H13鋼淬火工藝的有限元模擬

文/ 韓非，蔣曉梅，趙先鋒·內蒙古北方重工業集團公司

韓桐·大慶油田工程建設有限公司

H13鋼淬火工藝的有限元模擬

文/ 韓非，蔣曉梅，趙先鋒·內蒙古北方重工業集團公司

韓桐·大慶油田工程建設有限公司

H13鋼是采用美國AISI-SAE統一編號的鋼材，要求有高的熱穩定性、高溫強度、耐熱疲勞性以及耐磨性。相當于我國的4Cr5MoSiV1鋼，屬于中合金超高強度鋼，是高溫綜合性能較好的熱作模具鋼，其化學成分見表1。該鋼具有較好的強度和硬度，中溫時依然能保持較好的強度和硬度的穩定性。正是這種良好的綜合性能，H13鋼被越來越廣泛地應用于制造模鍛錘的鍛模、熱擠壓模具與芯棒、精鍛機用模具、鑲塊以及鍛造壓力機模具、銅及其合金的壓鑄模等。

這類鋼鉻含量大約在5%左右，同時加入適量的鉬、釩、硅等元素。由于鉻含量較高，因而具有較高的淬透性，鉬的加入將進一步提高鋼的淬透性。此外鉻和硅等元素的加入提高了鋼的抗氧化性，同時也有利于提高其熱疲勞性能。釩的加入可加強鋼的二次強化現象，增加熱穩定性。如果加熱不當易產生熱裂紋，溫度過高易發生晶粒粗大從而導致脫碳，其鍛造溫度范圍也窄，高溫、低溫鍛造時易產生角部裂口。合金成分較高，導熱性差，加熱時應緩慢。因此應嚴格執行加熱、預熱、保溫各個階段的工藝控制，其中熱處理工藝中的淬火是整個熱處理工藝的關鍵階段，是芯棒鍛造之后的首次淬火，淬火工藝的穩定性直接影響鋼后續熱處理的進行及組織性能，因此研究H13鋼淬火階段的溫度變化具有重要的實際意義和指導作用。

試驗方案

用計算機對H13鋼芯棒進行模擬前，本文采用3D建模軟件PRO/E對H13鋼芯棒進行軟件建模，保存為igs格式導入visual-environment軟件中的visual-mesh模塊進行有限元的網格劃分。本文模擬的H13芯棒尺寸為φ350mm×12m，為了模擬結果的準確，用visual-mesh對芯棒表面劃分為10層，2D和3D單元總共劃分為22808個，所有單元均為六面體單元，X、Y、Z三個方向約束20482個節點，考慮到實際情況及計算機的計算能力，沿H13芯棒的長度方向劃分為10個部分，網格劃分結果如圖1所示。

表1 H13熱作模具鋼的化學成分

圖1 H13鋼網格劃分及節點選取

從圖1中可以看出，對劃分完網格的模型從長度的一半選取橫截面，在橫截面上沿半徑方向由外到內依次選取41041、41042、41177、41287、41397、 41507、41617、41727、41837、41947、42057、42166、42261、42307、42429、42487、42514、42606、42633、42647、42691、42692、42693、42689、42687等25個節點。

為了便于對比分析，本文采用的淬火工藝主要有兩種，工件規格為φ350mm×12m，入水前溫度為950℃，水溫為20℃，空氣溫度為20℃，具體試驗方案如下：

⑴方案1。水冷80s→空冷80s→水冷80s→空冷80s→水冷80s→空冷80s→水冷80s→空冷80s→水冷80s。

⑵方案2。水冷120s→空冷120s→水冷120s→空冷120s→水冷120s→空冷2h。

結果分析與討論

將ASC格式的網格文件導入到sysweld軟件，利用sysweld軟件中的熱處理模塊進行模擬計算，計算結果如圖2所示。從圖2中可以看出，Y軸方向從下向上分別為圖1中從外向內的節點曲線，每條曲線分別為每個節點的溫度變化曲線，外層節點平均間距為5mm，內部節點平均間距為10mm。從曲線的整體趨勢來看，在水冷階段初期曲線出現了急劇的下滑，然后趨于平緩，在接下來的空冷階段由于材料內部的熱傳導作用，曲線出現了迅速上升。

隨著水冷與空冷的交替進行，曲線的每個下降峰逐漸趨于平緩，峰值逐漸減小，同樣曲線上升階段的峰值也隨著水冷與空冷的交替進行而逐漸右移并減小，在空冷階段隨著水冷與空冷的進行，H13鋼的溫度逐漸降低，材料的回溫越來越充分。

水冷階段隨著冷卻的進行H13鋼的冷卻速率逐漸增大，說明在低溫階段H13鋼降溫的速度更大。同時對材料表面的溫度進行紅外測試，把試驗結果與實際現場測試的數據進行了對比，結果見表2。同時從方案1的曲線圖中可以看出，沿模型的半徑方向回溫的情況逐漸不明顯，當到達第七個節點的時候，曲線的波動變小趨于一條直線，說明淬透深度大約在30mm左右。在方案2的曲線中，當到達第十二個節點時，曲線波動趨緩，在1505s以后回溫曲線與降溫曲線重合，變為一條直線，材料的降溫呈現穩定的趨勢，表明材料從1505s之后內外溫度趨于一致，淬透深度在60mm左右。表2中W80代表水冷80s，A80代表空冷80s，表3同理。

表2、3中的數據表明模擬結果與現場測試結果基本吻合，平均誤差在10%以內。對比兩種淬火工藝可知，采用方案2中的淬火工藝，材料的淬透深度要大于方案1中的淬透深度，從溫度變化曲線上分析可知，水淬及空淬的時間長短對材料淬透深度的影響很大。

圖2 溫度變化曲線

表2 方案1實驗結果與現場測試數據對比 （單位/℃）

表3 方案二實驗結果與現場測試數據對比 （單位/℃）

結束語

⑴通過對尺寸為φ350mm×12m的H13鋼鍛造芯棒淬火過程的計算機模擬，發現在低溫階段H13鋼的回溫更充分。

⑵通過對水冷階段的分析研究，在低溫階段H13鋼的降溫速率更大，方案1淬透深度為30mm左右，方案2中在1505s以后，材料內部的降溫及回溫程度趨于平衡，淬透深度為60mm左右。

⑶通過對材料表面進行紅外測溫，并對實測數據與計算數據進行比較，結果表明利用計算機數值模擬能較真實地反映實際情況。