大型压力机模座热处理过程模拟及工艺优化.pdf

　４４　　　材料工程／２０１１年１１期　　　大型压力机模座热处理过程模拟及　工艺优化　　　　　　　　ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔ　　　　　　　　ＰｒｏｃｅｓｓｆｏｒＩａｒｇｅＰｒｅｓｓＤｉｅＨｏｌｄｅｒ　　　　　　　樊梦婷，孙明月，李殿中　　　　　　　　（中国科学院金属研究所，沈阳１１００１６）　　　　　—　—　ＦＡＮＭｅｎｇｔｉｎｇ．ＳＵＮＭｉｎｇｙｕｅ。ＬＩＤｉａｎｚｈｏｎｇ　　　　　　　（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆ　　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ。Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００１６。Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　摘要：实测并建立ｒ５５ＮｉＣｒＭｏＶ７钢的热物性参数数据库和ＣＣＴ曲线，基于ＡＢＡＱＵＳ软件建立了不同冷却介质淬火　　　　　　　　　　的热力耦合模型。模拟了大型压力机模座油冷和水冷两种淬火过程，获得了温度场和应力场的演化规律。结合模座上　　　　　　　　　　　　　　不同位置的冷却速度和ＣＣＴ曲线预测了工作层的组织状态，并预测了模座上的应力分布。结果表明：采用完全油冷方　　　　　　　　　　　　　　式将在工作层内产生上贝氏体组织，力学性能无法达到使用要求；而完全水冷方式则可在丁作层内得到下贝氏体，但　　　　　　　　　　　　　　模座内倒角处存在极大的淬裂危险。在此基础上，提出了双液淬火的热处理工艺，模拟结果显示，水冷３０ｍｉｎ后转人油　　　　　冷既可保证Ｔ作层理想的组织状态，同时也避免了模座局部位置的淬裂危险。　　　　　　　　　　　　　关键词：压力机模座；淬火；有限元模拟　　中图分类号：ＴＧＩ５１．２　　文献标识码：Ａ　　　　文章编号：ｌ【）（）卜４３８ｌ（２０ｌ１）１１００４４０７　　　　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＤａｔａｂａｓｅｏｆｔｈｅｒｍａｌｐｈｙｓｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄＣＣＴｃｕｒｖｅｓｏｆ５５ＮｉＣｒＭｏＶ７ｓｔｅｅｌｗｅｒｅｆｉｒｓｔｌｙ　　　　　　　　　　　　　ｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｍｍｅｒｃｉａｌＦＥＭｓｏｆｔｗａｒｅＡＢＡＱＵＳ，ｔｈｅｍｏｄｅｌｓｏｆｏｉｌ　　—　　　　　　　　　　　ｑｕｅｎｃｈｉｎｇａｎｄｗａｔｅｒｑｕｅｎｃｈｉｎｇｆｏｒａｌａｒｇｅｐｒｅｓｓｄｉｅｈｏｌｄｅｒｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｓｅｐａｒａｔｅｌｙ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｔｕｒｅａｎｄｓｔｒｅｓｓｅｖｏｌｕｔｉｏｎｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｆｏｒｅａｃｈｐｒｏｃｅｓｓ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅｓｏｆｅａｃｈ　　　　　　　　　　　　　　　—　ｎｏｄｅａｎｄＣＣＴｃｕｒｖｅｓｏｆ５５ＮｉＣｒＭｏＶ７，ｔｈｅｆｉｎａｌｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｔｈｅｄｉｅｈｏｌｄ　　　　　　　　　　　　　　　　ｅｒｗｅｒｅｐｒｅｄｉｃｔｅｄ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅＦＥＭｒｅｓｕｌｔｓ，ｕｐｐｅｒｂａｉｎｉｔｅｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄｉｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｌａｙｅｒｂｙ　　　　　　　　　　　　　　