45钢渗硼过程的温度场模拟
45钢渗硼过程的温度场模拟[20200413193807]
摘要
本文基于渗硼过程的数学模型，取圆柱体的四分之一建立几何模型，利用ANSYS软件对亚共析钢（45钢）渗硼过程中的温度场进行数值模拟，得到了渗硼60s、0.5h、6h的温度场云图，将温度场模拟求得的节点温度带入到经验公式中，并对模拟结果进行验证。
结果表明，渗硼6h后渗层深度的模拟结果为0.10mm，试验结果为0.09mm，误差为0.01mm，结果基本一致，证明了温度场模拟结果可靠。
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关键字:渗硼ANSYS软件温度场45钢
Keywords: boronizing; ANSYS software; temperature filed; 45 steel 目录
第1章 绪论 1
1.1 45钢概述 1
1.2 渗硼方法和原理 1
1.2.1 气体法 1
1.2.2 液体法 2
1.2.3 固体法 3
1.3 有限元法介绍 4
1.3.1 Ansys软件介绍 4
1.3.2 软件结构 5
1.3.3 软件特点 5
1.4 课题意义 6
第2章 实验部分 7
2.1 实验材料和设备 7
2.1.1 实验材料 7
2.1.2 实验设备 7
2.2 实验方法 7
2.2.1 导热系数的测定 7
2.2.2 渗硼工艺 9
2.2.3 硬度测试 9
2.3 Ansys模拟过程 9
2.3.1 几何模型的确定 9
2.3.2 材料参数 10
2.3.3 确定单元类型 10
2.3.4 网格划分 10
2.3.5 边界条件加载 11
2.3.6 时间步长的确定 11
第三章 实验结果 13
3.1 渗硼处理 13
3.2 模型构建与预测 13
3.2.1 网格划分 14
3.2.2 温度场分布模拟 21
3.2.3渗硼层厚度预测 23
结论 24
参考文献 25
致谢 26
第1章 绪论
1.1 45钢概述
45钢的含碳（C）量是 0.42~0.50%，Si 含量为 0.17~0.37%，Mn 含量 0.50~0.80%，Cr 含量≤0.25%，Ni 含量≤0.30%。抗拉强度600MPa，屈服强度355Mpa，伸长率 16%[1]。
45钢虽焊接性能一般，但它是机械制造中广泛应用的中碳优质碳素结构钢。它具有良好的切削加工性能。通常在调质或正火状态下使用，它具有高的强度和塑性，经调质成索氏体时，有一定程度上的的韧性。但进行热处理时，却会出现淬透性差，水淬变形大，裂纹倾向敏感等问题，尤以40℃左右水淬时更为明显。
45钢可制造强度要求较高的零件，如曲轴、轴、活塞销、工夹具等零件。这些零件的制造要求大多是零件表面的高硬度性、高耐磨性，而心部具有高强度和高韧性，调质后进行高频或火焰表面淬火等。45钢经低温球化退火后，它可冷挤压为成形零件，如球头销、推力杆等。45钢是轴类零件的常用材料，淬火后表面硬度可达 45～52HRC 它价格便宜，经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能。45钢还广泛用于机械制造等，这种钢的机械性能很好。但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好，45钢可以淬硬至HRC42~46。所以如果需要表面硬度，又希望发挥 45钢优越的机械性能，常将45钢表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度。
1.2 渗硼方法和原理
渗硼方法有很多种，按照渗剂(介质)的物理形态的不同，可分为固体法、液体法和气体法[2]。
1.2.1 气体法
