【《塑料模具钢连续冷却曲线及相变研究》17000字】

塑料模具钢连续冷却曲线及相变研究摘要预硬型塑料模具钢越来越向大型化、精密化的方向发展，而我国超大截面的塑料模具钢的使用质量和国外进口产品仍有较大差距，例如，厚度超过1000mm的超大截面的硬度的均匀性无法保证、模块心部容易出现软相无法达到产品要求。本论文主要研究实际生产的尺寸为1200mm×1300mm×270mm的预硬化大模块，运用JMatPro软件，模拟计算出材料的导热系数，再利用实验获得的水和空气介质的换热系数，将导热系数和换热系数导入热处理模拟软件Deform-3D软件中模拟DIN1.2738钢的水-空复合淬火过程,获得温度场的变化。通过实验试样检测不同冷却速度下的室温显微组织，画出试验钢的CCT曲线图。实验验证得到大模块的心部冷速为0.01℃/s，组织为贝氏体，显微硬度428HV，水空复合淬火工艺下大模块心部不会出现大量的珠光体组织，保证了模块的整体质量复合硬度要求。关键词：超大截面；DIN1.2738；热处理模拟；心部冷速第1章绪论1.1引言中国制造2025是个愿景也是个目标，说明我国正在从制造大国逐渐转型为制造强国，制造业对于国民经济和国家发展的重要作用不言而喻。十几年间，塑料工业也迅速的实现了跨越式的发展。塑料由于其比强度高、化学稳定性高、绝缘性好等一系列的优点，塑料制品在日常生活及工业中的应用日渐普遍。模具是工业生产中重要的工艺装备，各类的模具制造厂的数量和规模都不断扩大，这就使得对塑料模具钢的需求量越来越大，同时也提高了对模具钢的使用性能和质量的要求。模具被誉为“工业之母”，因为模具是其他众多工业的制造基础，例如在汽车组件、电子产品外壳和航空航天的重要零件等的成型都离不开模具。模具是工业生产不可或缺的重要一环，只有模具的质量水平不断提高，生产的产品的质量才能不断改进，我国的各类工业产品质量才能更加与国际接轨，让中国制造的产品在国际的市场上占有一席之地。模具工业经历了几十年的发展，我国的模具制造业的水平迅速提高。尺寸精度较高，生产形状较复杂，生产模块的体积较大，使用寿命较长的模具在我国的工业生产中的比重越来越高，但是，对于专用、尖端的产品的模具质量，仍然落后于发达国家。在塑性加工的过程中，模具的质量对产品质量的作用往往是决定性的。然而，塑料成型模具的结构和形状相对来说比较多样和复杂，而且如果不能根据模具的工作环境、产品质量等条件合理地选择模具材料的种类，则很容易会降低模具的使用寿命。钢作为塑料模具生产和制造的主要材料，必须对其材料物理、化学和力学性能等进行分析，然后再进行选用。塑料零件的加工和成型通常会用到塑料模具钢，塑料模具钢包括许多的种类，例如预硬型、无磁型、非调质型等等，尽管类型很多，但是在模具行业中统称为塑料模具钢。塑料模具钢的产量，如果按重量计算，则占整个模具钢产业非常大的比例。“十四五“期间，中国的模具工业取得了飞速的发展，模具钢的工艺技术，生产质量，生产装备，技术研发及新型材料应用等方面都取得了改善与提高。近几年来，国内的特钢企业也对塑料模具钢行业投入了大量的人员和资金进行钢材的研发与生产，但是任何一个行业的发展不是一蹴而就的，现今阶段仍然面临着着很多挑战。首先，国内的低品质的塑料模具钢质量较差，不过由于其成本和价格低廉，在国内市场上仍然被大规模使用，但是很容易于因产品降价甚至恶意压价竞争而引发恶性价格战，从而让进口产品价格迅速上涨至国内价格的3~5倍。其次，我国的厚大截面的高品质塑料模具钢由于起步较晚，虽然快速发展，但是在材料制备方面还远远落后于国外先进水平，所以对特殊产品的优质模具钢仍需要大量从国外进口，例如目前我国还不能生产宽1200mm、厚600mm的截面尺寸的大型汽车预硬化模块，主要原因也是缺乏高质量的生产设备以及生产技术上的不成熟。因此，我国对国外进口的大型、精密、复杂、使用寿命长的模具钢材料仍然有很大的依赖性。每年我们仍要以高价从德国、瑞典等钢铁强国进口优质的模具钢，其年进口额高达国产模具产值的近20％~35％。设计和开发新型预硬钢产品是替代国外进口产品是必由之路，通过国内生产模具使用的钢材，可大幅度降低成产成本，还可提高我国模具钢材料在国际市场上的竞争水平。因此，对塑料模具钢的研究很有必要。1.2塑料模具钢概述1.2.1国内外常用塑料模具钢种类目前国内外常见的塑料模具钢由很多的种类，主要的类型及相应的牌号如表1.1所示。表1.1国内外常用塑料模具钢钢种常见牌号日本德国美国非合金型SM45、SM55、T7~T12S45C渗碳型20Cr、3Cr2MnTiCH1、CH221MnCr5P2~P6预硬型3Cr2Mo、3Cr2MnNiMoSCM40~4540CrMnMo7P20时效硬化型10Ni3Mn2CuAlMoNAK80P2耐蚀型4Cr13、4Cr13NiVSiS-STARX36CrMo17整体淬硬型Cr12MoV、4Cr5MnSiV1SKD11X45NiCrMo4H13（1）渗碳型塑料模具钢渗碳钢的碳含量一般比较低，范围大体上在0.1％~0.25％内，经退火工艺处理后，钢材的强度和硬度会降低，但与此同时提高了钢材的的塑性、降低了钢材的抵抗变形的能力，使得塑料模具钢具有良好的机加工性能。渗碳型的塑料模具钢在工业生产以及实验室研发中主要用来制作一些抗挤压成型的模具，模具生产周期短，便于大批量的投入生产和加工。