ｏｉｌｑｕｅｎｃｈｉｎｇ，ｗｈｉｌｅｌｏｗｅｒｂａｉｎｉｔｅｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｃｏｏｌｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｃｒａｃｋｓ　　　　　　　　　　　　　　　—　ａｒｅｅａｓｉｌｙｇｅｎｅｒａｔｅｄｉｎｔｈｅｉｎｎｅｒｃｈａｍｆｅｒｂｙｗａｔｅｒｑｕｅｎｃｈｉｎｇｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｓｅｖｅｒｅｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａ　　　　　　　　　　　　　　　　ｔｉｏｎ．Ｏｎｂａｓｉｓｏｆｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓ，ｄｏｕｂｌｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏａｖｏｉｄｃｒａｃｋａｎｄｏｂｔａｉｎｌｏｗｅｒ　　　　　　　—　　—　　　　ｂａｉｎｉｔｅ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ３０ｍｉｎｗａｔｅｒｃｏｏｌｉｎｇｂｅｆｏｒｅｏｉｌｃｏｏｌｉｎｇｉｓｆａｖｏｒａｂｌｅｔｏｗａｒｄ　　　　　　　　　　　ｓａｆｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｄｉｅｈｏｌｄｅｒ．　　　　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｓｓｄｉｅｈｏｌｄｅｒ；ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）　　　　　　　　　　　　　压力机模座是大型模锻设备的核心部件，承受强　　　　　　　　　　　　　　　大的循环冲击载荷和热载荷作用，同时其服役周期远　　　　　　　　　　　　高于普通锻模，长达十几年甚至几十年之久。因此，保　　　　　　　　　　　　　证压力机模座具有良好的强度、硬度、塑性和冲击性能　　　　　　　　　　　　　　　对压力机的使用安全性来说至关重要。目前，制造受　　　　　　　　　　　冲击负荷较大的热作模具工件主要选用低耐热高韧性　　　　　　　　　热作模具钢，代表钢号为５ＣｒＮｉＭｏ和５ＣｒＭｎＭｏ。相　　　　　对后者而言，５ＣｒＮｉＭｏ以Ｎｉ替代Ｍｎ，可提高材料的　　　　　　　　　　　　　　　　　　　韧塑性、淬透性和过热敏感性，因此通常用于形状复　　　　　　　　　　　　≥　杂、冲击负荷大的大型热锻模（边长４００ｍｍ），而对　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　综合力学性能要求不高的中小型热锻模多选用　　　５ＣｒＭｎＭｏｌ１］。　　　　　　　　　本工作所述的大型压力机模座边长达　　　　　　　　　　３６８０ｍｍ，粗加工重量达８５ｔ，材质为５５ＮｉＣｒＭｏＶ７，其　　　　　　　　　　　化学成分与５ＣｒＮｉＭｏ接近，其中Ｃｒ元素含量（１．０～　　　　　　　　　　　１．２，质量分数）略高于５ＣｒＮｉＭｏ，并且添加了微量合　　　　　　　　　　　　　　　金元素Ｖ用于细化晶粒。与５ＣｒＮｉＭｏ相比，　　　　　　　　　　　　５５ＮｉＣｒＭｏＶ７的淬透性、回火稳定性和耐热磨损性能　　都更优，是广泛应用于航空制造和汽车制造等工业领　　　“　　域的热锻模具钢［３。　　　当热加工百吨级工件时，为使最终产品外形尺寸　　　　　　　　　　　　　　　和力学性能满足使用要求，保证工件在热处理过程中　　　获得良好的微观组织状态、合理的残余应力分布以及　　　大型压力机模座热处理过程模拟及工艺优化　４５　　　　　　　　　　　　　　　　　　　较小的变形至关重要。由于热处理是一个复杂的温　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　度一应力组织多场耦合作用的过程，通过实验手段难　　　　　　　　　　　　　　以直接测定工件内部的温度、应力和组织的演化历程。　　　　　　　　　　　　　　　　　