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大型厚壁筒体电磁感应加热均温性控制与参数优化

董佳欣, 罗云, 蒋文春, 谷文斌, 董丕健

金属热处理 2024, 49 (3): 275-278. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2024.03.045

摘要（5）

PDF （2632KB）（3）

采用有限元方法对外径Ø1900 mm,壁厚100 mm筒体外壁局部电磁感应加热进行模拟,基于该筒体现场电磁感应加热试验,设计了步进式升温调控方法,分析了不同感应加热参数对筒体局部热处理温度场的影响,得到了最佳感应加热参数。结果表明,根据技术要求,保温温度为595~620 ℃,选取Ø20 mm直径的感应电缆,匝数为16匝,匝间距32 mm,外壁保温宽度为1460 mm,内壁全保温为最佳设计参数。感应加热的电流频率越大,筒体表面的升温速度越快。为了保持温度均匀性,建议合适范围内选取较小频率2 kHz。

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管形构件热处理形状系数数值模拟

刘刚, 刘艳梅, 张增光, 康冲, 王新宇, 廖启宇

金属热处理 2024, 49 (3): 279-285. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2024.03.046

摘要（6）

PDF （3485KB）（6）

针对现行热处理标准中长管形状系数准确性问题,采用ABAQUS模拟软件提供的Heat Transfer分析模块,统一采用环境辐射传热方式,建立了圆棒直径Ø20~Ø40 mm共21条模拟升温曲线组成的标准样库。利用模拟仿真及数据分析技术,提出了“等效圆棒直径条件厚度对比法”,经过模拟计算得到:短管形状系数为2,长管形状系数为2+2R_内/R_外。

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钢轨热处理喷风冷却超音速仿形喷嘴设计及仿真

高明昕, 徐林聪, 汪洋, 杨建, 宋华

金属热处理 2024, 49 (3): 286-292. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2024.03.047

摘要（5）

PDF （2554KB）（4）

针对钢轨风冷淬火技术存在的冷却能力弱和冷却均匀性差的突出问题,设计了超音速仿形喷嘴(SP喷嘴),通过超音速射流提高冷却能力,通过对钢轨轨头结构的仿形提高冷却均匀性。使用数值仿真结合试验研究了SP喷嘴对钢轨换热特性的影响。结果表明,SP喷嘴较现有的圆形常速喷嘴、圆形超音速喷嘴和常速仿形喷嘴的冷却能力分别提高了54.22%、13.88%和47.01%,冷却均匀性分别提高了31.11%、31.11%和6.06%。生产时,调节SP喷嘴入口压力,使高温钢轨在冷却至相变结束温度之前(约500 ℃)以接近但不大于其珠光体转变临界冷却速率的速率进行冷却,之后尽可能增大喷嘴入口压力,有利于在保证钢轨热处理性能的前提下提高生产效率。

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H11钢大型压铸模块真空气淬的数值模拟与试验

陈浩, 涂宇杰, 蒋志鹏, 吴晓春

金属热处理 2024, 49 (2): 227-235. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2024.02.037

摘要（11）

PDF （5757KB）（9）

采用数值模拟与试验相结合的方法研究了淬火压力对H11钢大模块(500 mm×500 mm×500 mm)真空气淬过程中的温度场、组织场和应力场的影响。结果表明,更大的淬火压力具有更好的冷却效果,但与此同时也会造成更大的淬火应力从而增加模块开裂的风险。模块整体的冷速随着淬火压力的增加而加快,在高温相变区(600~800 ℃),8 bar淬火压力模块心部的最大冷速为0.20 ℃/s,比4 bar淬火压力高0.06 ℃/s。8 bar和4 bar淬火压力下模块的最大应力分别为655 MPa和437 MPa。通过试验验证得知,4 bar淬火压力下模块心部出现了沿晶碳化物,故H11钢大模块真空气淬的过程中在600~800 ℃其心部冷速至少要≥0.16 ℃/s。