成形后的模具钢可进行渗碳、淬火和回火等工艺处理，处理后的模具具有心部韧性好、材料表面的强硬性高以及模具的耐磨性能好等优点。（2）预硬型塑料模具钢预硬化塑料模具钢的碳含量范围一般在0.3％~0.5％内，属于中低碳钢。预硬型塑料模具钢中所谓的预硬化，就是指钢材在交付和供货状态时，已经经过了淬火、回火等的热处理的步骤，主要能满足模具的强度和硬度条件和力学性能的要求。当钢材经过加工工序变成模具后，不再进行调质等的热处理工艺，这样就很大程度上地避免了热处理工艺处理后可能会引起的模具的变形、开裂、脱碳等缺陷，保证了模具的精度。预硬化塑料模具钢，作为汽车、电子等行业中大型配件的钢材供应主力，是塑料模具钢发展中的一个重要类型。这类钢材的淬透性较高，经常被用于生产一系列形状和结构复杂、要求质量较高的的大中型塑料模具。同时，该钢种有很好的机加工性能，可以直接加工成型腔。而且加工后，不需要进行热处理即可直接投入使用。由于省去了热处理的工序以及热处理后的精加工的工序，因此，极大的降低了生产的成本，有效地缩短了生产和制造的周期。（3）淬硬型塑料模具钢淬硬型的塑料模具钢的含碳量比较高，经淬火、回火等的热处理工艺处理后，钢材的硬度值一般可以大于46HRC。热固性材料产品和复合强化塑料产品时工业生产中常用到的两类产品，它们的生产制造一般会用到整体淬硬钢。整体淬硬型钢的的显著特点主要有两大方面，第一大特点是它的生产批量大，第二大特点就是使用寿命较长。淬硬型塑料模具钢通常情况下有两种类型，第一种类型是作为热作模具钢使用，第二种类型是作为冷作模具钢使用。当作为冷作模具钢使用时，该钢种具有淬硬层深、抗压强度高、耐热性好以及淬火工艺简单等的优点；当该钢材作为热作模具钢投入生产和使用时，它通常淬透性比较高、回火抗力也较高，而且还能进行氮化处理，从而提高模具表面耐磨性，以适应其工作的高温环境，用于高温固化。（4）时效硬化型塑料模具钢时效硬化型的塑料模具钢的合金度一般较高，但是在生产和制造时它的碳含量比较低。通常情况下，时效硬化型塑料模具钢大致可分为两种类型，第一种类型是作为马氏体时效硬化钢生产产品时使用，另一类是作为沉淀硬化钢投入工业的产品和塑料制件的制造。时效硬化型的塑料钢固溶处理加工后会有软化的效果(一般保持在29HRC左右)，这时钢材的可加工性能良好，有利于钢材进行机加工。模具的结构和轮廓基本确定之后，就要进行时效处理，这道工序是为了保证基体能够具有足够的强度和硬度，使其强硬性达到要求。然后进行表面强化处理，这时表面就具有了高的强度、硬度、耐磨性和较高的耐蚀性，从而使得成品获得较高的综合力学性能。（5）耐蚀性塑料模具钢耐腐蚀的塑料模具钢是中高碳钢，而且含铬量高。这种钢存在一定的的缺点，例如它的热处理变形较大，机加工性能差以及使用比较范围小。但是，耐腐蚀型的塑料模具钢对氯、氟等气体具有良好的耐腐蚀性，而且具有较好的强硬性和耐磨性。这种钢主要用于制作耐腐蚀性高、耐磨性好的塑料模具。（6）非合金型塑料模具钢碳素钢含碳量的范围一般为0.4％-0.6％。这种钢材有许多显著的优点，例如它的切削加工性能好、原料的来源比较广，生产成本比较低、而且钢材的纯度很高，有综合、稳定且良好的力学性能，但是这种钢材的使用寿命一般不会太长。非合金钢主要用于形状比较简单且体积较小的模具的制造。因此，对于中、小生产批量、又没有特殊要求的、而且形状简单的小型模具常采用该类钢。1.2.2国内预硬型塑料模具钢机热处理研究在中国，塑料模具钢的生产企业和加工工厂大部分都会集中分布，主要是东北地区、华东地区和我国华中部分地区较多，例如宝钢特钢、东北特钢、西宁特钢等的模具钢企业。国内塑料模具钢的生产企业如今急需研发、引入和完善塑料模具钢的钢种和牌号方面，发展我国自主创新研发的、高品质的塑料模具钢种并完善我国塑料模具钢的完整体系刻不容缓。而且对于模具钢的整个生产流程，从冶炼开始，到热处理，再到供货、加工和质检等方面也要做到尽量精确、及时，应用先进的5G技术，带动生产力的发展。如今，站在新的历史阶段，为了中国制造2025的早日实现，应从以下三个方面提高模具钢的质量：(1)大尺寸的超大截面的的预硬化塑料模具钢的研发生产。(2)尽量缩短模具钢的生产加工周期。(3)开发专用的模具钢种。随着科技和时代的发展，人民和社会对生产的产品质量提出了更高的要求，模具的生产不得不追随潮流而更新换代，在这种情况下，模具钢的工作温度、耐蚀性能、截面硬度均匀性能就必须达到更高的水平才能满足模具和产品的需求。根据模具的工作环境和工作条件，开发以满足特定要求的专用钢种。20世纪80～90年代，我国的塑料模具钢绝大部分都是碳素钢，碳素钢的使用性能其实并不能达到某些模具材料的使用要求，国家就开始引进美国的P20钢。引进钢种之后研究钢种的科研学者和生产企业在P20钢的基础上加入元素，测试新型钢的性能，从而研发出了新型的衍生钢种，例如P20B、P20S等。但是，淬透性的不足使得P20钢及其衍生钢种也不能满足一些特殊工作条件的模具材料要求，国家又进口瑞典的718钢。上世纪90年代，许多学者对模具钢进行了大量的研究，例如吴晓春研究发现在模具钢中加入适量的V元素能够有效改善析出相的形貌、尺寸和析出温度，对非调质钢的综合力学性能和使用性能有重要的影响。