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機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)
外文翻譯
7
翻譯譯文：
大尺寸塑料模具鋼AISI.P20鋼的淬火過(guò)程設(shè)計(jì)
大尺寸的AISI.P20鋼，用于厚度不小于200mm的塑料模具鋼，為獲得一定的淬硬層，適當(dāng)?shù)臒崽幚磉^(guò)程是十分關(guān)鍵的。本文就AISI.P20鋼的不同熱處理過(guò)程如油淬，直接水淬，水淬前預(yù)冷和自我回火，做了計(jì)算機(jī)模擬的數(shù)字調(diào)研，對(duì)數(shù)學(xué)模型熱處理過(guò)程細(xì)節(jié)做了討論，包括局部熱傳遞的不同反應(yīng)式，熱物理性質(zhì)，潛熱，熱傳遞系數(shù)和相變計(jì)算，結(jié)果顯示；預(yù)冷水淬和自我回火，不僅能有效地防止淬裂，而且比油淬獲得更深的淬硬層
關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī) 模擬，熱處理過(guò)程，AISI.P20鋼，塑料模具
1. 前言
AISI.P20鋼，塑料模具鋼，通常淬硬前硬度值大約30~36HRC。P20鋼應(yīng)該有均勻的硬度，在同一截面上，硬度值最大不超過(guò)3HRC，這就要求共析鐵素體盡可能少。
AISI.P20鋼，0.28%~0.40%C,0.20%~0.80%Si,0.60%~1.00%Mn,1.40~2.0%Cr,0.30%~0.553%Mo,<0.03%S,<0. %03P。油淬時(shí)鋼的最大厚度不應(yīng)超過(guò)150mm。厚度超過(guò)150mm的大尺寸的鋼，為獲得一定的淬硬層，適當(dāng)?shù)臒崽幚磉^(guò)程是非常關(guān)鍵的。然而熱處理過(guò)程是包括熱傳遞現(xiàn)象，冶金性，力學(xué)現(xiàn)象等復(fù)雜的過(guò)程。它很難或者說(shuō)不可能用分析的方法來(lái)正確而有效地描述所有的物理現(xiàn)象。所以，在過(guò)去，熱處理過(guò)程的建立只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，而缺乏科學(xué)依據(jù)。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)模擬使其有了巨大的進(jìn)步。進(jìn)行溫度與相度應(yīng)力的耦合。3D非線性有限元素分析、相變動(dòng)力的計(jì)算、對(duì)急劇轉(zhuǎn)變邊界條件的處理等。這些計(jì)算結(jié)果為引導(dǎo)制造業(yè)的計(jì)算機(jī)模擬，提供了一些基本法則。本文中，分析由計(jì)算機(jī)模擬的AISI.P20鋼的不同熱處理過(guò)程，提出預(yù)冷水淬和自我回火。
2. 熱處理過(guò)程的數(shù)學(xué)模型
2.1熱傳遞過(guò)程中，局部不同的反應(yīng)：
大尺寸鋼在熱處理過(guò)程中的導(dǎo)熱量，可以通過(guò)3D模型局部不同反應(yīng)方程計(jì)算出來(lái)
(1)
邊界條件和初始條件為：
是導(dǎo)熱性， 是比熱容，q是內(nèi)熱源是垂直于表面的溫度梯度，是表面溫度，是淬火介質(zhì)溫度， n是傳熱系數(shù)。邊界條件與初始條件作為鋼的表面溫度的函數(shù)輸入。
在分析瞬時(shí)溫度時(shí)，3D有限元分析法解傳熱方程用前一個(gè)反應(yīng)式，當(dāng)時(shí)間范圍是離散的，用后一個(gè)反應(yīng)式。
這里的代表模具導(dǎo)熱率，代表模具熱容率，是供熱介質(zhì)。
熱物理性質(zhì)：
圖1 在AISI P20鋼上不同微觀組織的熱物理性質(zhì)：（a）導(dǎo)熱率（b）比熱（c）密度（M=馬氏體，B=貝氏體，P=珠光體，F(xiàn)=鐵素體，A=奧氏體）
上述圖1顯示：熱物理性質(zhì)是相成分和溫度的函數(shù)，可表示為
（5）
這里的代表，是第k相的體積分?jǐn)?shù)，k分別表示為A（奧氏體），M（馬氏體），B（貝氏體），P（珠光體），F(xiàn)（共析鐵素體）
潛熱
由相變產(chǎn)生的內(nèi)熱源的密度由（6）計(jì)算
（6）
