馮建新，宛 農(nóng)

(武漢輕工大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北武漢 430023)

H13鋼是使用較為廣泛的熱作模具鋼。某廠使用H13鋼制作截面直徑為φ780 mm的大截面模具。在進行真空淬火時產(chǎn)生了裂紋。為了解決淬火開裂這一問題，特對該模具進行失效分析并制定相應(yīng)的冷卻制度。

1 H13鋼模具淬火開裂分析

零件在熱處理過程中產(chǎn)生裂紋是最嚴重的熱處理缺陷之一，這種缺陷導(dǎo)致零件無法補救，直接報廢。通過文獻［1-2］可知引起淬火開裂的原因很多，但必須同時存在兩個條件:一是具有脆性組織;二是拉應(yīng)力超過此時鋼的抗拉強度。針對某廠使用的大截面H13鋼模具在淬火過程中極容易發(fā)生開裂現(xiàn)象，究其原因主要有兩點:一是零件形狀導(dǎo)致應(yīng)力集中;二是淬火過程中零件的冷卻制度有問題。

1.1 H13鋼模具形狀對淬火開裂影響分析

通過文獻［3］可知，淬火裂紋與熱處理零件的形狀有密切關(guān)系，那些形狀復(fù)雜，帶孔洞、鍵槽及厚薄懸殊的零件，淬火冷卻時會產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)應(yīng)力，非常容易引起淬火裂紋。該廠發(fā)生開裂的H13模具的實物圖見圖1，由實物圖可看出，裂紋發(fā)生在鍵槽處，與文獻所述相符，說明該H13模具極易在鍵槽處產(chǎn)生裂紋。有資料介紹，尖角處的應(yīng)力為平滑面的10倍左右。然而模具的形狀與設(shè)計者有關(guān)，是為了滿足其形狀功能，不便輕易改動。所以有必要通過控制淬火冷卻過程來減小淬火引起的拉應(yīng)力。

圖1 H13模具開裂實物

1.2 H13鋼模具冷卻制度對淬火開裂影響分析

冷卻制度是淬火過程中最重要的工藝，冷卻速度影響淬火內(nèi)應(yīng)力的大小和分布，并影響組織形態(tài)。在淬火冷卻過程中，隨著溫度變化，會產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。熱應(yīng)力主要通過熱脹冷縮的形式產(chǎn)生，在冷卻初期外表面冷速比心部冷速快，導(dǎo)致外表面收縮比心部快，零件表面受壓應(yīng)力，冷卻后期則正好相反。組織應(yīng)力主要通過形成馬氏體的形式產(chǎn)生，馬氏體的比體積最大，形成馬氏體時材料會膨脹，所以組織應(yīng)力是溫度低于Ms點時才開始形成的，零件外表面溫度最先低于Ms點形成硬而脆的馬氏體，隨著溫度繼續(xù)降低，次表層就會形成馬氏體膨脹導(dǎo)致外表層先形成的馬氏體受拉應(yīng)力。針對H13模具而言，淬透性較高，容易形成一定厚度的馬氏體，如果控制不好熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，那么很容易在危險截面處開裂。而冷卻速度影響淬火內(nèi)應(yīng)力的大小和分布，并影響組織形態(tài)，因此制定合理的冷卻制度是很有必要的。

2 H13鋼模具的溫度場仿真

目前大多數(shù)溫度場數(shù)值模擬是將其簡化為一維或二維問題進行求解，但H13鋼模具淬冷是一個三維、變物性和瞬態(tài)的傳熱過程。通過Ansys Workbench有限元分析軟件對H13鋼模具進行有限元模擬，可以得到模具溫度隨淬冷時間的分布關(guān)系。

2.1 淬冷過程熱傳導(dǎo)方程

對于三維零件，Ansys Workbench求解的熱傳導(dǎo)平衡方程為:

式中ρ、c、λ和Q分別表示工件材料密度、比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)和相變潛熱;T和t分別表示工件溫度和淬冷時間。

工件淬火時的初始條件為:

工件淬火時邊界條件為對流換熱形式:

其中h、s和n分別表示表面換熱系數(shù)、換熱邊界和換熱邊界的法向方向，TW為工件表面溫度，TQ為淬火介質(zhì)溫度。

2.2 Ansys Workbench模擬前處理

Ansys Workbench的Geometry組件具有強大的三維建模能力，通過其對H13模具鋼零件進行三維實體建模，如圖2所示。

圖2 H13模具鋼三維實體建模

建模成功后，利用Ansys Workbench自動劃分網(wǎng)格功能對其進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 H13模具鋼網(wǎng)格劃分

將H13模具鋼加熱到1 020℃讓其充分奧氏體化，放入30℃的油中冷卻1 h，考察其淬冷過程溫度的變化情況。

2.3 求解結(jié)果

對設(shè)定條件進行求解，可以得到模具淬冷1 h過程中其內(nèi)部溫度分布情況。圖4為模具重要截面在淬火4 min時的溫度場分布。從圖中可以看出，表面局部溫度已經(jīng)很低，但心部溫度仍保持高溫。

圖5 H13模具4 min溫度場分布

圖6為模具重要截面在淬火13 min時的溫度場分布。從圖中可以看出，油冷13 min時模具最高溫度約411℃，孔壁連橋大部分溫度低于100℃，而鍵槽根部接近200℃，其正在形成淬火馬氏體膨脹會受到孔壁連橋的牽制而在鍵槽根部產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，此時若將模具提出油面緩冷片刻(約2 min)再入油冷卻或直接轉(zhuǎn)空冷至模具溫度100℃時再入250—300℃回火爐等溫回火，這樣可以使孔壁連橋和鍵槽根部局部回溫(自回火)，提高其淬火組織的塑韌性而極大地緩解其組織應(yīng)力和應(yīng)力集中效應(yīng)。

圖6 H13模具13min溫度場分布

3 H13鋼模具的冷卻制度的擬定

根據(jù)淬冷過程零件內(nèi)部發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變和應(yīng)力變化，可以將整個淬冷過程劃分為兩個區(qū)域。一個是為了避開珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域而必須快冷的臨界區(qū);另一個是為了減緩組織應(yīng)力而必須緩冷的Ms點以下的危險區(qū)［4］。所以，在H13模具鋼淬冷的過程中，即要保證絕大部分區(qū)域淬硬又要保證鍵槽處危險區(qū)的緩冷。查閱熱處理手冊查看H13連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線可知，只要在1 200 S內(nèi)避開珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)即可淬硬。通過整個溫度場過程的綜合分析，H13模具鋼在油冷14 min時可將模具提出油面直接轉(zhuǎn)空冷至模具表面溫度100℃左右時即可入300℃回火爐進行回火處理。

4 結(jié)束語

通過Ansys Workbench模擬結(jié)果可以揭示淬火冷卻時復(fù)雜零部件溫度變化趨勢和應(yīng)力變化情況，從而預(yù)計淬火裂紋可能產(chǎn)生的部位，為新模具第一次熱處理工藝制度提供相關(guān)參數(shù)。

［1］王麗蓮.H13鋼模具真空淬火致裂原因探討［J］.熱處理，2010，5(25):39-44.

［2］祝國華，戰(zhàn)祥麗.零件熱處理裂紋的分析與對策(一)［J］.機械工人(熱加工)，2004(8).

［3］龐祖高，蘇廣才，林松，等.H13鋼溫擠壓模具型腔開裂失效分析與控制［J］.模具工業(yè)，2008，11(34):68-71.

［4］李美林.熱處理工件淬火裂紋的探討［J］.株洲工學(xué)院學(xué)報，1999，2(13):29-31.