以3种Cr?Ni?Mo系齿轮钢为研究对象，通过端淬试验和JMatPro软件计算两种方式获得了3种Cr?Ni?Mo系试验钢的淬透性。结果表明，SAE8620钢淬透性最高，3420H钢次之，20Cr?Ni?Mo钢最低。
另外，通过模型定量研究了C、Mn、Cr、Ni、Mo等元素含量变化和奥氏体晶粒度级别变化对Cr?Ni?Mo系齿轮钢距淬火端9mm位置淬透性的影响，结果显示C、Mn、Cr、Ni、Mo含量每提高0.01% , 距淬火端9mm 位置硬度分别增加约0.52 、0.14 、0.27 、0.12 和0.33HRC, 而随奥氏体晶粒度级别的增加，Cr-Ni-Mo系齿轮钢距淬火端9mm位置硬度整体呈现先下降后稳定的趋势。
Cr?Ni?Mo系齿轮钢属于齿轮钢中的重要钢种系列，除C元素外，主要通过Cr、Ni、Mo合金元素含量控制实现目标性能。
Cr-Ni-Mo系齿轮钢应用在汽车领域，具有淬透性好、耐冲击的特点，如20CrNiMo、SAE8620、17CrNiMo6等都是典型汽车用Cr-Ni-Mo系齿轮钢；另外，在风电、高铁等领域应用的18CrNiMo7-6也是典型的Cr-Ni-Mo系齿轮钢，具有更高的Cr、Ni含量，相应的淬透性也更高。
淬透性在齿轮钢生产和应用中具有重要作用，合适的淬透性不仅可以保障材料热处理后的性能，还可以实现变形的有效控制，而Cr-Ni-Mo系齿轮钢制成的 工件尺寸一般都较大，服役环境比较苛刻，其对淬透性的要求更严格。
为有效控制齿轮钢淬透性，国内外研究人员已开展了许多研究，包括淬透性预测模型、预测方法研究, 良好淬透性材料开发, 窄淬透性带宽控制等。在淬透性影响因素研究中，已有的报道主要在微合金化元素、残余元素等对齿轮钢淬透性的影响方面。
马莉等研究了铌硼微合金化对20CrMnH齿轮钢的影响，发现添加0.0008%的B能够显著提高钢的淬透性，使淬透性不因晶粒细化及Nb(C,N)析出而降低；柳洋波等研究了Nb含量对20CrMnTi钢淬透性的影响，得出不同Nb含量试样的端淬硬度分布比较接近；
刘年富等研究了V对高温渗碳SCM420H齿轮钢组织和淬透性的影响，得出满足淬透性要求的V合理控制范围；残余元素的影响，目前报道较多的是B元素对20CrMnTi钢淬透性的影响，为保障20CrMnTi齿轮钢窄淬透性带宽的控制，B含量需要控制在一定范围内 ;
He等对Mn-Cr齿轮钢的研究得出，B大大提高了淬透性，但其效果并不稳定；而其他元素成分对淬透性的影响研究，主要以对20CrMnTi齿轮钢淬透性影响研究为主，在针对Cr-Ni-Mo系齿轮钢淬透性系统研究方面的报道还相对较少。
Cr-Ni-Mo系齿轮钢涉及可提高淬透性的合金元素较多，包括C、Mn、Cr、Ni、Mo等，有时可能还伴随B、V等残余元素，在针对Cr-Ni-Mo系齿轮钢淬透性研究时，需要结合各元素在Cr-Ni-Mo成分体系下对淬透性的影响程度分析。本文基于Cr-Ni-Mo系成分体系，定量化研究齿轮钢淬透性，获得主要合金元素对淬透性的影响程度，以及奥氏体晶粒度在淬透性控制中的作用，可为齿轮钢窄淬透性控制和主要合金成分调整提供借鉴。
试验材料与方法
试验材料:
试验材料为Cr-Ni-Mo系齿轮钢棒材，涉及3种试验钢，其主要化学成分如表1所示。
表1 3种Cr-Ni-Mo系试验钢的主要化学成分(质量分数，％)
淬火试验方案:
为研究Cr-Ni-Mo系齿轮钢淬透性及其影响因素，利用末端淬火试验分析3种试验钢的淬透性。
分别在3种试验钢棒材R/2位置切取末端淬火试验毛坯试样，经 910~930℃正火处理后加工成末端淬火试样，如图1(a)所示。
随后对各试样进行末端淬火试验，淬火结束后，在平行于试样轴线方向磨出两个平行的长条形平面，磨削深度为0.4~0.5mm, 最后分别在两个平面上测量距离淬火端1.5 、3 、5 、7 、9 、11 、13 、15 、20 、25 、30 、35mm处的洛氏硬度，如图1(b)所示
