利用JMatPro软件开展C55E钢链板等温淬火工艺的研究
C55E碳素结构钢为欧洲标准EN 10083-2中的一种高强度结构钢，相当于中国的55碳素结构钢，常用于强度和耐磨性要求较高、冲击负荷不大的零件，作为发动机正时链条链板在国内应用得较少而在日本、美国、德国等国家的许多企业已经应用多年。目前，正时链条链板多选用中碳合金弹簧钢51CrV4、超高强度钢 50CrNiMoVA48。51CrV4的化学成分等同于国产50CrV钢，但其稳定性优于50CrV钢，由于Cr和V元素的加人，其具有高的弹性极限和屈强比、高的疲劳极限和足够的塑性。但是，50CrV等合金结构钢材料对热处理时的碳势变化较为敏感，容易在表面形成聚集的碳化物，从而造成链板韧性降低，严重时会导致链板在预拉过程中直接脆断，因此，对于热处理要求比较严格。
相比于单介质淬火，等温淬火可以获得强韧兼备的贝氏体组织，减少链板的变形、降低链板的内应力以及表面缺口敏感性，提高链板的塑性和韧性。目前，国内对50crV等合金钢的等温淬火工艺研究得较多。而国外的相关研究表明，采用接近碳含量的中高碳结构钢进行贝氏体等温淬火处理，得到的强度接近或超过采用同等工艺处理的 50CrV材料。C55E碳素结构钢的热处理方式一般为淬火高温回火，即调质处理，而目前对其贝氏体等温淬火处理工艺的研究很少。
青岛金链检测技术服务有限公司代玉杰等研究人员采用金属材料相图计算和性能模拟软件 JMatPro 获得 C55E 钢链板等温淬火热处理工艺相关参数，根据相关参数制定了等温淬火工艺，并通过现场试验进行了工艺验证，从而可以缩短大量的热处理工艺试验时间，显著提高热处理工艺设计效率。
1、实验材料
表1所示为通过直读光谱分析仪得到的试验用带钢的化学成分。
2、热力学计算
2. 1 平衡相图
使用金属材料相图计算和性能模拟软件JMatPro计算获得 TTA曲线、CCT曲线和TTT曲线，可以获得C55E钢的相变温度。将表1中的成分输人到JMatPro软件中进行热力学计算，计算结果如图1所示。
图1 C55E钢的平衡相图
根据图1中的 C55E钢的平衡相图计算结果，可知该钢种在不同温度下的相组成变化。在高温下C55E钢会析出高温铁素体，随着温度下降，铁素体的数量会逐渐增加，直到C55E钢完全固化。当温度降至1411.5 ℃时，C5E钢将转变为奥氏体，其在高温下形成的铁素体会完全消失。此外，C55E钢的奥氏体转变温度范围为716.8~755.8℃。在室温下C55E钢的平衡相主要由铁素体和渗碳体组成。其中，铁素体占据主导地位，占比达到92.12%;渗碳体占比为7.87%;而MnS相的含量非常少。总体而言，C55E钢的相组成受温度影响较大，在不同温度下，其相组成会发生显著的变化。
2. 2 TTA图计算
使用金属材料相图计算和性能模拟软件JMatPro计算得到 C55E钢的TTA 图。TTA图是指钢在不同的加热速度下其A1温度、A3温度、奥氏体均匀化的温度和时间的关系，即合金的TTA图，如图2所示。由图2可知加热速度对 C55E钢的奥氏体化参数的影响。
图2 C55E钢的TTA图
表2显示了加热速度对C55E钢奥氏体化参数的影响。由表2可知，加热速度对C5E钢奥氏体化参数有着显著影响。随着加热速度增加，C55E钢的A点温度和A,点温度均会上升，表明加热速度越快C5E钢转变为奥氏体的温度范围会相应提高。此外，随着加热速度的增加，C55E钢的奥氏体均勾化温度也会提高，这意味着在高温下，奥氏体的形成会更加均匀。另外，加热速度的增加还会导致奥氏体均匀化时间的缩短，即C55E钢在高温下需要的保温时间会减少。综上所述，加热速度是影响C55E钢加热速度的变化会奥氏体化过程的重要因素之一，大对奥氏体化参数产生显著的影响。