相比之下，采用数值模拟手段研究工业生产中的淬火　　　　　　　　　　　　过程，可以确定上述变量的演化和分布规律，在此基础　　　　　　　　　　　　　　　　上可进行热处理工艺制度优化，因此逐渐成为一种更　　　　　　　　　为全面、准确和切实可行的研究方法［５　　　　　　　　　　　　　本研究首先测量了５５ＮｉＣｒＭｏＶ７钢的热物性参　　　　数及ＣＣＴ曲线，根据热交换介质选取了相应的对流换　　　　　　　　　　　　　热系数，建立了热力耦合的有限元模型，模拟了大型压　　　　　　　　　　　　　　　力机模座在两种冷却介质中的淬火过程，获得了温度　　　　　　　　　　　　　　　　　　　场、应力场的演化规律。在此基础上，结合该材料的　　　　　　　　　　　　　ＣＣＴ曲线及模拟所得的温度场结果，预测了模座由表　　　　　　　　　　　　　　　及里的组织状态，根据应力场结果分析了模座不同部　　　　　　　　　　　　　　　　　位的应力状态，并预测了模座的淬裂倾向。最后，基　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　于有限元模拟和实验结果，提出了优化的热处理工　　　艺方案。　　　　　１材料热物性参数及ＣＣＴ曲线的测定　　　　　　　　　　　有限元模拟所采用的热物性参数均为热作模具钢　　　　　　　　　　　５５ＮｉＣｒＭｏＶ７的实测数据，该钢种的实测化学成分如　　　表１所示。　　　　　　　　表１实验材料５５ＮｉＣｒＭｏＶ７钢的化学成分（质量分数／％）　　　　　　　　　　Ｔａｂｌｅ１Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆ５５ＮｉＣｒＭｏＶ７ｓｔｅｅｌ（ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ／）　Ｃ　Ｓｉ　　Ｍｎ　Ｖ　Ｐ　Ｓ　Ｃｒ　　Ｍｏ　Ｎｉ　Ｆｅ　　　　　　　　　　　　　　　　０．５６０．２２０．８Ｏ０．０８４０．Ｏ０６０．００４１．１２０．４５１．６６Ｂａｌ　　　　　　　　　　　　　　　有限元模拟中的材料热物性参数均为实测数据，　　　　　　　　　　　　如图１所示。完整准确的热物性参数数据库是获得准　　　　　　　　　确温度场和应力场模拟结果的基础。　　　　　　　　　　　图１５５ＮｉＣｒＭｏＶ７钢的热物性参数（ａ）弹性模量和泊松比；（ｂ）线性热膨胀率和膨胀系数；（ｃ）比热容和热导率　　　—　　　　　　Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ５５ＮｉＣｒＭｏＶ７ｓｔｅｅｌ　　　’　　　　　　　　　　　（ａ）ｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓａｎｄＰｏｓｓｉｏｎｓｒａｔｉｏ；（ｂ）ｌｉｎｅａｒｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎｒａｔｉｏａｎｄｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；　　　　　　　（ｃ）ｓｐｅｃｉｆｉｃｈｅａｔｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　　　　　　　　　　　　　为全面了解５５ＮｉＣｒＭｏＶ７钢在不同冷却速率下　　　　　　　　—　　　　　　的组织产物，本工作采用ＦｏｒｍａｓｔｅｒＦ型全自动相变　　　　　　　　　　　　　　仪测试了材料的ＣＣＴ曲线，如图２所示。由实验冷速　　　　　　　　　　　　　　范围内各试样的金相组织可知，该钢种的奥氏体组织　　　转变产物为马氏体、下贝氏体、上贝氏体和铁索体＋碳　　　　　　　　　　　　　　化物，各转变产物典型组织形貌如图３所示；在贝氏体　　　　　℃　　　　　　　　　　相变区间内，以０．０８／ｓ为临界冷速，奥氏体分解产　　　　　　　　　　　　物由上贝氏体占优转变为以下贝氏体为主。　　２有限元模型的建立　图２实测的５５ＮｉＣｒＭｏＶ７钢ＣＣＴ曲线　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．２ＭｅａｓｕｒｅｄＣＣＴｃｕｒｖｅｓｏｆ５５ＮｉＣｒＭｏＶ７ｓｔｅｅＩ　　　　　　　　　　　　　　热处理模拟基于ＡＢＡＱＵＳ有限元软件，依据粗　　　　　　　　　　　　　　　　　　　加工尺寸对模座进行了实体造型，整体长度为　　　　六面体为主，单元类型为Ｃ３Ｄ８ＲＴ，即八结点热力耦　　　　　　　　　　３６８０ｍｍ，有效厚度为８６４ｍｍ，如图４所示。