提高車軸鋼芯部性能的工藝研究

楊莉華

YANG Li-hua

（四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，攀枝花 617000）

0 引言

某車軸公司用LZ50車軸鋼坯加工的車軸，按TB/T1618要求進(jìn)行徑向超聲波探傷檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)軸身、輪座的芯部存在斷斷續(xù)續(xù)的缺陷。為找到原因，在探傷缺陷較大的某車軸輪座處切取2個(gè)厚度為12mm的低倍樣，經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：1#樣低倍組織中心存在0.5級的殘余縮孔，且貫通整個(gè)低倍試塊，如圖1所示；2#樣低倍組織如圖2所示，雖未發(fā)現(xiàn)縮孔殘余，但其中心疏松級別為0.5級，縮孔缺陷縱向形貌如圖3所示。

圖1 1#樣低倍組織

圖2 2#樣低倍組織

圖3 縮孔缺陷縱向形貌

由此可見，中心存在殘余縮孔及疏松是導(dǎo)致車軸芯部性能不穩(wěn)定的主要原因。由于車軸公司是將鋼廠提供的230mm（或250mm）方坯鍛造為φ210～φ180mm階梯軸，總鍛壓量小，芯部應(yīng)變非常小，是不會(huì)出現(xiàn)焊合中心疏松及縮孔缺陷的。只能通過優(yōu)化車軸鋼的軋制工藝，尋找消除中心疏松及縮孔的方法，從而提高車軸鋼芯部性能。

1 車軸鋼原軋制工藝特點(diǎn)及軋制速度的影響

1.1 方坯軋制原工藝仿真分析

采用D E F O R M-3 D 有限元仿真計(jì)算軟件，對360×450mm×L坯料軋制230mm方坯進(jìn)行計(jì)算。取1/4對稱，建立仿真計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 仿真計(jì)算模型

按照現(xiàn)場軋制工藝，設(shè)定仿真計(jì)算條件如下：

1）開軋溫度：1150℃；軋輥速度：1～4道次40rpm、以后80rpm；材料為55#鋼。

2）230mm方坯壓下工藝如表1所示。

表1 230mm方坯壓下工藝

在原始坯料中心處取參考點(diǎn)P1，如圖5所示。考察P1處的應(yīng)力應(yīng)變等參量的變化。

圖5 參考點(diǎn)P1

計(jì)算完畢后，提取結(jié)果數(shù)據(jù)。P1點(diǎn)處的mises應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。

圖6 P1處的等效應(yīng)變

P1點(diǎn)處的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變率如圖7所示。

圖7 P1處的等效應(yīng)力（上）及等效應(yīng)變率（下）

由圖6、圖7可知，第六、第十一道次P1點(diǎn)的等效應(yīng)變、應(yīng)力、應(yīng)變率最大，P1點(diǎn)的累計(jì)等效應(yīng)變?yōu)?.42。可見，當(dāng)前工藝條件下，第六道次、第十一道次對工藝參數(shù)的變化最敏感，即調(diào)整壓下量或軋制速度對提高坯料芯部應(yīng)變效果最明顯。

1.2 軋制速度對坯料中心性能的影響

對坯料中心應(yīng)變影響較大的工藝參數(shù)主要有軋制溫度、道次壓下量、軋制速度等等。考慮到組織控制及進(jìn)出孔型流暢度等問題，本措施決定保持原工藝的軋制溫度及道次壓下量不變。為了考察軋制速度對坯料中心應(yīng)變的影響情況，特以原工藝中的第六道次軋制過程為研究對象（由340mm軋到260mm，單道次壓下量80mm），采用DEFORM軟件，計(jì)算不同軋制速度（軋輥轉(zhuǎn)速）下，大壓下道次坯料中心的應(yīng)變及受力響應(yīng)。

計(jì)算條件：坯料尺寸340mm×300mm×400mm，產(chǎn)品尺寸260mm×W×L，材料為55#鋼；開軋溫度1050℃；軋輥尺寸φ852×330mm，軋輥轉(zhuǎn)速：10、20、30、40、50、60、70、80、90rpm。

