1Cr18Ni9Ti不锈钢...子氮化化学处理过程模拟仿真_罗烽月.pdf

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6h、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 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 different 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 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、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，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，可以发现在离子氮化的保温过程中，当提高离子渗氮的温度时，所对应的最大应变与应力也会增大。及通过三种渗氮温度处理结果，可得出在温度为202312基础研究26Modern Chemical Research当代化工研究440、保温6h、气压600Pa时零件温度场均匀，所产生内应力最小，在保证渗层质量的同时有效的抑制零件的变形，此时条件为最佳工艺参数。图5 不同氮化温度下模拟所得应力与应变(3)氮原子扩散过程分析工件在进行离子氮化工艺时，表层吸收大量氮原子后，会在工件表层形成-Fe固溶体。虽然离子氮化为反应扩散过程，但在目前的研究中，都被认为是符合菲克定律的14。所以，在气氛不变的情况下，氮原子为纯扩散方式。在离子氮化的初期阶段，表层中氮浓度都会随着时间的改变而变化，属于非稳态扩散，可用菲克第二定律来表述氮原子的扩散过程，即式（1）15：（1）其中，Cxt渗层深度为X时，经时间t处理后所对应的氮浓度；C0工件表面渗入的氮的浓度；X渗层深度。由式（1）可知，渗氮过程中，若保持温度不变，以某一氮原子浓度为Cxt处来表示层深，则可得到X与时间t的关系，即：X2=Dt。也由此可以得到氮原子扩散的影响因素：（1）扩散的深度与扩散系数D以及处理的时间有关，热处理时间越长，扩散层越深，当扩散达到一定厚度后，由于组织演变造成的扩散层深度不再发生变化。（2）由于扩散系数与温度成指数关系，温度越高，扩散系数就会增大，从而氮原子的扩散也就越深。3.结论（1）工件在保温阶段时，由于热扩散以及渗氮时间延长并逐渐趋于稳定时，工件整体的温度分布均匀一致，当提高渗氮温度时，产生的温度梯度相应增大，工件表面的热通量也会随之增加。（2）最大应变量主要在螺纹工件底部的圆角部分，最大应力主要出现在外螺纹的螺纹面中部位置。在提高渗氮温度时，离子氮化工艺处理过程中所对应的最大应力以及最大应变量也会随之增大。1Cr18Ni9Ti不锈钢螺纹最佳的离子氮化工艺参数为：渗氮温度440、保温时间6h、气压600Pa。【参考文献】1Sun G,Li X,Du J,et al.Study of Reasons for Pitting Cor-rosion Occurred on Flange Made of 1Cr18Ni9Ti Stainless SteelJ.Journal of Physics Conference Series,2020,1575(1):12007.2柯林达,肖美立,姚斐,等.选区激光熔化1Cr18Ni9Ti不锈钢的组织和性能J.热加工工艺,2018,47(22):70-73+77.3Chen Lei,Chen Huize,Yang Weipeng,et al.Interfa-cial Microstructure and Mechanical Properties of 1Cr18Ni-9Ti/1Cr21Ni5Ti Stainless Steel Joints Brazed with Mn-Based Brazing FillerJ.Materials,2022,15(19):7021-7021.4Borgioli Francesca,Galvanetto Emanuele,Bacci Tiberio.Surface Modification of a Nickel-Free Austenitic Stainless Steel by Low-Temperature NitridingJ.Metals,2021,11(11):1845-1845.5Min Hu.Study on Horizontal TIG Welding Process of 1Cr18Ni9Ti Stainless Steel TubeJ.Key Engineering Materi-als,2018,4721:377-380.6邢海生,林峰,潘邻.奥氏体不锈钢表面强化技术研究及进展J.热处理技术与装备,2011,32(02):1-6+11.7Ohtsu N,Miura K,Hirano M,et al.Investigation of ad-mixed gas effect on plasma nitriding of AISI316L austenitic stainless steelJ.Vacuum,2021,193(2):110545.8任海,杨闯,罗松,等.1Cr18Ni9Ti不锈钢真空渗氮处理J.贵州科学,2017,35(04):89-92.9Manfrinato M.D,de Almeida L.S,Rossino L.S,et al.Scratch testing of plasma nitrided and nitrocarburized AISI 321 steel:Influe