刮刀淬火变形控制

马继堂

我公司生产的刮刀，广泛应用于冶金行业的热轧剪切设备上。刮刀材质为H13热作模具钢，要求硬度45～50HRC。刮刀是截面形状复杂的长条形件，热处理后刃口变形6mm左右，经常因变形导致报废。

近几年，随着计算机模拟技术的发展，根据工件淬火过程的数值模型，借助计算机求解淬火过程温度场、应力场和组织场的变化，并根据模拟结果，找出合适的工艺参数，为实际生产过程提供参考或直接指导生产。

1. 刮刀简介

刮刀形状截面尺寸如图1所示，刮刀长度2070mm。

2. 刮刀材料及热处理

刮刀选用H13热作模具钢，技术要求48～52HRC。由于考虑变形，加工余量单边留3mm，由此增加了磨削时间，大大降低了生产效率。

（1）刮刀的热处理工艺 采用吊架将刮刀自由悬挂在井式炉内加热。520℃、850℃、1020℃三段阶梯升温，保温结束后出炉，油冷至100℃以下，沥油后，进行多次回火，使硬度控制在技术要求范围内。由于刮刀截面形状复杂，采用原工艺淬火、回火后，刃口弯曲变形6mm左右，很难进行校正。

（2）刮刀淬火过程计算机模拟 利用有限元软件对淬火过程进行模拟： 建立刮刀三维模型（见图2），并导入H13材料的热物参数。设定刮刀淬火初始温度1020℃，油温设定为恒温80℃，油冷时间30min。换热边界采用L-AN46全损耗系统用油的换热系数。模拟结果如图3所示。

图1 刮刀截面尺寸

图2 刮刀三维模型

（3）模拟结果分析与验证 刮刀开始入油淬火，剧烈冷却，由于开始没有相变发生，内应力以热应力为主。刮刀截面形状厚薄不一，较厚处冷的慢，较薄处冷的快，产生了热应力变形；而冷到相变点以下，相变应力开始和热应力共同作用。模拟结果表明，组织应力和热应力作用的方向相反，并开始抵消热应力的变形。随着冷却的继续，变形向热应力变形相反的方向弯曲，即组织应力大于热应力，内应力逐渐以组织应力为主。最终，刮刀的变形内应力以组织应力为主。

模拟结果表明，冷至720s时，组织应力恰好抵消热应力。因此，改进工艺重点在组织应力恰好抵消热应力的时间点上，出油空冷减小后续相变应力，就能有效减小变形。现场油冷时间设定720s，出油时，红外测温枪测刮刀温度230℃。空冷后，进行多次回火，硬度合格。

采用改进的操作工艺，生产了2件2070mm长的刮刀，测量最大变形量均小于1mm。

图3 淬火过程不同时间点的变形趋势

3. 结语

通过有限元模拟，掌握了刮刀的变形规律，淬火工艺由原来油冷至100℃改为230℃，解决了刮刀淬火变形问题。