H13鋼淬火工藝的有限元模擬

文/ 韓非，蔣曉梅，趙先鋒·內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)公司

韓桐·大慶油田工程建設(shè)有限公司

H13鋼淬火工藝的有限元模擬

文/ 韓非，蔣曉梅，趙先鋒·內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)公司

韓桐·大慶油田工程建設(shè)有限公司

H13鋼是采用美國(guó)AISI-SAE統(tǒng)一編號(hào)的鋼材，要求有高的熱穩(wěn)定性、高溫強(qiáng)度、耐熱疲勞性以及耐磨性。相當(dāng)于我國(guó)的4Cr5MoSiV1鋼，屬于中合金超高強(qiáng)度鋼，是高溫綜合性能較好的熱作模具鋼，其化學(xué)成分見表1。該鋼具有較好的強(qiáng)度和硬度，中溫時(shí)依然能保持較好的強(qiáng)度和硬度的穩(wěn)定性。正是這種良好的綜合性能，H13鋼被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于制造模鍛錘的鍛模、熱擠壓模具與芯棒、精鍛機(jī)用模具、鑲塊以及鍛造壓力機(jī)模具、銅及其合金的壓鑄模等。

這類鋼鉻含量大約在5%左右，同時(shí)加入適量的鉬、釩、硅等元素。由于鉻含量較高，因而具有較高的淬透性，鉬的加入將進(jìn)一步提高鋼的淬透性。此外鉻和硅等元素的加入提高了鋼的抗氧化性，同時(shí)也有利于提高其熱疲勞性能。釩的加入可加強(qiáng)鋼的二次強(qiáng)化現(xiàn)象，增加熱穩(wěn)定性。如果加熱不當(dāng)易產(chǎn)生熱裂紋，溫度過(guò)高易發(fā)生晶粒粗大從而導(dǎo)致脫碳，其鍛造溫度范圍也窄，高溫、低溫鍛造時(shí)易產(chǎn)生角部裂口。合金成分較高，導(dǎo)熱性差，加熱時(shí)應(yīng)緩慢。因此應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行加熱、預(yù)熱、保溫各個(gè)階段的工藝控制，其中熱處理工藝中的淬火是整個(gè)熱處理工藝的關(guān)鍵階段，是芯棒鍛造之后的首次淬火，淬火工藝的穩(wěn)定性直接影響鋼后續(xù)熱處理的進(jìn)行及組織性能，因此研究H13鋼淬火階段的溫度變化具有重要的實(shí)際意義和指導(dǎo)作用。

試驗(yàn)方案

用計(jì)算機(jī)對(duì)H13鋼芯棒進(jìn)行模擬前，本文采用3D建模軟件PRO/E對(duì)H13鋼芯棒進(jìn)行軟件建模，保存為igs格式導(dǎo)入visual-environment軟件中的visual-mesh模塊進(jìn)行有限元的網(wǎng)格劃分。本文模擬的H13芯棒尺寸為φ350mm×12m，為了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確，用visual-mesh對(duì)芯棒表面劃分為10層，2D和3D單元總共劃分為22808個(gè)，所有單元均為六面體單元，X、Y、Z三個(gè)方向約束20482個(gè)節(jié)點(diǎn)，考慮到實(shí)際情況及計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，沿H13芯棒的長(zhǎng)度方向劃分為10個(gè)部分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

表1 H13熱作模具鋼的化學(xué)成分

圖1 H13鋼網(wǎng)格劃分及節(jié)點(diǎn)選取

從圖1中可以看出，對(duì)劃分完網(wǎng)格的模型從長(zhǎng)度的一半選取橫截面，在橫截面上沿半徑方向由外到內(nèi)依次選取41041、41042、41177、41287、41397、 41507、41617、41727、41837、41947、42057、42166、42261、42307、42429、42487、42514、42606、42633、42647、42691、42692、42693、42689、42687等25個(gè)節(jié)點(diǎn)。

為了便于對(duì)比分析，本文采用的淬火工藝主要有兩種，工件規(guī)格為φ350mm×12m，入水前溫度為950℃，水溫為20℃，空氣溫度為20℃，具體試驗(yàn)方案如下：

⑴方案1。水冷80s→空冷80s→水冷80s→空冷80s→水冷80s→空冷80s→水冷80s→空冷80s→水冷80s。

⑵方案2。水冷120s→空冷120s→水冷120s→空冷120s→水冷120s→空冷2h。

結(jié)果分析與討論

將ASC格式的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到sysweld軟件，利用sysweld軟件中的熱處理模塊進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，Y軸方向從下向上分別為圖1中從外向內(nèi)的節(jié)點(diǎn)曲線，每條曲線分別為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度變化曲線，外層節(jié)點(diǎn)平均間距為5mm，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)平均間距為10mm。從曲線的整體趨勢(shì)來(lái)看，在水冷階段初期曲線出現(xiàn)了急劇的下滑，然后趨于平緩，在接下來(lái)的空冷階段由于材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)作用，曲線出現(xiàn)了迅速上升。

隨著水冷與空冷的交替進(jìn)行，曲線的每個(gè)下降峰逐漸趨于平緩，峰值逐漸減小，同樣曲線上升階段的峰值也隨著水冷與空冷的交替進(jìn)行而逐漸右移并減小，在空冷階段隨著水冷與空冷的進(jìn)行，H13鋼的溫度逐漸降低，材料的回溫越來(lái)越充分。

水冷階段隨著冷卻的進(jìn)行H13鋼的冷卻速率逐漸增大，說(shuō)明在低溫階段H13鋼降溫的速度更大。同時(shí)對(duì)材料表面的溫度進(jìn)行紅外測(cè)試，把試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表2。同時(shí)從方案1的曲線圖中可以看出，沿模型的半徑方向回溫的情況逐漸不明顯，當(dāng)?shù)竭_(dá)第七個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，曲線的波動(dòng)變小趨于一條直線，說(shuō)明淬透深度大約在30mm左右。在方案2的曲線中，當(dāng)?shù)竭_(dá)第十二個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，曲線波動(dòng)趨緩，在1505s以后回溫曲線與降溫曲線重合，變?yōu)橐粭l直線，材料的降溫呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢(shì)，表明材料從1505s之后內(nèi)外溫度趨于一致，淬透深度在60mm左右。表2中W80代表水冷80s，A80代表空冷80s，表3同理。

表2、3中的數(shù)據(jù)表明模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果基本吻合，平均誤差在10%以內(nèi)。對(duì)比兩種淬火工藝可知，采用方案2中的淬火工藝，材料的淬透深度要大于方案1中的淬透深度，從溫度變化曲線上分析可知，水淬及空淬的時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)材料淬透深度的影響很大。

圖2 溫度變化曲線

表2 方案1實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比 （單位/℃）

表3 方案二實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比 （單位/℃）

結(jié)束語(yǔ)

⑴通過(guò)對(duì)尺寸為φ350mm×12m的H13鋼鍛造芯棒淬火過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬，發(fā)現(xiàn)在低溫階段H13鋼的回溫更充分。

⑵通過(guò)對(duì)水冷階段的分析研究，在低溫階段H13鋼的降溫速率更大，方案1淬透深度為30mm左右，方案2中在1505s以后，材料內(nèi)部的降溫及回溫程度趨于平衡，淬透深度為60mm左右。

⑶通過(guò)對(duì)材料表面進(jìn)行紅外測(cè)溫，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬能較真實(shí)地反映實(shí)際情況。