軋制對(duì)錠型偏析的影響

趙 杰，趙景存

（石鋼京誠裝備技術(shù)有限公司，遼寧 營口 115000）

齒輪鋼圓鋼橫斷面成分分布不均對(duì)加工成齒時(shí)的熱處理變形有重要影響，齒輪中部碳分布不均勻是引起齒輪嚙合度差的主要原因[1]。石鋼京誠裝備技術(shù)有限公司采用圓坯生產(chǎn)齒輪鋼棒材，本次試驗(yàn)的軋制工藝為：Φ450 mm連鑄坯→加熱爐加熱→開坯機(jī)軋制成中間坯（272 mm×272 mm）→連軋機(jī)組6個(gè)道次軋制（Φ160 mm）→橫移→鋸切→冷卻→收集→緩冷→精整。開坯機(jī)為箱型孔，連軋機(jī)組為橢圓-圓孔型系統(tǒng)。圓坯在軋制后錠型偏析的形狀變?yōu)槠綑E圓，幾何對(duì)稱性變差，本研究是通過數(shù)值模擬和實(shí)物對(duì)比，分析軋制過程對(duì)錠型偏析形狀變化的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

采用有限元軟件進(jìn)行模型建立，由于棒材軋制過程屬于大變形的金屬塑性成形問題，因此采用剛塑性材料模型。軋件為塑性材料，模擬用材料為AISI4140鋼，其泊松比為0.3，楊氏模量為210 MPa，熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃，摩擦系數(shù)為0.5，軋輥為剛性材料。棒材的軋制過程屬于對(duì)稱軋制，可選取原模型的1/4進(jìn)行模擬研究，如圖1所示，模擬過程采用四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。軋件與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)取0.015 kW/（m2·K），軋件的輻射率為0.75。

圖1 軋制模型

本次模擬實(shí)驗(yàn)研究連軋機(jī)組對(duì)錠型偏析的影響，使用點(diǎn)追蹤功能追蹤1/4處點(diǎn)的位移和等效應(yīng)變變化情況，如圖2所示，P1和P2的初始位置距離中心均是68 mm，然后對(duì)比分析上下和兩側(cè)的位移和等效應(yīng)變變化，并分析產(chǎn)生的原因。272mm×272mm的中間坯初始溫度為1 050℃，為更好地與實(shí)際情況相符合，中間坯先在空氣中冷卻120 s，然后進(jìn)入連軋機(jī)組，經(jīng)過6道次軋制成Φ160 mm。

圖2 P1和P2的位置

1.2 實(shí)物對(duì)比實(shí)驗(yàn)

將4支同鋼種同澆次的Φ450 mm連鑄坯經(jīng)過開坯機(jī)軋制成272 mm×272 mm的中間坯，然后經(jīng)過連軋機(jī)組6道次軋制成Φ160 mm圓鋼。軋制時(shí)不同爐號(hào)同流節(jié)號(hào)的連鑄坯軋制相同的面，兩支內(nèi)弧向上軋制，兩支側(cè)面向上軋制，分別在中間坯和軋材上取樣，標(biāo)定內(nèi)外弧和南北面的位置，對(duì)比分析中間坯的錠型偏析和軋材的錠型偏析的框型位置。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用點(diǎn)追蹤功能得到的P1和P2的位移圖如下頁圖3所示。

從圖3可以看出，第2道次、第4道次、第6道次的P2和P1兩點(diǎn)的位移差值分別為2.38mm、4.34 mm、2.27 mm。經(jīng)過6道次軋制，P2點(diǎn)向中心移動(dòng)的位移比P1點(diǎn)的位移大2.27 mm，即：P2點(diǎn)向中心移動(dòng)的位移較大，出現(xiàn)了長軸和短軸，錠型偏析的形狀成由圓形成為平橢圓形。方件進(jìn)橢圓以及橢圓-圓孔型系統(tǒng)中軋制時(shí)由于不同位置壓下量的不同，存在變形的不均勻性。

