TBM盤形滾刀淬火過程的數(shù)值研究

江志強，張銀霞，王 棟，劉治華

JIANG Zhi-qiang, ZHANG Yin-xia, WANG Dong, LIU Zhi-hua

（鄭州大學(xué) 機械工程學(xué)院，鄭州 450001）

0 引言

硬巖隧道掘進機（Tunnel Boring Machine，TBM）作為一種先進的隧道施工機械被廣泛用于水電隧洞、城市地下工程、河海地下隧洞、公路隧道等重要工程中。盤形滾刀作為TBM切削巖石的刀具，工作于強擠壓、大扭矩、強沖擊、高磨損的惡劣工況下，是TBM掘進過程中損壞概率最大的零部件。盤形滾刀性能的好壞直接影響到整個工程造價與工期，而熱處理工藝作為影響盤形滾刀性能的主要因素之一，有著重要的研究意義。因此，本文對盤形滾刀（材料為5Cr5MoSiV1）熱處理工藝中的淬火工藝進行數(shù)值模擬，研究淬火后盤形滾刀的硬度場和組織場，對優(yōu)化淬火工藝參數(shù)，提高盤形滾刀性能有著重要的意義。

淬火工藝過程非常復(fù)雜，材料內(nèi)部的溫度、組織和應(yīng)力相互作用、相互影響并且不斷變化。目前的發(fā)展趨勢是用計算機數(shù)值模擬的方法來預(yù)測出金屬的熱處理過程[1]。邵暉等[2]利用DEFORM對TB6鈦合金坯料的升降溫過程進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)仿真的數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)吻合良好；陳學(xué)文等[3]對大型支承輥淬火工藝進行了數(shù)值模擬，通過調(diào)整淬火工藝參數(shù)得到了最佳的馬氏體層；然而，目前關(guān)于盤形滾刀熱處理工藝的研究集中于理論和小范圍的實驗，白小波[4]和陳磊[5]對TBM滾刀刀圈的熱處理工藝進行了研究，通過小范圍的實驗確定了一組最佳的熱處理工藝參數(shù)，結(jié)論具有一定局限性。

本文針對盤形滾刀的淬火工藝進行數(shù)值模擬，通過JMatPro軟件計算得到了5Cr5MoSiV1材料的性能參數(shù)，利用DEFORM軟件分析了滾刀淬火后的硬度場和組織場，并通過實驗驗證了數(shù)值模擬的準確性。

1 5Cr5MoSiV1的材料性能計算

本文研究的盤形滾刀材料為5Cr5MoSiV1，其化學(xué)成分及質(zhì)量分數(shù)如表1所示。

JMatPro軟件廣泛應(yīng)用于金屬材料性能參數(shù)的計算，楊永春[6]利用JMatPro軟件計算了不同滲碳量的15CrMo鋼淬火組織相組成，熱物性、力學(xué)性能參數(shù)，CCT曲線及端淬性；Saunders等[7]對JMatPro軟件的功能進行了詳細說明，指出其可以克服現(xiàn)有方法的許多缺點，并得到精確結(jié)果；張世珍等[1]利用JMatPro軟件計算了一種新型材料B410DB的機械、熱物性及其TTT曲線、CCT曲線，并將計算結(jié)果導(dǎo)入熱處理仿真軟件DEFORM中分析了摩托車制動盤的淬火過程，實驗證明其結(jié)果可信度高。本文利用JMatPro軟件計算得到的5Cr5MoSiV1材料性能參數(shù)如表2所示。

表1 5Cr5MoSiV1材料化學(xué)成分

表2 5Cr5MoSiV1材料性能參數(shù)

2 淬火過程有限元模型

2.1 熱傳導(dǎo)控制方程

淬火是一個相變過程，且材料溫度會在一個較大的區(qū)間變化，材料熱物理性能隨溫度變化的非線性因素不能忽略，因此淬火屬于瞬態(tài)非線性熱分析問題。固體熱傳導(dǎo)控制方程就是傅立葉導(dǎo)熱方程，對于軸對稱，非穩(wěn)態(tài)情況下的表達式為[8]：

式中T為物體的瞬態(tài)溫度，是坐標和時間的函數(shù)（℃）；

2.2 初始條件

初始條件即初始溫度場，本文研究的盤形滾刀淬火過程的初始條件為均勻溫度場：

2.3 邊界條件

邊界條件是指工件外表面與周圍環(huán)境熱交換的情況，在傳熱學(xué)上，將邊界條件歸納成三類。盤形滾刀淬火傳熱模型屬于第三類換熱邊界條件，其表達式為：

2.4 淬火過程中的組織轉(zhuǎn)變

描述淬火組織轉(zhuǎn)變過程的方式主要有兩種：TTT曲線和CCT曲線。DEFORM中的組織轉(zhuǎn)變計算基于材料的等溫轉(zhuǎn)變TTT曲線和Scheil疊加原理，通過時間離散，將連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)殡A梯冷卻[9]。利用JMatPro軟件計算出材料的TTT曲線如圖1所示，對于珠光體、貝氏體等擴散型相變來說，可以根據(jù)材料的TTT曲線直接輸入，而對于非擴散型馬氏體轉(zhuǎn)變，利用Koistinen-Margurger方程計算馬氏體轉(zhuǎn)變體積分數(shù)：