三氯化硼（BCl3）、乙硼烷（B2Cl6）和三甲基硼一般是气体渗硼采用的渗硼源。表1.1为这三种气体的熔点、沸点、含硼量等特性的表格。渗硼介质由乙硼烷和三氯化硼充当，其工艺温度在850℃-1000℃之间，可生成Fe2B的单相层。其优点：1、得到的渗层较为均匀；表面质量好，2、工艺结束后简单，不必清理。缺点：1、工艺不好控制，原因是乙硼烷的化学性质及其不稳定，并有爆炸的危险；2、三氧化硼遇水容易水解。
此外，上述气体成本较高，价格昂贵。因此，目前工业生产中还很难大规模采用气体渗硼，此工艺基本上还处于实验室阶段。
表1.1气体渗硼中的供硼源的种类及特性[3]
1.2.2 液体法
液体渗硼工艺主要分电解渗硼和盐浴渗硼两大类，而后者占更为普遍。盐浴渗硼所使用的渗硼剂的基底为硼砂，此外加入各种添加剂，如 、硅钙合金、 粉、 粉等还原剂，如 、 、 、 等以改善盐浴的流动性的其他添加剂，混合组成的新型盐浴渗剂。这种配方的优点有：1、成本低，2、盐浴流动性好，有较好的供硼能力，3、残盐易于清理，4、以及在渗硼过程中，利用调整渗剂成分即可控制渗硼层组织等优点。
渗硼过程中所发生的化学反应如下：
硼砂热分解：
(1.1)
(1.2)
当加入的物质与氧的亲和力大于硼与氧的亲和力时，氧化硼会被还原，变成活性硼原子。
(1.3)
盐浴渗硼的供硼源除了采用硼砂外，还可以采用如硼酸、硼酸、碳化硼等物质做供硼源。这些物质的性质见表1.2。
但盐浴渗硼也存在着不少的缺点：1、盐浴的活性差；2、工件清洗困难；3、干锅寿命短；4、在工业生产中难以确保盐浴温度的恒定与成分实时均匀性，以上这些问题使此方法的应用被进一步限制。
表1.2盐浴渗硼供硼源的成分及性质[4]
1.2.3 固体法
固体渗硼是将工件埋入粉末状或颗粒状的渗硼剂中，或者通过在零件表面涂膏状渗硼剂，直接接触工件，然后装入渗硼箱，在可密封或不密封的条件下，加热到渗硼温度，并保温一段时间的工艺。与液体渗硼相比较，其特点有：1、不需要专门的设备；2、工艺操作方便；3、使用设备简单；4、渗后表面易清理；5、适应性强；6、推广容易，在现实生活中应用最广泛。固体渗硼中又分为：粉末固体渗硼和膏剂固体渗硼。由供硼剂、活化剂(催渗剂)、还原剂和填充剂组成粉末固体渗硼剂。
（1）供硼剂
供硼剂顾名思义，就是在渗硼过程中稳定地提供活性硼原子，为渗硼提供来源。表1.3中所列是可作为供硼剂的原料，其中无定形硼由于价格很高，己放弃采用。
表1.3固体渗硼供硼剂种类及性质[5]
（2）活化剂(催渗剂)
活化剂的作用是提高渗硼剂活性。其原理是与供硼剂发生化学反应，加快活性硼原子的产生，从而加快渗硼过程。 、 、 、 、 、氟树脂、黑色磁粉、氟化物、氯化物等物质是通常采用的固体渗硼活化剂，其中大规模运用有氟硅酸钠、氟硼酸钾。需要注意的是，供硼剂的不同会影响活化剂的选择。此外，一些活化剂，可按一定比例合混合与供硼剂使用，相比一个活化剂将提高催渗作用。因此，根据供硼剂的种类，选择适合的活化剂将发挥出最好的催渗作用。
（3）还原剂
还原剂是通过与高价硼反应，还原出低价硼或者活性硼原子，以达到供硼剂成为有效硼源渗剂的作用。应用较广的还原剂有Si、Ca、Al、Re及其合金。凡是加入硼砂的固体渗硼剂需要添加适量的还原剂。
（4）填充剂
填充剂的主要作用是使供硼剂和活化剂均匀分布，便于工件和渗剂接触频繁，从而得到均匀的渗硼层。填充剂是渗硼中重要的载具。填充剂通常采用碳化硅(SiC)或三氧化二铝(A12O3)。A12O3的化学性能十分稳定，在渗硼过程中没有任何化学反应，仅仅充当载具的作用。SiC作为填充剂不同于氧化铝，其在渗硼过程中有化学反应，从而提高渗剂的活性。除了碳化硅和三氧化二铝这些填充剂以外，还有锰铁、木炭、活性炭等，他们可防止渗剂烧结，并有保持渗剂的松散性并还原气氛的作用，加入量通常在20%-30%左右。
摘要
