熱鍛模具堆焊用材RMD248熱處理參數(shù)計(jì)算及工藝優(yōu)化

滕樹滿 朱勇

(廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司，廣西545002)

關(guān)鍵字：鐵基合金RMD248；熱物理性能；工藝優(yōu)化；熱鍛模具

模具是重工業(yè)之母，提高大型、重載熱鍛模具的服役壽命成為當(dāng)下的研究重點(diǎn)[1]。由于受到高溫高壓與熱循環(huán)，服役一段時(shí)間后熱鍛模具不可避免地將產(chǎn)生疲勞裂紋、磨損、塑性變形等失效，降低熱鍛生產(chǎn)的質(zhì)量[2]。因此，采用合適的工藝修復(fù)失效模具尤為重要。相較于其余修復(fù)工藝，堆焊修復(fù)熱鍛模具成本低、效率高、質(zhì)量好，具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。近年來，材料工作者對(duì)熱鍛模具堆焊用材及堆焊工藝進(jìn)行了研究，取得了一定成果。

由于高強(qiáng)度、高韌性等優(yōu)勢(shì)，鐵基合金RMD248被廣泛應(yīng)用于熱鍛模具堆焊修復(fù)制造[4]。但受限于實(shí)物試驗(yàn)成本較高等因素，該合金的性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)仍不豐富，阻礙了工藝的進(jìn)一步優(yōu)化。而應(yīng)用材料熱力學(xué)計(jì)算軟件JmatPro可實(shí)現(xiàn)該合金的性能參數(shù)計(jì)算、預(yù)測(cè)，豐富合金熱物理性能數(shù)據(jù)庫(kù)，為該合金堆焊工藝及模具熱處理優(yōu)化提供基礎(chǔ)性指導(dǎo)[5]。本文采用熱力學(xué)軟件JmatPro7.0對(duì)RMD248合金的熱處理參數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并基于所獲得的熱處理參數(shù)和DEFROM-3D軟件，模擬并分析了不同工藝參數(shù)設(shè)置對(duì)某采用該種合金制造的大型熱鍛模具淬火過程的影響，以實(shí)現(xiàn)該熱鍛模具的熱處理生產(chǎn)質(zhì)量?jī)?yōu)化。

1 合金熱處理參數(shù)模擬計(jì)算

1.1 平衡相的熱力學(xué)計(jì)算

鐵基焊材RMD248的化學(xué)成分如表1所示。將化學(xué)成分輸入JmatPro軟件并根據(jù)熱力學(xué)原理計(jì)算自動(dòng)繪制RMD248合金從0～1600℃平衡相圖，如圖1所示。根據(jù)鐵基合金RMD248的平衡相圖可知，相圖共有9個(gè)相區(qū)，主要為液相區(qū)、奧氏體區(qū)和鐵素體區(qū)。該鐵基合金的奧氏體化臨界溫度Ac1=617.36℃，Ac3=782.31℃。當(dāng)加熱溫度達(dá)到1477.85℃時(shí)鐵基合金完全熔化至液態(tài)，即液相線溫度；由液相線溫度降溫至1404.92℃時(shí)，鐵基合金發(fā)生完全固液相變轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗鄪W氏體。

表1 鐵基焊材RMD248的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of iron-basedwelding material RMD248 (mass fraction, %)

為了研究該合金在室溫下的相組成，將圖1(a)的平衡相圖左下角進(jìn)行局部放大，得到如圖1(b)所示的鐵基合金RMD248在室溫下的平衡相圖。據(jù)此可得，該合金在室溫下的相組成及組成含量分別為：鐵素體87.01%、M23C64.86%、Laves相3.1%、G相(一種關(guān)于Mn、Ni、Si、Cr等一類的金屬間化合物)2.9%、奧氏體2.04%、M3P0.0785%、MNS0.0109%。

