文/晏建軍·安世亞太科技股份有限公司成形工藝業(yè)務(wù)部

基于Deform HT的計算機熱處理模擬技術(shù)

文/晏建軍·安世亞太科技股份有限公司成形工藝業(yè)務(wù)部

Deform HT熱處理工藝仿真軟件簡介

Deform HT是一套專業(yè)的金屬熱處理工藝仿真軟件，是一套基于有限元分析方法的專業(yè)工藝仿真系統(tǒng)，用于分析金屬熱處理工藝。二十多年來的工業(yè)實踐證明了基于有限元法的Deform HT有著卓越的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，模擬引擎在結(jié)構(gòu)、溫度和微觀組織及產(chǎn)品缺陷預(yù)測等方面同實際生產(chǎn)相符，保持著令人嘆為觀止的精度，被國際模擬領(lǐng)域公認(rèn)為處于同類型模擬軟件的領(lǐng)先地位。Deform HT適用于多種熱處理工藝，提供極有價值的工藝分析數(shù)據(jù)。如：淬火扭曲、滲碳、淬裂、相變、熱處理硬度、殘余應(yīng)力、體積膨脹、金屬微結(jié)構(gòu)和缺陷產(chǎn)生發(fā)展情況等。

圖1 齒輪尺寸圖

圖2 熱處理工藝流程

某切削后齒輪的熱處理模擬計算

本文通過對某切削后的齒輪進行熱處理模擬計算，預(yù)測其在滲碳淬火后的組織演變及形變現(xiàn)象，為熱處理工藝設(shè)計的定型提供先期驗證。

圖1為經(jīng)過首道工序切削完成的齒輪尺寸圖，該產(chǎn)品為64齒斜齒輪結(jié)構(gòu)，所采用的材料為20CrMnTiH。

該齒輪的工裝要求非常高，齒輪兩側(cè)端面在熱處理后要求保持平整，形變量不能超過50微米。熱處理所采用的是滲碳調(diào)質(zhì)工藝，具體包括零件入爐升溫到約900度，經(jīng)歷碳勢為1.1-1.15的強滲、碳勢0.7-0.75溫度830度的擴滲階段，再經(jīng)油淬、水洗、回火和空冷，最終獲得熱處理后的產(chǎn)品。熱處理工藝流程如圖2所示。

Deform HT具有專業(yè)的熱處理工藝分析流程，能夠?qū)嶋H熱處理工序所涉及的熱處理時間、介質(zhì)及環(huán)境溫度進行設(shè)置，程序會按照熱處理工藝流程進行分析計算，呈現(xiàn)熱處理過程中的各種現(xiàn)象。

Deform HT熱處理分析中，可以針對熱處理件不同的裝料方式、熱處理介質(zhì)的傳熱程度差異進行邊界條件的約束。熱處理過程中，將發(fā)生復(fù)雜的組織轉(zhuǎn)變，圖4反映的是20CrMnTiH在不同碳含量條件下的TTT等溫轉(zhuǎn)變曲線，整個熱處理過程中將產(chǎn)生多種組織成分，包括奧氏體、鐵素體+珠光體、馬氏體及低碳馬氏體、鐵素體、回火鐵素體+滲碳體、回火貝氏體、上下貝氏體。

Deform HT的求解核心完全遵循材料的熱處理基本原理，具有滲碳擴散機制、TTT等溫相變機制、馬氏體晶格切變機制、析出相機制等計算模型，能夠客觀地反映真實熱處理相變現(xiàn)象，觀測產(chǎn)品內(nèi)部組織相的轉(zhuǎn)變及其他熱處理分析數(shù)據(jù)。

從組織轉(zhuǎn)變云圖可見，在第八道水洗工序后，齒輪組織由奧氏體向馬氏體等組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變依然存在部分殘留奧氏體組織，在齒尖處（圖5紅色區(qū)域）分布較多，含量約為8.36%，其他區(qū)域的含量對應(yīng)圖中顏色及數(shù)值。水洗是快速冷卻過程，發(fā)生了淬火現(xiàn)象并產(chǎn)生馬氏體組織，馬氏體含量最高處（圖6紅色區(qū)域）處于齒頂處，齒根處次之，最大含量約為95.8%，齒尖處相對較低達(dá)到90.9%。

圖3 Deform HT 熱處理工藝流程定義

圖4 不同碳含量條件下的TTT轉(zhuǎn)變曲線

圖5 水洗工序后的殘余奧氏體成分分布及含量

圖6 水洗工序后的馬氏體成分分布及含量

經(jīng)過160～180度的回火，發(fā)生馬氏體向低碳馬氏體的轉(zhuǎn)變，圖7顯示馬氏體最高含量下降為86%，降低處的含量降為81%。圖8所產(chǎn)生的低碳馬氏體最大含量約10%。

空冷后齒輪溫度降低到室溫，馬氏體繼續(xù)向低碳馬氏體轉(zhuǎn)變，殘留奧氏體繼續(xù)向馬氏體轉(zhuǎn)變，圖9顯示了齒輪最終的組織分布及含量。最終齒輪頂端（紅色區(qū)域）分布馬氏體含量最高達(dá)83%，心部（藍(lán)色區(qū)域）最低約為79%。

經(jīng)過滲碳后，齒輪滲碳深度及含量分布可從圖10獲取，可見不同部位最終的碳含量及滲碳深度數(shù)據(jù)。滲碳深度從齒尖方向測量達(dá)10mm左右，表面含碳量最大約為0.68。從齒端方向測量滲碳深度為5mm左右，表面含碳量最大約0.5。

Deform HT同時可計算熱處理過程所產(chǎn)生的熱應(yīng)力、組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的組織應(yīng)力、塑性變形所產(chǎn)生的彈塑性應(yīng)力，可用于判斷應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而預(yù)測熱處理裂紋及殘余應(yīng)力分布。

圖7 回火馬氏體分布及含量

圖8 低碳馬氏體分布及含量

圖9 殘余奧氏體分布及含量（左圖），馬氏體分布及含量（右圖）

從圖11主應(yīng)力分布云圖可見，淬火后熱處理最大主應(yīng)力集中在圓角處，最大為47MPa，拉應(yīng)力很小，預(yù)測不會出現(xiàn)淬裂現(xiàn)象。齒輪表面藍(lán)色區(qū)域為壓應(yīng)力狀態(tài)。

由于溫度變化及組織轉(zhuǎn)變的影響，齒輪將發(fā)生體積變化從而引起結(jié)構(gòu)的變形。圖12反映了齒輪在徑向和軸向端面的形變結(jié)果，圖中熱處理后，齒輪發(fā)生了體積膨脹現(xiàn)象，徑向膨脹量為0.38mm，齒頂由熱處理前的平整面變?yōu)橥拱疾黄降慕Y(jié)構(gòu)。同時，齒輪端面也發(fā)生了軸向的膨脹，造成膨脹分布不均且最大達(dá)到80微米。

圖10 碳含量分布云圖

圖11 齒輪內(nèi)部熱處理殘余應(yīng)力

圖12 齒輪熱處理后的形變量

結(jié)論

根據(jù)Deform HT的熱處理分析獲得的各種結(jié)果，判斷出該齒輪的熱處理工藝形變結(jié)果無法達(dá)到設(shè)計要求，并通過組織轉(zhuǎn)變等的結(jié)果掌握了齒輪熱處理過程發(fā)生的內(nèi)部現(xiàn)象及大量數(shù)據(jù)，對熱處理工藝的改進有重要的指導(dǎo)作用。