基于数值模拟的718塑料模具钢大模块淬火新工艺设计

1、PAGE PAGE 11基于数值模拟的718塑料模具钢大模块淬火新工艺设计宋冬利 顾剑锋 胡明娟 潘健生（上海交通大学 高温材料及高温测试教育部重点实验室，上海200030）摘 要 为了优化新型718塑料模具钢大模块的淬火工艺，本文通过对淬火过程进行计算机数值模拟，并结合金相组织与硬度测试制订了一种淬火的新工艺，即高温930完全奥氏体化后直接空冷。该工艺能使整个模块均获得贝氏体组织，保证模块硬度在29-35HRC的范围内，而且同一截面硬度差值小于3HRC。此外，淬火冷却过程中较小的表心温差大大减小了淬火裂纹产生的可能性。关键词 塑料模具钢 数值模拟 淬火 贝氏体THE DESIGN OF NE

2、W QUENCHING TECHNOLOGY FOR 718 PLASTIC DIE STEEL BASED ON NUMERICAL SIMULATIONSONG Dongli GU Jianfeng HU Mingjuan PAN Jiansheng(Key Laboratory of the Ministry of Education of High Temperature Materials and Testing, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 20030,China)ABSTRACT In order to optimize the

3、quenching technology of the new plastic die steel 718, the numerical simulation on quenching process was carried out in this paper. Combined with observation of metallographic microstructure and hardness testing, a new quenching technologycompletely austenitizing at 930, and directly cooling to room

4、 temperature in the air, was successfully designed for this kind of steel. The technology can ensure that the bainite can be obtained all over the whole large module after quenching, and the hardness is in the range of 29-35HRC with the biggest difference of 3HRC in the same section. In addition, th

5、e possibility of cracking is greatly reduced due to the smaller temperature difference between the surface and the center during the process of quenching.KEY WORDS plastic die steel; numerical simulation; quenching; bainite1. 前言718钢是瑞典ASSAB公司研制的P20钢的基础上适当加Ni的通用型镜面塑料模具钢。该钢一般以预硬化状态供货，用户要求整体的硬度在280-325

6、HB（或29-35HRC）范围，在大模块的同一截面硬度差值小于3HRC1。以往我国都是进口718预硬化模块，近年来我国一些钢厂和研究所也致力于研制和开发718钢及其合理的预硬化工艺2-5。通常718塑料模具钢的预硬化处理为淬火后进行高温回火，即调质处理。对于大型模块，采用油作为淬火介质，由于油的冷却能力有限很难达到同一截面上硬度差小于3HRC，而采用水作为淬火介质，则容易产生淬火裂纹。本文通过对淬火过程进行有限元数值模拟，设计了一种新型的718钢的淬火工艺。结合实际生产试验，本文进行了金相组织观测与硬度分布测试工作，验证了模拟结果的准确性，同时也证实了该工艺的可行性。2. 淬火数学模型淬火过程

7、的温度场决定淬火过程中相变的整个进程，而组织转变产生的潜热反过来会影响温度场的分布。本文采用淬火过程温度场和组织场相互耦合的数学模型，进行有限元计算机数值模拟。2.1 温度场的分析三维温度场传热控制偏微分方程： (1)式中k-热导率，J/ms；-密度，kg/m3；cp-比热容，J/Kg；-材料内热源强度，它源于淬火过程中发生相变时潜热的释放，与相变的类型和相变量有关。淬火过程传热通常是第三类边界条件，如下式： (2)式中-总的表面换热系数，W/m2K。由对流换热系数和辐射换热系数两项组成，而且它们都是时间和淬火模块表面温度的函数，本文中它们的计算方法如下： (3) (4)式中-模块表面温度，K

8、；-介质的温度，K；-Stefan-Boltzmann常数，其值为5.76810-8W/(m2.K4)；-工件表面辐射率,文中取为0.6。采用Galerkin有限元方法求解导热偏微分方程（1），经过单元剖分，边界条件引入并化成弱形式后，可以得到整个模块的温度场求解的总平衡方程组： (5)采用向后差分格式处理温度T对时间t的微分，上式可化为： (6)2.2 组织转变计算实际淬火过程是连续冷却的过程。为了采用TTT曲线进行相变量计算，通常对淬火过程进行时间离散，连续冷却过程可近似转化为多个阶梯状的极短时间段的等温冷却过程的综合。对于扩散相变，F.M.B.Fernades和A.Simon、S.Den