罗毅研发出一种贝氏体钢，SWTT600，这种模具钢的硬度基本保持在35HRC，而且波动范围在±1.5HRC内，满足塑料模具钢生产对强度和硬度的要求。张铮等人研制出一种新型的SDP1钢，这种塑料模具钢的生产成本非常低，大大降低了超大截面的大模块的生产周期。陈蕴博研制出一种塑料模具钢，该钢种在室温下的组织是马氏体和粒状贝氏体，在保证硬度的同时也极大地改善了模具钢的冲击韧性。方鸿生之后又研发出一种Mn-Si-B型的采取空冷方式预硬化的模具钢，空冷后的塑料模具钢的硬度可保持在37HRC左右，而且该钢的机加工和表面质量均较好。李知伦研究了718模具钢，发现厚695mm的718钢不同部位的不同的组织类型对大型截面的钢的力学性能产生重大的影响，心部的珠光体组织恶化了其冲击韧性，而边部的回火马氏体组织使得冲击韧性大幅度提高。张宽等研究了718模具钢在不同的正火工艺参数下的微观组织与力学性能，发现回火态的硬度值的大小对正火时间的变化并不十分敏感。周洪宝等人通过一系列的研究，发现虽然砂冷的冷速较慢，但是锻后砂冷的工艺完全可以替代回火处理的工艺，并且能获得使用性能良好的模具钢。P20钢，是我国最早引进的预硬化模具钢，张兴锦等人在P20钢的基础上进行了许多的研究，发现水淬钢在620℃回火时的硬度取决于板条间的薄片状马奥岛组元、基体的位错密度以及细小的碳化物的析出，并制定了该钢种的最佳预硬化工艺参数。姚新等人研究了三种不同的工艺，同时结合有限元数值模拟，解决了水空交替淬火所造成的温度场震荡问题，使得模拟结果与实测值的吻合度很高。宋冬利采用有限元软件MSCMarc对大型P20钢淬火过程中温度场的变化及最终的组织分布进行了模拟和分析，设计了合理的空-水淬复合预硬化工艺。徐骏等以复合水冷淬火技术为基础，通过控制相应的工艺过程，研发出对应的生产设备，并能有效应应用于生产实践且取得了良好的效果。刘国勇等针对预硬化718塑料模具钢研发了在线变频幅淬火工艺，旨在获得较小的表面心部温差、等效塑性应变、等效应力，及比多道次淬火工艺更短的淬火时间，而且还能节水节能，有效的优化了厚120mm的塑料模具钢的在线淬火工艺。1.2.3国外预硬型塑料模具钢和热处理研究随着科技水平的不断提高，塑料模具钢越来越趋于专业化。而新材料的研发也使得国外的模具材料也开始多样化向发展。这就使得如今的塑料模具钢种类不断增加，主要的塑料模具钢包括：预硬型塑料模具钢；整体淬硬型塑料模具钢；可加工性、抛光性良好的塑料模具钢；耐腐蚀塑料模具钢；无磁塑料模具钢等等。一些钢铁大国，例如瑞典、日本、德国，这些国家的塑料模具钢技术以及达到了世界领先的水平，同时一直保持着新技术的研发，从而生产更高品质的塑料模具钢，而基本实现了对特钢行业的控制。塑料模具钢行业已经发展了几十年，但是市场上的主流仍然是美国的AISIP20和德国的DIN1.2738。目前市场上流行的塑料模具钢一般都是在美国P20钢的基础上，进行合金元素配比的改进，来使模具钢达到对模具钢的相应的理化性能和使用性能的要求。如德国SAARSTAHI公司的2311、2738和大同特殊钢公司的PDS3，他们生产研发的钢种主要是美国AISIP20钢的基础上添加适当含量的Ni元素，同时也严格控制Mn元素和Mo元素的含量，从而改良研发新型的预硬型模具钢，使淬透性显著提高。瑞典UDDEHOLM公司的RAMAX2、德胜集团的THYROPLAST2312、大同特殊钢公司的PDS5等则是在美国AISIP20钢的基础上添加了适量的易切削元素，研制出了新型的易切削的塑料模具钢。近年来国外的研究团队研发了许多新型的高质量的模具钢。德国国Gr6ditz的牌号XPM的产品采用低C、高Mn和低Si的合金成分，新型塑料模具钢具有高淬透性和高抛光性，与此同时使用硬度也达到了38HRC~42HRC。瑞典Uddeholm公司新研制出一种预硬化的塑料模具钢——Nimax。这种钢属于空冷预硬化类型，该产品同样采用了低C、高Mn和低Si的合金成分，虽然合金元素含量的增高使得成本上升，但是在锻后空冷处理后可以直接投入使用的优点，极大缩短了该产品的生产周期，使得大模块的塑料模具钢可以及时交付供货。日本大同也研发、生产了一系列的塑料模具钢，例如NAK80，NAK-PRM，G-STAR等一系列的产品。该系列的产品的耐蚀性和易切性能均良好，而且出厂的使用硬度为33HRC，意味着产品出厂后也可以立即投入使用。该系列的钢材在淬、回火后的硬度可高达48HRC，使用性能良好。随着塑料模具钢在预硬化条件下的需求增加，这一特殊类型的钢引起了人们的关注。因此，进行了更多的研究来了解组织和性能。Hoseiny研究了两种预硬化塑料模具钢，一种是淬火预硬型模具钢(UddeholmImpaxHH)，另一种是连续冷却预硬型模具钢(UddeholmNimax)，发现回火后的材料在马氏体板内、板条晶界和前奥氏体晶界均存在大量的M3C碳化物。还发现了一些较粗的富Cr的M7C3碳化物。相比之下，连续冷却材料的微观结构主要由密度较低的贝氏体和较细的渗碳体颗粒组成。在两种材料的横截面上，硬度基本都保持在40HRC。Firrao等人对大截面的塑料模具钢Grade1.2738进行研究并发现，整个大模块基本都是混合的微观组织。在模块的表面，冷却速度快，出现少量回火马氏体，离表面的距离越远，即越靠近大模块的心部，混合的微观组织逐渐变成了下贝氏体和和上贝氏体的混合微观组织。