高Cr支承輥KD法鍛造工藝模擬研究

甘紅勝　趙　欣　李　勇

(中國第二重型機械集團公司，四川618013)

?

高Cr支承輥KD法鍛造工藝模擬研究

甘紅勝趙欣李勇

(中國第二重型機械集團公司，四川618013)

摘要：針對高Cr支承輥鍛件采用傳統WHF法鍛造導致表面開裂的現象，本文通過數值模擬技術，對105A級Cr5鍛鋼支承輥進行了兩種不同工藝方案的模擬對比與分析，為我公司今后應用KD法生產大型高Cr支承輥提供理論依據。

關鍵詞：高Cr支承輥；WHF法；表面開裂；KD法

隨著冷熱軋機不斷向高速化、大型化、高精度化、自動化方向發展，對與之相配套使用的支承輥也提出了越來越高的要求。現代化連軋機設計要求支承輥具有輥身表面強度高，硬度均勻性好，淬硬層深，輥頸及輥芯強韌性好，耐磨性高，抗剝落性好，抗斷裂性強等特點。因此，我公司根據市場需求，開發研制出高Cr(Cr4、Cr5)支承輥材料，這兩種支承輥的耐磨性和抗剝落能力得到顯著提高。尤其是Cr5型支承輥由于合金含量較高，擁有優越的淬硬性和淬透性，以及良好的耐磨性和抗斷裂性，且其使用壽命較Cr3型也有明顯的提高。

目前支承輥產品中的Cr5型仍是主流產品。但隨著支承輥大型化發展及Cr合金含量的增加，其鍛制難度也隨之加大。支承輥內部要鍛透、壓實，避免表面開裂，使其具有致密組織和良好抗事故性顯得尤為重要。為此，本文通過DEFORM-3D數值模擬軟件，對大型鍛鋼Cr5支承輥分別進行了在不同變形量下，采用WHF法和KD法兩種鍛造工藝的模擬對比分析，從鍛透壓實和避免近表面開裂以及我公司的設備能力等角度，重點闡述了兩種鍛造工藝的特點，為我公司今后采用KD法生產大型高Cr支承輥提供理論依據。

1WHF法與KD法鍛造工藝應用研究

1.1WHF法鍛造工藝應用研究

WHF法是比較傳統且廣泛應用的一種鍛造壓實的方法，是以大砧寬比(≥0.5)和大壓下率(≥20%)迫使鍛件心部產生較大變形，其心部的變形比用普通平砧拔長要大得多，對鍛合壓實鍛件內部孔隙、消除疏松等缺陷十分有利。但寬砧和大壓下率也要求有較大的鍛造設備。我公司諸多支承輥基本是采用WHF法鍛制出成品的。但是由于WHF法是應變主導型的壓實法，極易在拉應力作用下，錠身表面出現肉眼可見裂紋。裂紋缺陷輕者可用吹氧清傷的方式挽救，重者則直接報廢。特別在鍛造大型高Cr支承輥時，這種情況時有出現，經濟損失十分嚴重。

1.2KD法鍛造工藝應用研究[1]

KD鍛造法是20世紀70年代中期發展起來的高溫擴散加熱、135°角上下V型寬砧、大壓下量的鍛造法。其砧寬比為0.5～0.6，壓下變形率為15%～20%，通常鋼錠需要進行一次中間鐓粗，使輥身總鍛比≥3.0。

KD法操作規程為：

(1)滿砧進給、順趟壓拔、互成90°角翻轉；

(2)奇數道次首砧壓冒口，偶數道次首砧壓水口。

2DEFORM-3D數值模型建立

表1　鍛鋼Cr5材質化學成分要求(質量分數，%)

選取原始105A級鋼錠，方案F1為采用一次鐓粗+一次WHF法工藝拔長模擬，方案F2為采用一次鐓粗+一次KD法工藝拔長模擬。這兩種方案的鐓粗工藝相同，鐓粗后的坯料尺寸均為?3 000 mm×1 350 mm。方案F1采用1 300 mm上下平砧拔長，方案F2采用1 300 mm且110°角上下V型砧拔長，這兩者拔長行程控制上砧壓下率分別為15%、20%和25%，始鍛溫度均設為1 220℃，圖1為方案F1和方案F2的網格模型及砧具布置圖。

(a)方案F1

(b)方案F2

3兩種工藝方案內部變形應力對比

針對這兩種成形方案的主鍛造方向為徑向即Y軸方向，選取坯料端面X和Y軸的近表面部分與心部進行內部變形應力的對比分析，從數值模擬結果中顯出坯料成形后的應力分布，如圖2和表2所示。

方案F1：X軸應力分布　　方案F2：X軸應力分布　方案F1：Y軸應力分布　方案F2：Y軸應力分布

方案F1：X軸應力分布　　方案F2：X軸應力分布　　方案F1：Y軸應力分布　方案F2：Y軸應力分布

方案F1：X軸應力分布　　方案F2：X軸應力分布　　方案F1：Y軸應力分布　方案F2：Y軸應力分布

壓下率15%20%25%特征位置應力值X軸應力/MPaY軸應力/MPaX軸應力/MPaY軸應力/MPaX軸應力/MPaY軸應力/MPa近表面心部近表面心部近表面心部近表面心部近表面心部近表面心部方案F1方案F22.02.611.92.6-8.0-10.0-22.5-23.54.05.212.58.4-10.2-13.9-23.1-18.45.56.513.08.5-15.5-16.5-23.1-20.0

