劉 婷，王 巍，2，謝景洋，施靜敏

（1.國(guó)合通用（青島）測(cè)試評(píng)價(jià)有限公司，山東 青島 266000；2.國(guó)合通用測(cè)試評(píng)價(jià)認(rèn)證股份公司，北京 101407；3.有研工程技術(shù)研究院有限公司，北京 101407）

超大型機(jī)械金屬軸承為階梯狀軸，其最大直徑超過(guò)200mm，長(zhǎng)度可達(dá)2200mm，它與機(jī)械設(shè)備相互連接組成整個(gè)運(yùn)行軸承，承受機(jī)械設(shè)備的全部重量，是機(jī)械加工設(shè)備的三大關(guān)鍵零部件之一[1，2]。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，軸承受的交變載荷加大，對(duì)軸承的性能及使用壽命提出了更高要求。軸承用金屬材料、軸承熱處理加工工藝等都是影響其性能和使用壽命的重要因素。受各國(guó)國(guó)情和技術(shù)發(fā)展方向的影響，選用的機(jī)械軸承金屬材料牌號(hào)各不相同[3]。

熱處理工序作為熱加工后的一道工序，是保證產(chǎn)品質(zhì)量及性能要求，避免產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，熱處理工藝普遍采用保守的方法，耗時(shí)較長(zhǎng)。各國(guó)選用的金屬類(lèi)不同，熱處理工藝也差別較大。熱處理過(guò)程中溫度、時(shí)間、加熱冷卻方式等參數(shù)設(shè)置，對(duì)軸承鍛件組織結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、韌性、疲勞等性能有很大影響。

數(shù)值模擬技術(shù)已成為熱處理工藝研究的有效手段[4，5]。檀雯等[6]應(yīng)用Simufact軟件對(duì)Ti3111鈦合金厚板熱軋工藝進(jìn)行模擬計(jì)算，分析了在軋制階段壓下量、速度對(duì)軋制工藝的影響。劉劼等[7]通過(guò)JMatPro軟件對(duì)含硅合金進(jìn)行相轉(zhuǎn)變和力學(xué)性能計(jì)算，得到了合金材料的平衡相組成、連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線等參數(shù)。

本文選取具有代表性的30NiCrMoV12金屬軸承鍛件熱處理過(guò)程數(shù)值模擬為研究對(duì)象，利用DEFORM-HT軟件，模擬金屬軸承鍛件在熱處理工藝中溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的變化過(guò)程，為實(shí)際的金屬軸承鍛件熱處理工藝提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 有限元仿真模型建立

1.1 計(jì)算理論

熱處理過(guò)程包括工件的加熱和冷卻階段，溫度對(duì)金屬材料內(nèi)部組織的轉(zhuǎn)變以及應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生影響，溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)之間相互耦合。另外，金屬工件內(nèi)部溫度場(chǎng)和外部加熱或冷卻介質(zhì)的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)之間也存在熱量傳遞。這些過(guò)程涉及熱傳導(dǎo)模型建立、邊界條件選擇、相變潛熱處理等。

溫度場(chǎng)模擬基于傅里葉定律和能量守恒定律建立的三維傳熱偏微分方程：

式中，ρ為金屬材料密度；cP為工件材料定壓比熱；

分別為x、y、z方向的溫度梯度；λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)；Ql為相變潛熱。

圖1 30NiCrMoV12軸承金屬鍛件模型

表1 30NiCrMoV12軸承的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

初始條件設(shè)置為工件的邊界溫度為常量：

T=T0

邊界條件采用第三類(lèi)邊界條件，即工件邊界上輻射和對(duì)流換熱條件已知：

式中，H為綜合換熱系數(shù)；HK為對(duì)流換熱系數(shù)；Tw和TC分別為工件表面和介質(zhì)流體的溫度；s為工件邊界范圍，σ 為Stefan-Boltzmann常 數(shù)，5.768×10-8W/(m2·K4)；為工件表面輻射率。

