王 敏，李 燕

(安徽科技貿(mào)易學(xué)校 機(jī)電工程系,安徽 蚌埠 233080)

Cr12MoV冷作模具鋼的淬透性、淬火回火的硬度、耐磨性、強(qiáng)度均比Cr12高,被廣泛應(yīng)用于形狀復(fù)雜、工作條件繁重下的各種冷沖模具和工具[1]。直徑為300 mm～400 mm以下的工件可完全淬透,淬火變形小,但高溫塑性較差。因此,為了改善這種Cr12MoV冷作模具鋼的韌塑性,通常需要對(duì)其進(jìn)行淬火+回火熱處理,尤其對(duì)于用作模具的Cr12MoV而言,熱處理制度的控制尤為重要,因?yàn)樵趯?shí)際熱處理生產(chǎn)過程中,工人往往難以通過經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)確控制不同工藝制度下的熱處理工藝參數(shù)。自從計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)運(yùn)用于冶金材料的凝固與熱處理過程后,精確控制不再成為技術(shù)瓶頸問題[2-3]。本文采用相變-熱-力多場(chǎng)耦合的有限元仿真軟件對(duì)Cr12MoV冷作模具鋼的熱處理過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果可為高性能模具鋼的工藝開發(fā)與控制提供新的思路。

1 物性參數(shù)與計(jì)算方法

冷作模具鋼Cr12MoV的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為:1.52C、0.24Si、0.27Mn、11.8Cr、0.51Mo、0.21V、0.007P、0.005S,余量為Fe。模擬試樣尺寸為:長(zhǎng)50 mm、直徑為20 mm的圓鋼。對(duì)冷作模具鋼的熱處理過程主要包括淬火和回火,在這個(gè)過程中總的控制方程為三維熱傳導(dǎo)方程[4]:

(1)

(2)

其中,ΔHi為各相的熱焓,Δfi(T)為i相一定間隔時(shí)間[t,t+Δt]內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)的增量。將相變潛熱作為內(nèi)熱源處理,并進(jìn)行微分處理,可以直觀地表達(dá)為[5]:

(3)

(4)

其中,ft(T)、fs(σij)和fc(C)分別為溫度T、應(yīng)力σij和碳濃度C的函數(shù)。而在隨后的回火過程中,非平衡狀態(tài)的馬氏體組織會(huì)向著平衡態(tài)的回火索氏體、回火屈氏體和回火馬氏體轉(zhuǎn)變,各個(gè)轉(zhuǎn)變溫度如圖1。

圖1 Cr12MoV鋼熱處理過程中相變溫度Fig. 1 Phase transition temperature of Cr12MoV steel during heat treatment

經(jīng)過淬火處理后的 Cr12MoV鋼,在不同的回火溫度下,奧氏體會(huì)逐漸分解為鐵素體和滲碳體的混合物,這個(gè)分解過程可以采用AVRAMI方程來表示,

(5)

(6)

其中,Tc為奧氏體分解溫度,C0為鋼中名義碳濃度,n為阿弗拉密指數(shù),Cr12MoV鋼中鐵素體的n值取為2.5,滲碳體的n值取為3[7]。

模擬試樣尺寸為Φ20 mm×50 mm圓鋼,利用前處理模塊GID對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,四節(jié)點(diǎn)單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)分別為2 120和2 000。然后利用COSMAP有限元軟件對(duì)r12MoV鋼熱處理過程中的溫度場(chǎng)、硬度場(chǎng)等進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)。

2 模擬結(jié)果與分析

對(duì)Cr12MoV鋼進(jìn)行淬火與回火熱處理,淬火溫度為1 020 ℃,保溫時(shí)間為2 min,冷卻時(shí)間為4 h;回火溫度分別為510 ℃和490 ℃、保溫時(shí)間分別為0.5 h和3 h。試驗(yàn)過程中在線控制淬火溫度和淬火保溫時(shí)間、回火溫度和回火保溫時(shí)間,熱處理溫度監(jiān)測(cè)采用雷泰RAYTEK紅外測(cè)溫儀進(jìn)行,并采用上述計(jì)算機(jī)軟件模擬相同工藝參數(shù)下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。從Cr12MoV鋼熱處理工藝圖中可見,主要差別在于回火過程中采用了兩種回火溫度和兩種回火保溫時(shí)間。

首先對(duì)Cr12MoV鋼在淬火冷卻過程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬,結(jié)果如圖2所示,分別列出了淬火冷卻時(shí)間為100 s、900 s、6 400 s和13 400 s時(shí)的溫度場(chǎng)分布。從計(jì)算機(jī)模擬圖中可以看出,由于試樣外表面與內(nèi)部的冷卻速度存在一定差異,因此淬火過程模擬圖中的溫度場(chǎng)存在顏色不均的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象反應(yīng)在溫度上則表示不同區(qū)域的溫度不一致。此外,對(duì)比不同冷卻時(shí)間下的測(cè)試結(jié)果可知,淬火冷卻100 s和淬火冷卻13 400 s時(shí)的溫度場(chǎng)存在一定差異,即隨著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng),溫度場(chǎng)差異性逐漸減小。

圖2 Cr12MoV鋼淬火過程中的溫度場(chǎng)模擬圖Fig.2 Simulation of temperature field in the process of Cr12MoV steel