2. 3 TTT图计算
TTT图是钢的过冷奥氏体等温相变曲线，反映了过冷奥氏体的等温相变规律，对制定钢材热处理工艺具有重要指导意义，是科研机构和热处理企业科研生产的必要技术数据。图3所示为通过 JMatPro得到的 C55E钢的TTT曲线。
图3 C55E钢的TTT图
由图3可知，C55E钢在完全奥氏体化后冷却的过程中，铁素体、珠光体和贝氏体先后开始析出其析出的最早温度分别为755.8、726.1、570.8℃马氏体的开始转变温度M、为304.5℃，马氏体转变终了温度Ms为184.7 ℃。C55E钢的TTT曲线出现两个“鼻尖”:第一个“鼻尖”温度为594 ℃，过冷奥氏体在此温度下保温2.63s后有珠光体开始析出:第二个“鼻尖”温度为494℃，过冷奥氏体在此温度下保温0.71s后贝氏体开始析出，贝氏体转变完成时间约为15 min。由图3可知，在此曲线中，可以估算某一温度下贝氏体转变开始的时间和转变结束的时间，也可估算某一时间贝氏体的转变量，由此作为制定 C55E 钢下贝氏体等温淬火试验方案的一个辅助工具。
2. 4 CCT图计算
CCT 图是指钢的过冷奥氏体的连续冷却相变曲线。根据钢的CCT曲线，可知不同冷却速度下过冷奥氏体的转变类型以及最终的性能和组织，还可以确定钢的临界淬火速度，为制定钢的火方法和选择淬火介质提供了重要参考。因此，研究钢的CCT图，对于制定正确的热处理工艺，获得钢的预期性能和结构具有重要的实用价值。图4所示为通过金属材料相图计算和性能模拟软件JMatPro得到的 C55E钢的 CCT图。
图4 C55E钢的CCT图
由图4可知，C55E钢的相变区域分为铁素体转变区、珠光体转变区、贝氏体转变区和马氏体转变区4个区域。图4也给出了不同冷却速度下火C55E钢的力学性能与相组织含量值。由表3可知:当C55E钢的冷却速度在0.01~1℃/s范围内时，随着冷却速度增加，铁素体含量逐渐减少，珠光体含量增加，不会出现贝氏体和马氏体;当冷却速度≥5℃/s时，开始出现贝氏体;随着冷却速度增加，贝氏体的数量增加，而珠光体和铁素体的数量逐渐减少:当冷却速度>105℃/s时，开始出现马氏体;随着冷却速度的继续增大，马氏体的数量逐渐增加，而铁素体、珠光体和贝氏体的数量减少。因此，要想使C55E钢获得90%以上的马氏体，其冷却速度应大于临界冷却速度 50 ℃/s。
3、链板热处理工艺制定
由于链板在链条使用过程中承受交变拉伸、弯曲和冲击载荷，在铰链传动时链板还产生侧向摩擦所以，要求链板应具有良好的综合力学性能。因此，选择对C55E材质的链板进行等温火处理。等温火又称贝氏体等温淬火，它是将钢件加热奥氏体化后快冷到贝氏体转变温度区间等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺。等温淬火的基本目的是使工件具有较高的硬度和强韧性，并减少工件淬火时产生畸变和开裂的危险。
3. 1 加热温度和时间
一般取淬火加热温度范围的上限或略高(例如碳钢及一些低合金钢，由于淬透性较差，其淬火加热温度可比普通淬火温度高30~80℃)，因此，根据JMatPro获得的A3温度，C55E钢淬火温度设定为850 ℃。
3. 2 等温温度和时间
等温温度应根据工件的性能要求，参考所用钢种的等温转变图来选定。等温温度越低，下贝氏体硬度越高。一般等温温度为Ms~(Ms+30℃)，而且较低的温度下，贝氏体相变的形核驱动力和奥氏体在等温时的屈服强度都会增大，而这两者是获得细小贝氏体板条的决定性因素。因此，根据JMatPro软件计算获得的Ms温度，设定链板的等温温度为310℃。