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不同层间冷却时间下H13钢电弧增材制造热力场数值模拟及强化效果

朱禹, 陈菊芳, 陈蒙恩, 李小平, 彭天豪

金属热处理 2024, 49 (2): 236-243. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2024.02.038

摘要（9）

PDF （5267KB）（7）

采用SYSWELD软件建立了单道多层H13钢电弧增材制造的有限元模型,通过试验对该模型进行验证,模拟分析了不同层间冷却时间(60、90、150、300 s)下单道多层成形过程中的温度场、应力场及畸变量。结果表明,模拟得到的热循环曲线和应力分布曲线与实测结果相吻合,验证了有限元模型的可靠性;随着层间冷却时间的延长,成形件的散热条件变强,熔覆层中热量累积减弱,焊道重熔的次数减少,最大等效应力由434 MPa降低到403 MPa,畸变量由4.69 mm降低到3.15 mm。在层间冷却时间为300 s时,电弧增材成形件的熔覆区的平均硬度为512 HV0.2,为退火态基板平均硬度(215 HV0.2)的2.38倍,耐磨性比退火态基板提高了近6倍。

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气垫炉中铜带材漂浮行为的数值模拟

赵鹏, 李家栋, 李勇

金属热处理 2023, 48 (12): 269-276. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.12.044

摘要（9）

PDF （5005KB）（9）

基于东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室中试气垫炉的试验数据和几何模型,采用Ansys Fluent软件构建了气垫炉漂浮仿真模拟平台,分析了气垫炉入口风量、带材漂浮高度、流体温度和喷嘴结构对铜带材漂浮行为的影响。结果表明,带材漂浮高度在H=80~180 mm范围内有利于带材稳定漂浮;温度越高,带材所受压力降低,增大入口风量对压力的提升效果减弱;高温条件下,出现风机功率波动时对带材压力影响较小,有利于带材稳定漂浮;狭缝喷嘴倾斜角度由30°优化为60°有利于改善带材压力分布均匀性,但会降低带材所受压力。

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轴承套圈贝氏体淬火仿真与试验分析

周瑞虎, 曾志鹏

金属热处理 2023, 48 (12): 277-280. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.12.045

摘要（9）

PDF （1818KB）（8）

采用有限元仿真和试验方法分析贝氏体等温淬火工艺对GCr15钢轴承套圈畸变和断裂韧性的影响。采用Deform-3D软件对轴承套圈贝氏体淬火工艺进行数值模拟。以圆柱滚子轴承NJ308为研究对象,仿真热处理后最大直径畸变量为0.08 mm,与试验结果对比,仿真误差14%。采用热处理工艺试验,测量贝氏体淬火后轴承直径畸变量为0.07 mm。对比测量分析常规马氏体淬火和贝氏体淬火后的畸变大小,贝氏体热处理后直径畸变极差小,更为均匀,有利于后续的磨削加工。通过断裂试验对比分析,常规的马氏体淬回火工艺断裂强度为113.3 kN,贝氏体等温淬火处理后的断裂强度为152.7 kN,断裂强度显著提升。

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超高强度螺栓螺纹局部感应加热有限元分析与实践

孙晓军, 杨晨辉, 贺连栋, 王鑫, 张一帆

金属热处理 2023, 48 (12): 281-284. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.12.046

摘要（9）

PDF （2088KB）（14）

超高强度螺栓局部感应回火加热速度快、效率高,绿色环保,逐步取代传统的铅浴回火。但其存在线圈设计单一,工艺调节费时费力的现状,故基于COMSOL软件建立了一种螺纹局部回火加热的有限元分析模型,并通过试验结果的对比,验证了分析模型的正确性。同时通过对线圈设计和工艺过程的调整优化,大大减少了螺纹感应加热时的轴向和径向温度的不均匀性,并最终使超高强度螺栓螺纹部分的回火硬度满足回火标准要求。

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筒节淬火界面换热系数求解方法对比

蒋竹凌, 张万良, 夏彬

金属热处理 2023, 48 (10): 279-284. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.10.043

