文/ 韓非，蔣曉梅，趙先鋒·內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團公司

韓桐·大慶油田工程建設(shè)有限公司

H13鋼淬火工藝的有限元模擬

文/ 韓非，蔣曉梅，趙先鋒·內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團公司

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H13鋼是采用美國AISI-SAE統(tǒng)一編號的鋼材，要求有高的熱穩(wěn)定性、高溫強度、耐熱疲勞性以及耐磨性。相當(dāng)于我國的4Cr5MoSiV1鋼，屬于中合金超高強度鋼，是高溫綜合性能較好的熱作模具鋼，其化學(xué)成分見表1。該鋼具有較好的強度和硬度，中溫時依然能保持較好的強度和硬度的穩(wěn)定性。正是這種良好的綜合性能，H13鋼被越來越廣泛地應(yīng)用于制造模鍛錘的鍛模、熱擠壓模具與芯棒、精鍛機用模具、鑲塊以及鍛造壓力機模具、銅及其合金的壓鑄模等。

這類鋼鉻含量大約在5%左右，同時加入適量的鉬、釩、硅等元素。由于鉻含量較高，因而具有較高的淬透性，鉬的加入將進一步提高鋼的淬透性。此外鉻和硅等元素的加入提高了鋼的抗氧化性，同時也有利于提高其熱疲勞性能。釩的加入可加強鋼的二次強化現(xiàn)象，增加熱穩(wěn)定性。如果加熱不當(dāng)易產(chǎn)生熱裂紋，溫度過高易發(fā)生晶粒粗大從而導(dǎo)致脫碳，其鍛造溫度范圍也窄，高溫、低溫鍛造時易產(chǎn)生角部裂口。合金成分較高，導(dǎo)熱性差，加熱時應(yīng)緩慢。因此應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行加熱、預(yù)熱、保溫各個階段的工藝控制，其中熱處理工藝中的淬火是整個熱處理工藝的關(guān)鍵階段，是芯棒鍛造之后的首次淬火，淬火工藝的穩(wěn)定性直接影響鋼后續(xù)熱處理的進行及組織性能，因此研究H13鋼淬火階段的溫度變化具有重要的實際意義和指導(dǎo)作用。

試驗方案

用計算機對H13鋼芯棒進行模擬前，本文采用3D建模軟件PRO/E對H13鋼芯棒進行軟件建模，保存為igs格式導(dǎo)入visual-environment軟件中的visual-mesh模塊進行有限元的網(wǎng)格劃分。本文模擬的H13芯棒尺寸為φ350mm×12m，為了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確，用visual-mesh對芯棒表面劃分為10層，2D和3D單元總共劃分為22808個，所有單元均為六面體單元，X、Y、Z三個方向約束20482個節(jié)點，考慮到實際情況及計算機的計算能力，沿H13芯棒的長度方向劃分為10個部分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

表1 H13熱作模具鋼的化學(xué)成分

圖1 H13鋼網(wǎng)格劃分及節(jié)點選取

從圖1中可以看出，對劃分完網(wǎng)格的模型從長度的一半選取橫截面，在橫截面上沿半徑方向由外到內(nèi)依次選取41041、41042、41177、41287、41397、 41507、41617、41727、41837、41947、42057、42166、42261、42307、42429、42487、42514、42606、42633、42647、42691、42692、42693、42689、42687等25個節(jié)點。

為了便于對比分析，本文采用的淬火工藝主要有兩種，工件規(guī)格為φ350mm×12m，入水前溫度為950℃，水溫為20℃，空氣溫度為20℃，具體試驗方案如下：

⑴方案1。水冷80s→空冷80s→水冷80s→空冷80s→水冷80s→空冷80s→水冷80s→空冷80s→水冷80s。

⑵方案2。水冷120s→空冷120s→水冷120s→空冷120s→水冷120s→空冷2h。

結(jié)果分析與討論

將ASC格式的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到sysweld軟件，利用sysweld軟件中的熱處理模塊進行模擬計算，計算結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，Y軸方向從下向上分別為圖1中從外向內(nèi)的節(jié)點曲線，每條曲線分別為每個節(jié)點的溫度變化曲線，外層節(jié)點平均間距為5mm，內(nèi)部節(jié)點平均間距為10mm。從曲線的整體趨勢來看，在水冷階段初期曲線出現(xiàn)了急劇的下滑，然后趨于平緩，在接下來的空冷階段由于材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)作用，曲線出現(xiàn)了迅速上升。

隨著水冷與空冷的交替進行，曲線的每個下降峰逐漸趨于平緩，峰值逐漸減小，同樣曲線上升階段的峰值也隨著水冷與空冷的交替進行而逐漸右移并減小，在空冷階段隨著水冷與空冷的進行，H13鋼的溫度逐漸降低，材料的回溫越來越充分。

水冷階段隨著冷卻的進行H13鋼的冷卻速率逐漸增大，說明在低溫階段H13鋼降溫的速度更大。同時對材料表面的溫度進行紅外測試，把試驗結(jié)果與實際現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)進行了對比，結(jié)果見表2。同時從方案1的曲線圖中可以看出，沿模型的半徑方向回溫的情況逐漸不明顯，當(dāng)?shù)竭_第七個節(jié)點的時候，曲線的波動變小趨于一條直線，說明淬透深度大約在30mm左右。在方案2的曲線中，當(dāng)?shù)竭_第十二個節(jié)點時，曲線波動趨緩，在1505s以后回溫曲線與降溫曲線重合，變?yōu)橐粭l直線，材料的降溫呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢，表明材料從1505s之后內(nèi)外溫度趨于一致，淬透深度在60mm左右。表2中W80代表水冷80s，A80代表空冷80s，表3同理。

表2、3中的數(shù)據(jù)表明模擬結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果基本吻合，平均誤差在10%以內(nèi)。對比兩種淬火工藝可知，采用方案2中的淬火工藝，材料的淬透深度要大于方案1中的淬透深度，從溫度變化曲線上分析可知，水淬及空淬的時間長短對材料淬透深度的影響很大。

圖2 溫度變化曲線

表2 方案1實驗結(jié)果與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)對比 （單位/℃）

表3 方案二實驗結(jié)果與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)對比 （單位/℃）

結(jié)束語

⑴通過對尺寸為φ350mm×12m的H13鋼鍛造芯棒淬火過程的計算機模擬，發(fā)現(xiàn)在低溫階段H13鋼的回溫更充分。

⑵通過對水冷階段的分析研究，在低溫階段H13鋼的降溫速率更大，方案1淬透深度為30mm左右，方案2中在1505s以后，材料內(nèi)部的降溫及回溫程度趨于平衡，淬透深度為60mm左右。

⑶通過對材料表面進行紅外測溫，并對實測數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果表明利用計算機數(shù)值模擬能較真實地反映實際情況。