30NiCrMoV12軸承金屬材料中含有4種以上合金元素，在淬火和高溫回火等階段，固態(tài)相變復(fù)雜，并伴隨中間組織的生成。

1.2 研究對(duì)象

本文選用的研究對(duì)象為30NiCrMoV12金屬坯試樣，見(jiàn)圖1，鍛件模擬機(jī)械軸承的空心車(chē)軸輕量化結(jié)構(gòu)，便于使用過(guò)程中采用超聲波探傷，提高軸承的使用安全性能?？招闹睆綖棣?5mm，軸身直徑為φ166mm，軸長(zhǎng)2070mm。根據(jù)軸承的對(duì)稱(chēng)性，選取沿中心軸線切下1/4模型作為有限元仿真對(duì)象進(jìn)行求解分析，采用四面體網(wǎng)格類(lèi)型，網(wǎng)格數(shù)32000，節(jié)點(diǎn)數(shù)3057。

采用CS744型分析儀和S3 MinLab型直讀光譜儀測(cè)試化學(xué)成分，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理工藝

模擬采用的熱處理工藝過(guò)程為：將空心軸承試樣加熱至860℃，保溫3小時(shí)，油淬至100℃；再次升溫至650℃，保溫2小時(shí)，空冷至室溫，如圖2所示。

圖2 金屬軸承鍛件熱處理工藝

2.2 溫度場(chǎng)模擬

在熱處理過(guò)程中，淬火階段溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的云圖分布結(jié)果見(jiàn)圖3。

由于包含預(yù)熱、保溫、冷卻等多個(gè)過(guò)程，傳熱條件、工件尺寸及工件結(jié)構(gòu)的差異造成各區(qū)域的溫度變化情況不同。在加熱及冷卻過(guò)程中，外表面比內(nèi)部會(huì)較早升溫或降溫，兩端比中間部位也會(huì)較早升溫或降溫。這是由于外表面和端部可以與淬火介質(zhì)直接接觸，熱對(duì)流系數(shù)高，換熱劇烈。并且，外部組織開(kāi)始相變后，產(chǎn)生的相變潛熱會(huì)吸收內(nèi)部組織的熱量，進(jìn)一步降低工件內(nèi)部的冷卻速度。油淬過(guò)程中，工件芯部與外表面的溫度差小，而與軸內(nèi)部的溫差大，這是因?yàn)槟M鍛件為空心化設(shè)計(jì)，芯部可以快速的升溫或降溫，因而淬透性更好。

2.3 組織場(chǎng)模擬結(jié)果

采用質(zhì)點(diǎn)追蹤的方法，研究工件熱處理過(guò)程組織場(chǎng)的變化。

由于工件的空心化設(shè)計(jì)，選取軸承中心與外表面等距處，即心部降溫緩慢區(qū)域，進(jìn)行分析。熱處理時(shí)，新的金屬組織形成，如圖4，即回火索氏體體積分?jǐn)?shù)變化。淬火后工件組織由奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體，馬氏體在回火升溫過(guò)程中，將過(guò)飽和碳原子以亞穩(wěn)態(tài)η碳化物的形式析出在工件基體上。隨溫度升高，η碳化物逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的滲碳體，α固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，最終得到體積含量為96%的回火索氏體。

圖4 熱處理過(guò)程中金屬組織變化

3 結(jié)論

（1）由于30NiCrMoV12金屬軸承采用空心化設(shè)計(jì)，鍛件在油淬過(guò)程中，芯部與外表面溫度差小，與軸內(nèi)部溫差大，芯部可以快速的升溫或降溫，淬透性更好。

（2）淬火后鍛件組織在回火升溫過(guò)程中，將過(guò)飽和碳原子以亞穩(wěn)態(tài)η碳化物的形式析出，隨溫度升高，η碳化物逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的滲碳體，α固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊鹦螒B(tài)的鐵素體，最終可得到體積含量為96%的碳素體與滲碳體混合物。