X38CrMo16模具钢模坯淬冷温度场仿真与参数选择.pdf

X 3 8 C r M 0 1 6 模具钢模坯淬冷温度场仿真与参数选择 宛农l 2 ，熊惟皓2 ，索进平2 ( 1 武汉工业学院机械工程系，湖北武汉，4 3 0 0 2 3 ；2 华中科技大学模具技术国家重点实验室，湖北 武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘要：X 3 8 C r M 0 1 6 属于抗腐蚀性能优良的塑料模具钢，因导热性能较差和淬冷参数控制不当常常导致 大件淬火开裂或心部未淬透现象发生。为解决这一问题，体文运用有限元法对尺寸为1 7 0 0 m m 2 8 0 m m 6 5 0 m m 的X 3 8 C r M 0 1 6 模块油淬温度场进行了仿真计算，并根据C C T 曲线确定了模块油淬一空冷的转 换时机，完成了模块淬冷参数的虚拟设计。结果表明，为减少淬火应力和避免心部珠光体组织转变，模 块油中冷却时间控制在4 0 4 6 m i n 为宜，此时模块心部预测温度在5 7 6 - - - 6 6 5 “ C 之间；按此淬冷工艺执行后， X 3 8 C r M 0 1 6 模块淬火缺陷基本上得以消除，实现了淬冷过程的计算机预演。、 关键词：塑料模具钢；淬火；温度场；仿真；参数选择 中图分类号：T G l 6 2 4 ；T B l l 5文献标识码：A T e m p e r a t u r eF i e l dS i m u l a t i o na n dP a r a m e t e rS e l e e t i o no f ) 【3 8 C r M o l 6M o u l d S t e e lB l o o mD u r i n gQ u e n ch i n g W A N N o n 9 1 一，X I O N GW e i h a 0 2 ，S U OJ i n - p i n 9 2 ( 1 D e p a r t m e n to f M e ch a n i ca lE n g i n e e r i n g ，W u h a nP 0 1 ”e ch n i cU n i v e r s i t y , W u h a nH u b e i4 3 0 0 2 3 ，C h i n a ； 2 S t a t eK e yL a b o fD i e & M o u l dT e ch ，H u a n z h o n gU n i v o fS ci & T e ch ，W u h a nH u b e i4 3 0 0 7 4 ，C h i n a ) A b s t r a ct ：T h es u r f a cecr a cko rt h eu n h a r d e n e dco r eo 舭no ccu ri nal a r g e rw o r k p i e cem a d ef r o mX 3 8 C r M o co r r o s i o n - p r o o fp l a s t i cm o u l ds t e e la f t e rq u e n ch i n gb e ca u s eo fi t sl o w e rt h e r m a lco n d u ct i v i t ya n du n r e a s o n a b l e co o l i n gt i m e I no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ，t h es i m u l a t i o nca l cu l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d f o r17 0 0 m m 2 8 0 m m 6 5 0 m mX 38 C r M om o u l ds t e e lb l o o md u r i n gq u e n ch i n gi no i lw e r eca r r i e do u tu s i n gF E M ，a n dt h e t r a n s i t i o no fo i lq u e n ch i n gt oa i rco o l i n gw a sd e t e r m i n e di na cco r d a