基于数值模拟的718塑料模具钢大模块淬火新工艺设计百.docx

1、基于数值模拟的718塑料模具钢大模块淬火新工艺设计百第39卷第9期钢铁V o l.39,N o.9 2004年9月I RON AND ST EEL Sep tem ber2004基于数值模拟的718塑料模具钢大模块淬火新工艺设计宋冬利顾剑锋胡明娟潘健生(上海交通大学高温材料及高温测试教育部重点实验室,上海200030摘要通过对新型718塑料模具钢大模块淬火过程进行计算机数值模拟,结合金相组织与硬度测试制订了一种淬火的新工艺,即高温930完全奥氏体化后直接空冷。该工艺能使整个模块均获得贝氏体组织,保证模块硬度在2935HRC的范围内,而且同一截面硬度差值小于3HRC。此外,淬火冷却过程中表面与心

2、部的温差较小,明显减小了淬火裂纹产生的可能性。关键词塑料模具钢数值模拟淬火贝氏体中图法分类号T G156131文献标识码AD esign of New Quench i ng Technology for718Pla stic D ieSteel Ba sed on Nu m er ica l Si m ula tionSON G Dongli,GU J ianfeng,HU M ingjuan,PAN J ian sheng(Key L abo rato ry of the M in istry of Educati on of H igh T emperatu re M aterials

3、andT esting,Shanghai J iao tong U n iversity,Shanghai200030ABSTRACTIn o rder to op ti m ize the quench ing techno logy of the new p lastic die steel718,the num erical si m u lati on on quench ing p rocess w as carried ou t1Com b ined w ith ob servati on of m etallograp h ic m icro structu re and har

4、dness testing,a new quench ing techno logy2com p letely au sten itizing at930and directly coo ling to room tem p eratu re in the air,w as successfu lly designed fo r th is k ind of steel1T he techno logy can en su re that the bain ite can be ob tained all over the w ho le large m odu le after quench

5、 ing,and the hardness is in the range of29235HRC w ith theb iggest difference less than3HRC in the sam e secti on1In additi on,the po ssib ility of crack ing isgreatly reduced due to the s m aller tem p eratu re difference betw een the su rface and the cen ter du ring the p rocess of quench ing1KEY

6、WORD Sp lastic die steel,num erical si m u lati on,quench ing,bain ite1前言718钢是瑞典公司在P20钢的基础上适当加N i元素而研制的通用型镜面塑料模具钢。718钢一般以预硬化状态供货,用户要求整体的硬度在280 325HB(或2935HRC范围,在大模块的同一截面硬度差值小于3HRC。近年来我国一些钢厂和研究所正在致力于研制和开发718钢及其合理的预硬化工艺1,2。通常718塑料模具钢的预硬化处理为淬火后进行高温回火,即调质处理。对于大型模块,采用油作为淬火介质,由于油的冷却能力有限很难达到同一截面上硬度差小于3HRC,

7、而采用水作为淬火介质,则容易产生淬火裂纹。本文通过对淬火过程进行有限元数值模拟,设计了一种新型的718钢的淬火工艺。结合实际生产试验,进行了金相组织观测与硬度分布测试工作,验证了模拟结果的准确性,同时也证实了该工艺的可行性。2淬火数学模型淬火过程的温度场决定淬火过程中相变的整个进程,而组织转变产生的潜热反过来会影响温度场的分布。本文采用淬火过程温度场和组织场相互耦合的数学模型,进行有限元计算机数值模拟。211温度场的分析三维温度场传热控制偏微分方程:99x(k9T9x+99y(k9T9y+99z(k9T9z+q=c p9T9t(1式中k热导率,J (ms;密度,kg m3;c p比热容,J (

8、kg;q材料内热源强度,它源于淬火过程中发生相变时潜热的释放,与相变的类型和收修日期:2003209223;联系人:宋冬利,博士研究生,w inter_songsjtu1edu1cn相变量有关。淬火过程传热通常是第三类边界条件,如式(2:h 2(T w -T c =-9T 9n(2式中h 2总的表面换热系数,W (m 2K 。h 2由对流换热系数h c 和辐射换热系数h r 两项组成,而且它们都是时间和淬火模块表面温度的函数,本文中它们的计算方法如下:h r =(T 2w +T 2c (T w +T c (3h c =21564(T c -T w (4式中T w 模块表面温度,K ;T c 介

