衬套类典型零件热处理工艺仿真研究

摘要：基于有限元方法，对衬套类典型零件开展了渗碳、淬火及回火过程的热处理工艺仿真分析，将零件的温度场、相变场、变形等冶金学信息可视化。仿真结果表明：零件从淬火开始到淬火结束总共用时约30 s，淬火后的主要组织为马氏体，此外还有少量的残余奥氏体，主要集中在渗层位置，体积分数在6.0%~16.0%范围内。根据变形仿真结果可知，零件淬火后上端内径呈现缩小的变形趋势，该零件的仿真结果与实际的变形趋势相一致。本文研究结果可为衬套类零件的热处理工艺优化及淬火工装设计提供理论支持。

关键字：衬套；热处理工艺仿真；渗层 ；淬火变形

1 引言

近些年来，随着计算机运算能力的提升，有限元仿真技术在金属热处理工艺中得到了一定的应用[1]。通过有限元仿真技术可以获得金属材料在不同热处理工艺下的温度场、残余应力场、相变分布、变形趋势等信息，是新材料工艺开发，原有工艺改进的强有力工具[2]。本文以衬套类典型零件为研究对象，基于Sysweld-HT热处理专业仿真软件，建立了衬套零件的热处理仿真模型，获得了零件热处理过程中的温度场、相变场、渗层碳浓度分布以及硬度梯度，并对零件的淬火变形趋势进行了预测。本文研究结果可以为衬套类零件的热处理工艺优化及淬火工装设计提供理论支持。

2热处理工艺仿真 2.1前处理

热处理仿真过程可以分为三个部分，分别为前处理、数值计算和后处理。前处理是热处理仿真过程中的第一步，前处理设定的合理与否将直接影响仿真结果的准确度。前处理包括零件的几何模型建立、模型网格划分、边界条件设定以及工艺参数输入。

2.1.1 几何模型

通常有限元仿真软件都具有简单的几何模型建立功能，但是对于复杂零件的三维模型建立通常采用UG、Solidwork等专业建模软件，本文采用UG软件建立衬套类典型零件的三维模型。所建立的三维模型如图1所示。

图1 衬套类典型零件的三维模型 2.1.2网格划分

模型的网格划分是仿真过程中至关重要的一步，有限元网格可分为四面体网格和六面体网格，对于热处理仿真模型通常采用四面体网格进行划分。此外，零件的网格划分数目对热处理的仿真精度也会产生重要影响，通常情况下模型的网格划分数目越多，仿真结果就越准确，但是计算机计算的总时间就越长

[3,4]。因此，在满足模拟所需精度的同时还需要兼顾仿真计算效率。基于前期仿

真经验，对于热处理变形仿真而言，该零件模型网格数达到200万时既可以获得良好的仿真精度。本文采用280万网格对该零件模型进行网格划分，网格划分后的有限元模型如图2（a）所示。

对于渗层的精细仿真分析则需进一步提高模型的网格划分密度，而模型网格密度的增加必然会加大计算机的计算规模，延长仿真计算的总时长，这样则大大降低了仿真的计算效率。为了解决这一问题，根据模型的旋转对称性，沿模型轴向选取其1/360进行模型的网格精密划分，这样既可以提高渗层的仿真计算精度，也可以保证仿真计算效率。本文中渗碳仿真模型的网格划分总数为51万，网格划分后的模型如图2（b）所示。

图2 （a）热处理变形仿真模型；（b）渗碳仿真模型 2.1.3 边界条件设定及工艺参数输入

模型网格划分后，下一步需要对边界条件进行设定，首先进行材料属性定义，材料属性选择软件内置材料数据库中的18CrNiMo7-6合金。由于该零件实际生产过程中需要依次进行渗碳、淬火以及低温回火工序，因此需要分别定义该零件模型的渗碳面及热交换面，渗碳面为模型内径的面网格（图2中红色区域），热交换面为模型全部的外表面网格。边界条件设定完毕后需输入工艺参数，工艺参数如图3所示。

