SAE8620 H齿轮钢的淬透性及其预测模型.pdf

第 卷 第 期 年 月 f畅 r畅 SAE8620H 齿轮钢的淬透性及其预测模型 曹燕光 ， 徐 乐， 时 捷， 王信康， 王毛球 （钢铁研究总院 特殊钢研究所， 北京 ； 石家庄钢铁股份有限公司 技术中心， 河北 石家庄 ） 摘要：利用理想临界直径、非线性方程和硬度分布函数等方法，对 齿轮钢的淬透性进行了计算，并与实测结果进行了对 比分析。 结果发现，试验钢淬透性较低，距淬火端 范围内硬度变化达到 。 采用理想临界直径预测模型和非线 性方程预测模型计算 和 点硬度与实测结果偏差不到 ，但 点硬度偏差超过 ；采用硬度分布函数预测模型计算 和 点硬度误差分别达到 和 ，经修正后的硬度分布函数预测模型在 、 和 点硬度预测误差均小于 ，可用于 齿轮钢淬透性预测。 关键词：齿轮钢；淬透性；预测模型 中图分类号：TG115 6 1 文献标志码：A 文章编号：0254- 6051（2016）02- 0188- 05 Hardenability and its prediction model of SAE8620H gear steel ， ， ， ， （ ， ， ， ； ， ， ， ） Abstract： ， ， ， ， ， Key words： ； ； 收稿日期：- - 基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（） 作者简介：曹燕光（），男，博士生，主要从事合金结构钢研究，联 系电话：- ，- ： doi：10 13251 j issn 0254- 6051 2016 02 044 是一种常用的渗碳齿轮钢，其淬透性 带宽对于热处理变形有重要影响 。 国外高品质 齿轮钢淬透性带宽可以控制在 以 内，而国内先进水平能达到 ，与国外控制水 平还存在一定差距。 淬透性带宽的控制主要取决于化 学成分的精确控制及成分的均匀性 - 。 利用淬透性 预测模型，对淬透性影响较大的合金元素进行成分微 调，可以保证稳定和均匀的化学成分，达到控制窄淬透 性带宽的目的。 近些年来，淬透性曲线的数学模型及 其计算方法的研究日益受到人们的重视，并且相继建 立了各种预测计算模型， 如： 理想临界直径计算 法 - 、回归方程计算法 - 以及人工神经网络计 算法 - 。 本文利用理想临界直径模型、非线性方程模型和 硬 度 分 布 函 数 模 型 等 三 种 淬 透 性 预 测 模 型 对 试验钢的淬透性进行计算，评估三种淬透 性预测模型对试验钢的适用性，并利用实测端淬数据 对预测误差较大的硬度分布函数模型进行修正，提高 了其计算精度和适用性。 试验材料及方法 试验 用 齿 轮 钢 规 格 为 矱 矱 ，共计 炉。 工艺流程为： 转炉 连铸轧制精整。 试验用钢化学成分如表 所示。 根据 枟保证淬透性结构钢枠，将 毛坯正火温度和端淬试样奥氏体化温度分别设定为 和 。 依照 枟钢淬透性的 末端淬火试验方法枠的规定进行取样，将毛坯正火后 按照图 所示尺寸加工成端淬试样，然后在端淬试验 机上进行末端淬火试验。 在平行于试样轴线方向磨制 第 期曹燕光，等： 齿轮钢的淬透性及其预测模型 l 表1 SAE8620H 试验钢主要化学成分范围（质量分数，） Table 1 Chemical compositions range of the SAE8620H gear steel （mass fraction， ） 元素 试验材料 鲻 挝 鼢 沣 舷 揪 屯 范围 鲻 厖 鼢 沣 舷 图 末端淬火试样示意图 出两个互相平行的平面，磨削深度为 ，沿 此平面分别测量距淬火端面 、 直至 处的洛氏硬度值，然后据此绘出试 验钢的端淬曲线。 淬透性计算模型 年 提出了利用化学成分及晶粒 度计算淬透性理想临界直径 D值的方法，随后 在此基础上提出了利用钢的理想临界直径来计算端淬 曲线的方法以及一系列计算用图表 - ，但由于其计 算理想临界直径时假定试样冷速为无穷大，与实际情 况不符，导致计算误差很大。 - “ ”标准 在 所做工作的基础上，通过大量淬透性试验 数据的分析，假定试验钢奥氏体化晶粒度尺寸为 级， 对淬透性计算参数进行了修正，提高了淬透性计算精 度。 - 标准中非含硼钢 D值为： D f f f f f f f f f（）（） 式中 f为 元素计算因子，f、f、f、f、f、f、 f、f分别为 、 以及 等合金元 素计算因子。 