這里的是當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變的時(shí)候，每單位奧氏體與每單位第k相的差值。如表-1所示。是第k相在中的體積分?jǐn)?shù)。
熱傳遞系數(shù)
當(dāng)在空氣中冷卻時(shí)，綜合的熱傳遞系數(shù)包括：輻射傳遞系數(shù)和對(duì)流轉(zhuǎn)移系數(shù)，即
（7）
輻射傳遞系數(shù)，表示為：
（8）
這里是表面熱輻射系數(shù)，本文中取為0.6，是Stefan-Boitzmann常數(shù)，=5.768
在空氣中冷卻的對(duì)流轉(zhuǎn)移系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式可近似地表述為
（9）
油和攪動(dòng)的水的熱傳遞曲線是用反向熱傳遞的方法取得(IHTM)。首先，從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)取得冷卻曲線；這個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在不同位置有平探頭，尺寸120mm120mm20mm，如圖2所示。然后，這些冷卻曲線輸入基于ZHTM的有限差系統(tǒng)。從而計(jì)算出熱傳遞系數(shù)。圖3所示是計(jì)算之中和攪動(dòng)的水的熱傳遞系數(shù)。用的槽車，尺寸為4.5m7.5m4m。
2.5相變計(jì)算
在熱處理中的相變通常分為擴(kuò)散型相變和元擴(kuò)散型相變（馬氏體轉(zhuǎn)變）
對(duì)擴(kuò)散型相變，持續(xù)的冷卻曲線可能被打斷，在極短的時(shí)間間隔的恒溫區(qū)。孕育期采用的是Scheil可加性法則來(lái)確定，也就是標(biāo)志相轉(zhuǎn)變開始時(shí)間John-Mchl-Avraml公式用來(lái)確定潛伏時(shí)間和評(píng)定微觀組織的體積分?jǐn)?shù)
Scheil可加性法則：
（10）
John-Mehl_Avarami反應(yīng)式：
（11）
潛伏時(shí)間：
（12）
潛伏期體積分?jǐn)?shù)：
（13）
真正的體積分?jǐn)?shù)：
（14）
這里表示在一定T下的潛伏期，表示在一定溫度下短暫的等溫時(shí)間。b和n是兩個(gè)常數(shù)，它們由TTT圖上是新相體積分?jǐn)?shù)從1%和99%的兩條不同曲線得到。和是新相在 i-1和i中的體積分?jǐn)?shù)，是奧氏體在i時(shí)間的體積分?jǐn)?shù)新相轉(zhuǎn)變開始的殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)
對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體的數(shù)量?jī)H僅是溫度的函數(shù)，其體積分?jǐn)?shù)由Koistinen-Mar.burger法則得出：
（15）
這里是馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度。是一個(gè)常數(shù)，對(duì)于AISI.P20鋼。
3. 結(jié)果與討論
商用FE軟件MSC.Marc和用戶自己定義的子程序用于分析AISI.P20鋼熱處理過(guò)程，大尺寸的P20鋼（1700mm1000mm460mm0）.由于其對(duì)稱性，還有一個(gè)高度的幾何條件需要考慮，通過(guò)試探法來(lái)確定網(wǎng)孔的尺寸，圖5所示用膨脹計(jì)測(cè)試的AISI.20鋼的TTT圖。用膨脹計(jì)是為了便于熱處理過(guò)程中相轉(zhuǎn)變的計(jì)算。
3.1油淬
油通常作為AISI.P20鋼的淬火介質(zhì)，來(lái)避免、降低鋼在熱處理過(guò)程中的淬裂度，圖3所示的是油的熱傳遞系數(shù)，在860奧氏體后。然后大尺寸的鋼被油淬，圖6所示為油淬后沿中心軸的計(jì)算的微觀組織分布的狀態(tài)。
如圖6示，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)馬氏體，貝氏體也很薄，在鋼表面大約10mm深處珠光體開始出現(xiàn)。當(dāng)鐵素體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到峰值12.5%時(shí)，從表面大約50mm深至中心的主要相是珠光體，因此，對(duì)于大尺寸的P20鋼，油淬是不合適的。