3. 3 试验验证
经过热处理后，随机抽取试样进行磨制、抛光，然后使用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，并用蔡司光学显微镜观察试样的显微组织，如图5所示。由图5可知，链板组织主要由下贝氏体、马氏体和残余奥氏体组成。深色针状区域表示已发生相变形成的下贝氏体组织，而白色区域和浅灰色区域则是未经过相变的富碳奥氏体或富碳奥氏体与后续空冷转变成的二次马氏体的混合组织。需要注意的是，在这些区域中存在一定数量的未转变的奥氏体，这是因为随着碳的扩散，这些奥氏体变得更加稳定，相变驱动力降低而不再发生相变。
图5 链板金相组织500×
随机抽取链板 10件进行洛氏硬度检测，硬度值在 51~52 HRC范围内，硬度散差小，比较均匀，完全满足 48~53 HRC的标准要求。
齿形链的抗拉强度按 JB/T 10348-201320的规定检测，链条的抗拉强度平均值为7.1kN，满足标准要求。
疲劳寿命按 GB /T 20736-2006规定进行，所施加的纵向载荷在上限1000 N和下限100 N之间做正弦循环变化。试验在自主研制的封闭力流式链条高速试验台上进行。试验链条均预跑合3 min(1 200 r/min,F=400 N)，主动链轮齿数z1=17，从动链轮齿数z2=34，压力喷油润滑，油温40~50℃。主动链轮转速n=7 000 r/min，试验转矩 T=4.0N·m，试验时间均为 100 h。在IZC-500型链条中心距测量仪上测量链长，测量载荷100 N。其疲劳寿命≥1×107次，超过采用同等工艺处理的 50CrV材料。
4、结语
1)利用金属材料相图计算和性能预测软件JMatPro得到C55E钢的奥氏体转变终了温度A3为755.8℃，奥氏体转变开始温度A1为716.8℃，马氏体的开始转变温度Ms为304.5 ℃。
2)根据获得的相变点温度，C55E钢的等温淬火工艺为:淬火温度850 ℃，等温温度310℃，等温时间 25 min，硬度值在 51~52 HRC范围内，硬度散差小，相比于按照经验设计的等温淬火工艺，利用JMatPro制定的等温淬火工艺，其淬火加热温度低、等温时间短。
3)等温淬火后链板硬度满足要求，其链条的强度、疲劳等性能超过采用同等工艺处理的50CrV 材料。因此，借助于JMatPro软件制定C55E钢链板等温淬火热处理工艺，可以缩短大量的热处理工艺试验的时间，显著提高热处理工艺设计的效率。
参考文献：代玉杰,王魁.利用JMatPro软件进行C55E钢链板等温淬火工艺的研究[J].机械传动,2024,48(06):147-152.
JMatPro软件一套功能强大的金属材料相图计算与材料性能模拟软件，尤其适用于实际工业的多组分合金。使用JMatPro可以设计合金成分、开发新合金和改进各种热处理工艺等，也可用于与各种CAE软件（DEFORM、FORGE、ProCAST、Magma、Sysweld、Thercast等）一起进行工艺流程设计与仿真。
JMatPro软件主要功能包括：（1）平衡相图计算；（2）凝固及材料性能计算；（3）材料热物性能计算；（4）机械性能计算；（5）相转变动力学计算；（6）材料优化设计；（7）API功能；（8）MPO功能。
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