n cew i t hC C Tcu r v eo fX 3 8 C r M os t e e l T h e s i m u l a t i o nr e s u l t sr e v e a lt h a tt h eco o l i n gt i m eo fX 3 8 C r M om o u l ds t e e lb l o o mi no i li ss u g g e s t e dt ob e co n t r o l l e di nt h er a n g eo f4 0t o4 6m i nw h e nt h ep r e d i ct e dt e m p e r a t u r ea tco r ei sa b o u ti nt h er a n g eo f5 7 6t o6 6 5 t or e d u ceq u e n ch i n gs t r e s sa n dt oa v o i dt h ep e a r l i t eo ccu l l r i n ga tm o u l db l o o mco r e T h ep r e v i o u sq u e n ch i n g d e f e ct si nX 3 8 C r M om o u l ds t e e lb l o o mw e r er e m o v ep r i m a r i l ys i n cet h es i m u l a t e dq u e n ch i n gp a r a m e t e rh a s b e e na d o p t e d ，t h ep r e v i e wa n dt h ev i r t u a ld e s i g no fq u e n ch i n gp r o ce s si nco m p u t e rw e r ea ch i e v e d K e yw o r d s ：p l a s t i cm o u l ds t e e l ；q u e n ch i n g ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；s i m u l a t i o n ；p a r a m e t e rs e l e ct i o n 因具有高的耐腐蚀性能和良好的抛光性能，马对大型X 3 8 C r M 0 1 6 模坯的淬冷参数进行研究、优 氏体型不锈钢X 3 8 C r M 0 1 6 ( 材料号为D I N l 2 31 6 ) 化和选择。 通过热处理调质( 1 0 2 0 1 0 5 0 “ C 油淬+ 6 0 0 6 5 0 “ C ) 预 硬化处理至3 2 - 3 5 H R C 后主要用于制作要求耐腐 蚀的塑料模具，如P V C 、再生塑料和橡胶制品挤 压模，其对应的中国仿制牌号为3 C r l 7 N i M o 。然而， 由于合金化程度高和导热性能较差，大规格 X 3 8 C r M 0 1 6 模坯淬冷过程中因油冷时间掌握不 当，淬裂( 油冷时间过长，见图1 中所示) 或模坯心 部未淬硬( 油冷时间过短) 现象时有发生。故有必要 作者简介：宛农( 1 9 6 2 0 2 一) ，男，湖北黄梅人，副教授， 博士后，主要从事合金钢研究与开发工作，已发表论文2 5 篇。联系电话：0 2 7 8 3 9 3 7 3 8 9 收稿日期：2 0 0 5 5 1 0 1 5 6 E m a i l ：w a n n o n g e t a n g co m 图1 X 3 8 C r M 0 1 6 塑模钢模坯淬火裂纹( 淬火温度1 0 4 0 。C ) F i g 1T h ecr a cko ccu r r e di nX 3 8 C r M o l 6p l a s t i c m o u l ds t e e l b l o o mq u e n ch e da t1 0 4 0 。C 金属热处理2 0 0 5 年第3 0 卷增刊 淬冷温度场的有限元模拟I l 卅是近十年来材料 热处理行业的热点问题之一，也是淬火工件组织预 测和变形控制的关键。本文以X 3 8 C r M 0 1 6 塑料模 具钢的连续冷却转变曲线为准则，以瞬态热传导平 衡方程为计算工具，在对尺寸为1 7 0 0 m m 2 8 0 m m 6 5 0 m m 的模坯在油冷介质条件下的淬冷温度场 仿真基础上，分析并确定了其最小淬冷时间和油淬 空冷转换时机以及最大许可尺寸，为获得无淬火缺 陷的模坯提供了理论依据。 