而且，模块的心部可能由于冷却速度过慢甚至出现了少量的软相——珠光体组织。对于瑞典Uddeholm公司的新型塑料模具钢种Nimax的研究发现，锻造后风冷到室温的钢材的组织类型包括一些贝氏体组织以及5％-10％的自回火的马氏体组织。Firrao等研究人员进一步研究ISO1.2738时还发现，钢材在淬火和回火的调质工艺后由于存在大量的混合组织1.3塑料模具钢的性能要求塑料模具钢由于其特殊的工作环境和工作条件，一般要求具有各种各样的性能，通常包括以下七类性能：（1）模具钢的耐磨性实验和工业生产所用的模具设备经常由于表面磨损而造成失效。模具在工作条件下一般会承受压力机的压力以及模具和工件之间会有摩擦力，当工作环境更为严苛的条件下，成型压力和摩擦力会非常大，因此就要求模具需要具有能够在受力的条件下仍然保持其尺寸的准确性和其表面质量。所以塑料模具钢必须要具有相当高的耐磨性。（2）模具钢的切削加工性能社会对塑料产品要求越来越高，塑料制品的形状也越来越复杂，有一些产品无法通过模具直接达到最终的效果，就会增加多道机加工的工序，就会要求模具钢具有合适的硬度和强度，便于机加工的进行。影响模具钢切削加工性能的主要因素有很多，其中影响比较大的因素就是截面的硬度均匀性。一般来说，硬度过高时就会损坏刀具，而硬度过低的情况下钢材太软，不利于加工。（3）镜面加工性能模具的镜面加工性能一般与钢材的纯净度、组织致密度、钢的淬透性、热处理后模板截面的组织和硬度均匀性有很大的关系。杂质元素S和P的含量行业一般要求要低于0.03％，疏松、偏析等缺陷将在磨抛过程中成为空洞；钢的淬透性的好坏将影响硬度和组织的均匀性，如若钢中出现珠光体和铁素体的混合组织，将影响磨抛后的粗糙度和光泽度，破坏塑料制品的透明度和外观质量。（4）淬透性淬透性是指钢材在淬火时获得马氏体的能力。钢材的淬透性比较大，而且组织稳定性比较强的才能适应现在塑料制品越来越复杂、越来越多样的形状的要求。预硬型塑料模具钢在交由客户使用后将不再做任何热处理，若该类模具钢的淬透性不好，尤其是模块心部出现先共析铁素体，就会造成模块心部的组织种珠光体和先共析铁素体过多，硬度大幅度下降的情况，最终硬度不符合要求。且表面和心部的硬度相差太大对抛光性能等均有不利影响。（5）耐蚀性塑料制品在一定的条件下例如高温或者其他情况会分解挥发出HCL、HF等的气体，这些气体具有腐蚀性。或者由于成型温度较高将引起空气中的水分从模具型腔中跑出，在空气流到处发生腐蚀。腐蚀程度较深时会影响模具的表面光洁度，使模具的使用寿命大大降低。（6）力学性能模具在工作的过程中必然会受力，而且一定情况下受力很大。而且模具的型腔需要对工件的产品形状进行加工，这就要求模具必须具有一定的力学性能，例如需要较高的硬度和强度，而且对于厚大截面的钢材，整个截面的硬度要保持均匀，硬度差最好控制在"±1.5HRC"的范围内。（7）花纹图案化学刻蚀性能随着社会对产品的更高要求，工业生产时会有产品外观上的要求。有些塑料制品会要求表面上雕刻一些花纹、图案等，这时就要保证雕刻上的花纹和图案有良好的化学刻蚀性能1.4本论文研究的意义和内容随着时代的进步和科技的发展，大型、精密、使用寿命是模具工业的三大发展趋势。如今市场上的大型塑料制品有彩电和洗衣机的外壳、汽车保险杠和挡泥板材料等，迫切要求较大尺寸的模具钢来满足塑件的成型。但是，对模具钢进行热处理例如传统的调质工艺时，模具钢尺寸越大，其尺寸效应也会越发明显，心部往往达不到强硬度的要求。尤其是截面厚度超过700mm的预硬型塑料模具钢的工业生产和制造，主要原因是过大尺寸的718钢，其淬透性不足，心部冷速过慢时容易出现软相，比如先共析铁素体和珠光体，使得心部的硬度过低，严重影响了塑料模具钢的使用性能。可见，塑料模具钢的大型化严重限制了我国塑料模具钢的发展。目前国内市场流行的预硬型塑料模具钢是德国DIN1.2738和瑞典718塑料模具钢。但是进口钢一般成本较高、价格昂贵、生产和交货的周期长，而且给国内的预硬型塑料模具钢生产商造成了很大的竞争压力。因此本论文主要研究的是超大截面的预硬型塑料模具钢DIN1.2738的连续冷却过程，旨在通过JMatPro和Deform两个软件，计算得出相应介质的换热系数和材料导热系数，模拟该钢的水-空复合淬火过程，获得从表面到心部的温度场，尤其是心部温度场和角部的温度场。再通过结合DIN1.2738的CCT曲线，找到各个部位的冷却速度，然后通过实验试样模拟相应冷速的淬火过程，得出相应部位的组织类型和特征。主要关注心部的冷却速度和相应的组织，通过非破坏性实验的方法检测心部的组织类型和硬度，确保在水-空复合淬火工艺下心部不出现大面积的软相，从而保证产品的质量。第2章基于JmatPro软件的材料性能的研究随着各类生产模具产品的发展进步，各种机械、电子、塑料零件逐渐向着高温、高压、高速、大型化的方向发展，这就意味着工件所处的工作条件越来越苛刻，对材料的使用性能的要求愈发严格。对于超大截面的塑料模具钢，生产周期长，造价高，迫切需要一次制造成功。而传统的试制的方法对于大模块来说，成本过高，为了解决这一问题，热处理过程的数值模拟成为了重点研究的方面。