30NiCrMoV12金屬軸承鍛件熱處理過程數(shù)值模擬研究

劉 婷，王 巍，2，謝景洋，施靜敏

（1.國合通用（青島）測試評(píng)價(jià)有限公司，山東 青島 266000；2.國合通用測試評(píng)價(jià)認(rèn)證股份公司，北京 101407；3.有研工程技術(shù)研究院有限公司，北京 101407）

超大型機(jī)械金屬軸承為階梯狀軸，其最大直徑超過200mm，長度可達(dá)2200mm，它與機(jī)械設(shè)備相互連接組成整個(gè)運(yùn)行軸承，承受機(jī)械設(shè)備的全部重量，是機(jī)械加工設(shè)備的三大關(guān)鍵零部件之一[1，2]。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，軸承受的交變載荷加大，對(duì)軸承的性能及使用壽命提出了更高要求。軸承用金屬材料、軸承熱處理加工工藝等都是影響其性能和使用壽命的重要因素。受各國國情和技術(shù)發(fā)展方向的影響，選用的機(jī)械軸承金屬材料牌號(hào)各不相同[3]。

熱處理工序作為熱加工后的一道工序，是保證產(chǎn)品質(zhì)量及性能要求，避免產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，熱處理工藝普遍采用保守的方法，耗時(shí)較長。各國選用的金屬類不同，熱處理工藝也差別較大。熱處理過程中溫度、時(shí)間、加熱冷卻方式等參數(shù)設(shè)置，對(duì)軸承鍛件組織結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、韌性、疲勞等性能有很大影響。

數(shù)值模擬技術(shù)已成為熱處理工藝研究的有效手段[4，5]。檀雯等[6]應(yīng)用Simufact軟件對(duì)Ti3111鈦合金厚板熱軋工藝進(jìn)行模擬計(jì)算，分析了在軋制階段壓下量、速度對(duì)軋制工藝的影響。劉劼等[7]通過JMatPro軟件對(duì)含硅合金進(jìn)行相轉(zhuǎn)變和力學(xué)性能計(jì)算，得到了合金材料的平衡相組成、連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線等參數(shù)。

本文選取具有代表性的30NiCrMoV12金屬軸承鍛件熱處理過程數(shù)值模擬為研究對(duì)象，利用DEFORM-HT軟件，模擬金屬軸承鍛件在熱處理工藝中溫度場、組織場及應(yīng)力場的變化過程，為實(shí)際的金屬軸承鍛件熱處理工藝提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 有限元仿真模型建立

1.1 計(jì)算理論

熱處理過程包括工件的加熱和冷卻階段，溫度對(duì)金屬材料內(nèi)部組織的轉(zhuǎn)變以及應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生影響，溫度場、組織場和應(yīng)力場之間相互耦合。另外，金屬工件內(nèi)部溫度場和外部加熱或冷卻介質(zhì)的流場及溫度場之間也存在熱量傳遞。這些過程涉及熱傳導(dǎo)模型建立、邊界條件選擇、相變潛熱處理等。

溫度場模擬基于傅里葉定律和能量守恒定律建立的三維傳熱偏微分方程：

式中，ρ為金屬材料密度；cP為工件材料定壓比熱；

分別為x、y、z方向的溫度梯度；λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)；Ql為相變潛熱。

圖1 30NiCrMoV12軸承金屬鍛件模型

表1 30NiCrMoV12軸承的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

初始條件設(shè)置為工件的邊界溫度為常量：

T=T0

邊界條件采用第三類邊界條件，即工件邊界上輻射和對(duì)流換熱條件已知：

式中，H為綜合換熱系數(shù)；HK為對(duì)流換熱系數(shù)；Tw和TC分別為工件表面和介質(zhì)流體的溫度；s為工件邊界范圍，σ 為Stefan-Boltzmann常 數(shù)，5.768×10-8W/(m2·K4)；為工件表面輻射率。

30NiCrMoV12軸承金屬材料中含有4種以上合金元素，在淬火和高溫回火等階段，固態(tài)相變復(fù)雜，并伴隨中間組織的生成。

1.2 研究對(duì)象

本文選用的研究對(duì)象為30NiCrMoV12金屬坯試樣，見圖1，鍛件模擬機(jī)械軸承的空心車軸輕量化結(jié)構(gòu)，便于使用過程中采用超聲波探傷，提高軸承的使用安全性能。空心直徑為φ65mm，軸身直徑為φ166mm，軸長2070mm。根據(jù)軸承的對(duì)稱性，選取沿中心軸線切下1/4模型作為有限元仿真對(duì)象進(jìn)行求解分析，采用四面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格數(shù)32000，節(jié)點(diǎn)數(shù)3057。

采用CS744型分析儀和S3 MinLab型直讀光譜儀測試化學(xué)成分，其主要化學(xué)成分見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理工藝

模擬采用的熱處理工藝過程為：將空心軸承試樣加熱至860℃，保溫3小時(shí)，油淬至100℃；再次升溫至650℃，保溫2小時(shí)，空冷至室溫，如圖2所示。

圖2 金屬軸承鍛件熱處理工藝

2.2 溫度場模擬

在熱處理過程中，淬火階段溫度場隨時(shí)間變化的云圖分布結(jié)果見圖3。

由于包含預(yù)熱、保溫、冷卻等多個(gè)過程，傳熱條件、工件尺寸及工件結(jié)構(gòu)的差異造成各區(qū)域的溫度變化情況不同。在加熱及冷卻過程中，外表面比內(nèi)部會(huì)較早升溫或降溫，兩端比中間部位也會(huì)較早升溫或降溫。這是由于外表面和端部可以與淬火介質(zhì)直接接觸，熱對(duì)流系數(shù)高，換熱劇烈。并且，外部組織開始相變后，產(chǎn)生的相變潛熱會(huì)吸收內(nèi)部組織的熱量，進(jìn)一步降低工件內(nèi)部的冷卻速度。油淬過程中，工件芯部與外表面的溫度差小，而與軸內(nèi)部的溫差大，這是因?yàn)槟M鍛件為空心化設(shè)計(jì)，芯部可以快速的升溫或降溫，因而淬透性更好。

2.3 組織場模擬結(jié)果

采用質(zhì)點(diǎn)追蹤的方法，研究工件熱處理過程組織場的變化。

由于工件的空心化設(shè)計(jì)，選取軸承中心與外表面等距處，即心部降溫緩慢區(qū)域，進(jìn)行分析。熱處理時(shí)，新的金屬組織形成，如圖4，即回火索氏體體積分?jǐn)?shù)變化。淬火后工件組織由奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體，馬氏體在回火升溫過程中，將過飽和碳原子以亞穩(wěn)態(tài)η碳化物的形式析出在工件基體上。隨溫度升高，η碳化物逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的滲碳體，α固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，最終得到體積含量為96%的回火索氏體。

圖4 熱處理過程中金屬組織變化

3 結(jié)論

（1）由于30NiCrMoV12金屬軸承采用空心化設(shè)計(jì)，鍛件在油淬過程中，芯部與外表面溫度差小，與軸內(nèi)部溫差大，芯部可以快速的升溫或降溫，淬透性更好。

（2）淬火后鍛件組織在回火升溫過程中，將過飽和碳原子以亞穩(wěn)態(tài)η碳化物的形式析出，隨溫度升高，η碳化物逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的滲碳體，α固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊鹦螒B(tài)的鐵素體，最終可得到體積含量為96%的碳素體與滲碳體混合物。