1 仿真计算方法 1 1 淬冷过程热传导方程 根据文献【3 】，对于热物性指标呈各向同性的 三维形状淬冷模坯而言，其热传导平衡方程在直角 坐标下的形式为 兄f 窘+ 矿0 2 T + 窘) + Q = 犀瞎) 式中，p 、c、入和Q 分别代表工件材料的密 度、定压比热容、热传导系数和相变潜热，其中， 过冷奥氏体转变为铁素体一珠光体、贝氏体和马氏 体的相变潜热可分别按3 0 5 M J m 3 、4 4 0 M J m 3 和 6 4 8 M J m 3 选取【4 】；T 和r 分别代表模坯温度和淬冷 时间。就淬火过程而言，C 和入与模坯的具体温度 有关，因此，式( 1 ) 为非线性导热方程。 模坯淬火时的初始条件为淬火温度，即 T ( x ，Y ，z ，丁= 0 ) = T o ( X ，Y ，z ) ( 2 ) 模坯淬火时，边界条件属于对流换热形式 一A ( 鼍) 。叫瓦一r q ) 其中h 、S 和n 分别表示表面换热系数、换热 界面和换热界面的法向方向，T 。为模坯表面温度， T 0 为淬火介质温度。模坯油冷淬火时，其对流换 热系数h 与模坯表面温度之间关系可按文献【2 】选 取。 1 2 模坯淬冷温度场计算步骤 1 ) 简化对象：基于长方体模坯的对称性，将其剖 分成8 等份，见图2 ( a ) 所示，选其中之一作为研究 对象，坐标原点定在模坯的心部中心处。 2 ) 对象结构的离散化：将对象划分为e 个有限单 图2 X 3 8 C r M o l 6 塑模钢模坯剖分及有限元网格示意图( 尺 寸1 7 0 0 m m X 2 8 0 m m X 6 5 0 m m ) F i g 2T h es ch e m a t i cd i a g r a mo fX 3 8 C r M 0 1 6p l a s t i c m o u l d s t e e lb l o o m ( S i z e ：1 7 0 0 m m 2 8 0 m mX6 5 0 r a m ) 元，见图2 ( b ) 中所示，每个单元含P 个节点。 3 ) 选择插值函数：每一单元内对温度设定一个合适 的插值形式N i ( x ，y z ) ，将单元e 中任一位置的温度 用各个结点的温度来表示，即 P p ( x ，Y ，z ，f ) = M ( x ，Y ，z ) 巧。 ( 4 ) f - l 4 ) 单元矩阵和载荷向量的推导应满足对流边界条 件( 见式( 3 ) ) 的导热微分方程在每个单元上的积分 形式，整理后所有单元的热平衡方程可集合成系统 总的平衡方程组，具体可表示为下列矩阵形式f 3 1 ： , - g T C 】 ) + 【K 】口) = q ) ( 5 ) a 丁 式中，黼传导矩阵，包含导热系数、对流 a 丁 系数及辐射率等；脚、仍、 ) 和俐分别为 d f 比热容矩阵、节点温度向量、温度对时间的导数和 节点热流率向量( 含相变潜热) 。 采用向后差分将式( 6 ) 离散化 + 粤：粤，) ( 6 ) i凸f 应用式( 6 ) 可以在每一时间段求出所有结点上 的温度数值，再由插值函数计算出各单元的温度分 布，从而实现模坯三维淬冷温度场的仿真。 1 3 仿真计算结果 X 3 8 C r M 0 1 6 模具钢C C T 曲线见图3 中所示， 金属热处理2 0 0 5 年第3 0 卷增刊 1 5 7 其密度P = 7 8 7 0 9 cm z l 引、定压比热容C 和热传导系淬火冷却过程中任一瞬间，模坯中心、1 2 个棱边 数入与温度的关系可近似按3 C r l 3 马氏体不锈钢选 取1 6 ，计算过程中模坯初始温度( 即淬火温度) 取 1 0 4 0 ，淬冷介质油温T 0 取3 0 ，淬冷时间步长 取值范围控制在0 5 1 5 s 以内。图4 图6 分别是不 同时间油冷时X 3 8 C r M o l 6 模坯的瞬态温度场仿真 结果；图7 是模坯角部和心部处的计算冷却曲线。 i “i 震慕 堂 黧 惑愁臌 童董 麟隧 警 i A a l + C 慕乏鹫。熏。麟季渤豸 蕊；j ； I , , c；r j “一j 、+ | | | ； 衮慕0 躐X 醚 。 l ；鬻XX jj 磐 j X 聚 、 阿譬鄹魏毯筲l ：- - ： 孺霪雌鞠1 1 1 M ，! I | | ! 