定寬壓力機曲軸熱處理工藝研究

李伯林

(寶鋼股份公司熱軋廠，上海 200941)

定寬壓力機曲軸熱處理工藝研究

李伯林

(寶鋼股份公司熱軋廠，上海 200941)

曲軸是定寬壓力機的關鍵部件之一，熱處理工藝直接對曲軸最終力學性能與服役周期有重要影響。本文以某廠的定寬壓力機曲軸為研究對象，制定了曲軸的熱處理工藝路線，提出了水-空間隙冷卻策略。應用數值模擬軟件Deform建立其有限元模型，分析了冷卻過程中曲軸的溫度場、組織場與應力場。采用該工藝可防止冷卻速度過快引起的鍛件表面裂紋，得到表面為馬氏體、心部為貝氏體的組織，為回火做好組織準備，能夠滿足鍛件的組織性能要求。

定寬壓力機；曲軸；熱處理工藝；溫度場；應力場

0 前言

定寬壓力機自誕生以來，由于其側壓量大，狗骨、魚尾缺陷少等優點而不斷地被應用于熱軋產線上。隨著定寬壓力機的不斷應用，國內外的廣大學者對其展開了深入廣泛的研究，主要研究內容包括以下三個方面：產品形狀控制能力的研究，砧板形狀及材質的研究，結構形式及運動學研究等。

在產品形狀控制能力方面，Muller等人[1]采用有限元法對側壓過程中板坯變形行為進行了研究。焦四海等人[2]采用ABAQUS軟件分析了板坯在調寬壓力機調寬過程中的基本變形特征。楊雄等人[3]結合某熱軋廠板坯在調寬過程中出現不對稱板形的問題進行了分析。在砧板形狀及材質方面，Ishikawa等人[4]發明了一種定寬壓力機，包括砧板更換裝置，兩個斜面組成的砧板形狀、以及砧板位置確定裝置等。Ko等人[5]研究了通過改變砧板形狀減少熱軋帶鋼缺陷的措施。江光彪等人[6]對定寬壓力機側壓砧板的堆焊材料及堆焊工藝進行了研究。在結構及運動學分析方面，劉松等人[7]對國內某廠1 880 mm熱軋產線定寬壓力機的結構特點進行了分析。張齊兵[8]對國內某廠從日本IHI公司引進的定寬壓力機進行了運動學分析。馮憲章等人[9]對國內某廠1580 mm熱軋產線的定寬壓力機的運動學進行了仿真。

總體而言，上述研究為定寬壓力機的設備維護、工藝參數優化、產品性能和質量提高提供了豐富的參考資料，但在定寬壓力機制造工藝方面的研究資料非常少見。目前，全世界僅日本MH、IHI與德國SMS三家公司能夠提供定寬壓力機成套裝備，造價十分昂貴。為打破國外壟斷，需要自主研究定寬壓力機關鍵部件的制造工藝。曲軸是定寬壓力機的關鍵部件之一，在工作過程中需要承受反復的沖擊，對其制造質量要求很高。曲軸的生產工藝主要包括鍛造與熱處理兩部分，本文將對曲軸鍛造后的熱處理工藝進行研究，為曲軸熱處理工藝的確定和優化提供理論依據。

1 熱處理工藝分析

曲軸的結構如圖1所示，材質為30Cr2Ni2Mo合金結構鋼。曲軸最大直徑為Ф1060 mm，最小直徑為Ф598 mm，總長為4 639 mm。由于曲軸的尺寸較大，熱處理工藝不僅要考慮工件的結構特點，而且還得考慮熱處理設備的處理能力，而淬火工序作為調質處理中最重要的工序，將最終決定鍛件的組織性能。理論研究表明如果冷卻后獲得馬氏體組織，再經低溫回火后具有較高的強度、硬度和耐磨性，但塑性韌性較低。馬氏體經高溫回火后，則可得到均勻的回火索氏體組織，其強度、塑性和韌性能夠得到最好的配合，即獲得較高的綜合力學性能。

