兆瓦級風(fēng)電齒輪箱中，內(nèi)齒圈服役環(huán)境對其提出了較高的質(zhì)量要求，其中最大變形產(chǎn)生區(qū)位于齒頂部位，最大拉應(yīng)力承載區(qū)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(diào)質(zhì)工藝參數(shù)和熱處理后金相組織進(jìn)行了研究，并分析了相關(guān)結(jié)果。
齒圈整體材料為42CrMo，熱處理過程采用調(diào)質(zhì)工藝。研究過程中，固定高溫回火溫度，淬火工藝參數(shù)中的保溫溫度和淬火冷卻介質(zhì)種類均會(huì)對熱處理后齒圈的金相組織產(chǎn)生影響。試驗(yàn)過程中，本項(xiàng)目分別選取了兩種不同的介質(zhì)和5種不同的溫度對齒圈進(jìn)行淬火工藝試驗(yàn)，以確定其合理的調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)。
1.淬火冷卻介質(zhì)對調(diào)質(zhì)組織的影響
淬火過程中，設(shè)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(zhì)中進(jìn)行淬火處理，而后進(jìn)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(yàn)過程中，分別選取Petrofer和Houghton油性淬火冷卻介質(zhì)對齒圈進(jìn)行過冷處理，使奧氏體充分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而后通過高溫回火形成相應(yīng)的調(diào)質(zhì)組織。
圖1為經(jīng)Petrofer淬火后高溫回火得到的金相組織，從中可以看到，經(jīng)過調(diào)質(zhì)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(zhì)冷速較慢，導(dǎo)致其馬氏體轉(zhuǎn)變溫度較低，從而總體上轉(zhuǎn)變量較少。
圖1 Petrofer調(diào)質(zhì)組織（500×）
圖2為經(jīng)Houghton油性淬火冷卻介質(zhì)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(jīng)大部分轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w，其中隨機(jī)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(diào)質(zhì)組織（500×）
如前文所述，經(jīng)過Petrofer油性淬火冷卻介質(zhì)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(zhuǎn)變溫度隨淬火冷卻速度的增加而提高，當(dāng)冷速增加到一定程度時(shí)，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度趨于恒定。
圖3 淬火冷卻速度對馬氏體轉(zhuǎn)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(yàn)中，根據(jù)附表中參數(shù)對齒圈進(jìn)行保溫一定時(shí)間后，進(jìn)行淬火高溫回火處理（參數(shù)見附表）。
淬火保溫溫度參數(shù)
序號(hào) 參數(shù) | 1 | 2 | 3 | 4 |
淬火溫度/℃ | 840 | 850 | 860 | 870 |
保溫時(shí)間/min | 300 | 300 | 300 | 300 |
調(diào)質(zhì)后，對基體取樣而后進(jìn)行理化分析，金相照片如圖4～圖7所示。
圖4 840℃調(diào)質(zhì)組織（500×）
圖5 850℃調(diào)質(zhì)組織（500×）
圖6 860℃調(diào)質(zhì)組織（500×）
圖7 870℃調(diào)質(zhì)組織（500×）
從檢測結(jié)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(yù)示調(diào)質(zhì)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(zhuǎn)變受切變應(yīng)力影響最為明顯，而切變應(yīng)力又與溫度之間存在關(guān)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(yīng)受阻，從而使不利于馬氏體轉(zhuǎn)變。
馬氏體形核過程中會(huì)遭遇三重阻力：母相點(diǎn)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(dòng)，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(gè)形核過程遵循熵變規(guī)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(shí)，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(jié)語
根據(jù)研究過程中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，可以得出如下結(jié)論：
（1）調(diào)質(zhì)組織與淬火冷卻介質(zhì)的選取有關(guān)，Petrofer淬火冷卻介質(zhì)調(diào)質(zhì)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(zhì)調(diào)質(zhì)后的基體組織較好，有益于后期性能。
（2）保溫溫度對調(diào)質(zhì)組織也有較明顯的影響，溫度越高，基體組織越均勻，原因?yàn)榛w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(shí)，馬氏體形核所需自由能越小，過程越順暢。
（3）當(dāng)選用Houghton油性淬火冷卻介質(zhì)、870℃保溫溫度作為42CrMo齒圈調(diào)質(zhì)過程中的相應(yīng)參數(shù)，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
單位：中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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