9、is6-8等认为包括形核和长大两个过程，Scheil叠加法则可解决阶梯等温作用的孕育期和相变量叠加问题。孕育期计算采用Scheil逐温孕育成核相加理论，即 (7)式中-短暂等温时间，s；-某一阶梯冷却温度区的中点温度下等温转变的孕育期,s。扩散型相变（珠光体、贝氏体）的相变量计算采用Avrami方程： (8)式中b, n-取决于等温温度的系数，它们与钢的成分及奥氏体化条件有关。非扩散型相变（马氏体）转变量决定于温度而与时间无关，采用Koistinen-Marburger公式进行计算： (9)式中，Ms-马氏体开始转变的温度，；T-温度，；-与钢材有关的常数, 对大多数钢而言=0.011。3.

10、模拟的实现本文以非线性有限元软件MSC-MARC为平台，开发相关的适用于淬火模拟的用户子程序来实现新型718塑料模具钢淬火过程温度场和组织场的耦合。新型718塑料模具钢成分如表1所示，模拟过程中所用到的材料性能数据如下表2所示。为使模拟结果准确可靠，本文所使用的奥氏体等温转变曲线（TTT曲线）是通过实验实测而得，见图1。本文所模拟的718钢大模块是某钢厂生产的长方体模块，其尺寸为1000800510 mm3(见图2a)。由于长方体模块的对称性，有限元分析选取八分之一模块，网格划分为三维八节点单元，见图2b。表1 718钢的化学成分Table 1 The chemical composition

11、 of 718 steel成分CMnSiPSCrMoNiCu含量/%0.350.750.400.0120.0071.750.401.140.11图1 718钢的TTT曲线Fig. The TTT curve of 718 steel表2 718钢的材料性能参数Table 2 Material property parameters of 718 steel密度/ Kg/m3比热/ J/Kg导热系数/ J/ms各相的热焓/ 108J/m320200400FPBM780046029.029.531.05.96.06.26.5 (a)(b)图2模块尺寸及有限元网格划分Fig.2 The size o

12、f the module and FEM mesha模块形状及尺寸 b模块的网格划分形式4. 模拟结果及分析通过对不同种淬火工艺的反复模拟计算，得到最终的淬火工艺，即加热到930保温使之完全奥氏体化，然后直接出炉、在空气中冷却到室温。对模拟的结果及实验验证分析讨论如下。4.1 温度场与组织转变模拟结果图3所示为中截面ABCD（见图2）z轴方向上各点CED温度随时间变化的曲线，图4是淬火17730秒时大模块内部的温度场分布云图。图5所示分别是表面和心部组织随时间的变化。图3模块中截面上各点的冷却曲线Fig.3 The cooling curves of points at the middle

13、section of the module图4淬火到17730秒时大模块内部的温度分布云图Fig.4 The temperature contour of the large module after quenching for 17730 seconds(a)(b)图5模块表面和心部的组织转变Fig.5 Microstructure evolution of the points at the surface and in the center of the module a表面的点D b心部的点C从图3可知，采用930奥氏体化后直接在空气中冷却的淬火工艺，可使如此大的模块的表面和心部的温差

14、较小，在临界点A1(730)之下，表心温差小于100，因此大大地减小了淬火开裂的危险。从图3的冷却曲线还可知，无论是模块表面还是心部均在420左右出现了一个温度平台，这是由于相变过程产生的潜热所引起的。而这个温度范围属于贝氏体相变区，因此模块表面和心部应该均生成了贝氏体组织。从图5也可以看出淬火结束后模块表面和心部都得到了100%贝氏体组织，在整个空冷淬火过程中没有发生先共析铁素体、珠光体相变。这可从该钢种的淬透性上得到解释，由于新型718塑料模具钢中加入提高钢淬透性的合金元素Cr、Ni，从而使TTT曲线向右移，在最不稳定的“鼻子”转变温度650，孕育期也达到46分钟，所以即使是缓慢的空冷也不

15、会发生先共析铁素体、珠光体相变。过冷奥氏体继续冷却下来发生了贝氏体相变，使得整个模块均获得贝氏体组织，从而保证了整个模块硬度分布均匀一致的要求。4.2 实验验证为了检验模拟结果的准确性，在现场对尺寸为1000800510（mm3）的大模块采用模拟设计的淬火工艺进行淬火。为了保证在加热过程中不会引起热裂纹，采用的加热工艺为：以80/h度速度加热到650，保温3h后，再以80/h度速度加热到930，保温12.5h，使模块完全奥氏体化。然后出炉空冷淬火，最后截取模块的中截面ABCD，用HR-1500T型电动洛氏硬度计测试硬度。表3、4分别是淬火后，试样中截面上沿厚度（z轴:CED）及宽度（y轴:CB