蚣黛蝴 M ；、心 i 鬻j粪 、 料登1 一H r 椒l 。 o H v l 0 i | l 国锈鞫移囝固黟0 鞫国 ( a ) 表面( b ) 中心横截面 ( a ) S u r f a ce ( b ) T r a n s v e r s es e ct i o ni nce n t e rl e n g t h 图5 1 7 0 0 m m 2 8 0 m m 6 5 0 m mX 3 8 C r l 订0 1 6 模坯1 0 4 0 油淬2 4 0 0 s 时瞬态温度场( 单位：) F i g 5T h et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ef i e l do f1 7 0 0 m m 2 8 0 m m 6 5 0 m mX 3 8 C r M 0 1 6m o u l ds t e e lb l o o mq u e n ch e da t1 0 4 0 i no i lf o r2 4 0 0 s ( U n i t ：1 ( a ) 表面( b ) 中心横截面 ( a ) S u r f a ce ( b ) T r a n s v e r s es e ct i o ni nce n t e rl e n g t h 图6 1 7 0 0 m m 2 8 0 r a m 6 5 0 m mX 3 8 C r M 0 1 6 模坯1 0 4 0 “ C 油淬2 8 0 0 s 时瞬态温度场( 单位：) F i g 6T h et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ef i e l do f17 0 0 m mX2 8 0 m m ( a ) 表面( b ) 中心横截面 6 5 0 m mX 3 8 C r M 0 1 6m o u l ds t e e lb l o o mq u e n ch e da t1 0 4 0 ( a ) S u r f a ce ( b ) T r a n s v e r s es e ct i o ni nce n t e rl e n g t h i no i lf o r2 8 0 0 s ( U n i t ：、 图4 1 7 0 0 m m 2 8 0 m m X6 5 0 m mX 3 8 C r M 0 1 6 模坯1 0 4 0 “ C和8 个角部的温度依次降低，其中模坯心部冷却速 油淬2 0 0 0 s 时瞬态温度场( 单位：)度最慢，与实际热处理情况相符。为保证模具硬度 F i g 4T h et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ef i e l d o f1 7 0 0 m m 2 8 0 m m 分布均匀和耐腐蚀性要求，X 3 8 C r M 0 1 6 塑料模具 6 5 0 m mX 3 8 C r M o l 6m o u l ds t e e lb l o o mq u e n ch e da t1 0 4 0钢模坯淬火冷却时其心部冷却速度应大于或等于 i no i lf o r2 0 0 0 s ( U n i t ：) 临界冷却速度以避免心部非淬硬组织珠光体的形 2 分析和讨论 震 篓签芸芝篇蔫警黑 2 1 油淬空冷转化时机曲线鼻子温度，见图3 中所示) 。当油冷时间为 从图4 7 所示的淬冷温度场仿真结果来看，2 0 0 0 s 时，模坯最高温度( 心部温度) 为7 5 4 0 C ，大于 1 7 0 0 m m 2 8 0 m m 6 5 0 m mX 3 8 C r M o l 6 模坯油中鼻子温度6 8 0 ，见图4 ( b ) 中所示，说明油冷时 1 5 8金属热处理2 0 0 5 年第3 0 卷增刊 惜 哪 恤 湖 瑚 啪 毳| 啪 9oh启霉q暑。一 间过短；当油冷时间等于2 4 0 0 s 时，其心部温度已 降至6 6 5 ( 稍低于鼻子温度) ，表明该种规格的 X 3 8 C r 。