随着社会发展和科技进步,潜孔冲击器被广泛用于石油、矿山、建筑等行业中。国家对基础建设的投资非常大,这带动了潜孔冲击器活塞的研究前景,活塞是易损件,且是研究意义非常大的一个零件。目前很多厂家都是凭借经验来设计和生产活塞,在实际工作中,经常发生断裂,但断裂的原因有60%~80%是由于淬火产生的残余应力造成的,这给工程应用造成巨大损失。因此,对潜孔冲击器活塞淬火的工艺参数有十分重要的现实意义。本文运用有限元软件ANSYS,对于潜孔冲击器活塞(材料为20Cr2Ni4A钢)淬火过程进行了有限元模拟,分析了潜孔冲击器活塞淬火过程中的温度场、应力场的分布特点及变化规律,对淬火过程中的工艺参数进行了一系列的优化,通过得到的结果分析如下:(1)淬火初始温度为800℃、840℃、880℃,淬火介质为油,介质温度为20℃,随着温度增加,残余应力也增加。由于奥氏体转变温度是850℃,如果选择800℃时,不能完全奥氏体化,而实际热处理时,一般会选择840℃来进行热处理。(2)当初始温度为840℃时残余应力是最小的,介质温度不变,为20℃时,改变介质。介质分别是水、12%FEROQUENCH水溶液、15%氯化钠溶液、20机油。最大残余应力是介质是水,最小的是油。通过分析,得出结论随时间变化,应力变化由小到大20机油中淬火产生的残余应力>12%FEROQUENCH水溶液中淬火产生的残余应力>15%氯化钠溶液中淬火产生的残余应力>水中淬火产生的残余应力。因此介质选择油比较合适。(3)初始温度为840℃,介质为淬火油,改变淬火油温度来进行介质温度优化,淬火油温度分别为20℃、35℃、50℃、65℃。随着淬火油温度的增加,残余应力越来越小。对比淬火油温度为35℃和淬火油温度为65℃,两者残余应力相差10MPa左右,但是让油温在淬火油温度为60℃需要花费的成本远比淬火油温度为35℃高很多,操作过程中的安全隐患也会增加,所以选择淬火油温度为35℃。(4)在实际生产中,活塞从840℃冷却到500℃的过程中,冷却速度需要比较快且淬透性好,淬火油冷却,虽然得到的应力最小,但是长时间高温加热,会让材料中奥氏体含碳量变多,晶粒粗大,冷却后会让大量的残余奥氏体留在活塞中,使活塞硬度下降,内应力增加。下面采取水-油、盐水-油,初始温度为840℃,介质温度为35℃,冷却至500℃时用油冷却。随着时间变化,水-油淬火液、盐水-油淬火液、油淬火液中,油淬时残余应力最小,水-油淬火液时残余应力最大。产生残余应力从大到小规律是油中淬火产生的残余应力>盐水-油中淬火产生的残余应力>水-油中淬火产生的残余应力。马氏体转化之前,需要快速冷却,而油淬冷却产生的残余应力虽然最小,但是可能淬透性不够,如果需要良好的淬透性,就选择双液淬火,所以选择盐水-油。(5)盐水浓度对残余应力也有影响,对初始温度为840℃,介质温度为35℃,盐水浓度为10%、15%、20%,冷却至500℃时,用油冷却。随着时间变化,盐水的浓度越高,产生的残余应力越小。通过上面的比较,盐水浓度越高,最后的残余应力越小,相差并不是很大,但是盐水浓度越高,零件产生的腐蚀越大,且更容易被氧化,选择用10%盐水油也可以节约成本。(6)次级淬火时的温度对残余应力也会产生影响,在400℃到500℃会发马氏体转变,下面做了在400℃、450℃、500℃换成油淬火的应力分析。随着时间变化,产生的残余应力越小的是在次级淬火温度是450℃到500℃之间时。