式中，Ms為馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度，α為材料常數(shù)。由材料TTT曲線可知：馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Ms為324.4℃，當(dāng)轉(zhuǎn)變量為50%時的溫度為289.0℃，計算得到α為0.02。

圖1 5Cr5MoSiV1的TTT曲線

2.5 盤形滾刀幾何模型

盤形滾刀的幾何模型如圖2所示，根據(jù)該盤形滾刀幾何和邊界條件的對稱特性，其淬火有限元幾何模型可以采用如圖3所示的中心軸對稱簡化模型，圖3為盤形滾刀的1/12對稱幾何模型。

圖2 盤形滾刀幾何模型

3 仿真結(jié)果與試驗分析

對盤形滾刀進行淬火試驗，淬火溫度為1100℃，淬火前分別在680℃和820℃的加熱爐中保溫半小時，淬火保溫時間設(shè)定為16min，淬火冷卻方式為油冷，得到淬火后的組織場如圖4所示。從圖中可知，其組織為馬氏體、殘余奧氏體和少量碳化物，馬氏體的分數(shù)在90%以上。利用DEFORM軟件對盤形滾刀淬火過程進行仿真，得到其組織場模擬結(jié)果如圖5所示，馬氏體的質(zhì)量分數(shù)在97%以上，馬氏體質(zhì)量分數(shù)最大值出現(xiàn)在盤形滾刀的外表面，其值為99.6%，馬氏體質(zhì)量分數(shù)最小值出現(xiàn)在盤形滾刀的心部，其值為97.4%。對比實驗結(jié)果和仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模擬過程中馬氏體的質(zhì)量分數(shù)相對于實際偏高，誤差主要在于模擬過程忽略了各種碳化物的影響。

圖3 盤形滾刀的1/12對稱模型

圖4 盤形滾刀淬火后的金相組織

圖5 盤形滾刀淬火仿真中馬氏體分布圖

硬度場和組織場關(guān)系緊密，通常馬氏體質(zhì)量分數(shù)越大的位置，其硬度值也越大。對盤形滾刀淬火后的硬度場進行測定發(fā)現(xiàn)，硬度最大值出現(xiàn)在盤形表面處，大小為58.7HRC。由DEFORM仿真得到的硬度場如圖6所示，硬度最大的位置也是在盤形滾刀表面，大小為58HRC。對比試驗結(jié)果和仿真結(jié)果可知，盤形滾刀淬火后的硬度場基本吻合。

圖6 盤形滾刀淬火仿真后的硬度場

4 結(jié)論

利用熱處理仿真軟件DEFORM，對盤形滾刀的淬火過程進行數(shù)值模擬，分析了淬火后滾刀的組織場和硬度場。仿真和試驗結(jié)果基本吻合，證明了該淬火數(shù)值模型的正確性，為以后盤形滾刀淬火工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了重要參考意義。

[1] 張世珍,王維銳,李玉良,等.一種新型材料淬火過程的數(shù)值模擬和實驗研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）2013,47(3)：535-539.

[2] 邵暉,葛鵬,趙永慶.TB6鈦合金升降溫過程溫度場的模擬[J].鈦工業(yè)進展2009,26(3)：34-37.

[3] 陳學(xué)文,劉澤虎,陳天安,等.大型支承輥淬火工藝穩(wěn)健設(shè)計優(yōu)化數(shù)值模擬[J].金屬熱處理2013,38(7)：86-89.

[4] 白小波.具有硬度梯度的刀圈材料的熱處理工藝研究[D].南昌大學(xué).2012.

[5] 陳磊.TBM滾刀刀圈用5Cr5MoSiV1鋼的熱處理特性研究[D].南昌大學(xué).2012.

[6] 楊永春.基于JMatPro軟件15CrMo滲碳鋼淬火組織與熱物理力學(xué)性能預(yù)測[J].Hot Working Technology.2012,42(20)：184-187.

[7] SAUNDERSN, GUO Z,LI X, et al. Using JMatPro to model material properties and behavior[J].Journal of the Minerals, Metals and MaterialsSociety,2003,12(55)：60-65.

[8] 李廣睿.大型軋輥熱處理工藝模擬及其實驗研究[D].燕山大學(xué). 2007.

[9] 范俊鍇,杜鳳山,劉才,等.大鍛件熱處理殘余應(yīng)力及其對微孔隙周圍氫聚集的影響[J].燕山大學(xué)學(xué)報.2013,37(4)：326-332.