关键词:
渗碳淬火
梯度强化层
接触应力
疲劳磨损
强化机制
摘要:
本文针对18Cr2Ni4W低碳中合金钢,开展了表面渗碳淬火的工艺与性能研究,通过分阶段控制感应加热时间与温度,优化感应加热温度与碳浓度梯度的匹配,获得表强心韧的渗碳淬火强化层。通过表征分析不同淬火工艺的渗碳层的组织与力学性能,探讨了基于感应淬火温度-时间与渗碳层碳浓度匹配的强化机制。进一步,设计了对磨副施加阻力的摩擦磨损实验,研究临界滑动状态下的疲劳磨损行为,并表征分析了表面与截面的磨损特征,讨论了不同渗碳淬硬层的微观磨损机理。借助COMSOL有限元分析,基于实验数据对模型参数进行优化与修正,开展了疲劳接触应力场的有限元计算,以获取阻力矩存在下的不同感应淬火工艺在疲劳接触过程中的应力场分布,进而阐明感应淬火温度-时间与渗碳层碳浓度匹配对疲劳磨损行为的影响机制。主要结论如下:(1)研究了18Cr2Ni4W低碳中合金钢渗碳-感应淬火-深冷-回火成套工艺,获得了与碳浓度梯度最佳匹配的渗碳淬硬层,分析了渗碳淬硬层的强韧化机制,探讨了淬硬层力学性能对磨损行为微观机制的影响。感应淬火温度-时间与渗碳层碳浓度的匹配度不同,表现出不同的淬硬层强化机制,包括马氏体本征强化、固溶强化和析出相强化协同作用。当采用较低的终淬温度(770℃),在组织的晶界和孪晶界等微观缺陷位置产生了较多的块状及条状碳化物析出相,基体中的固溶碳原子减少,以析出相强化为主,疲劳磨损过程中产生的应力影响区较大,易在碳化物/基体界面处产生较大的应力集中,形成疲劳裂纹源;830℃感应淬火时,样品表层已达到完全奥氏体化温度,过渡区匀温恰当,组织分布均匀,获得了与碳浓度梯度最佳匹配的感应加热层厚度以及较好的力学性能;以及优良的抗磨损性能;较高的终淬温度(900℃)大量碳原子溶入基体中,淬硬层组织以马氏体本征强化和固溶强化机制为主,感应淬火后表面含有大量的残余奥氏体,经过24h的深冷处理以及低温回火后淬硬层表层仍有10.04%的残余奥氏体,大量的残余奥氏体在接触应力作用下发生TRIP效应,延缓了疲劳磨损裂纹的萌生。(2)通过在疲劳磨损试验过程中对对磨副施加额外的阻力,研究了重载齿轮临界滑动状态下不同淬火渗碳层的疲劳磨损行为。额外的阻力使摩擦系数上升至临近滑动状态的0.45左右,加剧了滚动接触疲劳磨损过程;与无阻力矩试验相比,磨损失重增大约100倍,同时构建了磨损失效与淬硬层微观组织演变的唯象模型,探讨了淬硬层的强韧化与耐磨损性能的对应关系。(3)本文基于渗碳感应淬火强化层的梯度力学性能的实测参数,结合重载齿轮的实际服役磨损工况,建立了梯度赋值的渗碳层感应淬火阻力矩疲劳磨损模型。在阻力矩的作用下,不同温度感应淬火模型的结果中,应力最大值及深度变化不明显,上环最大应力出现在最表层,下环最大应力出现在0.78 mm深度处,最大值约980 MPa,且下环应力平均值较无阻力矩模型的应力增大2倍。随着材料硬度属性参数值的增加,应力影响区的面积逐渐减小。结合830℃感应淬火模型与其微观组织分析,因最小的应力影响区以及组织中较少的碳化物析出相,延缓了裂纹的萌生,获得最佳的抗疲劳性能。本文对低碳合金渗碳钢渗碳后的感应淬火工艺的探索,充分发掘材料的合金系优势,为高碳梯度钢铁材料的感应淬火扩展了工艺空间,实现了高碳浓度渗层感应淬火后优异力学性能的保障,为大渗层重载齿轮的工艺优化提供了有益的支持。