仿真实践｜大型转子锻件水淬6小时，如何化解心部未淬透风险？

水淬时，只要入水时间足够长、出水时表面温度足够低，就意味着冷却已经充分吗？

>>对于厚大截面锻件，这个判断并不可靠。

表面与循环水直接换热，可以在短时间内快速降温；心部热量却需要经过漫长的传导路径才能向外释放。

因此，当表面已经接近水温时，心部仍可能处于关键相变温区；两者之间可能形成数百摄氏度的温差，也可能经历完全不同的相变路径。

本案例的对象是一件大型饼类转子锻件。

按照原有工艺，工件需在16 ℃工业循环水中连续冷却6 h。问题在于：6 h之后，心部在800～500 ℃关键相变温区内的冷却能力是否达标？淬后组织能否稳定满足要求？如果原方案存在风险，又应该如何优化？

针对这些问题，SupreForm 建立瞬态传热分析，将温度场、典型位置温度历程、冷却速率与材料CCT曲线关联起来，建立工艺判定与优化闭环。

该转子锻件材料为26ХН3М2ФА，外径Φ2912 mm、厚度1100 mm。在860±10 ℃保温不少于25 h，随后以水平姿态完全浸入16 ℃工业循环清水，在约0.5～0.8 m/s的强制水流中冷却6h。

对于单件价值高、制造周期长的大型锻件，一次淬火失效就可能带来返工、延期，甚至整件报废。因此，工艺风险必须尽量前移识别。

难点一 ｜表层与心部冷却不同步

工件表面、过渡区域与心部的传热距离不同，冷却前沿只能由外向内逐步推进。出水时的表面温度，无法证明心部已经获得足够的温降。

难点二 ｜温度云图不能直接回答“是否淬透”

温度云图可以显示“冷热分布”，不能直接回答关键相变温区是否达标；淬火是否充分，真正需要关注的是温度历程穿越关键相变区时的速度，以及由此对应的组织转变，即需要把温度历程叠加CCT 图。

难点三 ｜强化冷却不能只靠经验加码

延长时间、提高流速或加强搅拌都可能改善心部冷却，却也会改变瞬时温差、组织梯度以及应力风险。因此，优化方案必须在同一模型中复算，才能确认优化确实命中了问题。

依据工件的轴对称特征，SupreForm建立二维轴对称瞬态热传导模型，保留凸台、圆角和凹槽等关键几何特征。整体网格尺寸约30 mm，并在几何过渡区域局部加密，以兼顾特征表达与求解效率。材料热导率、比热容等关键热物性按温度相关函数输入。

水淬边界并非设置为一个固定换热系数，而是采用随表面温度变化的非线性换热系数，覆盖高温蒸汽膜、核态沸腾和低温强制对流三个阶段，更接近工件从高温入水到低温冷却的实际换热过程。

模型设置初始温度860 ℃、水温16 ℃、循环水流速0.5～0.8 m/s和冷却时间21600 s。

评价位置分别设在表层、中间区域与几何中心心部。除了输出全域温度场，还提取三个典型位置的温度—时间曲线、瞬时冷却速率及800～500 ℃平均冷却速率，并将温度历程叠加到材料CCT曲线上。

结合该项目及国标（JB/T 9211和GB/T 13320—2025）淬火后的微观组织规定，本次判定采用三项工程门槛:

• 关键位置v₈₀₀₋₅₀₀不低于0.050 ℃/s；

• 马氏体体积分数不低于85%；

• 贝氏体、铁素体与珠光体体积分数之和不高于15%。

仿真结果首先揭示了显著的热响应滞后。入水10 s时，表层温度已由860 ℃降至约718.82 ℃；510 s时进一步降至118.56 ℃，而同期心部仍为859.99 ℃。前500 s内，表层与心部温差已超过740 ℃，说明厚大截面形成了显著的热响应滞后。

随着冷却继续，低温区从表面向内部扩展，高温核心逐渐缩小。直到6 h结束，表层典型点已降至20.05 ℃，接近水温；中间区域为129.72 ℃，心部仍为174.25 ℃。如果只观察工件表面，很容易得出“已经冷透”的结论，但内部温度历程显示，厚大截面的冷却远未同步。

依据工件的轴对称特征，SupreForm建立二维轴对称瞬态热传导模型，保留凸台、圆角和凹槽等关键几何特征。整体网格尺寸约30 mm，并在几何过渡区域局部加密，以兼顾特征表达与求解效率。材料热导率、比热容等关键热物性按温度相关函数输入。

瞬时冷却速率进一步说明了不同位置的响应时序。表层在入水初期承受最大的冷却强度，10 s时约为1.2005 ℃/s，随后快速衰减；中间区域和心部受热惯性控制，约在4510 s，也就是75 min前后，才出现相对较高的冷却强度。

真正决定工艺判定的，是温度路径穿越800～500 ℃区间时的平均冷却能力。原方案下，表层和中间区域的v₈₀₀₋₅₀₀分别为1.596 ℃/s和0.0596 ℃/s，均达到0.050 ℃/s门槛；心部仅为0.0482 ℃/s，略低于门槛。

结合 CCT 路径，表层预计形成 95%～100% 的 M，中间区域约 85%～95%，而心部仅约0%～5%。采用保守区间判定，风险集中在心部：其冷却能力和组织构成均不能稳定满足项目要求。

针对心部换热不足，优化方案保持初始温度、水温、入水方式和6 h冷却时间不变，将循环水流速提高50%，由0.5～0.8 m/s调整为约0.75～1.2 m/s，以强化表面对流换热，推动冷却前沿更快向内部推进。

复算结果显示，优化后6 h时，表层、中间区域和心部典型点温度分别降至16.23 ℃、60.56 ℃和120.19 ℃。其中，心部温度较原方案下降54.06 ℃；心部v₈₀₀₋₅₀₀由0.0482 ℃/s提高到0.0522 ℃/s，越过0.050 ℃/s门槛。

依CCT路径复核也表明，三个关键位置的组织预测均进入项目要求范围。

需要注意的是，流速提高并不等于现场所有位置都能获得同等强化。实际实施时，还应结合水池流场检查搅拌均匀性，避免局部高速流引入新的温度与应力不均；同时通过热电偶、金相与硬度检测对仿真结果进行校核。

SupreForm通过温度场、冷却速率和CCT路径的联动分析，在实物试淬前识别出原始方案的心部风险，并用同一模型验证了强化循环水流后的改善效果。让一次代价高昂、结果滞后的实物验证，前移为可预判、可优化、可验证的工艺决策。对于尺寸越大、热惯性越强、试错成本越高的锻件，这种前移所带来的价值也越明显。

对工艺工程师而言，风险位置、发生阶段和可调参数被量化，经验判断由此转化为能够复算和比较的工艺方案；对质量与客户评审而言，温度场—冷速—组织预测形成了可追溯的判定依据；对企业而言，同一模型还可继续比较不同水温、流速、搅拌方式、入水姿态与冷却时长，减少盲目试制和重复调整。

*参考依据：GB/T 37586—2019《大型锻钢件热处理工艺模拟技术规范》、GB/T 37435—2019《热处理冷却技术要求》、GB/T 12603—2019《金属热处理工艺分类及代号》、JB/T 9211《中碳钢与中碳合金结构钢马氏体等级》GB/T 13320—2025《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》。组织判定依据项目技术要求与材料CCT曲线进行工程区间评价。