工艺仿真丨脉冲渗碳齿圈热处理参数设置及完整案例分析
模型及材料选用介绍：
本案例分析某齿圈齿轮渗碳热处理工艺的完整过程，材料选择20CrMnMo，对应美标S4119，该材料为高强度高级渗碳钢，淬透性好，焊接性差，塑性及韧性稍低，常作为承受巨大冲击载荷，磨损和接触应力的齿轮零部件。
图 1 齿轮模型建模
渗碳工艺介绍：
本案例采用真空渗碳的模式为脉冲式渗碳，即“强渗-扩散”工序的不断往复，真空渗碳具有比传统控温氛围渗碳更高的温度及更短的总时长，在渗碳效率，节能及产品质量保证上都优于传统渗碳方法。
本次工序为预热后加热至渗碳温度进行渗碳，真空渗碳气体采用高纯度的乙炔C2H2及高纯度的氮气N2进行强渗，保证加热过程中奥氏体碳饱和，真空加热保温阶段通入高纯度氮气N2完成扩散，使得奥氏体中固溶的碳有充足时间向心部扩散。这里设置各步强渗工序碳势为0.9%，各步扩散工序碳势为0.86%。
图 2 强渗过程碳势设置
图 3 扩散过程碳势设置
本试样奥氏体化时控制加热速率10°C/min，渗碳压力为500Pa，乙炔流量为3000L/h，渗碳时间最短为强渗75min, 渗扩比1:12，最长为强渗75min, 渗扩比1:22。渗碳比决定渗碳层深度及碳浓度，在Dante中查看结果即可完成对渗碳时间的选择。分析要求表面碳浓度达到0.86%，且硬化层深度不小于2mm。
图 4 渗层深度（齿根）
图 5 渗层深度（齿顶）
该图示为渗扩比差距最小的参数设置所得结果，渗扩比在1:12时可知渗碳层达到0.86%的深度只有约一层网格的深度，本次模型建模方式为每层网格深度方向2mm，因此最短渗扩比可以使得模型刚好达到要求，后续若优化热处理参数可增长改变循环次数及总渗碳时间，如将渗扩比调整为1:16或更长时间。
淬火及回火工艺介绍：
渗碳结束后随炉冷却至淬火温度930°C，保温一段时间后进行真空油淬，此时材料表面硬度应不小于61HRC，该材料的工件渗碳淬火后将具有较高的抗弯强度和耐磨性能，随后进行低温回火处理，获得良好综合力学性能和低温冲击韧度。
图 6 热处理过程及温度曲线
图 7 淬火后硬度分布云图（≥61HRC）
图 8 回火后硬度分布云图（≥57HRC）
本次分析可发现，脉冲式渗碳的高硬度区明显厚于近似工艺近似时间的传统控温氛围渗碳，且两阶段硬度皆优于额定硬度，证明该热处理工序下轮齿部分符合检验需求。同时Dante还可以查看工件在不同时刻下的各组织成分体积分数占比，通过铁碳合金相变验证反应完整与否并判断其工艺合理性。
图 9 加热保温阶段完全奥氏体化状况及其温度曲线(最终奥氏体已全部转变)
图 10 回火冷却完成回火马氏体状况及其温度曲线（回火马氏体在硬化层广布）
工艺仿真前景：
真空渗碳工艺往往采用脉冲式淬火方式，对于实际热处理过程中，可有效改善脱碳问题及内部氧化问题，同时也兼具清洁环保特点。在Dante中对该工艺进行仿真，可特别针对渗碳工艺进行计算，通过碳含量分布结果查看渗碳效果，通过硬度分布情况区分高硬化层区域，对于比对真空脉冲式渗碳及传统控温氛围渗碳热处理的效果有着显著的作用。