模型的求　　　　　　　　　　　　　　　　合、三向线性位移、三向线性温度、沙漏控制缩减积分　　　解方式选用热力耦合分析步和隐式求解，网格划分以　　　　　　　的六面体单元，在边角处采用四面体网格Ｃ３Ｄ４Ｔ细　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　８６４２０８６４２Ｏ　　　　　　　　　　　　　　ＯＯ０ＯＯＯＯＯＯＯＯＯ０　　　加Ｍ　６４２　　舟０＼　　　　０Ｊｄ０Ｂ１叫　　　　　　　　　　　ＯＯＯＯＯＯＯＯＯ０Ｏ１∞　∞　　　∞　　　　　踟如如加　　　ｐ＼２占ＢＪ０Ｑｇｏ＿ｌ＿　　大型压力机模座热处理过程模拟及工艺优化　４９　　　　　　　　　　　　　安全性和使用安全性两方面考虑淬火工艺的选择。除　　　　此之外，依据应力极大值出现的位置，可以通过改变模　　　　　　　　　　　　　　座内倒角的参数，如加大倒角尺寸以减小应力集中，提　　　　　高生产安全性。　　　　　　　３．３双液淬火工艺的提出　　　　　　　　　　　为了结合水淬工艺在温度场和油淬工艺在应力场　　　　　　　　　　　上的各自优点，本研究提出双液淬火工艺，以前期水冷　　　提高冷却速度，优化模座工作层的组织场，达到使用要　　　　求，同时在后续的油冷过程，模座内部温度降低到贝氏　　　　　　　　　　　　　　　　　体和马氏体转变相区时，组织应力和热应力叠加作用　　　　　　　　　　　　　不会引起淬裂现象。然而此工艺能否达到预期设想的　　　　　　　　　　　　　　　　　核心问题是水冷时间的选择。根据水淬温度场的结　　　　　　　　　　　　　果，当冷却时间为３０ｍｉｎ时，内表面以下１３５ｍｍ处的　　℃　　　　　　　　　　　　　温度约为５５０，并未发生相转变；而表层以下７０ｍｍ　　　　　　　℃　　　　　　　　　的区域内温度降低到３５０左右，已低于上贝氏体转　　　　　　　　　　　　　　　　变开始温度口，但尚未进入马氏体相变区间，并且模　　　　　　　　　℃　　　　座在上述区域的冷速均高于０．１／ｓ。由此可知，在　　　　　　　　　水冷３０ｒａｉｎ后，模座绝大部分区域仍为过冷奥氏体　　　　４结论　（ａ）－‘　＼＼　　。　７ｌ５‘　。。十一一　－＝６７２　　。Ｊ　／　一Ｆ＋Ｃ一ｃｌ　一　１　，一　、　Ｉ　Ａ－Ｂ　　　ＬＩＭ１＿●　　　／－　１　，　ｓ　Ａ．Ｍ’’　　＼　＾　　　　Ｊ．：ｌ　　　（／ｓ）０．１ｑ．０ｇ、、。　Ｏ０　１０　１Ｏ　１Ｏ　１Ｏ　１０　Ｔｉｍｅ／ｓ　　　　　　　　　　　　　　相，仅在表层以下７０ｒａｍ左右的范围内发生了马氏体　　　　　　和下贝氏体转变。　　　　　　　　　　　　为了验证工艺的可靠性，利用ＡＢＡＱＵＳ软件对　　　　　　　　　　　　　　　　　　双液淬火工艺进行模拟。其中，设定水冷时间为　　　　　　　　　　　　　　　３０ｍｉｎ，并且将内倒角最大处尺寸由Ｒ１５０增大至　　　　　　　　　　　　　　Ｒ２００。图９为双液淬火工艺与原工艺模拟结果对比。　　　　　　　　　　　　　　　　图９（ａ）为改进工艺（长虚线）与油淬工艺（短虚线）在　　　　　　　　　　　　内表层以下１３５ｍｍ处中心结点的冷却曲线与ＣＣＴ曲　　　　　　　　　　　　　　　　线的关系，由图可知，通过３０ｍｉｎ的水冷提升了材料　　　相转变的冷却速度，使模座转入油冷后，工作层区域在　　　　　　　　　℃　　　贝氏体相变区间的冷却速度大于０．０８／ｓ，避免了大　　　　　　　　　　　量上贝氏体组织的产生。同时，由图９（ｂ）的改进工艺　　　　　　　　　　　　（实线）与水淬工艺（虚线）条件下模座内倒角处的应力　　　　　　　　　　　　　　　　曲线对比可知，通过优化应力集中区域的尺寸参数可　　　　　　　　　　　　　　　　极大地降低应力峰值数据，两应力曲线的最终趋势也　　　　　　　　　　　　　　　　　表明后期油冷工艺可保证模座中较小的残余应力水　　　　　　　　　　　　　　平。综合以上分析可知，改进的双液淬火工艺可以达　　　　到预期目的。　　　　　　　　　图９双液淬火工艺与原工艺模拟结果对比（ａ）内表面以下ｌ３５ｍｍ处中心结点在双液淬火工艺与油淬工艺下的冷却　　　　　曲线在ＣＣＴ曲线中的位置；（ｂ）内倒角处在双液淬火工艺和水淬工艺下的应力演化曲线　　　　　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．９Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｎｄｏｕｂｌｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｐｒｅｖｉｏｕｓｐｒｏｃｅｓｓ　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ａ）ｃ０ｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｐｏｓｉｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅＣＣＴｃｕｒｖｅｓｏｆｄｏｕｂｌｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇａｎｄｏｉｌｑｕｅｎｃｈｉｎｇｃｏｏｌｉｎｇｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｃｅｎｔｒａｌｎｏｄｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｗｉｔｈ１３５ｍｉｌｌｂｅｌｏｗｉｎｎｅｒｓｕｒｆａｃｅ：（ｂ）ｓｔｒｅｓｓｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｎｅｒｃｈａｍｆｅｒｂｙｄｏｕｂｌｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇａｎｄｗａｔｅｒｑｕｅｎｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ　　（１）水淬工艺可提高模座由表至里的冷却速度，且　　　　　　　　　　　℃　　工作层位置（１３５ｍｍ以内）的冷却速度大于０．１／ｓ，　　　　这将避免产生大量的上贝氏体组织，而油淬工艺不利　　　　　　于大型模座的组织优化。　　　　　　　　　　　　　（２）应力场分析结果表明，淬火过程模座内表面和　　　　　　　　　　　　内倒角处应力水平较高。若采用完全水淬工艺极有可　　　　　　　　　　　能引起模座内表面和内倒角发生淬裂。相比于水淬工　　　　　　　　　　　　　艺，完全油淬工艺在冷却过程中产生的应力明显较低，　　　　　　　　　模座的大部分区域应力值低于３００ＭＰａ。　　　　　　　　　　　（３）模拟结果表明，将单一淬火介质优化为双液淬　　　　　　　　　　　　火后，设定水冷时间为３０ｍｉｎ，工作层的平均冷却速度　　　　　　　　　　　　　　　　可提高到０．０８ｏＣ／ｓ，获得下贝氏体组织。同时，结合　　　　改进的倒角参数，可使前期水淬条件下存在淬裂倾向　　　　　　　　　　　　　　　　区域的应力下降至安全水平，进而达到结合单一水冷　　　　　　和油冷工艺优点的效果。　　　　参考文献　　　　　　　　　　　　［】］赵昌盛．模具材料及热处理手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社，　２００８．　　　　　　　　　　Ｅ２２赵品，谢辅洲，孙振国．材料科学基础教程［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨　　　工业大学出版社，２００３．　　　　　—　Ｆ３］ＺＨＡＮＧＺ，ＤＥＬＡＧＮＥＳＤ，ＢＥＲＮＨＡＲＴＧ．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｅｖｏ　　——　　　　　　　　——　ｌｕｔｉｏｎｏｆｈｏｔｗｏｒｋｔｏｏｌｓｄｕｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒｉｎｇａｎｄｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｏｆａｋｉ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＯＯ０Ｏ０ＯＯＯＯＯＯ０∞　　　　∞　　　　　加ｍ舳如如ｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　０ＯＯＯＯＯＯＯＯ０Ｏ∞　∞　　　∞　　∞　　　舳加如如加　　，。ＪｎＪ９０暑０＿Ｉ＿