编号：B5〔中文全文〕
数值模拟技术模块预硬化热处理中应
王庆亮13 续 维1 潘健生2 洪德华2
1 宝钢股份特殊钢分公司制造理部 202140
2 海交通学材料科学工程学院 200030
3 东北学材料科学工程学院 110000
摘：热处理程控制决定预硬化塑料模具钢质量关键技术传统方法带验性观性热处理程温度场组织场应力场相互耦合复杂物理程实际生产中法进行线检测控制采限元数值模拟技术P20模块预硬化热处理程中淬火加热淬火冷回火程中温度场进行模拟进预测热处理程中组织变化根数值模拟结果结合实际生产验证数预硬化生产工艺参数进行调整优化提高模块预硬化质量降低模块淬火开裂风险时降低热处理耗
关键词： 模具钢 热处理 数值模拟 限元
Application of Numerical Simulation Technique in Prehardening Heat Treatment of Big Die Blocks
Wang Qingliang13 Xu Wei1 Pan Jiansheng2 Hong Dehua2
1 Baoshan Iron & Steel Co Ltd Special Steel Branch Manufacturing Management Department 202140
2 Shanghai Jiaotong University School of Materials Science & Engineering 200030
3 Northeast University School of Materials Science & Engineering 110000
Abstract Heat treatment process control is one of the key techniques which decide the quality of the prehardened die steel for plastics Conventional process control methods often rely on experience and subjectivity Heat treatment process is a complicated physical process in which temperature field structure and stress field are interconnected each other It is impossible to carry out online inspection and control during the heat treatment process In this research finite element numerical simulation technique has been adopted to simulate the temperature fields of the prehardening heat treatment process of P20 die blocks at the stages of hardening heating cooling and tempering and then predict the change of structures during the heat treatment Adjustment and optimization of prehardening heat treatment process parameters have been made based on numerical simulation results and practical data obtained in production which improved the quality of prehardened die blocks reduced the risk of quenching cracking and energy consumption of heat treatment
Key Words die steel heat treatment numerical simulation finite element
1 前言
热处理程控制决定预硬化塑料模具钢质量关键技术般根传统技术手册资料中验方法设计制定工艺种方法带验性观性型塑料模具钢模块预硬化程般包括加热淬火回火等工序预硬化工艺参数正确合理制定仅关系模具钢组织性控制降低模具变形开裂倾助降低热处理耗降低生产钱
热处理程简单温度变化程温度场组织场应力场相互耦合复杂物理程1物理场变化实际生产中法进行线检测控制前唯助物理模拟数值模拟技术综合应实现物理量虚拟仿真进达精确控制目运计算机模拟软件方便显示时刻模块意截面温度场组织场应力场操作者观察种场量时间推移情况显示出户关心点温度应力组织时间变化曲线样热处理工作者提供虚拟现实环境2
