大型回转体锻件淬火过程数值模拟

2014-08-29北京奇峰聚能科技有限公司光伏材料与技术国家重点实验室100010孔德群裴艳敏邢立业

金属加工(热加工) 2014年7期

北京奇峰聚能科技有限公司光伏材料与技术国家重点实验室（100010）孔德群裴艳敏崔焘邢立业

大型锻件热处理过程中温度场和组织场分布及其变化极不均匀，因此产生较大的瞬时应力和残余应力，进而使工件产生较大的变形甚至开裂。计算机数值模拟技术可以揭示热处理过程中零件内部的瞬态温度场、组织变化、内应力或深层浓度变化等模拟采用温度-相变-应力/应变三者耦合的算法。热处理过程计算机模拟所用的软件有ABAQUS、ANSYS、MARC等通用有限元软件，还有日本的HEARTS、美国的DERFORM-HT、瑞典的TRAST，以及我国清华大学的NSHT、上海交通大学的SJTU-CARBCAD等专业软件。

本文利用DERFORM-HT软件模拟分析了低碳合金钢大型锻件在淬火加热过程中温度场、组织场和应力场的变化，根据模拟结果预测和揭示锻件淬火加热过程中的规律，从而为加热保温时间的选择提供参考依据，达到优化工艺、缩短生产周期和降低生产成本的目的。

1.模拟过程

（1）建模使用Pro-E软件建立回转体的三维模型，回转体外径620mm，轴长850mm。回转体为轴对称，为简化计算时间，选取其1/18模型导入DERFORM-HT，划分2万个单元格（见图1），进行数值模拟分析。

图1 回转体三维模型

（2）选材回转体的材质为合金钢20Cr2Ni4，DERFORM-HT数值分析选择软件数据库里BS-655M13钢，其合金成分接近，C、Cr含量略有差异，见附表。

合金的化学成分（质量分数）（%）

（3）热处理工艺回转体淬火工艺参数为：空气电阻炉中加热，淬火温度850℃，升温阶段在450℃、650℃分别设置保温台阶2h，650℃以下升温速度50℃/h，650℃以上升温速度100℃/h。以850℃保温时间为变量，通过相应的结果与分析，优化选择保温时间。

2.模拟结果

（1）台阶保温阶段 450℃保温2h时的温度、应变及应力场见图2，回转体内外温差较小，但存在应力集中，主要分布在沟槽、台阶及心部等处，大部分应力在100MPa以上，局部最高达到200MPa左右。650℃保温2h时的温度场、应力及应变见图3，内外温差为15℃，回转体内部仍存在应力集中，应力水平有所下降，大部分应力在50～100MPa，最高达120MPa左右。

图2 450℃保温2 h

图3 650℃保温2h

（2）奥氏体转变初始如图4所示，只有轴头和台阶凸起的上部发生部分组织转变。由于此时升温较快，回转体内外最大温差约50℃，外径与心部温差约30℃。应力主要集中在沟槽、台阶及心部等处，而应力水平较低，最高60～70MPa。

（3）850℃保温过程 850℃保温2h后回转体的温差进一步增大，应力水平很低，奥氏体转变体积增大，轴部和槽部凸起台阶部分的奥氏体转变基本完成，中部的奥氏体转变量是距离心部距离的函数。此时热膨胀引起的体积增大与组织转变引起的体积减小趋于抵消平衡。850℃保温4h后回转体的温差仍很大，约60℃；不过应力水平很低，低于50MPa；轴部和台阶凸起部分奥氏体转变完全，其他部分也接近完成，均在96%以上。相比奥氏体转变引起的体积减小，热膨胀引起的体积增大占主导地位，回转体的体积膨胀分数为3.05%（见图5）。

（4）奥氏体转变完全 850℃保温4h50min时回转体的奥氏体转变全部完成（见图6），此时回转体的温差缩小，约30℃；回转体内部应力水平进一步降低，低于40MPa；热膨胀引起的体积增大仍占主导地位，回转体的体积膨胀分数为3.17%。随着保温时间延长，温差进一步缩小，应力也降低，如图7所示。 850℃保温7h时内外温差仅5℃，大部分应力20MPa，局部最大应力也低于40MPa。

3.结语

本文以大型回转体锻件淬火加热过程的温度场与应力场变化为研究对象，以850℃保温时间为变量，通过结果与分析来优化850℃保温时间，以期为热处理工艺实践提供参考。根据模拟分析结果，加热阶段要缓慢升温，以防热应力过大引起产品缺陷，推荐的保温时间为6～6.5h。经实践证明，在850℃加热6.5h，热处理后回转体的晶粒度、金相组织与力学性能，以及产品合格率均符合指标要求。