1Cr18Ni9Ti不锈钢...子氮化化学处理过程模拟仿真_罗烽月.pdf
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1、202312基础研究24Modern Chemical Research当代化工研究1Cr18Ni9Ti不锈钢离子氮化化学处理过程模拟仿真罗烽月(中国航空发动机集团有限公司 北京 100089)摘要:使用UG建立三维模型,有限元分析软件ANSYS进行不同温度下的1Cr18Ni9Ti不锈钢离子氮化过程中的温度场、应力场以及应变场的数值模拟。模拟结果表明,不同氮化温度得到的温度场分布均匀,随着氮化温度由440增大到520,模拟过程内应力由0.0052MPa提高至0.0061MPa,应变由0.14增大到0.17。获得了1Cr18Ni9Ti不锈钢螺纹离子氮化的最佳工艺参数为:渗氮温度440、保温时间6
2、h、气压600Pa。关键词:1Cr18Ni9Ti不锈钢;离子氮化;ANSYS模拟;应力场中图分类号:TG156 文献标识码:ADOI:10.20087/ki.1672-8114.2023.12.008Simulation of Ion Nitriding Chemical Treatment Process of 1Cr18Ni9Ti Stainless SteelLuo Fengyue(China Aviation Engine Group Co.,Ltd.,Beijing,100089)Abstract:The three-dimensional model was established
3、 by UG,and the finite element analysis software ANSYS was used to perform numerical simulations of the temperature field,stress field and strain field of 1Cr18Ni9Ti stainless steel during ion nitriding at different temperatures.The simulation results showed that the temperature fields obtained at di
4、fferent nitriding temperatures were uniformly distributed,and the internal stress of the simulated process increased from 0.0052 MPa to 0.0061 MPa and the strain increased from 0.14 to 0.17 as the nitriding temperature increased from 440 C to 520 C.The optimum process parameters for ion nitriding of
5、 1Cr18Ni9Ti stainless steel threads were obtained as follows:nitriding temperature 440 C,holding time 6 h,and air pressure 600 Pa.Key words:1Cr18Ni9Ti stainless steel;ion nitride;ANSYS simulation;stress field1Cr18Ni9Ti不锈钢作为一种奥氏体不锈钢,具有良好的耐晶间腐蚀性能,在航空航天的一些重要零件得到应用,如流体容器等1-3。但其耐磨性较差,在零件制造时难度较高,并且因为独特的组织
6、无法通过相变对其进行表面改性,极大地制约了应用4-5。因此,在不影响其现有优异性能的前提下,提高其表面耐磨性和硬度是不锈钢表面改性领域研究的重要方向。在奥氏体不锈钢的表面改性工艺中,除传统的强化工艺6,离子氮化工艺也是使用比较广泛的改性技术7-9。Borowski10采用活性屏等离子渗氮和氮碳共渗技术,在440、6h的条件下对AISI 316L钢进行处理,在NaCl溶液中进行耐腐蚀性测量时,点蚀点位达到了1.5V,钝化层被击穿后,氮碳共渗层出现明显的点蚀减速现象。Nguyen等人11运用等离子渗氮与CrN涂层复合处理对不锈钢进行处理,显著改善了涂层的摩擦磨损性能和附着力。ANSYS在流体力学、
7、热力学、结构力学等学科能够分析稳态瞬态的温度场、扩散、应力集中等过程12。然而,关于金属材料零件离子氮化过程模拟仿真多集中在规则筒型件温度场控制和薄厚不均匀零件的热应力控制,而对于1Cr18Ni9Ti不锈钢外螺纹端离子氮化过程模拟仿真研究的报道相对较少。因此,本文以1Cr18Ni9Ti不锈钢外螺纹件为研究对象,在现有研究13的基础上,选取氮化温度为440 520,间隔40,保温时间6h,气压600Pa,以螺纹为模型,使用ANSYS进行氮化过程的数值模拟,分析不同氮化温度影响,为以后的离子渗氮数值模拟提供可行性方法。1.实验方法 a.实物图 b.模型图图1 1Cr18Ni9Ti不锈钢螺纹图实验材
8、料采用1Cr18Ni9Ti不锈钢,化学成分如表1 所示,螺纹零件外轮廓尺寸为29mm29mm17.4mm,图1为1Cr18Ni9Ti不锈钢螺纹的实物以及模型图。为了确保模拟精度,使用1mm的四面体细网格划分,模型如图所示。其密度为7900kg/m3,比热容为500 202312基础研究25Modern Chemical Research当代化工研究表1 1Cr18Ni9Ti不锈钢化学成分元素含量CSiMnSPCrNiTi%0.121.002.000.0300.03517.0019.00 8.0011.005(C%-0.02)0.80J/(kg),导热系数为20W/m,氮气与氢气比设置为1:3,
9、电压保持在500600V,保温时间6h,气压600Pa,氮化温度为440520,间隔40。图2 螺纹模型网格划分2.实验结果(1)离子氮化工艺过程温度场的模拟仿真(a)440温度场 (b)440热流云图(c)480温度场 (d)480热流云图(e)520温度场 (f)520热流云图图3 不同氮化温度下模拟所得温度场和热流云图图3是使用三种不同渗氮温度在保温阶段得到的温度场以及热流云图。可以发现,1Cr18Ni9Ti不锈钢外螺纹件,随着保温时间的延长并逐渐趋于稳定,零件整体温度场变化较为均匀,如图3(a)(c)(e)所示。图3(b)(d)(f)为零件离子氮化过程中的热流云图,当提高渗氮温度时,工
10、件表面的热通量也会增加,但是在外螺纹相同部位,热通量值并未发生改变。这表明1Cr18Ni9Ti不锈钢外螺纹件渗氮离子氮化时,随着温度的升高表面热通量均匀增大,整个氮化过程温度场变化较为均匀。(2)离子氮化工艺过程热应力场的模拟仿真使用ANSYS软件,采用有限元法并结合热结构耦合模块,对离子氮化过程中的应力场进行分析。采用在稳态热分析模块中的并不同氮化温度下的模拟结果如图4所示。(a)440应变场 (b)440应力场(c)480应变场 (d)480应力场(e)520应变场 (f)520应力场图4 不同氮化温度下模拟所得应变场和应力场根据不同氮化温度下最大应力应变的变化绘制图5,结合图4,可以发现
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