开发型预硬化塑料模具钢程中获满意预硬化效果模块热处理程进行限元数值模拟方面传统受条件限制法分析组织场应力场问题通模拟满意解答方面量繁杂工程试验问题简单化节省量力物力财力
2 限元模型建立
尺寸1700×1000×460mm塑料模具钢P20模块进行限元数值模拟型模块关xyz三轴称长方体进行计算机模拟温度组织分布时需模块八分850×500×230mm局部建立三维模型图1采长方体单元划分P20模块限元模型网格图中点3表示模块中心位置点5表示模块角部位置加热冷程中模块外表温度变化心部剧烈温度变化率越部位网格划分更细
图 1 模块限元网格划分
统筹考虑模块热传导流热辐射作时材料热物理参数温度变化材料非线性热边界条件引起非线性素等考虑施加边界条件初始条件输入P20物理性质定义加载历程设置单元类型然进行限元程序运行采集处理分析结果进行视化处理
限元数值模拟结果够获面信息：
第中心边界点升温曲线出加热程中表心温差温差作限制条件确定升温速度
第二升温曲线出中心位置温时间时刻开始作保温开始时间
第三组织转变云图整模块组织转变信息确定保温时间
3 数值模拟结果分析
31 淬火加热程
1700×1000×460mm塑料模具钢P20模块淬火加热程进行计算机模拟设定工艺曲线图2示
温度
℃
860℃
80℃h
8h
50℃h
650℃
3h
350℃
3h
时间t
图2 P20模块淬火加热曲线
图3加热19时时模块温度分布图437点模块部位〔图1〕升温曲线
图3 加热19时模块温度场 图4 模块中心角部点〔37〕升温曲线
图4中node1相图 1中点3位置〔中心点〕node49点7位置〔外表点〕三点边37位点3点7间节点
模拟结果出①350℃650℃二次中间保温升温速度减慢截面温差出现400500℃间温差接100℃说明二次阶梯升温工艺合理②650℃停留3时必时表心温差趋致模块已处塑性状态提高加热速度继续升温③加热阶段炉温80℃h速度升温条件炉温升860℃时〔总加热时间21时〕模块外表温度达795℃心部720℃尚未发生相变④保温4时〔总加热时间25时〕模块外表温心部温度超840℃已完成奥氏体化认需均热时间建议缩短860℃保温时间
32 淬火程
根温度场相变耦合模型三维非线性限元分析方法尺寸1700×1000×460mm预硬型塑料钢P20型模块淬火程温度场组织场进行计算机模拟
P20模块860℃均热未空气中预冷直接水淬条件温度变化模拟结果图5示图 6显示模块端面中心边部〔图2中48〕铁素体+珠光体贝氏体马氏体含量变化
图5 直接淬火时模块截面点冷曲线 图6 P20模块水淬中截面铁素体
+珠光体贝氏体马氏体含量变化
图7中黄色（浅色）+红色局部分表示P20模块860℃均热未空气中预冷直接水淬条件获组织直观判断模块中组织分布
〔a〕铁素体+珠光体 〔b〕贝氏体 〔c〕马氏体
图7 模块中组织分布图
样860℃出炉空冷预冷短时间浸水预冷然水冷冷程中出水回火条件温度场组织场进行模拟结果说明 预冷淬火获贝氏体层深度略增加出现珠光体+铁素体层推移预冷模块截面温差减少整模块储热量降前者利减少淬火时应力者增淬火时冷速
空冷浸水空冷预冷程中外表方处700℃少量珠光体+铁素体转变外离外表20毫米温度高700℃处奥氏体稳定区域预冷方法行预冷棱角处珠光体+铁素体增加影响防止淬火开裂作较预冷淬火棱边棱角处防止出现马氏体棱边棱角模具工作面该处淬裂危险预冷必合理
模拟结果说明水淬1时5分30秒时外表温度已冷100℃已发生马氏体转变时出水回火外表外表层温度升200℃左右已转变马氏体贝氏体回火降低脆性利防止淬火开裂危险空气中停留5分钟重新入水冷短时间回火会明显影响模块部冷速度时心部温度已低550℃适回火会影响模块心部组织性
33 回火程
P20淬火必须时回火回火硬度控制32HRC左右回火般分段加热保温方法常两种工艺工艺：先加热600℃保温3时然加热650℃保温20分工艺二：先加热650℃保温50分然降温600℃保温4时图 8述回火工艺条件模块中心点边界点升温曲线
模拟结果见先加热600℃保温然加热650℃保温定时间高温度出现时间延中心附温度接高温度先加热650℃保温然降600℃保温高温度出现边界附快达高温度中心附温度相工艺低整模块硬度均匀希表层马氏体贝氏体较高温度回火心部珠光体较低温度回火工艺二加热保温程更合理
a） 600℃×3h+650℃×20min b）650℃×50min+600℃×4 h
图8 工艺条件回火加热升温曲线
4 结
采限元方法P20模块热处理程进行数值模拟生产验证—修正—验证——修正逐步提高模拟结果准确性根模拟结果塑料模具钢模块预硬化处理加热工艺参数进行分析作出改良
模块冷提出供选择淬火方式调整回火工艺编制预硬化热处理工艺规程指导生产减少加热程必耗降低模块预硬化程开裂倾提高次回火硬度达标命中率节约源提高预硬化质量水获良工艺效果
参考文献
1 潘健生胡明娟计算机模拟材料科学中应
2 顾剑锋潘健生淬火程计算机模拟应金属热处理 2000（5）353744
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数值模拟技术模块预硬化热处理中应
