锻钢活塞锻造及余热淬火分析

合肥工业大学材料科学与工程学院 （安徽 230009） 王 杰

安徽安簧机械股份锻造公司 （安庆 246005） 黄昌文 丁金根

活塞是发动机的核心零件，决定着发动机性能。活塞工作环境极其恶劣，这就要求其不仅力学性能达到要求，还要具备抗高温高压能力。为了获得相应力学性能及抗高温性能，适当的热处理是必不可少的。热处理过程是温度、组织转变、应力三个方面相互作用的复杂过程。

1.活塞加工工艺

42CrMo4锻钢活塞生产原材料采用φ90mm×200mm钢坯，使用中频感应炉加热到1200～1240℃，淬火冷却介质使用L—AN22全损耗系统用油代替普通淬火油。具体加工工艺路线为：加热→锻造→切边→淬火900℃、回火（600℃）→铣顶杆→钻孔→抛丸、磁粉检测→成品检验→包装、入库出运。活塞实体如图1所示。

图1 活塞实体照片

活塞热处理工艺：活塞锻后冷却至900℃利用余热淬火，淬火冷却介质为L—AN22全损耗系统用油，油温控制为20～60℃，淬火后及时进行高温回火，回火温度（600±20）℃。热处理工艺如图2所示。

图2 活塞锻后余热淬火+回火工艺

2.有限元模拟

（1）模型建立 锻造过程模型建立。利用UG分别建立凸凹模及坯料，并将3个部件装配到一个文件中（方便在DEFORM中对准中心），如图3a所示，导出STL文件，并导入DEFORM－3D。热处理过程模型建立。因为工件是对称的，取1/2作为模拟对象，如图3b所示。

图3 模具及活塞三维模型

（2）锻造过程模拟 具体参数设置如下：①材料参数。毛坯选用42CrMo4，在材料库中适应条件选择Hot Forming，steel 选择42CrMo4，模具材料选择AISI-H-13。②环境设置。模锻温度为1200℃，模具初始温度定义为20℃，网格划分数40 000。③运动参数。凹模固定不动，凸模运动速度50mm/s，运动方向Z－，凸模从刚接触坯料开始运动。设置运行300步，步长为0.3，接触关系选择塑性剪切（Shear）摩擦模型，摩擦因子选择Hot Forming（dry）0.7。

模拟结果及对淬火裂纹影响分析。模拟在210步结束，模拟结果很好地显示了材料最后的流动方向速度，从图4a 200步到图4b 210步锻造过程最后阶段，活塞凹槽底部以外的材料向心部流动，凹槽内部材料向外流动，在凹槽处材料流动形成倒“人”字形，故此该处易形成折叠。在折叠处易产生裂纹，在后期淬火过程中扩展开来。

图4 热锻成形速度场分布

模拟结果显示，锻后活塞不同部位温度差异较大，如图5所示，活塞凹槽底部周边差异最大，所以活塞淬火过程中马氏体转变不能同时进行。如图5b所示活塞底部凹槽区域温度高达1000℃以上，过高的温度导致奥氏体晶粒粗化，加上锻造过程的晶粒受力变形，原本粗大的奥氏体被进一步拉长。锻造后利用余热立即淬火，短时间内粗大奥氏体无法回复，淬火后即获得粗大片状马氏体，使淬火组织和内应力的不均进一步增大，诱发显微淬火裂纹产生。从图5a、图5b分析，活塞底部外层温度较低、心部温度较高，外层先冷却收缩，此时心部处在塑性状态热应力被塑性变形缓和；当外层冷却完成后，心部冷却收缩，此时温度较低塑性降低，在凹槽处形成残余拉应力，在拉应力的作用下显微裂纹逐渐扩展开来。

图5 热锻成形温度分布

（3）淬火过程热应力模拟 淬火过程主要参数设置：由于热处理材料库中无42CrMo4，故此只能依据钢的含碳量做近似处理，从DEFORM安装文件导入Demo Temperor—Steel.KEY，设定w（C）为0.4%。为对比不同温度热处理后残留应力，坯料初始温度分别设为860℃、1000℃，Austenite设为1。自动划分网格12 000，添加淬火过程，选着接触面。设置温度变化步长2℃/步；最大最小时间步长分别为0.01℃/步和10℃/步。

淬火温度对余热淬火裂纹产生的影响。模拟中选择两种淬火温度860℃、1000℃，空气介质系数为0.02，淬火冷却介质热交换系数为5.5，锻后淬火温度为860℃、1000℃时X、Y、Z三个方向的热应力分布分别如图6、图7所示。

图6 860℃淬火活塞应力分布

图7 1000℃活塞应力分布

分析可知，1000℃活塞淬火后淬火热处理应力略高于860℃淬火热应力，活塞底部凹槽处处于拉应力状态，易诱发裂纹缺陷，但模拟显示两个温度下活塞淬火残余应力并不大。可见，淬火温度越高产生裂纹倾向越大的原因并非高温引起残余应力过高，而是高温导致淬火组织粗化，断裂强度降低。

3.结语

（1）借助Deform-3D 有限元软件模拟分析了锻钢活塞锻后余热淬火过程，得出锻件锻造过程材料流动，工件淬火后残余应力的分布，活塞底部凹槽处为产生裂纹缺陷危险部位。

（2）淬火加热温度愈高，淬裂倾向愈大，并不是由高温热处理宏观应力增大引起的，温度过高导致晶粒粗大、断裂强度降低才是其根本原因。