基于H13钢水淬在线监测的热处理值模拟优化

点击上方↑模具行业，请关注我们关于提醒读者和作者注意欺诈的声明已被删除。如果您需要全文，请购买杂志或下载模具钢淬火冷却是一个复杂的过程，芯的温度变化一直是模具钢热处理过程研究的焦点和难点。热处理的数值模拟逐渐被广泛应用于预测芯的温度变化和由此产生的

组织和残余应力变化。工件尺寸远大于实验室模拟试验的样品尺寸。文献报道的模具钢淬火主要基于小型钢块试验研究（如端淬火试验）。在实际生产中，随着工件尺寸的增加和热处理环境的变化，小型工件样品的数值模拟研究结果和规律不能与大型截面工件的实际情况相匹配。考虑到淬火介质的状态，高温工件淬火介质，介质立即沸腾。以水为例，淬火开始时，工件壁的温度远高于水的蒸发温度，水首先进入膜状沸腾阶段。随着工件表面温度的降低，淬火冷却过程进入过渡沸腾和核沸腾阶段；在膜沸腾阶段，工件表面覆盖一层完整的气体膜，防止表面与附近流体的直接接触，热交换主要依靠表面与气体膜之间的导热性和辐射。随着工件表面温度的降低和过热度的降低，气膜逐渐变薄，直到破裂。沸腾程度与工件的表面积和表面粗糙度有关。工件表面积越大，成核的地方就越多。实际生产中大截面尺寸的准确预测H13模具钢淬火过程中温度场的变化从优化计算模型和模拟工业试验开始，即考虑淬火过程中沸腾状态引起的热变化，优化计算模型，模拟温度场和应力场。在生产现场选择大截面钢块进行淬火，实时监测和记录内部温度变化，并结合工件组织进行验证，温度场的准确预测，避免残余应力造成开裂。试验工件和方法

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试验工件

试验选用H13钢的成分含量如表1所示，工件的尺寸为φ300mm×350mm。按照图1（a）所示尺寸选择温度监测点，并在试验点打孔，孔尺寸为φ10mm×175mm。为了防止淬火时水进入温度测量孔，在每个孔表面焊接耐高温的热电偶，以便直接测量不同位置芯的温度P91无缝钢管如图1所示（b）确保整个钢块能浸入淬火液中。

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试验方法

实时监测淬火温度

为防止淬火过程中工件开裂，工件预退火，退火工艺如图2所示（a）如图2所示，退火工艺完成后，（b）淬火加热和保温处理。大型淬火池(1200000mm×5000mm×5600mm）如图3所示，图3显示了入水前、入水过程中和入水后的工件状态。从图3（c）焊接无缝钢管可保证热电偶在淬火冷却过程中的正常工作。淬火过程中使用JTWARK-191F型热电偶测量和监测材料芯的温度变化，一端按厚度方向插入探测孔(175mm），另一端与温度记录仪相连，数据采集频率为2s。

数值模拟

利用数值分析和有限元理论DeForm-3D热处理模块分析和模拟工件淬火过程中温度场和应力场变化状态。建立模型，根据工件的实际尺寸划分网格，通过测试、计算和查阅文献获取材料相关参数。并通过H使用13钢相变特性参数JMATPRO软件获得H13钢的CCT曲线(过冷奥氏体连续冷却转换)。

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建立温度场模型

导热微分方程是在淬火过程中获取温度场数据的常用方法。根据傅里叶定律和能量守恒定律，三维不稳定导热方程为：传热过程的初始边界条件为第三种边界条件，公式为：λ为热导率，W/(m?℃)；T为温度，Tw材料表面温度，Tf外部温度，℃；t为时间，s；ρ材料密度，kg/m3；c为比热容，J/(kg?K)；h对流换热系数，W/(m2?℃)；x，y，z坐标位置；n指向物体外法线。

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对流换热系数

由于工件淬火过程中沸腾因素的影响，通过蒸汽膜产生辐射传热，辐射增加了蒸汽膜的厚度。假设辐射和对流过程可以简单地是不合理的。BROMLEY通过研究水平表面的膜状沸腾，得出以下超过方程计算的总换热系数。其中，对流换热系数有效-hconv对流换热系数采用参考文献[13]中对流状态下的有效辐射系数-hrad表达式为：其中，Ts工件表面温度，℃；Tsat淬火液在相应压力下的饱和温度，℃；ε如表2所示，固体发射率随温度变化；σ它是斯蒂芬波尔兹曼的常数，值1.×10-23J/K。图4显示了总对流换热系数与参考文献[13]中中的对流热交换系数的比较。随着工件表面温度的升高，改进的对流热交换系数与参考文献[13]中的趋势一致。优化后的对流换热系数略高于参考文献[13]。结果与讨论

