42CrMoA六角螺栓的热处理工艺模拟_严琴.pdf

第 39 卷第 3 期2023 年 6 月湖南有色金属HUNAN NONFEOUS METALS作者简介:严琴(1986)，女，工程师，主要从事风电紧固件生产研发工作。42CrMoA 六角螺栓的热处理工艺模拟严琴1，2，赵全育1，2，夏国华1，2，刘亚1，2，童波1，2，丁志敏1，2，陈旭鹏3，王怡人3(1.湖南飞沃新能源科技股份有限公司，湖南 常德415701;2.湖南省高强度紧固件智能制造工程技术研究中心，湖南 常德415701;3.中南大学材料科学与工程学院，湖南 长沙410083)摘要:风电紧固件在实际生产中常通过热处理对紧固件坯料进行处理，以获得合适的组织与强度便于后续服役。利用 Defrom 3D 有限元模拟软件对 42CrMoA 六角螺栓热处理工艺进行了模拟。基于工厂现有热处理制度，通过对加热保温时间、淬火温度、冷却速率等工艺参数的调控选择，结合淬火温度场和表面残余应力分析，提出了新的热处理工艺方案。关键词:42CrMoA;热处理;有限元模拟中图分类号:TF154.4文献标识码:A文章编号:1003 5540(2023)03 0065 04传统石油、煤炭和天然气等化石燃料存在着严重的资源浪费、环境污染等问题，为降低碳排放量，调整能源结构、开发清洁可再生能源势在必行1。风电是最早被利用的清洁能源之一，风能蕴量巨大，通过将风的动能转为机械能再转变为电能，有望实现对燃煤发电的全面替代。风电机组主要包括风轮、机舱、风轮轴发电机和塔筒等部件，各部件之间通过大量高强度组合螺栓相连接。由于占地面积大、视觉和噪声污染重等问题，风力发电设备往往建设在风能资源丰富的沿海岛屿、草原牧区、山区和沙漠地带等。因此，为保证风电设备能在野外极端恶劣环境中长时间地安全运行，对其紧固件提出了更高的综合机械性能要求。42CrMoA 钢具有强度高、耐腐蚀性好、疲劳性能佳、低温冲击韧性好等特点，可满足风电机组运行的服役条件，作为关键部位高强度螺栓的候选材料2。螺栓作为一种大批量使用的紧固件，往往采用镦制成型工艺制备，然而坯料在成型过程中发生了剧烈的塑性变形，在晶粒内部和晶界处有着明显的位错塞积和缠结，造成局部应力集中，在后续使用过程中产生裂纹。此外，仅经过成型的工件中存在着粗大第二相颗粒的富集，在其周围易萌生微裂纹，影响工件的塑性和韧性。因此，工件在成型后需要进行热处理，以消除位错带来的应力集中，改善第二相的形貌及分布，优化综合力学性能和服役表现3 5。热处理是紧固件制造过程中十分关键的工序，对其后续使用寿命和服役行为有重要影响，因此受到了风电紧固件应用企业的广泛重视。本文以 42CrMoA 六角螺栓为例，结合有限元软件 Deform 3D 对镦制成型工艺后热处理工艺进行模拟分析。通过软件模拟了不同淬火工艺参数对工件的温度场和应力场的影响，提出了基于理论模拟研究的热处理工艺制度，有望降低 42CrMoA 六角螺栓的残余应力，提高其强度和韧性，以满足风电紧固件的高技术要求。1热处理仿真模型及参数42CrMoA 钢螺杆经热镦后再经热处理获得所需力学性能，在热模锻及淬火处理后，钢胚内部存在较大的残余应力。为了保留螺栓成型过程的残余应力，将热模锻后的 42CrMoA 钢螺杆为研究对象，热镦后尺寸和温度如图 1 所示，头部仍维持较高温度，随后 42CrMoA 钢螺杆经保温处理后，再模拟不同的冷却条件进行计算，从而保证了残余应力的遗传性。不同介质中淬火得到的组织不同，对淬火效果的影56湖南有色金属第 39 卷响不同。淬火介质的影响参数主要体现在传热系数上，按照水淬、油淬和空淬后设定不同的传热系数进行模拟，水淬、油淬和空淬的传热系数分别为 20N/(s mm )、12 N/(s mm )和1 N/(s mm )。原始坯料尺寸 55.5 mm 421 mm，单件质量 8 kg。淬火过程中介质温度设定为 20，时间步长为 1 s，步数为 3 000 步。图 142CrMoA 钢螺杆有限元模型经热镦成型的样品温度分布对于一个三维形状的零件，其淬火过程热传导方程为:CpTt=xkt()x+ykt()y+zkt()z(1)式中，T 为温度，;为密度，kg/cm3;Cp 为比热容，J/(kg );k 为导热系数。Cp 和 k 主要受材料因素和与淬火过程的温度影响。由于淬火过程实际是一种热交换过程，故采用对流换热边界条件:Tn|=h(Ts Tq)(2)式中，h 为表面换热系统;为换热边界;Ts为工件表面温度，Tq为淬火介质温度，。