9、质的温度,K ;Stefan 2Bo ltz m ann 常数,其值为5176810-8W (m 2K 4;工件表面辐射率,文中取为016。采用Galerk in 有限元方法求解导热偏微分方程式(1,经过单元剖分,边界条件引入并化成弱形式后,可以得到整个模块的温度场求解的总平衡方程组:K T +C 9T9t=F (5采用向后差分格式处理温度T 对时间t 的微分,式(5可化为:(k +1tC T t =1tC T t-t+F (6212组织转变计算实际淬火过程是连续冷却的过程。为了采用T T T 曲线进行相变量计算,通常对淬火过程进行时间离散,连续冷却过程可近似转化为多个阶梯状的极短时间段的等温

10、冷却过程的综合。对于扩散相变,F 1M 1B 1Fernades 和A 1Si m on 、S 1D en is35等认为包括形核和长大两个过程,Scheil 叠加法则可解决阶梯等温作用的孕育期和相变量叠加问题。孕育期计算采用Scheil 逐温孕育成核相加理论,即6ni =1t ii It=1(7式中i It 短暂等温时间,s ;i It 某一阶梯冷却温度区的中点温度下等温转变的孕育期,s 。扩散型相变(珠光体、贝氏体的相变量计算采用A vram i 方程:f =1-exp (-bt n (8式中b ,n 取决于等温温度的系数,它们与钢的成分及奥氏体化条件有关。非扩散型相变(马氏体转变量决定于

11、温度而与时间无关,采用Ko istinen 2M arbu rger 公式进行计算:f =1-exp (-(M s -T (9式中M s 马氏体开始转变的温度,;T 温度,;与钢材有关的常数,对大多数钢而言=01011。3模拟的实现本文以非线性有限元软件M SC 2M A RC 为平台,开发相关的适用于淬火模拟的用户子程序来实现新型718塑料模具钢淬火过程温度场和组织场的耦合。新型718塑料模具钢成分如表1所示,模拟过程中所用到的材料性能数据如表2所示。为使模拟结果准确可靠,本文所使用的奥氏体等温转变曲线(T T T 曲线是通过实验实测而得。本文所模拟的718钢大模块是某钢厂生产的长方体模块,

12、其尺寸为1000mm 800mm 510mm (图1(a 。由于长方体模块的对称性,有限元分析选取八分之一模块,网格划分为三维八节点单元,见图1(b 。表1718钢的化学成分T ab le 1Chem ical compo siti on of 718steel%C M n Si P S C r M o N i Cu 013501750140010120100711750140111401114模拟结果及分析通过对不同种淬火工艺的反复模拟计算,得到最终的淬火工艺,即加热到930保温使之完全奥氏体化,然后直接出炉、在空气中冷却到室温。对模拟的结果及实验验证分析讨论如下。411温度场与组织转变模拟

13、结果图2所示为中截面A B CD (图1z 轴方向上各点C E D 温度随时间变化的曲线,图3是淬火17730s 时大模块内部的温度场分布云图。图4所示分别是表面和心部组织随时间的变化。从图2可知,采用930奥氏体化后直接在空气中冷却的淬火工艺,可使如此大的模块的表面和心部的温差较小,在临界点A 1(730之下,表心温差小于100,因此大大地减小了淬火开裂的危险。从图2的冷却曲线还可知,无论是模块表面还是56第9期宋冬利等:基于数值模拟的718塑料模具钢大模块淬火新工艺设计表2718钢的材料性能参数T ab le 2M aterial p roperty param eters of 718s