(a)鐵基合金RMD248在0～1600℃平衡相圖

1.2 連續(xù)加熱奧氏體化TTA曲線的熱力學(xué)計(jì)算

TTA圖是材料在連續(xù)加熱過程中奧氏體形成的動(dòng)力學(xué)圖，該圖描述了焊材在奧氏體化過程中，加熱速度、溫度與奧氏體化程度之間的關(guān)系，對(duì)合金加熱工藝調(diào)控有較大指導(dǎo)意義。RMD248合金的TTA圖由軟件計(jì)算并自動(dòng)繪制，如圖2所示。根據(jù)TTA圖可以總結(jié)出，提高RMD248合金的升溫速度，Ac1、Ac3和奧氏體均勻化溫度均不斷地升高，且提高升溫速度可加速RMD248合金碳元素的擴(kuò)散，加快奧氏體均勻化過程。

圖2 RMD248合金TTA圖Figure 2 TTA diagram of RMD248 alloy

1.3 CCT曲線熱力學(xué)計(jì)算及分析

使用JmatPro軟件計(jì)算得到如圖3所示的鐵基合金RMD248的CCT曲線，該曲線對(duì)合金的電弧增材和焊后熱處理工藝都具有重要的指導(dǎo)意義。根據(jù)RMD248合金CCT圖可以看出，馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度(Ms)為242.1℃，轉(zhuǎn)變至50%馬氏體和90%馬氏體時(shí)溫度為199.72℃和107.59℃；貝氏體(B)轉(zhuǎn)變溫度為316.66℃；珠光體(P)轉(zhuǎn)變溫度為592.8℃。考慮到該合金主要應(yīng)用于熱鍛模具的堆焊制造，應(yīng)保證一定的硬度，在焊后冷卻時(shí)的冷卻速度不應(yīng)低于10℃/s。

圖3 鐵基合金RMD248的CCT曲線Figure 3 CCT curve of iron-based alloy RMD248

1.4 熱物理性能計(jì)算與分析

根據(jù)合金的化學(xué)成分計(jì)算合金在不同溫度下的性能，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果，鐵基合金RMD248的密度和楊氏模量與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在室溫時(shí)分別達(dá)到最大值7.82 g/cm3與213.63 GPa，而當(dāng)鐵合金熔化后兩數(shù)值均顯著降低。而鐵合金的熱導(dǎo)率與泊松比與溫度均呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢(shì)，在室溫時(shí)兩物理量均有極小值，分別為18.61 W/(m·K)與0.2886。此外，合金的四個(gè)物理量的變化趨勢(shì)均在610～800℃范圍內(nèi)發(fā)生了波動(dòng)，這是由于在該溫度范圍內(nèi)鐵基合金RMD248中鐵素體發(fā)生較大程度的相變轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，使材料的熱物理屬性產(chǎn)生顯著變化。

2 合金熱處理過程模擬及優(yōu)化

在完成堆焊后，需對(duì)模具重新熱處理，消除焊接殘余應(yīng)力，提高模具工作表面的硬度[6]。由于修復(fù)的模具尺寸比較大，在熱處理時(shí)模具內(nèi)外可能產(chǎn)生溫度差，導(dǎo)致內(nèi)外組織與性能產(chǎn)生差異，降低模具的質(zhì)量。因此，制定合適的熱處理工藝路徑對(duì)提高堆焊修復(fù)質(zhì)量十分重要[7]。為此，以RMD248修復(fù)的某鈦合金框類模具為研究對(duì)象，研究了該模具在淬火過程中的溫度場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)-組織場(chǎng)分布特點(diǎn)。

(a)合金密度隨溫度變化關(guān)系圖

2.1 熱鍛模具三維模型分析

本研究所選取的模具截面如圖5所示，該模具的最大外廓尺寸1700 mm×1300 mm×300 mm，具有面積大，型腔深度淺等特性，均勻淬透的難度較大。為了計(jì)算模具在熱處理過程中內(nèi)外溫度等因素的差異，設(shè)置了P1～P5五個(gè)參考點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 熱鍛模具截面外形圖Figure 5 Hot forging die section outline drawing

2.2 熱處理模擬參數(shù)設(shè)定

RMD248合金模具在熱處理過程中，換熱系數(shù)與溫度的關(guān)系示意圖如圖6所示。本文設(shè)置了如下三種熱處理工作制度。

(1)熱處理工藝制度a：將該熱鍛模具加熱至800℃使其完全奧氏體化后，直接放入水中冷卻。

(2)熱處理工藝制度b：將該熱鍛模具加熱至800℃使其完全奧氏體化后，首先置于空氣中空冷1200 s，隨后依次水淬4500 s→空冷280 s→水淬1500 s→空冷330 s→水淬2600 s。