采用的硬度检测设备为HP-250型洛氏硬度计，试验依据GB/T230.1—2018《金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》执行，载荷砝码10kg,保荷时间5~10s , 根据硬度结果分析各试验钢的淬透性。
图1 末端淬火试样示意图(ａ)及硬度检测方案(ｂ)
试验结果与分析
Cr-Ni-Mo系齿轮钢淬透性:
Cr-Ni-Mo系齿轮钢淬透性试验结果
根据3种Cr-Ni-Mo系齿轮钢末端淬火试样各位置的硬度结果，得到3种试验钢的淬透性曲线，如图2所示。从淬透性曲线可以看出，3种试验钢在距淬火端3mm以内，硬度最高，基本在44～48HRC，之后随着距淬火端距离的增加，硬度快速降低，在距淬火端15mm后，硬度随距淬火端距离的增加缓慢降低，在距淬火端35mm时，硬度值降至17～25HRC。
图２ ３种试验钢的淬透性曲线
从图2还可以看出，3种Cr-Ni-Mo系齿轮钢的淬透性曲线分布不同。末端淬火试样最高硬度与试样碳含量有关，而淬透性曲线中硬度变化斜率代表了试验钢淬透性的高低，试验钢淬透性越高，则硬度快速降低的位置距淬火端越远，淬透性曲线斜率变化更小。
3种试验钢中，3号钢的淬火端硬度最高，2号钢的淬透性曲线斜率变化最小，而1号钢的淬透性最低，其距淬火端3mm以上位置的硬度均明显低于其他2种试验钢。
Cr-Ni-Mo系齿轮钢淬透性计算结果
淬透性预测模型是研究齿轮钢淬透性的重要方法，学者们建立了多种淬透性计算模型及修正模型用于计算和分析齿轮钢的淬透性，如临界直径法、非线性方程法、硬度分布函数法等。另外，还有专业的热力学软件可用于计算钢的淬透性，并表现出较好的计算精度。
根据3种Cr-Ni-Mo系试验钢成分，利用JMatPro计算各试验钢的淬透性曲线，结果如图3所示。
从图3可以看到，3号钢的淬火端硬度最高，达到48HRC，2号钢淬火端硬度次之，1号钢的淬火端硬度最低。从整体淬透性曲线来看，1号钢的硬度相对较低，而2号钢、3号钢的硬度相对较高，并且2号钢和3号钢的淬透性曲线比较接近。
图3 3种试验钢的淬透性曲线计算结果
将3种试验钢淬透性计算结果与图2的实测结果对比，可以看出淬透性计算结果与实测结果规律基本一致，2号钢、3号钢的淬透性相对较高，且曲线接近，而1号钢的淬透性相对较低。
因此，对于Cr-Ni-Mo系齿轮钢，在一定条件下可以通过计算的方法表征钢的淬透性，以节约试验成本，并可用于分析某参数变化对淬透性的影响。
淬透性计算结果偏差及改进
１）淬透性计算结果偏差
将计算得到的3种试验钢距淬火端5、９、15、25ｍｍ位置淬透性结果与实测值进行对比，各位置偏差结果如表2所示。从图2、图3和表2可以看出，虽然计算获得的3种试验钢的淬透性曲线变化规律与实测结果规律基本一致，但各典型位置的硬度计算值与实测值存在一定偏差。
表２ ３种试验钢淬透性计算结果偏差(HRC)
1号钢距淬火端5、9ｍｍ位置的淬透性计算结果与实测结果偏差较大，分别为3.3HRC和3.6HRC，而15、25ｍｍ位置的计算结果偏差相对较小，均在1HRC以内；2号钢典型位置淬透性的计算值与实测值偏差均较大，都超过了2HRC，且距淬火端９、15ｍｍ位置的偏差都达到了4.4HRC；3号钢典型位置淬透性偏差在1.8～3.0HRC之间，最大淬透性偏差在距淬火端15ｍｍ处。
２）淬透性计算结果改进
计算齿轮钢淬透性有多种方法和模型，不同方法或模型的计算精度和适应对象有所不同，合适的淬透性计算模型可以实现对淬透性的有效准确预测。
曹燕光等利用理想临界直径法、非线性方程法和硬度分布函数等方法对SAE8620H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，发现各预测模型均存在计算某些位置硬度时精度较高，但计算另外一些位置硬度时偏差较大的情况，各模型不能准确计算全淬透性曲线，而硬度分布函数模型经修正后，其距淬火端5、9、15ｍｍ等位置硬度计算误差均小于2HRC，整体预测精度高，可适用于SAE8620H齿轮钢淬透性计算。