2加热保温过程模拟分别设计了三组保温温度(825、850、875)和三组保温时间(300、360、480 s)的正交试验，分析不同加热保温参数对热镦成型样品的影响，获得的样品温度分布如图 2 所示。在保温温度为 825 下，保温 300 s 时，螺栓尚未达到均温状态，由于热镦前仅对螺栓头部进行了加热，且变形集中在六角头处，螺栓头部温度首先达到保温温度，而芯部传热慢，需要更长时间保温，此时温差约为 48。保温 360 s 时，工件六角头表面与螺杆芯部温差缩小为 22，至 480 s 保温终了时，仍存在约 4 的内外温差。继续延长保温时间发现，工件在保温 640 s 时可达到 825 的均温状态。在保温温度为 850 下，保温 300 s 时，工件六角头表面与螺杆芯部温差约为 25，模拟结果显示在保温 400 s 时工件整体即可达到均温状态。在保温温度为 875 下，保温 300 s 时，螺栓未达到均温状态，六角头表面与螺杆芯部温差约为25，保温 360 s 时，工件六角头表面与螺杆芯部温差缩小为 15，至480 s 保温终了时，仍存在约 2 的内外温差。继续延长保温时间发现，工件在保温510 s 左右可达到 875 的均温状态。因此，为提升工厂实际效率同时降低热应力损伤，应优化调整淬火温度，选择 850 左右的保温温度，同时缩减保温时间至 480 s，后续模拟将基于优化后的保温参数进行。图 2样品经热加工后再在不同温度下分别保温300、360、480 s 后样品的温度分布3淬火过程模拟3.1水淬时螺栓的温度场分布保温 850 的工件在水中进行淬火处理(a)10s、(b)30 s、(c)60 s、(d)90 s、(e)120 s、(f)180 s 工66第 3 期严琴，等:42CrMoA 六角螺栓的热处理工艺模拟件温度场的分布如图 3 所示，由图 3 可以发现，在水淬时，工件表面温度变化明显，降温快;而中心区域温度变化较慢。淬火过程中，螺栓的最高温度区域在头部中心部位，而低温区域位于螺栓表面，说明该材料的表面冷却速度最快，与工厂实际情况相符。随淬火时间的延长，头部和底端表面与螺杆表面之间的温差逐渐减小，螺栓 角和头部的根部处降温最慢。由图 3(a)可见，在水淬处理时，螺栓表面温度急剧下降，仅需 10 s，其头部棱边处和底部端面的最低温度即可降至 26.1，但是头部 角仍然保持较高温度(约 500)，且螺栓表面和芯部之间温差显著，芯部最高温度可达830。由于水淬冷却速度大，仅需要90 s，螺栓即可实现整体温度接近室温。图 3保温 850 的工件在水中进行淬火处理不同时间下工件温度场的分布3.2油淬时螺栓的温度场分布保温 850 的工件在油中进行淬火处理(a)10s、(b)30 s、(c)60 s、(d)90 s、(e)120 s、(f)180 s 工件温度场的分布如图 4 所示，由图 4 可以发现，油淬时，由于冷却速度的降低，在第 10 s 时近表面温度相较水淬的下降速度较慢，这是由于随着淬火时间的延长，螺栓表面与芯部之间的温差逐渐降低，内部的热传导驱动力减弱，使得螺栓整体温度下降速度逐渐减小，使得表面和心部仍存在温差，其中螺栓六角头芯部冷却速度最慢。模拟显示经过 160 s，螺栓即可实现整体温度达到室温 20。3.3空淬时螺栓的温度场分布保温 850 的工件在空气中进行淬火处理(a)10 s、(b)60 s、(c)120 s、(d)180 s、(e)300 s、(f)600s 工件温度场的分布如图 5 所示，由图 5 可以看到当图 4保温 850的工件在油中进行淬火处理不同时间下工件温度场的分布空淬降温时，表面和心部的温差比水淬和油淬低的多，这种降温速率差异是由于不同的传热机制导致的，在淬火早期，螺栓表面降温依靠的是与淬火介质之间的热传导，而空淬时螺栓的将为则主要依靠与空气的对流换热。由于空淬的冷却速率较慢，工件内部导热，芯部温度会有轻微上升。虽然空淬时表面和心部的温差更为均匀，但从模拟结果看空冷所需的时间久，生产效率低。直至淬火时间结束时，整体螺栓表面的温度相对均衡，仅在 角处存在较大的温差(30 左右)。图 5保温 850 的工件在空气中进行淬火处理不同时间下工件温度场的分布76湖南有色金属第 39 卷4水淬过程温度及应力场的分布均匀性模拟4.1温度场分布的均匀性模拟根据上文研究内容，结合实际生产效率及淬火过程螺栓的温度场分布，取水淬处理的螺栓，沿工件剖面的对角线选择几个点，分析工件不同位置区域在热处理升温阶段的温度分布，提取点其分布情况和定点、跟踪温度变化曲线如图 6 所示。图 6(b)显示了经 580 充分保温(9 000 s)后，再进行水淬处理工件的定点跟踪温度 时间变化曲线。