347-paper-B5-数值模拟技术在大模块预硬化热处理中的应用

1编号B5（中文全文）数值模拟技术在大模块预硬化热处理中的应用王庆亮1，3续维1潘健生2洪德华21宝钢股份特殊钢分公司制造管理部2009402上海交通大学材料科学与工程学院2000303东北大学材料科学与工程学院110000摘要热处理过程的控制是决定预硬化塑料模具钢质量的关键技术之一，传统方法往往带有很大的经验性和主观性。热处理过程是一个温度场、组织场、应力场相互耦合的复杂物理过程，实际生产中无法进行在线检测和控制。采用有限元数值模拟技术，对P20模块预硬化热处理过程中的淬火加热、淬火冷却、回火过程中的温度场进行模拟，进而预测热处理过程中的组织变化。根据数值模拟结果结合实际生产验证数据对预硬化生产工艺参数进行了调整和优化，提高了模块预硬化质量，降低了模块淬火开裂风险，同时降低了热处理能耗。关键词模具钢热处理数值模拟有限元APPLICATIONOFNUMERICALSIMULATIONTECHNIQUEINPREHARDENINGHEATTREATMENTOFBIGDIEBLOCKSWANGQINGLIANG1,3XUWEI1PANJIANSHENG2HONGDEHUA21BAOSHANIRONSTEELCO,LTDSPECIALSTEELBRANCHMANUFACTURINGMANAGEMENTDEPARTMENT2009402SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYSCHOOLOFMATERIALSSCIENCEENGINEERING2000303NORTHEASTUNIVERSITYSCHOOLOFMATERIALSSCIENCEENGINEERING110000ABSTRACTHEATTREATMENTPROCESSCONTROLISONEOFTHEKEYTECHNIQUESWHICHDECIDETHEQUALITYOFTHEPREHARDENEDDIESTEELFORPLASTICSCONVENTIONALPROCESSCONTROLMETHODSOFTENRELYONEXPERIENCEANDSUBJECTIVITYHEATTREATMENTPROCESSISACOMPLICATEDPHYSICALPROCESSINWHICHTEMPERATUREFIELD,STRUCTUREANDSTRESSFIELDAREINTERCONNECTEDEACHOTHERITISIMPOSSIBLETOCARRYOUTONLINEINSPECTIONANDCONTROLDURINGTHEHEATTREATMENTPROCESSINTHISRESEARCH,FINITEELEMENTNUMERICALSIMULATIONTECHNIQUEHASBEENADOPTEDTOSIMULATETHETEMPERATUREFIELDSOFTHEPREHARDENINGHEATTREATMENTPROCESSOFP20DIEBLOCKSATTHESTAGESOFHARDENINGHEATING,COOLINGANDTEMPERING,ANDTHENPREDICTTHECHANGEOFSTRUCTURESDURINGTHEHEATTREATMENTADJUSTMENTANDOPTIMIZATIONOFPREHARDENINGHEATTREATMENTPROCESSPARAMETERSHAVEBEENMADEBASEDONNUMERICALSIMULATIONRESULTSANDPRACTICALDATAOBTAINEDINPRODUCTION,WHICHIMPROVEDTHEQUALITYOFPREHARDENEDDIEBLOCKS,REDUCEDTHERISKOFQUENCHINGCRACKINGANDENERGYCONSUMPTIONOFHEATTREATMENTKEYWORDSDIESTEEL,HEATTREATMENT,NUMERICALSIMULATION,FINITEELEMENT1前言热处理过程的控制是决定预硬化塑料模具钢质量的关键技术之一，一般根据传统2技术手册、资料中的经验方法来设计制定工艺，这种方法往往带有很大的经验性和主观性。大型塑料模具钢模块的预硬化过程一般包括加热、淬火、回火等工序，预硬化工艺参数的正确合理地制定，不仅关系到模具钢组织性能的控制，降低模具变形、开裂的倾向，还有助于降低热处理能耗，降低生产成本。热处理过程并不是一个简单的温度变化过程，而是一个温度场、组织场、应力场相互耦合的复杂物理过程1。而这些物理场的变化，实际生产中是无法进行在线检测和控制的。当前，唯有借助于物理模拟和数值模拟技术的综合应用，才能实现对这些物理量的虚拟仿真，进而达到精确控制的目的。运用计算机模拟软件可以方便地显示任何时刻模块内任意截面上的温度场、组织场、应力场，能使操作者观察到各种场量随时间推移的情况，也可以显示出用户所关心的任何点上的温度、应力、组织随时间的变化曲线，这样就为热处理工作者提供了一个虚拟现实的环境2。在开发大型预硬化塑料模具钢的过程中，为获得满意的预硬化效果，对模块热处理过程进行了有限元数值模拟，一方面使传统上受条件限制无法分析的组织场、应力场问题通过模拟得到满意的解答；另一方面，使大量繁杂的工程试验问题简单化，节省大量人力、物力和财力。