度870 ℃及表1中成分輸入JMatPro 軟件計(jì)算出末端淬火試樣硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度隨淬火端距離的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖1所示。其中計(jì)算的末端淬透性指數(shù)為J43.24–5，J39.77–11，J35.76–25，J34.17–40。與檢驗(yàn)結(jié)果相比，距離淬火端面40 mm處的硬度值相差HRC 4.17，其余3處最大相差HRC 1.76，計(jì)算值與檢測(cè)值比較接近，具有較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)性。

2.2   平衡態(tài)相組成分析

將表1中成分輸入JMatPro軟件計(jì)算出平衡態(tài)主要相組成隨溫度變化情況如圖2所示。

計(jì)算結(jié)果顯示該17CrNiMo6鋼液相線溫度為1509.5 ℃，當(dāng)溫度低于該溫度時(shí)，高溫鐵素體開(kāi)始析出；當(dāng)溫度低于1492.7 ℃時(shí)，開(kāi)始析出奧氏體；當(dāng)溫度降至固相線溫度1470.9 ℃后，合金完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；當(dāng)溫度降至796.7 ℃后，奧氏體減少，鐵素體開(kāi)始析出；當(dāng)溫度降至700.3 ℃時(shí)，奧氏體全部傳化為鐵素體；室溫（25 ℃）時(shí)的平衡相組成主要為95.54% F（鐵素體）+1.26% M23C6（復(fù)雜立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)碳化物）+1.06% M7C3（復(fù)雜六方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)碳化物）等。各平衡相的元素組成如表2所示。

2.3   合金的TTT曲線及CCT

檢測(cè)該爐17CrNiMo6鋼晶粒度為7級(jí)，將晶粒度7.0級(jí)及表1中成分輸入JMatPro軟件計(jì)算出材料TTT曲線如圖3所示。計(jì)算結(jié)果表明，合金經(jīng)奧氏體化后冷卻過(guò)程中鐵素體、珠光體和貝氏體可析出最高溫度依次是796.6、730.4和561.8 ℃。其中珠光體“鼻尖”溫度為600 ℃，過(guò)冷奧氏體在600 ℃下保溫562.9 s開(kāi)始析出珠光體，貝氏體“鼻尖”溫度為480 ℃，過(guò)冷奧氏體在480 ℃下保溫3.2 s開(kāi)始析出貝氏體，馬氏體開(kāi)始析出溫度為390.7 ℃，奧氏體溫度為846.63 ℃。

選擇奧氏體化溫度850 ℃、晶粒度7.0級(jí)及表1中成分計(jì)算出材料CCT曲線如圖4所示。計(jì)算結(jié)果顯示合金A3溫度（加熱時(shí)鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了線或冷卻時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的開(kāi)始線）為796.6 ℃，A1溫度（共析轉(zhuǎn)變溫度）為730.4 ℃。隨冷卻速度提高，析出的鐵素體、珠光體逐漸降低，析出的貝氏體、馬氏體逐漸增加，當(dāng)冷卻速度為1 ℃/s是室溫下組織中馬氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)為1.91%，當(dāng)冷卻速度達(dá)到30 ℃/s時(shí)室溫下組織中馬氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99.44%，接近全馬氏體組織。各冷卻速度下鋼材的相組成和力學(xué)性能計(jì)算結(jié)果如表3所示。

2.4   TTA圖

TTA圖對(duì)于合金加熱過(guò)程中的參數(shù)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義[10]。輸入表1中合金成分，選擇細(xì)晶粒度計(jì)算出合金TTA圖如圖5所示。隨著加熱速度的提升，鋼材的A1溫度、A3溫度及奧氏體均勻化溫度均升高。當(dāng)加熱速度低于40 ℃/s時(shí)A3溫度為796 ℃，當(dāng)加熱速度低于10 ℃/s時(shí)A1溫度為730 ℃。部分加熱速度下的A1溫度、A3溫度、奧氏體均勻化溫度及奧氏體均勻后所需時(shí)間如表4所示。

3.   結(jié)論

1）JMatPro軟件計(jì)算出的末端淬透性指數(shù)結(jié)果同17CrNiMo6鋼生產(chǎn)檢測(cè)結(jié)果比較接近，有很高的參考價(jià)值。

2）設(shè)計(jì)的17CrNiMo6鋼室溫（25 ℃）時(shí)的平衡相組成主要為95.54% F+1.26% M23C6+1.06% M7C3等。

3）設(shè)計(jì)的17CrNiMo6鋼存在兩個(gè)“鼻尖”溫度，珠光體“鼻尖”溫度為600 ℃，過(guò)冷奧氏體在該溫度下保溫562.9 s開(kāi)始析出珠光體，貝氏體“鼻尖”溫度為480 ℃，過(guò)冷奧氏體在該溫度下保溫3.2 s開(kāi)始析出貝氏體，馬氏體開(kāi)始析出溫度為390.7 ℃，當(dāng)冷卻速度達(dá)到30 ℃/s時(shí)室溫下組織中馬氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99.44%，幾乎為全馬氏體組織。

4）設(shè)計(jì)的17CrNiMo6鋼隨著加熱速度的增加，合金的A1溫度、A3溫度、奧氏體均勻化溫度均升高。當(dāng)加熱速度低于40 ℃/s時(shí)A3溫度為796 ℃，當(dāng)加熱速度低于10 ℃/s時(shí)A1溫度為730 ℃。

文章來(lái)源——金屬世界