由圖2和表2可以看出，就坯料端面X軸應力分布來說，兩種方案的近表面和心部均受到拉應力的影響，且拉應力隨著壓下率的增大而增大。方案F2近表面拉應力均略大于方案F1，但心部拉應力遠遠小于方案F1。對于主鍛造方向的Y軸應力分布來說，這兩種方案的端面近表面和心部均受到壓應力作用，且壓應力隨壓下率的增大而增大。方案F2的近表面壓應力普遍大于方案F1，而心部壓應力與方案F1相當，也就是說這兩者的壓實效果相當。

(a)15%壓下率　　　　　　　　(b)20%壓下率　　　　　　　　(c)25%壓下率

拉應力往往是引起坯料近表面開裂的主要因素，拉應力越大，表面開裂就越嚴重。而壓應力的存在不僅能夠壓實坯料內部缺陷，也是避免近表面開裂的有利條件。由于坯料成形過程中是由拉應力和壓應力共同作用的， 而方案F2的同一部位的壓應力與拉應力絕對值差都遠大于方案F1，故方案F2不僅能夠得到更好的鍛坯表面質量，也能夠實現鍛合內部缺陷[2]，得到較好的心部應力狀態及中心變形程度。這是因為方案F1采用上下平砧徑向下壓時，由于接觸面上有摩擦力存在，心部金屬變形時要產生向外的擴張力，而外層的近表面金屬則象套筒一樣把心部金屬套住而限制了心部金屬向外擴張變形。由于近表面金屬與心部金屬的相互作用，近表面金屬便產生了較強的環向附加拉應力。當拉應力大到一定程度后，將會導致坯料金屬近表面在環向產生開裂裂紋[3]。方案F2采用上下V型砧徑向下壓，由于砧具的凹形輪廓形狀，在壓下初期，坯料中部金屬未與V砧凹面貼合時，中部壓下系數比邊緣部分小，使坯料沿寬度上的變形分布不均勻。因此，在中部產生附加拉應力，而邊緣近表面部分產生附加壓應力。繼續下壓使中部金屬與V砧凹面緊密貼合，中部金屬將在砧具的作用下，由拉應力逐漸轉變成壓應力，且壓下率越大，壓應力越大，金屬組織壓實越致密，但對設備噸位能力要求也越高，需謹慎選擇設備噸位。

4KD法設備噸位模擬

在鍛造過程中，設備噸位的選擇很重要。若設備噸位不足，則鍛件內部未鍛透，內部變形不充分，不僅達不到改善鍛件組織性能目的，而且生產效率低。反之，設備噸位過大，不僅浪費動力。而且由于大設備工作速度低，同樣影響生產效率。圖3為KD法不同壓下率的上V型砧所需施加壓力的模擬變化情況。

根據圖3模擬結果，選取上V型砧所需施加的最大壓力，如表3所示。由表3可知，壓下率越大，材料的抗變形能力越大，即外部設備所需施加的壓力越大。然而這些壓力值都是拔長一趟的理論計算值，在外部因素更為復雜的實際生產過程中，需要的設備噸位往往超出理論計算值。故若采用KD法鍛制高Cr支承輥時，選取20%的下壓率較為符合我公司生產現狀。

表3　不同壓下率上V型砧最大壓力

5結論

對于105A級大型Cr5鍛鋼支承輥，采用傳統WHF法拔長時，坯料金屬近表面容易在拉應力作用下產生環向裂紋，輕者可吹氧挽救，重者則直接報廢。采用KD法拔長時，在凹形輪廓綜合的壓應力作用下，可提高鍛件表面質量，鍛合內部缺陷，得到較好的心部應力狀態及中心變形程度，且20%左右的壓下率更為符合我公司生產現狀。

參考文獻

[1]傅前進，孫福增，劉波.整段支承輥鍛造新工藝應用研究.中國機械工程學會鍛壓學會第六屆學術年會論文集，1995.

[2]金寧.大鍛件空隙性缺陷的壓合與焊合規律的研究及高溫柵的研制[D].清華大學博士學位論文摘要匯編，1990.

[3]趙凱兵.減少支承輥鋼錠鍛造裂紋的措施.大型鑄鍛件，2014(1).

編輯李韋螢

Research on KD Method Forging Process

Simulation of High Cr Backup Roll

Gan Hongsheng, Zhao Xin, Li Yong

Abstract：For the surface cracking of high Cr backup roll forged by traditional WHF method, the simulation contrast and analysis of two different processes for 105A grade Cr5 forged steel backup roll has been performed by adopting the numerical simulation, which can provide the theoretical basis for the production of heavy high Cr backup roll forged by KD method from now on.

Key words：high Cr backup roll; WHF method; surface cracking; KD method

收稿日期：2015—06—08

中圖分類號：O242

文獻標志碼：A