王庆亮13 续 维1 潘健生2 洪德华2
1 宝钢股份特殊钢分公司制造理部 202140
2 海交通学材料科学工程学院 200030
3 东北学材料科学工程学院 110000
摘：热处理程控制决定预硬化塑料模具钢质量关键技术传统方法带验性观性热处理程温度场组织场应力场相互耦合复杂物理程实际生产中法进行线检测控制采限元数值模拟技术P20模块预硬化热处理程中淬火加热淬火冷回火程中温度场进行模拟进预测热处理程中组织变化根数值模拟结果结合实际生产验证数预硬化生产工艺参数进行调整优化提高模块预硬化质量降低模块淬火开裂风险时降低热处理耗
关键词： 模具钢 热处理 数值模拟 限元
Application of Numerical Simulation Technique in Prehardening Heat Treatment of Big Die Blocks
Wang Qingliang13 Xu Wei1 Pan Jiansheng2 Hong Dehua2
1 Baoshan Iron & Steel Co Ltd Special Steel Branch Manufacturing Management Department 202140
2 Shanghai Jiaotong University School of Materials Science & Engineering 200030
3 Northeast University School of Materials Science & Engineering 110000
Abstract Heat treatment process control is one of the key techniques which decide the quality of the prehardened die steel for plastics Conventional process control methods often rely on experience and subjectivity Heat treatment process is a complicated physical process in which temperature field structure and stress field are interconnected each other It is impossible to carry out online inspection and control during the heat treatment process In this research finite element numerical simulation technique has been adopted to simulate the temperature fields of the prehardening heat treatment process of P20 die blocks at the stages of hardening heating cooling and tempering and then predict the change of structures during the heat treatment Adjustment and optimization of prehardening heat treatment process parameters have been made based on numerical simulation results and practical data obtained in production which improved the quality of prehardened die blocks reduced the risk of quenching cracking and energy consumption of heat treatment
Key Words die steel heat treatment numerical simulation finite element
1 前言
热处理程控制决定预硬化塑料模具钢质量关键技术般根传统技术手册资料中验方法设计制定工艺种方法带验性观性型塑料模具钢模块预硬化程般包括加热淬火回火等工序预硬化工艺参数正确合理制定仅关系模具钢组织性控制降低模具变形开裂倾助降低热处理耗降低生产钱
热处理程简单温度变化程温度场组织场应力场相互耦合复杂物理程1物理场变化实际生产中法进行线检测控制前唯助物理模拟数值模拟技术综合应实现物理量虚拟仿真进达精确控制目运计算机模拟软件方便显示时刻模块意截面温度场组织场应力场操作者观察种场量时间推移情况显示出户关心点温度应力组织时间变化曲线样热处理工作者提供虚拟现实环境2