摘要（18）

PDF （3168KB）（21）

以压力容器筒节为研究对象,基于中空圆柱热传导差分方程,采用温差直接法和温度迭代法,建立换热系数求解的数学模型。根据筒节的实测冷却曲线,通过非线性温度迭代法和温差直接法求解界面换热系数随淬火时间变化曲线,模拟筒节试件淬火过程温度场,对比试验值与两种方法模拟值的误差,验证温差直接法的可靠性,并比较温度迭代法与温差直接法的差异。结果表明,两种方法的温度模拟结果误差都在18%以内且差距不大,但温差直接法的准确性优于温度迭代法。

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X80钢管道焊接致氢富集及热处理数值模拟

薛景宏, 白晨旭

金属热处理 2023, 48 (10): 285-290. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.10.044

摘要（19）

PDF （3193KB）（20）

为了探究焊后热处理对焊接残余应力及氢扩散的影响,采用Abaqus软件建立含六层环焊缝的X80钢管道模型,进行温度场、应力场和氢扩散耦合分析。结果表明,焊接产生的残余应力主要集中在焊缝区和热影响区,Mises等效应力峰值为580 MPa,已接近管材的屈服强度。管道材料内氢浓度沿着径向和轴向分布不同,但均与静水应力的分布规律相似。输氢管道焊后热处理的效果明显,可显著降低焊接残余应力、静水应力,从而降低氢富集浓度,减少焊缝处可能的氢脆现象发生。

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ECAE法制备铜铝双金属复合棒材数值模拟与试验研究

张翔, 王晓溪, 王海波, 张飞, 石凤健

金属热处理 2023, 48 (10): 291-296. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.10.045

摘要（18）

PDF （2623KB）（28）

利用Deform-3D有限元软件对铜铝双金属复合棒材室温4道次B_C路径ECAE变形过程进行模拟,研究了金属流动、挤压载荷、等效应变以及平均应力的分布及变化规律;并在自行设计的模具上进行了试验验证,成功制备出铜铝双金属复合棒材,对变形材料进行了物理网格试验及组织性能测试。结果表明,ECAE工艺下铜铝双金属复合棒材内部存在剧烈剪切变形区,复合坯料由不稳定变形逐渐过渡为均匀协调变形,材料内部处于理想的三向压应力状态,静水压力较高,界面处金属结合紧密。4道次ECAE挤压后,铜铝双金属复合坯料整体变形相对均匀,平均累积等效应变量为4.49。随着挤压道次的增加,载荷峰值不断增加,同时复合坯料内部显微硬度不断升高,但包覆层增幅大于芯部材料。

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汽车轮毂轴承内圈感应回火温度均匀性的数值模拟

魏文婷, 赵天翼, 柯锦哲, 刘青龙

金属热处理 2023, 48 (5): 129-137. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.05.021

摘要（73）

PDF （3417KB）（27）

采用电磁场与温度场耦合计算仿真模型,研究感应加热工艺参数对异形截面汽车轮毂轴承内圈回火温度场的影响规律,并采用响应曲面法分析感应回火工艺参数的交互影响作用。结果表明,随着感应线圈的频率和电流密度降低,轴承内圈心部与表层温度差缩小,整体升温速率降低;依据对温度差和升温速率的影响显著性程度从大到小对感应加热工艺参数排序依次是:电流密度、频率与空气间隙;基于响应曲面法得到的温度均匀性较优的感应回火工艺参数:频率10 kHz,电流密度19.6×10⁶ A/m²,外侧感应线圈与零件之间的空气间隙8.5 mm,并通过试验验证了温度场数值模拟的有效性;基于回火参数相当的等温回火与感应回火试验,发现两种工艺获得的硬度相近。

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中碳Cr-Ni-Mo-V耐热高强钢大锻件淬火过程有限元分析

