鍛鋼活塞鍛造及余熱淬火分析

合肥工業大學材料科學與工程學院 （安徽 230009） 王 杰

安徽安簧機械股份鍛造公司 （安慶 246005） 黃昌文 丁金根

活塞是發動機的核心零件，決定著發動機性能?；钊ぷ鳝h境極其惡劣，這就要求其不僅力學性能達到要求，還要具備抗高溫高壓能力。為了獲得相應力學性能及抗高溫性能，適當的熱處理是必不可少的。熱處理過程是溫度、組織轉變、應力三個方面相互作用的復雜過程。

1.活塞加工工藝

42CrMo4鍛鋼活塞生產原材料采用φ90mm×200mm鋼坯，使用中頻感應爐加熱到1200～1240℃，淬火冷卻介質使用L—AN22全損耗系統用油代替普通淬火油。具體加工工藝路線為：加熱→鍛造→切邊→淬火900℃、回火（600℃）→銑頂桿→鉆孔→拋丸、磁粉檢測→成品檢驗→包裝、入庫出運。活塞實體如圖1所示。

圖1 活塞實體照片

活塞熱處理工藝：活塞鍛后冷卻至900℃利用余熱淬火，淬火冷卻介質為L—AN22全損耗系統用油，油溫控制為20～60℃，淬火后及時進行高溫回火，回火溫度（600±20）℃。熱處理工藝如圖2所示。

圖2 活塞鍛后余熱淬火+回火工藝

2.有限元模擬

（1）模型建立 鍛造過程模型建立。利用UG分別建立凸凹模及坯料，并將3個部件裝配到一個文件中（方便在DEFORM中對準中心），如圖3a所示，導出STL文件，并導入DEFORM－3D。熱處理過程模型建立。因為工件是對稱的，取1/2作為模擬對象，如圖3b所示。

圖3 模具及活塞三維模型

（2）鍛造過程模擬 具體參數設置如下：①材料參數。毛坯選用42CrMo4，在材料庫中適應條件選擇Hot Forming，steel 選擇42CrMo4，模具材料選擇AISI-H-13。②環境設置。模鍛溫度為1200℃，模具初始溫度定義為20℃，網格劃分數40 000。③運動參數。凹模固定不動，凸模運動速度50mm/s，運動方向Z－，凸模從剛接觸坯料開始運動。設置運行300步，步長為0.3，接觸關系選擇塑性剪切（Shear）摩擦模型，摩擦因子選擇Hot Forming（dry）0.7。

模擬結果及對淬火裂紋影響分析。模擬在210步結束，模擬結果很好地顯示了材料最后的流動方向速度，從圖4a 200步到圖4b 210步鍛造過程最后階段，活塞凹槽底部以外的材料向心部流動，凹槽內部材料向外流動，在凹槽處材料流動形成倒“人”字形，故此該處易形成折疊。在折疊處易產生裂紋，在后期淬火過程中擴展開來。

圖4 熱鍛成形速度場分布

模擬結果顯示，鍛后活塞不同部位溫度差異較大，如圖5所示，活塞凹槽底部周邊差異最大，所以活塞淬火過程中馬氏體轉變不能同時進行。如圖5b所示活塞底部凹槽區域溫度高達1000℃以上，過高的溫度導致奧氏體晶粒粗化，加上鍛造過程的晶粒受力變形，原本粗大的奧氏體被進一步拉長。鍛造后利用余熱立即淬火，短時間內粗大奧氏體無法回復，淬火后即獲得粗大片狀馬氏體，使淬火組織和內應力的不均進一步增大，誘發顯微淬火裂紋產生。從圖5a、圖5b分析，活塞底部外層溫度較低、心部溫度較高，外層先冷卻收縮，此時心部處在塑性狀態熱應力被塑性變形緩和；當外層冷卻完成后，心部冷卻收縮，此時溫度較低塑性降低，在凹槽處形成殘余拉應力，在拉應力的作用下顯微裂紋逐漸擴展開來。

圖5 熱鍛成形溫度分布

（3）淬火過程熱應力模擬 淬火過程主要參數設置：由于熱處理材料庫中無42CrMo4，故此只能依據鋼的含碳量做近似處理，從DEFORM安裝文件導入Demo Temperor—Steel.KEY，設定w（C）為0.4%。為對比不同溫度熱處理后殘留應力，坯料初始溫度分別設為860℃、1000℃，Austenite設為1。自動劃分網格12 000，添加淬火過程，選著接觸面。設置溫度變化步長2℃/步；最大最小時間步長分別為0.01℃/步和10℃/步。

淬火溫度對余熱淬火裂紋產生的影響。模擬中選擇兩種淬火溫度860℃、1000℃，空氣介質系數為0.02，淬火冷卻介質熱交換系數為5.5，鍛后淬火溫度為860℃、1000℃時X、Y、Z三個方向的熱應力分布分別如圖6、圖7所示。

圖6 860℃淬火活塞應力分布

圖7 1000℃活塞應力分布

分析可知，1000℃活塞淬火后淬火熱處理應力略高于860℃淬火熱應力，活塞底部凹槽處處于拉應力狀態，易誘發裂紋缺陷，但模擬顯示兩個溫度下活塞淬火殘余應力并不大?？梢?，淬火溫度越高產生裂紋傾向越大的原因并非高溫引起殘余應力過高，而是高溫導致淬火組織粗化，斷裂強度降低。

3.結語

（1）借助Deform-3D 有限元軟件模擬分析了鍛鋼活塞鍛后余熱淬火過程，得出鍛件鍛造過程材料流動，工件淬火后殘余應力的分布，活塞底部凹槽處為產生裂紋缺陷危險部位。

（2）淬火加熱溫度愈高，淬裂傾向愈大，并不是由高溫熱處理宏觀應力增大引起的，溫度過高導致晶粒粗大、斷裂強度降低才是其根本原因。