我们发现工件头部表面温度变化情况相似，温度降低显著，变化速率最快(P1，P5 和 P6);工件下杆芯部位置温度变化速率相当，(P3 和 P4)，且温度下降速度随随着离开表面的距离增加而增加(P3 和 P8，P4 和 P7)。值得注意的是，模拟发现温度下降速率最慢的区域位于螺栓头部与杆部连接处的芯部(P2)，这可能是由于该点变形量大且内部传热慢导致的。图 6工件模型取点分析对应区域的剖面图(a)和水淬处理过程选定节点的定点跟踪温度变化曲线(b)4.2应力场的分布均匀性模拟经热镦成型后再经保温处理后的六角螺栓最大应力分布如图 7 所示，可以看出，工件的应力分布主要是遗传自镦制过程。最大应力的位置出现在螺栓头部与墩头接触的位置，其应力分布较均匀，且数值较大，为三向压应力状态，这是由于镦制过程中，头部发生了较大的塑性变形，金属流动的阻力最大，因此产生了较大的附加应力。而螺杆处的应力分布数值较小，这主要是因为镦制过程中，螺杆与模具的接触部位附加应力影响较小。进一步考察了在采用水冷淬火过程中，42CrMoA 六角螺栓不同时刻的等效应力场分布，如图 7(b)(d)。与温度场的分布相反，在淬火初期，螺栓的热应力主要集中在头部和螺杆的表面处，而靠近螺栓心部热应力较小;随着淬火过程的继续，整体的热应力呈现下降的趋势。图7热镦成型再保温处理后的工件最大应力分布(a)和保温 850 工件水淬冷却(b)10 s、(c)30 s、(d)120 s 后等效应力分布4.3残余应力分析热处理后会留有残余应力，严重时会导致工件变形，在淬火过程中各提取点的残余应力变化发现，冷却时螺栓头部表面应力骤然增大(P1、P5、P6、P7)，残余应力随着离开表面的距离增加而减小(P8)，芯部初始残余应力较小(P2、P3、P4);随着淬火冷却时间的延长，选定表面节点残余应力逐渐减小，最终趋于稳定(P1、P5、P6、P7)。结合淬火过程中，螺栓各部位淬火热应力、温度场及淬火结束后的残余应力随淬火时间的变化情况可以发现:螺栓淬火过程中的热应力和残余应力主要集中在成型后的螺栓表面，这主要是由于固溶时效过程中的热量在表面积累多，42CrMoA 材料热导率低导致的。降低淬火温度可以使得表面热应力减小，使得淬火过程中螺栓芯部和表面温差缩小，从而降低材料表面残余应力，提升螺栓的服役表现。5结论本文基于温度场的有限元模拟，借助 Deform 3D 软件，对镦制成型后 42CrMoA 六角螺栓的热处理工艺进行了研究。淬火加热过程使螺栓表面温度变化明显，由于 42CrMoA 材料热导率低，使得螺栓整体温度分布不均，在表面残留有较大的拉应力。通过对淬火工艺参数的模拟优化，提出了新的热处理工艺方案:加热保温时间适当缩减为 480 s;优化调整淬火温度，适当降低至 850，调整淬火介质选用冷却速率更快的水溶液。新的工艺方案有望降低42CrMoA 六角螺栓的残余应力，提高其强度和韧性，以满足风电紧固件的高技术要求。(下转第 82 页)86湖南有色金属第 39 卷Application of Thallium emoving Agent in Combination With DefluorinationAgent in the Treatment of Wastewater Containing Thallium and FluorineZENG Tianjing1，YANG Kang2，HUANG Jin3，PENG Yingxiang1，WEI Feng1(1.Hunan Ecological and Environmental Monitoring Center，Changsha 410000，China;2.School of Minerals Processing and Bioengineering，Central South University，Changsha 410000，China;3.Hunan Provincial Ecological and Environmental Affairs Center，Changsha 410000，China)Abstract:In this paper，a process of simultaneously removing thallium and fluoride from initial rain collected fromsome new energy enterprise was investigated.The effects of different factors including the dosage of