热处理技术论证报告.docx

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热处理技术论证报告

热处理技术论证报告

2007年5月

1背景

为了更好的促进我厂的热处理技术水平，利用科学来指导生产实践，我们准备引入数值模拟技术。

数值模拟是掌握设计、制造过程并对产品早期服役可能出现问题进行预测的最好解决方法。

由于我厂目前热处理件比较大，而且以后会有更多的超大件需要新的热处理工艺，这些都超出了我们目前的技术经验储备，急需一套科学的方法来指导生产实际，所以我们通过调研，知道法国的ESI集团的sysweld软件正好符合我们的需求。

去年12月份我们开始接触，分别进行了宣讲和技术论证，我们对软件功能进行了深入了解；也给出热处理件让他们模拟，并与实际测量结果进行了比较；目前技术论证工作已经做完。

2软件功能

SYSWELD回答工程师的问题

从软件启动到开始计算通常只需要30分钟或更少的时间，包括有限元模型的生成过程。

通常既使是三维变形和残余应力计算时间也不到一天。

因此，对基本问题比热处理机和设计师更高效得到答案：

所选热处理过程是否可行?

所选钢是否可行?

所选淬火介质是否合适?

机加余量是否合理（偏大还是偏小）?

部件的硬化（何处应当硬化）?

在过程是否有危险裂缝的出现?

实际变形是否可以接受?

是否残余压应力足够高并且分布良好？

热处理产品解决方案尤其适合于热处理加工车间，保证热处理过程在一天内的可行性。

SYSWELD模拟所有主要热处理过程

SYSWELD计算并优化所有热处理过程的基本步骤：

•奥氏体化表面硬化

•奥氏体化穿透淬火

•淬火，奥氏体回火，马氏体等温淬火及回火

SYSWELD模拟下列过程：

⏹表面硬化

•感应

•激光

•电子束

•...

⏹穿透淬火

•直接

•奥氏体回火

•马氏体等温淬火

•...

⏹热化学热处理回火

•渗碳剂

•渗氮

•碳氮共渗

•...

热处理应用

⏹使成本、重量和变形最小化

⏹防止裂纹、疲劳失效和硬度不足

⏹在最早期使产品安全性最大化

⏹优化产品设计和制造过程

⏹理解加热、冷却、转变和结构特性

⏹理解并可视化物理效应对硬化、变形和残余应力的影响：

•

加热特性

•冷却特性

•转变特性

•结构特性

⏹产品和过程相关控制

•部件的形状

•加热过程及加热介质

•冷却过程及冷却介质

•回火过程

•

淬火后曲轴的变形，福特授权

增加碳的含量

⏹工程驱动的敏感性分析

3技术论证

为了论证软件功能，我们选取人字齿轮轴进行了论证，对方进行了一些合理性简化。

所用淬火热处理工艺如图1所示：

图2淬火热处理工艺

所用回火热处理工艺如图2所示：

图2回火热处理工艺

另外，我们还提供了淬火前出炉到入油有4.5分的空冷，我厂原来测的淬火油数据和材料化学成分。

对方在此基础上创建了40CrNi的材料库，淬火油传热系数，并进行了模拟计算。

4模拟结果与实测结果比较

由于有些结果没办法测量，只能给出模拟结果：

①温度值

淬火温度结果如图3所示，经过10小时保温温度已经完全均匀，

表明我们的热处理保温时间非常合理。

图3淬火温度场

回火温度结果如图4所示，经过15小时保温温度已经完全均匀，表明我们的回火保温时间很合理。

图4回火温度场

②相分布

图5最终相分布

相分布表明，小齿轮表面是贝氏体组织。

另外还有变形、各种残余应力在这里不一一列举。

我们有实测结果与模拟结果对比：

①温度值

当小齿轮轴淬火出油时，其齿顶表面红外温度测得值为240℃。

模拟结果如下：

图6淬火结果温度值

如图6所示，其模拟齿顶附近应该在220℃左右，分析误差原因，主要红外测温本来不准，另外我们的现场油温由于使用频率过高，实际油温比模拟所设要高。

②硬度值

硬度值实测结果，表面为HB260-290，换算为HV279-310；去掉1cm,打磨为HB240，换算为HV254。

模拟结果如下：

图7回火结果小段中间表层硬度值

如图7所示，由于表面硬度值为打磨后，所以我们取3mm的平均值约为HV295,所以计算结果符合测试结果。

图8回火结果中间1cm处硬度值

如图8所示，由于测量硬度值为去掉1cm,打磨后，所以我们取1cm左右的平均值约为HV260,所以计算结果与测试结果非常相近。

③屈服强度

屈服强度通过取试棒，做拉伸试验实测结果为550-600MPa

模拟结果如下：

图9回火结果等效屈服应力

如图9所示，sysweld所提供的等效屈服应力,我们所取试棒断裂出应该如红色框图所示屈服应力，应该为570左右，所以计算结果符合我们的测试结果。

关于延伸率等机械性能的说明

就机械性能而言，由于目前预测机械性能的方法主要是针对不同材料有不同的经验公式，所以sysweld目前没有此功能，我们需要自己根据sysweld计算的结果，利用经验公式做一些二次开发来预测。

拉伸强度通过取试棒，做拉伸试验实测结果为800-900MPa，软件暂时无法直接给出结果。

5结论

Sysweld软件经过实例验证，硬度、屈服强度和温度场与我们的测试值符合的不错，又理由相信该软件的引进，必将大大推动我们厂的热处理技术更新，可以很好的指导我们的热处理工艺改进，所以建议我厂购买使用。

附表：

Sysweld软件国外部分用户列表

AirLiquide,ALCOA,AWEngineering,BechtelBettis,BIAS,BOSCH,CEASaclay.CEAValduc,CentroSviluppoMateriali,CETIM,CNRC-NRC,CorusTechnologyBV,DimlerChryslerAG,DENKIKOGYO,ELECTRICBOAT,FHGIWM,FHGIWS,FRAMATOME,GKN,HITACHI,KENKIHYUNDAI,INA,IndiaGhandiCenterforAtomicResearch,JFESYSTEMS,KAIST,KATECH,KnollsAtomicPowerLaboratory,NISSAN,POSCO,Pratt&WhitneyAircraft,PSA,RENAULT,RollsRoyce,SAMSUNG,SERCO,SETVAL,SOLLAC,SUZUKI,TOSHIBA,TOYOTA,UAM,VW,VZLU,ZF

Sysweld软件国内部分用户列表

1宝山钢铁股份有限公司

2西安航空飞机发动机集团公司

3合肥等离子物理研究所

4北京航空航天大学

5大连交通大学

6天津大学

7北京工业大学

8北京石油化工学院