合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 （安徽 230009） 王 杰

安徽安簧機(jī)械股份鍛造公司 （安慶 246005） 黃昌文 丁金根

活塞是發(fā)動機(jī)的核心零件，決定著發(fā)動機(jī)性能?；钊ぷ鳝h(huán)境極其惡劣，這就要求其不僅力學(xué)性能達(dá)到要求，還要具備抗高溫高壓能力。為了獲得相應(yīng)力學(xué)性能及抗高溫性能，適當(dāng)?shù)臒崽幚硎潜夭豢缮俚摹崽幚磉^程是溫度、組織轉(zhuǎn)變、應(yīng)力三個方面相互作用的復(fù)雜過程。

1.活塞加工工藝

42CrMo4鍛鋼活塞生產(chǎn)原材料采用φ90mm×200mm鋼坯，使用中頻感應(yīng)爐加熱到1200～1240℃，淬火冷卻介質(zhì)使用L—AN22全損耗系統(tǒng)用油代替普通淬火油。具體加工工藝路線為：加熱→鍛造→切邊→淬火900℃、回火（600℃）→銑頂桿→鉆孔→拋丸、磁粉檢測→成品檢驗→包裝、入庫出運(yùn)?；钊麑嶓w如圖1所示。

圖1 活塞實體照片

活塞熱處理工藝：活塞鍛后冷卻至900℃利用余熱淬火，淬火冷卻介質(zhì)為L—AN22全損耗系統(tǒng)用油，油溫控制為20～60℃，淬火后及時進(jìn)行高溫回火，回火溫度（600±20）℃。熱處理工藝如圖2所示。

圖2 活塞鍛后余熱淬火+回火工藝

2.有限元模擬

（1）模型建立 鍛造過程模型建立。利用UG分別建立凸凹模及坯料，并將3個部件裝配到一個文件中（方便在DEFORM中對準(zhǔn)中心），如圖3a所示，導(dǎo)出STL文件，并導(dǎo)入DEFORM－3D。熱處理過程模型建立。因為工件是對稱的，取1/2作為模擬對象，如圖3b所示。

圖3 模具及活塞三維模型

（2）鍛造過程模擬 具體參數(shù)設(shè)置如下：①材料參數(shù)。毛坯選用42CrMo4，在材料庫中適應(yīng)條件選擇Hot Forming，steel 選擇42CrMo4，模具材料選擇AISI-H-13。②環(huán)境設(shè)置。模鍛溫度為1200℃，模具初始溫度定義為20℃，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)40 000。③運(yùn)動參數(shù)。凹模固定不動，凸模運(yùn)動速度50mm/s，運(yùn)動方向Z－，凸模從剛接觸坯料開始運(yùn)動。設(shè)置運(yùn)行300步，步長為0.3，接觸關(guān)系選擇塑性剪切（Shear）摩擦模型，摩擦因子選擇Hot Forming（dry）0.7。

模擬結(jié)果及對淬火裂紋影響分析。模擬在210步結(jié)束，模擬結(jié)果很好地顯示了材料最后的流動方向速度，從圖4a 200步到圖4b 210步鍛造過程最后階段，活塞凹槽底部以外的材料向心部流動，凹槽內(nèi)部材料向外流動，在凹槽處材料流動形成倒“人”字形，故此該處易形成折疊。在折疊處易產(chǎn)生裂紋，在后期淬火過程中擴(kuò)展開來。

圖4 熱鍛成形速度場分布

模擬結(jié)果顯示，鍛后活塞不同部位溫度差異較大，如圖5所示，活塞凹槽底部周邊差異最大，所以活塞淬火過程中馬氏體轉(zhuǎn)變不能同時進(jìn)行。如圖5b所示活塞底部凹槽區(qū)域溫度高達(dá)1000℃以上，過高的溫度導(dǎo)致奧氏體晶粒粗化，加上鍛造過程的晶粒受力變形，原本粗大的奧氏體被進(jìn)一步拉長。鍛造后利用余熱立即淬火，短時間內(nèi)粗大奧氏體無法回復(fù)，淬火后即獲得粗大片狀馬氏體，使淬火組織和內(nèi)應(yīng)力的不均進(jìn)一步增大，誘發(fā)顯微淬火裂紋產(chǎn)生。從圖5a、圖5b分析，活塞底部外層溫度較低、心部溫度較高，外層先冷卻收縮，此時心部處在塑性狀態(tài)熱應(yīng)力被塑性變形緩和；當(dāng)外層冷卻完成后，心部冷卻收縮，此時溫度較低塑性降低，在凹槽處形成殘余拉應(yīng)力，在拉應(yīng)力的作用下顯微裂紋逐漸擴(kuò)展開來。

圖5 熱鍛成形溫度分布

（3）淬火過程熱應(yīng)力模擬 淬火過程主要參數(shù)設(shè)置：由于熱處理材料庫中無42CrMo4，故此只能依據(jù)鋼的含碳量做近似處理，從DEFORM安裝文件導(dǎo)入Demo Temperor—Steel.KEY，設(shè)定w（C）為0.4%。為對比不同溫度熱處理后殘留應(yīng)力，坯料初始溫度分別設(shè)為860℃、1000℃，Austenite設(shè)為1。自動劃分網(wǎng)格12 000，添加淬火過程，選著接觸面。設(shè)置溫度變化步長2℃/步；最大最小時間步長分別為0.01℃/步和10℃/步。

淬火溫度對余熱淬火裂紋產(chǎn)生的影響。模擬中選擇兩種淬火溫度860℃、1000℃，空氣介質(zhì)系數(shù)為0.02，淬火冷卻介質(zhì)熱交換系數(shù)為5.5，鍛后淬火溫度為860℃、1000℃時X、Y、Z三個方向的熱應(yīng)力分布分別如圖6、圖7所示。

圖6 860℃淬火活塞應(yīng)力分布

圖7 1000℃活塞應(yīng)力分布

分析可知，1000℃活塞淬火后淬火熱處理應(yīng)力略高于860℃淬火熱應(yīng)力，活塞底部凹槽處處于拉應(yīng)力狀態(tài)，易誘發(fā)裂紋缺陷，但模擬顯示兩個溫度下活塞淬火殘余應(yīng)力并不大?？梢姡慊饻囟仍礁弋a(chǎn)生裂紋傾向越大的原因并非高溫引起殘余應(yīng)力過高，而是高溫導(dǎo)致淬火組織粗化，斷裂強(qiáng)度降低。

3.結(jié)語

（1）借助Deform-3D 有限元軟件模擬分析了鍛鋼活塞鍛后余熱淬火過程，得出鍛件鍛造過程材料流動，工件淬火后殘余應(yīng)力的分布，活塞底部凹槽處為產(chǎn)生裂紋缺陷危險部位。

（2）淬火加熱溫度愈高，淬裂傾向愈大，并不是由高溫?zé)崽幚砗暧^應(yīng)力增大引起的，溫度過高導(dǎo)致晶粒粗大、斷裂強(qiáng)度降低才是其根本原因。