16、）方向从表面到心部的硬度值。从表3、4可以看出，模块经过空冷淬火后，整个截面的硬度很均匀，最大差值为2.5HRC。从硬度的分布来看，硬度差不是由于各处获得不同组织所引起的，因为硬度分布并不是呈逐渐变化的趋势，而是以跳动的形式变化。分析出现这种现象的原因，一方面可能是由于原始组织不均匀，局部有偏析；另一方面也可能是人为或仪器误差引起的。总之，空冷淬火后的硬度分部能达到均匀一致，同一截面的最大差小于3HRC的要求。表3 淬火后大模块中截面上沿厚度方向的硬度值(CED)Table 3 The hardness distribution at the middle section of the as-

17、quenched large module along the thickness (CED)距离表面距离/mm硬度/HRC距离表面距离/mm硬度/HRC距离表面距离/mm硬度/HRC104119041370403041.521040.53904050412304141040.57041.52504143041904127041.54504111041.529040.547041.51304131041490411504133041500411704135040表4 淬火后大模块中截面上沿宽度方向的硬度值(CB)Table 4 The hardness distribution at the

18、middle section of the as-quenched large module along the width(CB) 离表面的距离/mm硬度/HRC离表面的距离/mm硬度/HRC离表面的距离/mm硬度/HRC1039.51503929040.530401704031040.55040190403304170402104035040.5904023040360411104025039.513039.527040.5因为大模块最后的交货状态是回火态的，所以对淬火后的试样进一步采用如下工艺进行回火处理。回火工艺为加热到350，保温3h，接着加热到580，保温14h，然后加热到600，

19、保温6h，最后空冷。表5是模块经回火处理后中截面宽度（y轴：CB）方向的硬度值。表5回火后大模块中截面上沿宽度方向的硬度值(CB)Table 5 The hardness distribution at the middle section of the as-tempered large module along the width(CB)离表面的距离/mm硬度/HRC离表面的距离/mm硬度/HRC离表面的距离/mm硬度/HRC103111031.521031303113031.5230315031.515031250317031.517031.5290319031.51903135031从

20、上表可以看出，回火处理后整个模块的硬度都降低了，但硬度分布仍保持均匀一致，在31-31.5HRC的范围内。由此可见该淬火工艺能够满足718塑料模具钢预硬化处理后硬度在29-35HRC范围内，同一截面内硬度差小于3HRC的要求。图6为回火后大模块表面D点和心部C点的金相照片，进一步证实模块整个截面上均获得贝氏体组织，也充分证明了图5中所得的微观组织模拟结果，这正是硬度均匀的根本原因。(a)(b)图6 模块不同位置的金相组织Fig.6 The microstructure at different position of the modulea模块表面(D点) b模块心部(C点)由于塑料模具在使用

21、中承受的冲击载荷较小，所以对模块冲击韧性要求较低。经930奥氏体化处理晶粒尺寸比常规860淬火情况有所长大，但不会影响模具钢的使用。如图7为718塑料模具钢930奥氏体化后直接水淬获得的晶粒尺寸，从图中可以看出晶粒度为7级，有轻微混晶。因此本文提出的工艺完全可以满足塑料模具钢热处理的要求。图7 718塑料模具钢930奥氏体化后直接水淬获得的晶粒尺寸Fig.7 Grain size of microstructure of 718 plastic mould steel quenched directly in water after austenitized at 9305. 结论本文采用非线

22、性有限元法对淬火过程的温度场和组织场进行了耦合数值模拟，为新型718塑料模具钢大模块设计了一种新的淬火工艺，即加热到930奥氏体化后直接空冷。计算机模拟结果表明，采用该工艺进行淬火处理能够使大模块表面和心部温差很小，减小因淬火应力而导致淬火裂纹的可能性，并可使整个模块均获得贝氏体组织。另外对采用该淬火工艺预硬化处理的大模块的硬度分布和金相组织进行实验测试，测试结果和计算机模拟的结果吻合得很好，进一步充分证明了该工艺的合理性、可行性。参考文献1 雄峰特殊钢有限公司.预硬塑料模具钢718轧制扁钢技术标准.雄峰特殊钢有限公司企业标准XFQB04-98,1998,1:1.2 彭忠义,张维忠. 塑料模具用电渣718钢的开发.太钢科技,1994:50-54.3 模具钢组.预硬化718塑料模具钢试制.特钢技