300M鋼真空熱處理工藝模擬研究

孟凡國,朱曉巍,仇 晨,斯琴畢力格,張 川

(北京北方華創真空技術有限公司,北京 100015)

300M鋼是國外20世紀50年代初在4340鋼基礎上添加約1.5%Si而發展起來的超高強度結構鋼。該鋼經油淬及低溫回火后,抗拉強度可達1900 MPa以上,同時具有良好的塑性、韌性以及抗應力腐蝕和疲勞性能[1-3],廣泛應用于制造飛機起落架零件、結合螺栓和軸類等重要受力構件。高強度鋼對氫脆很敏感,采用空氣爐或甲醇裂化氣氛爐進行熱處理均存在零件表面嚴重氧化、脫碳和滲氫等問題。近年發展起來的真空熱處理技術,具有無氧化、無脫碳、無氫脆、表面光亮及工件變形小等優點[4-5],對于改善材質和提高疲勞強度有顯著效果,國內外均致力于研究將真空熱處理工藝應用于重要航空受力構件,借以充分發揮材料的潛力,提高產品質量,延長服役期限。

計算流體動力學(簡稱CFD)是通過計算機數值計算和圖像顯示,對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所作的分析。CFD的基本思想可以歸納為:把原來在時間域及空間域上連續的物理量的場,如速度場和壓力場,用一系列有限個離散點上的變量值的集合代替,通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組,然后求解代數方程組獲得變量場的近似值[6-9]。

本文采用真空熱處理高壓氣淬爐對300M鋼進行淬火處理,模擬分析300M鋼在真空熱處理過程中的溫度場、流場、應變場和應力場的變化情況,為該合金的實際熱處理工藝提供理論指導,同時為真空熱處理爐的結構設計優化提供依據。

1 仿真模擬前處理

1.1 仿真模擬數學模型

熱處理爐數學模型,實際上是對爐內熱過程的數學描述,它描述爐內發生的熱過程的基本規律和熱狀態,確定爐內熱過程參數間的定量關系。真空熱處理高壓氣淬爐在進行熱處理時,保溫過程中熱量主要是以熱輻射和熱傳導為主,快冷過程中熱量主要是以熱輻射和熱對流為主。本文中熱輻射采用精度較高的DO模型,熱對流采用RNGk-ε湍流模型,k-ε模型的控制方程如下:

連續方程:

(1)

動量方程:

(2)

k方程:

(3)

ε方程:

(4)

能量方程:

μj(τij)eff/?xi+Sh

(5)

1.2 網格劃分

根據真空熱處理爐的模型,真空熱處理爐的有效加熱區尺寸為600 mm×600 mm×900 mm,仿真模擬直徑分別為70、60、40和30 mm的300M鋼圓棒加熱到760 ℃保溫1 h,停止加熱后快速通入 4 bar氮氣冷卻,分析300M鋼圓棒的溫度場、流場、應變場和應力場的變化情況。利用有限元軟件對建立的幾何模型進行網格劃分,圖1是工件和真空熱處理爐的網格劃分示意圖。300M鋼的熱物理性能參數見表1所示。

圖1 網格劃分示意圖

表1 300M鋼的熱物理性能參數[10]

1.3 邊界條件設置

將300M鋼圓棒表面作為固體壁面,為熱耦合界面。 進行恒溫保溫模擬時,加熱器以恒定的加熱溫度對爐腔進行加熱,水套中冷卻水以恒定的溫度對爐壁進行水冷。進行氣淬冷卻過程模擬時,為簡化模擬計算,模型省略風機及換熱器部分。冷卻氣體入口類型采用質量流量入口,初始充氣流速為1.6 kg/s,溫度25 ℃,后續待氣體充滿爐腔后,進行多次溫度迭代改變入口氣體溫度,出口類型采用壓力出口。

2 模擬結果分析

2.1 溫度場

圖2是300M鋼在熱處理爐保溫階段的溫度場模擬結果,不同直徑的圓棒各部位的溫度分布均不相同,圓棒的直徑越大,溫度梯度越大。但從整體來看,不同直徑的工件溫度變化趨勢相同,均表現為靠近料盤一側的溫度普遍大于遠離料盤一側的。以直徑70 mm的300M鋼圓棒為例,徑向的最低溫度出現在遠離料盤側,最低溫度范圍在743.4～744.1 ℃;徑向的最高溫度出現在靠近料盤一側,最高溫度范圍在744.8～745.5 ℃,徑向的最高溫度與最低溫度相差1.4 ℃,在允許的溫度偏差范圍內。軸向的最低溫度出現在遠離料盤側圓棒的左上角,最低溫度范圍在742.7～743.4 ℃;軸向的最高溫度出現在靠近料盤側圓棒的右下角,最高溫度范圍在746.2～746.9 ℃,軸向的最高溫度與最低溫度相差3.5 ℃,在允許的溫度偏差范圍內。模擬結果表明,軸向的溫度差大于徑向的,但兩者均在允許的溫度偏差范圍內。直徑60 mm圓棒的最高溫度與最低溫度范圍分別為746.9～747.4 ℃和745.0～745.5 ℃;直徑40 mm圓棒的最高溫度與最低溫度范圍分別為744.0～744.5 ℃和742.5～743.0 ℃;直徑30 mm圓棒的最高溫度與最低溫度范圍分別為746.5～746.9 ℃和745.0～745.5 ℃。由此可見,保溫階段直徑30 mm圓棒的溫度場是最均勻的。