杨宏韬, 刘科虹, 贾奇辉, 吴润生, 赵梓恒, 李玮

金属热处理 2023, 48 (5): 138-144. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.05.022

摘要（29）

PDF （4474KB）（34）

针对大型锻件存在组织不均导致淬火开裂的现象,采用DEFORM有限元软件对中碳Cr-Ni-Mo-V耐热高强钢大型锻件940 ℃淬火过程的温度场、应力场及组织场进行了数值模拟。结果表明,该中碳Cr-Ni-Mo-V耐热高强钢淬火过程中的锻件心部与表面温差超过600 ℃,内应力主要集中在台阶位置。根据模拟结果,实际锻件采用“水淬14 min+空冷10 min+水淬”的淬火工艺,可以在保证组织与常规水淬相似的前提下,极大地降低台阶位置的内应力,避免锻件淬火开裂。

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20Cr2Ni4A钢齿圈压力淬火过程的温度场模拟

陈建文, 袁伍丰, 邹伟, 刘克, 欧阳雪枚, 王鑫铭

金属热处理 2023, 48 (5): 145-150. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.05.023

摘要（25）

PDF （3573KB）（22）

基于20Cr2Ni4A钢齿圈在不同流量下进行压力淬火过程中冷却曲线的试验测定和对应换热系数的计算,开展有限元数值模拟,得到不同流量组合对齿圈压力淬火冷却过程温度场分布的影响规律。结果表明,189~1136 L/min流量对应的换热系数均呈现随温度下降先增大后减小的变化趋势,且随着流量的增大,换热系数的最大值随之增大。4组具有代表性的流量组合中,采用慢-快-快的流量组合能更好地减小齿圈内外温差。对比测温结果发现,模拟结果与试验数据吻合良好,建立的压力淬火温度场模型可靠,可为压淬工艺的优化提供理论指导。

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Inconel 718高温合金等温压缩过程的组织演变及温度场模拟

王超, 任永海, 韩森霖, 程治, 王龙祥, 赵飞, 谭元标

金属热处理 2023, 48 (5): 151-157. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.05.024

摘要（31）

PDF （4538KB）（26）

采用Gleeble 3800热压缩试验机、Deform-3D有限元软件和光学显微镜研究了Inconel 718高温合金在950～1150 ℃温度范围和应变速率0.1～10 s^-1范围内的组织演变和温度场模拟。结果表明,在低变形温度和高应变速率下,初始阶段随着应变的增加,流变应力迅速增加到峰值。达到峰值应力后,流变曲线呈现出明显的流变软化现象。在低变形温度、高应变速率下,产生的变形热较大,合金易于发生动态再结晶,且动态再结晶程度较高,晶粒尺寸较小。当应变速率降低,变形热也逐渐降低,合金内部动态再结晶的晶粒体积分数减少。在变形温度为1100 ℃和应变速率为0.1 s^-1时,合金发生完全动态再结晶。基于Deform-3D软件模拟的温度场分布结果可知,低变形温度、高应变速率的热变形条件会使合金内部产生较大的变形热,随着变形温度的升高和应变速率的降低,变形热的值逐渐减小。当变形温度和应变速率一定时,合金内的变形热会随真应变的增加而不断增加。

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热压工艺对SiC_f/Ti复合材料界面反应层生长影响的数值模拟

唐洪武, 张晓敏, 赵志鹏, 张恒嘉

金属热处理 2023, 48 (2): 232-241. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.02.037

摘要（16）

PDF （542KB）（24）

提出一个热-力-扩散-反应强耦合相场模型来研究热压烧结制备工艺对连续碳化硅纤维增强钛基复合材料中金属间化合物生长规律的影响。模拟结果表明,在两种不同温度下各个界面反应层(Ti₃SiC₂/Ti₅Si₃C_x/Ti₅Si₃C_x+TiC/TiC)的厚度生长与试验值吻合较好。增大外加压力能促进界面层厚度的生长,但对其中抗拉强度最低的Ti₅Si₃层的生长起显著的抑制作用,同时使各界面反应层由周向拉应力状态逐渐转变为压应力。温度的升高使断裂韧度最大的Ti₃SiC₂层厚度增大,但也使总界面层和Ti₅Si₃层的厚度增加。因此,在制备工艺上适当增加压力并选择合适的温度,得到厚度适宜的界面反应层的同时,尽可能使Ti₅Si₃层变薄和Ti₃SiC₂层变厚是提高SiC_f/Ti复合材料力学性能的重要途径。