本文基于渗硼过程的数学模型，取圆柱体的四分之一建立几何模型，利用ANSYS软件对亚共析钢（45钢）渗硼过程中的温度场进行数值模拟，得到了渗硼60s、0.5h、6h的温度场云图，将温度场模拟求得的节点温度带入到经验公式中，并对模拟结果进行验证。
结果表明，渗硼6h后渗层深度的模拟结果为0.10mm，试验结果为0.09mm，误差为0.01mm，结果基本一致，证明了温度场模拟结果可靠。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:渗硼ANSYS软件温度场45钢
Keywords: boronizing; ANSYS software; temperature filed; 45 steel 目录
第1章 绪论 1
1.1 45钢概述 1
1.2 渗硼方法和原理 1
1.2.1 气体法 1
1.2.2 液体法 2
1.2.3 固体法 3
1.3 有限元法介绍 4
1.3.1 Ansys软件介绍 4
1.3.2 软件结构 5
1.3.3 软件特点 5
1.4 课题意义 6
第2章 实验部分 7
2.1 实验材料和设备 7
2.1.1 实验材料 7
2.1.2 实验设备 7
2.2 实验方法 7
2.2.1 导热系数的测定 7
2.2.2 渗硼工艺 9
2.2.3 硬度测试 9
2.3 Ansys模拟过程 9
2.3.1 几何模型的确定 9
2.3.2 材料参数 10
2.3.3 确定单元类型 10
2.3.4 网格划分 10
2.3.5 边界条件加载 11
2.3.6 时间步长的确定 11
第三章 实验结果 13
3.1 渗硼处理 13
3.2 模型构建与预测 13
3.2.1 网格划分 14
3.2.2 温度场分布模拟 21
3.2.3渗硼层厚度预测 23
结论 24
参考文献 25
致谢 26
第1章 绪论
1.1 45钢概述
45钢的含碳（C）量是 0.42~0.50%，Si 含量为 0.17~0.37%，Mn 含量 0.50~0.80%，Cr 含量≤0.25%，Ni 含量≤0.30%。抗拉强度600MPa，屈服强度355Mpa，伸长率 16%[1]。
45钢虽焊接性能一般，但它是机械制造中广泛应用的中碳优质碳素结构钢。它具有良好的切削加工性能。通常在调质或正火状态下使用，它具有高的强度和塑性，经调质成索氏体时，有一定程度上的的韧性。但进行热处理时，却会出现淬透性差，水淬变形大，裂纹倾向敏感等问题，尤以40℃左右水淬时更为明显。
45钢可制造强度要求较高的零件，如曲轴、轴、活塞销、工夹具等零件。这些零件的制造要求大多是零件表面的高硬度性、高耐磨性，而心部具有高强度和高韧性，调质后进行高频或火焰表面淬火等。45钢经低温球化退火后，它可冷挤压为成形零件，如球头销、推力杆等。45钢是轴类零件的常用材料，淬火后表面硬度可达 45～52HRC 它价格便宜，经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能。45钢还广泛用于机械制造等，这种钢的机械性能很好。但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好，45钢可以淬硬至HRC42~46。所以如果需要表面硬度，又希望发挥 45钢优越的机械性能，常将45钢表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度。
1.2 渗硼方法和原理
渗硼方法有很多种，按照渗剂(介质)的物理形态的不同，可分为固体法、液体法和气体法[2]。
1.2.1 气体法