(a)工件體;(b)工件軸向;(c)工件徑向

圖3是300M鋼在熱處理爐高壓氣淬冷卻過程中的溫度場模擬結果。當爐內溫度顯示為200 ℃時,直徑70 mm圓棒氣淬后各部位的溫度不均勻程度較大,直徑30 mm圓棒氣淬后各部位的溫度則比較均勻。直徑70 mm圓棒徑向遠離料盤側溫度最高,最高溫度范圍在273.1～285.4 ℃,最低溫度范圍在227.1～239.0 ℃,最大溫差范圍在46.0℃～46.4 ℃,徑向溫差范圍偏大,超過了允許的溫度誤差范圍。軸向的溫度場與徑向類似,最高溫度出現在遠離料盤側,溫度范圍在273.9～285.7 ℃;最低溫度出現在靠近料盤側,溫度范圍在226.8～238.6 ℃,最大溫差范圍在46.0～46.4 ℃。直徑60 mm圓棒的最高溫度和最低溫度范圍分別為215.0～226.8 ℃和191.5～203.2 ℃;直徑40 mm圓棒的最高溫度和最低溫度范圍分別為191.5～203.2 ℃和167.9～179.7 ℃;直徑30 mm圓棒的各部位溫度場比較均勻,溫度范圍在167.9～179.7 ℃。由此可知,直徑越小,300M鋼圓棒氣淬冷卻后各部位的溫度越低,溫差也越小。

(a)工件體;(b)工件軸向;(c)工件徑向

2.2 流場

圖4是300M鋼在高壓氣淬冷卻過程中的流場模擬結果。由圖4可知,XY平面換熱器和通風筒處的流速最大,風速為11.5～12.8 m/s,在有效加熱區的風速為2.55～6.38 m/s。300M鋼圓棒附近的風速為2.55～3.83 m/s。在有效加熱區的部分區域風速不均勻,需要對相關的通風筒進行設計優化,保證有效加熱區不同部位的風速總體均勻。

圖4 300M鋼高壓氣淬冷卻過程中的XY平面流場模擬結果

2.3 應變場

圖5是300M鋼在真空熱處理爐保溫時的應變場模擬結果。由圖5可知,300M鋼圓棒不同部位的應變均不同,保溫時不同直徑圓棒的最大應變范圍為4.0×10-6～6.0×10-6,最大應變部位主要發生在圓棒的軸向?？梢?00M鋼圓棒在保溫階段的應變非常小。

圖5 300M鋼在真空熱處理爐保溫時的應變場模擬結果

圖6是300M鋼在熱處理爐高壓氣淬冷卻后的應變場模擬結果。由圖6可知,300M鋼圓棒不同部位的應變均不同,冷卻后不同直徑圓棒的最大變形均出現在兩個端面附近;最小應變出現在圓棒軸向中間心部,徑向的中心偏下部位。直徑70 mm圓棒的最大應變和最小應變范圍分別為0.238～0.267 mm和0.0022～0.032 mm;直徑60 mm圓棒的最大應變和最小應變范圍分別為0.179～0.209 mm和0.0022～0.032 mm;直徑40 mm圓棒的最大應變和最小應變范圍分別為0.150～0.179 mm和0.0022～0.032 mm;直徑30mm圓棒的最大應變和最小應變范圍分別為0.120～0.150 mm和0.0022～0.032 mm?？梢?00M鋼圓棒在冷卻階段的應變隨直徑的增大而增加,與氣淬冷卻階段溫度場的變化趨勢相同。

(a)工件體;(b)工件軸向;(c)工件徑向

2.4 應力場

圖7是300M鋼在真空熱處理爐高壓氣淬冷卻后的應力場模擬結果。由圖7可知,冷卻后直徑30 mm圓棒不同部位的應力均相同,直徑40、60 和70 mm圓棒不同部位的應力均不同。直徑70 mm圓棒不同部位的應力變化較大,最大應力出現在與料盤接觸的圓棒底部,最大應力為53.66～61.32 MPa;最小應力集中在圓棒的內部靠近兩端,最小應力為0.079～7.73 MPa。整體來看,直徑70 mm圓棒的最大應力主要分布在圓周表面。直徑60 mm圓棒的最大應力和最小應力范圍分別為7.73～15.39 MPa和0.079～7.73 MPa;直徑40 mm圓棒的最大應力和最小應力范圍分別為7.73～15.39 MPa 和0.079～7.73 MPa,直徑60 mm和40 mm圓棒的應力場基本一致;直徑30 mm圓棒的各部位應力比較均勻,應力范圍在0.079～7.73 MPa,是試驗圓棒中應力最小的。

(a)工件體;(b)工件軸向;(c)工件徑向

3 結論

1)模擬結果表明不同直徑的圓棒在保溫和氣冷過程中各部位的溫度不同,氣淬冷卻時圓棒的直徑越大,各部位的溫度場越不均勻,不同部位的溫差增大,直徑70 mm圓棒氣淬后各部位的溫度場不均勻程度最大,直徑30 mm圓棒氣淬后各部位的溫度場則比較均勻。氣淬后直徑70 mm圓棒軸向與徑向的最高溫出現在與料盤接觸的圓棒上半部位,最低溫度出現在圓棒與料盤接觸部位。

2)流場的模擬結果顯示在通風筒處的流速最大,工件附近的風速在2.55～3.83 m/s之間。有效加熱區的部分位置風速不均,建議對通風筒的結構進行優化。

3)300M鋼在保溫階段的應變非常小,冷卻階段不同直徑圓棒的最大應變均在端面附近,最小應變出現在圓棒軸向的中間心部,徑向的中心偏下部位。冷卻階段不同直徑圓棒不同部位的應力也不相同,直徑70 mm圓棒最大應力出現在圓棒與料盤接觸的部位,最大應力為53.66～61.32 MPa;最小應力在圓棒內部靠近兩端,最小應力為0.079～7.73 MPa。而直徑30 mm圓棒各部位的應力較均勻,應力范圍在0.079～7.73 MPa,是試驗圓棒中應力最小的。