圖1 曲軸結構圖

曲軸的熱處理包括鍛后熱處理(預備熱處理)和最終熱處理。鍛后熱處理的主要目的是消除鍛造應力，降低鍛件的表面硬度，提高其切削加工性能(170HB-230HB之間利于切削)，同時調整和改善大型鍛件在鍛造過程中所形成的過熱和粗大組織，降低大型鍛件內部化學成分和金相組織的不均勻性，細化奧氏體晶粒；最終熱處理是決定鍛件最終使用性能的熱處理工序，因此最終熱處理對大型鍛件異常重要，是保證鍛件使用性能的關鍵，同時大型鍛件一般均要進行調質處理，以消除鍛件內部的殘余應力，改善鍛件的力學性能，滿足使用要求。

通過查詢文獻[10-11]得知30Cr2Ni2Mo合金結構鋼的奧氏體化溫度為850℃，A1轉變線溫度為720℃，As轉變線溫度為760℃，馬氏體轉變溫度為295℃左右，過冷奧氏體轉變產物為珠光體、貝氏體和馬氏體，馬氏體轉變只在一定的冷卻速度下才能發生，而曲軸冷卻的目的就是為了得到表面為馬氏體，心部為貝氏體的組織，然后再經回火處理后，能最大程度提高鍛件的強度、塑性和韌性。

大鍛件的冷卻方式[12-14]主要有以下幾種：水冷(包括噴水冷卻)，油冷，空冷(自然空冷和鼓風冷)，間隙冷卻(水-空，水-油，油-空)及噴霧冷卻。淬火介質有水、油和空氣。為了使曲軸表面得到馬氏體，因此需要較大的冷卻速度，因此需要采用水冷。但由于曲軸直徑較大，單純水冷會引起較大的熱應力，容易使鍛件表面產生裂紋，為解決這一問題，最好的方法就是采用水-空間隙冷卻的方法以控制截面的溫差大小。制定曲軸熱處理的加熱與冷卻工藝如圖2所示。

圖2 階梯加熱工藝

2 熱處理過程模擬

熱處理過程模擬所需參數包括：各個相(奧氏體、馬氏體、珠光體、貝氏體)的熱物理性參數，相轉變模型參數等，經查詢相關文獻和資料后可以一一確定。在Solidworks軟件中進行曲軸建模后，導入Deform軟件中進行網格劃分，網格劃分后的模型如圖3所示，單元與節點數量如表1所示。

圖3 網格劃分

模型單元數量/個單元形式節點個數/個坯料35000四面體22215

換熱系數是淬火模擬中最重要的參數，直接影響相變的成分和組織狀態，換熱系數的影響因素有很多，如各種冷卻介質(空冷、水冷、油冷等)的性質和流動速度，工件的材質和形狀等。由于采用水-空間隙冷卻的方法，因此通過查閱相關文獻確定水冷和空冷的換熱系數[14]如圖4所示，從圖中可以看出水冷與空冷的換熱系數相差比較大，當工件長時間水冷時，往往會造成工件內部的熱應力過大，而出現裂紋甚至直接導致鍛件報廢，因此采取水冷-空冷間隙冷卻的方法，可以減小鍛件內部熱應力，保證鍛件的正常熱處理。

圖4 換熱系數與溫度的關系曲線

由于模擬的是淬火過程，假設鍛件各部位加熱均勻，即初始溫度選取完全奧氏體化溫度850℃，并認為工件完全奧氏體化，即奧氏體百分比為1。由于曲軸鍛件的體積和重量比較大，選擇把曲軸放置到料盤中進行水冷，空冷時直接吊起料盤即可，因此在模擬時，必須對曲軸的一個表面進行位移約束(為簡化模型，選取曲軸直徑最大的表面)，如圖5所示。