三氯化硼（BCl3）、乙硼烷（B2Cl6）和三甲基硼一般是气体渗硼采用的渗硼源。表1.1为这三种气体的熔点、沸点、含硼量等特性的表格。渗硼介质由乙硼烷和三氯化硼充当，其工艺温度在850℃-1000℃之间，可生成Fe2B的单相层。其优点：1、得到的渗层较为均匀；表面质量好，2、工艺结束后简单，不必清理。缺点：1、工艺不好控制，原因是乙硼烷的化学性质及其不稳定，并有爆炸的危险；2、三氧化硼遇水容易水解。
此外，上述气体成本较高，价格昂贵。因此，目前工业生产中还很难大规模采用气体渗硼，此工艺基本上还处于实验室阶段。
表1.1气体渗硼中的供硼源的种类及特性[3]
1.2.2 液体法
液体渗硼工艺主要分电解渗硼和盐浴渗硼两大类，而后者占更为普遍。盐浴渗硼所使用的渗硼剂的基底为硼砂，此外加入各种添加剂，如 、硅钙合金、 粉、 粉等还原剂，如 、 、 、 等以改善盐浴的流动性的其他添加剂，混合组成的新型盐浴渗剂。这种配方的优点有：1、成本低，2、盐浴流动性好，有较好的供硼能力，3、残盐易于清理，4、以及在渗硼过程中，利用调整渗剂成分即可控制渗硼层组织等优点。
渗硼过程中所发生的化学反应如下：
硼砂热分解：
(1.1)
(1.2)
当加入的物质与氧的亲和力大于硼与氧的亲和力时，氧化硼会被还原，变成活性硼原子。
(1.3)
盐浴渗硼的供硼源除了采用硼砂外，还可以采用如硼酸、硼酸、碳化硼等物质做供硼源。这些物质的性质见表1.2。
但盐浴渗硼也存在着不少的缺点：1、盐浴的活性差；2、工件清洗困难；3、干锅寿命短；4、在工业生产中难以确保盐浴温度的恒定与成分实时均匀性，以上这些问题使此方法的应用被进一步限制。
表1.2盐浴渗硼供硼源的成分及性质[4]
1.2.3 固体法
固体渗硼是将工件埋入粉末状或颗粒状的渗硼剂中，或者通过在零件表面涂膏状渗硼剂，直接接触工件，然后装入渗硼箱，在可密封或不密封的条件下，加热到渗硼温度，并保温一段时间的工艺。与液体渗硼相比较，其特点有：1、不需要专门的设备；2、工艺操作方便；3、使用设备简单；4、渗后表面易清理；5、适应性强；6、推广容易，在现实生活中应用最广泛。固体渗硼中又分为：粉末固体渗硼和膏剂固体渗硼。由供硼剂、活化剂(催渗剂)、还原剂和填充剂组成粉末固体渗硼剂。
（1）供硼剂
供硼剂顾名思义，就是在渗硼过程中稳定地提供活性硼原子，为渗硼提供来源。表1.3中所列是可作为供硼剂的原料，其中无定形硼由于价格很高，己放弃采用。
表1.3固体渗硼供硼剂种类及性质[5]
（2）活化剂(催渗剂)
活化剂的作用是提高渗硼剂活性。其原理是与供硼剂发生化学反应，加快活性硼原子的产生，从而加快渗硼过程。 、 、 、 、 、氟树脂、黑色磁粉、氟化物、氯化物等物质是通常采用的固体渗硼活化剂，其中大规模运用有氟硅酸钠、氟硼酸钾。需要注意的是，供硼剂的不同会影响活化剂的选择。此外，一些活化剂，可按一定比例合混合与供硼剂使用，相比一个活化剂将提高催渗作用。因此，根据供硼剂的种类，选择适合的活化剂将发挥出最好的催渗作用。
（3）还原剂
还原剂是通过与高价硼反应，还原出低价硼或者活性硼原子，以达到供硼剂成为有效硼源渗剂的作用。应用较广的还原剂有Si、Ca、Al、Re及其合金。凡是加入硼砂的固体渗硼剂需要添加适量的还原剂。
（4）填充剂
填充剂的主要作用是使供硼剂和活化剂均匀分布，便于工件和渗剂接触频繁，从而得到均匀的渗硼层。填充剂是渗硼中重要的载具。填充剂通常采用碳化硅(SiC)或三氧化二铝(A12O3)。A12O3的化学性能十分稳定，在渗硼过程中没有任何化学反应，仅仅充当载具的作用。SiC作为填充剂不同于氧化铝，其在渗硼过程中有化学反应，从而提高渗剂的活性。除了碳化硅和三氧化二铝这些填充剂以外，还有锰铁、木炭、活性炭等，他们可防止渗剂烧结，并有保持渗剂的松散性并还原气氛的作用，加入量通常在20%-30%左右。
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