冶金裝備卷取機(jī)延伸軸熱處理調(diào)質(zhì)開裂分析

雷海濤 楊曉紅 馬淑謹(jǐn)

1.背景

卷取機(jī)是將熱軋或冷軋鋼材卷取成卷筒狀的軋鋼車間核心輔助設(shè)備，延伸軸在卷取機(jī)進(jìn)行鋼板卷取過程中起外部支撐的作用，該工件法蘭面與軸體的直徑方向尺寸差別大，是典型的臺(tái)階軸結(jié)構(gòu)。使用延伸軸結(jié)構(gòu)的卷取機(jī)主要進(jìn)行熱軋鋼板的卷取，卷取鋼板時(shí)鋼板溫度大約700℃，因此選用2Cr13不銹鋼鋼制造，在熱處理后需達(dá)到一定的強(qiáng)度及韌性，且具有一定的耐腐蝕性能，保證卷取機(jī)的使用壽命。圖1虛線標(biāo)注處為臺(tái)階軸即為延伸軸，與延伸軸緊挨的部位為鋼板的卷取位置。

2.取樣分析

2.1 外觀裂紋形貌觀察

從原件可以看出，裂紋沿著臺(tái)階R處外圓環(huán)向開裂，但未閉合；裂紋剖面存在一定的微氧化。

2.2 化學(xué)成分檢測(cè)分析

用臺(tái)式光譜MAXx06-F對(duì)裂紋部位的割取試塊進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表1。

圖1 卷取機(jī)示意圖

圖2 延伸軸熱處理前加工圖

2.3 硬度檢測(cè)

用威爾遜 VH1150 維氏硬度機(jī)進(jìn)行GB/T4340.1—1999金屬維氏硬度試驗(yàn)，結(jié)果見表2。從硬度檢測(cè)結(jié)果來看，硬度值符合圖紙要求的硬度值HB290-320，與熱處理后硬度檢測(cè)結(jié)果一致。

2.4 金相組織檢測(cè)

根據(jù)金相組織檢測(cè)結(jié)果，組織為主要回火索氏體組織，在500x下觀察，組織中存在保留馬氏體位向的回火索氏體，隱約可見晶界，并且有少量的殘余奧氏體。調(diào)質(zhì)組織符合要求。

表1 延伸軸材質(zhì)2Cr13化學(xué)成分檢測(cè)分析結(jié)果

2.5 機(jī)械性能檢測(cè)

機(jī)械性能檢測(cè)見表3。

表2 延伸軸調(diào)質(zhì)后硬度值檢測(cè)情況

表3 延伸軸熱處理后力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

3.熱模擬軟件計(jì)算內(nèi)應(yīng)力

采用熱模擬軟件Deform，模擬計(jì)算回火后不同的冷卻介質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。由于此裂紋發(fā)現(xiàn)在回火后，考慮到2Cr13材質(zhì)調(diào)質(zhì)回火后會(huì)產(chǎn)生回火脆性，故在回火后進(jìn)行水冷消除回火脆性。生產(chǎn)當(dāng)天水溫50℃左右，按照560℃工件出爐進(jìn)行水冷至50℃左右的要求，對(duì)工件自身內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行模擬，在開裂的R角處，選取5處作為參照點(diǎn)，用以分析水冷過程中5個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力分布。見圖1、圖2。

根據(jù)工件水冷與油冷應(yīng)力分析對(duì)比，水冷比油冷應(yīng)力大。在冷卻2850s時(shí)，水冷產(chǎn)生的應(yīng)力最大為481Mpa。因此2Cr13延伸軸回火后為了消除回火脆性，也采用應(yīng)力較大的水冷。

4.結(jié)論分析及改進(jìn)措施

4.1 結(jié)論

根據(jù)分析結(jié)果，工件的化學(xué)成分、金相組織特征、硬度、機(jī)械性能均符合要求；使用Deform熱模擬軟件，對(duì)回火的工件在水冷過程中產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行模擬，最大的應(yīng)力為481Mpa，已達(dá)到屈服強(qiáng)度的63%左右；根據(jù)《YB/T 036.16--92冶金設(shè)備制造通用技術(shù)條件.熱處理件標(biāo)準(zhǔn)》中3.8條的要求，此延伸軸屬于典型的臺(tái)階軸D-d = 736-350 =386，大于200，接近400，故依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)過渡圓角應(yīng)R≥35，而鍛件粗加工要求的R為30，過渡圓角偏小；故造成該延伸軸開裂的主要原因?yàn)椋捍搜由燧S截面較大，回火后采用水冷消除回火脆性時(shí)冷速較快，產(chǎn)生較大的應(yīng)力是造開裂的直接原因,過渡R角偏小是造成開裂的間接原因。

圖1 水冷卻時(shí)間與工件溫度的變化曲線

圖2 冷卻時(shí)間與應(yīng)力變化曲線

4.2 改進(jìn)措施

對(duì)于此類延伸軸，將過渡R角加大至40，并在淬火后改用油冷消除回火脆性，增加回火油冷后采用350℃回火15小時(shí)左右，消除回火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，至今沒有出現(xiàn)由于內(nèi)應(yīng)力釋放產(chǎn)生的延伸軸開裂使工件報(bào)廢的情況。