滕樹滿 朱勇

(廣西柳州鋼鐵集團有限公司，廣西545002)

關鍵字：鐵基合金RMD248；熱物理性能；工藝優(yōu)化；熱鍛模具

模具是重工業(yè)之母，提高大型、重載熱鍛模具的服役壽命成為當下的研究重點[1]。由于受到高溫高壓與熱循環(huán)，服役一段時間后熱鍛模具不可避免地將產生疲勞裂紋、磨損、塑性變形等失效，降低熱鍛生產的質量[2]。因此，采用合適的工藝修復失效模具尤為重要。相較于其余修復工藝，堆焊修復熱鍛模具成本低、效率高、質量好，具有廣闊的應用前景[3]。近年來，材料工作者對熱鍛模具堆焊用材及堆焊工藝進行了研究，取得了一定成果。

由于高強度、高韌性等優(yōu)勢，鐵基合金RMD248被廣泛應用于熱鍛模具堆焊修復制造[4]。但受限于實物試驗成本較高等因素，該合金的性能參數數據庫仍不豐富，阻礙了工藝的進一步優(yōu)化。而應用材料熱力學計算軟件JmatPro可實現該合金的性能參數計算、預測，豐富合金熱物理性能數據庫，為該合金堆焊工藝及模具熱處理優(yōu)化提供基礎性指導[5]。本文采用熱力學軟件JmatPro7.0對RMD248合金的熱處理參數進行了預測，并基于所獲得的熱處理參數和DEFROM-3D軟件，模擬并分析了不同工藝參數設置對某采用該種合金制造的大型熱鍛模具淬火過程的影響，以實現該熱鍛模具的熱處理生產質量優(yōu)化。

1 合金熱處理參數模擬計算

1.1 平衡相的熱力學計算

鐵基焊材RMD248的化學成分如表1所示。將化學成分輸入JmatPro軟件并根據熱力學原理計算自動繪制RMD248合金從0～1600℃平衡相圖，如圖1所示。根據鐵基合金RMD248的平衡相圖可知，相圖共有9個相區(qū)，主要為液相區(qū)、奧氏體區(qū)和鐵素體區(qū)。該鐵基合金的奧氏體化臨界溫度Ac1=617.36℃，Ac3=782.31℃。當加熱溫度達到1477.85℃時鐵基合金完全熔化至液態(tài)，即液相線溫度；由液相線溫度降溫至1404.92℃時，鐵基合金發(fā)生完全固液相變轉變?yōu)閱蜗鄪W氏體。

表1 鐵基焊材RMD248的化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of iron-basedwelding material RMD248 (mass fraction, %)

為了研究該合金在室溫下的相組成，將圖1(a)的平衡相圖左下角進行局部放大，得到如圖1(b)所示的鐵基合金RMD248在室溫下的平衡相圖。據此可得，該合金在室溫下的相組成及組成含量分別為：鐵素體87.01%、M23C64.86%、Laves相3.1%、G相(一種關于Mn、Ni、Si、Cr等一類的金屬間化合物)2.9%、奧氏體2.04%、M3P0.0785%、MNS0.0109%。

(a)鐵基合金RMD248在0～1600℃平衡相圖

1.2 連續(xù)加熱奧氏體化TTA曲線的熱力學計算

TTA圖是材料在連續(xù)加熱過程中奧氏體形成的動力學圖，該圖描述了焊材在奧氏體化過程中，加熱速度、溫度與奧氏體化程度之間的關系，對合金加熱工藝調控有較大指導意義。RMD248合金的TTA圖由軟件計算并自動繪制，如圖2所示。根據TTA圖可以總結出，提高RMD248合金的升溫速度，Ac1、Ac3和奧氏體均勻化溫度均不斷地升高，且提高升溫速度可加速RMD248合金碳元素的擴散，加快奧氏體均勻化過程。

圖2 RMD248合金TTA圖Figure 2 TTA diagram of RMD248 alloy

1.3 CCT曲線熱力學計算及分析

使用JmatPro軟件計算得到如圖3所示的鐵基合金RMD248的CCT曲線，該曲線對合金的電弧增材和焊后熱處理工藝都具有重要的指導意義。根據RMD248合金CCT圖可以看出，馬氏體開始轉變溫度(Ms)為242.1℃，轉變至50%馬氏體和90%馬氏體時溫度為199.72℃和107.59℃；貝氏體(B)轉變溫度為316.66℃；珠光體(P)轉變溫度為592.8℃?？紤]到該合金主要應用于熱鍛模具的堆焊制造，應保證一定的硬度，在焊后冷卻時的冷卻速度不應低于10℃/s。

圖3 鐵基合金RMD248的CCT曲線Figure 3 CCT curve of iron-based alloy RMD248

1.4 熱物理性能計算與分析

根據合金的化學成分計算合金在不同溫度下的性能，結果如圖4所示。

根據熱力學計算結果，鐵基合金RMD248的密度和楊氏模量與溫度呈負相關關系，在室溫時分別達到最大值7.82 g/cm3與213.63 GPa，而當鐵合金熔化后兩數值均顯著降低。而鐵合金的熱導率與泊松比與溫度均呈現正相關的趨勢，在室溫時兩物理量均有極小值，分別為18.61 W/(m·K)與0.2886。此外，合金的四個物理量的變化趨勢均在610～800℃范圍內發(fā)生了波動，這是由于在該溫度范圍內鐵基合金RMD248中鐵素體發(fā)生較大程度的相變轉變?yōu)閵W氏體，使材料的熱物理屬性產生顯著變化。