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模拟温度场的结果

模拟所需的工件网格分为2万个，如图5所示。通过温度场云图变化情况可以看到，从淬火开始，工件表面迅速降温，但工件芯部依然是高温状态，根据H13钢的CCT曲线(见图6)，工件表面立即转换为马氏体，芯部大部分奥氏体化，约750s工件内部从外到内逐渐转变。由于工件尺寸大，在冷却过程中，工件表面与芯之间的温差较大，工件表面与芯之间的时差增加，奥氏体向马氏体的膨胀系数明显不同，使淬火工件变形大，残余应力大，有开裂倾向。

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温度曲线对比结果

通过比较图7（a）、（b）可以看出，沸腾引起的对流换热系数的变化会改变淬火过程的温度场。（b）中曲线吻合程度明显高于图7（a），验证了优化后的准确性，也表明热辐射在水淬过程中的作用不容忽视。观察图7（b）可以看出，4#位于工件边缘，其计算曲线与试验曲线一致性更好；1#和3#位于离工件2/3的位置R和1/3R前半部分只有吻合度好，但分别淬火1250s和750s相对较大的误差可能与淬火马氏体相变放热有关。2#位于工件中心，发现整个计算曲线不符合实验曲线，这也是温度预测的难点之一。在降温过程中，工件由外到内温度变化越来越平缓，冷却速度越来越低。工件芯与表面的温差从淬火开始逐渐增大，持续约750s，更大温差860℃，但随着淬火冷却时间的延长，工件表面与芯的温差逐渐降低，在2500s温差小于100℃。对流换热系数优化后，工件芯的温度趋势预测仍存在明显误差，表明厚度较厚H13钢模块芯部温度场的影响因素尚未完全揭示，如残余拉/压应力对未变组织温度场的影响、马氏体组织导热系数的变化等。

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淬火应力

淬火过程中，由于工件各位置的温差和组织差异，工件内部会产生较大的内应力。图8显示了淬火过程中工件内四个探测点的应力变化曲线。每个探测点都有一个明显的极值点，特别是在2#、3#和4#位置，在750s分别达到290、250-200MPa。靠近芯部的2#、3#探测点先呈压应力后呈拉应力，表面位置的4#探测点先呈拉应力后呈压应力。这是因为在淬火初期，工件表面迅速冷却收缩，由于温度过高，散热缓慢，芯不能产生相应的收缩，因此表面因收缩阻塞而产生拉应力，芯产生相应的压应力。随着淬火的不断进行，核心开始转化为马氏体。此时，相变应力起主导作用，补偿外压应力。核心应力转化为拉应力。表面4#位置由于芯的收缩而产生压应力，并逐渐减小。应力曲线中的极值是由组织应力和热应力在淬火和冷却过程中的交替引起的。淬火750是由于更大拉/压应力s前后，可以认为这一刻是淬火开裂的关键时间点，缩小了该时间点芯部和表面拉压应力峰值差(约490MPa）是避免淬火开裂的关键。

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显微组织

观察淬火后的工件取样，取4#和2#孔底部进行金相观察，观察结果如图9所示（a）、（b）工件表面组织主要为马氏体，工件芯组织主要为马氏体、贝氏体和少量残余奥氏体。从表面到核心的马氏体含量减少，贝氏体含量增加。由于冷却速度不同，表面冷却速度快，自由能差大，相变驱动力大，过冷奥氏体主要转化为马氏体组织；由于冷却速度下降，自由能差降低，过冷奥氏体马氏体转化减少，贝氏体转化增加。用扫描电子显微镜观察样品芯，如图9所示（c）如果发现贝氏体周围有颗粒状和块状碳化物，分布不均匀，可能是由于冷却速率太小，奥氏体转向贝氏体，碳化物沿着贝氏体铁素体的界面沉淀；碳化物不仅大，而且部分排列分布，这也是影响冲击韧性的因素。对尺寸φ300mm×350mm的H13钢工件在线淬火监测，分别设置芯、表面和1/3R和2/3R可以准确预测厚度较厚的监测点H13钢热处理过程中的温度场和淬火残余应力。对流换热系数受沸腾条件和热辐射影响的影响h经过优化，得出以下结果。(1)各温度监测点的试验结果与计算结果一致，表明优化后的对流换热系数可应用于大截面工件温度场的预测。(2)将优化数据导入计算机数值模拟应力场，结合显微组织观察发现淬火在750s核心和表面的更大峰值应力差证明了大型工件淬火的危险期，会导致工件的变形和开裂。如果材料的纯度组织和性能足以抵抗淬火的峰值应力冲击，则淬火后期无开裂风险。

▍原作者:张宇航、吴日明

▍作者：上海工程技

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