开发型预硬化塑料模具钢程中获满意预硬化效果模块热处理程进行限元数值模拟方面传统受条件限制法分析组织场应力场问题通模拟满意解答方面量繁杂工程试验问题简单化节省量力物力财力
2 限元模型建立
尺寸1700×1000×460mm塑料模具钢P20模块进行限元数值模拟型模块关xyz三轴称长方体进行计算机模拟温度组织分布时需模块八分850×500×230mm局部建立三维模型图1采长方体单元划分P20模块限元模型网格图中点3表示模块中心位置点5表示模块角部位置加热冷程中模块外表温度变化心部剧烈温度变化率越部位网格划分更细
图 1 模块限元网格划分
统筹考虑模块热传导流热辐射作时材料热物理参数温度变化材料非线性热边界条件引起非线性素等考虑施加边界条件初始条件输入P20物理性质定义加载历程设置单元类型然进行限元程序运行采集处理分析结果进行视化处理
限元数值模拟结果够获面信息：
第中心边界点升温曲线出加热程中表心温差温差作限制条件确定升温速度
第二升温曲线出中心位置温时间时刻开始作保温开始时间
第三组织转变云图整模块组织转变信息确定保温时间
3 数值模拟结果分析
31 淬火加热程
1700×1000×460mm塑料模具钢P20模块淬火加热程进行计算机模拟设定工艺曲线图2示
温度
℃
860℃
80℃h
8h
50℃h
650℃
3h
350℃
3h
时间t
图2 P20模块淬火加热曲线
图3加热19时时模块温度分布图437点模块部位〔图1〕升温曲线
图3 加热19时模块温度场 图4 模块中心角部点〔37〕升温曲线
图4中node1相图 1中点3位置〔中心点〕node49点7位置〔外表点〕三点边37位点3点7间节点
模拟结果出①350℃650℃二次中间保温升温速度减慢截面温差出现400500℃间温差接100℃说明二次阶梯升温工艺合理②650℃停留3时必时表心温差趋致模块已处塑性状态提高加热速度继续升温③加热阶段炉温80℃h速度升温条件炉温升860℃时〔总加热时间21时〕模块外表温度达795℃心部720℃尚未发生相变④保温4时〔总加热时间25时〕模块外表温心部温度超840℃已完成奥氏体化认需均热时间建议缩短860℃保温时间
32 淬火程
根温度场相变耦合模型三维非线性限元分析方法尺寸1700×1000×460mm预硬型塑料钢P20型模块淬火程温度场组织场进行计算机模拟
P20模块860℃均热未空气中预冷直接水淬条件温度变化模拟结果图5示图 6显示模块端面中心边部〔图2中48〕铁素体+珠光体贝氏体马氏体含量变化
图5 直接淬火时模块截面点冷曲线 图6 P20模块水淬中截面铁素体
+珠光体贝氏体马氏体含量变化
图7中黄色（浅色）+红色局部分表示P20模块860℃均热未空气中预冷直接水淬条件获组织直观判断模块中组织分布
〔a〕铁素体+珠光体 〔b〕贝氏体 〔c〕马氏体
图7 模块中组织分布图
样860℃出炉空冷预冷短时间浸水预冷然水冷冷程中出水回火条件温度场组织场进行模拟结果说明 预冷淬火获贝氏体层深度略增加出现珠光体+铁素体层推移预冷模块截面温差减少整模块储热量降前者利减少淬火时应力者增淬火时冷速
空冷浸水空冷预冷程中外表方处700℃少量珠光体+铁素体转变外离外表20毫米温度高700℃处奥氏体稳定区域预冷方法行预冷棱角处珠光体+铁素体增加影响防止淬火开裂作较预冷淬火棱边棱角处防止出现马氏体棱边棱角模具工作面该处淬裂危险预冷必合理
模拟结果说明水淬1时5分30秒时外表温度已冷100℃已发生马氏体转变时出水回火外表外表层温度升200℃左右已转变马氏体贝氏体回火降低脆性利防止淬火开裂危险空气中停留5分钟重新入水冷短时间回火会明显影响模块部冷速度时心部温度已低550℃适回火会影响模块心部组织性
33 回火程
P20淬火必须时回火回火硬度控制32HRC左右回火般分段加热保温方法常两种工艺工艺：先加热600℃保温3时然加热650℃保温20分工艺二：先加热650℃保温50分然降温600℃保温4时图 8述回火工艺条件模块中心点边界点升温曲线
模拟结果见先加热600℃保温然加热650℃保温定时间高温度出现时间延中心附温度接高温度先加热650℃保温然降600℃保温高温度出现边界附快达高温度中心附温度相工艺低整模块硬度均匀希表层马氏体贝氏体较高温度回火心部珠光体较低温度回火工艺二加热保温程更合理
a） 600℃×3h+650℃×20min b）650℃×50min+600℃×4 h
图8 工艺条件回火加热升温曲线
4 结
采限元方法P20模块热处理程进行数值模拟生产验证—修正—验证——修正逐步提高模拟结果准确性根模拟结果塑料模具钢模块预硬化处理加热工艺参数进行分析作出改良
模块冷提出供选择淬火方式调整回火工艺编制预硬化热处理工艺规程指导生产减少加热程必耗降低模块预硬化程开裂倾提高次回火硬度达标命中率节约源提高预硬化质量水获良工艺效果
参考文献
1 潘健生胡明娟计算机模拟材料科学中应
2 顾剑锋潘健生淬火程计算机模拟应金属热处理 2000（5）353744
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