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42CrMo钢输出法兰感应淬火的数值模拟及验证

王伟, 张文, 赵建森, 朱百智, 米艳军, 江红兵, 胡成飞

金属热处理 2023, 48 (2): 242-246. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.02.038

摘要（22）

PDF （534KB）（31）

基于电磁-热-组织-应力耦合模型,采用数值模拟研究了42CrMo钢输出法兰感应淬火过程中的温度、组织和应力的变化规律,同时采用硬化轮廓对比和硬度检测验证了模拟的可靠性。研究表明,在加热阶段,输出法兰圆弧过渡区的上、下尖角比中间位置先到达奥氏体化温度,感应区域温度到达材料居里点后加热效果逐渐减小;随着温度升高,法兰表面的组织由原始组织向奥氏体组织转变;法兰表面应力在加热阶段为压应力状态,加热开始阶段迅速增大,随着内部温度升高逐渐减小;在淬火阶段,温度迅速降低,表层奥氏体快速转变成马氏体,表层处应力经过短暂拉应力时刻,然后转变成压应力(轴向、径向和切向应力都为压应力),其中径向压应力最大,约为460 MPa。

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高铁齿轮用钢18CrNiMo7-6的端淬曲线与模拟计算

朱跃峰, 顾家琳, 周惠华, 王之香, 张锦文

金属热处理 2022, 47 (12): 237-243. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2022.12.040

摘要（65）

PDF （643KB）（24）

采用3种端淬曲线预测模型计算两炉次高铁齿轮用钢18CrNiMo7-6的端淬曲线,对比端淬硬度检测结果,分析了不同模型的预测误差。结果表明,金满模型的预测结果与端淬试验检测结果误差较小,可以用做这类钢的端淬结果预测。根据端淬曲线预测与实测结果的对比分析,结合相关高铁齿轮用钢技术条件的硬度规范对高铁齿轮用钢18CrNiMo7-6的冶炼成分控制给出了建议。

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基于多场耦合模拟的齿毂高压气淬工艺设计

王皓, 王婧, 徐骏, 顾剑锋, 郭正洪

金属热处理 2022, 47 (12): 244-251. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2022.12.041

摘要（32）

PDF （641KB）（26）

针对20CrMnTi齿毂高压气淬工艺设计的需求,建立了一套流场-温度场-组织场-应力应变场耦合模拟体系,能够实现对淬火气流与工件的同步耦合计算。利用该体系模拟了不同淬火气压和进气方式下的齿毂高压气淬过程,分析了不同工艺方案下齿毂的组织成分、硬度以及畸变,确定了2.0 MPa、下方单向进气的工艺方案,模拟结果满足齿毂性能要求。

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基于Fluent的真空固溶热处理炉内温度场流体场分析

贺瑞军, 冯润华, 韩啸, 孔令利

金属热处理 2022, 47 (12): 252-257. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2022.12.042

摘要（35）

PDF （643KB）（26）

基于有限元模拟仿真方法,对真空气淬热处理炉热区的温度场和流体场进行精细模拟,并模拟出空载、只装载料框和装载叶片的3种不同实际生产过程中可能遇到的情况的温度场和流体场。通过采用9点测温的方法,监测出有效加热区的温度变化趋势。同时,对不同部位的流速场进行监测。并结合实测数据,总结出温度变化规律以及温度场-流速场之间的耦合关系。为总结出热区温度-流速变化规律与分布状况,以及未来实现真空热处理的精密调控打下基础。

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