图3 （a）渗碳工艺曲线；（b）淬火、回火工艺曲线 2.3 后处理

2.3.1温度场仿真结果分析

如图4和图5所示，零件热处理过程中的温度场可以通过软件的后处理功能直观显示，由图5（a）可以看出，零件在淬火过程中表层位置的冷却速率较快，心部位置的冷却速率较慢。在淬火过程中，由于零件不同位置的冷却速率不同会产生温度差，这种温度差会导致零件热胀冷缩效应不一致，从而产生热应力，热应力是导致零件热处理变形的原因之一。由图4（b）加热过程温度-时间曲线可以看出，在加热过程中，零件从室温加热至淬火温度用时大约为2100 s。在淬火过程中，如图5（b）所示，零件从淬火温度冷却至室温用时大约为30 s，仿真结果与实际结果相符。

图4 （a）加热过程中温度场；（b）加热过程温度-时间曲线

图5 （a）淬火过程中温度场；（b）淬火过程温度-时间曲线 2.3.2相变仿真结果分析

淬火过程中，马氏体转变量将直接影响零件的使用性能。图6（a）为零件淬火结束后的马氏体云图，可以看出淬火后组织主要为马氏体，基体中马氏体含量在92.9%~99.5%范围内，表层马氏体含量略低，约为86.2%。图6（b）为零件淬火结束后的残余奥氏体云图，可以看出残余奥氏体主要集中在渗层位置，体积分数在6.0%~16.0%范围内。因为渗层中的奥氏体溶解了大量的碳，使马氏体转变结

束温度点（Mf点）降低，导致渗层中出现一定含量的残余奥氏体。适量的残余奥氏体对提高零件的接触疲劳具有一定的积极作用，但含量过高则会导致零件渗层硬度过低，降低了渗层的塑性变形抗力，其应变诱发的相变产物马氏体脆性大，会促进裂纹的萌生及扩展，导致零件过早失效。

图6 （a）淬火结束后马氏体相云图；（b）淬火结束后残余奥氏体相云图 2.3.3渗层仿真结果分析

渗层碳浓度分布仿真云图如图7（a）所示，可以看出最终渗碳面表层碳浓度约为0.90%，图7（b）为图7（a）中划线位置的渗层表层到心部的碳浓度分布曲线，可以看出表层碳含量最高，约为0.89%，近表层碳含量约为0.80%（距离表层0.30 mm处），心部碳含量与基体碳含量基本相同。

图7（a）碳浓度分布仿真云图；（b）渗层碳浓度分布曲线

渗层硬度梯度仿真云图如图8（a）所示，零件在渗碳淬火后，基体组织为低碳马氏体，渗层组织为高碳马氏体，从仿真云图可知其基体硬度约为473 HV，渗层硬度在560~790 HV范围内。图8（b）为渗层表层到心部的硬度梯度曲线，渗碳层经过渗碳后的碳含量相对较高，在淬火后渗层组织转变为高碳马氏体，随着

表层距离的增加，碳含量随之下降，其组织逐渐由高碳马氏体转变为低碳马氏体，因此硬度也随之下降。渗层硬度梯度曲线的仿真结果与实际生产结果的变化趋势相符合。

图8（a）硬度梯度云图；（b）渗层硬度梯度曲线 2.3.4热处理变形仿真结果分析

所选取的衬套类典型零件淬火后变形情况如图9所示，由于零件热处理后变形通常较小，为了便于分析其变形趋势，通过软件将零件的变形放大至20倍，可以看出零件经过淬火后，上端内径呈现缩小的变形趋势。采用软件测量功能可以测得特定位置的变形情况，其中零件上端内径的径向尺寸缩小了0.15 mm，下端内经尺寸基本不变。根据淬火变形仿真结果可知，该类零件为了防止淬火后上端收缩变形，在淬火过程中其内径位置应当增加芯轴做为支撑。经实际生产验证，该零件的实际变形趋势与仿真结果相一致。

图9（a）模型截取示意图；（b）淬火前后形貌 3 结论

（1）经仿真分析可知，零件从室温加热至淬火温度用时大约为2100 s，零件从淬火温度冷却至室温用时大约为30 s。

（2）零件在渗碳淬火后主要组织为马氏体，基体中马氏体的体积分数在92.9%~99.5%范围内，硬度约为473 HV，渗层中马氏体的含量略低，约为86.2%，硬度约为560~790 HV。此外还有少量的残余奥氏体，主要集中在渗层位置，体积分数在6.0%~16.0%范围内。

（3）零件淬火后，上端内径呈现缩小的变形趋势，径向尺寸缩小0.15 mm，下端内经尺寸则基本保持不变，仿真结果与零件的实际变形趋势相一致。

参考文献

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