通过热处理的数值模拟可以显著提高产品生产效率，高效缩短生产周期，极大的降低生产成本，为实际生产提供合理的指导。2.1热物性参数CAD、CAE和CAM软件的发展提供了工业发展进步的技术支撑，ComputerAidedEngineering（CAE）是对工业生产产品来说极其重要的一步，即高度吻合的模拟结果对提高生产效率和降低成本是如今企业和工厂不可或缺的环节。各类材料参数的准确性是最终判断模拟结果可靠程度的决定性因素。软件JmatPro是基于相平衡热力学、相转变动力学和相应材料的组织性能的关系，通过开发材料性能计算模型进行组织模拟和性能模拟，计算材料的热物性参数，建立材料数据库。材料成分如表2.1所示，不同冷速下材料的热物性参数如图2-1所示，在淬火过程中材料的杨氏模量、剪切模量、泊松比、比热等热物性参数与材料的组织状态、时间和温度场有，会由于相变过程的不均匀性而对产生的等效应力有较大的影响。从图2-1的(a)、(b)中看出不同冷却速率下的材料杨氏模量和剪切模量的变化趋势基本一致。当冷却速率变化时，由于生成的组织不同，其对应的力学性能不同。在理想情况下，杨氏模量和温度的关系一般呈线性，图中看出当冷却速率为10℃/s，材料基本只在温度在310℃左右时直接发生马氏体转变；而当冷却速率变慢时，曲线在430℃或630℃发生了转变，推测可能产生了贝氏体或者珠光体的组织。(c)图的泊松比随着温度的升高而增大，但是直线的拐点也可以看出冷却过程中发生了相变。从(d)比热图中可以明显的观察到三种相变发生的温度区间。表2.1DIN1.2738模具钢化学成分（wt.％）元素CSiMnCrNiMoVPS含量0.3350.31.41.881.090.4150.0780.0080.003(b)(c)(d)图2-1DIN1.2738钢的热物性参数杨氏模量；(b)剪切模量；(c)泊松比；(d)比热2.2平衡相图JmatPro模拟材料的平衡相图如图2-2所示。平衡状态下，试验钢在室温下的相主要由铁素体和少量化合物组成。温度达到A1点，即666℃时，开始发生奥氏体转变，铁素体和渗碳体向奥氏体发生转变；当温度达到A2点，即756℃时图2-2DIN1.2738钢的平衡相图各类化合物中的元素分布的变化如图2-3所示。从图(a)、(b)中可以看出无论是M23C6还是M7C3，均以Cr元素含量居多。M23C6碳化物颗粒一般是面心立方的晶体结构，会沿马氏体界面析出。M(a)(b)图2-3化合物中的元素分布变化图(a)M23C62.3晶粒度的预测室温下的钢在加热到一定的温度以上会转化成奥氏体，奥氏体晶粒大小对冷却转变后钢的组织和性能有着重要的影响。一般条件下，奥氏体的晶粒越细小，使得钢在冷却后获得细小的室温组织，通过细晶强化可以显著的提高钢强度、硬度和塑韧性，从而具有优良的综合力学性能。但是如果奥氏体化温度过高或者在高温下保温的时间过长会使奥氏体的晶粒粗大，冲击韧性迅速降低、更容易萌生裂纹。与此同时，粗大的晶粒使得淬火变形和开裂的倾向显著增加，不利于钢的生产应用。因此热处理的过程中应当十分注意防止奥氏体晶粒过度长大。晶粒度是晶粒大小的量度。但是测定这样的数据过程较为繁琐。JmatPro具有模拟奥氏体晶粒度的功能。在模拟材料相变过程前，可以先预估奥氏体的晶粒尺寸，使相变的模拟结构更加准确，晶粒尺寸估测功能的计算公式如下：其中晶粒尺寸D以mm为单位，a和C为材料常数，Q为活化能，R为气体常数，温度T为开尔文，时间t为秒。一般情况下，a=4，C=0.4948x10^14mm^4/s,Q/R=63900最终得出晶粒尺寸为8.8，如图2-4与预期相符合。图2-4晶粒度的预测2.4CCT和TTT图的模拟2.4.1计算模型的建立铁素体和珠光体的计算在初始模型中，没有尝试区分扩散和位移变换，并且使用关于时间τ的通用公式来计算产生一条整体连续的“C”曲线，即在温度T的变化下转换奥氏体的x分数：其中α=β2(N−1)/2，β是一个经验系数，N是ASTM晶粒尺寸，D为有效扩散系数，ΔT是低于奥氏体相对于铁素体不稳定的温度（A他们还设置了涉及合金元素的有效扩散系数，其类似于串联电阻的关系（Reff）使其中aj是关于每个元素的一个常数，Cj然后，输入关键参数：1.每种情况下的晶粒尺寸；2.Ae3温度，这是由热力学计算的；3.有效扩散系数，Qeff；4.每个元素的经验常数aj。Qeff和其中每个元素的量为质量百分比。如上述的推导意味着，一旦提供了组成和晶粒尺寸，就需要计算Ae3温度。该模型被扩展为包括珠光体和贝氏体的C曲线，并且还允其中T是铁素体，珠光体和贝氏体转变温度以下的过冷度。DF和DP由下式式2.6，2.7和2.8中右面的参数I是式2.2中右边所示的体积分数积分。对于贝氏体，积分被部分校正以考虑实验观察。一旦计算出"TTT"图，就可使用已建立的可加性规则将其转变为"CCT"图。2.4.2模拟所得TTT图与CCT图实验室试样采用奥氏体化温度900℃，保温时间5min，晶粒度8.8，所得TTT（Time,Temperature,Transformation）和CCT（ContinuousCoolingTransformation）图如图2-5所示。从图中可以看出马氏体、贝氏体和珠光体转变的C曲线。冷却速度越快，越大于临界淬火冷却速度，越容易形成马氏体组织。