该模型提出了理想临界直径 D来表征 钢的淬透性值，适用于中低淬透性钢，而对在空冷状态 下心部获得 马氏体的高淬透性钢不适用。 年余柏海 在大量试验数据基础上，建立 了理论和数学上都符合逻辑的非线性回归方程，该模 型以半马距 E作为描述端淬曲线和淬透性带基本形 态的关键参数，模型参数均以非线性公式表达，后经过 不断改进和补充而臻于完善 - ，其形式如下所示： J J J C E （E E）E （E C E （E E） C （） 上述各式中，J为端淬硬度，；E 为淬火端距 离，；J为淬火端马氏体硬度，；C、C为曲率 系数和曲率指数；E为半马距，。 该模型预测精度 高，适用范围广，但未能提出具体的物理参数来表征钢 的淬透性值。 年金满等 根据端淬试验数据和试验曲线 导数变化规律，用线性试探法建立了端淬曲线微分方 程，然后解得硬度分布函数，其形式如下所示： J（x） J x b （JJ） （x b） （h b） J x b （） 式中：J（x）为端淬硬度，；x 为端淬距离，； J为端淬曲线最高硬度，；J为端淬曲线最低硬 度，；b 为试样端部全部获得马氏体区的长度， ；h 为淬透性系数，其几何意义是从原点至曲线拐 点的距离，。 以上参数具体表达式如式（） 式 （）所示： J （ ）（） J （） b h （） h （ （ ） ）（） 该模型以端淬距离为自变量，适用性高，提出了物 理参数淬透性系数 h 来表征淬透性值。 结果及分析 3 1 预测结果 分别利用理想临界直径模型、非线性方程模型和 硬 度 分 布 函 数 模 型 等 三 种 淬 透 性 预 测 模 型 对 试验钢淬透性进行计算。 图 所示为 试验钢典型的淬透性预测曲线和实测值分 布图，由图 可知， 试验钢淬透性较低，实 测端淬曲线从距淬火端 处开始迅速下降，至距 l 第 卷 淬火端 处后递减趋势缓和，距淬火端 范围内端淬硬度变化达到 ，这就给淬透性 预测模型提出了更高的要求。 总体来看，理想临界直 径模型和非线性方程模型预测误差较小，与实测值接 近，适用于 齿轮钢；硬度分布函数模型在距 淬火端 以内或 以外与实测值较接近，而在实测 端淬曲线下降部分，即距淬火端 区间，其预测 误差 比 其 它 两 种 模 型 大， 明 显 偏 离 实 测 值， 对 齿轮钢的适用性不如另外两种预测模型。 图 三种淬透性预测模型预测值典型分布图 ， 图 试验钢预测硬度值偏差图 ， （D） ， （） ；（） ；（） 为便于描述整条淬透性曲线，选取 、 和 等 处作为特征点，该 处预测模型计算结果如图 所示。 由图 可知，三种预测模型在 处均较为分 散，部分预测偏差值超出了 范围；理想临界直 径模型和非线性方程模型在 和 处预测偏差值 除个别点外均在 范围内，硬度分布函数模型 在 和 处预测偏差较大。 为便于评价各预测模 型的预测精度，引入预测标准误差 （），其表达 式如下所示： i n （） 式中为第 i 炉试验钢预测硬度值与实测硬度值 误差；n 为常数，在这里取 。 三种预测模型的计算标 准误差如表 所示。 由表 可知，三种模型在 处预 测标准误差相差不大，理想临界直径模型预测标准误 差最小，为 ，非线性方程模型和硬度分布函数 模型均为 ；理想临界直径模型和非线性方程 模型在 和 处预测标准误差均在 以内， 计算精度较高，而硬度分布函数模型在 和 处预 测标准误差分别为 、 ，预测精度有待 进一步提高。 表 2 淬透性预测模型计算标准误差（HRC） Table 2 Standard error of predicted values calculated by ideal critical diameter （DI） model， nonlinear equation model and hardness distribution model （HRC） 预测模型 标准误差 祆T 理想临界直径模型k 吵 非线性方程模型k 吵 硬度分布函数模型 修正前k 吵 修正后k 吵 3 2 原因分析及模型修正 硬度分布函数模型在淬透性曲线初始段和尾部与 实测淬透性曲线较为接近，而在曲线中部递减部分则 高于实测值（图 ）。 显然，硬度分布函数模型中最高 硬度 J和最低硬度 J适用于试验钢，决定端淬曲线 的递减率的淬透性系数 h 可能不适用于试验钢。 