對(duì)Cr12MoV鋼淬火冷卻曲線的計(jì)算機(jī)模擬值與試驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果如圖3所示。在整個(gè)冷卻過程中,表面處和中心處的溫差相差不大。在表面區(qū)域中,隨著淬火冷卻時(shí)間的延長(zhǎng),表面區(qū)域的溫度逐漸降低,且計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近;在中心區(qū)域中,隨著淬火冷卻時(shí)間的延長(zhǎng),表面區(qū)域的溫度也表現(xiàn)為逐漸降低,且計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近。由此可見,無論是Cr12MoV鋼的表面區(qū)域還是中心區(qū)域,淬火冷卻過程的溫度場(chǎng)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果都具有較好的一致性。

圖3 Cr12MoV鋼淬火冷卻曲線的計(jì)算機(jī)模擬值與試驗(yàn)值Fig. 3 Computer simulation and test value of Cr12MoV steel quenching curve

按照事先設(shè)定的Cr12MoV鋼的熱處理工藝,在相應(yīng)工藝制度下對(duì)試樣進(jìn)行了硬度分布云圖的計(jì)算機(jī)模擬,淬火溫度仍然為1 020 ℃。從圖4的硬度分布云圖可見,在同樣的淬火制度下,不同的回火溫度和回火保溫時(shí)間對(duì)硬度場(chǎng)分布有較大影響。硬度場(chǎng)模擬圖中的中心紅色區(qū)域的形狀發(fā)生了顯著變化,隨著回火制度從510 ℃/0.5 h轉(zhuǎn)變至490 ℃/3 h,中心區(qū)域的形狀逐漸由圓形轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形,表示中心硬度較高的區(qū)域的位置發(fā)生了變化。

圖4 Cr12MoV鋼回火后的硬度分布云圖Fig. 4 Hardness distribution cloud image of Cr12MoV steel after tempering

對(duì)Cr12MoV鋼不同回火工藝下硬度的計(jì)算機(jī)模擬值與試驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果如圖5所示,取樣位置的選取保持計(jì)算機(jī)模擬位置與試驗(yàn)位置的一致性,硬度測(cè)試采用HR-150A型洛氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)回火制度為510 ℃/0.5 h、510 ℃/3 h時(shí),不同位置的硬度模擬值與試驗(yàn)值基本一致,曲線較好的吻合在一起;但是當(dāng)回火制度為490 ℃/0.5 h、490 ℃/3 h時(shí),不同位置的硬度模擬值與試驗(yàn)值具有一定的差異,但是差異并不明顯。由此可見,回火溫度較低時(shí),硬度的計(jì)算機(jī)模擬值與試驗(yàn)值可能存在差異,這主要是由于在較低的回火溫度下,Cr12MoV鋼中的滲碳體會(huì)在一定程度上發(fā)生偏聚,引起局部強(qiáng)化作用,在硬度測(cè)試值上也會(huì)表現(xiàn)為不均勻的現(xiàn)象,當(dāng)回火溫度升高后,這種不均勻現(xiàn)象會(huì)逐漸消弱?？傮w結(jié)果來看,硬度的計(jì)算機(jī)模擬值與試驗(yàn)值也保持著較好的一致性。

圖5 Cr12MoV鋼不同回火工藝下硬度的計(jì)算機(jī)模擬值與試驗(yàn)值Fig. 5 Computer simulation and test value of the hardness of Cr12MoV steel under different tempering processes

為了進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算機(jī)硬度模擬結(jié)果中推測(cè)的顯微組織的變化造成硬度性能上的差異性,將金相試樣切割、粗磨、細(xì)磨、機(jī)械拋光和質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精腐蝕后置于蔡司Axiovert 200 MAT型金相顯微鏡,對(duì)不同回火制度下的Cr12MoV鋼進(jìn)行了金相組織觀察,結(jié)果如圖6所示。從晶粒組織上來看,490 ℃回火溫度下的Cr12MoV鋼的晶粒更加細(xì)小,在不同的回火溫度下,晶界處還可見一定數(shù)量和尺寸的碳化物。此外,隨著回火時(shí)間的延長(zhǎng),晶界處的碳化物逐漸聚集成團(tuán)絮狀,反應(yīng)在力學(xué)性能上則表現(xiàn)為硬度會(huì)降低,這一點(diǎn)與硬度測(cè)量結(jié)果保持一致。

圖6 Cr12MoV鋼不同回火工藝下的金相組織Fig.6 Microstructure of Cr12MoV steel under different tempering processes

3 結(jié)論

1)無論是Cr12MoV鋼的表面區(qū)域還是中心區(qū)域,淬火冷卻過程的溫度場(chǎng)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果都具有較好的一致性。

2)當(dāng)回火制度為510 ℃/0.5 h、510 ℃/3 h時(shí),不同位置的硬度模擬值與試驗(yàn)值基本一致,曲線較好的吻合在一起;但是當(dāng)回火制度為490 ℃/0.5 h、490 ℃/3 h時(shí),不同位置的硬度模擬值與試驗(yàn)值具有一定的差異,但是差異并不明顯。

3)回火溫度為490 ℃的Cr12MoV鋼的晶粒尺寸相對(duì)回火溫度為510 ℃的Cr12MoV鋼更加細(xì)小。