14、teel密度kg m -3比热容 J (kg -1导热系数 J (m s -1各相的热焓 108J m -320200400F P B M 780046029102915311051961061261 5图1模块尺寸及有限元网格划分F ig 11Size of the modu le and FE M m esh(a 模块形状及尺寸;(b 模块的网格划分形式图2模块中截面上各点的冷却曲线F ig 12Coo ling cu rves of po in ts at them iddle secti on of the modu le图3淬火到17730s 时大模块内部的温度分布云图F ig 13

15、T emperatu re con tou r of large modu leafter quench ing fo r 17730 s图4模块表面和心部的组织转变F ig 14M icro structu re evo lu ti on of po in ts at su rface and in cen ter of the modu le(a 表面的点D ;(b 心部的点C66钢铁第39卷心部均在420左右出现了一个温度平台,这是由于相变过程产生的潜热所引起的。而这个温度范围属于贝氏体相变区,因此模块表面和心部应该均生成了贝氏体组织。从图4也可以看出淬火结束后模块表面和心部都得到了10

16、0%贝氏体组织,在整个空冷淬火过程中没有发生先共析铁素体、珠光体相变。这可从该钢种的淬透性上得到解释,由于新型718塑料模具钢中加入提高钢淬透性的合金元素C r、N i,从而使T T T曲线向右移,在最不稳定的“鼻子”转变温度650,孕育期也达到46m in,所以即使是缓慢的空冷也不会发生先共析铁素体、珠光体相变。过冷奥氏体继续冷却下来发生了贝氏体相变,使得整个模块均获得贝氏体组织,从而保证了整个模块硬度分布均匀一致。412实验验证为了检验模拟结果的准确性,在现场对尺寸为1000mm800mm510mm的大模块采用模拟设计的淬火工艺进行淬火。为了保证在加热过程中不会引起热裂纹,采用的加热工艺为

17、:以80 h 的速度加热到650,保温3h后,再以80 h 的速度加热到930,保温1215h,使模块完全奥氏体化。然后出炉空冷淬火,最后截取模块的中截面A B CD,用HR-1500T型电动洛氏硬度计测试硬度。表3、4分别是淬火后,试样中截面上沿厚度(z轴:CED及宽度(y轴:CB方向从表面到心部的硬度值。从表3、4可以看出,模块经过空冷淬火后,整个截面的硬度很均匀,最大差值为215HRC。从硬度的分布来看,硬度差不是由于各处获得不同组织所引起的,因为硬度分布并不是呈逐渐变化的趋势,而是以跳动的形式变化。分析出现这种现象的原因,一方面可能是由于原始组织不均匀,局部有偏析;另一方面也可能是人为

18、或仪器误差引起的。总之,空冷淬火后的硬度分布能达到均匀一致,同一截面的最大差小于3HRC的要求。因为大模块最后的交货状态是回火状态,所以对淬火后的试样进一步采用如下工艺进行回火处理。回火工艺为加热到350,保温3h,接着加热到580,保温14h,然后加热到600,保温6 h,最后空冷。表5是模块经回火处理后中截面宽度(y轴:CB方向的硬度值。从表5可以看出,回火处理后整个模块的硬度都降低了,但硬度分布仍保持均匀一致,在3110 3115的范围内。由此可见该淬火工艺能够满足718塑料模具钢预硬化处理后硬度在2935HRC 范围内,同一截面内硬度差小于3HRC的要求。表3淬火后大模块中截面上沿厚度

19、方向的硬度值(CEDT ab le3H ardness distribu ti on at the m iddlesecti on of quenched large modu le along theth ickness(CED离表面距离 mm硬度(HRC离表面距离 mm硬度(HRC离表面距离 mm硬度(HRC 1041101904110370401030411521040153904010504110*040157041152504110430411090411027041154504110110411529040154704115130*1104904110150*11050041101

20、7041103504010表4淬火后大模块中截面上沿宽度方向的硬度值(CBT ab le4H ardness distribu ti on at the m iddle secti onof quenched large modu le along the w idth(CB离表面的距离 mm硬度(HRC离表面的距离 mm硬度(HRC离表面的距离 mm硬度(HRC 1039151503910290401530401017040103104015504010*10704010210401035040159040102304010360411011040102503915130*015表5回火后大