冷却速度小于临界淬火冷却速度时，冷却曲线会经过贝氏体转变开始线，冷却速度更慢就会生成珠光体组织。(b)图2-5实验试样的TTT图和CCT图(a)TTT曲线图；(b)CCT曲线图工业生产常采用奥氏体化温度880℃，保温时间30h，晶粒度5.9，所得TTT和CCT图如图2-6所示。图2-5和图2-6比较比较看出，奥氏体的晶粒随着保温时间的增加而越来越大，CCT和TTT图中的C曲线均逐渐向右下角移动。这也意味着奥氏体的稳定程度变高，淬火时的临界淬火冷却速度降低，钢的淬透性越好。(b)图2-6工业生产DIN1.2738钢TTT和CCT曲线图(a)TTT曲线图；(b)CCT曲线图2.4.3AdcancedCCTAdvancedCCT图理论上来说对于企业和模具厂的生产更具有实践意义和借鉴价值，因为该图在普通的CCT曲线的计算模型的基础上增加了算法，可以模拟出钢材在不同的冷却速度下的室温组织、硬度值、抗拉强度等等。如图2-7，是奥氏体化温度900℃，保温时间5min，晶粒度为8.8的AdvancedCCT曲线图及其在不同冷速下的组织和力学性能预测。(a)（b）(c)图2-7实验试样advancedCCT曲线图(a)CCT曲线；(b)相含量随冷却速度的变化；(c)硬度随冷却速度的变化从图2-7中可以看出，在奥氏体化温度不变的条件下，冷却速度和硬度呈正相关的关系的。主要是由于贝氏体的形成以及珠光体和先共析相造成的。组织决定性能，由于冷速的降低，使得主要组织逐渐由马氏体变为贝氏体，再变为珠光体。马氏体具有高强度、高硬度的特征，由图2-7(b)可知，当冷却速度大于10℃/s时，基本获得全马氏体的组织，使得钢的室温硬度很高，但是冷速过快也会使得钢的组织应力过大，微量的残余奥氏体不能显著改善钢的塑性和韧性，不利于获得良好的综合力学性能。当冷却速度小于10℃/s，大于0.1℃/s时，组织中逐渐开始出现贝氏体，贝氏体相比于马氏体来说，强度稍有降低，但是下贝氏体的位错密度很高，而且由于弥散强化的作用使得下贝氏体不仅具有一定的强度，也具有较高的韧性。从图2-7(c)中观察到，室温下，钢处于贝氏体和马氏体的混合组织状态下，不仅具有较高的强度，而且具有良好的冲击韧性。当冷却速度继续降低，降低至低于0.1℃/s时，组织中的软相，主要是珠光体组织开始增多，使得硬度随着冷却速度的减小急剧降低，最终使得硬度偏低。2.5本章小结本章运用JMatPro软件,对于DIN1.2738预硬型塑料模具钢在热处理过程中的相变情况做了模拟,通过组织模拟和性能模拟计算了DIN1.2738钢的热物性参数,对下一章的Deform仿真模拟具有参考作用,提高模拟的可靠性;模拟实验试样在奥氏体化温度为900℃,保温时间5min的条件下的晶粒度为8.8,与预期晶粒度相吻合;模拟DIN1.2738钢的平衡相图,获得了相应的CCT和TTT曲线,Ac1和Ac3分别为666℃和756℃;对于同一奥氏体化温度但是不同冷速下钢的室温组织和硬度进行了预测,随着冷速逐渐降低,室温组织依次出现马氏体、贝氏体和珠光体,组织决定性能,即随着冷速的逐渐降低,室温下钢的硬度不断降低。奥氏体钢以大于10℃/s的速度冷却至室温基本获得全马氏体组织,硬度达到55HRC左右;以大于0.1℃/s,小于10℃/s的速度冷却至室温获得马氏体和贝氏体的混合组织,具由较高的硬度并且有一定的冲击韧性,获得良好的综合力学性能;小于0.1℃/s的速度冷却时,由于组织中开始大量生成软相珠光体,硬度急剧降低;当以0.01℃/s的速度冷却至室温基本获得珠光体组织,硬度为17HRC。第3章Deform模拟实际生产中超大截面的DIN1.2738模块在淬火过程中，只能通过热电偶跟踪表面的的温度场的变化情况，对于模块心部的温度场和组织的变化不能通过热电偶或者打硬度的方法进行检测和检验，这也成为了工业生产实践中难以解决的技术问题，如何在不破坏产品的前提下获得满足要求的综合力学性能良好的超大截面的塑料模具钢的，热处理模拟软件应运而生。为了准确预测超大截面的塑料模具钢大模块的连续冷却时的温度场，本论文采用JMatPro测算模块的导热系数与实验得出的换热系数相结合，导入Deform中，模拟实现厚度较厚的模具钢的温度场的尽量准确、与实际吻合的预测。在实际的生产中，DIN1.2738大模块的生产工艺要经过钢锭的冶炼及浇注包括初炼、精炼、真空脱气和浇注；模块的锻造；模块的热处理三个重要环节如图4-1所示。图4-1大模块的生产过程淬火的模块越大，控制其淬火冷却速度就困难，越难获得所要求的淬火组织，从而也难获得所要求的力学性能。如果采用水淬的方法，冷却速度很快，可以使过冷奥氏体以极快的速度冷却到马氏体转变开始温度以下，表面基本获得全马氏体组织，模块的心部也可以快速冷却形成贝氏体组织，从而使得大模块的强硬性很高。但是冷却速度极快时获得的马氏体组织内部的组织应力和热应力很大，很容易在后续的加工出现开裂，导致产品报废。如果采用空冷的方法，大模块的冷却速度过慢，模块表面以一定的冷速冷却可以获得马氏体或者马氏体加贝氏体的混合组织保证其硬度达到要求，但是模块的截面过大时，大模块的心部冷却速度极慢，就会经过先共析铁素体或者珠光体的转变开始线，最终形成软相组织，导致截面的硬度不均匀，心部的硬度太低，无法满足生产产品的要求，降低生产率。