金满等在推导淬透性系数 h 与 含量的关系 时 ，将淬透性系数 h 近似表达为以 含量为自变量 的线性函数，系数与合金元素有关，如下所示： 第 期曹燕光，等： 齿轮钢的淬透性及其预测模型 l h K（） 式中 K 为与合金元素有关的函数，表示 含 量。 利用最小二乘法对 - - 系列钢种试验数据 点（hi，Ci）线性拟合，求得 K 值为 ，如图 所示。 由图 可知，当 含量处于 区间时，对 试验数据点（hi，Ci）进行线性拟合求得 K 值为 ，而 金满等在后续推导 - - 系列钢 K 值表达式的过 程中，K 值取 ，这就导致利用原硬度分布函数对 含量较低的 试验钢进行淬透性计算时， 合金元素对淬透性的贡献被夸大，使得淬透性曲线 图 - - 系列钢种淬透性系数 h 与含碳量的关系 （h） - - 下降缓慢，中间部分较实测值高。 因此，如提高硬度分布 函数模型预测精度，需对淬透性系数h 进行重新修正。 将试验钢 、 和 处端淬硬度实测值分别代 入原始硬度分布函数预测模型，对淬透性系数 h 与 含量关系进行修正，修正后的系数 K 如式（） （） 所示。 利 用 修 正 后 的 硬 度 分 布 函 数 模 型 对 试验钢进行淬透性计算，、 和 处 预测标准差分别为 、 和 （见表 ），均小于理想临界直径模型和非线性方程 模型，预测偏差值分布如图 所示，可见修正后的硬 度分布函数模型预测偏差控制在 范围，预 测精度有了显著提高。 K （ ） （） K （ ） （） K （ ） （） 图 硬度分布函数预测模型修正后偏差图 （） ；（） ；（） 结论 利用理想临界直径模型、非线性方程模型和硬 度分布函数模型，对 齿轮钢的淬透性进 行了计算。 研究结果表明：理想临界直径模型和非 线性方程模型计算误差较小，硬度分布函数模型计 算误差偏大。 利用实测端淬硬度值对硬度分布函数 的淬透性系数 h 进行了修正，修正后的硬度分布函 数模型计算精度有了显著提高，可将预测偏差控制 在 范围，适用于 齿轮钢淬透性 计算。 参考文献： 张海霞， 梁建国， 杜显彬， 等美标 齿轮钢的研制 冶金丛刊， （）： - ， ， ， ， （）： - 任清学， 蔡燮鳌窄淬透性高级齿轮钢研发现代冶金， ， （）： - 李茂林， 张 峰我国汽车用齿轮钢性能及其热处理技术的现状 装备制造技术， （）： - ， ， （）： - l 第 卷 殷瑞钰钢的质量现代进展北京： 冶金工业出版社， ， ， （）： 毛玉红， 庄 权， 姜 波钢淬透性化学成分计算方法分析 热加工工艺， ， （）： - ， ， ， （）： - - ， ， （）： - ， ， ， - ， ， ： - 余柏海钢的计算机设计及冶炼成分微调特殊钢， ， （）： - ， ， （）： - 金 满， 连建设， 江中浩结构钢端淬曲线预测新方法金属 学报， ， （）： - ， ， ， ， （）： - 谢玲珍， 王 忠， 周兴国， 等含硼 铸钢的淬透性预测 金属热处理， ， （）： - ， ， ， ， ， （）： - ， ， ， （）： - 李 泰基于人工神经网络的齿轮钢窄淬透性预报模型的研究 冶金丛刊， ， ： - ， ， ： - 白 宁， 刘国权， 宋月鹏， 等中碳结构钢淬透性的两种预报方 法的比较研究金属热处理， ， （）： - ， ， ， - ， ， （）： - ， ， ， （）： - ， ， ， ， ， （）： - ， ， ， ， ， （）： - 宋月鹏， 刘国权， 刘胜新， 等中碳合金结构钢端淬曲线的非线 性方程法模拟材料热处理学报， ， （）： - ， ， ， - - ， ， （）： - 黄 涛， 宋满堂， 梁启华， 等基于非线性方程法的齿轮钢淬透 性计算模型中国冶金， ， （）： - ， ， ， ， ， （）： - 第三期金相检验技术及相关标准培训班 培训名称第三期金相检验技术及相关标准培训班培训时间 年 月 日 主办单位中国机械工程学会热处理分会培训地点上海市机械制造工艺研究所 培训师资 潘健生：上海交通大学 教授、中国工程院 院士 任颂赞：上海市机械制造工艺研究所 教授级高工 朱祖昌：上海工程技术大学 教授陈德华：上海市机械制造工艺研究所 高工 于 晖：上海市机械制造工艺研究所 高工杨华平：上海市机械制造工艺研究所 工程师 培训内容 热处理原理及基本组织； 金相分析常用技术（包括金相制样、显微硬度、扫描电镜基础等）； 金相常规检验方法及标准（包括晶粒度测定、夹杂物评级、常规组织级别评定等）； 常用工程材料的金相检验及相关标准（包括结构钢、轴承钢、不锈钢