21、模块中截面上沿宽度方向的硬度值(CBT ab le5H ardness distribu ti on at the m iddle secti on of tempered large modu le along the w idth(CB离表面的距离 mm硬度(HRC离表面的距离 mm硬度(HRC离表面的距离 mm硬度(HRC 1031101103115210311030311013031152303110503115*031107031151703115290311090311519031103503110图5为回火后大模块表面D点和心部C点的金相照片,进一步证实模块整个截面上均获得贝氏体

22、组织,也充分证明了图4中所得的微观组织模拟结果,这正是硬度均匀的根本原因。由于塑料模具在使用中承受的冲击载荷较小,所以对模块冲击韧性要求较低。经930奥氏体化处理晶粒尺寸比常规860淬火情况有所长大,但76第9期宋冬利等:基于数值模拟的718塑料模具钢大模块淬火新工艺设计不会影响模具钢的使用。图6为718塑料模具钢930奥氏体化后直接水淬获得的晶粒尺寸,从图6中可以看出晶粒度为7级,有轻微混晶。因此本文提出的工艺完全可以满足塑料模具钢热处理的要求。5结论(1采用非线性有限元法对淬火过程的温度场和组织场进行了耦合数值模拟,为新型718塑料模具钢大模块设计了一种新的淬火工艺, 即加热到图5模块不同

23、位置的金相组织F ig 15M icro structu re at differen t po siti on of the modu le(a 模块表面(D 点;(b 模块心部(C 点 图6718塑料模具钢930奥氏体化后直接水淬获得的晶粒尺寸F ig 16Grain size of 718steel quenched directlyin w ater after au sten itized at 930930奥氏体化后直接空冷。(2计算机模拟结果表明,采用该工艺进行淬火处理能够使大模块表面和心部温差很小,减小因淬火应力而导致淬火裂纹的可能性,并可使整个模块均获得贝氏体组织。(3对采用

24、该淬火工艺预硬化处理的大模块的硬度分布和金相组织进行实验测试,测试结果和计算机模拟的结果吻合得很好。参考文献1陈千1预硬化718塑料模具钢试制1四川冶金,2000,1:273012刘宗昌,高占勇,马党参,等1718塑料模具钢的组织和预硬化处理1特殊钢,2002,2(23:434513Fernandes F M B ,D en is S ,Si m on A 1M athem atical M odel Coup ling Phase T ran sfo rm ati on and T emperatu reEvo lu ti on du ring Q uench ing of Steels 1

25、M aterial Science and T echno logy ,1985,1(10:83884414D en is S ,Egau tier ,Si m on A ,et a l 11Stress 2phase T ran sfo rm ati on In teracti on s Basic P rinci p les ,M odeling andCalcu lati on of In ternal Stresses 1M aterials Science and T echno logy ,1985,1(10:80581515D en is S ,Sj o strom S ,Si

26、m on A 1Coup led T emperatu re ,Stress ,Phase 2tran sfo rm ati on Calcu lati on M odel N um erical Illu strati on of In ternal Stress Evo lu ti on du ring Coo ling of a Eu tecto id Carbon Steel Cylinder 1M etallT ran s ,1987,18A (7:120312111(上接第63页化区深度可达到2mm 。(2经激光相变强化处理后的轧辊钢存在明显的硬化现象,硬化区内硬度可以在800HV

27、 012以上,硬度最高峰值可达932HV 012。(3激光熔凝强化处理是有效提高轧辊过钢量的一种方法,同时也能有效地节约生产成本,提高生产效率。感谢涟源钢铁集团公司梁明和肖上工等同志的大力支持和帮助。参考文献1Guan Y H ,Chen T L ,W ang H G et a l .1T he P redicti on of the M echan ical P roperties of M etal du ring L aserQ uench ing 1Jou rnal of M aterials P rocessing T echno logy ,1997,63,61461812王贵,王建国,周新初,等1轧辊钢激光熔凝处理组织及性能研究1金属热处理,2001,3:3537186钢铁第39卷