圖3 P1和P2的位移圖

由圖4可以看出，經(jīng)過6道次的軋制，P2的等效應(yīng)變?yōu)?.95，P1的等效應(yīng)變?yōu)?.88，P2比P1的等效應(yīng)變大0.07。方件進(jìn)橢圓孔后，從兩端開始?jí)合拢娇拷鼉啥藟合侣试酱螅瑧?yīng)變也是越靠近端部越大，越接近中間越小。

圖4 P1和P2的各道次等效應(yīng)變圖

圖5—圖10為第1至第6道次軋制完成后得到的等效應(yīng)變圖，可以看出軋件斷面內(nèi)不同位置應(yīng)變的不均勻性，軋制完成后原來中間坯四個(gè)角的部分應(yīng)變最大，中心部位應(yīng)變最小，上部的應(yīng)變要大于下部。

圖5 第分1布道云次圖等 效應(yīng)變

圖6 第2道次等效應(yīng)變分布云圖

圖7 第分3布道云次圖等 效應(yīng)變

圖8 第4道次等效應(yīng)變分布云圖

圖9 第分5布道云次圖等效應(yīng)變

圖10 第分6布道云次圖等效應(yīng)變

2.2 實(shí)物對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)軋制后的中間坯和軋材分別取樣做低倍觀察，如圖11所示，圖中1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)連鑄的內(nèi)弧、外弧、北側(cè)、南側(cè)。對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)分析統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。

圖11 實(shí)物照片

表2 錠型偏析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

下頁圖12中第一行為中間坯，第二行為軋材，粗實(shí)線為錠型偏析形狀。連鑄坯等軸晶/柱狀晶界面區(qū)域的宏觀偏析在軋制過程中沿軋制方向延伸的同時(shí)，在橫截面內(nèi)會(huì)向軋件表面產(chǎn)生不同程度地流變[2]。由圖12可以看出，軋后錠型偏析形狀均為不規(guī)則的平橢圓形。參照中間坯位置，再根據(jù)相對(duì)位置不變得出：4支坯料上下面到中心的距離減小的平均值為3 mm，兩側(cè)到中心的距離增大的平均值為1.15 mm。

圖12 中間坯和軋材錠型偏析示意圖（mm）

2.3 討論

在原始位置時(shí)，P1點(diǎn)和P2點(diǎn)到軋件中心的位置是相等的。由數(shù)值模擬結(jié)果顯示：整個(gè)斷面內(nèi)總的等效應(yīng)變是不均勻的，經(jīng)過6道次的軋制后，上部的應(yīng)變要大于下部的應(yīng)變，P1點(diǎn)的應(yīng)變大于P2，并且P2點(diǎn)的位移比P1點(diǎn)的位移大2.27 mm，也就是出現(xiàn)了短軸和長軸，圓坯在軋制后錠型偏析的形狀變?yōu)榱似綑E圓形。通過實(shí)物對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果表明，軋件1/4處上下面比兩側(cè)面的金屬位移（相對(duì)于軋件中心）大4.15mm，如果變形前為圓形，變形后也會(huì)成為平橢圓形。

數(shù)值模擬的結(jié)果和實(shí)物對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果是一致的，經(jīng)過6道次軋制，P2點(diǎn)（上下面）比P1點(diǎn)（兩側(cè)面）的位移大。在孔型中軋制時(shí)，不同位置的金屬流動(dòng)規(guī)律是不同的，方件進(jìn)橢圓孔后從兩端開始?jí)合拢娇拷鼉啥藟合侣试酱螅瑧?yīng)變越靠近端部越大，越接近中間越小[3]。在橢圓-圓孔型系統(tǒng)中軋制時(shí)，不同位置的壓下率是不同的，應(yīng)變也是不同的，壓下率大時(shí)相應(yīng)的應(yīng)變也大。

3 結(jié)論

1）方件在進(jìn)橢圓以及在橢圓-圓孔型系統(tǒng)軋制時(shí)，變形不均勻性較大，金屬流動(dòng)過程中相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化，軋制過程變形的不均勻性可以改變錠型偏析的形狀。

2）數(shù)值模擬的結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)具有一致性，通過數(shù)值模擬優(yōu)化孔型系統(tǒng)，可為生產(chǎn)高端齒輪鋼提供指導(dǎo)。