大型压力机模座热处理过程模拟及工艺优化

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SIMULATIONANDOPTIMIZATIONOFHEATTREATMENTPROCESSFORIARGEPRESSDIEHOLDER樊梦婷，孙明月，李殿中中国科学院金属研究所，沈阳110016FANMENGTINGSUNMINGYUE。LIDIANZHONGINSTITUTEOFMETALRESEARCH，CHINESEACADEMYOFSCIENCES。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TGI512文献标识码A文章编号L【卜438L20L111004407ABSTRACTDATABASEOFTHERMALPHYSICALPARAMETERSANDCCTCURVESOF55NICRMOV7STEELWEREFIRSTLYOBTAINEDBYEXPERIMENTALSTUDYBASEDONTHECOMMERCIALFEMSOFTWAREABAQUS，THEMODELSOFOILQUENCHINGANDWATERQUENCHINGFORALARGEPRESSDIEHOLDERWEREESTABLISHEDSEPARATELY，THETEMPERATUREANDSTRESSEVOLUTIONWERECALCULATEDFOREACHPROCESSCOMBINEDWITHTHECOOLINGRATESOFEACHNODEANDCCTCURVESOF55NICRMOV7，THEFINALMICROSTRUCTUREANDSTRESSDISTRIBUTIONONTHEDIEHOLDERWEREPREDICTEDACCORDINGTOTHEFEMRESULTS，UPPERBAINITECANBEOBTAINEDINTHESURFACELAYERBYOILQUENCHING，WHILELOWERBAINITECANBEOBTAINEDUNDERWATERCOOLINGCONDITIONHOWEVER，CRACKSAREEASILYGENERATEDINTHEINNERCHAMFERBYWATERQUENCHINGBECAUSEOFTHESEVERESTRESSCONCENTRATIONONBASISOFTHEANALYSIS，DOUBLEQUENCHINGPROCESSWASPROPOSEDTOAVOIDCRACKANDOBTAINLOWERBAINITE，THESIMULATIONRESULTSSHOWTHAT30MINWATERCOOLINGBEFOREOILCOOLINGISFAVORABLETOWARDSAFEPRODUCTIONANDOPTIMIZINGTHEMICROSTRUCTUREOFTHEDIEHOLDERKEYWORDSPRESSDIEHOLDER；QUENCHING；FINITEELEMENTMETHODFEM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1012，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TABLE1COMPOSITIONOF55NICRMOV7STEELMASSFRACTIONCSIMNVPSCRMONIFE05602208O00840O060004112045166BAL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FIG1THERMOPHYSICALPARAMETERSOF55NICRMOV7STEELAELASTICMODULUSANDPOSSIONSRATIO；BLINEARTHERMALEXPANSIONRATIOANDTHETHERMALEXPANSIONCOEFFICIENT；CSPECIFICHEATCAPACITYANDTHERMALCONDUCTIVITY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008S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FIG2MEASUREDCCTCURVESOF55NICRMOV7STEEI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864208642OOO0OOOOOOOOO0加M642舟00JD0B1叫OOOOOOOOO0O1踟如如加P2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。33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01S。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FC一CL一1，一、IABLIM1_1，SAMJLS01Q0G、。O0101O1O1O10TIMES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9A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008S，避免了大量上贝氏体组织的产生。同时，由图9B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FIG9COMPARISONOFSIMULATIONRESULTSONDOUBLEQUENCHINGPROCESSANDPREVIOUSPROCESSAC0RRESPONDINGPOSITIONSINTHECCTCURVESOFDOUBLEQUENCHINGANDOILQUENCHINGCOOLINGCURVESOFTHECENTRALNODEWITH135MILLBELOWINNERSURFACEBSTRESSEVOLUTIONOFTHEINNERCHAMFERBYDOUBLEQUENCHINGANDWATERQUENCHINGPROCESS1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01S，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008OCS，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