宋冬利等人经过长时间的研究并经过计算机的模拟以及实践验证发现水冷和空冷的复合淬火可以有效解决超大截面模块的淬火问题。水冷空冷交替的工艺方法主要包括三个阶段：第一个阶段是空冷预冷阶段。这一阶段主要考虑到试验钢的合金成分很高，在高温区以相对较低的速度冷却其冷却曲线也不会经过珠光体和先共析铁素体的转变开始线，而且空冷的冷却速度远低于水冷，可以有效的降低马氏体转变的组织应力，有利于避免之后的开裂问题。空冷一段时间后进入第二阶段也就是水冷阶段，以水为介质快速降低模块的温度，加快模块心部的冷却速度，使心部连续冷却时避开危险区域，即珠光体和先共析铁素体的生成区域。当模块的表面温度降低到一定程度时进入第三个阶段，也就是水空复合交替循环阶段。这一阶段的大模块表面的冷却速度很高，为了防止模块的棱角和棱边处的马氏体的组织应力过大而出现开裂的问题，水冷一段实践后就迅速将大模块提起到空气中空冷降低组织应力、缓解局部的应力集中。同时由于模块心部和表面的温度梯度，热量从心部传递模块的表面也会使得外层的马氏体组织可以自回火，从而使模块的外层能够增加耐磨性和韧性，获得良好的综合力学性能。与此同时，心部也能够尽量保持一定的冷却速度，避免过慢的冷却速度形成珠光体组织降低心部的硬度。反复交替进行使模块并保持较小的应力下温度稳步降低，最终获得产品。本章节也采取并模拟水空水复合交替淬火的工艺方法，主要工艺过程为：淬火时，模块先出炉预冷40min，然后浸入水中，3h后出淬火槽自回火0.5h，并测量表面温度的变化，随后入淬火槽3h，淬火时间共计6h。利用Deform软件模拟探究超大截面塑料模具钢在水空复合淬火时的温度场，并结合CCT曲线分析其组织的变化情况。4.1模型的建立本论文以实际生产的超大截面的塑料模具钢的大模块为例进行模拟。图4-1中为简化的模块外形，尺寸为1200mm×1300mm×270mm。采用Deform将模块划分为20000个进行计算，如图4-2所示。图4-1淬火模块的物理模型图4-2淬火模块网格划分4.2热处理模型的建立热物性参数的准确程度对模拟与实际的吻合程度的影响是决定性的因素之一，而材料的导热系数和换热系数是水空复合淬火模拟最重要的参数。导热系数指的是材料本身的导热系数，可以采用JMatPro软件模拟计算，然后将结果导入Deform的材料数据库中如图4-3。换热系数随着环境的变化而变化，例如淬火水池的大小、南北方空气温度的差异以及水质的影响等等。本次模拟采用某工厂试制大模块的生产实践中实际实验测得的水和空气的换热系数如图4-4和4-5所示。图4-3导热系数图4-4空气的换热系数图4-5水的换热系数4.3模拟仿真结果及分析通过模拟大模块的整个淬火过程，从表面到心部依次选取了八个点，分别距离表面25mm、135mm、335mm、535mm、735mm、935mm、1135mm、1335mm，结合温度场随时间变化的云图进行分析。如图4-6所示，900摄氏度下模块整体都处于奥氏体化状态模块开始进入空冷预冷阶段；2140s时，空冷阶段即将结束，模块的表面冷速下降很快，棱角和棱边处温度快速降低；4930s时，模块正在第一次水冷阶段，此时模块的表面已经进行了马氏体转变，心部仍然处于高温状态，从表面到心部在进行相变过程；10200s时，水冷阶段即将结束，心部温度仍然高达734℃，此时距离表面135mm处已经进行了马氏体转变，内外温度梯度很高，热应力大；14700s时经第一次空冷，表面反温，减小模块内部和外部温差，外层的马氏体组织自回火；再次进入水冷阶段，模块继续快速降温，此时心部温度达到204℃，继续降温冷却。(a)(b)(c)(d)(e)(f)图4-6淬火过程中的YZ剖面的温度场变化如图4-7所示是距离表面不同距离的八个点淬火时温度随时间的变化图。通过各点的变化曲线可以计算到八个点的平均冷速分别近似于10℃/s、0.8℃/s、0.5℃/s、0.3℃/s、0.05℃/s、0.03℃/s、0.02℃/s、0.01℃/s。根据CCT推测从表面到心部的组织应分别是马氏体和贝氏体，没有珠光体组织。图4-7淬火模块各点温度变化第4章连续冷却曲线及相变分析3.1DIN1.2738钢连续冷却实验根据deform的模拟结果，分析DIN1.2738塑料大模块的内部的组织，可以通过观察CCT实验不同冷却速度的金相组织。再结合Deform计算机模拟软件分析出DIN1.2738大模块各个部位的不同冷速，然后对应CCT实验不同冷速的金相组织，从而就能分析模块的各个部位组织形态，通过分析组织来得到模块的性能。CCT曲线在DIL805膨胀相变仪上测试，相变试样为Ф4mm10mm，CCT曲线测定工艺为：将试样以10℃/s加热到900℃奥氏体化，保温5min后分别以不同的冷却速度冷却至室温。利用NikonEPIPHOT300型光学显微镜观察金相组织，并利用显微硬度计测试每个试样的显微硬度（载荷为200g）。3.2CCT曲线了解钢的TTT或CCT图是钢在机械加工的一个重要条件。为了确定这样的图表，国内外的专家和学者已经进行了大量的实验工作。然而，广泛的合金规格范围，对成分变化的敏锐敏感，对晶粒尺寸的依赖性，无一不意味着不可能产生足够的图表用以普遍使用。为了达到这个目的，许多公司已经进行了大量的工作来开发可以计算钢的TTT和CCT图的模型。几乎无一例外，这些模型在适用于碳钢和低合金钢方面受到了限制。