agents，pH valueand reaction time were explored.The results showed that the process of removing thallium-defluorination wassuitable for this wastewater.Under optimized conditions，contents of thallium and fluoride could be reduced from 100g/L and 25 mg/L to 0.45 g/L and 0.67 mg/L，respectively.Further results through pilot-scale tests showed that，while simplifying the treating steps and reducing the dosage of thallium removal agent to 1.3，the effluent couldstill meet the discharge requirements，indicating that this process has excellent treatment efficiency and goodapplication prospects.Key words:thallium;fluorine;thallium removing agent;defluorination agent(上接第 68 页)参考文献:1殷仁豪.“双碳”背景下新能源基地规划发展趋势J.上海节能，2022(3):265 271.2张友君，刘杰，丁志敏，等.风电装备特种紧固螺栓成型研究J.湖南有色金属，2021，37(3):46 51.3刘杰，张友君，严琴，等.风电紧固螺栓感应加热有限元模拟 J.湖南有色金属，2022，38(2):47 51.4乔岳云，郭荣.42CrMo 钢用于高强度螺栓的热处理工艺J.金属加工(热加工)，2014(19):48 50.5陈增武，黄永强.轧制 42CrMo 钢高强度螺栓的热处理J.大型铸工件，2001(4):16 29.收稿日期:2022 12 18Heat Treatment Process Simulation of 42CrMoA Hexagon Head BoltYAN Qin1，2，ZHAO Quanyu1，2，XIA Guohua1，2，LIU Ya1，2，TONG Bo1，2，DING Zhimin1，2，CHEN Xupeng3，WANG Yiren3(1.Finework(Hunan)New Energy Technology Co.，Ltd.，Changde 415701，China;2.Hunan Engineering esearch Center of High Strength Fastener Intelligent Manufacturing，Changde 415701，China;3.School of Materials Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)Abstract:Heat treatment can tune the structures and properties and is commonly adopted in the production of windpower fasteners.The heat treatment process of 42CrMoA hexagon head bolt was simulated by Defrom 3D FEMmethod.Based on the current heat treatment process and combined with the quenching temperature field and surfaceresidual stress analyses，a new heat treatment process is proposed by adjusting and selecting the process parameterssuch as heating holding time，quenching temperature，cooling rate and etc.Key words:42CrMoA;heat treatment process;FEM simulation28