SDC99冷作模具钢深冷处理试验及数值分析

　　工模具钢淬火过程辅助以深冷处理(Cryogenictreatment)的方式是一种为业界广泛认可的、产品改性及强化的重要工艺[1-3]。冷作模具钢在淬火后一般都含有大量的残留奥氏体，这些残留奥氏体是亚稳相，在冲击应力和温度作用下具有向马氏体转变的倾向，由于奥氏体向马氏体转变会发生体积膨胀，从而导致模具失效。研究表明，深冷处理不仅能够显著提高金属材料的强韧性和使用寿命，而且可以改善组织均匀性，提高尺寸稳定性[4-8]。然而，深冷处理对材料性能的影响规律和作用机理至今尚未澄清，尚存在诸多争议。深冷处理技术的复杂性及理论的滞后性严重阻碍了该技术的发展，目前对深冷处理技术在工业领域的应用十分有限，主要依靠经验摸索。因此，澄清深冷处理的作用机理和掌握深冷处理对材料性能的影响规律是迫切需要深入研究的课题由于深冷处理是一个相当复杂的过程，受多种因素影响，而且各种影响因素之间又相互作用、相互制约，因此采用传统的研究手段不能完整、准确地分析和预测深冷处理过程各场的变化。同时，深冷处理过程中模具的温度场、应力场及应变场的动态分布也难以通过实验工具进行实时检测。因此，需要借助先进的计算机辅助材料热处理技术对其进行研究。

　　目前，对深冷处理进行计算机模拟存在两个重要困难:

　　(1) 金属低温物性参数极其缺乏，现有数据的精度不能满足计算要求;

　　(2) 深冷处理过程中试件表面与冷却介质换热比较剧烈，对实验条件较为苛刻，难以直接准确测量试件表面与冷却介质之间的沸腾换热系数。

　　基于以上研究现状，本文以课题组自主开发的SDC99冷作模具钢为研究对象，通过实测该冷作模具钢的低温参数，根据沸腾换热经验模型求解沸腾换热系数，建立数值计算模型，对冷作模具钢SDC99试件深冷处理进行计算机数值再现，研究深冷处理过程温度场的动态变化规律，以便为深冷处理工序设计和优化提供指导，对后续组织性能评估提供借鉴。

　　1 试验过程

　　1.1 试验装置

　　试验装置主要包括SDC99冷作模具钢试件、液氮、热电偶、数据采集器、杜瓦罐以及支架。图1为冷作模具钢试件示意图，其长(l)、宽(w)、高(h)分别为60、60和100mm，材料为冷作模具钢SDC99，化学成分如表1所示。为了实时监测试件在深冷处理过程中的温度变化，在试件上布置了a、b、c和d四个测温孔，孔的具体分布位置如图1中所示。选用液氮作为深冷处理冷却介质。热电偶采用低温测量精度高，响应时间短的Pt100热电偶，直径5mm，测温范围-200～600℃ 。 温度记录仪为GRAPHTEC-GL820型多通道自动温度记录仪。支架材料与试件一致。