哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
本文以航空发动机齿轮钢15Cr14Co12Mo5Ni2W钢为对象，研究了其在真空
渗碳过程中的组织及相组成、相成分变化，建立了15Cr14Co12Mo5Ni2W钢真空
渗碳过程的碳浓度分布计算模型并利用试验对计算模型的准确性进行了验证，最
终开发了工艺模拟应用软件，为15Cr14Co12Mo5Ni2W钢真空渗碳工艺的制定提
供了依据。
进行了15Cr14Co12Mo5Ni2W钢的相关热力学计算，获得了各个温度热平衡
状态下材料的相组成及相成分情况，制成了材料奥氏体中碳浓度随温度及材料中
总碳浓度变化的数据集。
设计了15Cr14Co12Mo5Ni2W钢真空渗碳强渗试验，结果表明，经过强渗后
的材料表面碳化物逐渐长大密集，强渗80s即可形成堆叠状生长，碳化物的成分
主要为Cr、Mo元素，且碳化物与基体之间的元素浓度发生突变并不存在过渡区，
进一步研究表明碳化物的类型为MC（低碳浓度）以及MC（高碳浓度），随
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着碳浓度增加快速冷却后表面的残余奥氏体含量不断增加。在两种碳化物转变点
附近碳浓度分布曲线上存在拐点，且随着强渗时间增加拐点趋于明显。Co元素随
着强渗时间增加趋向于向远离渗碳表面方向扩散，Fe、Cr元素趋向于向渗碳表面
富集。
设计了15Cr14Co12Mo5Ni2W钢真空渗碳扩散试验，结果表明，经过真空渗
碳强渗过程后进行扩散会使材料表面的碳化物发生溶解，长时间扩散过程后表面
仅余纳米级碳化物。在扩散过程中，原有强渗过程表面产生的MC随碳浓度降
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低重新转变成MC。扩散后再次强渗将会重新产生MC，碳化物的形成伴随着
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基体中合金元素的减少，同时合金元素在试样真空渗碳扩散过程中均发生了上坡
扩散过程。
设计了长时间多周期的真空渗碳及后续热处理试验，结果表明，经过多周期
的真空渗碳后试样碳浓度分布曲线上的拐点明显，碳化物在渗碳层中出现了分区，
分别是靠近表面附近的细密的碳化物区、稍远离表面的网状碳化物区、较远离表
面的点状碳化物区以及心部区。经过高温回火后试样表面碳化物聚集长大符合
Ostwald熟化理论，经过淬火保温后试样表面碳化物大部分溶解。高温回火过程
会使碳浓度分布曲线上的拐点消失，但整体上碳未发生大范围的扩散，而淬火过
程由于高温会明显改变材料中碳浓度的分布。
I
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
建立了15Cr14Co12Mo5Ni2W钢真空渗碳强渗及扩散过程的物理模型，提出
了考虑碳化物对碳扩散过程影响的碳分布计算模型。提出了分段富化率的概念作
为真空渗碳强渗过程碳吸收的边界条件，通过试验测定了碳浓度与分段富化率的
关系。采用Boltzmann-Matano方法的变化形式推导出计算有效扩散系数的试验方
法。并通过实际测定的碳浓度分布曲线给出了计算获得的奥氏体中碳浓度的计算，
最终根据碳浓度分布曲线拟合获得了15Cr14Co12Mo5Ni2W钢真空渗碳的有效扩
散系数，拟合结果证明扩散系数随着材料中碳浓度的变化存在突变点，该突变点
的C浓度为1.71wt.%，对应于MC与MC的相变点。
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采用克兰克-尼科尔森有限差分格式对计算模型进行了数值求解，利用Octave
软件进行矩阵编程，采用追赶法求解三对角矩阵大大提高计算速度。利用试验对
计算模型的计算结果进行验证，证明计算模型具有一定的应用性。最终制作计算
软件应用于实际。