、 、 、 、 一删I) 2 一 01 0 1 3 0 2 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 0 0 T i m e s 图7 1 0 4 0 油淬时1 7 0 0 m m 2 8 0 m m X6 5 0 m mX 3 8 C r M 0 1 6 模坯角部( N o 1 ) 和心部( N o 2 ) 冷却曲线 F i g 7T h eco o l i n gcu r v e so fco m e r ( N o 1 ) a n dco r e ( n o 2 ) o f 1 7 0 0 m mX2 8 0 m m 6 5 0 m mX 3 8 C r M o l 6m o u l ds t e e lb l o o m q u e n ch e da t1 0 4 0 “ C i no i l M 0 1 6 塑料模具钢模坯淬火时心部不出现非淬硬组 织的最短油冷时间为2 4 0 0 s ；当油冷时间达到2 8 0 0 s 时，模坯心部温度降至5 7 6 。C ( 低于鼻子温度，但仍 高于贝氏体转变区，见图3 中所示) ，此时模坯出 油转空冷可以使随后的贝氏体和马氏体转变在较 缓慢的冷却条件下进行，达到降低热应力和组织应 力的双重作用。故1 7 0 0 m m 2 8 0 m m 6 5 0 m m X 3 8 C r M 0 1 6 模坯油淬空冷的最佳转换时间可定在 2 4 0 0 2 8 0 0 s ( 即4 0 4 6 m i n ) 之间。 参考热锻模油淬的厚度法和等效厚度( 体积 表面积) 法经验公式【8 J 计算，上述模坯油淬冷却时 间计算值分别为5 8 6 4 m i n 和3l m i n ，湖北省黄石 市黄威模坯厂据此经验值淬冷试验的结果显示，前 者易产生淬裂现象，后者常常表现为心部淬火硬度 不足，而采纳4 0 4 5 m i n 淬冷时间后，基本上消除 了先前常见的模坯淬裂和心部未淬硬缺陷，从而间 接地证明了上述温度场仿真结果的合理性和作为 淬冷工艺参数设计及选择的可能性。 2 2 模坯最大许可尺寸 由以上分析结果可以看出，淬冷过程的计算机 仿真不仅提供了工件淬冷温度场在时间和空间上 的变化规律及细节，结合具体钢种的C C T 曲线， 而且可以确定双介质淬火转换时机以及在某种介 质淬冷条件下工件心布不出现非淬硬组织的最大 许可尺寸( 即极限尺寸) 等参数。 根据图3 、图5 和图7 可以发现，1 7 0 0 m m 2 8 0 m m 6 5 0 m mX 3 8 C r M 0 1 6 模坯在油中淬火冷 却2 4 0 0 s 时，其心部温度已十分接近钢的连续转变 C 曲线鼻子温度。显然尺寸更大的X 3 8 C r M 0 1 6 模 坯油淬难以保证其心部不出现非淬硬的珠光体组 织，因此，x 3 8 C r M 0 1 6 模坯在油中淬火的最大许 可尺寸为1 7 0 0 m m 2 8 0 m m 6 5 0 m m ，根据淬火工 件的长方形截面( 尺寸a Xb ) 与圆截面( 直径为d ) 等 价近似关系 g l d = 2 a b ( a + b ) ，折合成等效直径大约是 3 9 0 m m 。 3 结论 ( 1 ) 在对1 7 0 0 m m 2 8 0 m m X6 5 0 m mX 3 8 C r M 0 1 6 塑料模具钢模坯油中淬冷温度场仿真的基础 上，结合钢的连续冷却曲线，分析并确定了模坯油 淬空冷的最佳转换时机和心部不出现非淬硬组织 的最大许可尺寸，为消除模坯淬裂和心部未淬硬等 缺陷提供了理论依据。 ( 2 ) 采用温度场仿真技术可以实现了工件淬冷 过程的预演和工艺参数的虚拟设计，极大地减少了 新材料和新产品热处理试验的盲目性，其结果可作 为淬冷工艺参数设计和选择的依据之一。 参考文献 【1 】A n g e lZ a n dJ o s eML M a t h e m a t i ca lS i m u l a t i o na n dC o n t r o l l e dC o n n l i n gi na nE D CC o n v e y o ro faW i r eR o dR o l l i n gM i l l J S I JI n t e r n a t i o n a l 2 0 0 I ，4 1 ( I O ) ：1 2 8 2 一1 2 8 8 【2 】胡明娟潘健生李兵等界面条件剧变的淬火过程三维温度场的计算机模拟 J 金属热处理学报1 9 9 6 ，1 7 ( S u p p l ) ：9 0 - 9 7 f 3 】潘健生，胡明娟，田东等4 5 钢淬火三维瞬态温度场与相变的计算机模拟【J 】热加工工艺1 9 9 8 ( 1 ) ：9 - 1 2 金属热处理2 0 0 5 年第3 0 卷增刊