(3)熱處理工藝制度c：將該熱鍛模具加熱至800℃使其完全奧氏體化后，空冷600 s→水淬1800 s→空冷300 s→水淬3600 s→空冷。

(a)RMD248合金與水的換熱系數(shù)具加熱至800℃使其完全奧氏體化后，空冷600 s→水淬1800 s→空冷300 s→水淬3600 s→空冷。

模具熱處理過程各測(cè)溫點(diǎn)溫度的變化情況如圖7所示。為了詳細(xì)比較模具溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的差異，分別計(jì)算了熱鍛模具在表面恰好冷卻至最低溫度時(shí)的溫度場(chǎng)及冷卻完成后的應(yīng)力場(chǎng)分布，如圖8和9所示。據(jù)圖8分析，采用方案c淬火熱鍛模具在冷卻至室溫后內(nèi)外溫度差最小。應(yīng)力場(chǎng)分布云圖表明，淬火過程中模具型腔工作面的應(yīng)力大于內(nèi)部截面，采用工藝方案c處理后模具的應(yīng)力最小。這是因?yàn)樵摕徨懩＞叩慕孛孑^厚，心部熱量散失較慢，而表面與水接觸時(shí)熱量散失快，導(dǎo)致內(nèi)外產(chǎn)生較大的溫度差，產(chǎn)生內(nèi)外熱膨脹變形差異，進(jìn)而產(chǎn)生熱應(yīng)力。分析模具的熱處理應(yīng)力分布云圖可知，熱鍛模具熱處理殘余應(yīng)力最大值均位于工作面邊緣的棱邊處，在實(shí)際生產(chǎn)中，為減小模具的應(yīng)力集中，應(yīng)對(duì)棱邊處進(jìn)行圓滑過渡。綜上表明，對(duì)采用RMD248合金制造的熱鍛模具進(jìn)行淬火時(shí)，在入水前空冷，結(jié)束時(shí)增加空冷時(shí)間有利于提高熱鍛模具熱處理過程內(nèi)外截面溫度的均勻性，降低熱處理殘余應(yīng)力，提高熱處理后模具的服役性能。

(a)熱處理工藝制度a(b)熱處理工藝制度b(c)熱處理工藝制度c

(a)熱處理工藝制度a(b)熱處理工藝制度b(c)熱處理工藝制度c

3 結(jié)論

本文基于軟件JmatPro7.0對(duì)鐵基合金RMD24的熱物理性能進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算與分析，獲得了該鐵基合金的平衡相圖、CCT曲線等基礎(chǔ)材料參數(shù)，并將所計(jì)算出的性能參數(shù)導(dǎo)入DEFORM-3D熱處理模塊，模擬了采用該合金制造的熱鍛模具在不同熱處理工藝下溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布特點(diǎn)：

(1)鐵基合金RMD248室溫時(shí)平衡組織為鐵素體+M23C6相+Laves相+G相+奧氏體+M3P+MNS。

(2)鐵基合金RMD248的熱物性參數(shù)中，密度與楊氏模量隨溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，而比熱容與泊松比隨溫度呈正相關(guān)趨勢(shì)。

(3)根據(jù)鐵基合金RMD248的CCT相圖計(jì)算，合金的冷卻速度大于10℃/s時(shí)有馬氏體相析出，馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度(Ms)為242.1℃，轉(zhuǎn)變至50%馬氏體和90%馬氏體時(shí)溫度為199.72℃和107.59℃；貝氏體(B)轉(zhuǎn)變溫度為316.66℃；珠光體(P)轉(zhuǎn)變溫度為592.8℃。

(4)對(duì)采用該合金制造的大型熱鍛模具進(jìn)行熱處理，在入水前空冷，結(jié)束時(shí)增加空冷時(shí)間有利于提高熱鍛模具熱處理過程內(nèi)外截面溫度的均勻性，降低熱處理殘余應(yīng)力，提高熱處理后模具的服役性能。