20CrMnMo齿轮渗碳淬火组织场及硬度场的数值模拟

　　从20世纪80年代初，随着计算机技术和数值计算理论的进展，几位学者开始对热处理过程进行数值模拟。 钢的热处理过程特别是以渗碳淬火为主的复合热处理过程比较复杂，很多研究者利用模拟手段对单一热处理过程进行研究分析，一些热处理模拟软件如HEARTS、COSMAP到了发展，并取得了较好的效果[1-3]。本文利用专业热处理软件COSMAP对齿轮的渗碳淬火这一复合热处理过程进行模拟，明确了齿轮渗碳淬火后组织、硬度的变化规律。齿轮是机械工业广泛应用的零部件，要求表面具有高的硬度和耐磨性，渗碳淬火是其常用的热处理方式，模拟齿轮渗碳淬火后的组织场分布和硬度分布具有重要意义。20CrMnMo钢被广泛应用于各种机械零件中，要求具有良好的综合力学性能和组织稳定性[4]。本文选用常用渗碳钢20CrMnMo，以斜齿轮为研究对象，通过COSMAP模拟软件模拟了齿轮的组织场、硬度场分布，模拟过程中考虑了多种参数对碳浓度的依赖性和相变组织对参数的影响，同时考虑了相变潜热和相变塑性变形。

　　进入21世纪以来，热处理的研究得到了深化，热处理计算机模拟在实际生产中得到愈来愈多的应用，并有热处理模拟的专用软件推向市场[5]。

　　COSMAP(ComputerSimulationofManufacturingProcess)是针对热处理过程的有限元模拟软件，这个模拟软件是2003～2005年国际IMS(Intelligent ManufacturingSystem)组织的国际共同研究项目IMS~VHT开发的研究成果的一部分，是IMS～VHT的参与者巨东英和井上达雄共同开发的软件，是根据连续体热力学理论和相变热力学理论开发的有限元法程序，可以进行淬火、渗碳、渗氮以及局部加热/冷却过程的数值模拟。

　　1 实验材料与方法

　　1.1 20CrMnMo钢的材料性能

　　实验材料为渗碳钢20CrMnMo，密度为7850kg/m³，碳扩散系数为1.75em2/s，其他材料性能参数见图1，其中贝氏体和马氏体中的弹性模量近似相同，而不同碳含量下的弹性模量亦近似相同，因此在这里只给出一条曲线如图1(b)所示。

　　1.2 研究方法

　　1.2.1 几何模型及网格划分

　　本次模拟的齿轮，其齿顶圆直径为533mm，齿根圆直径472.73mm，孔径340mm，厚度338mm，法向模数12.87，齿数39，全齿高30.135mm，分度圆直径502.261mm，压力角20°，材料为20CrMnMo。齿轮节点数为23058，单元数为17664，如图2所示。

　　1.2.2 渗碳淬火工艺曲线

　　渗碳淬火工艺如图3所示。首先在0.5h内将工件加热到925℃，然后保温进行强势渗碳24h，再保温4h进行扩散渗碳，其后温度降至840℃，再扩散3h，使碳浓度分布均匀，最后，急冷。采用KR128冷却油作为冷却介质，根据反算法测算出20CrMnMo与冷却剂介质之间的换热系数如图4所示。