3.2 直接水淬
因?yàn)橛痛愕拇阌矊犹?，所以用水淬?lái)代替油，在860，奧氏體出現(xiàn)后，鋼被水淬至室溫，圖7所示是大尺寸的模具鋼淬火后沿中心線計(jì)算的微觀組織分布狀態(tài)。
從圖3（b）中可以看出攪動(dòng)的水具有很高的冷卻能力，當(dāng)鐵素體出現(xiàn)在鋼表面100mm深時(shí)，珠光體出現(xiàn)在表面下30mm深處。而中心鐵素體體積分?jǐn)?shù)增加不足10%，所以，對(duì)于想獲得更合適的微觀組織的大尺寸鋼，水淬是合適的
雖然通過(guò)直接水淬，能夠獲得較好的組織分布。但是在實(shí)際熱處理中，淬火裂紋總是發(fā)生。所以，什么是更合適的熱處理過(guò)程，需要進(jìn)一步的研究。
3.3 水淬+空氣預(yù)冷
從圖8中可以看出，在直接水淬過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋和角落周圍的馬氏體轉(zhuǎn)變相關(guān)。為了克服這個(gè)問(wèn)題，本文中，將設(shè)計(jì)和模擬新的熱處理過(guò)程—水淬+空氣預(yù)冷。
圖9所示是空氣預(yù)冷1200S后的珠光體分布狀態(tài)。從圖9（a）中可以看出，預(yù)前空冷合適的時(shí)間，角落的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，最終降低了在后續(xù)的水淬過(guò)程中產(chǎn)生裂紋的傾向。圖9 中b,e,d所示在空氣預(yù)冷過(guò)程中非常薄的珠光體層在角落周圍。在鋼的大部分區(qū)域，奧氏體沒(méi)有分解，在后續(xù)的水淬過(guò)程中將持續(xù)分解，和直接水淬一樣。
在大尺寸P20鋼的實(shí)際熱處理過(guò)程中，證明，空氣預(yù)冷能有效地避免淬硬裂紋，但是，一些小的裂紋仍然產(chǎn)生。這些裂紋位于表面附近。它們是在水淬過(guò)程中馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的。為了使大尺寸AISIP20鋼的熱處理過(guò)程最佳化。本文將設(shè)計(jì)和模擬另一個(gè)熱處理過(guò)程：空氣預(yù)冷+水淬+自我回火。
3.4 空氣預(yù)冷的水淬
圖11所示是沿中心線的不同位置的冷卻曲線。熱處理過(guò)程包括4個(gè)階段：預(yù)冷1118s；第一次水淬3892s；第一次空冷201s；第二次水淬2380s
圖11所示為模擬結(jié)果。第一次水淬后，表面溫度接近100，低于 點(diǎn)，所以，馬氏體開始轉(zhuǎn)變。如果繼續(xù)在水中冷卻，鋼很容易產(chǎn)生淬火裂紋。此時(shí)，鋼在水淬后進(jìn)入第一次空冷，從中心的傳過(guò)來(lái)的熱量將增加表面溫度，使其溫度在200以上。因此，轉(zhuǎn)變的馬氏體被回火，它的脆性降低，但是短暫的回火不會(huì)影響鋼料中心的冷卻速率。第二次水淬后表面溫度低于100，中心溫度降低接近300。所以，鋼被取出后，放在空氣里，新的轉(zhuǎn)變的馬氏體和表面附近的貝氏體，類似于自我回火，這種方法有效于避免淬硬裂紋。用這個(gè)方法形成的組織狀態(tài)和直接水淬形成的組織狀態(tài)基本相同。
結(jié)論：
根據(jù)熱傳遞和微觀組織狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，大尺寸的塑料模具鋼的熱處理過(guò)程作了進(jìn)一步研究。闡述了水能夠取代油，作為淬火介質(zhì)。空氣預(yù)冷的水淬加自我回火是理想淬火過(guò)程之一。
AISI P20鋼奧氏體化后第一次空冷直至角落周圍只有薄薄的一層珠光體，而這些角落是最容易產(chǎn)生淬火裂紋的地方。在后續(xù)的水淬過(guò)程中當(dāng)表面轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)，鋼從水中轉(zhuǎn)至空氣中，即鋼料作新形式的馬氏體自我回火。模擬結(jié)果清楚的顯示了預(yù)冷和自我回火不會(huì)降低淬硬深度。其微觀組織狀態(tài)與直接水淬得到的組織相似，但是后者更能有效阻止淬火裂紋，比油淬能獲得更深的淬硬層。
注： 15