17Cr2Ni2Mo齿轮轴淬火应力模拟研究

17Cr2Ni2Mo是一种优质的渗碳钢，具有高的强度和韧性，常用于制作齿轮、锥齿轮等传动件。利用17Cr2Ni2Mo钢生产的大直径齿轮轴淬火后的回火温度一般低于300℃，在该温度下回火只能消除齿轮淬火后产生的第二、第三类应力，对于第一类应力的消除作用十分有限，因此无法通过提高回火温度来降低齿轮轴的淬火应力。对于大型齿轮轴类件来说，降低齿轮轴淬火应力的最佳途径是改变材料的化学成分或有效控制淬火过程。二重铸锻公司的研究人员利用有限元数值模拟软件研究了大型17Cr2Ni2Mo齿轮轴化学成分、换热边界、淬火介质温度对齿轮轴心部位置淬火应力的影响，研究结果对齿轮轴的现场加工及热处理具有非常重要的借鉴作用。研究人员首先研究了化学成分对17Cr2Ni2Mo齿轮轴心部淬火应力的影响。

结果表明，添加微量的B元素后，17Cr2Ni2Mo铁素体和珠光体等温转变的孕育期都大幅度降低了，其中“鼻子”温度附近的铁素体、珠光体转变孕育期从2000s延长至6000s，完成时间从15000s延长至50000s。转变曲线向右大幅度移动，B元素的添加推迟了铁素体和珠光体的转变。可见，添加B元素能够延迟铁素体和珠光体的转变时间，增加材料的淬透性，可以有效降低齿轮轴淬火后心部的拉应力。同时，研究人员还研究了齿轮轴换热边界对心部淬火应力的影响。计算结果表明，齿轮轴淬火过程中，心部主要为拉应力。在不改变成分的条件下，要降低其淬火后的应力，只能降低其热应力，而影响热应力的关键因素是淬火过程中工件的截面温差。要降低温差，需要降低冷却速度，而冷却速度的降低，又无法保证齿轮轴齿面的淬火程度，因此，模拟时，将未开齿部分进行绝热处理，研究换热边界对齿轮轴淬火应力的影响。

结果表明，减少齿轮轴淬火过程中传热面积，可以降低齿轮轴淬火后的心部拉应力。最后，研究了淬火介质温度对齿轮轴心部应力的影响。模拟工艺试验研究结果表明，提高淬火介质温度可以降低齿轮轴心部拉应力。提高淬火介质温度后，齿轮轴轴向应力下降近100MPa，其余两个方向的应力降低达150MPa。提高淬火介质温度后，齿轮轴心部珠光体含量显著增加，反映出齿轮轴心部位置冷却速度降低。而齿轮轴截面温差的减小，降低了齿轮轴淬火后的热应力，使得齿轮轴淬火后各个方向的应力降低。