2 合金熱處理過程模擬及優(yōu)化

在完成堆焊后，需對模具重新熱處理，消除焊接殘余應力，提高模具工作表面的硬度[6]。由于修復的模具尺寸比較大，在熱處理時模具內外可能產生溫度差，導致內外組織與性能產生差異，降低模具的質量。因此，制定合適的熱處理工藝路徑對提高堆焊修復質量十分重要[7]。為此，以RMD248修復的某鈦合金框類模具為研究對象，研究了該模具在淬火過程中的溫度場-應力場-組織場分布特點。

(a)合金密度隨溫度變化關系圖

2.1 熱鍛模具三維模型分析

本研究所選取的模具截面如圖5所示，該模具的最大外廓尺寸1700 mm×1300 mm×300 mm，具有面積大，型腔深度淺等特性，均勻淬透的難度較大。為了計算模具在熱處理過程中內外溫度等因素的差異，設置了P1～P5五個參考點，如圖5所示。

圖5 熱鍛模具截面外形圖Figure 5 Hot forging die section outline drawing

2.2 熱處理模擬參數設定

RMD248合金模具在熱處理過程中，換熱系數與溫度的關系示意圖如圖6所示。本文設置了如下三種熱處理工作制度。

(1)熱處理工藝制度a：將該熱鍛模具加熱至800℃使其完全奧氏體化后，直接放入水中冷卻。

(2)熱處理工藝制度b：將該熱鍛模具加熱至800℃使其完全奧氏體化后，首先置于空氣中空冷1200 s，隨后依次水淬4500 s→空冷280 s→水淬1500 s→空冷330 s→水淬2600 s。

(3)熱處理工藝制度c：將該熱鍛模具加熱至800℃使其完全奧氏體化后，空冷600 s→水淬1800 s→空冷300 s→水淬3600 s→空冷。

(a)RMD248合金與水的換熱系數具加熱至800℃使其完全奧氏體化后，空冷600 s→水淬1800 s→空冷300 s→水淬3600 s→空冷。

模具熱處理過程各測溫點溫度的變化情況如圖7所示。為了詳細比較模具溫度場、應力場的差異，分別計算了熱鍛模具在表面恰好冷卻至最低溫度時的溫度場及冷卻完成后的應力場分布，如圖8和9所示。據圖8分析，采用方案c淬火熱鍛模具在冷卻至室溫后內外溫度差最小。應力場分布云圖表明，淬火過程中模具型腔工作面的應力大于內部截面，采用工藝方案c處理后模具的應力最小。這是因為該熱鍛模具的截面較厚，心部熱量散失較慢，而表面與水接觸時熱量散失快，導致內外產生較大的溫度差，產生內外熱膨脹變形差異，進而產生熱應力。分析模具的熱處理應力分布云圖可知，熱鍛模具熱處理殘余應力最大值均位于工作面邊緣的棱邊處，在實際生產中，為減小模具的應力集中，應對棱邊處進行圓滑過渡。綜上表明，對采用RMD248合金制造的熱鍛模具進行淬火時，在入水前空冷，結束時增加空冷時間有利于提高熱鍛模具熱處理過程內外截面溫度的均勻性，降低熱處理殘余應力，提高熱處理后模具的服役性能。

(a)熱處理工藝制度a(b)熱處理工藝制度b(c)熱處理工藝制度c

(a)熱處理工藝制度a(b)熱處理工藝制度b(c)熱處理工藝制度c

3 結論

本文基于軟件JmatPro7.0對鐵基合金RMD24的熱物理性能進行了熱力學計算與分析，獲得了該鐵基合金的平衡相圖、CCT曲線等基礎材料參數，并將所計算出的性能參數導入DEFORM-3D熱處理模塊，模擬了采用該合金制造的熱鍛模具在不同熱處理工藝下溫度場、應力場分布特點：

(1)鐵基合金RMD248室溫時平衡組織為鐵素體+M23C6相+Laves相+G相+奧氏體+M3P+MNS。

(2)鐵基合金RMD248的熱物性參數中，密度與楊氏模量隨溫度呈現負相關趨勢，而比熱容與泊松比隨溫度呈正相關趨勢。

(3)根據鐵基合金RMD248的CCT相圖計算，合金的冷卻速度大于10℃/s時有馬氏體相析出，馬氏體開始轉變溫度(Ms)為242.1℃，轉變至50%馬氏體和90%馬氏體時溫度為199.72℃和107.59℃；貝氏體(B)轉變溫度為316.66℃；珠光體(P)轉變溫度為592.8℃。

(4)對采用該合金制造的大型熱鍛模具進行熱處理，在入水前空冷，結束時增加空冷時間有利于提高熱鍛模具熱處理過程內外截面溫度的均勻性，降低熱處理殘余應力，提高熱處理后模具的服役性能。