計(jì)算完畢后，提取結(jié)果數(shù)據(jù)。軋輥轉(zhuǎn)速10rpm，取坯料中心點(diǎn)P1處的材料為考察點(diǎn)，該處的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率、溫度等參數(shù)的分布情況如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)速為10rpm時(shí)坯料中心點(diǎn)P1處各參數(shù)的變化情況

由圖8(a)～圖8(d)可知，軋輥轉(zhuǎn)速為10rpm時(shí)，坯料內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率、溫度等參數(shù)的最大值分別為76.7MPa、0.346108、0.188s-1、1055.14℃。

當(dāng)軋輥轉(zhuǎn)速分別為20rpm～90rpm時(shí)，坯料內(nèi)部的各參數(shù)的分布狀況大致相同，但是數(shù)值不同。為便于比較，集中記錄于表2中。

表2 不同軋輥轉(zhuǎn)速下的參數(shù)計(jì)算值

表2中各參數(shù)的變化趨勢如圖9所示。

圖9 坯料中心點(diǎn)P1處的各參數(shù)隨軋輥轉(zhuǎn)速的變化趨勢

由表2及圖9可知，當(dāng)軋輥轉(zhuǎn)速低于60rpm時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，坯料中心點(diǎn)P1處的材料最大等效應(yīng)力、應(yīng)變率逐漸增大，最大等效應(yīng)變逐漸減低，其中應(yīng)變率對軋制速度的變化最敏感；當(dāng)轉(zhuǎn)速超過60rpm時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，坯料中心點(diǎn)P1處的材料最大等效應(yīng)力、應(yīng)變率、等效應(yīng)變均趨于平緩，緩慢減低，各參數(shù)對軋制速度的變化已經(jīng)不敏感；轉(zhuǎn)速在10rpm～90rpm之間變化時(shí)，坯料中心點(diǎn)P1處的材料溫度變化最高為1055.32℃、最低為1054.20℃，相差僅1.12℃，因此可以認(rèn)為此時(shí)軋制速度對坯料中心點(diǎn)P1處的材料溫度沒有影響。

坯料中心點(diǎn)P1處的等效應(yīng)變越大，就越有利于該處材料的性能改善。因此，當(dāng)軋輥轉(zhuǎn)速低于60rpm時(shí)，隨著軋制速度（軋輥轉(zhuǎn)速）的降低，坯料中心點(diǎn)P1處的材料最大等效應(yīng)變逐漸增加，有利于性能改善。

2 工藝優(yōu)化措施

55#鋼在不同溫度及不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力變化情況如圖10、圖11所示。

圖10 應(yīng)變速率為3.5s-1

圖11 不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

由圖10可知，材料流動(dòng)應(yīng)力隨著溫度的提高而迅速下降，但是，由于本道次轉(zhuǎn)速為10rpm～90rpm的軋制過程中，坯料中心處的溫度僅相差1.12℃，因此可以排除溫度對中心性能的影響。由圖11可知，隨著應(yīng)變速率的降低，材料的流動(dòng)應(yīng)力顯著下降；壓下量相同時(shí)，流動(dòng)應(yīng)力的降低將帶動(dòng)更多的材料參與流動(dòng)，因此增大了坯料中心處材料的應(yīng)變。由圖9(c)可知軋輥轉(zhuǎn)速的減低將導(dǎo)致應(yīng)變速率的迅速下降，故當(dāng)軋輥轉(zhuǎn)速低于60rpm時(shí)，隨著軋制速度（軋輥轉(zhuǎn)速）的降低，坯料中心處的等效應(yīng)變逐漸增大，材料性能將得到改善。

綜上分析，為了提高車軸鋼芯部性能，特提出如下工藝優(yōu)化措施：在大壓下道次實(shí)施低速軋制，即在原第六道次將車軸鋼的軋制速度由原來的80rpm降低到60rpm以下，其他工藝參數(shù)保持不變。

3 結(jié)論

根據(jù)上述分析提供的工藝優(yōu)化思路，在某軋鋼廠開展了現(xiàn)場試驗(yàn)。將車軸鋼的軋制速度由原來的80rpm調(diào)整為60rpm左右。軋制完畢后，徑向超聲波探傷檢測未發(fā)現(xiàn)中心疏松及縮孔的缺陷，極大地提高了車軸鋼芯部性能。

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