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金屬材料熱處理模擬分析技術發展現況

刊登日期：2020/12/01

摘要

金屬製品為能達到應用時所需的機械性質，必須安排進行熱處理以調整其硬度、強度、金相組織等性質。近年來因模擬分析技術之進步，已可應用開放源或套裝軟體進行熱處理製程之模擬分析。搭配材料特性計算軟體，可針對不同材料成份，預估該配方材料在不同熱處理製程(如淬火、回火、滲碳/氮、表面硬化等)下，製品各處可達之硬度及金相組織。本研究主要探討不同軟體目前可進行之熱處理模擬分析能力，以及透過測試案例呈現在不同冷卻條件下，軟體對金屬材料熱處理後硬度或金相組織之預測能力。

Abstract

In order to achieve the required mechanical properties, heat treatment processes are commonly introduced to metallic production to adjust hardness, strength and metallurgy. Recently, open-source analysis tools and packaged simulation software could be used to perform heat treatment simulation. Furthermore, the influence of alloy compound on the hardness and phase fractions through different heat treatment processes such as quenching, tempering, carburization or nitriding, and surface hardening can be predicted. In this study, the simulation capability of different software is evaluated, and demo cases are presented to illustrate the prediction capability of hardness and phase fractions under different cooling conditions.

前言
金屬模具及其製品為求能達到產品所需的機械性質(強度、韌性…)，需要在製程中及後處理階段對製品進行熱處理。目前國內熱處理廠對於金屬模具及其製品熱處理所需的製程參數多半以手冊、行業習知知識及經驗進行處理。但當遭遇材料成份調整、外型特徵獨特，或是產品外型特徵之尺寸差異大，導致需調整熱處理條件時，多需仰賴試誤法才能測試出正確的熱處理參數。近年來拜模擬分析技術進步所賜，坊間已有可進行熱處理模擬分析之套裝軟體可供應用，對於減少熱處理參數試誤有所助益。唯目前各套軟體分屬不同代理商，其準確性及使用優劣性仍有待評估，故在本研究中，將探討不同熱處理套裝軟體所使用之模擬分析模型，以及其可分析熱處理技術類型供業界參考應用。
熱處理模擬分析技術發展現況
熱處理製程雖屬於行之有年的工程技術，但過往的熱處理技術發展大多倚賴技術手冊、行業知識經驗傳承，或是透過試誤法建立參數對品質之預測圖表公式。順應製程數位化技術發展之潮流，以及模擬分析相關軟硬體之進步，近年來針對熱處理製程數位化評估及模擬分析技術之發展近況簡述如下：
1.熱處理模擬分析技術架構簡介
金屬製品之熱處理製程仍多憑藉業界經驗進行處理，進行常見金屬材料及產品的熱處理多半可憑經驗克服遭遇問題。當材料成份調整、外型特徵獨特，或是產品外型特徵之尺寸差異大，導致需調整熱處理條件時，需仰賴試誤法才能測試出正確的熱處理參數。目前國內外能運用模擬分析技術解析熱處理製程，並進行成品特性分析預測之案例多半為學界研究論文。此類論文中常使用開放式軟體(如ANSYS、ABAQUS…)進行熱處理模組及環境之建構[1-5]，通常一年內可透過實驗及模擬建立特定分析對象之模擬分析模組，但要應用到其他產品之分析需要重新建立模型。除了開放性模擬軟體可應用外，目前市面上也存在套裝軟體可進行熱處理模擬分析。例如美國DANTE Solutions公司發展的軟體(DANTE)，係架構在ABAQUS軟體下，透過使用者二次開發介面(plug-in)來編寫並呼叫程式及資料庫相關數據，進行模擬分析。此外，SFTC公司所發展的DEFORM軟體，過去以金屬成形製程模擬分析為主。近年新增了材料組織及熱處理分析模組(HT-model)，除原本的前處理介面外，另提供引導式設定精靈協助使用者快速完成模擬案例的設定。另一套功能相近的Qform軟體，亦標榜具有熱處理模擬分析功能。綜整以上所述，目前針對熱處理製程評估可使用的模擬分析相關軟體約有6套以上可供選用(如ANSYS、ABAQUS、DANTE、DEFORM-HT、Qform、Sysweld)。
熱處理製程之模擬分析所需的要素包含：(1)材料參數，包含材料物理性質(熔點、熱傳導係數、熱膨脹係數、導磁率、導電率、TTT圖、CCT圖…)、機械性質(如降伏強度)以及成份組織組成(合金相圖)。(2)製程參數，如製程溫度、升溫速率、持溫時間、冷卻速率等。(3)環境相關參數，如加熱型式(加熱爐、感應加熱)、滲氮/碳等。
首先，使用者必須定義工件幾何外形並輸入材料相關性質數據，藉由軟體定義材料在不同溫度下組織相形成的規則，以利模擬計算不同溫度下材料組織的佔比與分佈。接著，使用者需定義熱處理製程條件與環境相關參數，使軟體能建佈環境中的溫度場變化。藉由溫度梯度搭配材料性質數據，可計算出工件上不同位置的溫度差異，進一步推演出不同位置的相組成情形。在結果評估方面，熱處理製程模擬之後處理界面以呈現工件不同位置之溫度場分佈、相組成、硬度分佈、熱變形量等常受到關注的物理量為主。
欲模擬熱處理製程中各階段材料特性變化，所需輸入的物理參數包含：溫度、密度、比熱、潛熱、組織佔比、各相硬度、熱膨脹量、熱傳係數…。上述各物理參數均有對應的實驗可測定，建議依據欲模擬的材料及環境進行模擬模型之係數校正實驗，以達到最高的準確度。但部分實驗所費不貲、且測定相當困難。若使用者對模擬之需求僅為判斷趨勢及初期評估，便可利用材料性質模擬估算軟體(如JMatPro、Thermal-Calc等)求得各項參數。
進行熱處理製程之模擬分析時，使用者可針對不同的條件進行模擬(如淬火溫度、冷卻速率、回火溫度、碳勢…)。在合理的模擬設定條件下，可重現各種熱處理後材料性質的轉變，以及預測材料熱處理後的熱變形、殘留應力等數值。如文獻[3]中針對不同碳含量的碳鋼材料經過高週波熱處理後，可預測刀刃尖端淬火強化的影響區分佈差異情形。該研究利用DEFORM-3D軟體模擬分析高週波感應加熱時，工具(鋸片)感應後產生的溫度場分佈情形，接著再搭配實際硬度試驗及金相分析，建立溫度與硬度參數之關聯性。爾後當熱處理參數(如感應線圈設計、加熱功率、電流…)改變時，便可利用模擬分析預先評估熱處理可達成之硬度提升效果。
2.熱處理模擬分析模型及重要參數說明
普遍而言，模擬分析軟體一般規劃進行分析所啟用的模型依序分為：(1)溫度場計算模型(2)相變化模型(3)性質計算模型(如硬度、熱膨脹量、殘留應力…)。首先軟體會依據前處理設定，計算出待分析物及週邊環境的溫度分佈數據。不論在升溫或降溫階段，需將待分析物(如金屬製品工件)各位置之溫度對時間之記錄數據，輸入至相變化模型中以產生該位置對應的組織佔比。接著再由組織佔比搭配各組織對應的機械性質，利用權重法計算(或內插)求得材料此時的特性。以殘留應力預測為例，在軟體中若計算出工件表層位置在冷卻過程中，由沃斯田鐵轉變為麻田散鐵的比例，便可由該比例值計算出因為轉變為麻田散鐵所導致該位置存在的殘留應力數值。