考虑到试验钢主要合金元素与SAE8620H钢成分近似或一致，因此，可利用该修正模型计算试验钢淬透性，并研究淬透性影响因素。
Cr-Ni-Mo系齿轮钢淬透性影响因素分析:
化学成分对淬透性的影响
利用修正的硬度分布函数模型对Cr-Ni-Mo系齿轮钢淬透性进行研究，定量分析钢中主要合金元素(C、Mn、Cr、Ni、Mo)对齿轮钢淬透性的影响程度，并进一步说明3种Cr-Ni-Mo系试验钢的淬透性。
结合20Cr-Ni-Mo钢成分，通过调整C、Mn、Cr、Ni、Mo含量，利用模型计算各成分条件下距淬火端9ｍｍ位置的硬度，结果如图4所示。
可以看出，距淬火端9ｍｍ位置硬度随着C含量的增加明显增大，在0.17％～0. 23％范围内，C含量每提高0.01％ ，硬度值平均提高约0.52HRC，同时，随着Mn、Cr、Ni和Mo含量的单独增加，距淬火端9ｍｍ位置硬度值也相应增加，Mn、Cr、Ni、Mo含量每提高0.01％，距淬火端9ｍｍ位置硬度分别增加约0.14、0.27、0.12、0.33HRC。
结合各元素含量对距淬火端9ｍｍ位置硬度的影响，在Cr-Ni-Mo齿轮钢体系中，提高淬透性能力较强的是Ｃ、Mo、Cr元素。
图４ 成分变化对20CrNiMo钢距淬火端9ｍｍ位置硬度的影响
结合表1中3种试验钢的成分，与1号钢相比，2号钢、3号钢的C、Mn、Cr、Ni、Mo含量都相对更高，根据２号钢、3号钢各主要合金元素含量的增量，可以计算得到与1号钢相比，２号钢、３号钢距淬火端9ｍｍ位置硬度增加值分别达到４.95HRC和3.56HRC，实测结果显示2号钢、3号钢淬透性硬度值分别增加7.6HRC和4.4HRC，较计算结果偏高，但计算结果与实测结果的淬透性变化规律一致，2号钢、3号钢距淬火端9ｍｍ位置硬度更高。
奥氏体晶粒度对淬透性的影响
奥氏体晶粒度对钢的淬透性有影响，晶粒尺寸越大，单位体积内晶界面积减小，使得扩散型相变的形核位置减少，推迟过冷奥氏体相变发生，从而可提高钢的淬透性。 目前已有许多关于晶粒尺寸对淬透性影响的研究，对于CrNiMo系齿轮钢也有针对性研究，并获得了晶粒度(Ｇ)与端淬硬度(Ｈ)之间的定量关系：
根据式(1)～式(３)，齿轮钢晶粒度每提高1级，距淬火端5、9和15ｍｍ位置端淬硬度分别下降约1.9、4.0和1.3HRC，距淬火端9ｍｍ处硬度受晶粒度的影响更为显著。
利用JMatPro软件计算3种CrNiMo试验钢在不同晶粒度下距淬火端9ｍｍ位置的硬度，结果如图5所示。
从图5可以看出，随着3种齿轮钢晶粒度级别的增加，距淬火端9ｍｍ位置硬度整体呈现下降的趋势，晶粒度8～9级以下时，距淬火端9ｍｍ 位置硬度随晶粒度等级的增加快速下降，而晶粒度级别较高时，硬度变化变缓，趋于稳定。
并且，晶粒度等级较小时，晶粒度每增加1级，1～3号钢距淬火端9ｍｍ位置的硬度分别下降约4.1、3.8、3.9HRC，这与公式(２)给出的晶粒度影响程度基本一致。
图5 晶粒度变化对3种试验钢距淬火端9ｍｍ位置硬度影响的计算结果
结 论
１）3种Cr-Ni-Mo试验钢中，3420H钢末端淬火试验的淬火端硬度最高，SAE8620钢的整体淬透性最好，其淬透性曲线斜率变化最小，而20CrNiMo钢的淬透性最低，除淬火端附近硬度外，该钢其他位置硬度均明显低于另两组试验钢。
２）在Cr-Ni-Mo系齿轮钢中，提高淬透性能力较强的合金元素为C、Mo、Cr。根据计算，C 、Mn、Cr、Ni、Mo含量每提高0.01％，距离淬火端9ｍｍ位置的硬度分别增加约0.52、0.14、0.27、0.12、0.33HRC。
３）随着Cr-Ni-Mo系齿轮钢晶粒度级别的增加，距淬火端9ｍｍ位置硬度整体呈现下降的趋势，晶粒度在8～9级以下时，试验钢距淬火端9ｍｍ位置硬度随晶粒度等级的增加快速下降，当超过该晶粒度级别时，距淬火端9ｍｍ位置硬度变化变缓，趋于稳定。
参考文献：略
作者简介：何肖飞（１９８６—），男，高级工程师，博士，主要研究方向为材料研发及冶金质量控制
来源：金属热处理