圖5 位移約束

通過熱處理模擬可以得到整個過程的溫度場、組織場、應力場等參數，可以預測鍛件的溫度變化和組織的轉變情況，分析淬火過程中應力的變化情況。溫度模擬結果如圖6所示。

圖6 溫度場模擬結果

從圖6可以看出，水冷500 s后鍛件表面降到150℃左右，再經200 s空冷后，鍛件表面溫度回升到300℃左右，最終鍛件表面降溫到89℃，而鍛件心部的溫度變化不明顯，為了便于對比，從曲軸最大截面取五個測量點，如圖7所示，從曲軸表面到心部各個點等間距分布，提取溫度變化情況，結果如圖8所示。

圖7 提取點分布

圖8 特征點溫度變化

從圖8可以看出，中間兩次的空冷過程，坯料表面溫度均有回升，起到了減小坯料表面與心部的溫差的作用，可以防止熱應力過大，引起鍛件表面產生裂紋。

模擬結束后組織場模擬結果如圖9所示。由圖可知，鍛件淬火結束后，表面得到了馬氏體，中間為貝氏體，由于心部溫度較高，冷卻速度慢，還有部分奧氏體沒有發生轉變，淬火結束后可以通過回火得到回火索氏體，提高鍛件的強度。

圖9 組織場模擬結果

水冷500 s與模擬結束后的軸向應力場模擬結果如圖10所示。由圖10可知，當水冷時，由于表面冷卻速度快，心部冷卻速度慢，表面受拉應力，心部受壓應力，但鋼在高溫下具有很高的塑性，所以這種溫差引起的瞬時應力將由于工件內外的塑性變形、回復與再結晶等方式松弛掉。而當冷卻過程繼續進行，表面將產生硬殼，并對心部的收縮產生阻礙作用，工件中的內應力將發生反轉，即由心部受壓表面受拉變為心部受拉表面受壓的狀態。這種應力隨著冷卻的繼續進行不斷增大，并一直殘留到常溫，這就是殘余熱應力，從模擬結果來看，心部的軸向拉應力在25 MPa左右，表面軸向拉應力在48 MPa左右，均在合理的范圍內。

圖10 應力場模擬結果

3 結論

(1) 曲軸進行淬火時，應采用水-空間隙冷卻的方法，防止過快的冷卻速度，造成鍛件表面出現裂紋。

(2)中間兩次空冷過程坯料表面溫度均有回升，起到了減小坯料表面與心部的溫差的作用，可以防止熱應力過大，引起鍛件表面產生裂紋。

(3) 采用水-空間隙冷卻的方法能得到表面為馬氏體，心部為貝氏體的組織，為回火做好組織準備，能夠滿足鍛件的組織性能要求。

(4) 熱處理過程中，曲軸心部的軸向拉應力在25 MPa左右，表面軸向拉應力在48 MPa左右，均在合理的范圍內。

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Research on heat treatment technology of crankshaft for slab sizing press

LI Bo-lin

(Baosteel Hot Rolling Department, Shanghai 200941, China)

Crankshaft is an important part of slab sizing press, and the heat treatment technology has important influence on the mechanical property and service cycle of crankshaft. This paper takes the crankshaft of slab sizing press as the research object, making the heat treatment technology process for crankshaft. A water-air gap cooling strategy is put forward. The finite element model was established using the numerical simulation software Deform, and the temperature, microstructure and stress filed during the cooling course was analyzed. The heat treatment technology process can avoid the surface crack phenomenon induced by the too fast cooling rate. Finally, a microstructure filed consists of martensite at the surface and bainite in the core can be obtained, which provides a basic condition for tempering and can meet the final requirement of mechanical properties.

slab sizing press; crankshaft; heat treatment technology; temperature field; stress field

2016-12-02；

2016-12-31

河北省自然科學基金(E2016203482)。

李伯林(1980-)，男，寶鋼股份公司熱軋廠工程師，從事熱軋裝備研究與管理工作。

TG305

A

1001-196X(2017)02-0041-05