2有限元模型的建立对尺寸M的塑料模具钢P20模块进行有限元数值模拟，由于大型模块是关于X、Y、Z三轴对称的长方体，在进行计算机模拟温度和组织分布时,只需要对模块的八分之一850500230MM部分建立三维模型。图1是采用长方体单元划分P20模块的有限元模型网格图，其中点3表示模块的中心位置，点5表示模块的角部位置。由于加热、冷却过程中，模块表面温度的变化比心部剧烈，温度变化率越大的部位，网格划分更细小。图1模块有限元网格划分统筹考虑模块的热传导、对流和热辐射作用，同时将材料热物理参数随温度变化3的材料非线性和由热边界条件引起的非线性因素等考虑在内。施加边界条件和初始条件，输入P20的物理性质、定义加载历程和设置单元类型，然后进行有限元程序运行，最后采集处理分析结果，进行可视化处理。从有限元数值模拟结果我们能够获得下面这些信息第一，从中心和边界点的升温曲线可以得出在加热过程中的最大表心温差，并以最大温差作为限制条件来确定升温速度。第二，从升温曲线还可以得出中心位置的到温时间，以此时刻开始作为保温的开始时间。第三，从组织转变的云图可以得到整个模块组织转变的信息，以此确定保温时间。3数值模拟结果和分析31淬火加热过程M的塑料模具钢P20模块的淬火加热过程进行计算机模拟，设定的工艺曲线如图2所示。图2P20大模块淬火加热曲线图3是加热19小时时模块的温度分布。图4是37点模块不同部位（如图1）的升温曲线。温度时间T86065035050/H80/H3H3H8H4图3加热19小时模块的温度场图4模块中心至角部各点（37）的升温曲线图4中NODE1相当于图1中点3的位置（中心一点），NODE49则是点7的位置（表面的一点），其它的三点则是边37上位于点3和点7之间的节点。从模拟结果可以看出经过350和650二次中间保温，使升温速度减慢，截面上的最大温差出现在400500之间，最大温差接近100。从而说明二次阶梯升温的工艺是合理的。在650停留3小时是必要的，此时表心温差趋于一致，模块已经处于塑性状态，可以提高加热速度继续升温。在最后加热阶段炉温以80/H的速度升温的条件下，当炉温升至860时（总加热时间为21小时）模块表面的温度达到795，而心部为720，尚未发生相变。保温4小时之后（总加热时间为25小时）模块表面到温,心部温度超过840，已经完成了奥氏体化，所以可以认为不再需要均热时间，建议可以缩短860的保温时间。32淬火过程根据温度场及相变耦合的模型，用三维非线性有限元分析方法，对尺寸M的预硬型塑料钢P20的大型模块的不同的淬火过程的温度场、组织场进行计算机模拟。P20模块860均热后未经空气中预冷直接水淬条件下的温度变化模拟结果如图5所示。图6显示了沿模块端面中心到边部（即图2中48）的铁素体珠光体、贝氏体、马氏体含量变化。图5直接淬火时模块截面上各点的冷却曲线图6P20模块水淬后中截面上的铁素体珠光体、贝氏体、马氏体含量的变化图7中的黄色浅色红色部分分别表示P20模块860均热后未经空气中预冷直接水淬条件下获得的不同组织，由此可以直观地判断模块中的组织分布。5（A）铁素体珠光体（B）贝氏体（C）马氏体图7模块中的组织分布图同样，对860出炉空冷预冷后，短时间浸水预冷，然后水冷并在冷却过程中出水自回火条件下的温度场和组织场进行模拟。结果表明，预冷淬火获得的贝氏体层深度略有增加，出现的珠光体铁素体层向内推移。预冷使模块截面上温差减少，并且整个模块的储热量下降，前者有利于减少随后淬火时的内应力，后者可增大随后淬火时的冷速。在空冷浸水空冷的预冷过程中，除了最表面的地方处于小于700可能有少量珠光体铁素体转变之外，在离表面20毫米以内温度高于700仍处于奥氏体稳定区域，因而，这一预冷方法可行。预冷使棱角处的珠光体铁素体增加，不影响使用，而对防止淬火开裂的作用较大。经过预冷淬火可以使棱边棱角处避免出现马氏体。因棱边与棱角不可能是模具的工作面，但该处的淬裂的危险最大，因此，预冷是必要的、合理的。模拟结果还表明，在水淬1小时5分30秒时，表面温度已冷却到100,已发生马氏体转变，此时出水自回火使表面及近表面层的温度回升到200左右，已转变的马氏体和贝氏体自回火，降低脆性，有利于避免淬火开裂的危险。在空气中停留5分钟后重新入水冷却，短时间自回火不会明显影响模块内部的冷却速度，而且此时心部温度已低于550，因此适当的自回火不会影响模块心部的组织及性能。33回火过程P20淬火后必须及时回火，回火硬度控制在32HRC左右。回火一般用分段加热保温方法。常用两种的工艺为，工艺一先加热到600保温3小时，然后加热到650保温20分。工艺二先加热到650保温50分，然后降温到600保温4小时。图68是上述不同回火工艺条件下模块中心点和边界点的升温曲线。从模拟结果可见，先加热到600保温然后加热到650保温一定时间，其最高温度出现的时间延后了，中心附近的温度也接近最高温度；而先加热到650，保温然后下降到600保温，最高温度出现在边界附近，并且很快到达最高温度。中心附近的温度相对工艺低一些。为使整个模块硬度尽可能的均匀，希望表层马氏体和贝氏体在较高的温度回火、心部的珠光体在较低的温度回火。因此，工艺二的加热保温过程更为合理。A6003H65020MINB65050MIN6004H图8不同工艺条件下的回火加热升温曲线4结论采用有限元方法，对P20模块的热处理过程进行了数值模拟，并经生产验证修正验证再修正后，逐步提高了模拟结果准确性，根据模拟结果，对塑料模具钢模