JMatPro软件也开发了一个模型，可以为一般钢提供准确的TTT和CCT图。CCT曲线的测量方法有金相法、膨胀法、热分析法等,本文主要采用膨胀法来得到试验钢的CCT曲线。钢是一种具普遍应用的合金，该合金在加热或冷却的过程中达到一定温度会发生相变。钢的基本相的比容关系是马氏体的最大，铁素体次之，然后珠光体和奥氏体，碳化物的比容一般最小。不发生相变时，膨胀曲线中的膨胀量与时间呈线性关系，当发生了相变时，由于相的比容不同使得不同的相转变时会有体积变化，线性关系被破坏，正常的线性曲线出现了拐点。如图2-8所示，试验钢以200℃/h加热到900℃，当温度低于Ac1点时,试样由于热胀冷缩效应发生体积的伸长；当温度达到Ac1点时，试验钢开始发生相变，形成比容不同的新相。当温度达到Ac3点时,试样钢的相变结束，热膨胀曲线继续因热障冷缩效应而线性变化,因此，根据加热或冷却时试样钢热膨胀曲线的拐点确定钢的奥氏体转变的临界温度Ac1和Ac3以及转变所需的时间。如图2-9所示，试验钢以30℃/s的速度冷却时，钢在淬火冷却时膨胀量和温度呈线性关系，当钢以极快的速度冷却时会发生马氏体相变，奥氏体相和马氏体相的比容不同，膨胀曲线的斜率会发生变化，直到相变结束膨胀曲线和温度又恢复线性变化的关系，由此可测定钢的临界转变温度Ms和Mf。本论文采用的方法是将试样以10℃/s的速度加热到900℃,保温10min使试验钢完全奥氏体化后分别以10℃/s、1℃/s、0.8℃/s、0.5℃/s、0.3℃/s、0.1℃/s、0.03℃/s、0.02℃/s、0.01℃/s、0.008℃/s的速度连续冷却至室温,图3-1测定Ac1和A图3-2测定Ms如图3-3至图3-12是同一奥氏体化温度（880℃），保温相同时间（5min）但是不同冷速下的热膨胀曲线及其导数曲线。从图3-3至图3-10中的（a）图中可以看出膨胀量与温度在高温区域近似呈线性，相似于图3-2在不同冷速下的膨胀曲线的最低点附近做切线之后找到切点，也就是膨胀曲线斜率出现变化的转折点，就是相变点。图3-3至图3-10中相应的图（b）中可以看出导数曲线在高温区基本呈定值，不发生相变。图3-4、3-5、3-6、3-11中的图（b）在高温区的导数曲线出现波动可能是环境因素影响到仪器的测量。图3-11和图3-12中的图（b）在800℃到400℃的区域内膨胀量的导数值出现明显的变化，可能是出现了高温区的相变，可能出现了珠光体组织。图3-310℃/s冷速下的膨胀曲线图3-41℃/s冷速下的膨胀曲线图3-50.8℃/s冷速下的膨胀曲线图3-60.5℃/s冷速下的膨胀曲线图3-70.3℃/s冷速下的膨胀曲线图3-80.1℃/s冷速下的膨胀曲线图3-90.03℃/s冷速下的膨胀曲线图3-100.02℃/s冷速下的膨胀曲线图3-110.01℃/s冷速下的膨胀曲线图3-120.008℃/s冷速下的膨胀曲线采用切线法取出本论文试验钢的相变临界点，得到其CCT曲线如图3-13所示。结合不同冷速下的扫描电镜观察到的试验钢的室温下的微观组织图3-2和图3-5可以看出，DIN1.2738预硬型塑料模具钢具有良好的淬透性，冷却速度大于0.008℃/s时，均没有出现明显的软相组织，马氏体和贝氏体的转变温度范围均较宽，有利于获得强硬性好的组织，原因可能是Cr、Mo、V、Ni、Mn等多种合金元素的添加使得试验钢的CCT曲线右移，临界冷却速度变慢，即使以较慢的速度冷却时也不易经过高温的相变转变开始线，形成相应的软相组织，从而降低钢材的强度,而且大部分的合金元素又阻碍奥氏体晶粒长大的效果，有利于获得细晶粒的组织，提高室温组织的塑韧性。同时V、Mo元素的加入有利于形成碳化物，提高钢的耐磨性、耐回火性，而且显著增强钢的二次硬化作用。Cr、Ni、Mo的添加提高了DIN1.2738钢中奥氏体转变的激活能和形核功，且这３种元素均为过渡族元素，溶入奥氏体后与铁原子间的相互作用增大了原子扩散的激活能，从而降低了其自身以及铁元素的扩散系数，增强了奥氏体的稳定性。合金元素的自身的扩散速度比较慢，还会阻碍C元素的扩散使得珠光体形核困难，推迟珠光体转变，达到钢的硬度要求。当冷速较快时，基本得到全马氏体的组织，当冷速在0.5℃/s-0.1℃/s范围内时，马氏体和贝氏体的混合组织彼此重叠，没有明显的边界。先共析铁素体的临界冷速在0.008℃/s-0.01℃/s之间。图3-13试验钢的CCT曲线图不同冷速下的显微硬度如图3-14所示，结果表明，冷却速率和显微硬度值呈现正相关的趋势。当冷却速率小于0.5℃/s时，硬度随着冷却速率的增加明显增大，当冷速大于0.5℃/s时，硬度的增幅变小。结合CCT图分析可知，硬度的这种变化主要是由于不同冷却速率下的相变产物的不同而引起的。马氏体是碳在α−Fe中过饱和的间隙固溶体。因为快速冷却条件下C原子来不及扩散出去，就被位错禁锢形成柯氏气团，同时过饱和碳原子在晶格八面体间隙处形成的碳原子偏聚团造成晶格的畸变并形成一个应力场，该应力场与位错发生强烈的交互作用，会阻碍位错运动，固溶强化作用下马氏体的硬度较高。当冷却速率大于0.5℃/s时，结合CCT曲线可知，各试样的显微组织均已转化为马氏体，基本处于全马氏体的状态，而马氏体的硬度主要取决于碳含量，故冷却速率对硬度影响不大。图